ES2217988B1 - Circuito regulador y usos correspondientes. - Google Patents
Circuito regulador y usos correspondientes.Info
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Abstract
Circuito regulador y usos correspondientes. El circuito regulador comprende por lo menos dos bornes de entrada, uno o varios grupos de reactancias con por lo menos dos reactancias, por lo menos dos bornes de salida, una pluralidad de interconexiones aptas para conectar dichas reactancias entre sí y aptas para conectar por lo menos una de las reactancias con los bornes de entrada y de salida. Las interconexiones comprenden relés miniaturizados que permiten permutar una conexión en serie de dichas reactancias a una conexión en paralelo y viceversa. El circuito puede comprender, adicionalmente, medios de monitorización de voltaje, módulos de suministro de potencia, módulos de protección de entrada y salida, módulos de señal de referencia, módulos de control, etc. El circuito regulador tiene múltiples aplicaciones como bomba de carga, fuente de alimentación, conversor DC/DC, conversor DC/AC, conversor AC/DC, conversor D/A, conversor A/D, amplificador de potencia, etc.
Description
Circuito regulador y usos correspondientes.
La invención se refiere a un circuito regulador,
de tensión o de corriente, que comprende por lo menos dos bornes
de entrada, por lo menos un primer grupo de reactancias con por lo
menos dos reactancias, por lo menos dos bornes de salida, una
pluralidad de interconexiones aptas para conectar dichas reactancias
entre sí y aptas para conectar por lo menos una de dichas
reactancias con dichos bornes de entrada y de salida. La invención
se refiere asimismo a unos usos preferentes de un circuito
regulador de acuerdo con la invención.
Son conocidos unos circuitos, usualmente
denominados bombas de carga (en inglés "charge pumps") o
bombas de tensión (en inglés "voltage pumps"), en los que se
dispone de diversos condensadores que pueden ser cargados a una
determinada tensión mediante una fuente externa y que, una vez
cargados, son conectados a una carga determinada que debe ser
alimentada. Unos interconexionados adecuados permiten suministrar
a la carga una tensión diferente a la tensión de la fuente externa.
Efectivamente: si los condesadores son conectados en paralelo y son
conectados a la fuente externa, todos ellos tendrán la tensión de
la fuente externa, y si posteriormente se desconectan de la fuente
externa, se reconectan entre sí de manera que estén conectados en
serie y se conectan posteriomente a la carga, entonces la carga es
alimentada con una tensión equivalente a la tensión de la fuente
externa multiplicada por el número de condensadores que se han
conectado en serie. Alternativamente, si los condensadores están
conectados en serie entre sí cuando están conectados a la fuente
externa, y se reconectan en paralelo para alimentar a la carga,
entonces la carga será alimentada con una tensión que será igual a
la tensión de la fuente externa dividida por el número de
condensadores conectados en paralelo.
Sin embargo, los circuitos conocidos en el estado
de la técnica tienen una serie de inconvenientes que limitan sus
posibles aplicaciones:
- tienen eficiencias reducidas
- tienen una capacidad de amplificación
reducidas
- tienen una potencia muy reducida,
- son muy voluminosos
- son ruidosos
Si bien no todos los circuitos tienen todos los
inconvenientes citados, siempre tienen alguno de dichos
inconvenientes.
La invención tiene por objeto superar estos
inconvenientes. Esta finalidad se consigue mediante un circuito
regulador del tipo indicado al principio caracterizado por que las
interconexiones comprenden relés miniaturizados y porque los relés
miniaturizados permiten permutar una conexión en serie de las
reactancias a una conexión en paralelo y viceversa.
En la presente descripción y reivindicaciones se
emplea la palabra relé para designar un conmutador o interruptor
en el que el contacto eléctrico se establece mediante un elemento
conductor que físicamente se pone en contacto con los dos extremos
del circuito que se quiere conectar y en el que el contacto
eléctrico se interrumpe cuando el elemento conductor físicamente
deja de estar en contacto con por lo menos uno de los extremos del
circuito que se quiere interrumpir. Es decir, el elemento conductor
realiza un movimiento físico (entre una primera posición y una
segunda posición) y establece las conexiones eléctricas a base de
entrar en contacto físico con el extremo del circuito
correspondiente. Además, el relé debe ser apto para abrir y cerrar
por lo menos un circuito eléctrico externo, donde por lo menos una
de las acciones de apertura y cierre del circuito eléctrico externo
se hace mediante una señal electromagnética.
Efectivamente, el empleo de relés miniaturizados
permite obtener las siguientes mejoras:
- -
- tienen una resistencia muy baja cuando están cerrados y una resistencia muy alta cuando están abiertos. Ello permite mejorar mucho la eficiencia del circuito ya que minimizan las pérdidas por efecto Joule tanto en el caso de circuito cerrado como en el caso de circuito abierto.
- -
- pueden trabajar con tensiones muy superiores a las tensiones necesarias para su activación. Esta particularidad es muy importante ya que permite generar tensiones muy superiores a las tensiones de control del circuito. Además, es posible conectar una elevada cantidad de condensadores en paralelo (tres o más condensadores) y conectarlos después simultáneamente en serie, con lo que únicamente con dos etapas de conmutación se pueden conseguir incrementos de tensión tan elavados como se desee.
- -
- permiten una velocidad de conmutación muy elevadas. Esto es asimismo una ventaja muy importante, ya que la capacidad de "bombear" más o menos potencia (es decir, intensidad en el caso que la tensión venga impuesta) depende básicamente de dos parámetros: la capacidad de los condensadores y la velocidad de "bombeo" (de conmutación). Los relés miniaturizados tienen una velocidad de conmutación muy elevada, lo que permite reducir el tamaño de los condensadores para una potencia de salida determinada. Por lo tanto, el empleo de relés miniaturizados permite una doble reducción de tamaño: debido a los relés miniaturizados por sí mismos, y debido al uso de condensadores más pequeños.
- -
- en la mayoría de los casos, será posible tener todo el circuito miniaturizado, incluidos los condensadores. Ello permitirá que todo el conjunto del circuito regulador, incluso el conjunto del dispositivo que incluya el circuito regulador (de los que se hablará más adelante), sea miniaturizado, aunque requiera una pluralidad de grupos de reactancias con sus correspondientes interconexiones, e incluso aunque requiera una pluralidad de circuitos reguladores completos.
- -
- el empleo de relés miniaturizados que requieran muy poca energía para ser activados, como por ejemplo los que serán descritos más abajo, permite también mejorar de una forma importante la eficiencia del conjunto, ya que un circuito regulador tendrá en la práctica una elevada cantidad de relés miniaturizados que estarán conectándose y desconectándose a gran velocidad, por lo que su consumo eléctrico es un factor que puede ser significativo si el relé escogido no es de bajo consumo.
- -
- el empleo de relés miniaturizados permite reducir claramente el problema acústico, por lo que no es necesario, en general, incluir protecciones acústicas tipo pantallas o similares a pesar de tener una elevada cantidad de relés conectándose y desconectándose a gran velocidad.
- -
- hay un gran aislamiento entre la fuente externa y la carga, sin que haya un camino eléctrico entre ambos
- -
- bruscos cambios de tensión en la entrada del circuito de regulación son suavizados
- -
- se obtiene un buen comportamiento de cara a requerimientos EMC (del inglés Electromagnetic Compatibility) ya que no se generan señales de alta frecuencia y, por lo tanto, se irradia una cantidad de potencia muy pequeña. En este sentido debe tenerse en cuenta que, aunque los relés miniaturizados sí estarán conmutando a elevadas frecuencias, la señal de potencia tiene un valor constante. Adicionalmente, las posibles interferencias de entrada no tienen una gran influencia sobre la salida, alterando como máximo el tierno de conmutación, en el caso que éste sea controlado.
Si bien se ha hecho referencia en general al uso
concreto de condensadores, debe tenerse en cuenta que el empleo de
condensadores es únicamente una solución preferente. En general, el
circuito puede tener cualquier tipo de reactancias: condensadores,
bobinas o incluso combinaciones de ambos. En el caso de emplear
bobinas, éstas pueden estar conectadas en serie y ser cargadas de
corriente para posteriormente conectarlas en paralelo y obtener una
corriente final que sea la corriente inicial (que pasa por las
bobinas en serie) multiplicada por el número de bobinas conectadas
en paralelo. Ello permitiría obtener una fuente de corriente, que
puede ser de interés como tal, o bien podría ser posteriormente
adaptada para poder trabajar como fuente de tensión.
Preferentemente se emplearían bobinas hechas con material
superconductor, lo que permitiría reducir la cantidad de bobinas
necesarias, reducir las exigencias de tiempo de conmutación de los
relés miniaturizados, aumentar la eficiencia al no haber pérdidas
energéticas en las bobinas, y facilitar la posibilidad de que todo
el circuito regulador esté integrado.
Preferentemente el circuito regulador comprende
por lo menos un segundo grupo de reactancias con por lo menos dos
reactancias, una pluralidad de interconexiones aptas para conectar
las reactancias del segundo grupo entre sí y aptas para conectar
por lo menos una de las reactancias del segundo grupo con los
bornes de entrada y de salida, donde las interconexiones comprenden
relés miniaturizados, y donde los relés miniaturizados permiten
permutar una conexión en serie de las reactancias del segundo
grupo a una conexión en paralelo y viceversa. Básicamente la idea
es la siguiente: dado que el primer grupo de reactancias trabaja de
una forma discontinua, ya que mientras está cargándose no está
suministrando potencia a la carga, es conveniente incluir un
elemento que permita seguir alimentando a la carga durante el
tiempo que el primer grupo de reactancias está cargándose. Este
elemento puede ser un condensador que haga la función de filtro de
salida, o puede ser un segundo grupo de reeactancias que esté
decalada en el tiempo respecto del primer grupo, de manera que
cuando un grupo de reactancias se esté cargando el otro esté
alimentando a la carga. Lógicamente, es posible tener más de dos
grupos trabajando de esta manera, e incluso se pueden tener varios
grupos trabajando de esta manera y, simultáneamente, un filtro de
salida.
Ventajosamente el circuito regulador está
integrado en un circuito integrado. En general interesa tener todo
el circuito regulador agrupado en el espacio menor posible. Si bien
será dificil integrar todo el circuito en un circuito integrado
monolítico SoC (del inglés System on Chip) ya que los valores de
capacitancia requeridos no pueden ser incluidos en un circuito
integrado monolítico (o se requerirían velocidades de conmutación
extraordinariamente elevadas), es posible incluir todos los
elementos en un circuito integrado tipo SIP (del inglés System in a
Package) que es un paquete que incluye un MCM (del inglés
Multi-chip Module) con los condensadores
correspondientes. Para el usuario del mismo, el conjunto es un
circuito integrado.
En general. el circuito regulador puede
transformar (aumentar o reducir) cualquier tensión de entrada:
contínua, alterna o variable en el tiempo en general,
convirtiéndola en una tensión de salida de la misma forma, pero
aumentada o reducida. Asimismo es capaz de generar cualquier
tensión de salida:
- -
- puede obtener una tensión de salida siempre la misma (por ejemplo 25 V) y siempre constante.
- -
- puede obtener una tensión de salida siempre constante pero diferente según los requerimientos de la carga (simplemente programando una cantidad diferente de condensadores que deben conmutarse en serie/paralelo), de manera que el usuario pueda seleccionar la tensión de salida deseada (por ejemplo 15, 20, ó 25 V).
- -
- puede obtener una tensión de salida alterna o variable en el tiempo, aunque la tensión de entrada sea contínua, programando que la cantidad de condensadores que deben conmutarse en serie/paralelo siga una determinada secuencia en el tiempo, o, en general, un módulo que controle la tensión que debe ser generada.
Por lo tanto, un uso preferente de un circuito
regulador de acuerdo con la invención es para la fabricación de un
conversor del grupo formado por conversores DC/DC (corriente
continua/ corriente continua), AC/DC (corriente alterna/corriente
continua) y DC/AC (corriente contínua/corriente alterna). O, dicho
de otro modo, la invención tiene también por objeto un conversor
DC/DC, AC/DC y/o DC/AC que comprenda un circuito regulador de
acuerdo con la invención.
