ES2317678T3 - Dispositivo de alimentcion para sistemas electronicos. - Google Patents

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Abstract

Aparato de alimentación para sistemas electrónicos, que comprende un generador (1) de carga eléctrica para convertir una energía no eléctrica en una energía eléctrica, que tiene una salida, un almacenamiento (3) de carga eléctrica que tiene una entrada y una salida, siendo la salida de dicho almacenamiento de carga eléctrica una salida del aparato, y un conversor (2) de energía de carga eléctrica, con la capacidad de aumentar el elemento de cargas eléctricas suministradas a su entrada, y de reducir el potencial de las cargas eléctricas en su salida, caracterizado porque dicho conversor de carga eléctrica se implementa como un conversor de semiconductor que comprende una estructura semiconductora con una zona (12, 13) de entrada para almacenar cargas del generador (1) de carga eléctrica y que genera un proceso de disrupción en avalancha cuando se supera una tensión umbral en dicha estructura semiconductora, estando dicha zona (12, 13) de entrada conectada a la salida del generador (1) de carga eléctrica, y una zona (10) de salida para separar y almacenar cargas secundarias creadas mediante el proceso de disrupción en avalancha, estando dicha zona (10) de salida conectada al almacenamiento (3, 8) de carga eléctrica a través de un rectificador (14).

Description

Dispositivo de alimentación para sistemas electrónicos.
Campo de la invención
La invención se refiere a medios de alimentación autónoma para sistemas electrónicos, y en particular a un método y aparato para proporcionar alimentación para cargas microelectrónicas.
Técnica anterior
La evolución de la microelectrónica ha alcanzado en la actualidad el punto en el que para la alimentación de ciertos circuitos microelectrónicos (por ejemplo, CMOS), que ejecutan volúmenes pequeños de cómputo, se requiere una cantidad extremadamente pequeña de energía eléctrica para su alimentación. Por tanto, actualmente se están haciendo esfuerzos para tales microcircuitos, utilizando, por ejemplo, fuentes de alimentación galvánicas de tamaño pequeño integradas en su carcasa.
Un inconveniente de un aparato de este tipo es una vida útil limitada de una fuente galvánica.
En este sentido, cabe destacar los intentos para abandonar las fuentes de alimentación galvánicas de vida corta y utilizar aparatos de tamaño pequeño que transforman la energía de las fuentes de naturaleza no eléctrica en energía eléctrica para obtener una pequeña parte de carga eléctrica que sería suficiente para proporcionar alimentación para un sistema electrónico durante un periodo breve.
Se conocen, por ejemplo, un método y aparato para proporcionar alimentación para un sistema electrónico a través del uso de un generador de inducción basado en motor paso a paso (patente estadounidense nº 5.061.923, cl. H 04 Q 9/00, 1991). En dicho aparato, para proporcionar alimentación para un sistema electrónico se utiliza una rotación mecánica de rotor del motor mencionado, rotación que permite inducir en la salida del devanado del estator una tensión eléctrica que es suficiente para proporcionar alimentación para un sistema electrónico. Para numerosos aparatos estos movimientos mecánicos son una molestia, y el otro inconveniente son dimensiones relativamente grandes y un alto coste de tal motor que restringe el uso de fuentes de alimentación de tal tipo.
También se conocen un método y aparato para generar impulsos de corriente para activar un diodo emisor de luz (patente estadounidense n° 4.595.864, cl. H 05 B 37/02, 1986). En dicho aparato, una acción mecánica de impacto efectuada sobre un elemento piezoeléctrico produce un impulso de corriente, impulso que mediante un transformador de impulsos se convierte en un impulso de corriente necesario para activar un diodo emisor de luz. En este aparato, un transformador de impulsos, como el único elemento del circuito, sirve como un elemento de adaptación necesario para proporcionar el paso eficaz de un impulso de corriente desde un elemento piezoeléctrico con una alta impedancia de salida hasta un diodo emisor de luz con una baja impedancia de entrada. Sin embargo, esta enseñanza conocida no está destinada a almacenar la energía eléctrica producida por un elemento piezoeléctrico y necesaria para conseguir la alimentación continua para sistemas electrónicos.
