ES2259570B1 - Dispositivo para la conexion de dos puntos de un circuito electrico. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la conexión de dos puntos de un circuito eléctrico. El dispositivo se comporta externamente como un único relé, pero comprende un primer relé MEMS y por lo menos un segundo relé MEMS. Cada relé tiene cuatro placas de condensador (Aa, Ac, Ab, Ad) y un elemento conductor (Af) alojado en el interior del relé y que es una pieza suelta capaz de moverse, abriendo y cerrando un circuito, al aplicar unas determinadas señales de control a las placas de condensador. El segundo relé puede estar conectado a una de las placas del primer relé, para poder garantizar un estado de alta impedancia en la placa, o puede estar conectado en serie o en paralelo con el primer relé pero controlado con unas señales de control diferentes, de manera que se amplia el rango de operación del primer relé y, por tanto, del dispositivo en su conjunto.
Description
Dispositivo para la conexión de dos puntos de un
circuito eléctrico.
La invención se refiere a un dispositivo para la
conexión de dos puntos de un circuito eléctrico, que comprende: [a]
un primer relé miniaturizado, donde el primer relé miniaturizado
comprende: [a1] un espacio intermedio hueco que define un primer
extremo y un segundo extremo, que está enfrentado al primer extremo,
[a.2] un elemento conductor alojado en el interior del espacio
intermedio y que es una pieza suelta capaz de moverse entre el
primer extremo y el segundo extremo del espacio intermedio, [a.3]
una primera placa de condensador y una segunda placa de condensador
dispuestas junto al primer extremo, [a.4] una tercera placa de
condensador y una cuarta placa de condensador dispuestas junto al
segundo extremo y encaradas a la primera placa de condensador y a
la segunda placa de condensador, donde el elemento conductor se
mueve entre el primer extremo y el segundo extremo en función de
unas señales eléctricas aplicadas a las placas de condensador, [a.5]
dos puntos de contacto, donde el elemento conductor es apto para
entrar en contacto con ambos puntos de contacto uniéndolos
eléctricamente, [b] un circuito de control, donde el circuito de
control actúa sobre el primer relé miniaturizado aplicando a por lo
menos una de las primera, segunda, tercera y cuarta placas de
condensador del primer relé miniaturizado una primera señal de
control y aplicando a por lo menos otra de las primera, segunda,
tercera y cuarta placas de condensador del primer relé miniaturizado
una segunda señal de control, donde la segunda señal de control es
menor que la primera señal de control.
Son conocidos los dispositivos como los
anteriormente indicados. De hecho, usualmente, el dispositivo está
constituido por un único relé que realiza la función de conectar y
desconectar dos puntos de un circuito externo. Los relés
anteriormente indicados están descritos, por ejemplo, en la
solicitud PCT WO2004046019, publicada el 3 de junio de 2004, y del
mismo solicitante. Estos relés miniaturizados están fabricados
mediante procedimientos específicos para la fabricación de
micromecanismos, denominados MEMS (micro
electro-mechanical systems - sistemas
microelectromecánicos), Microsystems (microsistemas) y/o
Micromachines (micromáquinas). En la solicitud PCT WO2004046019 se
describe con detalle el funcionamiento de estos relés y se
describen también múltiples diseños con diversas mejoras.
Concretamente, en las páginas 3 y 4 se describe el relé, su
funcionamiento y las ventajas del mismo respecto de otros relés, en
pág. 6 lín. 16 a pág. 8 lín. 15 se describe con más detalle un relé
con 4 ó más placas de condensador, en pág. 10 lín.
24-30 se detalla un rete que actúa simultáneamente
sobre dos circuitos externos de una forma complementaria (abriendo
uno al cerrar el otro y viceversa), en pág. 19 lín. 7 a pág. 22
lín. 2 (junto con las Figs. 1-3) se detalla el
funcionamiento, y en pág 22 lín. 4 a pág. 23 lín. 3 (junto con las
Figs. 4 y 5) se detalla la geometría de un relé miniaturizado (relé
MEMS).
Sin embargo, estos relés miniaturizados, debido
a que tienen un elemento conductor responsable de abrir y cerrar un
circuito externo que es una pieza suelta y que es movido gracias a
unas fuerzas electrostáticas, presentan algunos inconvenientes. Por
ejemplo, bajo determinadas condiciones de trabajo, no es posible
garantizar que el relé abra o cierre el circuito eléctrico
externo.
Por lo tanto existe la necesidad de desarrollar
un nuevo dispositivo para la conexión de dos puntos de un circuito
eléctrico que, comprendiendo un relé miniaturizado tal como el
indicado, presente una mayor versatilidad en su funcionamiento.
En lo sucesivo, en la presente descripción y
reivindicaciones, siempre que se haga referencia a un relé, se
referirá a un relé miniaturizado tal como los indicados
anteriormente (es decir, tal como los descritos en la solicitud PCT
WO2004046019) salvo que se indique expresamente otra cosa. Tanto el
problema analizado como las soluciones propuestas son específicos
para este tipo de relés.
La presente invención tiene por objeto un
dispositivo para la conexión de dos puntos de un circuito eléctrico
del tipo indicado al principio, caracterizado porque [1] comprende,
adicionalmente, [c] un segundo relé miniaturizado, donde el segundo
relé miniaturizado comprende: [c1] un espacio intermedio hueco que
define un primer extremo y un segundo extremo, que está enfrentado
al primer extremo, [c.2] un elemento conductor alojado en el
interior del espacio intermedio y que es una pieza suelta capaz de
moverse entre el primer extremo y el segundo extremo del espacio
intermedio, [c.3] una primera placa de condensador y una segunda
placa de condensador dispuestas junto al primer extremo, [c.4] una
tercera placa de condensador y una cuarta placa de condensador
dispuestas junto al segundo extremo y encaradas a la primera placa
de condensador y a la segunda placa de condensador, donde el
elemento conductor se mueve entre el primer extremo y el segundo
extremo en función de unas señales eléctricas aplicadas a las placas
de condensador, [c.5] dos puntos de contacto, donde el elemento
conductor es apto para entrar en contacto con ambos puntos de
contacto uniéndolos eléctricamente,
y
porque
\newpage
[2] o bien el segundo relé tiene uno de sus
puntos de contacto conectado a una de las primera, segunda, tercera
y cuarta placas de condensador del primer relé miniaturizado, de
manera que, cuando el segundo relé miniaturizado está abierto, la
placa de condensador del primer relé miniaturizado que está
conectada eléctricamente a uno de los puntos de contacto del segundo
relé miniaturizado queda en estado de alta impedancia;
[2'] o bien el segundo relé miniaturizado tiene
por lo menos uno de sus puntos de contacto conectado a uno de los
puntos de contacto del primer relé miniaturizado, y [3'] el circuito
de control actúa sobre el segundo relé miniaturizado aplicando a por
lo menos una de las primera, segunda, tercera y cuarta placas de
condensador del segundo relé miniaturizado una tercera señal de
control y aplicando a por lo menos otra de las primera, segunda,
tercera y cuarta placas de condensador del segundo relé una cuarta
señal de control, donde la cuarta señal de control es mayor que la
tercera señal de control, de manera que el segundo relé es activado
con la polarización invertida respecto del primer relé
miniaturizado, donde ninguna de las primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador de ninguno de los primer y segundo
relé miniaturizado quedan en estado de alta impedancia;
[2''] o bien el segundo relé miniaturizado tiene
por lo menos uno de sus puntos de contacto conectado a uno de los
puntos de contacto del primer relé miniaturizado, y [3''] el
circuito de control actúa sobre el segundo relé miniaturizado
aplicando a por lo menos una de las primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador del segundo relé miniaturizado una
tercera señal de control y aplicando a por lo menos otra de las
primera, segunda, tercera y cuarta placas de condensador del segundo
relé una cuarta señal de control, donde la cuarta señal de control
es menor que la tercera señal de control de manera que el segundo
relé es activado con la misma polarización que el primer relé,
donde por lo menos una de las tercera y cuarta señales de control es
diferente de la primera señal de control y de la segunda señal de
control, donde ninguna de las primera, segunda, tercera y cuarta
placas de condensador de ninguno de los primer y segundo relé
miniaturizado quedan en estado de alta impedancia.
La tercera señal es equivalente a la primera
señal y la cuarta señal es equivalente a la segunda señal, de
manera que si la tercera señal es mayor que la cuarta señal el
segundo relé tiene la polaridad en el mismo sentido que el primer
relé, mientras que si la tercera señal es menor que la cuarta señal
entonces el segundo relé está polarizado en sentido inverso
respecto del primer relé. Más adelante se detalla el concepto de
relé con la polaridad invertida.
