Spatio-temporal dynamics of viruses are differentially affected by parasitoids depending on the mode of transmission by their insect vectors.

Relationships between agents in multitrophic systems are complex and very specific. Insect-transmitted plant viruses are completely dependent on the behaviour and distribution patterns of their vectors. The presence of natural enemies may directly affect aphid behaviour and spread of plant viruses, as the escape response of aphids might cause a potential risk for virus dispersal. The spatio-temporal dynamics of Cucumber mosaic virus (CMV) and Cucurbit aphid-borne yellows virus (CABYV), transmitted by Aphis gossypii in a non-persistent and persistent manner, respectively, were evaluated at short and long term in the presence and absence of the aphid parasitoid, Aphidius colemani. SADIE methodology was used to study the distribution patterns of both the virus and its vector, and their degree of association. Results suggested that parasitoids promoted aphid dispersion at short term, which enhanced CMV spread, though consequences of parasitism suggest potential benefits for disease control at long term. Furthermore, A. colemani significantly limited the spread and incidence of the persistent virus CABYV at long term. The impact of aphid parasitoids on the dispersal of plant viruses with different transmission modes is discussed.

Performance analysis of a 7-kW crystalline silicon generator after 17 years of operation in Madrid

The degradation observed on a 7-kWp Si-x photovoltaic array after 17 years of exposure on the roof of the Solar Energy Institute of the Polytechnic University of Madrid is presented. The mean peak power degradation has been 9% over this time, or an equivalent to 0.53% per year, whereas peak power standard deviation has remained constant. The main visual defects are backsheet delamination at the polyester/polyvinyl fluoride outer interface and cracks in the terminal boxes and at the joint between the frame and the laminate. Insulation resistance complies well with the requirements of the International Electrotechnical Commission 61215 tests.

Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentración concentration photovoltaics hybrid system first year of operation and improvements

A photovoltaic (PV) hybrid system combines PV with other forms of electricity generation, usually a diesel generator. The system presented in this paper uses concentration photovoltaic (CPV) as the main generator in combination with a storage system and the grid, configured as the backup power supply. The load of the system consists of an air conditioning system of an office building. This paper presents the results obtained from the first months of operation of the CPV hybrid system installed at Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentración facilities together with exhaustive simulations in order to model the system behaviour and be able to improve the self-consumption ratio. This system represents a first approach to the use of a CPV in office buildings complemented by an existing AC-coupled hybrid system. The contribution of this paper to the analysis of this new system and the existing tools available for its simulation, at least a part of it, can be considered as a starting point for the development of these kinds of systems.