El método más próximo a la invención es un método de alimentación para un sistema electrónico, método que consiste en convertir una energía no eléctrica en una eléctrica y almacenar las cargas eléctricas para proporcionar alimentación para un sistema electrónico (solicitud EP n°. 0.725.452, cl. H 01 L 41/113, 1996). Un aparato de alimentación para un sistema electrónico que realiza dicho método comprende un generador de carga eléctrica que utiliza la conversión piezoeléctrica de la energía mecánica en la energía eléctrica, y un almacenamiento de carga eléctrica, cuya salida es la salida del aparato.
Sin embargo, el método y aparato conocidos son de baja eficacia para proporcionar alimentación para sistemas electrónicos. La causa es que los elementos piezoeléctricos, en contraposición a fuentes galvánicas o generadores de inducción no son fuentes de fuerzas electromotrices (potenciales), sino que son generadores de una carga eléctrica. Además, el valor de una parte de una carga eléctrica producida por un elemento piezoeléctrico está determinado por una única acción mecánica externa, y el potencial eléctrico que surge en la salida de tal generador de carga es directamente proporcional a un valor de dicha carga e inversamente proporcional al valor de la capacitancia de salida del generador. En particular, los elementos piezoeléctricos permiten obtener las cargas que tienen valores pequeños con un potencial eléctrico muy alto del orden de varios miles de voltios. No es posible utilizar tal fuente de alta tensión para proporcionar la alimentación directa para sistemas electrónicos de baja tensión, tales como, por ejemplo, circuitos microelectrónicos. La conexión inmediata a un elemento piezoeléctrico de una capacitancia eléctrica de carga de acumulador intermedio con el fin de almacenar en el mismo una carga necesaria para la alimentación de un sistema electrónico de baja tensión no es eficaz, porque la parte de carga producida repetidamente por un elemento piezoeléctrico es muy pequeña, por lo que para almacenar una carga grande se requiere efectuar una acción mecánica múltiple y, en consecuencia, prolongada sobre un elemento piezoeléctrico, es decir, se requieren numerosas depresiones o impactos mecánicos sobre el mismo (y en un mecanismo según la solicitud EP nº. 0.725.452, cl. H 01 L 41/113, 1996 solamente se implementan estas etapas).
Un aparato de alimentación para sistemas electrónicos comprende un generador de cargas eléctricas que convierte energía de naturaleza no eléctrica en la energía eléctrica de cargas que tiene un alto potencial eléctrico, un almacenamiento de cargas eléctricas, y un conversor de energía de estas cargas, cuya entrada está conectada a la salida de un generador de carga, y la salida de dicho conversor está conectada a la entrada del almacenamiento de carga eléctrica, cuya salida es la salida del aparato. El conversor de energía de carga puede aumentar la cantidad de las cargas eléctricas iniciales que llegan a su entrada desde el generador de carga, y reducir su potencial eléctrico, tal como se describe en el documento US 3624451.
La posibilidad básica de conseguir el resultado técnico mencionado anteriormente puede explicarse basándose en la ley de conservación de la energía para la conversión de la energía eléctrica según esta invención, conversión que de manera ideal tiene la siguiente forma q*Uin=Q*Uout, en la que q y Uin, respectivamente, son una carga y su potencial en la entrada de un conversor de energía de carga, y Q y Uout, respectivamente, son una carga y su potencial en la salida de dicho conversor. Basándose en esta condición, puede asumirse que con el fin de aumentar (multiplicar) el número de cargas en la salida del conversor de energía de carga, es decir, para que se cumpla la condición de Q > q, es necesario que el potencial en la entrada de dicho conversor Uin supere el potencial en su salida Uout. La condición de Uin>Uout puede realizarse técnicamente de manera sencilla ya que el potencial de las cargas producidas por generadores de carga, tales como elementos piezoeléctricos o elementos triboeléctricos, es inversamente proporcional a la propia capacitancia o capacitancia de carga y puede alcanzar varios miles de voltios, mientras que el potencial necesario para proporcionar alimentación para sistemas electrónicos, en particular circuitos microelectrónicos, es solamente de varios voltios. La eficacia del proceso de multiplicación de la cantidad de cargas estará determinada por la eficacia de dicho conversor con respecto al proceso de transferencia de energía eléctrica de la carga inicial desde la entrada de un conversor a su salida.