El dispositivo de acuerdo con la invención
actúa, desde el punto de vista del usuario, como si fuese un único
relé, es decir, es un dispositivo que sirve para abrir o cerrar un
circuito externo. Sin embargo, en el interior del dispositivo hay
dos o más relés cuya función no es abrir y cerrar otros circuitos
externos sino ampliar el rango de trabajo (el rango operativo) del
dispositivo.
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:
Fig. 1, un esquema de un relé miniaturizado de
un dispositivo para la conexión de un circuito eléctrico de acuerdo
con la invención.
Figs. 2 a 6, diversos esquemas de conexionado de
dos relés de acuerdo con la alternativa 1 de la invención,
Fig. 7, el circuito eléctrico equivalente cuando
el elemento conductor está sin contacto con los puntos de contacto
del circuito externo,
Figs. 8.1, 8.2 y 8.3, unas representaciones
gráficas de la función F_{e}(V_{S}) para los casos 1, 2
y 3.
Figs. 9.1 y 9.2, unas representaciones gráficas
de la función F_{e}(V_{s}) para el caso 3 con la
polarización directa y con la polarización inversa.
Figs. 10.1 y 10.2, unos esquemas eléctricos de
dos relés con polarización invertida el uno respecto del otro,
Fig. 11, una representación gráfica de la
función F_{e}(V_{S}) para un dispositivo de acuerdo con
la invención.
Fig. 12, un esquema de un primer dispositivo de
acuerdo con la invención.
Fig. 13, un esquema de un segundo dispositivo de
acuerdo con la invención.
Fig. 14, un esquema de un tercer dispositivo de
acuerdo con la invención.
Fig. 15, un esquema eléctrico de la alternativa
1 de la invención, con el circuito externo del segundo relé
miniaturizado cerrado.
Fig. 16, un caso simplificado del esquema
eléctrico de la Fig. 15.
Fig. 17, un caso simplificado del esquema
eléctrico de la Fig. 16.
Fig. 18, un esquema eléctrico de la alternativa
1 de la invención, con el circuito externo del segundo relé
miniaturizado abierto.
Fig. 19, un caso simplificado del esquema
eléctrico de la Fig. 18.
Fig. 20, el esquema eléctrico de la Fig. 17,
teniendo en cuenta las resistencias de substrato.
Fig. 21, el esquema eléctrico de la Fig. 20,
simplificado para cuando el tiempo es muy largo.
El solicitante ha analizado las diversas
condiciones de trabajo de los relés miniaturizados anteriormente
indicados, y ha analizado en qué condiciones pueden tener lugar los
fallos en la apertura o cierre del circuito eléctrico externo,
llegando a las siguientes conclusiones:
El relé miniaturizado de acuerdo con la
invención funciona gracias a que entre las placas de condensador y
el elemento conductor se generan unas fuerzas electrostáticas
capaces de desplazar al elemento conductor en la dirección deseada.
Sin embargo, cuando el elemento conductor está en contacto con el
circuito eléctrico externo, el elemento conductor está sometido a
una tensión que viene obligada por el circuito eléctrico externo.
Esta tensión puede ser conocida, por ejemplo en el caso de que el
circuito eléctrico externo esté a la tensión de alimentación del
conjunto, V_{0}, o en el caso de que el circuito eléctrico externo
esté directamente conectado a masa o tierra. Sin embargo, en otros
casos, la tensión V_{s} a la que quedará el elemento conductor es
una tensión que no siempre podrá ser conocida en el momento de
diseñar el relé. Pero esta tensión V_{s} afecta a la fuerza
electrostática que experimenta el elemento conductor, de manera que
el relé solamente será capaz de abrirse y cerrarse para unos
valores determinados de V_{s} , o sea, que el relé tendrá un rango
operativo limitado. Para poder ofrecer un dispositivo capaz de
garantizar la conexión y desconexión dentro de un rango operativo
mayor que el rango operativo del relé, se debe incluir en el
dispositivo unos medios aptos para garantizar la apertura y cierre
del circuito eléctrico externo para un rango de tensiones más
amplio que el rango de tensiones del relé suelto.
En general, un relé miniaturizado como los
empleados para el dispositivo de conexionado de acuerdo con la
invención tiene una estructura tal como la reflejada
esquemáticamente en la figura 1. El relé tiene una primera placa de
condensador A_{a} y una segunda placa de condensador A_{c} que
están en un primer extremo (a la derecha de la Fig. 1) del espacio
intermedio, y una tercera placa de condensador A_{b} y una cuarta
placa de condensador A_{d} que están en el segundo extremo (a la
izquierda de la Fig. 1) del espacio intermedio y que están
enfrentadas a la primera y segunda placas de condensador. Junto a
la cuarta placa de condensador A_{d} se ha representado
esquemáticamente un punto de contacto del circuito externo, situado
a una distancia \alpha_{0}x_{0}. En realidad, debajo de este
punto de contacto, junto a la tercera placa de condensador A_{b},
debería haber otro punto de contacto, que no se ha representado
para mayor claridad de las figura. Por su parte, junto a la segunda
placa de condensador A_{c} se ha representado esquemáticamente un
tope, situado a una distancia \alpha_{1}x_{0}. Al igual que
en el caso de los puntos de contacto, en realidad, debajo de este
tope, junto a la primera placa de condensador A_{a}, debería haber
otro tope, que no se ha representado para mayor claridad de las
figuras. De hecho, los diseños reales son bidimensionales y tienen
geometrías más complejas, que pueden tener diversos puntos de
contacto y/o diversos topes físicos, si bien podrán ser agrupados
conceptualmente entre sí ya que realizarán las mismas funciones
básicas. Por lo tanto, estos esquemas deben ser tenidos en cuenta
únicamente a nivel conceptual. Entre los topes y los puntos de
contacto se encuentra un elemento conductor A_{f}, que es una
pieza suelta capaz de moverse libremente entre los topes y los
puntos de contacto.
En las fórmulas siguientes, se han empleado las
referencias A_{a}, A_{b}, A_{c} y A_{d} para designar las
áreas de las placas de condensador correspondientes, y,
análogamente, A_{f} representa el área del elemento conductor
móvil. Los dos puntos de contacto de la izquierda son los que el
elemento conductor unirá eléctricamente, y los dos topes de la
derecha son los que impiden que el elemento conductor entre en
contacto con las placas de condensador.
La fuerza electrostática F_{e} que actúa sobre
el elemento conductor cuando éste está desplazándose sin tocar
ningún punto de contacto, viene dada por la ecuación:
F_{e} =
\frac{\varepsilon
V_{0}{}^{2}AC_{AR}}{2x^{2}}\frac{C_{A1}\left\{C_{A2} -
C_{A3}\left(\frac{x_{0}}{x} - 1\right)^{2} -
\left[\left(\frac{x_{0}}{x} - 1\right)C_{A3} +
C_{A2}\right]^{2}\right\}}{\left[\left(\frac{x_{0}}{x} -
1\right)(C_{A3} + 1) +
C_{A2}\right]^{2}}
donde los valores de los
coeficientes de área C_{A2} y C_{A3} vienen dados
por
C_{A1} viene dado por
x_{0} es la distancia entre las
placas de
condensador,
(1 - \alpha_{0} -
\alpha_{1})x_{0} es la distancia entre los puntos de
contacto y los topes, es decir, es la distancia que puede recorrer
el elemento conductor a lo largo del espacio intermedio,
x es la posición del elemento conductor, donde
el origen se ha tomado en las placas de condensador de la derecha, y
el sentido de las x positivas es hacia la izquierda,
\alpha_{0}x_{0} es la distancia entre los
puntos de contacto y las placas de condensador de la izquierda,
\alpha_{1}x_{0} es la distancia entre los
topes y las placas de condensador de la derecha,
A es el área total del relé, que es
aproximadamente el área del elemento conductor,
C_{AR} es un coeficiente entre 0 y 1 que
indica la relación entre el área total del relé (A) y el área total
de las placas de condensador (max(A_{a}+A_{c},
A_{b}+A_{d}))
y los valores de A_{1}, A_{2} y A_{3},
vienen definidos en la Tabla 1, en la que V_{a}, V_{b}, V_{c}
y V_{d} son las tensiones aplicadas a las placas de condensador
A_{a}, A_{b}, A_{c} y A_{d}, respectivamente, y Z significa
un estado de alta impedancia.