Otras ventajas y características de la invención
se aprecian a partir de la siguiente descripción, en la que, sin
ningún carácter limitativo, se relatan unos modos preferentes de
realización de la invención, haciendo mención de los dibujos que se
acompañan. Las figuras muestran:
Figs. 1.1 y 1.2, una batería de condensadores
conectados en serie y en paralelo.
Fig. 2.1 y 2.2, unos circuitos de monitorización
y control de la carga de un condensador.
Fig. 3, una batería de condensadores conectados
en serie y en paralelo
Figs. 4.1 a 4.5, un módulo de suministro de
potencia digital y su secuencia de activación.
Fig. 5, un conversor A/D segmentado.
Figs. 6.1 a 6.4, un dispositivo comparador y su
secuencia de comparación.
Fig. 7, un conversor D/A.
Fig. 8, un esquema simplificado de un relé con
dos placas de condensador en su segunda zona.
Fig. 9, un esquema simplificado de un relé con
dos placas de condensador, una en cada una de sus zonas.
Fig. 10, un esquema simplificado de un relé con
tres placas de condensador.
Fig. 11, una vista en perspectiva de una primera
forma de realización de un relé de acuerdo con la invención, sin
tapa.
Fig. 12, una vista en planta del relé de la Fig.
11.
Fig. 13, una vista en perspectiva de una segunda
forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 14, una vista en perspectiva del relé de la
Fig. 13 al que se le han eliminado los componentes del extremo
superior.
Fig. 15, una vista en perspectiva de los
elementos inferiores del relé de la Fig. 13.
Fig. 16, una vista en perspectiva de una tercera
forma de realización de un relé de acuerdo con la invención, sin
tapa.
Fig. 17, una vista en perspectiva en detalle de
la parte cilíndrica del relé de la Fig. 16.
Fig. 18, una vista en perspectiva de una cuarta
forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 19, una vista en perspectiva de una quinta
forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 20, una vista en planta de una sexta forma
de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 21, una vista en perspectiva de una séptima
forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 22, una vista en perspectiva inferior, sin
substrato, de una octava forma de realización de un relé de acuerdo
con la invención.
Fig. 23, una esfera realizada mediante
micromecanizado en superficie.
Fig. 24, una vista en perspectiva de una novena
forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 25, un relé en reposo abierto.
En las Figs. 1.1 y 1.2 se muestra el concepto
básico de las bombas de carga: un circuito que comprende dos bornes
de entrada y una pluralidad de consesadores C_{1}, C_{2},
C_{3}, C_{4} conectados en serie con los bornes de entrada.
Todos los condensadores se cargan a una tensión V_{i}, y
posteriormente el circuito se reconecta de manera que los
condensadores están en paralelo. La tensión en bornes de la salida
V_{o} es cuatro veces la tensión V_{i}. Asimismo, haciendo la
secuencia al revés, es posible dividir la tensión por cuatro. En
estos esquemas no se han mostrado todos los interconexionados ni
los relés correspondientes ya que debe existir una pluralidad de
los mismos a fin de permitir todos los conexionados requeridos.
Con este tipo de circuito es posible aumentar o
reducir la tensión de salida de una forma discreta: como múltiplos
de la tensión de entrada o como divisiones de la tensión de entrada
por un número entero. Por ello, una solución preferente de un
circuito regulador de acuerdo con la invención comprende unos medios
de monitorización del voltaje de por lo menos uno de los
condensadores, donde estos medios de monitorización son aptos para
detectar la variación de voltaje del condensador a lo largo del
tiempo, y comprende también unos medios de control aptos para
desconectar el condensador de los bornes de entrada cuando su
voltaje alcanza un valor predeterminado. Efectivamente, de esta
manera se puede conseguir que el condensador (o los condesadores)
se cargue un voltaje cualquiera entre 0 y V_{i}, con lo que
posteriormente se puede conseguir cualquier valor de tensión a la
salida del circuito regulador. Un ejemplo de unos medios de
monitorización y de control de este tipo se muestran en la Fig.
2.1. El relé S_{1} tiene una resistencia cuando está conectado
que está representada por R_{r}. La tensión en bornes V_{o} del
condensador C es comparada con una tensión de referencia V_{r} y
el relé es abierto en cuanto V_{o} = V_{r}. Si la tensión de
entrada tiene valores de pico superiores a la tensión de
alimentación del comparador, será necesario reducir la tensión que
llega al comparador, lo cual puede hacerse por ejemplo
anteponiendo un divisor de tensión resistivo delante del terminal
negativo de entrada del comparador, con valores de resistencia
elevados para no tener pérdidas energéticas significativas (Fig.
2.2).
En las Figs. 1.1. y 1.2 se han mostrado unos
esquemas básicos de conexionados de reactancias. Sin embargo, para
obtener una precisión mayor en la señal de salida (sin necesidad
de emplear unos medios de monitorización) se pueden emplear
diversas estrategias:
- -
- tener dos circuitos reguladores en cascada, realizando una primera amplificación de la señal y posteriormente una reducción de la misma (o viceversa). El orden dependerá de si la tensión de salida debe ser elevada (en cuyo caso la primera etapa será de reducción para evitar tensiones demasiado elevadas) o si la tensión de salida es reducida, (en cuyo caso la primera etapa será de amplificación a fin de evitar tensiones demasiado bajas y problemas con ruidos).
- -
- tener una pluralidad de baterías de reactancias en paralelo, donde cada batería está formada por una pluralidad de reactancias en serie. Todas las reactancias se cargan simultáneamente y posteriormente se seleccionan las reactancias que deben conectarse a la salida para alcanzar la señal deseada. un ejemplo se muestra en la Fig. 3 en la que se muestran tres baterías de cuatro condensadores cada una. En este caso, por ejemplo, es posible amplificar la tensión de entrada V_{in} hasta un máximo de 3\cdotV_{in} veces su valor y en escalones de V_{in}/4.
La invención tiene también por objeto una fuente
de alimentación que comprenda un circuito regulador de acuerdo con
la invención, o, dicho de otro modo, el uso de un circuito
regulador de acuerdo con la invención para la fabricación de una
fuente de alimentación.
El circuito regulador de acuerdo con la invención
comprende preferentemente por lo menos uno de los siguientes
elementos adicionales:
a - un módulo de suministro de potencia digital,
que genera el voltaje necesario para alimentar una circuitería
digital comprendida en el circuito regulador, y que comprende una
primera fuente de alimentación que dispone de un primer relé de
seguridad en reposo cerrado (en inglés normally-on)
en sus primeros bornes de entrada de alimentación, una segunda
fuente de alimentación que dispone de un segundo relé de seguridad
en reposo abierto (en inglés normally-off) en sus
segundos bornes de entrada de alimentación, donde el segundo relé
es cerrado mediante la tensión generada por la primera fuente de
alimentación. El objetivo de este módulo es suministrar la
corriente contínua VDD necesaria para la circuitería digital del
circuito regulador.
En la Fig. 4.1 se muestra un ejemplo de un módulo
de suministro de potencia digital y en las Figs. 4.2 a 4.5 se
muestra su secuencia de activación. Para simplificar los esquemas,
en la mayoría de los siguientes esquemas no se ha representado el
borne ni las conexiones correspondientes a 0 V (o masa o tierra).
Los relés R1 y R2 son relés en reposo cerrados y los relés R3 y R4
son relés en reposo abiertos.Cuando todo el circuito regulador está
apagado, V_{in} = 0, y se tiene la situación mostrada en la Fig.
4.2. La primera fuente de alimentación está representada como VDD0
y la segunda fuente de alimentación está representada como VDD1. Al
aplicar un voltage V_{in}, entonces VDDO rectifica este voltaje y
genera una tensión VCC a través de su salida que alimenta la
segunda fuente de alimentación VDD1. Al activarse VDD1, lo primero
que hace es conectar el relé R4 (Fig. 4.3). De esta manera a VDD1
le llega la tensión V_{in} y puede regularlo. Preferentemente la
primera fuente de alimentación VDDO es una fuente de alimentación
lineal convencional y la segunda fuente de alimentación VDD1
comprende un segundo circuito regulador que comprende por lo menos
dos bornes de entrada, por lo menos un primer grupo de reactancias
con por lo menos dos reactancias, por lo menos dos bornes de
salida, una pluralidad de interconexiones aptas para conectar las
reactancias entre sí y aptas para conectar por lo menos una de las
reactancias con los bornes de entrada y de salida, donde las
interconexiones comprenden relés miniaturizados y donde los relés
miniaturizados permiten permutar una conexión en serie de dichas
reactancias a una conexión en paralelo y viceversa. Es decir,
preferentemente la segunda fuente de alimentación VDD1 comprende
un circuito regulador igual al circuito regulador que tiene que
alimentar. Tras activarse la segunda fuente de alimentación VDD1,
se obtiene una tensión VCC a través de la salida VDD1 de VDD1. En
este momento, se abre el relé R2 y se cierra el relé R3 (Fig. 4.4).
Finalmente se abre el relé R1, con lo que la primera fuente de
alimentación VDDO queda desconectada, y la secuencia de activado
queda concluida (Fig. 4.5).
En general, en la presente descripción y
reivindicaciones, se han empleado las expresiones "relé en
reposo cerrado" y "relé en reposo abierto" como si fuesen un
único relé. Sin embargo, existen diversas formas de diseñar estos
relés y en algunas de ellas (como se verá mas adelante) estos
relés están formados por una pluralidad de "relés
elementales". Por lo tanto, en la presente descripción y
reivindicaciones se deberá entender que las expresiones "relé en
reposo cerrado" y "relé en reposo abierto" hacen referencia
a unos mecanismos que pueden ser más o menos complejos, formados
por un único relé físico o por varios, donde estos mecanismos son
capaces de hacer las funciones de un rele en reposo abierto o un
relé en reposo cerrado.
b - un módulo de protección de entrada que
comprende un relé normalmente abierto que evita que lleguen
sobrecargas a las reactancias cuando el circuito regulador está
apagado.
c - un módulo rectificador que rectifica una
señal de entrada conectada a dichos bornes de entrada.
Preferentemente este módulo rectificador comprende unos relés
miniaturizados aptos para invertir la polaridad de los bornes de
entrada de una forma dinámica en función de una señal alterna
conectada a dichos bornes de entrada que es la que se quiere
rectificar. Esta solución es ventajosa frente a una solución basada
en un puente de diodos ya que evita la caída de tensión de los
mismos y la consiguiente pérdida de potencia.
d - un módulo de señal de referencia, que compara
la señal en dichos bornes de entrada con la señal en dichos bornes
de salida y envía una señal de control a un módulo de regulación de
señal. Como ya se ha comentado anteriormente, el circuito
regulador, en general, puede tener bobinas y/o condensadores. Por
ello el módulo de señal de referencia puede ser asimismo un módulo
que trabaje con tensiones o con intensidades. En general, este
módulo tendrá dos señales de entrada la señal de referencia y la
señal real de salida del circuito regulador, y una señal de salida
que será la señal responsable de ajustar el valor real al valor de
referencia. Opcionalmente, este módulo de señal de referencia puede
incluir un oscilador de manera que el circuito regulador generará
una señal de corriente alterna. Ello permitiría, obtener corriente
alterna a partir de cualquier fuente de corriente continua, como
por ejemplo de la batería de un vehículo automóvil.
e - un módulo de salida que comprende un filtro
de salida con un condensador de salida que, como ya se ha
comentado anteriormente, permite suministrar a la carga una tensión
más uniforme.
f - un módulo de protección de salida con un relé
de seguridad normalmente abierto, de manera que en el caso de una
sobrecarga en la salida dicho relé de seguridad se abre y
desconecta dicho circuito regulador de dichos bornes de salida.