Puede implementarse un almacenamiento de carga eléctrica en dicho aparato como un condensador eléctrico.
Descripción de la invención
El objeto de la invención es proporcionar un aparato de alimentación para sistemas electrónicos según la reivindicación 1. En una de las versiones de realización de un aparato para la alimentación de sistemas electrónicos, se implementa un conversor de energía de carga como un transformador reductor, cuyo devanado primario está conectado a la salida de un generador de carga eléctrica, y cuyo devanado secundario está conectado a través de un rectificador a un almacenamiento de carga eléctrica. Tal conversor es eficaz cuando un generador de carga produce impulsos de corriente de alta energía breves.
En otra versión de realización de un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, se implementa un conversor de energía de carga como un conversor de semiconductor, cuya zona de entrada, conectada a la salida de un generador de carga eléctrica, está definida por una estructura semiconductora destinada a almacenar las cargas del generador de carga eléctrica y a formar el proceso de disrupción en avalancha cuando se supera la tensión umbral en la estructura semiconductora; y la zona de salida del conversor de semiconductor está definida por la zona de separación y almacenamiento de las cargas secundarias que se forman como consecuencia de la disrupción en avalancha, y está conectada a través de un rectificador al almacenamiento de carga eléctrica. La zona de entrada del conversor de semiconductor puede estar definida por diversas estructuras, por ejemplo, por la transición p-n desplazada inversamente, otros tipos de estructuras de diodos, así como por una estructura de transistor, o tiristor, que proporcionará un proceso en avalancha de multiplicación de carga eléctrica más agudo.
También puede implementarse un conversor de energía de carga como una pluralidad de condensadores dotados de un dispositivo de condensador para conmutar condensadores desde la conexión en serie necesaria para almacenar cargas de un generador de carga a una conexión en paralelo posterior que permite reducir el potencial de cargas en la salida de un conversor y así utilizar toda la carga almacenada en cada condensador individual en un grado más completo. En esta versión, la energía de las cargas eléctricas producida por un generador de carga se utiliza de la manera más eficaz.
Puede implementarse un generador de carga eléctrica como un elemento piezoeléctrico, elemento triboeléctrico. También es de interés el uso de tal generador de cargas eléctricas con un alto potencial eléctrico realmente inagotable en cuanto a capacidad tal como, por ejemplo, una fuente radiactiva de partículas cargadas, fuente que puede implementarse como un condensador, una de cuyas placas comprende una materia radiactiva que emite partículas \beta cargadas, siendo la otra placa su colector.
Dos últimos tipos de un generador de carga eléctrica producen cargas a una velocidad relativamente lenta, y por este motivo es aconsejable que una serie de los conversores de energía de carga descritos anteriormente se complementaran con un impulsor de pulso corto colocado entre la salida del generador de carga eléctrica y la entrada de un conversor de energía de carga eléctrica implementado de manera similar a un tubo de descarga de gas, o en forma de un elemento de umbral semiconductor, por ejemplo, un tiristor.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, en el que se realiza el método reivindicado de alimentación para sistemas electrónicos, que comprende la conversión y almacenamiento de cargas eléctricas.
La figura 2a muestra un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, en el que se implementa un conversor de energía de carga basándose en un transformador reductor.
La figura 2b muestra un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, en el que se implementa un conversor de energía de carga basándose en un transformador reductor, tal como se complementa con un elemento de umbral.
La figura 3 muestra una versión de un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, en el que se implementa un conversor de energía de carga basándose en una estructura semiconductora.
La figura 4 muestra un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, en el que se implementa un conversor de energía de carga basándose en una pluralidad de condensadores.
Realizaciones preferibles de la invención
Con referencia a la figura 1, un aparato de alimentación para sistemas electrónicos comprende el generador 1 de carga, cuya salida está conectada a la entrada del conversor 2 de energía de carga, y la salida del conversor 2 está conectada a la entrada del almacenamiento 3 de carga, cuya salida es la salida del aparato.