\vskip1.000000\baselineskip
| V_{a} | V_{b} | V_{c} | V_{d} | A_{1} | A_{2} | A_{3} |
| 0 | Z | V_{0} | Z | A_{a} | 0 | A_{c} |
| 0 | V_{0} | V_{0} | Z | A_{a} | A_{b} | A_{c} |
| 0 | V_{0} | V_{0} | V_{0} | A_{a} | A_{b} + A_{d} | A_{c} |
| 0 | V_{0} | Z | V_{0} | A_{a} | A_{b} + A_{d} | 0 |
| Z | V_{0} | 0 | Z | A_{c} | A_{b} | 0 |
| Z | V_{0} | 0 | V_{0} | A_{c} | A_{b} + A_{d} | 0 |
\vskip1.000000\baselineskip
Usando cualquiera de las combinaciones mostradas
en la Tabla 1, el elemento conductor se desplazará en dirección de
los valores de x negativos, es decir, hacia la derecha de la Figura
1. Si se intercambian los valores de V_{a} y V_{c} de la Tabla 1
por los valores V_{b} y V_{d} y se intercambian también los
valores de A_{a} y A_{c} por los valores de A_{b} y A_{d}
para el cálculo de los valores de A_{1}, A_{2} y A_{3},
entonces el elemento conductor se desplazará hacia los valores x
positivos, es decir, hacia la izquierda de la figura 1. Esto está
resumido en la Tabla 2.
| V_{a}' | V_{b}' | V_{c}' | V_{d}' | A_{1}' | A_{2}' | A_{3}' |
| Z | 0 | Z | V_{0} | A_{b} | 0 | A_{d} |
| V_{0} | 0 | Z | V_{0} | A_{b} | A_{a} | A_{d} |
| V_{0} | 0 | V_{0} | V_{0} | A_{b} | A_{a} + A_{c} | A_{d} |
| V_{0} | 0 | V_{0} | Z | A_{b} | A_{a} + A_{c} | 0 |
| V_{0} | Z | Z | 0 | A_{d} | A_{a} | 0 |
| V_{0} | Z | V_{0} | 0 | A_{d} | A_{a} + A_{c} | 0 |
De la misma manera, se pueden definir unos
valores de coeficientes de área C'_{i} equivalentes.
En ambas Tablas se ha indicado que las posibles
tensiones a aplicar son V_{0} (tensión de alimentación, usualmente
5V) o 0V (tierra o masa). Sin embargo, debe entenderse que, en
general se obtiene el mismo resultado empleando dos tensiones
cualesquiera, siempre y cuando la tensión que sustituya a V_{0}
sea mayor que la tensión que sustituya a 0. Para mayor comodidad, en
lo sucesivo, se deberán interpretar "V_{0}" como una tensión
cualquiera (la "primera señal de control" citada anteriormente)
y "0" como otra tensión cualquiera menor que la anterior (la
"segunda señal de control" citada anteriormente), salvo que se
especifique otra cosa.
De esta manera, en ambas Tablas 1 y 2 se indican
las condiciones en que debe trabajar el relé miniaturizado para que
se desplace en las dos direcciones. En general, hay dos grandes
grupos de condiciones de trabajo del relé. Por un lado, se puede
escoger una de las alternativas en las que es necesario que alguna
de las placas de condensador esté en alta impedancia (cualquiera de
las líneas 1, 2, 4, 5 ó 6 de las Tablas 1 y 2). En lo sucesivo las
denominaremos a todas ellas la alternativa 1 ya que serán analizadas
conjuntamente. Por otro lado se puede escoger la alternativa de la
línea 3 de las Tablas 1 y 2, en la que ninguna de las placas de
condensador está en un estado de alta impedancia, y que en lo
sucesivo se denominará alternativa 2.
Para que el relé miniaturizado (y, por lo tanto,
el dispositivo de conexionado) sea capaz de garantizar la apertura
y cierre del circuito externo con independencia de la tensión a la
que está sometido el elemento conductor, el dispositivo debe contar
con unos medios adecuados (los "medios aptos para garantizar la
apertura y cierre del circuito eléctrico externo para cualquier
tensión a la que esté sometido el elemento conductor" citados
anteriormente), que garanticen unas condiciones de trabajo
determinadas, que se detallan a continuación.
Alternativa
1
En el caso de que se elija la alternativa 1 es
necesario garantizar que la placa de condensador correspondiente
esté realmente en un estado de alta impedancia. Debe tenerse en
cuenta que las placas de condensador estarán realmente en un
entorno físico determinado, y estarán conectadas a sus
correspondientes circuitos de control de una forma determinada.
Empleando las tecnologías convencionales de estado sólido, no se
puede conseguir que la placa de condensador esté en estado de alta
impedancia (impedancia infinita), sino que tendrá una impedancia
finita. De acuerdo con la invención, una forma de conseguir que la
placa de condensador esté realmente en estado de alta impedancia, es
a base de controlar la placa de condensador en cuestión mediante un
segundo relé miniaturizado. Este segundo relé miniaturizado no
necesitará ser capaz de trabajar con el elemento conductor a
cualquier tensión, sino que su elemento conductor solamente deberá
trabajar a una tensión determinada de antemano (V_{0} ó 0) ya que
su función será conectar la placa de condensador del primer relé a
V_{0} ó 0. Por lo tanto, puede ser diseñado directamente de
manera que garantice la apertura y el cierre de "su" circuito
externo. Por otro lado, la placa de condensador del primer relé que
está siendo controlada por el segundo relé tendrá su estado de alta
impedancia provocado por el segundo relé en posición abierta, lo que
significa un valor de alta impedancia realmente eficaz. Al final de
la presente descripción se analiza con más detalle la obtención de
un estado de alta impedancia en las placas del primer relé.
En las Figs. 2 a 6 se muestran diversos esquemas
de conexionado de dos relés de acuerdo con la alternativa 1. En las
Figs. 2 y 3 se muestran dos esquemas básicos, en los que el segundo
relé R2 actúa sobre las placas del primer relé R1. En general, la
alimentación de R2 así como la señal que R2 le pasa a R1 pueden ser
cualesquiera. Asimismo, en general, R1 puede necesitar una tensión
de alimentación independiente de la que recibe de R2, ello se
muestra en la Fig. 4. En la Fig. 5 se muestran los detalles de R1
(ver Fig. 1) y se observa como R2 actúa sobre una de las placas de
condensador de R1, conectándola a V_{0} o dejándola en un estado
de alta impedancia. En general, el primer relé R1 puede tener más de
una placa de condensador conectada a un segundo relé R2. Asimismo,
en general, el segundo relé R2 puede ser responsable de conectar la
placa de condensador a V_{0} o a tierra. En la Fig. 6 se muestra
una forma preferente de realización de la invención, en la que cada
una de las placas del primer relé R1 está conectada a un segundo
relé R2, donde cada uno de los segundos relés está conectado entre
V_{0} y tierra.
Alternativa
2
En el caso que se elija la alternativa 2, se
deben cumplir las siguientes relaciones:
donde
A continuación se detalla el análisis
considerando que se trata de un relé SPST (del inglés Single Pole
Single Throw, relé con un único elemento conductor (pole) y que
conmuta un único circuito externo (throw)). Un relé SPST es un relé
que únicamente tiene puntos de contacto de un circuito externo en un
extremo del espacio intermedio hueco. Este relé SPST únicamente
actúa sobre un único circuito externo. Por su parte, los relés SPDT
(del inglés single pole double throw) tienen puntos de contacto a
ambos lados del espacio intermedio hueco (es decir, en vez de los
topes mostrados en la Fig. 1, hay otros dos puntos de contacto de un
segundo circuito externo), de manera que al abrir un circuito
externo se cierra el otro circuito externo.
En las siguientes explicaciones se va a
considerar que los puntos de contacto están a la izquierda del
elemento conductor, de manera que el elemento conductor se tenga que
desplazar hacia la izquierda (hacia los valores de X positivos) para
entrar en contacto y unir eléctricamente los puntos de contacto, y
tendrá que desplazarse hacia la derecha (hacia los valores de X
negativos) para separarse de los puntos de contacto, dejando así
abierto el correspondiente circuito. Sin embargo, lógicamente, las
conclusiones a las que se llegue son independientes de esta
consideración geométrica.
Para garantizar el correcto funcionamiento del
relé miniaturizado, se debe garantizar que se cumplen cuatro
condiciones diferentes:
- el elemento conductor debe poder hacer un
movimiento de izquierda a derecha a lo largo del espacio intermedio
hueco, no estando en contacto con ningún punto de contacto,
- el elemento conductor debe poder hacer
realizar un movimiento de derecha a izquierda a lo largo del espacio
intermedio hueco, asimismo no estando en contacto con ningún punto
de contacto,
- el elemento conductor debe poder separarse de
los puntos de contacto, abriendo el circuito, lo que correspondería
con el inicio del movimiento de izquierda a derecha,
- el elemento conductor debe poder entrar en
contacto (y permanecer en esta posición) con los puntos de contacto
para mantener el circuito cerrado, lo que correspondería con el
final del movimiento de derecha a izquierda.
