EO

Wereldrecord energiezuinige dataconversie voor IoT

04 december 2019 om 13:01 uur

Het succes van IoT, dat bestaat uit veel kleine en autonoom werkende sensoren, hangt in hoge mate af van het energieverbruik. De energie die nodig is om de fysieke signalen om te zetten in digitale data, kan nog flink omlaag. Daarbij ligt de nadruk vaak op de eigenlijke omzetting van analoog naar digitaal. Maar daaraan vooraf is er nog een energie vretende stap die vaak wordt genegeerd.


UT-onderzoeker Harijot Singh Bindra, die onlangs cum laude promoveerde op het proefschrift Low energy design techniques for data converters,  heeft beide stappen aangepakt, met als resultaat een drastisch lager energieverbruik. De UT spreekt trots van een wereldrecord.


Als we straks worden omgeven door vele sensoren die verbonden zijn met het internet, moet het vervangen van batterijen niet onze grootste zorg zijn. Een van de aantrekkelijke opties is dat de sensor zijn eigen energie uit de omgeving haalt, bijvoorbeeld uit licht of beweging. In het project ‘Plantenna', dat de gezondheid van planten monitort, zou de energie uit de plant genoeg moeten zijn om de sensor te voeden. Om dit mogelijk te maken, moet het energieverbruik van elke onderdeel van een sensorknooppunt echter flink omlaag. Het omzetting van de fysieke signalen uit de omgeving naar digitale informatie, is nog steeds verantwoordelijk voor een belangrijk deel van het energieverbruik.

 

10 jaar met een enkele knoopcel

In deze AD-conversie is volgens Bindra nog winst te halen. "Maar er is meer. De eigenlijke sensor staat altijd ‘aan', om de veranderingen in de omgeving meteen te kunnen meten. Het kost ook energie om dit signaal naar de AD-converter te sturen. Dit is de spreekwoordelijke ‘elephant in the room' waar vaak overheen wordt gekeken." Bindra heeft gewerkt aan het energieverbruik van beiden, met als resultaat een energieverbruik dat tot 3 keer lager ligt dan de huidige zuinigste schakeling. Het gaat om minder dan een picojoule (10-12 joule) per conversiestap. Dat betekent bijvoorbeeld dat een batterij van het ‘button cell' type meer dan 10 jaar mee kan.

 

Verlies beperken

Bindra heeft een successive approximation AD-converter ontworpen. Het basisidee van dit type schakeling is dat het ingangssignaal wordt vergeleken met een referentie die verandert. Stap voor stap komt er dan een nauwkeurige digitale code uit. Het is de vergelijking met het referentiesignaal, de comparator, die 50 tot 60% van de totale energie verbruikt. Elke stap in de vergelijking verbruikt een minimum hoeveelheid energie die tijdelijk wordt opgeslagen. Die energie gaat verloren aan het eind van de vergelijking en moet, voor de volgende stap, weer worden bijgevuld. Bindra gebruikt maar een deel van de energie, zodat het verlies ook kleiner is. De energie hangt af van het spanningsverschil na iedere vergelijking, en van de capaciteitswaarde: door allebei slim bij te stellen, kan het verbruik van de comparator omlaag.


Belangrijk is ook dat, om de AD conversie mogelijk te maken, het signaal van de sensor daarvoor ‘klaargemaakt' wordt. Bestaande sensoren zijn vaak gekoppeld aan een relatief grote condensator die wordt opgeladen met het hele spanningsbereik. Laat de waarde van het ingangssignaal bepalen welke condensator wordt ingeschakeld, is Bindra's benadering. Het resultaat is dat de energie die nodig is om het sensorsignaal klaar te zetten voor de AD converter, met een factor 2 tot 3 omlaag kan.

 

Samen met de buren

De draadloze communicatie van elk sensorknooppunt is een grote energieverbruiker. De dataconversie is een belangrijk onderdeel van deze communicatie. Een andere strategie waaraan de UT werkt, is het minimaliseren van de communicatie. Dat kan bijvoorbeeld door sensoren te laten samenwerken met hun buren.

 

Gerelateerd nieuws

Bommetje onder supergeleidingstheorie

Bommetje onder de supergeleidingstheorie

Metingen aan een supergeleider laten een scherpe overgang zien tussen een gewoon metaal en een zogeheten 'vreemd' metaal. Maar wat pas echt vreemd is: de overgang verliest die scherpte weer als de temperatuur…

Boek over dynamiek in Nederlandse chipindustrie

Boek over dynamiek in Nederlandse chipindustrie

Hoe kan het dat Nederlandse ondernemingen als ASML, ASM, BESI en NXP de spil vormen in de digitale revolutie? Daarover gaat het boek Fortunes of High Tech door Jorijn van Duijn. In de studie met de ondertitel A history…

Invulling financieringsinstrumenten PPS vastgelegd

Invulling financieringsinstrumenten PPS vastgelegd

Klimaatverandering, cybersecurity, vergrijzing: onze samenleving staat voor een aantal grote uitdagingen die vragen om meer kennis en baanbrekende innovaties. Dat biedt kansen voor wetenschappers en voor bedrijven. NWO…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Nieuwe Safety Field Box van Schmersal

Eenvoudige installatie-oplossing voor complexe machines: veiligheidsveldbus met PROFINET/PROFIsafe-veldbusinterface

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

9 december 2019, D&F kantoor Breda

Veiligheid van beweegbare bruggen volgens NEN 6787

10 december 2019, Utrecht

International MicroNanoConference 2019

De actieve betrokkenheid van industrie, wetenschap en gebruikersgemeenschap van microsystemen en...

Meer agendapunten »