Código híbrido avanzado de motores de plasma de efecto Hall

La propulsión eléctrica constituye hoy una tecnología muy competitiva y de gran proyección de futuro. Dentro de los diversos motores de plasma existentes, el motor de efecto Hall ha adquirido una gran madurez y constituye un medio de propulsión idóneo para un rango amplio de misiones. En la presente Tesis se estudian los motores Hall con geometría convencional y paredes dieléctricas. La compleja interacción entre los múltiples fenómenos físicos presentes hace que sea difícil la simulación del plasma en estos motores. Los modelos híbridos son los que representan un mejor compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Se basan en utilizar un modelo fluido para los electrones y algoritmos de dinámica de partículas PIC (Particle-In- Cell) para los iones y los neutros. Permiten hacer uso de la hipótesis de cuasineutralidad del plasma, a cambio de resolver separadamente las capas límite (o vainas) que se forman en torno a las paredes de la cámara. Partiendo de un código híbrido existente, llamado HPHall-2, el objetivo de la Tesis doctoral ha sido el desarrollo de un código híbrido avanzado que mejorara la simulación de la descarga de plasma en un motor de efecto Hall. Las actualizaciones y mejoras realizadas en las diferentes partes que componen el código comprenden tanto aspectos teóricos como numéricos. Fruto de la extensa revisión de la algoritmia del código HPHall-2 se han conseguido reducir los errores de precisión un orden de magnitud, y se ha incrementado notablemente su consistencia y robustez, permitiendo la simulación del motor en un amplio rango de condiciones. Algunos aspectos relevantes a destacar en el subcódigo de partículas son: la implementación de un nuevo algoritmo de pesado que permite determinar de forma más precisa el flujo de las magnitudes del plasma; la implementación de un nuevo algoritmo de control de población, que permite tener suficiente número de partículas cerca de las paredes de la cámara, donde los gradientes son mayores y las condiciones de cálculo son más críticas; las mejoras en los balances de masa y energía; y un mejor cálculo del campo eléctrico en una malla no uniforme. Merece especial atención el cumplimiento de la condición de Bohm en el borde de vaina, que en los códigos híbridos representa una condición de contorno necesaria para obtener una solución consistente con el modelo de interacción plasma-pared, y que en HPHall-2 aún no se había resuelto satisfactoriamente. En esta Tesis se ha implementado el criterio cinético de Bohm para una población de iones con diferentes cargas eléctricas y una gran dispersión de velocidades. En el código, el cumplimiento de la condición cinética de Bohm se consigue por medio de un algoritmo que introduce una fina capa de aceleración nocolisional adyacente a la vaina y mide adecuadamente el flujo de partículas en el espacio y en el tiempo. Las mejoras realizadas en el subcódigo de electrones incrementan la capacidad de simulación del código, especialmente en la región aguas abajo del motor, donde se simula la neutralización del chorro del plasma por medio de un modelo de cátodo volumétrico. Sin abordar el estudio detallado de la turbulencia del plasma, se implementan modelos sencillos de ajuste de la difusión anómala de Bohm, que permiten reproducir los valores experimentales del potencial y la temperatura del plasma, así como la corriente de descarga del motor. En cuanto a los aspectos teóricos, se hace especial énfasis en la interacción plasma-pared y en la dinámica de los electrones secundarios libres en el interior del plasma, cuestiones que representan hoy en día problemas abiertos en la simulación de los motores Hall. Los nuevos modelos desarrollados buscan una imagen más fiel a la realidad. Así, se implementa el modelo de vaina de termalización parcial, que considera una función de distribución no-Maxwelliana para los electrones primarios y contabiliza unas pérdidas energéticas más cercanas a la realidad. Respecto a los electrones secundarios, se realiza un estudio cinético simplificado para evaluar su grado de confinamiento en el plasma, y mediante un modelo fluido en el límite no-colisional, se determinan las densidades y energías de los electrones secundarios libres, así como su posible efecto en la ionización. El resultado obtenido muestra que los electrones secundarios se pierden en las paredes rápidamente, por lo que su efecto en el plasma es despreciable, no así en las vainas, donde determinan el salto de potencial. Por último, el trabajo teórico y de simulación numérica se complementa con el trabajo experimental realizado en el Pnnceton Plasma Physics Laboratory, en el que se analiza el interesante transitorio inicial que experimenta el motor en el proceso de arranque. Del estudio se extrae que la presencia de gases residuales adheridos a las paredes juegan un papel relevante, y se recomienda, en general, la purga completa del motor antes del modo normal de operación. El resultado final de la investigación muestra que el código híbrido desarrollado representa una buena herramienta de simulación de un motor Hall. Reproduce adecuadamente la física del motor, proporcionando resultados similares a los experimentales, y demuestra ser un buen laboratorio numérico para estudiar el plasma en el interior del motor. Abstract Electric propulsion is today a very competitive technology and has a great projection into the future. Among the various existing plasma thrusters, the Hall effect thruster has acquired a considerable maturity and constitutes an ideal means of propulsion for a wide range of missions. In the present Thesis only Hall thrusters with conventional geometry and dielectric walls are studied. The complex interaction between multiple physical phenomena makes difficult the plasma simulation in these engines. Hybrid models are those representing a better compromise between precision and computational cost. They use a fluid model for electrons and Particle-In-Cell (PIC) algorithms for ions and neutrals. The hypothesis of plasma quasineutrality is invoked, which requires to solve separately the sheaths formed around the chamber walls. On the basis of an existing hybrid code, called HPHall-2, the aim of this doctoral Thesis is to develop an advanced hybrid code that better simulates the plasma discharge in a Hall effect thruster. Updates and improvements of the code include both theoretical and numerical issues. The extensive revision of the algorithms has succeeded in reducing the accuracy errors in one order of magnitude, and the consistency and robustness of the code have been notably increased, allowing the simulation of the thruster in a wide range of conditions. The most relevant achievements related to the particle subcode are: the implementation of a new weighing algorithm that determines more accurately the plasma flux magnitudes; the implementation of a new algorithm to control the particle population, assuring enough number of particles near the chamber walls, where there are strong gradients and the conditions to perform good computations are more critical; improvements in the mass and energy balances; and a new algorithm to compute the electric field in a non-uniform mesh. It deserves special attention the fulfilment of the Bohm condition at the edge of the sheath, which represents a boundary condition necessary to match consistently the hybrid code solution with the plasma-wall interaction, and remained as a question unsatisfactory solved in the HPHall-2 code. In this Thesis, the kinetic Bohm criterion has been implemented for an ion particle population with different electric charges and a large dispersion in their velocities. In the code, the fulfilment of the kinetic Bohm condition is accomplished by an algorithm that introduces a thin non-collisional layer next to the sheaths, producing the ion acceleration, and measures properly the flux of particles in time and space. The improvements made in the electron subcode increase the code simulation capabilities, specially in the region downstream of the thruster, where the neutralization of the plasma jet is simulated using a volumetric cathode model. Without addressing the detailed study of the plasma turbulence, simple models for a parametric adjustment of the anomalous Bohm difussion are implemented in the code. They allow to reproduce the experimental values of the plasma potential and the electron temperature, as well as the discharge current of the thruster. Regarding the theoretical issues, special emphasis has been made in the plasma-wall interaction of the thruster and in the dynamics of free secondary electrons within the plasma, questions that still remain unsolved in the simulation of Hall thrusters. The new developed models look for results closer to reality, such as the partial thermalization sheath model, that assumes a non-Maxwellian distribution functions for primary electrons, and better computes the energy losses at the walls. The evaluation of secondary electrons confinement within the chamber is addressed by a simplified kinetic study; and using a collisionless fluid model, the densities and energies of free secondary electrons are computed, as well as their effect on the plasma ionization. Simulations show that secondary electrons are quickly lost at walls, with a negligible effect in the bulk of the plasma, but they determine the potential fall at sheaths. Finally, numerical simulation and theoretical work is complemented by the experimental work carried out at the Princeton Plasma Physics Laboratory, devoted to analyze the interesting transitional regime experienced by the thruster in the startup process. It is concluded that the gas impurities adhered to the thruster walls play a relevant role in the transitional regime and, as a general recomendation, a complete purge of the thruster before starting its normal mode of operation it is suggested. The final result of the research conducted in this Thesis shows that the developed code represents a good tool for the simulation of Hall thrusters. The code reproduces properly the physics of the thruster, with results similar to the experimental ones, and represents a good numerical laboratory to study the plasma inside the thruster.