En los dos últimos casos, el elemento conductor
estará sometido a un voltaje que vendrá determinado por el circuito
externo correspondiente a los dos puntos de contacto. Para poder
garantizar estas cuatro condiciones, para un rango infinito de
voltajes del elemento conductor, es decir V_{S}
\in(-\infty,+\infty), se debe cumplir que:
Donde \alpha'_{0} indica la máxima distancia
que la placa libre puede separarse del punto de contacto eléctrico
manteniendo todavía el contacto y por lo tanto la tensión del
circuito externo, básicamente debido a una inclinación de la placa,
o a una curvatura si es flexible, etc. Evidentemente siempre se
cumplirá:
\alpha'_{0}
>
\alpha_{0}
Se puede demostrar que no se pueden satisfacer
estas ecuaciones conjuntamente con las ecuaciones
indicadas
anteriormente.
El problema se concentra en las condiciones de
apertura y cierre del relé. A continuación se analizará con más
detalle la apertura del relé. La condición de cierre del relé puede
ser analizada de forma equivalente.
Para la condición de apertura del relé se debe
satisfacer la siguiente inecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
\left[\frac{A_{2}}{(\alpha^{-1}_{0}
- 1)^{2}} - A_{1} - A_{3}\right] \cdot V^{2}_{S} + [2A_{1}V_{0}]
\cdot V_{S} + [ - A_{1}V^{2}_{0}] <
0
\vskip1.000000\baselineskip
Esta fórmula viene de tener en cuenta que
\vskip1.000000\baselineskip
F_{e} =
F_{2} - F_{1} -
F_{3}
es decir, la fuerza electrostática
total es la suma de la fuerza provocada por cada una de las áreas
A_{1}, A_{2} y A_{3}, tal como han sido definidas en la tabla
1, y cada una tiene la
expresión:
Se puede demostrar que cuando el elemento
conductor está sin contacto con los puntos de contacto del circuito
externo, el circuito eléctrico equivalente que se tiene es el
mostrado en la Fig. 7
Se puede obtener la siguiente fórmula para la
tensión V_{S}:
V_{S} =
\frac{\frac{x_{0}}{x} - 1}{\left(\frac{x_{0}}{x} - 1\right) \cdot
(C_{A3} + 1) + C_{A2}} \cdot
V_{0}
La inecuación anterior nos define una función
parabólica en la que la tensión del elemento conductor, V_{S}, es
la variable independiente, es decir, F_{e}(V_{S}).
Analizando esta función se puede observar que pueden darse tres
casos, que serán en función de los valores de los coeficientes de
área C_{Ai} y del valor de \alpha_{0}.
\newpage
Caso 1: (ver Fig. 8.1)
\vskip1.000000\baselineskip
C_{A2} <
C_{A3}(\alpha^{-1}_{0}-1)^{-2}
V_{S} \in
(-\infty,
+\infty)
\vskip1.000000\baselineskip
Caso 2: (ver Fig. 8.2)
\vskip1.000000\baselineskip
C_{A3}(\alpha^{-1}_{0}-1)^{-2}
<C_{A2} <(C_{A3}
+1)(\alpha^{-1}_{0}-1)^{-2}
V_{S} \in
\left(-\infty, \frac{V_{0}}{1+\sqrt{R_{0}}}\right) \cup
\left(\frac{V_{0}}{1-\sqrt{R_{0}}}, +\infty \right) \supset
\left(-\infty,
\frac{V_{0}}{2}\right)
\vskip1.000000\baselineskip
Caso 3: (ver Fig. 8.3)
\vskip1.000000\baselineskip
C_{A2}
>(C_{A3} +
1)(\alpha^{-1}_{0}-1)^{-2}
V_{S} \in
\left(\frac{V_{0}}{1-\sqrt{R_{0}}},
\frac{V_{0}}{1+\sqrt{R_{0}}}\right) \subset
\left(-\infty,\frac{V_{0}}{2}\right)
El rango de voltajes V_{S1} del caso 1 incluye
los rangos de voltaje V_{S2} y V_{S3} de los casos 2 y 3, y el
rango del caso 2 incluye el del caso 3, es decir
V_{S3} \subset
V_{S2} \subset
V_{S1}
donde
R_{0} =
C_{A2}(\alpha^{-1}_{0} -1)^{2} -
C_{A3}
No es posible diseñar un relé miniaturizado SPST
que trabaje con la alternativa 2, es decir sin ninguna placa de
conductor en estado de alta impedancia, y que tenga simultáneamente
tanto la condición de apertura del relé como la condición de cierre
del relé gobernadas por el caso 1. Por eso, en el caso de la
alternativa 2, no es posible garantizar que el relé miniaturizado
pueda abrirse y cerrarse para cualquier tensión V_{S} a la que
esté sometido el elemento conductor.
Es necesario combinar las otras opciones.
Concretamente únicamente quedan dos posibilidades de interés real:
hacer que las dos condiciones (apertura y cierre del relé) se
correspondan con el caso 2, o bien hacer que una de las condiciones
se corresponda con el caso 1 y la otra con el caso 3. Denominaremos
estas dos posibilidades como posibilidad 1 y posibilidad 2,
respectivamente. Si bien existen otras posibilidades (que una de
las condiciones se corresponda con el caso 2 y otra con el caso 3,
o que las dos condiciones se correspondan con el caso 3), no parecen
ser de interés práctico.
Posibilidad
1
En la posibilidad 1, las dos condiciones que
corresponden con el caso 2, de manera que se tiene uno de los
siguientes dos intervalos de rangos de voltaje.
V_{S} \in
\left(-\infty,\frac{V_{0}}{2}\right)
ó
V_{S} \in
\left(\frac{V_{0}}{2},
+\infty\right)
Esta solución puede ser útil únicamente en
determinados casos, debido a las limitaciones que se deben imponer
por lo que respecta a V_{S}. De hecho, se debe cumplir que:
\alpha'_{0} =
\alpha_{0}
que significa una limitación
práctica
considerable.
Posibilidad
2
En la posibilidad 2 tendremos que una de las
condiciones de apertura y cierre del relé se corresponde con el
caso 1, lo cual quiere decir que se cumple para cualquier V_{S},
pero la otra condición se debe corresponder con el caso 3.
Por lo tanto el relé podrá trabajar con un intervalo de V_{S} que será o bien menor que \frac{V_{0}}{2} o bien mayor que \frac{V_{0}}{2} tal como se muestra en las figuras 9.1 y 9.2. Para conseguir el intervalo mostrado en la figura 9.2 es necesario cambiar la polaridad de las tensiones aplicadas a las placas de condensador, es decir es necesario que el relé esté con la polaridad invertida.
Por lo tanto el relé podrá trabajar con un intervalo de V_{S} que será o bien menor que \frac{V_{0}}{2} o bien mayor que \frac{V_{0}}{2} tal como se muestra en las figuras 9.1 y 9.2. Para conseguir el intervalo mostrado en la figura 9.2 es necesario cambiar la polaridad de las tensiones aplicadas a las placas de condensador, es decir es necesario que el relé esté con la polaridad invertida.
Dado que el relé debe garantizar que cumple
simultáneamente ambas condiciones (apertura y cierre del circuito
externo) tenemos que los intervalos de las figuras 9.1 ó 9.2
vuelven a ser los intervalos operativos del relé y, al igual que en
la posibilidad 1, únicamente serán aceptables en determinadas
circunstancias, debido a las restricciones que imponen por lo que
respecta a V_{S}.
La solución propuesta por la invención para
resolver el problema de la alternativa 2 es combinar dos relés
miniaturizados, trabajando cada uno de ellos bajo unas condiciones
diferentes, de manera que cada uno de ellos presente un intervalo de
voltajes V_{S} admisibles al menos parcialmente diferente. Ello
permitirá formar un dispositivo que incluya la combinación de ambos
relés miniaturizados y que tenga un intervalo de voltajes V_{S}
admisibles que sea la unión de los intervalos de voltajes de cada
uno de los relés. Como se verá a continuación, se podrá combinar los
dos relés miniaturizados uniéndolos en serie o en paralelo, en
función del resultado que se desee obtener (realmente, en función
de si el relé está trabajando en el caso 1 para la condición de
"abrir relé" o para la condición de "cerrar relé"). Como
ya se comentará más adelante, el concepto se puede ampliar a más
relés (conectar una pluralidad de relés en serie, una pluralidad de
relés en paralelo e incluso una pluralidad de relés en serie y en
paralelo) de manera que el dispositivo tenga un intervalo que sea la
unión de todos los intervalos de los relés.
Alternativa
2.1
Una forma preferente de realización de la
invención se obtiene cuando el segundo relé tiene por lo menos uno
de sus puntos de contacto conectado a uno de los puntos de contacto
del primer relé (es decir, está conectado en serie o en paralelo
con el primer relé), y el circuito de control actúa sobre el segundo
relé aplicando a por lo menos una de sus primera, segunda, tercera
y cuarta placas de condensador una tercera señal de control y
aplicando a por lo menos otra de sus primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador una cuarta señal de control, donde la
cuarta señal de control es mayor que la tercera señal de control, de
manera que el segundo relé es activado con la polarización
invertida respecto del primer relé. Ninguna de las placas de
condensador de los relés queda en estado de alta impedancia.