Estos módulos adicionales son particularmente
interesantes si el circuito regulador está incorporado en una
fuente de alimentación, si bien hay varios de estos módulos que
pueden ser empleados en los otros dispostivos objeto de la presente
invención, como es evidente para un experto en la materia.
Otro uso preferente de un circuito regulador de
acuerdo con la invención es para la fabricación de un conversor
A/D (analógico/digital). O, dicho de otra manera, la invención
tiene también por objeto un conversor analógico digital que
comprenda un circuito regulador de acuerdo con la invención. En
este sentido es ventajoso que el circuito regulador de acuerdo con
la invención comprenda un conversor A/D conectado a los bornes de
salida. Efectivamente el circuito regulador amplifica la señal
antes de ser digitalizada. Únicamente mediante un circuito
regulador de acuerdo con la invención es posible amplificar la
señal muy por encima de la tensión de alimentación, ya que los
amplificadores activos convencionales no son capaces de ello. De
esta manera se consigue minimizar el efecto del ruido introducido
durante la digitalización, ya que se está digitalizando una señal
de valor muy superior y que ha sido amplificada por un dispositivo
que genera asimismo muy poco ruido. Por lo tanto, si la resolución
obtenible por el sistema es de \DeltaV, al haber amplificado la
señal sin afectar a \DeltaV, la resolución final será mayor.
Ventajosamente el conversor A/D comprende un
conversor segmentado que comprende un primer divisor de tensión con
G impedancias, G dispositivos comparadores conectados entre dicha
señal de salida y dicho divisor de tensión, cada uno de dicho
dispositivos comparadores comprendiendo un segundo divisor de
tensión con G impedancias y un comparador, y un segundo conversor
A/D. Efectivamente, un posible inconveniente del conversor A/D
anterior es que debe convertir una señal que posiblemente tenga una
tensión mucho mayor que la propia tensión de alimentación del
circuito, lo cual puede ser un problema para conversores A/D
convencionales. Una forma de resolver este inconveniente es
sustituyendo el conversor A/D convencional por un circuito RC y un
medidor del tiempo de descarga. Sin embargo este sistema es poco
preciso. El conversor segmentado permite, sin embargo, obtener una
resolución muy elevada.
Un ejemplo de este conversor segmentado puede
verse en la Fig. 5. El conversor segmentado tiene una tensión de
entrada G\cdotV_{in} (que, de hecho, será la tensión de salida
en bornes del circuito regulador) que es G veces la tensión original
a digitalizar. Es decir, el circuito regulador ha amplificado la
señal original por un factor G. A continuación el conversor
segmentado divide la tensión de referencia G\cdotV_{cc}
mediante el primer divisor de tensión (que tiene G impedancias), y
compara la señal G\cdotV_{in} con la tensión de cada uno de los
segmentos del primer divisor de tensión en el dispositivo
comparador CDU correspondiente. En el ejemplo de la Fig. 5 el
conversor segmentado tiene cuatro dispositivos compradores (G=4)
indicados como CDU1, CDU2, CDU3, y CDU4. De esta manera puede
determinar dentro de qué segmento de tensión está G\cdotV_{in}.
De esta manera se determinan los bits más significativos de la
señal digitalizada V_{in}. Finalmente, se toma la señal
correspondiente al segmento "frontera", se divide por G
mediante un segundo divisor de tensión incluido en cada
dispositivo comparador CDU y se envía a un segundo conversor A/D
ADC, que puede ser convencional. Este segundo conversor A/D ADC será
responsable de los bits menos significativos de la señal
digitalizada.
En la Fig. 6.1 se observa un dispositivo
comparador CDU y en las Figs. 6.2 a 6.4 su secuencia de
comparación. El dispositivo comparador CDU conecta en primer lugar
su divisor de tensión (el segundo divisor de tensión que tiene cada
dispositivo comparador, y que está formado en este ejemplo por
cuatro condensadores en serie) a la tensión correspondiente del
primer divisor de tensión VREF_{i}, por un lado, y a
G\cdotV_{in}, por otro lado (Fig. 6.2). Como puede verse, la
caída de tensión en bornes del segundo divisor de tensión será
diferente para cada dispositivo comparador CDU ya que VREF_{i};
es diferente para cada dispositivo comparador CDU, de manera que
para unos será una tensión negativa mientras que para otros será una
tensión positiva. A continuación se detecta si dicha diferencia de
tensión es positiva o negativa conectando los bornes de uno de los
condensadores (tendremos VC_{i}, o sea la diferencia de tensiones
dividida por 4, asegurando así que estamos siempre dentro del
rango de trabajo de la electrónica empleada) a un comparador que
dará una señal C_{i}, indicadora del signo de la diferencia de
tensión (Fig. 6.3). Sabiendo en qué dispositivo comparador tiene
lugar el cambio de signo, ya se pueden determinar los bits de más
peso de la señal digital. Finalmente (Fig. 6.4) se conecta la
tensión en bornes de uno de los condensadores (del mismo que ha
servido para detectar el cambio de signo de tensión o de otro
condensador del mismo segundo divisor de tensión) a los bornes
ADC_{L} y ADC_{H} de un conversor A/D convencional, que
determinará los bits de menos peso del la señal digital.
Otro uso preferente de un circuito regulador de
acuerdo con la invención es para la fabricación de un conversor
DÍA (digital/analógico). O, dicho de otra manera, la invención
tiene también por objeto un conversor DÍA (digital/analógico) que
comprenda un circuito regulador de acuerdo con la invención. En este
sentido es ventajoso que el circuito regulador de acuerdo con la
invención comprenda un conversor D/A conectado a sus bornes de
entrada. Un ejemplo de un conversor D/A de acuerdo con la invención
se muestra en la Fig. 7. En este ejemplo el circuito regulador
tiene cuatro condensadores que pueden ser conectados
independientemente a Vcc, a GND, o a la salida de un conversor D/A
convencional DACO. Asimismo es posible conectar los cuatro
condensadores en serie. Si se supone, a modo de ejemplo, que Vcc es
5V entonces el valor máximo a la salida de los cuatro condensadores
conectados en serie será de 20V, es decir, se ha amplificado cuatro
veces la señal. Si la señal digitalizada corresponde a 3V (es
decir, 3/5 del valor de referencia), entonces la tensión a la
salida de los condensadores conectados en serie deberá ser de 12V.
Una circuitería digital, adecuadamente programada, realiza estos
cálculos y realiza las siguientes acciones:
- activa los relés correspondientes para que los
dos relés inferiores se conecten a Vcc (5V + 5V = 10V), en
paralelo entre sí,
- envía el valor digital correspondiente para que
el conversor D/A DACO genere una tensión de 2V,
- activa el relé del tercer condensador para se
conecte a la salida del conversor D/A DACO (10V +
2V = 12V),
2V = 12V),
- activa el relé del cuarto condensador para que
se conecte a GND.
Una vez cargados los condensadores, se conectan
en serie y se obtiene la tensión de 12V (correspondiente a 3/5 del
valor de referencia, que ahora es de 20V).
De esta manera se consigue un conversor D/A de
mayor precisión, menor coste y más rápido, en particular en el
caso de precisiones elevadas.
Preferentemente el circuito regulador (que forma
parte del conversor D/A) comprende un segundo circuito regulador
que comprende por lo menos dos bornes de entrada, por lo menos un
primer grupo de reactancias con por lo menos dos reactancias, por
lo menos dos bornes de salida, una pluralidad de interconexiones
aptas para conectar las reactancias entre sí y aptas para conectar
por lo menos una de las reactancias con los bornes de entrada y de
salida, donde las interconexiones comprenden relés miniaturizados
y donde los relés miniaturizados permiten permutar una conexión en
serie de las reactancias a una conexión en paralelo y viceversa,
donde este segundo circuito regulador está conectado a los bornes
de salida del primer circuito regulador. Efectivamente, este
segundo circuito regulador está representado en la Fig. 7 como el
amplificador \div4. Su función es volver a ajustar la señal al
valor de referencia Vcc, de manera que, siguiendo el ejemplo
anterior, el valor de Vo sea, finalmente, los 3V que se deseaban
obtener.
Ventajosamente el circuito regulador (que forma
parte del conversor D/A) comprende un buffer de salida y/o un
amplificador de seguimiento y retención (en inglés track and hold).
Ello permite desacoplar las reactancias de la carga aplicada al
conversor D/A y mantener la señal generada durante un tiempo.
Alternativamente se podría emplear varios conversores D/A de
acuerdo con la invención conectados en paralelo de manera que se
conecten secuencialmente a la carga.
La invención tiene también por objeto el uso de
un circuito regulador de acuerdo con la invención para la
fabricación de un amplificador de potencia, es decir, la invención
también se refiere a amplificadores de potencia que comprenden un
circuito regulador de acuerdo con la invención.
La invención se refiere también a un circuito
regulador que comprende un (o varios) relé miniaturizado
particularmente adecuado para las aplicaciones anteriores.
Actualmente hay varias alternativas para la
realización de relés miniaturizados, en particular, dentro de la
tecnología denominada MEMS (micro electro-mechanical
systems - sistemas microelectromecánicos), Microsystems
(microsistemas) y/o Micromachines (micromáquinas). En principio
pueden clasificarse según el tipo de fuerza o mecanismo de actuación
que usan para mover el electrodo de contacto. Así, se suelen
clasificar como relés electrostáticos, magnéticos, térmicos o
piezoeléctricos. Cada uno de ellos tiene sus ventajas e
inconvenientes. Sin embargo las técnicas de miniaturización exigen
el empleo de tensiones de activación lo más pequeñas posibles y
superficies lo más pequeñas posibles. Los relés conocidos en el
estado de la técnica tienen diversos problemas para poder avanzar en
este sentido.
Una forma de reducir la tensión de activación es
precisamente incrementar las superficies del relé, lo que
dificulta su miniaturización, aparte de ser más sensible a la
aparición de deformaciones lo que reduce la vida útil y fiabilidad
del relé. En los relés electrostáticos, otra solución para
disminuir la tensión de activación es reducir mucho el espacio
entre los electrodos, o emplear electrodos muy delgados o emplear
materiales especiales, de manera que la fuerza mecánica de
recuperación sea muy baja. Sin embargo esto trae consigo otros
problemas de enganchamiento, ya que las fuerzas de capilaridad se
hacen muy importantes, lo que reduce asimismo la vida útil y la
fiabilidad de estos relés. El empleo de tensiones de activación
elevadas tiene asimismo otros efectos negativos como la ionización
de los componentes, el desgaste acelerado debido a los fuertes
golpes mecánicos y el ruido eléctrico que genera todo el relé.
Los relés electrostáticos tienen también un
problema importante de fiabilidad debido al fenómeno llamado
"pull-in", y que consiste en que, superado un
cierto umbral de tensión, el electrodo de contacto se mueve
acelerándose cada vez más contra el otro electrodo libre. Esto es
debido a que conforme se cierra el relé, el condensador que ejerce
la fuerza electrostática para este cierre, aumenta mucho su
capacidad (y llegaría a infinito si no se pusiera un tope antes).
La consecuencia de esto es un desgaste importante de los
electrodos debido al elevado campo eléctrico que se genera y al
choque debido a la aceleración que ha sufrido el electrodo
móvil.
Las soluciones térmicas, magnéticas y
piezoeléctricas requieren materiales y procesos de micromecanizado
especiales, de forma que se hace difícil y/o costoso integrarlos en
dispositivos MEMS más complejos, o en un mismo integrado con
circuitería electrónica. Además la solución térmica es muy lenta (es
decir, el circuito tarda mucho en cerrarse o abrirse), y consume
mucha potencia. La solución magnética hace ruido electromagnético,
que dificulta mucho más el poder tener circuiteria electrónica
cerca, y requiere elevadas corrientes de pico para su
conmutación.
En la presente descripción y reivindicaciones se
ha empleado la expresión "punto de contacto" para referirse a
superficies de contacto en las que se realiza (o puede realizar)
un contacto eléctrico. En este sentido, no se deben interpretar como
puntos en sentido geométrico, ya que son elementos
tridimensionales, sino en sentido eléctrico, como puntos de un
circuito eléctrico.