Magnetic self-field effects on current collection by an ionospheric bare tether

It was recently suggested that the magnetic field created by the current of a bare tether strongly reduces its own electron-collection capability when a magnetic separatrix disconnecting ambient magnetized plasma from tether extends beyond its electric sheath. It is here shown that current reduction by the self-field depends on the ratio meterizing bias and current profiles along the tether (Lt tether length, characteristic length gauging ohmic effects) and on a new dimensionless number Ks involving ambient and tether parameters. Current reduction is weaker the lower Ks and L*/ Lt, which depend critically on the type of cross section: Ks varies as R5/3, h2/3R, and h2/3 1/4 width for wires, round tethers conductive only in a thin layer, and thin tapes, respectively; L* varies as R2/3 for wires and as h2/3 for tapes and round tethers conductive in a layer (R radius, h thickness). Self-field effects are fully negligible for the last two types of cross sections whatever the mode of operation. In practical efficient tether systems having L*/Lt low, maximum current reduction in case of wires is again negligible for power generation; for deorbiting, reduction is <1% for a 10 km tether and 15% for a 20 km tether. In the reboost mode there are no effects for Ks below some threshold; moderate effects may occur in practical but heavy reboost-wire systems that need no dedicated solar power.

Magnetic self-field effects on bare-tether current collection

It has been recently suggested that the magnetic field created by the current in a bare tether could sensibly reduce its electron collection capability in the magnetised ionosphere, a region of closed magnetic surfaces disconnecting the cylinder from infinity. In this paper, the ohmic voltage drop along the tether is taken into account in considering self-field effects. Separate analyses are carried out for the thrust and power generation and drag modes of operation, which are affected in different ways. In the power generation and drag modes, bias decreases as current increases along the tether, starting at the anodic, positively-biased end (upper end in the usual, eastward-flying spacecraft); in the thrust mode of operation, bias increases as current increases along the tether, starting at the lower end. When the ohmic voltage drop is considered, self-field effects are shown to be weak, in all cases, for tape tethers, and for circular cross-section tethers just conductive in a thin outer layer. Self-field effects might become important, in the drag case only, for tethers with fully conductive cross sections that are unrealistically heavy.