El relé tiene una definición muy clara de
polaridad cuando no se activa en alta impedancia. En un lado las dos
placas de condensador están conectadas a una misma tensión, y en el
otro lado están conectadas a tensiones distintas. Esto hace que al
final se tenga el esquema equivalente mostrado en la Fig. 10.1,
donde las dos placas de condensador de la izquierda son
equivalentes a una única placa con una área igual a la suma del
área las dos placas, porque están las dos conectadas a la misma
tensión, mientras que en el lado de la derecha las dos placas de
condensador tienen tensiones distintas. De esta forma se puede
definir una polarización (+ por ejemplo) cuando la tensión que
tienen las dos placas que están a la misma tensión en un lado es la
menor de las dos tensiones de control, y la polarización inversa
(-), cuando esta tensión es la mayor. En el ejemplo de la Fig. 10.1
anterior seria polarización (+). La polarización inversa (-) seria
la mostrada en la Fig. 10.2.
Alternativa
2.2
Otra forma preferente de realización de la
invención se obtiene cuando el segundo relé tiene por lo menos uno
de sus puntos de contacto conectado a uno de los puntos de contacto
del primer relé, y el circuito de control actúa sobre el segundo
relé aplicando a por lo menos una de sus primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador una tercera señal de control y
aplicando a por lo menos otra de sus primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador una cuarta señal de control, donde la
cuarta señal de control es menor que la tercera señal de control de
manera que el segundo relé es activado con la misma polarización que
el primer relé, donde por lo menos una de las tercera y cuarta
señales de control es diferente de la primera y segunda señal de
control. Ninguna de las placas de condensador de los relés queda en
estado de alta impedancia. En este caso, se trata de hacer trabajar
al segundo relé con otras tensiones, de manera que el rango
operativo sea diferente para ambos relés, aunque no tengan la
polaridad invertida.
Efectivamente, si se emplea unos relés
miniaturizados que garantizan la apertura para un rango de valores
de V_{S} infinito y el cierre para un rango de valores de V_{S}
finito, y si se conectan ambos relés en paralelo, el dispositivo
resultante tendrá un rango de valores de V_{S} operativos que
será la unión de ambos rangos. Si por el contrario, los relés
miniaturizados garantizan el cierre para un rango de valores de
V_{S} infinito y la apertura para un rango de valores V_{S}
finito, su conexión en serie permite obtener un dispositivo con un
rango de valores V_{S} operativos que sea la unión de ambos
rangos. Como ya se ha dicho anteriormente, esto es generalizable a
combinaciones de una pluralidad de relés en serie y/o en paralelo.
De una forma general se puede decir que los diferentes rangos de
valores de V_{S} para cada uno de los relés miniaturizados se
consiguen a base de hacer trabajar a cada uno de los relés
miniaturizados bajo condiciones diferentes, es decir, modificándoles
los valores de "V_{0}" y "0" que, como ya se ha dicho
anteriormente, no quieren decir únicamente la tensión de
alimentación y masa sino que quieren decir "una tensión
cualquiera" y "otra tensión cualquiera menor que la
anterior".
Preferentemente, en el caso de la alternativa
2.1, la tercera señal de control es igual a la segunda señal de
control y la cuarta señal de control es igual a la primera señal de
control. Efectivamente, en este caso se tiene dos relés trabajando
en condiciones análogas pero con la polaridad invertida. Esta
solución permite que el dispositivo tenga un rango operativo mayor
que el de los relés individuales, si bien el rango no puede incluir
el valor medio entre la primera señal de control y la tercera señal
de control. Es particularmente ventajoso que la segunda y la tercera
señal de control sean tierra (0V) y que la primera y la cuarta
señal de control sean la tensión de alimentación (V_{0}), ya que
estas dos señales están siempre directamente disponibles en
cualquier circuito.
Otra opción ventajosa, asimismo en el caso de la
alternativa 2.1, se tiene cuando la segunda señal de control es una
señal intermedia entre la primera señal de control y la tercera
señal de control, y la cuarta señal de control es una señal
intermedia (en general diferente de la segunda señal de control)
entre la primera señal de control y la tercera señal de control. De
esta manera, es posible obtener un rango operativo que incluya
cualquier valor entre OV y la tensión de alimentación, en particular
el valor medio entre la primera y la tercera señal de control. El
segundo relé está invertido respecto del primer relé y ambos relés
están alimentados a partir de fuentes de tensión diferentes. Es
particularmente ventajoso que la segunda señal de control y la
cuarta señal de control sean iguales entre sí y, preferentemente,
que sean el valor medio entre la primera señal de control y la
cuarta señal de control. De esta manera solamente hace falta una
fuente de tensión intermedia, ya que se, alimenta a la segunda y a
la cuarta señal de control simultáneamente. Específicamente, es
ventajoso que la primera señal de control sea la tensión de
alimentación (V_{0}), que la segunda y la cuarta señal de control
sean iguales entre sí (y preferentemente que sean iguales a
V_{0}/2) y que la tercera señal de control sea tierra (0V).
En general, el empleo de un segundo relé que
tenga la polaridad invertida respecto del primer relé permite
disponer de un dispositivo con un rango operativo de V_{S} entre
tierra (0V) y la tensión de alimentación (V_{0}) sin que ninguno
de los relés tenga que ser activado con tensiones inferiores a 0V o
superiores a V_{0}.
A continuación se describen con más detalle
algunos casos concretos.
Como ya se ha visto, en general interesa tener
un dispositivo con un rango operativo que sea mayor que el rango
operativo de cada uno de los relés que lo componen. Es
particularmente ventajoso que el rango de los V_{S} admisibles
incluya desde 0 hasta el valor de la tensión de alimentación
(V_{0} interpretado en sentido literal).
Como también se ha visto anteriormente, no es
posible diseñar un relé con un rango de voltajes que incluya
V_{0}/2 usando únicamente tierra (0V) y V_{0} como tensiones de
control (es decir las tensiones se aplican a las placas de
condensador del relé). Una forma de resolver este problema es usar
una fuente de tensión doble. Se puede controlar un primer relé con
las tensiones V_{0} y V_{0}/2 y un segundo relé con las
tensiones V_{0}/2 y tierra. De esta manera se puede obtener un
dispositivo con un rango operativo de 0V (tierra) a V_{0}, en
particular incluyendo V_{0}/2. La figura 11 lo muestra
gráficamente.
En este caso, los rangos de voltaje V_{S1} y
V_{S2} del primer y del segundo relé son
donde se puede demostrar
que
y se puede hacer un diseño que
cumpla
Así se tiene que
V_{min \ 1}
< V_{min \ 2} < V_{max \ 1} < V_{max \
2}
Por lo tanto
V_{S} =(V_{min
\ 1}, V_{max \
2})
En la figura 12 se muestra un esquema de
conexionado del dispositivo de acuerdo con la invención, con los
dos relés en paralelo y alimentados de la forma indicada.
Los valores de las tensiones aplicadas se
muestran en la Tabla 3. Se puede observar que el segundo relé está
con la polaridad invertida respecto del primer relé.
| Estado | V_{a1} | V_{b1} | V_{c1} | V_{d1} | V_{a2} | V_{b2} | V_{c2} | V_{d2} |
| Abierto | V_{0} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | 0 | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} |
| Cerrado | \frac{V_{0}}{2} | V_{0} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | 0 | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} |
Por lo tanto, esta es una forma de obtener un
dispositivo que puede garantizar un funcionamiento correcto (es
decir, la apertura y cierre del circuito externo) para un rango de
V_{S} que incluye V_{0}/2. Además, con un diseño adecuado de los
relés, se puede conseguir que el rango operativo incluya desde 0
(entendido como tierra) hasta V_{0} (entendido como tensión de
alimentación).
Se puede emplear la misma estrategia que en el
caso anterior y aplicarla al caso de conectar dos relés
miniaturizados en serie. En este caso se emplearán unos relés
diseñados de tal manera que garanticen el cierre del circuito
externo para cualquier tensión V_{S} aplicada al elemento
conductor y que tengan un intervalo operativo finito para la
apertura del circuito externo. Es decir se trata de combinar el caso
1 y el caso 3 anteriormente citados, pero haciendo referencia a la
condición de cierre del circuito.
Al conectar ambos relés en serie, el conjunto
del dispositivo tendrá un rango de voltajes V_{S} para los que
podrá garantizar la apertura del circuito externo que será la unión
de los rangos V_{S1} y V_{S2} de los relés correspondientes.