La invención tiene así otra forma preferente de
realización por la cual por lo menos uno de los relés
miniaturizados del circuito regulador comprende:
- una primera zona enfrentada a una segunda
zona,
- una primera placa de condensador,
- una segunda placa de condensador dispuesta en
la segunda zona, donde la segunda placa es menor o igual que la
primera placa,
- un espacio intermedio dispuesto entre la
primera zona y la segunda zona,
- un elemento conductor dispuesto en el espacio
intermedio, el elemento conductor siendo mecánicamente
independiente de la primera zona y la segunda zona y siendo apto
para efectuar un desplazamiento a través del espacio intermedio en
función de unos voltajes presentes en las primera y segunda placas
de condensador,
- un primer punto de contacto de un circuito
eléctrico, un segundo punto de contacto del circuito eléctrico,
donde el primer y el segundo punto de contacto definen unos
primeros topes, donde el elemento conductor es apto para entrar en
contacto con los primeros topes y donde el elemento conductor
cierra el circuito eléctrico cuando está en contacto con los
primeros topes.
Efectivamente el relé de acuerdo con la invención
tiene el elemento conductor, es decir el elemento responsable de
que se abra y se cierre el circuito eléctrico externo (a través
del primer punto de contacto y del segundo punto de contacto), como
una pieza suelta capaz de moverse libremente. Es decir no se está
empleando la fuerza elástica del material para forzar uno de los
movimientos del relé. Ello permite una pluralidad de soluciones
diferentes, todas ellas gozando de la ventaja de requerir unas
tensiones de activación muy pequeñas y permitiendo unos tamaños de
diseño muy pequeños. El elemento conductor está alojado en el
espacio intermedio. El espacio intermedio está cerrado por la
primera y la segunda zona y por unas paredes laterales que impiden
que el elemento conductor se salga del espacio intermedio. Al
aplicar unos voltajes a la primera y a la segunda placa de
condensador se inducen unos repartos de cargas en el elemento
conductor que generan unas fuerzas electrostáticas que consiguen
desplazar el elemento conductor en un sentido a lo largo del
espacio intermedio. Mediante diferentes diseños que se detallarán a
continuación se puede aprovechar este efecto de diversas
maneras.
Adicionalmente, un relé de acuerdo con la
invención resuelve asimismo satisfactoriamente el problema del
"pull-in" anteriormente citado.
Otra ventaja adicional del relé de acuerdo con la
invención es la siguiente: en los relés electrostáticos
convencionales, si en una posición determinada se engancha el
elemento conductor (lo cual depende mucho, entre otros factores, de
la humedad) no hay forma de desengancharlo (excepto con una
intervención externa, como por ejemplo secándolo) ya que al ser la
fuerza de recuperación elástica, siempre es la misma (depende
solamente de la posición) y no se puede aumentar. En cambio, si a
un relé de acuerdo con la invención se le engancha el elemento
conductor, siempre sería posible desengancharlo a base de aumentar
el voltaje.
En función de la geometría del espacio intermedio
y del posicionamiento de las placas de condensador se pueden
conseguir diversos tipos de relés, con diversas aplicaciones y
diversos modos de funcionamiento.
Por ejemplo, el movimiento del elemento conductor
puede ser de diversas maneras:
- una primera posibilidad es que el elemento
conductor pueda moverse a lo largo del espacio intermedio con un
movimiento de traslación, es decir, de una forma substancialmente
rectilínea (dejando aparte posibles golpes u oscilaciones y/o
movimientos provocados por fuerzas externas no previstas y/o
indeseadas) entre la primera zona y la segunda zona.
- una segunda posibilidad es que el elemento
conductor tenga un extremo substancialmente fijo, alrededor del
cual pueda rotar el elemento conductor. El eje de rotación puede
hacer la función de punto de contacto del circuito eléctrico externo
y el extremo libre del elemento conductor puede desplazarse entre
las primera zona y la segunda zona y hacer o no hacer contacto con
otro punto de contacto, en función de su posición. Como se
comentará a continuación, esta solución tiene una serie de ventajas
específicas.
Ventajosamente el primer punto de contacto está
entre la segunda zona y el elemento conductor. Ello permite
obtener toda una gama de soluciones que se comentan a
continuación.
Una forma preferente de realización se obtiene
cuando la primera placa está en la segunda zona. Alternativamente
se puede diseñar el relé de manera que la primera placa esté en la
primera zona. En el primer caso se consigue un relé que tiene una
menor tensión de activación y una mayor velocidad. Por el contrario,
en el segundo caso el relé presenta una velocidad menor, lo cual
significa que los golpes que sufren el elemento conductor y los
topes son más suaves, y un consumo de potencia menor. De esta
manera se puede elegir una u otra alternativa en función de los
requerimientos específicos en cada caso.
Una forma preferente de realización de la
invención se obtiene cuando el segundo punto de contacto se
encuentra asimismo en la segunda zona. En este caso se dispone de
un relé en el que el elemento conductor realiza el movimiento de
traslación substancialmente rectilíneo. Cuando el elemento
conductor está en contacto con los primeros topes, es decir con el
primer y el segundo punto de contacto del circuito eléctrico, el
circuito eléctrico está cerrado, y es posible abrir el circuito
eléctrico mediante diversos tipos de fuerzas, que se detallarán más
adelante. Para volver a cerrar el circuito eléctrico, es
suficiente con aplicar un voltaje entre la primera placa y la
segunda placa del condensador. Ello provoca que el elemento
conductor sea atraído hacia la segunda zona, volviendo a contactar
con el primer y el segundo punto de contacto.
En el caso que se disponga de la primera placa de
condensador en la primera zona y de la segunda placa de condensador
en la segunda zona, una forma de conseguir la fuerza necesaria para
abrir el circuito citada en el párrafo anterior es mediante la
adición de una tercera placa de condensador dispuesta en la segunda
zona, donde la tercera placa de condensador es menor o igual que la
primera placa de condensador, y donde las segunda y tercera placas
de condensador son, juntas, mayores que la primera placa de
condensador. Con esta distribución la primera placa de condensador
está a un lado del espacio intermedio y la segunda y la tercera
placas de condensador están al otro lado del espacio intermedio y
próximas entre sí. De esta forma se puede forzar el desplazamiento
del elemento conductor en ambos sentidos mediante fuerzas
electrostáticas y, además, se puede garantizar el cierre del
circuito eléctrico externo aunque el elemento conductor quede a un
voltaje en principio desconocido, que será forzado por el circuito
externo que cierra.
Otra forma preferente de realización de la
invención se obtiene cuando el relé comprende adicionalmente una
tercera placa de condensador dispuesta en dicha segunda zona y una
cuarta placa de condensador dispuesta en dicha primera zona, donde
dicha primera placa de condensador y dicha segunda placa de
condensador son iguales entre sí, y dicha tercera placa de
condensador y dicha cuarta placa de condensador son iguales entre
sí. Efectivamente de esta manera, si se desea que el elemento
conductor se desplace hacia la segunda zona, se puede aplicar un
voltaje a la primera y cuarta placas de condensador, por un lado, y
a la segunda o a la tercera placas de condensador, por el otro
lado. Dado que el elemento conductor se desplazará hacia el lugar
en el que esté la placa de condensador más pequeña, se desplazará
hacia la segunda zona. Asimismo se puede conseguir que la placa de
condensador se desplace hacia la primera zona aplicando un voltaje a
la segunda y a la tercera placa del condensador y a la primera o a
la cuarta placas de condensador. La virtud de esta solución,
respecto de la solución más sencilla únicamente con tres placas de
condensador, es que es totalmente simétrica, es decir, se puede
conseguir exactamente el mismo comportamiento de relé tanto cuando
el elemento conductor se desplaza hacia la segunda zona como cuando
se desplaza hacia la primera zona. Ventajosamente las primera,
segunda, tercera y cuarta placas de condensador son todas iguales
entre sí, ya que en general es conveniente que el relé presente
diversas simetrías en su diseño. Por un lado está la simetría
respecto de la primera y la segunda zona, que acaba de ser
comentada. Por otro lado es necesario conservar otros tipos de
simetría para evitar otros problemas, como por ejemplo problemas de
rotaciones o balanceos del elemento conductor que se comentarán más
adelante. En este sentido es particularmente interesante que el
relé comprenda, adicionalmente, una quinta placa de condensador
dispuesta en la primera zona y una sexta placa de condensador
dispuesta en la segunda zona, donde la quinta placa de condensador
y la sexta placa de condensador son iguales entre sí. Por un lado
el incrementar la cantidad de placas de condensador tiene la
ventaja de que las dispersiones de fabricación se compensan mejor.
Por otro lado las diversas placas se pueden activar
independientemente, tanto desde el punto de vista del voltaje
aplicado como del momento de activación. Las seis placas de
condensador podrían ser todas iguales entre sí o, alternativamente
se podrían hacer las tres placas de un mismo lado de tamaños
diferentes entre sí. Ello permitiría minimizar las tensiones de
activación. Un relé que tenga tres o más placas de condensador en
cada zona permite conseguir simultáneamente los siguientes
objetivos:
- puede funcionar en los dos sentidos de una
forma simétrica,
- tiene un diseño que permite la mínima tensión
de activación para unas dimensiones globales del relé fijas, ya
que teniendo dos placas activas en una zona y una placa activa en
la otra zona siempre podrán tener áreas distintas,
- permite minimizar el consumo de corriente y de
potencia, y permite tener un funcionamiento más suave del
relé,
- se puede garantizar la apertura y cierre del
relé, independientemente del voltaje que imponga el circuito
eléctrico externo al elemento conductor cuando entran en
contacto,
- si el relé tiene específicamente seis placas de
condensador en cada zona, podría cumplir además con el requisito
de simetría central que, como se verá más adelante es otra ventaja
de interés. Por lo tanto otra forma preferente de realización de
la invención se obtiene cuando el relé comprende seis placas de
condensador dispuestas en la primera zona y seis placas de
condensador dispuestas en la segunda zona. Sin embargo, no es
imprescindible tener seis placas de condensador en cada zona para
conseguir simetría central: es posible conseguirla también, por
ejemplo, con tres placas de condensador en cada zona, si bien en
este caso se debe renunciar a minimizar el consumo de corriente y
potencia y a optimizar el funcionamiento "suave" del relé. En
general, aumentar la cantidad de placas de condensador en cada
zona permite una mayor flexibilidad y versatilidad en el diseño, al
mismo tiempo que permite reducir el efecto de las dispersiones
propias de fabricación, ya que las dispersiones de cada una de las
placas tenderá a compensarse con las dispersiones de las restantes
placas.
Sin embargo no debe descartarse que en
determinados casos pueda ser interesante provocar deliberadamente
la existencia de momentos de fuerza para forzar que el elemento
conductor efectúa algún tipo de giro adicionalmente al movimiento
de traslación. Ello puede ser interesante, por ejemplo, para vencer
posibles enganches o rozamientos del elemento conductor con
respecto de paredes fijas.
Ventajosamente el relé comprende un segundo tope
(o tantos segundos topes como primeros topes haya) entre la
primera zona y el elemento conductor. De esta manera se consigue
también una simetría geométrica entre la primera zona y la segunda
zona. Cuando el elemento conductor se desplace hacia la segunda
zona, lo podrá hacer hasta entrar en contacto con los primeros
topes, y cerrará el circuito eléctrico exterior. Cuando el
elemento conductor se desplace hacia la primera zona, lo podrá
hacer hasta entrar en contacto con el o los segundos topes. De esta
manera el recorrido realizado por el elemento conductor es
simétrico.
Otra forma preferente de realización de la
invención se obtiene cuando el relé comprende un tercer punto de
contacto dispuesto entre la primera zona y el elemento conductor,
donde el tercer punto de contacto define un segundo tope, de manera
que el elemento conductor cierra un segundo circuito eléctrico
cuando está en contacto con el segundo punto de contacto y tercer
punto de contacto. En este caso el relé actúa como un conmutador,
conectando alternativamente el segundo punto de contacto con el
primer punto de contacto y con el tercer punto de contacto.