Boolean logic device done with DFB laser diode

We present simulation results on how power output-input characteristic Instability in Distributed FeedBack -DFB semiconductor laser diode SLA can be employed to implemented Boolean logic device. Two configurations of DFB Laser diode under external optical injection, either in the transmission or in the reflective mode of operation, is used to implement different Optical Logic Cells (OLCs), called the Q- and the P-Device OLCs. The external optical injection correspond to two inputs data plus a cw control signal that allows to choose the Boolean logic function to be implement. DFB laser diode parameters are choosing to obtain an output-input characteristic with the values desired. The desired values are mainly the on-off contrast and switching power, conforming shape of hysteretic cycle. Two DFB lasers in cascade, one working in transmission operation and the other one in reflective operation, allows designing an inputoutput characteristic based on the same respond of a self-electrooptic effect device is obtained. Input power for a bit'T' is 35 uW(70uW) and a bit "0" is zero for all the Boolean function to be execute. Device control signal range to choose the logic function is 0-140 uW (280 uW). Q-device (P-device)

Considering cycling for commuting : the role of mode familiarity : an exploration on the (circular) relation between cycling behaviours and attitudes toward cycling in Vitoria-Gasteiz, Spain

¿La gente utiliza la bicicleta porque les gusta? ¿O es el propio hecho de usarla la razón por la que les gusta hacerlo? ¿O es una combinación de las dos? Este tipo de preguntas reflejan un problema que se puede llamar ‘el círculo de la consideración de la bicicleta’: para poder considerar el uso de la bicicleta en el conjunto de posibles opciones a escoger, un individuo tiene que tener creencias positivas sobre ella, sobre todo en el caso de ‘contextos de bajo uso’. Pero parece poco probable que se formen creencias positivas cuando hay bajos niveles de familiaridad al modo, es decir, con un bajo conocimiento de sus características, su funcionamiento y del imaginario asociado; al mismo tiempo, la familiaridad irá alcanzando niveles más altos conforme aumente el tiempo y la intensidad con la que se utilice la bicicleta a lo largo de la vida de los individuos. El problema parece un circulo recursivo huevo-gallina, ya que es difícil que alguien considere el usar la bicicleta en lugares donde su uso es una práctica poco extendida. En estos lugares, y dentro del conglomerado actual de tecnologías, infraestructuras, reglas, prácticas de los usuarios y preferencias culturales que se han desarrollado alrededor del automóvil (el actual "sistema socio-técnico de la movilidad urbana", Urry 2004; Geels 2005, 2012) usar la bicicleta es considerado por la mayoría como algo difícil, inseguro, y anormal. Como consecuencia, los procesos de aumento de familiaridad con la bicicleta permanecen inactivos. La tesis asume la familiaridad como una fuente de información e influencia sobre las creencias positivas sobre la bicicleta. En ‘contextos de bajo uso’, sin familiaridad al uso de la bicicleta, estas creencias sólo pueden surgir de ciertos rasgos personales (afecto, valores, identidades, voluntad, etc.). Tal como han evidenciado investigaciones recientes, en estos contextos la posibilidad de considerar el uso de la bicicleta (y su eventual adopción), se circunscribe principalmente a los ‘entusiastas’, a los que están dispuestos a “ir contra corriente” (Horton & Parkin 2012), limitando el alcance de las políticas de promoción. La investigación llevada a cabo en esta tesis ofrece un nuevo enfoque al problema del ‘círculo de la consideración de la bicicleta’. Para ello, plantea un modelo en el que se introduce a la familiaridad como un constructo que media entre el comportamiento final –qué modo de transporte elige el individuo– y el conjunto de constructos psicosociales que preceden la elección modal (creencias y actitudes). La familiaridad al uso de la bicicleta se concibe como una medida de la intensidad relativa del uso de una bicicleta, real y percibida (basándose en Diana & Mokhtarian 2009) que puede formarse de manera distinta según sus fines (utilitarios o no utilitarios). El constructo familiaridad con el modo bicicleta está relacionado con la cantidad de tiempo, la intensidad y la regularidad con la que un individuo ha hecho uso de la bicicleta a lo largo de su vida. La familiaridad se concibe así como una condición que permite definir adecuadamente el contexto en el que se toman las decisiones modales de los individuos, en línea con investigaciones que postulan patrones de causalidad alternativos entre los procesos cognitivos de elección y los comportamientos modales (Tardif 1977; Dobson et al. 1978; Golob et al. 1979; Golob 2001; Schwanen et al. 2012; Diana et al. 2009; Vij & Walker 2014). De este modo se plantea que el esquema unidireccional actitudesconductas podría no ser completamente valido en el caso de la consideración de la bicicleta, explorando la hipótesis que sean las propias conductas a influenciar la formación de las actitudes. En esta tesis, el constructo de familiaridad se articula teórica y metodológicamente, y se emplea un instrumento de diseño transversal para contrastarlo. Los resultados de una