Empleando tierra y V_{0} como tensiones de
control, no será posible conseguir un rango de voltajes V_{S} que
incluya V_{0}/2. Una forma de resolver este problema es
nuevamente empleando una fuente de tensión doble. Se controla el
primer relé con V_{0} y V_{0}/2 y se controla el segundo relé
con V_{0}/2 y tierra. De esta manera se vuelve a conseguir un
intervalo operativo global que incluye V_{0}/2. Gráficamente se
puede emplear nuevamente la figura 11 teniendo en cuenta que
donde
y se puede hacer un diseño que
cumpla
Por lo tanto se tiene que
V_{min \ 1}
< V_{min \ 2} < V_{max \ 1} < V_{max \
2}
y
que
V_{S} =
(V_{min \ 1}, V_{max \
2})
En la Figura 13 se muestra un esquema de
conexión del dispositivo, con los dos relés conectados en serie y
las correspondientes fuentes de alimentación.
En la Tabla 4 se muestran las tensiones de
control que deben ser aplicadas a cada placa de condensador para
abrir o cerrar el dispositivo.
\vskip1.000000\baselineskip
| Estado | V_{a1} | V_{b1} | V_{c1} | V_{d1} | V_{a2} | V_{b2} | V_{c2} | V_{d2} |
| Abierto | V_{0} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | 0 | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} |
| Cerrado | \frac{V_{0}}{2} | V_{0} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} | 0 | \frac{V_{0}}{2} | \frac{V_{0}}{2} |
\vskip1.000000\baselineskip
Otra forma preferente de realización de la
invención se obtiene cuando el dispositivo tiene por lo menos un
tercer relé miniaturizado, donde el tercer relé está conectado en
serie al segundo relé si el segundo relé esta conectado en serie al
primer relé, o el tercer relé está conectado en paralelo al segundo
relé si el segundo relé está conectado en paralelo al primer relé.
Efectivamente, en el caso de que no sea posible cubrir todo el
rango 0V-V_{0} con dos relés (o no sea
interesante, ya que es más sencillo diseñar relés con un rango
pequeño que con un rango grande), entonces es necesario poner más
relés (todos conectados de la misma manera, es decir todos en serie
o todos en paralelo) para poder cubrir el rango deseado. Sin
embargo, como ya se ha dicho anteriormente, a menudo no se puede
saber cual será el rango necesario en el momento de diseñar el
relé. Por ello puede ser interesante un dispositivo que tenga una
pluralidad de relés que cubran un determinado rango
(preferentemente todo el rango 0V-V_{0}) de tal
manera que el usuario del dispositivo pueda activar más o menos
relés en función de sus necesidades concretas.
Otra forma preferente de realización de la
invención se obtiene cuando los relés del dispositivo son relés
SPDT, es decir, son relés que actúan sobre dos circuitos externos
simultáneamente. Como ya se ha dicho anteriormente, estos relés
tienen dos pares de contactos eléctricos, uno a cada lado del
espacio intermedio, de manera que el relé abre un circuito al cerrar
el otro y viceversa. De esta manera se puede obtener un dispositivo
que también sea capaz de actuar sobre dos circuitos eléctricos
externos simultáneamente, abriendo uno al cerrar el otro. Para ello,
sin embargo, se ha de tener en cuenta lo siguiente: si los relés se
encuentran trabajando según el caso 1 para la apertura del primer
circuito (y, por lo tanto, deben estar conectados en paralelo),
entonces se encuentran trabajando según el caso 1 para el cierre
del segundo circuito, ya que al abrir el primero cierra el segundo.
En consecuencia, si deben estar conectados en paralelo para un
circuito, deben estar conectados en serie para el otro. Un ejemplo
de este dispositivo se muestra en la Fig. 14.
En general, en los esquemas de las Figs. en los
que se ha representado un relé como un rectángulo, se ha
representado con un trazo grueso los conexionados de los circuitos
externos, y con un trazo fino los conexionados de alimentación o
control. Además, los dos extremos de un mismo circuito externo están
siempre dibujados en lados opuestos del rectángulo que representa al
relé.
Alternativa
1
Como se ha dicho anteriormente, una forma
preferente de realización de la invención se obtiene al garantizar
el estado de alta impedancia de determinadas placas de condensador
del primer relé miniaturizado. Para ello se ha conectado cada una
de las placas de condensador en cuestión a un segundo relé (de
manera que hay tantos segundos relés como placas de condensador
tiene el primer relé (por ejemplo, 4)), que será el responsable de
conectar la placa a una tensión determinada de antemano (V_{0} ó
0). A continuación se demostrará la efectividad de esta forma de
realización. Se dividirá este análisis en dos casos diferentes:
cuando el elemento conductor A_{f} del primer relé está cerrando
el circuito externo del primer relé y, por lo tanto, está sometido
a un voltaje V_{f} obligado por el circuito externo del primer
relé, o cuando el elemento conductor del primer relé está
desplazándose libremente a lo largo del espacio interno del primer
relé, en cuyo caso su tensión V_{f} viene determinada por la
tensión de las cuatro placas de condensador del primer relé. Para
simplificar la nomenclatura, se considerará que el primer relé tiene
4 placas de condensador (A_{1}, A_{2}, A_{3}, y A_{4}) con
cuatro capacidades (C_{1}, C_{2}, C_{3}, y C_{4}) y que la
placa de condensador que debe ponerse en estado de alta impedancia
es la placa A_{2}. Lógicamente estos resultados son
generalizables a cualquier otra placa de condensador.
La placa A_{2} es controlada por un circuito
de control, o fuente de tensión, que es apto para suministrar la
tensión V_{D} a la placa. La fuente de tensión tiene una
impedancia de salida Z_{D}. El circuito externo del primer relé se
representa como una fuente de tensión de valor V_{S} y una
impedancia Z_{S} a un lado del elemento conductor y una impedancia
Z_{E} a tierra al otro lado. C_{T} es la capacidad de la pista
de conexión. En la figura 15 se muestra el esquema eléctrico
correspondiente. Este esquema puede ser simplificado si se tiene en
cuenta que, para minimizar la influencia en el circuito externo
cerrado, se debe aplicar el siguiente requisito de diseño:
Z_{S} <<
Z_{Ci}
Teniendo en cuenta esta condición, el circuito
eléctrico simplificado se corresponde con el de la figura 16.
La condición de alta impedancia significa que no
hay prácticamente caída de tensión en C_{2}, es decir que V_{2}
es prácticamente 0. Esto se ha de alcanzar con independencia de los
valores de Z_{S} y V_{S}. En particular esto se ha de satisfacer
cuando Z_{S} = 0. Sin embargo, dado que V_{2} es la tensión en
bornes de una capacidad, ésta tiene una impedancia infinita y, por
ello, el divisor de tensión hecho con C_{2} y Z_{D}//C_{T}
hará caer toda la tensión a través de C_{2}, a no ser que la
impedancia Z_{D} esté hecha con una componente capacitiva C_{D}.
Por lo tanto esto es un requisito necesario para poder alcanzar un
estado de alta impedancia. En este caso el circuito se simplifica
aún más, y se corresponde con el mostrado en la figura 17.
En el circuito de la figura 17 se debe cumplir
que
V_{2} = V_{D}
\ \frac{C_{D}}{C_{D} + C_{2} + C_{T}}-V_{S} \ \frac{C_{D} +
C_{T}}{C_{D} + C_{2} +
C_{T}}
dado que no se puede controlar
V_{S}, se debe obligar la siguiente condición
suficiente
C_{D} <<
C_{2} +
C_{T}
C_{D} + C_{T}
<<
C_{2}
la primera inecuación es
equivalente
a
C_{2} >>
C_{D}+C_{T}-2C_{T}
que se satisface en cualquier caso
si se cumple la segunda inecuación. Por lo tanto la segunda
inecuación es una condición suficiente para ambas, y puede ser
expresada de la siguiente
forma:
C_{2} >>
C_{D}+C_{T}
Si Z_{S} es distinto de O, esto es una
condición suficiente. Y dado que no se puede controlar el valor de
V_{S}, esta condición es asimismo necesaria. Es decir la condición
que se debe de cumplir para alcanzar un estado de alta impedancia es
que la capacidad de salida de la fuente de tensión más la capacidad
de la pista ha de ser menor que la capacidad de la placa
A_{2}.
En el caso que el circuito externo esté abierto,
no hay una tensión externa V_{S} conectada al elemento conductor
del primer relé. En este caso el esquema eléctrico correspondiente
es de la figura 18. Los requisitos de diseño exigidos para el caso
del circuito externo cerrado deben ser aplicados también en este
caso, ya que la fuente de tensión será la misma en ambos casos, por
lo que la fuente de tensión deberá tener una impedancia capacitiva,
por lo cual el circuito eléctrico equivalente es el de la figura
19.
Se observa que la condición suficiente
C_{2} >>
C_{D} +
C_{T}
indicada anteriormente es también
una condición suficiente para el circuito de la figura 19, dado que
volvemos a tener un divisor de tensión formado por C_{2} y
C_{D}+C_{T}. Además, se puede observar que esta condición es
también suficiente para otros esquemas de activación más complejos,
en los que se deba poner más placas de condensador en estado de
alta
impedancia.