Una forma de realización particularmente
ventajosa del caso anterior se obtiene cuando el elemento conductor
comprende una parte cilíndrica hueca que define un eje, en cuyo
interior se aloja el segundo punto de contacto, y una parte plana
que sale de un lado de la parte cilíndrica hueca radialmente y que
se extiende en sentido del eje, donde la parte plana tiene una
altura, medida en sentido del eje, que es menor que la altura de la
parte cilíndrica, medida en sentido del eje. Este caso particular
cumple simultáneamente con la circunstancia que el elemento
conductor realiza un movimiento de rotación alrededor de uno de sus
extremos (ver la "segunda posibilidad" citada anteriormente).
Además, la parte cilíndrica es la que descansa sobre unas
superficies de apoyo (una a cada extremo del cilindro, y que se
extienden entre la primera zona y la segunda zona) mientras que la
parte plana sale en voladizo respecto de la parte cilíndrica, ya
que tiene una altura menor. Por lo tanto la parte plana no está en
contacto con paredes o superficies fijas (excepto el primer y el
tercer punto de contacto) y, de esta manera, se reducen las fuerzas
de rozamiento y de enganche. Por su parte, el segundo punto de
contacto está alojado en la parte interna de la parte cilíndrica, y
hace la función de eje de giro al mismo tiempo que la función de
segundo punto de contacto. Así, se establece una conexión eléctrica
entre el primer punto de contacto y el segundo punto de contacto o
entre el tercer punto de contacto y el segundo punto de contacto. La
parte cilíndrica hueca define un hueco cilíndrico, que siempre
presenta una superficie curvada al segundo punto de contacto lo
que reduce los riesgos de enganche y las fuerzas de rozamiento.
Otra forma de realización particularmente
ventajosa del caso anterior se obtiene cuando el elemento conductor
comprende una parte paralelepipédica hueca que define un eje, en
cuyo interior se aloja el segundo punto de contacto, y una parte
plana que sale de un lado de la parte cilíndrica hueca radialmente y
que se extiende en sentido del eje, donde la parte plana tiene una
altura, medida en sentido del eje, que es menor que la altura de la
parte paralelepipédica, medida en sentido del eje. Efectivamente,
es un caso similar al caso anterior, en el que la parte
paralelepipédica define un hueco paralelepipédico. Esta solución
puede ser particularmente ventajosa en el caso de soluciones muy
pequeñas, ya que entonces la capacidad de resolución del
procedimiento de fabricación (en particular en el caso de
procedimientos fotolitográficos) obliga al empleo de líneas rectas.
En ambos casos se debe destacar que la geometría determinante es la
geometría del hueco interior y que, de hecho, son posibles diversas
combinaciones:
- eje (segundo punto de contacto) de sección
rectangular y hueco de sección rectangular,
- eje de sección circular y hueco de sección
circular
- eje de sección circular y hueco de sección
rectangular y viceversa
si bien los dos primeros casos son los más
interesantes.
Lógicamente, en el caso que las secciones sean
rectangulares, debe existir una holgura suficiente entre el eje y
la parte paralelepipédica de manera que el elemento conductor pueda
rotar alrededor del eje. Asimismo en el caso de secciones
circulares pueden existir holguras grandes entre el eje y la parte
cilíndrica, de manera que el movimiento real realizado por el
elemento conductor sea una combinación de una rotación alrededor
del eje y una traslación entre la primera zona y la segunda zona.
Debe observarse, además, que también sería posible que el segundo
tope no esté conectado eléctricamente a ningún circuito eléctrico:
en este caso se tendría un relé que puede abrir y cerrar un único
circuito eléctrico, pero en el cual el elemento conductor se mueve
mediante un giro (o mediante un giro combinado con una
traslación).
Otra forma preferente de realización de la
invención se obtiene cuando el relé comprende un tercer punto de
contacto y un cuarto punto de contacto dispuestos entre la primera
zona y el elemento conductor, donde el tercer punto de contacto y el
cuarto punto de contacto definen unos segundos topes, de manera que
el elemento conductor cierra un segundo circuito eléctrico cuando
está en contacto con el tercer punto de contacto y el cuarto punto
de contacto. Efectivamente, en este caso el relé puede conectar
dos circuitos eléctricos alternativamente.
Ventajosamente cada uno de los conjuntos de las
placas de condensador dispuestas en cada una de las primera zona y
segunda zona tiene simetría central respecto de un centro de
simetría, donde dicho centro de simetría está superpuesto al centro
de masas del elemento conductor. Efectivamente, cada conjunto de
las placas de condensador dispuestas en cada una de las zonas genera
un campo de fuerzas sobre el elemento conductor. Si la resultante
de este campo de fuerzas tiene un momento no nulo respecto del
centro de masas del elemento conductor, el elemento conductor no
solamente experimentará una traslación, sino que experimentará
adicionalmente una rotación alrededor de su centro de masas. En
este sentido es conveniente prever que los conjuntos de placas de
cada zona tengan simetría central en el caso que no interese esta
rotación o, por el contrario, puede ser conveniente prever que sí
exista una asimetría central, en el caso que interese inducir una
rotación en el elemento conductor respecto de su centro de masas,
por ejemplo para vencer fuerzas de rozamiento y/o de enganche.
Como ya se ha indicado anteriormente, el elemento
conductor suele estar físicamente encerrado en el espacio
intermedio, entre la primera zona, la segunda zona y unas paredes
laterales. Ventajosamente entre las paredes laterales y el elemento
conductor existe una holgura que es suficientemente pequeña como
para imposibilitar geométricamente que el elemento conductor entre
en contacto simultáneamente con un punto de contacto del grupo
formado por el primer y segundo punto de contacto y con un punto de
contacto del grupo formado por el tercer y cuarto punto de
contacto. Es decir, se evita que el elemento conductor quede cruzado
en el espacio intermedio de tal manera que comunique el primer
circuito eléctrico con el segundo circuito eléctrico.
Para evitar enganches y fuerzas de rozamiento
elevadas es ventajoso que el elemento conductor tenga superficies
externas redondeadas, preferentemente que sea cilíndrico o
esférico. La solución esférica minimiza las fuerzas de rozamiento y
los enganches en todas las direcciones, mientras que la solución
cilíndrica, con las bases del cilindro encaradas a la primera y
segunda zona permite obtener unas fuerzas de rozamiento reducidas
con las paredes laterales y unas superficies encaradas a las placas
de condensador que son grandes y eficaces de cara a la generación
de las fuerzas electrostáticas. También tiene más superficie de
contacto con los puntos de contacto, lo cual disminuye la
resistencia eléctrica que se introduce en el circuito eléctrico
conmutado.
Asimismo, en el caso que el elemento conductor
presente una cara superior y una cara inferior, que sean
perpendiculares al desplazamiento del elemento conductor, y por lo
menos una cara lateral, es ventajoso que la cara lateral presente
unas breves protuberancias. Estas protuberancias permitirán
también reducir los enganches y las fuerzas de rozamiento entre la
cara lateral y las paredes laterales del espacio intermedio.
Ventajosamente el elemento conductor es hueco.
Ello permite ahorrar masa lo que permite tener inercias
menores.
En el caso que el relé disponga de dos placas de
condensador (la primera placa y la segunda placa) y que ambas
estén en la segunda zona, es ventajoso que la primera placa de
condensador y la segunda placa de condensador tengan la misma
superficie, ya que de esta forma se obtiene la tensión de
activación mínima para una misma superficie total del
dispositivo.
En el caso que el relé disponga de dos placas de
condensador (la primera placa y la segunda placa) y que la primera
placa esté en la primera zona mientras que la segunda placa esté en
la segunda zona, es ventajoso que la primera placa de condensador
tenga una superficie que es igual al doble de la superficie de la
segunda placa de condensador, ya que de esta forma se obtiene la
tensión de activación mínima para una misma superficie total del
dispositivo.
Otra forma preferente de realización de un relé
de la invención se obtiene cuando una de las placas de condensador
hace simultáneamente la función de placa de condensador y de punto
de contacto (y, consecuentemente, de tope). Este dispositivo
permitiría conectar el otro punto de contacto (el del circuito
eléctrico externo) a una tensión fija (normalmente VCC o GND) o bien
dejarlo en alta impedancia.
Usualmente el relé será abierto y cerrado
mediante voltajes aplicados a las placas de los condesadores. Sin
embargo es posible que uno de los movimientos sea realizado
mediante otra magnitud física. En estos casos, la magnitud física
ejerce una fuerza para abrir el circuito eléctrico y mediante un
determinado voltaje aplicado a las placas de condensador se genera
una fuerza que contrarresta a la anterior y se vuelve a cerrar el
circuito eléctrico externo (o viceversa, es decir, que sea
necesario aplicar un voltaje para mantener el circuito eléctrico
abierto mientras que la magnitud física tiende a cerrar el
circuito). Ejemplos de estas magnitudes físicas pueden ser
aceleraciones, presiones, caudales, etc.
Como podrá observarse a continuación, los modos
preferentes de realización de la invención representados en las
Figs. incluyen una combinación de las diversas alternativas y
opciones explicadas anteriormente, si bien un experto en la materia
podrá ver que son alternativas y opciones que pueden ser
combinadas de diversas maneras entre sí.
En la Fig. 8 se muestra un primer modo básico de
funcionamiento de un relé de acuerdo con la invención. El relé
define un espacio intermedio 25 en el que se aloja un elemento
conductor 7, que se puede mover libremente a lo largo del espacio
intermedio 25, ya que es físicamente una pieza suelta que no está
físicamente unida a las paredes que definen el espacio intermedio
25. El relé define también una primera zona, a la izquierda de la
Fig. 8, y una segunda zona, a la derecha de la Fig. 8. En la
segunda zona están dispuestas una primera placa de condensador 3 y
una segunda placa de condensador 9. En el ejemplo mostrado en la
Fig. 8 ambas placas de condensador 3 y 9 son de áreas diferentes,
si bien podrían ser iguales entre sí. La primera placa de
condensador 3 y la segunda placa de condensador 9 están conectadas
a un circuito de control CC. Al aplicar un voltaje entre la
primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9,
el elemento conductor es atraído siempre hacia la derecha de la
Fig. 8, hacia las placas de condensador 3 y 9. El elemento
conductor 7 se desplazará hacia la derecha hasta topar con unos
primeros topes 13, que son un primer punto de contacto 15 y un
segundo punto de contacto 17 de un primer circuito eléctrico CE1
externo, de manera que el primer circuito eléctrico externo CE1
queda cerrado.
En la Fig. 9 se muestra un segundo modo básico de
funcionamiento de un relé de acuerdo con la invención. El relé
define nuevamente un espacio intermedio 25 en el que se aloja un
elemento conductor 7, que se puede mover libremente a lo largo del
espacio intermedio 25, una primera zona, a la izquierda de la Fig.
9, y una segunda zona, a la derecha de la Fig. 9. En la segunda
zona está dispuesta una segunda placa de condensador 9 mientras que
en la primera zona está dispuesta una primera placa de condensador
3. La primera placa de condensador 3 y la segunda placa de
condensador 9 están conectadas a un circuito de control CC. Al
aplicar un voltaje entre la primera placa de condensador 3 y la
segunda placa de condensador 9, el elemento conductor es atraído
siempre hacia la derecha de la Fig. 9, hacia la placa de
condensador más pequeña, es decir, hacia la segunda placa de
condensador 9. Por ello, el hecho que en el ejemplo mostrado en la
Fig. 9 ambas placas de condensador 3 y 9 sean de áreas diferentes
es, en este caso, imprescindible que sea así, ya que en el caso de
ser de áreas iguales, el elemento conductor 7, no se desplazaría en
ningún sentido. El elemento conductor 7 se desplazará hacia la
derecha hasta topar con unos primeros topes 13, que son un primer
punto de contacto 15 y un segundo punto de contacto 17 de un primer
circuito eléctrico CE1 externo, de manera que el primer circuito
eléctrico externo CE1 queda cerrado. A la izquierda hay unos
segundos topes 19, que no cumplen, en este caso, ninguna función
eléctrica sino que impiden que el elemento conductor 7 tope con la
primera placa de condensador 3. En este caso los topes 19 podrían
eliminarse, pues no hay ningún problema en que el elemento
conductor 7 toque la primera placa de condensador 3. Esto es así
porque solamente hay una placa de condensador en este lado, ya que
si hubiera más y éstas estuvieran conectadas a voltajes distintos
entonces los topes serian necesarios para evitar un
cortocircuito.