Puede implementarse un almacenamiento de carga eléctrica como un condensador eléctrico, así como en forma de un sistema más sofisticado, que comprende almacenamientos de acumulación con elementos galvánicos o superiónicos.
Según la figura 2a, un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, en el que un conversor de energía de carga comprende el transformador 4, cuyo devanado 5 primario es la entrada del conversor, y su devanado 6 secundario, acoplado al rectificador 7, forma la salida de dicho conversor, salida que está acoplada al condensador 8 de almacenamiento siendo el elemento de salida de dicho aparato.
La figura 2b muestra un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, tal como se implementa según la disposición que se muestra en la figura 2a, y tal como se complementa con el elemento 9 de umbral.
En un aparato de alimentación para sistemas electrónicos según la figura 3, se implementa un conversor de energía de carga como una estructura semiconductora que tiene un subsustrato 10 de tipo n, con una capa epitaxial de tipo p. En la capa 11 epitaxial están formados el contacto 12 de rectificación implementado como transición p-n, y el contacto 13 óhmico. Los contactos 12 y 13 forman la entrada de dicho conversor. El condensador 8 de almacenamiento de salida de dicho aparato está acoplado por un terminal al sustrato 10, y por el otro terminal a través del rectificador 14 al contacto 12 de rectificación.
La figura 4 muestra un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, en el que un conversor de energía de carga, que comprende una pluralidad de n condensadores 15 idénticos puede transformarse, utilizando medios 16 de conmutación, en un conjunto con la conexión en serie de estos condensadores, cuando todos los conmutadores se fijan en la posición I, o en un conjunto con la conexión en paralelo de los condensadores, cuando todos los conmutadores se fijan en la posición II. El condensador 8 de almacenamiento de salida está conectado a la salida de dicho conversor, a través del rectificador 14.
Según la figura 1, la conversión de una energía no eléctrica en la energía eléctrica se realiza mediante el generador 1, generador que se implementa con la capacidad de producir cargas eléctricas q con un alto potencial eléctrico Uin. Las cargas q producidas por el generador 1 se suministran a la entrada del conversor 2 de energía de carga, conversor que puede aumentar la cantidad inicial de cargas eléctricas y reducir su potencial eléctrico en la salida del conversor 2. Las cargas eléctricas Q de la salida del conversor se suministran a la entrada del almacenamiento 3 de estas cargas; dicho almacenamiento desempeña el papel de acumulador intermedio de salida del aparato de alimentación para sistemas electrónicos y está destinado a almacenar y conservar cargas eléctricas. La entrada del almacenamiento 3, tal como se mencionó anteriormente, es la salida del aparato de alimentación para sistemas electrónicos.
Los conversores de energía eléctrica de un aparato de alimentación para sistemas electrónicos según las figuras 2a y 2b se hacen funcionar en el modo de impulso. Si la activación del generador 1 de carga da como resultado la creación de un impulso de corriente de alta energía, entonces cuando tal impulso de corriente se aplica al devanado 5 primario del transformador 4, en este caso debido a la transformación electromagnética de la energía de impulso en el devanado 6 secundario del transformador 4, se proporciona un impulso de fuerza electromotriz. Mientras que el número de vueltas en el devanado 6 secundario es inferior a aquél en el devanado 5 primario, la amplitud de fuerza electromotriz en el devanado 6 secundario será inferior a la de la tensión de entrada, y la amplitud de corriente en el devanado secundario superará a la amplitud de corriente en el devanado 5 primario. Así, la carga completa Q en este impulso secundario será superior a la carga q confinada en el impulso primario que se origina del generador de carga. Tras la rectificación del impulso de corriente secundario en el rectificador 7 de onda completa, su carga Q se almacenará en el condensador 8 de almacenamiento.
Si la activación del generador 1 de carga no puede proporcionar un impulso de corriente de alta energía breve, entonces será necesario utilizar el elemento 9 de umbral acoplado en serie a uno de los terminales del generador 1 de carga y uno de los terminales del devanado 5 primario del transformador 4 de impulso (Figura 2b). En esta disposición según la figura 2b, el impulso de corriente en el devanado primario del transformador se crea como consecuencia de la conmutación (disrupción) del elemento 9 de umbral cuando la tensión en el mismo supera un valor predeterminado.