En los apartados a) y b) anteriores no se han
tenido en cuenta las corrientes de fuga de los condensadores
debidas a sus resistencias paralelas parásitas. Estas resistencias
van de un extremo de cada condensador hasta tierra (o sea el
substrato del circuito integrado en el que se encuentra el
dispositivo). Estas resistencias son de valores muy elevados, por
lo que usualmente pueden ser despreciadas, pero dado que el
dispositivo está operando con impedancias capacitivas puras, sí es
necesario tener en cuenta estas resistencias. En general, en
intervalos de tiempo breves las impedancias capacitivas dominarán,
pero en intervalos de tiempo más largos (dependientes de la
constante de tiempo correspondiente) estas resistencias paralelas
acabarán dominando, ya que están en paralelo con impedancias
infinitas. En el caso concreto del dispositivo de acuerdo con la
invención, no es descartable que se requiera que el primer relé
permanezca en un determinado estado (abierto o cerrado) durante un
período largo de tiempo, a priori determinado. Por lo tanto es
conveniente garantizar que el dispositivo es capaz de operar bajo
estas condiciones.
En la figura 20 se muestra el circuito eléctrico
correspondiente cuando se tienen en cuenta estas resistencias
paralelas, representadas como R_{D}, R_{T} y R_{2}. Cuando se
analiza el comportamiento de este circuito tras un largo período de
tiempo, estas resistencias dominarán, ya que los condensadores
actuarán como circuitos abiertos (en la zona de corriente
continua). Por lo tanto el circuito eléctrico correspondiente será
el de la figura 21. Como puede verse este circuito es equivalente al
circuito de la figura 17, en el que se han cambiado los
condensadores C_{D}, C_{T} y C_{2} por las resistencias
R_{D}, R_{T} y R_{2}. Para minimizar V_{2} se debe
satisfacer que
R_{2}
<< R_{D} //
R_{T}
o,
equivalentemente
R_{2} <<
R_{D}
R_{2} <<
R_{T}
Es decir, R_{2} ha de ser mucho menor que
R_{D} y R_{T}.
Debe tenerse en cuenta que la resistencia de
substrato R_{1} únicamente existirá cuando el elemento conductor
esté tocando alguna de las partes fijas del dispositivo, ya que
mientras el elemento conductor está en el aire (suponiendo que no se
alcanza la tensión de ruptura del aire) no hay corriente de fuga.
Es decir, cuando e elemento conductor está en movimiento, R_{2}
es infinito. En esta condición no se cumplen las condiciones
R_{2} <<
R_{D}
R_{2} <<
R_{T}
Por lo tanto es necesario garantizar que durante
el tiempo de conmutación t_{s} los condensadores C_{D} y
C_{T} dominan sobre sus correspondientes resistencias de substrato
R_{D} y R_{T}, es decir,
R_{D}C_{D}
>>
t_{s}
R_{T}C_{T}
>>
t_{s}
Por lo tanto, para satisfacer estas condiciones
y, simultáneamente las condiciones
R_{2} <<
R_{D}
R_{2} <<
R_{T}
se deben tener valores muy elevados
de R_{D} y
R_{T}.
Una forma de conseguir que se cumpla la
relación
C_{2} >>
C_{D} +
C_{T}
es la siguiente. El segundo relé
tiene dos puntos de contacto que, realmente, serán unas superficies
sobre las que se apoyará el elemento conductor para cerrar el
circuito externo (que es el circuito que controla la tensión que se
aplica a la placa de condensador del primer relé que se quiere
poder dejar en estado de alta impedancia, o sea, la placa A_{2}.
Dado que se debe cumplir que la capacidad de salida de la fuente de
tensión (o sea, del segundo relé en estado abierto) más la capacidad
de la pista de conexión ha de ser menor que la capacidad de la
placa A_{2}, y teniendo en cuenta que usualmente el primer relé y
el segundo relé estarán en un mismo chip y han sido fabricados con
la misma tecnología y tienen espesores similares, se debe cumplir
que el área A_{S} de los puntos de contacto del segundo relé (del
conjunto de todos ellos) debe ser menor que el área A_{2} de la
placa de condensador del primer relé que queremos poder dejar en
estado de alta
impedancia.
A_{S} <<
A_{i}
Usualmente los puntos de contacto serán de
tamaño mínimo, por lo que esta condición podrá ser satisfecha
fácilmente.
En general, es necesario disponer de un segundo
relé para cada placa de condensador del primer relé que se desee
poner en estado de alta impedancia. Es decir, si suponemos que el
primer relé tiene cuatro placas de condensador (si bien podría
tener más placas) entonces hacen falta cuatro segundos relés. Ello
significa incrementar notablemente el área de circuito integrado
necesaria para el dispositivo completo. A continuación se mostrará
cómo, en determinados casos, se puede controlar un primer relé con
cuatro placas de condensador mediante únicamente dos segundos
relés.
Por ejemplo, si se supone un primer relé con
cuatro placas de condensador y un diseño simétrico que tenga
C_{A2} = 0 y C_{A3} = 1, entonces las condiciones que deben ser
impuestas a las placas de condensador para poder actuar el relé se
muestran en la Tabla 5.
| Estado | V_{1} | V_{2} | V_{3} | V_{4} |
| Derecha | V_{0} | Z | GND | Z |
| Izquierda | Z | V_{0} | Z | GND |
Esta combinación de tensiones puede ser
suministrada a las placas de condensador del primer relé mediante
únicamente dos segundos relés, si los dos segundos relés son SPDT,
es decir, son relés que actúan sobre dos circuitos externos
simultáneamente, como ya se ha indicado anteriormente. El primero de
los segundos relés SPDT tiene su primer circuito externo conectado
a la placa de condensador A_{1} (es decir la que está a la
tensión V_{1}) y su segundo circuito externo conectado a la placa
de condensador A_{2} (es decir la que está a la tensión V_{2}).
Por el extremo opuesto ambos circuitos externos están conectados a
V_{0}. De esta manera, cuando el primero de los segundos relés
SPDT cierra el circuito externo correspondiente a A_{1}, V_{1}
es V_{0} y el circuito externo correspondiente a A_{2} queda
abierto, por lo que queda en estado de alta impedancia. Análogamente
el segundo de los segundos relés SPDT, tiene su primer circuito
externo conectado a la placa de condensador A_{3} (es decir la
que está a la tensión V_{3}) y su segundo circuito externo
conectado a la placa de condensador A_{4} (es decir la que está a
la tensión V_{4}). Por el extremo opuesto ambos circuitos
externos están conectados a tierra (GND). Cuando el segundo de los
segundos relés SPDT cierra el circuito externo correspondiente a
A_{3}, V_{3} es GND y A_{4} queda en estado de alta
impedancia, y cuando cierra el circuito externo correspondiente a
A_{4}, V_{4} es GND y A_{3} queda en estado de alta
impedancia.
Por su parte, los voltajes de activación de
estos dos segundos relés SPDT se muestran en la Tabla 6.