Las configuraciones de relés de las Figs. 8 y 9
son realmente más adecuadas para ser usadas como sensores, donde
la magnitud a medir ejerce una fuerza que es la que será
contrarrestada por la fuerza electrostática inducida en el elemento
conductor 7, si bien podrían ser empleadas como relés siempre y
cuando haya una fuerza externa (aceleración, presión etc.) capaz de
desplazar el elemento conductor 7. Tal como han sido representados,
en ambos casos la fuerza externa deberá ejercer una fuerza
tendente a abrir el circuito eléctrico CE1, mientras que la fuerza
electrostática tenderá a cerrarlo. Sin embargo, se puede diseñar el
relé para que trabaje exactamente al revés: de manera que la
magnitud a medir tienda a cerrar el circuito eléctrico CE1 mientras
que la fuerza electrostática tienda a abrirlo. En este caso, se
deberían posicionar los primeros topes 13 a la izquierda de las
Figs. 8 y 9, junto con el correspondiente circuito eléctrico CE1.
En la Fig. 8 se ha mostrado esta posibilidad con trazos
discontinuos.
Para conseguir desplazar el elemento conductor 7
en ambos sentidos mediante fuerzas electrostáticas, es necesario
disponer de una tercera placa de condensador 11, tal como se
muestra en la Fig. 10. Dado que el elemento conductor 7 se
desplazará siempre hacia donde esté la placa de condensador más
pequeña, es necesario, en este caso, que la tercera placa de
condensador 11 sea menor que la primera placa de condensador 3,
pero que las suma de áreas de la segunda placa de condensador 9 y
la tercera placa de condensador 11 sea mayor que la primera placa
de condensador 3. De esta manera, activando la primera placa de
condensador 3 y la segunda placa de condensador 9, conectándolas a
voltajes distintos, pero no la tercera placa de condensador 11, que
quedaría en estado de alta impedancia se puede desplazar el
elemento conductor 7 a la derecha, mientras que activando las tres
placas de condensador 3, 9 y 11 se puede desplazar el elemento
conductor 7 hacia la izquierda. En el último caso la segunda placa
de condensador 9 y la tercera placa de condensador 11 están a un
mismo voltaje, y la primera placa de condensador 3 está a otro
voltaje distinto. El relé de la Fig. 10 tiene, además, un segundo
circuito eléctrico CE2 externo conectado a los segundos topes 19,
de manera que estos segundos topes 19 definen un tercer punto de
contacto 21 y un cuarto punto de contacto 23.
En el caso de disponer dos placas de condensador
en cada una de las primera y segunda zonas, se podría provocar el
movimiento del elemento conductor 7 de dos maneras diferentes:
- aplicando un voltaje entre las dos placas de
condensador de una misma zona, de manera que el elemento conductor
sea atraído por ellas (funcionamiento equivalente al de la Fig.
8)
- aplicando un voltaje entre una placa de
condensador de una zona y una (o las dos) placas de voltaje de la
otra zona, de manera que el elemento conductor 7 sea atraído hacia
la zona donde el área de condensador cargada eléctricamente sea
menor (funcionamiento equivalente al de la Fig. 9).
En las Figs. 11 y 12 se observa un relé diseñado
para ser fabricado con tecnología EFAB. Esta tecnología de
fabricación de micromecanismos mediante el depósito de capas es
conocida por un experto en la materia, y permite la realización de
muchas capas y tiene una gran flexibilidad en el diseño de
estructuras tridimensionales. El relé está montado sobre un
substrato 1 que cumple una función de soporte, y que en diversas
Figs. no ha sido representado para mayor simplicidad de las mismas.
El relé presenta una primera placa de condensador 3 y una cuarta
placa de condensador 5 dispuestas a la izquierda (de acuerdo con la
Fig. 12) de un elemento conductor 7, y una segunda placa de
condensador 9 y una tercera placa de condensador 11 dispuestas a la
derecha del elemento conductor 7. El relé tiene también dos
primeros topes 13 que son el primer punto de contacto 15 y el
segundo punto de contacto 17, y dos segundos topes 19 que son el
tercer punto de contacto 21 y el cuarto punto de contacto 23. El
relé está tapado por su parte superior si bien no se muestra esta
tapa para poder apreciar los detalles del interior.
El relé se desplaza de izquierda a derecha, y
viceversa, según la Fig. 12, a lo ancho del espacio intermedio 25.
Como puede verse los primeros topes 13 y los segundos topes 19 son
más próximos al elemento conductor 7 que las placas de condensador
3, 5, 9 y 11. De esta manera el elemento conductor 7 se puede
mover de izquierda a derecha, cerrando los correspondientes
circuitos eléctricos, sin interferir con las placas de condensador
3, 5, 9 y 11, y sus circuitos de control correspondientes.
El elemento conductor 7 presenta un espacio
interno 27 hueco.
Entre el elemento conductor 7 y las paredes que
conforman el espacio intermedio 25 (es decir los primeros topes
13, los segundos topes 19, las placas de condensador 3, 5, 9 y 11 y
las dos paredes laterales 29) existe una holgura que es lo
suficientemente pequeña como para evitar que el elemento conductor
7 pueda girar a lo largo de un eje perpendicular al plano del papel
de la Fig. 12 lo suficiente como para poner en contacto el primer
punto de contacto 15 con el tercer punto de contacto 21 o el
segundo punto de contacto 17 con el cuarto punto de contacto 23. En
las Figs. sin embargo, la holgura no está dibujada a escala real
para permitir una mayor claridad de las figuras.
En las Figs. 13 a 15 se observa otro relé
diseñado para ser fabricado con tecnología EFAB. En este caso el
elemento conductor 7 se desplaza en sentido vertical, de acuerdo con
las Figs. 13 a 15. El empleo de una u otra alternativa de
movimiento del relé depende de criterios de diseño. La tecnología
de fabricación consiste en el depósito de diversas capas. En todas
las Figs. las cotas en sentido vertical están muy exageradas, es
decir los dispositivos físicos son mucho más planos de lo que se
muestra en todas las Figs. En el caso de que interese obtener unas
superficies de condensador grandes será preferible construir el
relé de una forma similar a lo mostrado en las Fig. 13 a 15 (relé
vertical), mientras se construirá un relé de una forma similar a la
mostrada en las Figs. 11 y 12 (relé horizontal) cuando interese
hacerlo con un número menor de capas. En el caso de emplear
determinadas tecnologías (como las usualmente conocidas como
polyMUMPS, Dalsa, SUMMIT, Tronic's, Qinetiq's, etc.), el número de
capas está siempre muy limitado. La ventaja del relé vertical es
que se obtienen superficies más grandes con menos área de chip, y
esto implica tensiones de activación mucho menores (usando la misma
área de chip).
Conceptualmente el relé de las Figs. 13 a 15 es
muy similar al relé de las Figs. 11 y 12, y presenta la primera
placa de condensador 3 y la cuarta placa de condensador 5
dispuestas en la parte inferior (Fig. 15), así como los segundos
topes 19 que son el tercer punto de contacto 21 y el cuarto punto
de contacto 23. Como puede verse los segundos topes 19 están por
encima de las placas de condensador, de manera que el elemento
conductor 7 puede apoyarse sobre los segundos topes 19 sin entrar
en contacto con la primera y la cuarta placa de condensador 3, 5.
En el extremo superior (Fig. 13) se encuentran la segunda placa de
condensador 9, la tercera placa de condensador 11 y dos primeros
topes 13 que son el primer punto de contacto 15 y el segundo punto
de contacto 17. En este caso la holgura presente entre el elemento
conductor 7 y las paredes laterales 29 es también lo
suficientemente pequeña como para evitar que se ponga en contacto
el primer punto de contacto 15 con el tercer punto de contacto 21 o
el segundo punto de contacto 17 con el cuarto punto de contacto
23.
El relé mostrado en las Figs. 16 y 17 es un
ejemplo de un relé en el que el movimiento del elemento conductor
7 es substancialmente una rotación alrededor de uno de sus
extremos. Este relé tiene una primera placa de condensador 3, una
segunda placa de condensador 9, una tercera placa de condensador
11 y una cuarta placa de condensador 5, todas montadas sobre un
substrato 1. Adicionalmente presenta un primer punto de contacto 15
y un tercer punto de contacto 21 enfrentados entre sí. La
distancia entre el primer punto de contacto 15 y el tercer punto de
contacto 21 es menor que la distancia existente entre las placas de
condensador. El elemento conductor 7 tiene una parte cilíndrica 31
que es hueca, donde el hueco es asimismo cilíndrico. En el interior
del hueco cilíndrico se aloja un segundo punto de contacto 17, que
es de sección circular.
De esta manera el elemento conductor 7
establecerá un contacto eléctrico entre el primer punto de
contacto 15 y el segundo punto de contacto 17 o el tercer punto de
contacto 21 y el segundo punto de contacto 17. El movimiento que
realiza el elemento conductor 7 es substancialmente un giro
alrededor del eje definido por la parte cilíndrica 31. La holgura
entre el segundo punto de contacto 17 y la parte cilíndrica 31
está exagerada en la Fig. 16, sin embargo sí es cierto que existe
una cierta holgura con lo cual el movimiento realizado por el
elemento conductor 7 no es una rotación pura sino que realmente es
una combinación de una rotación y una traslación.
De la parte cilíndrica 31 se extiende una parte
plana 33 que tiene una altura menor que la parte cilíndrica 31,
medida en sentido del eje de dicha parte cilíndrica 31. Esto se
puede observar con más detalle en la Fig. 17, en la que se ve una
vista casi de perfil de la parte cilíndrica 31 y la parte plana
33. De esta manera se evita que la parte plana 33 esté en contacto
con el substrato 1, lo que reduce las fuerzas de rozamiento y los
enganches.
Como puede verse substituyendo la parte
cilíndrica 31 por una parte paralelepipédica y el segundo punto de
contacto 17 de sección circular por uno de sección cuadrada, siempre
y cuando la holgura fuese suficiente, se podría diseñar un relé
conceptualmente equivalente al de las Figs. 16 y 17.
Si, por ejemplo, en el relé mostrado en las Figs.
16 y 17 se eliminan el primer punto de contacto 15 y/o el tercer
punto de contacto 21, entonces será las propias placas de
condensador (concretamente la tercera placa de condensador 11 y la
cuarta placa de condensador 5) las que harán de puntos de contacto
y de topes. Mediante una adecuada elección de las tensiones a que
deben trabajar las placas de condensador se puede conseguir que
esta tensión sea siempre VCC o GND. Otro caso posible sería si,
por ejemplo, el tercer punto de contacto 21 no estuviese conectado
eléctricamente a ningún circuito externo. Entonces el tercer punto
de contacto sería únicamente un tope, y cuando el elemento
conductor 7 estuviese poniendo en contacto el segundo punto de
contacto 17 con el tercer punto de contacto 21, el circuito
quedaría con el segundo punto de contacto 17 en alta
impedancia.
El relé mostrado en la Fig. 18 está diseñado para
ser fabricado con tecnología polyMUMPS. Como ya se ha dicho
anteriormente, esta tecnología es conocida por un experto en la
materia, y se caracteriza por ser un micromecanizado en superficie
de 3 capas estructurales y 2 sacrificiales. Sin embargo,
conceptualmente es similar al relé mostrado en las Figs. 16 y 17,
si bien existen algunas diferencias. Así, en el relé de la Fig. 18,
la primera placa de condensador 3 es igual a la tercera placa de
condensador 11, pero es diferente a la segunda placa de condensador
9 y a la cuarta placa de condensador 5, que son iguales entre sí y
menores que las anteriores. Por su parte, el segundo punto de
contacto 17 presenta un ensanchamiento en su extremo superior que
permite retener al elemento conductor 7 en el espacio intermedio 25.