Puede implementarse un elemento de umbral en esta disposición como un tubo con un intervalo de descarga de gas, o como una estructura semiconductora, un tiristor, por ejemplo.
La versión según la figura 2b será bastante eficaz cuando el generador 1 de carga se implementa como un elemento triboeléctrico, o una fuente radiactiva de partículas cargadas. En tales generadores, la carga eléctrica y el potencial correspondiente en la salida de un generador se almacenan a una velocidad relativamente lenta.
En un conversor de energía de carga de un aparato de alimentación para sistemas electrónicos, implementado basándose en una estructura semiconductora según la figura 3, se utiliza el efecto de disrupción en avalancha en semiconductores. El uso de los efectos asociados con autoionización electrónica por colisión y disrupción en avalancha en semiconductores promete numerosas oportunidades, subyacentes a estos efectos [S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, N.Y., 1981]. Según estos efectos, los electrones de alta energía debidos a colisiones contra las moléculas del entorno expulsan portadores de carga adicionales de las mismas, circunstancia que bajo ciertas condiciones puede dar como resultado una reacción en cadena de su multiplicación de tipo avalancha. Basándose en inestabilidades de tipo avalancha, se hacen funcionar tales dispositivos semiconductores conocidos como tiristor y diodos de avalancha.
En un aparato de alimentación para sistemas electrónicos implementado basándose en un conversor de semiconductor según la figura 3, el contacto 12 de rectificación comprende la transición p-n desplazada inversamente, sobre cuya capacitancia se almacena la carga q producida por el generador 1 de carga. Cuando la tensión en la transición p-n supera el valor de tensión umbral, se produce la disrupción eléctrica de la misma, disrupción que esta acompañada de la aparición de una avalancha de pares electrón-hueco. Una parte de portadores de carga no equilibrados fluirá al contacto 13 óhmico. Sin embargo, si la resistencia de la capa 11 epitaxial se hace lo suficientemente grande, entonces la corriente de fuga puede hacerse más pequeña que la corriente de inyección de electrones de la zona n fuertemente dopada del sustrato 10 en las proximidades del contacto 12, corriente que surge debido a la redistribución espacial de potenciales eléctricos en una estructura tras la disrupción de la transición p-n del contacto 12 de rectificación. La corriente de inyección del sustrato compensa la corriente de huecos no equilibrados que se mueven del contacto 12 hacia el sustrato 10, y esta corriente cargará, a través del rectificador 14, el condensador 8 de almacenamiento hasta la carga Q. Debido al motivo de que la cantidad de las cargas no equilibradas producidas por la disrupción en avalancha supera muchas veces la carga q principalmente producida por el generador 1 de carga, tal conversor de semiconductor funcionará como un multiplicador de carga q. Como se mencionó anteriormente, la zona de transición p-n o contacto 12 puede implementarse como otra estructura semiconductora, por ejemplo, en forma de un tiristor, transistor o diodo semiconductor de avalancha. El requisito principal que debe cumplir esta estructura consiste en que su capacitancia de entrada debe ser relativamente pequeña para que pudiera almacenarse una carga que tiene un alto potencial de un generador de carga, y tras superar una cierta tensión umbral, pudiera formarse un impulso de corriente de la disrupción de esta estructura, creándose el proceso de la multiplicación de la avalancha de portadores de
carga.
En un aparato de alimentación para sistemas electrónicos mostrado en la figura 4, un conversor de carga eléctrica está basado en la conmutación de una pluralidad de condensadores 15 de baja tensión elementales que tienen capacitancia C, y este conversor realiza un método simple de conversión de un valor de la carga inicial q producida por el generador 1 de carga.