| Estado | V_{1} | V_{2} | V_{3} | V_{4} |
| Derecha | V_{0} | GND | GND | GND |
| Izquierda | GND | V_{0} | GND | GND |
Claims (9)
1. Dispositivo para la conexión de dos puntos de
un circuito eléctrico, que comprende: [a] un primer relé
miniaturizado, donde dicho primer relé miniaturizado comprende:
[a1] un espacio intermedio hueco que define un primer extremo y un
segundo extremo, que está enfrentado a dicho primer extremo, [a.2]
un elemento conductor (A_{f}) alojado en el interior de dicho
espacio intermedio y que es una pieza suelta capaz de moverse entre
dicho primer extremo y dicho segundo extremo de dicho espacio
intermedio, [a.3] una primera placa de condensador (A_{a}) y una
segunda placa de condensador (A_{c}) dispuestas junto a dicho
primer extremo, [a.4] una tercera placa de condensador (A_{b}) y
una cuarta placa de condensador (A_{d}) dispuestas junto a dicho
segundo extremo y encaradas a dicha primera placa de condensador
(A_{a}) y segunda placa de condensador (A_{c}), donde dicho
elemento conductor (A_{f}) se mueve entre dicho primer extremo y
dicho segundo extremo en función de unas señales eléctricas
aplicadas a dichas placas de condensador, [a.5] dos puntos de
contacto, donde dicho elemento conductor (A_{f}) es apto para
entrar en contacto con dichos puntos de contacto uniéndolos
eléctricamente, [b] un circuito de control, donde dicho circuito de
control actúa sobre dicho primer relé miniaturizado aplicando a por
lo menos una de dichas primera, segunda, tercera y cuarta placas de
condensador (A_{a}, A_{c}, A_{b}, A_{d}) de dicho primer
relé miniaturizado una primera señal de control y aplicando a por
lo menos otra de dichas primera, segunda, tercera y cuarta placas de
condensador (A_{a}, A_{c}, A_{b}, A_{d}) de dicho primer
relé miniaturizado una segunda señal de control, donde dicha segunda
señal de control es menor que dicha primera señal de control,
caracterizado
porque
[1] comprende, adicionalmente, [c] un segundo
relé miniaturizado, donde dicho segundo relé miniaturizado
comprende: [c1] un espacio intermedio hueco que define un primer
extremo y un segundo extremo, que está enfrentado a dicho primer
extremo, [c.2] un elemento conductor (A_{f}) alojado en el
interior de dicho espacio intermedio y que es una pieza suelta capaz
de moverse entre dicho primer extremo y dicho segundo extremo de
dicho espacio intermedio, [c.3] una primera placa de condensador
(A_{a}) y una segunda placa de condensador (A_{c}) dispuestas
junto a dicho primer extremo, [c.4] una tercera placa de condensador
(A_{b}) y una cuarta placa de condensador (A_{d}) dispuestas
junto a dicho segundo extremo y encaradas a dicha primera placa de
condensador (A_{a}) y segunda placa de condensador (A_{c}),
donde dicho elemento conductor (A_{f}) se mueve entre dicho primer
extremo y dicho segundo extremo en función de unas señales
eléctricas aplicadas a dichas placas de condensador, [c.5] dos
puntos de contacto, donde dicho elemento conductor (A_{f}) es
apto para entrar en contacto con dichos puntos de contacto
uniéndolos eléctricamente,
y porque
[2] o bien dicho segundo relé tiene uno de sus
puntos de contacto conectado a una de dichas primera, segunda,
tercera y cuarta placas de condensador (A_{a}, A_{c}, A_{b},
A_{d}) de dicho primer relé miniaturizado, de manera que, cuando
dicho segundo relé miniaturizado está abierto, dicha placa de
condensador de dicho primer relé miniaturizado que está conectada
eléctricamente a dicho punto de contacto de dicho segundo relé
miniaturizado queda en estado de alta impedancia;
[2'] o bien dicho segundo relé miniaturizado
tiene por lo menos uno de sus puntos de contacto conectado a uno de
los puntos de contacto de dicho primer relé miniaturizado, y [3']
dicho circuito de control actúa sobre dicho segundo relé
miniaturizado aplicando a por lo menos una de dichas primera,
segunda, tercera y cuarta placas de condensador (A_{a}, A_{c},
A_{b}, A_{d}) del segundo relé miniaturizado una tercera señal
de control y aplicando a por lo menos otra de dichas primera,
segunda, tercera y cuarta placas de condensador (A_{a}, A_{c},
A_{b}, A_{d}) del segundo relé una cuarta señal de control,
donde dicha cuarta señal de control es mayor que dicha tercera señal
de control, de manera que dicho segundo relé es activado con la
polarización invertida respecto de dicho primer relé miniaturizado,
donde ninguna de dichas primera, segunda, tercera y cuarta placas
de condensador (A_{a}, A_{c}, A_{b}, A_{d}) de ninguno de
dichos primer y segundo relé miniaturizado quedan en estado de alta
impedancia. [2''] o bien dicho segundo relé miniaturizado tiene por
lo menos uno de sus puntos de contacto conectado a uno de los
puntos de contacto de dicho primer relé miniaturizado, y [3''] dicho
circuito de control actúa sobre dicho segundo relé miniaturizado
aplicando a por lo menos una de dichas primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador (A_{a}, A_{c}, A_{b}, A_{d})
del segundo relé miniaturizado una tercera señal de control y
aplicando a por lo menos otra de dichas primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador (A_{a}, A_{c}, A_{b}, A_{d})
del segundo relé una cuarta señal de control, donde dicha cuarta
señal de control es menor que dicha tercera señal de control de
manera que el segundo relé es activado con la misma polarización
que el primer relé, donde por lo menos una de dichas tercera y
cuarta señales de control es diferente de dicha primera señal de
control y de dicha segunda señal de control, donde ninguna de
dichas primera, segunda, tercera y cuarta placas de condensador
(A_{a}, A_{c}, A_{b}, A_{d}) de ninguno de dichos primer y
segundo relé miniaturizado quedan en estado de alta impedancia.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, donde
dicho segundo relé miniaturizado tiene por lo menos uno de sus
puntos de contacto conectado a uno de los puntos de contacto de
dicho primer relé miniaturizado, y donde dicho segundo relé es
activado con la polarización invertida respecto de dicho primer relé
miniaturizado, caracterizado porque dicha tercera señal de
control es igual a dicha segunda señal de control y dicha cuarta
señal de control es igual a dicha primera señal de control.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, donde
dicho segundo relé miniaturizado tiene por lo menos uno de sus
puntos de contacto conectado a uno de los puntos de contacto de
dicho primer relé miniaturizado, y donde dicho segundo relé es
activado con la polarización invertida respecto de dicho primer relé
miniaturizado, caracterizado porque dicha segunda señal de
control es una señal intermedia entre dicha primera señal de
control y dicha tercera señal de control, y dicha cuarta señal de
control es una señal intermedia entre dicha primera señal de control
y dicha tercera señal de control.
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicha segunda señal de control y dicha
cuarta señal de control son iguales entre sí y, preferentemente,
son el valor medio entre dicha primera señal de control y dicha
tercera señal de control.
5. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende,
adicionalmente, por lo menos [d] un tercer relé miniaturizado, donde
dicho tercer relé miniaturizado comprende: [d1] un espacio
intermedio hueco que define un primer extremo y un segundo extremo,
que está enfrentado a dicho primer extremo, [d.2] un elemento
conductor (A_{f}) alojado en el interior de dicho espacio
intermedio y que es una pieza suelta capaz de moverse entre dicho
primer extremo y dicho segundo extremo de dicho espacio intermedio,
[d.3] una primera placa de condensador (A_{a}) y una segunda placa
de condensador (A_{d}) dispuestas junto a dicho primer extremo,
[d.4] una tercera placa de condensador (A_{b}) y una cuarta placa
de condensador (A_{d}) dispuestas junto a dicho segundo extremo y
encaradas a dicha primera placa de condensador (A_{a}) y segunda
placa de condensador (A_{d}), donde dicho elemento conductor
(A_{f}) se mueve entre dicho primer extremo y dicho segundo
extremo en función de unas señales eléctricas aplicadas a dichas
placas de condensador, [d.5] dos puntos de contacto, donde dicho
elemento conductor (A_{f}) es apto para entrar en contacto con
dichos puntos de contacto uniéndolos eléctricamente; y donde dicho
tercer relé está conectado en serie a dicho segundo relé si dicho
segundo relé esta conectado en serie a dicho primer relé, o dicho
tercer relé está conectado en paralelo a dicho segundo relé si
dicho segundo relé está conectado en paralelo a dicho primer
relé.
6. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dichos relés
miniaturizados tienen cada uno de ellos dos puntos de contacto
adicionales para la conexión de un segundo circuito eléctrico, y
porque dichos relés están conectados en serie desde el punto de
vista del circuito eléctrico y están conectados en paralelo desde el
punto de vista del segundo circuito eléctrico.
7. Dispositivo según la reivindicación 1, donde
dicho segundo relé miniaturizado tiene uno de sus puntos de
contacto conectado a una de dichas primera, segunda, tercera y
cuarta placas de condensador (A_{a}, A_{c}, A_{b}, A_{d}) de
dicho primer relé miniaturizado a través de una pista de conexión,
caracterizado porque la capacidad de salida de dicho segundo
relé miniaturizado más la capacidad de dicha pista de conexión es
menor que la capacidad de dicha placa de condensador de dicho primer
relé miniaturizado.
8. Dispositivo según la reivindicación 7,
caracterizado porque los puntos de contacto de dicho segundo
relé miniaturizado tienen, en total, una superficie menor que la
superficie de dicha placa de condensador de dicho primer relé
miniaturizado.
9. Dispositivo según la reivindicación 1 donde
dicho segundo relé tiene uno de sus puntos de contacto conectado a
una de dichas primera, segunda, tercera y cuarta placas de
condensador (A_{a}, A_{c}, A_{b}, A_{d}) de dicho primer
relé miniaturizado, caracterizado porque comprende dos de
dichos segundos relés, donde cada uno de dichos segundos relés
tiene dos pares de puntos de contacto estando cada uno de dichos
pares en un extremo del espacio intermedio de manera que cada uno de
los segundos relés es un relé SPDT, donde un punto de contacto de
cada para está conectado eléctricamente a una de dichas primera,
segunda, tercera y cuarta placas de condensador (A_{a}, A_{c},
A_{b}, A_{d}) de dicho primer relé miniaturizado y el otro punto
de contacto de cada par están conectados eléctricamente entre
sí.
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