El segundo punto de contacto 17 de las Figs. 16 y 17 también
podría presentar este tipo de ensanchamiento. También es
interesante observar que en este relé la distancia entre el primer
punto de contacto 15 y el tercer punto de contacto 21 es igual a
la distancia existente entre las placas de condensador. Dado que
el movimiento del elemento conductor 7 es un movimiento de giro
alrededor del segundo punto de contacto 17, el extremo opuesto del
elemento conductor describe un arco de manera que realiza el
contacto con el primer o el tercer punto de contacto 15, 21 antes
que la parte plana 33 pueda tocar las placas de condensador.
En la Fig. 19 se muestra otro relé diseñado para
ser fabricado con tecnología polyMUMPS. Este relé es similar al
relé de las Figs. 11 y 12, si bien presenta, adicionalmente, una
quinta placa de condensador 35 y una sexta placa de condensador
37.
En la Fig. 20 se muestra un relé equivalente al
mostrado en las Figs. 11 y 12, pero que presenta seis placas de
condensador en la primera zona y seis placas de condensador en la
segunda zona. Además, se observa la tapa superior que evita que se
salga el elemento conductor 7.
En las Figs. 21 y 22 se muestra un relé que tiene
el elemento conductor 7 cilíndrico. En el caso del relé de la
Fig. 21, las paredes laterales 29 que rodean al elemento conductor
son paralelepipédicas, mientras que en el relé de la Fig. 22 las
paredes laterales 29 que rodean al elemento conductor 7 son
cilíndricas. Por su parte, en la Fig. 23 se muestra una esfera
fabricada mediante micromecanizado en superficie, observándose que
está formada por una pluralidad de discos cilíndricos de diámetros
variables. Un relé con un elemento conductor 7 esférico como el de
la Fig. 23 puede ser, por ejemplo, muy similar conceptualmente al
de las Figs. 21 o 22 sustituyendo el elemento conductor 7
cilíndrico por el esférico. Únicamente deben tenerse en cuenta unos
ajustes geométricos en la disposición de las placas de condensador
y de los puntos de contacto en el extremo superior, para evitar
que el elemento conductor 7 esférico toque primero las placas de
condensador que los puntos de contacto o, en su caso, los topes
correspondientes.
En la Fig. 24 se observa una variante del relé
mostrado en las Figs. 11 y 12. En este caso el elemento conductor
7 tiene unas protuberancias 39 en sus caras laterales 41.
Son posibles diversas formas preferentes de
realización de los relés en reposo cerrados y en reposo abiertos,
usando los relés miniaturizados de acuerdo con la invención:
- -
- un relé en reposo abierto formado por uno de los relés miniaturizados de acuerdo con la invención cuyo elemento conductor está conformado con un material que tiene una energía de contacto suficientemente elevada como para compensar su propio peso. Efectivamente, de esta manera el relé quedará siempre en la posición en la que fue posicionado por última vez. De hecho, se puede emplear exactamente el mismo concepto para un relé en reposo cerrado. Únicamente se debe tener en cuenta que es conveniente que el circuito regulador incluya un módulo detector de fallo de potencia y que pueda posicionar estos relés en las posiciones que les corresponda antes de que el equipo quede totalmente apagado. Preferentemente la energía de contacto es lo suficientemente elevada como para resistir también los golpes, vibraciones y otras aceleraciones que puedan ser previsibles durante el uso del equipo.
- -
- un relé en reposo abierto que comprende dos relés miniaturizados de acuerdo con la invención, conectados en serie, donde el primer relé miniaturizado tiene un primer elemento conductor apto para desplazarse en el espacio según una primera dirección, y donde el segundo relé miniaturizado está girado 180° respecto del primer relé miniaturizado según un eje perpendicular a la primera dirección, de manera que los dos elementos conductores de ambos relés miniaturizados son aptos para ser desplazados en la misma dirección, pero deben ser desplazados en sentidos opuestos para alcanzar un mismo estado de conexión o desconexión. De esta manera se asegura que si uno de los relés está cerrado entonces el otro, que tendrá el elemento conductor en el mismo lado, estará abierto. Al estar ambos retes conectados en serie, se asegura así que el conjunto trabaja como un relé en reposo abierto. En la Fig. 25 se muestra un esquema de un relé en reposo abierto de este tipo.
- -
- unas variantes del concepto anterior consisten en añadir un segundo relé en reposo abierto igual al primero, pero dispuesto en el espacio de manera que sus elementos conductores se desplacen según una segunda dirección perpendicular a dicha primera dirección, e incluso añadir un tercer relé en reposo abierto igual a los anteriores pero dispuesto en el espacio de manera que sus elementos conductores se desplacen según una tercera dirección perpendicular a dichas primera y segunda dirección. De esta forma se dispone de un relé en reposo abierto apto para trabajar en un entorno tridimensional.
- -
- con la misma idea del relé en reposo abierto anterior se puede diseñar un relé abierto o cerrado. Para ello el relé en reposo cerrado comprende dos relés miniaturizados de acuerdo con la invención, conectados en este caso en paralelo, donde el primer relé miniaturizado tiene un primer elemento conductor apto para desplazarse en el espacio según una primera dirección, y donde el segundo relé miniaturizado está girado 180° respecto del primer relé miniaturizado según un eje perpendicular a la primera dirección, de manera que los dos elementos conductores de ambos relés miniaturizados son aptos para ser desplazados en la misma dirección, pero deben ser desplazados en sentidos opuestos para alcanzar un mismo estado de conexión o desconexión. en este caso, al estar conectados en paralelo se asegura que por lo menos uno está conectado, por lo que el conjunto trabaja como un relé en reposo cerrado.
- -
- también en este caso se puede añadir un segundo relé en reposo cerrado igual al primero, pero dispuesto en el espacio de manera que sus elementos conductores se desplacen según una segunda dirección perpendicular a dicha primera dirección, e incluso añadir un tercer relé en reposo cerrado igual a los anteriores, pero dispuesto en el espacio de manera que sus elementos conductores se desplacen según una tercera dirección perpendicular a dichas primera y segunda dirección. De esta manera se obtiene un relé en reposo cerrado apto para trabajar en un entorno tridimensional
Estos ejemplos de relés miniaturizados en reposo
cerrados y en reposo abiertos pueden ser
combinados:
combinados:
- -
- los relés en reposo abierto formados por dos relés en serie pueden ser combinados en serie con la misma orientación, de manera que haya varios relés miniaturizados en serie para cada orientación de manera que se asegure que por lo menos uno de ellos estará abierto.
- -
- análogamente, los relés en reposo cerrado pueden ser combinados en paralelo con la misma orientación, de manera que haya varios relés miniaturizados en paralelo para cada orientación de manera que se asegure que por lo menos uno de ellos está cerrado.
- -
- en cualquier caso, es combinable la idea de los relés miniaturizados orientados en el espacio con la idea de los relés miniaturizados hechos de un material con elevadas energías de contacto.
La presente invención tiene por objeto tanto
estos relés en reposo abierto y relés en reposo cerrado como
tales, como unos circuitos reguladores que comprendan relés en
reposo abierto y/o relés en reposo cerrado como los descritos.
Claims (59)
1. Circuito regulador que comprende por lo menos
dos bornes de entrada, por lo menos un primer grupo de reactancias
con por lo menos dos reactancias, por lo menos dos bornes de
salida, una pluralidad de interconexiones aptas para conectar
dichas reactancias entre sí y aptas para conectar por lo menos una
de dichas reactancias con dichos bornes de entrada y de salida,
caracterizado porque dichas interconexiones comprenden
relés miniaturizados y porque dichos relés miniaturizados permiten
permutar una conexión en serie de dichas reactancias a una conexión
en paralelo y viceversa.
2. Circuito según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende por lo menos un segundo
grupo de reactancias con por lo menos dos reactancias, una
pluralidad de interconexiones aptas para conectar dichas
reactancias de dicho segundo grupo entre sí y aptas para conectar
por lo menos una de dichas reactancias de dicho segundo grupo con
dichos bornes de entrada y de salida, donde dichas inter conexiones
comprenden relés miniaturizados, y donde dichos relés miniaturizados
permiten permutar una conexión en serie de dichas reactancias de
dicho segundo grupo a una conexión en paralelo y viceversa.
3. Circuito según una de las reivindicaciones 1 ó
2, caracterizado porque dichas reactancias son bobinas.
4. Circuito según una de las reivindicaciones 1 ó
2, caracterizado porque dichas reactancias son
condensadores.
5. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque está integrado
en un circuito integrado.
6. Circuito según una de las reivindicaciones 4 ó
5, caracterizado porque comprende unos medios de
monitorización del voltaje de por lo menos uno de dichos
condensadores aptos para detectar la variación de voltaje de dicho
condensador a lo largo del tiempo y unos medios de control aptos
para desconectar dicho condensador de dichos bornes de entrada
cuando su voltaje alcanza un valor predeterminado.
7. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque tiene un
módulo de suministro de potencia digital, que genera el voltaje
necesario para alimentar una circuitería digital comprendida en
dicho circuito regulador, y que comprende una primera fuente de
alimentación que dispone de un primer relé de seguridad en reposo
cerrado en sus primeros bornes de entrada de alimentación, una
segunda fuente de alimentación que dispone de un segundo relé de
seguridad en reposo abierto en sus segundos bornes de entrada de
alimentación, donde dicho segundo relé es cerrado mediante la
tensión generada por dicha primera fuente de alimentación.
8. Circuito según la reivindicación 7,
caracterizado porque dicha segunda fuente de alimentación
comprende un segundo circuito regulador que comprende por lo menos
dos bornes de entrada, por lo menos un primer grupo de reactancias
con por lo menos dos reactancias, por lo menos dos bornes de
salida, una pluralidad de interconexiones aptas para conectar
dichas reactancias entre sí y aptas para conectar por lo menos una
de dichas reactancias con dichos bornes de entrada y de salida,
donde dichas interconexiones comprenden relés miniaturizados y
donde dichos relés miniaturizados permiten permutar una conexión en
serie de dichas reactancias a una conexión en paralelo y
viceversa.
9. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque tiene un
módulo de protección de entrada que comprende un relé normalmente
abierto que evita que lleguen sobrecargas a dichas reactancias
cuando dicho circuito regulador está apagado.
10. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque tiene un
módulo rectificador que rectifica una señal de entrada conectada a
dichos bornes de entrada.
11.- Circuito según la reivindicación 10,
caracterizado porque dicho módulo rectificador comprende
unos relés miniaturizados aptos para invertir la polaridad de dichos
bornes de entrada de una forma dinámica en función de una señal
alterna conectada a dichos bornes de entrada.
12. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque tiene un
módulo de señal de referencia, que compara la señal en dichos bornes
de entrada con la señal en dichos bornes de salida y envía una
señal de control a un módulo de regulación de señal.
13. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque tiene un
módulo de salida que comprende un filtro de salida con un
condensador de salida.
14. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque tiene un
módulo de protección de salida con un relé de seguridad normalmente
abierto, de manera que en el caso de una sobrecarga en la salida
dicho relé de seguridad se abre y desconecta dicho circuito
regulador de dichos bornes de salida.
15. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque comprende un
conversor A/D conectado a dichos bornes de salida.
16. Circuito según la reivindicación 15,
caracterizado porque dicho conversor A/D comprende un
conversor segmentado que comprende: [a] un primer divisor de
tensión con G impedancias, G dispositivos comparadores conectados
entre dicha señal de salida y dicho divisor de tensión, cada uno
de dichos dispositivos comparadores comprendiendo un segundo
divisor de tensión con G impedancias y un comparador, y [b] un
segundo conversor A/D.
17. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque comprende un
conversar D/A conectado a dichos bornes de entrada.
18. Circuito según la reivindicación 17,
caracterizado porque comprende un segundo circuito
regulador que comprende por lo menos dos bornes de entrada, por lo
menos un primer grupo de reactancias con por lo menos dos
reactancias, por lo menos dos bornes de salida, una pluralidad de
interconexiones aptas para conectar dichas reactancias entre sí y
aptas para conectar por lo menos una de dichas reactancias con
dichos bornes de entrada y de salida, donde dichas interconexiones
comprenden relés miniaturizados y donde dichos relés miniaturizados
permiten permutar una conexión en serie de dichas reactancias a una
conexión en paralelo y viceversa, dicho segundo circuito regulador
estando conectado a dichos bornes de salida de dicho circuito
regulador.
19. Circuito según una de las reivindicaciones 17
ó 18, caracterizado porque comprende un buffer de
salida.
20. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque comprende un
amplificador de seguimiento y retención.
21. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 20, caracterizado porque dicho relé
miniaturizado comprende:
- una primera zona enfrentada a una segunda
zona,
- una primera placa de condensador (3),
- una segunda placa de condensador (9) dispuesta
en dicha segunda zona, donde dicha segunda placa es menor o igual
que dicha primera placa,
- un espacio intermedio (25) dispuesto entre
dicha primera zona y dicha segunda zona,
- un elemento conductor (7) dispuesto en dicho
espacio intermedio (25), dicho elemento conductor (7) siendo
mecánicamente independiente de dichas primera zona y segunda zona y
siendo apto para efectuar un desplazamiento a través de dicho
espacio intermedio (25) en función de unos voltajes presentes en
dichas primera y segunda placas de condensador,
- un primer punto de contacto (15) de un circuito
eléctrico, un segundo punto de contacto (17) de dicho circuito
eléctrico, donde dichos primer y segundo punto de contacto (15, 17)
definen unos primeros topes (13), donde dicho elemento conductor
(7) es apto para entrar en contacto con dichos primeros topes (13)
y donde dicho elemento conductor (7) cierra dicho circuito
eléctrico cuando está en contacto con dichos primeros topes
(13).
22. Circuito según la reivindicación 21,
caracterizado porque dicho primer punto de contacto (15)
está entre dicha segunda zona y dicho elemento conductor (7).
23. Circuito según una de las reivindicaciones 21
ó 22, caracterizado porque dicha primera placa está en
dicha segunda zona.
24. Circuito según una de las reivindicaciones 21
ó 22, caracterizado porque dicha primera placa está en
dicha primera zona.
25. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 24, caracterizado porque dicho
segundo punto de contacto (17) está asimismo en dicha segunda
zona.
26. Circuito según una de las reivindicaciones 24
ó 25, caracterizado porque comprende, adicionalmente, una
tercera placa de condensador (11) dispuesta en dicha segunda zona,
donde dicha tercera placa de condensador (11) es menor o igual que
dicha primera placa de condensador (3), y donde dichas segunda y
tercera placas de condensador son, juntas, mayores que dicha
primera placa de condensador (3).
27. Circuito según una de las reivindicaciones 24
ó 25, caracterizado porque comprende, adicionalmente, una
tercera placa de condensador (11) dispuesta en dicha segunda zona y
una cuarta placa de condensador (5) dispuesta en dicha primera
zona, donde dicha primera placa de condensador (3) y dicha segunda
placa de condensador (9) son iguales entre sí, y dicha tercera
placa de condensador (11) y dicha cuarta placa de condensador (5)
son iguales entre sí.
28. Circuito según la reivindicación 27,
caracterizado porque dichas primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador son todas iguales entre sí.
29. Circuito según una de las reivindicaciones 27
u 28, caracterizado porque comprende, adicionalmente, una
quinta placa de condensador (35) dispuesta en dicha primera zona y
una sexta placa de condensador (37) dispuesta en dicha segunda
zona, donde dicha quinta placa de condensador (35) y dicha sexta
placa de condensador (37) son iguales entre sí.
30. Circuito según la reivindicación 29,
caracterizado porque comprende, seis placas de condensador
dispuestas en dicha primera zona y seis placas de condensador
dispuestas en dicha segunda zona.
31. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 30, caracterizado porque comprende un
segundo tope entre dicha primera zona y dicho elemento conductor
(7).
32. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 31, caracterizado porque comprende un
tercer punto de contacto (21) dispuesto entre dicha primera zona y
dicho elemento conductor (7), donde dicho tercer punto de contacto
(21) define un segundo tope, de manera que dicho elemento
conductor (7) cierra un segundo circuito eléctrico cuando está en
contacto con dicho segundo punto de contacto (17) y dicho tercer
punto de contacto (21).
33. Circuito según la reivindicación 32,
caracterizado porque dicho elemento conductor (7) comprende
una parte cilíndrica (31) hueca que define un eje, en cuyo interior
se aloja dicho segundo punto de contacto (17), y una parte plana
(33) que sale de un lado de dicha parte cilíndrica (31) hueca
radialmente y que se extiende en sentido de dicho eje, donde dicha
parte plana (33) tiene una altura, medida en sentido de dicho eje,
que es menor que la altura de dicha parte cilíndrica (31), medida
en sentido de dicho eje.
34. Circuito según la reivindicación 32,
caracterizado porque dicho elemento conductor (7) comprende
una parte paralelepipédica hueca que define un eje, en cuyo
interior se aloja dicho segundo punto de contacto (17), y una parte
plana (33) que sale de un lado de dicha parte cilíndrica (31) hueca
radialmente y que se extiende en sentido de dicho eje, donde dicha
parte plana (33) tiene una altura, medida en sentido de dicho eje,
que es menor que la altura de dicha parte paralelepipédica, medida
en sentido de dicho eje.
35. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 30, caracterizado porque comprende un
tercer punto de contacto (21) y un cuarto punto de contacto (23)
dispuestos entre dicha primera zona y dicho elemento conductor
(7), donde dichos tercer punto de contacto (21) y cuarto punto de
contacto (23) definen unos segundos topes (19), de manera que dicho
elemento conductor (7) cierra un segundo circuito eléctrico cuando
está en contacto con dichos tercer punto de contacto (21) y cuarto
punto de contacto (23).
36. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 35, caracterizado porque cada uno de
los conjuntos de dichas placas de condensador dispuestas en cada una
de dichas primera zona y segunda zona tiene simetría central
respecto de un centro de simetría, y donde dicho centro de
simetría está superpuesto al centro de masas de dicho elemento
conductor (7).
37. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 35, caracterizado porque el conjunto
de dichas placas de condensador dispuestas en cada una de dichas
primera zona y segunda zona tiene asimetría central, generando así
un momento de fuerzas respecto al centro de masas de dicho
elemento conductor (7).
38. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 35 a 37, caracterizado porque entre dicha
primera zona y dicha segunda zona se extienden dos paredes laterales
(29), donde entre dichas paredes laterales (29) y dicho elemento
conductor (7) existe una holgura, siendo dicha holgura
suficientemente pequeña como para imposibilitar geométricamente que
dicho elemento conductor (7) entre en contacto simultáneamente con
un punto de contacto del grupo formado por dichos primer y segundo
punto de contacto (15, 17) y con un punto de contacto del grupo
formado por dichos tercer y cuarto punto de contacto (21, 23).
39. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 38, caracterizado porque dicho
elemento conductor (7) tiene superficies externas redondeadas.
40. Circuito según la reivindicación 39,
caracterizado porque dicho elemento conductor (7) es
cilíndrico.
41. Circuito según la reivindicación 39,
caracterizado porque dicho elemento conductor (7) es
esférico.
42. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 40, caracterizado porque dicho
elemento conductor (7) presenta una cara superior y una cara
inferior, dichas caras superior e inferior siendo perpendiculares
a dicho desplazamiento de dicho elemento conductor (7), y por lo
menos una cara lateral, donde dicha cara lateral presenta unas
breves protuberancias.
43. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 42, caracterizado porque dicho
elemento conductor (7) es hueco.
44. Circuito según la reivindicación 23,
caracterizado porque dicha primera placa de condensador (3)
y dicha segunda placa de condensador (9) tienen la misma
superficie.
45. Circuito según la reivindicación 24,
caracterizado porque dicha primera placa de condensador (3)
tiene una superficie que es igual al doble de la superficie de
dicha segunda placa de condensador (9).
46. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 45, caracterizado porque una de
dichas placas de condensador (3, 5, 9, 11, 35, 37) es,
simultáneamente uno de dichos puntos de contacto (15, 17, 21,
23).
47. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 46, caracterizado porque comprende un
relé en reposo abierto formado por uno de dichos relés
miniaturizados cuyo elemento conductor (7) está conformado con un
material que tiene una energía de contacto suficientemente elevada
como para compensar su propio peso.
48. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 47, caracterizado porque comprende un
relé en reposo cerrado formado por uno de dichos relés
miniaturizados cuyo elemento conductor (7) está conformado con un
material que tiene una energía de contacto suficientemente elevada
como para compensar su propio peso.
49. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 48, caracterizado porque comprende un
relé en reposo abierto que comprende dos de dichos relés
miniaturizados, conectados en serie, donde el primer relé
miniaturizado tiene un primer elemento conductor (7) apto para
desplazarse en el espacio según una primera dirección, y donde el
segundo relé miniaturizado está girado 180° respecto de dicho
primer relé miniaturizado según un eje perpendicular a dicha
primera dirección, de manera que los dos elementos conductores (7)
de ambos relés miniaturizados son aptos para ser desplazados en la
misma dirección, pero deben ser desplazados en sentidos opuestos
para alcanzar un mismo estado de conexión o desconexión.
50. Circuito según la reivindicación 49,
caracterizado porque comprende un segundo relé en reposo
abierto igual a dicho relé en reposo abierto, pero dispuesto en el
espacio de manera que sus elementos conductores (7) se desplacen
según una segunda dirección perpendicular a dicha primera
dirección.
51. Circuito según la reivindicación 50,
caracterizado porque comprende un tercer relé en reposo
abierto igual a dicho relé en reposo abierto, pero dispuesto en el
espacio de manera que sus elementos conductores (7) se desplacen
según una tercera dirección perpendicular a dichas primera y
segunda dirección.
52. Circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 51, caracterizado porque comprende un
relé en reposo cerrado que comprende dos de dichos relés
miniaturizados, conectados en paralelo, donde el primer relé
miniaturizado tiene un primer elemento conductor (7) apto para
desplazarse en el espacio según una primera dirección, y donde el
segundo relé miniaturizado está girado 180° respecto de dicho
primer relé miniaturizado según un eje perpendicular a dicha primera
dirección, de manera que los dos elementos conductores (7) de
ambos relés miniaturizados son aptos para ser desplazados en la
misma dirección, pero deben ser desplazados en sentidos opuestos
para alcanzar un mismo estado de conexión o desconexión.
53. Circuito según la reivindicación 52,
caracterizado porque comprende un segundo relé en reposo
cerrado igual a dicho relé en reposo cerrado, pero dispuesto en el
espacio de manera que sus elementos conductores (7) se desplacen
según una segunda dirección perpendicular a dicha primera
dirección.
54. Circuito según la reivindicación 53,
caracterizado porque comprende un tercer relé en reposo
cerrado igual a dicho relé en reposo cerrado, pero dispuesto en el
espacio de manera que sus elementos conductores (7) se desplacen
según una tercera dirección perpendicular a dichas primera y
segunda dirección.
55. Uso de un circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 54 para la fabricación de una fuente de
alimentación.
56. Uso de un circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 54 para la fabricación de un conversor del
grupo formado por conversores DC/DC, AC/DC y DC/AC.
57. Uso de un circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 54 para la fabricación de un conversor
A/D.
58. Uso de un circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 54 para la fabricación de un conversor
D/A.
59. Uso de un circuito según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 54 para la fabricación de un amplificador de
potencia.
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