Cuando los condensadores 15 están conectados en serie (todos los conmutadores 16 se fijan en la posición I), la capacitancia de entrada total del condensador es pequeña y se determina como Cin=C/n, en la que C es la capacitancia de cada uno de los condensadores 15, y n es el número de condensadores 15 en el conversor. Cuando el generador 1 de carga produjo una pequeña parte de la carga q, entonces la tensión en la entrada del condensador será superior y se determinará como Uin=nq/C. Además, debido a la conexión en serie, cada condensador 15 individual se cargará por una carga idéntica q. Cuando después todos los conmutadores 16 se fijan en la posición II, todos los condensadores 15 estarán conectados en paralelo. Tal conexión en paralelo de los condensadores 15 tendrá una capacitancia de Cout=nC, y la carga de esta capacitancia será igual a la suma de cargas de todos los condensadores 15, es decir, igual al valor Q=nq. El valor de la tensión creada en la salida del conversor puede determinarse como Uout=Q/Cout=q/C=Uin/n. Así, la estructura se comporta como un multiplicador por n veces de la carga q producida por el generador 1 de carga, reduciéndose simultáneamente su potencial en la salida del conversor en n veces. El almacenamiento de cargas eléctricas de un número de actos secuenciales de generación de cargas eléctricas por el generador 1 de carga tiene lugar en el condensador 8 de almacenamiento conectado a la salida de dicho conversor, a través del rectificador 14.
Los conmutadores en la figura 4 pueden implementarse tanto con control mecánico como utilizando los medios electrónicos de conmutación.
Aplicabilidad industrial
La invención permite un uso y almacenamiento eficaz de la energía eléctrica de tales fuentes como conversores piezoeléctricos y triboeléctricos de energía mecánica, fuentes radiactivas de partículas cargadas, así como de otros generadores de cargas eléctricas.
La aplicación de aparatos de alimentación correspondientes a la invención es lo más efectivo en sistemas electrónicos autónomos con un consumo breve de alimentación eléctrica, tales como, por ejemplo, cerraduras electrónicas, lectores de tarjetas electrónicos, calculadores, transmisores de señal de control remoto portátiles, sensores, etc.
Utilizando la invención, pueden utilizarse de manera eficaz generadores de carga radiactiva para la alimentación duradera para sistemas electrónicos que no permiten un mantenimiento frecuente, tales como, por ejemplo, marcapasos artificiales, radiofaros de navegación, sistemas de señalización y alerta.
La invención permite crear sistemas de almacenamiento de energía solar mediante la conversión eficaz de energía mecánica de tales fuentes inagotables de energía mecánica como la energía del viento, de las olas y de las corrientes de la marea.

Claims (4)

1. Aparato de alimentación para sistemas electrónicos, que comprende
un generador (1) de carga eléctrica para convertir una energía no eléctrica en una energía eléctrica, que tiene una salida,
un almacenamiento (3) de carga eléctrica que tiene una entrada y una salida, siendo la salida de dicho almacenamiento de carga eléctrica una salida del aparato, y
un conversor (2) de energía de carga eléctrica, con la capacidad de aumentar el elemento de cargas eléctricas suministradas a su entrada, y de reducir el potencial de las cargas eléctricas en su salida,
caracterizado porque
dicho conversor de carga eléctrica se implementa como un conversor de semiconductor que comprende una estructura semiconductora con una zona (12, 13) de entrada para almacenar cargas del generador (1) de carga eléctrica y que genera un proceso de disrupción en avalancha cuando se supera una tensión umbral en dicha estructura semiconductora, estando dicha zona (12, 13) de entrada conectada a la salida del generador (1) de carga eléctrica, y una zona (10) de salida para separar y almacenar cargas secundarias creadas mediante el proceso de disrupción en avalancha, estando dicha zona (10) de salida conectada al almacenamiento (3, 8) de carga eléctrica a través de un rectificador (14).
2. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el generador (1) de carga eléctrica se implementa basándose en un elemento piezoeléctrico.
3. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el generador (1) de carga eléctrica se implementa basándose en un elemento triboeléctrico.
4. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el generador (1) de carga eléctrica se implementa basándose en una fuente radiactiva de partículas cargadas de alta energía.
ES98957252T 1997-10-30 1998-10-29 Dispositivo de alimentcion para sistemas electronicos. Expired - Lifetime ES2317678T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

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RU97118033 1997-10-30
RU97118033A RU2150170C1 (ru) 1997-10-30 1997-10-30 Способ питания электронной системы и устройство для его осуществления

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Publication Number Publication Date
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EP (1) EP1050955B1 (es)
KR (1) KR20010031663A (es)
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