encuesta telefónica a una muestra representativa de 736 personas en la ciudad española de Vitoria-Gasteiz proveen evidencias que sugieren –aunque de forma preliminar– que la familiaridad juega un papel de mediadora en la relación entre la utilización de la bicicleta y la formación de las creencias y actitudes hacia el su uso. La tesis emplea mediciones para cada individuo con respecto tanto a su consideración como a su familiaridad al uso de la bicicleta. Éstas mediciones se definen haciendo uso del análisis factorial exploratorio (AFE). Por un lado, el AFE arroja una estructura del constructo ‘consideración’ formada por cuatro factores, tres de ellos asociados con elementos positivos y uno con elementos negativos: (1) de cómo el uso de la bicicleta se considera verde e inteligente (G&S); (2) sobre su carácter agradable y adecuado (P&S); (3) sobre su eficacia como modo de transporte para ir al trabajo (E); y (4) sobre los principales inconvenientes de su uso, es decir, las dificultades implícitas (sudoración y estar expuestos a las inclemencias del tiempo) y la sensación de inseguridad que genera (sentirse en riesgo de accidentes y estresarse por el tráfico) (D&T). Por otro lado, la familiaridad al uso de la bicicleta se mide en dos distintas variables ordinales (según se base en el uso utilitario o no utilitario). Como resultado, se puede hablar de que cada individuo se encuentra en una de las siguientes cuatro etapas en orden creciente hacia una familiaridad completa al modo: no familiarizados; apenas familiarizados; moderadamente familiarizados; totalmente familiarizados. El análisis de los datos de los cuatro grupos de sujetos de la muestra, –definidos de acuerdo con cada una de las cuatro etapas de familiaridad definidas– ha evidenciado la existencia de diferencias intergrupo estadísticamente significativas, especialmente para la medida relacionada con el uso utilitario. Asimismo, las personas en los niveles inferiores de familiaridad tienen una consideración menor de los aspectos positivos de la bicicleta y por el contrario presentan preocupaciones mayores hacia las características negativas respecto a aquellas personas que están más familiarizados en el uso utilitario. El uso, aunque esporádico, de una bicicleta para fines utilitarios (ir de compras, hacer recados, etc.), a diferencia de no usarla en absoluto, aparece asociado a unas puntuaciones significativamente más altas en los tres factores positivos (G&S, E, P&S), mientras que parece estar asociado a puntuaciones significativamente más bajas en el factor relacionado con las características negativas (D&U). Aparecen resultados similares cuando se compara un uso moderado, con uno esporádico, sobre todo con respecto a la consideración de las características negativas. Los resultados de esta tesis están en línea con la literatura anterior que se ha basado en variables similares (por ejemplo, de Geus et al. 2008; Stinson & Bhat 2003, 2004; Hunt & Abraham 2006; y van Bekkum et al. 2011a, entre otros), pero en este estudio las diferencias se observan en un contexto de bajo uso y se derivan de un análisis de toda la población de personas que se desplazan a su lugar de trabajo o estudio, lo cual eleva la fiabilidad de los resultados. La posibilidad de que unos niveles más altos de uso de la bicicleta para fines utilitarios puedan llevar a niveles más positivos de su consideración abre el camino a implicaciones teóricas y de políticas que se discuten en la tesis. Con estos resultados se argumenta que el enfoque convencional basado en el cambio de actitudes puede no ser el único y prioritario para lograr cambios a la hora de fomentar el uso de la bicicleta. Los resultados apuntan al potencial de otros esquemas de causalidad, basados en patrones de influencia más descentrados y distribuidos, y que adopten una mirada más positiva hacia los hábitos de transporte, conceptualizándolos como “inteligencia encarnada y pre-reflexiva” (Schwanen et al. 2012). Tales esquemas conducen a un enfoque más práctico para la promoción del uso de la bicicleta, con estrategias que podrían basarse en acciones de ‘degustación’ de su uso o de mayor ‘exposición’ a su uso. Is the fact that people like cycling the reason for them to cycle? Or is the fact that they do cycle the reason for them to like cycling? Or is a combination of the two? This kind of questions reflect a problem that can be called ‘the cycle of cycling consideration’: in order to consider cycling in the set of possible options to be chosen, an individual needs to have positive beliefs about it, especially in the case of ‘low-cycling contexts’. However, positive beliefs seem unlikely to be formed with low levels of mode familiarity, say, with a low acquaintance with mode features, functioning and images; at the same time, higher levels of familiarity are likely to be reached if cycling is practised over relative threshold levels of intensities and extensively across individual life courses. The problem looks like a chicken-egg recursive cycle, since the latter condition is hardly met in places where cycling is little practised. In fact, inside the current conglomerate of technologies, infrastructures, regulations, user practices, cultural preferences that have grown around the automobile (the current “socio-technical system of urban mobility”, Urry 2004; Geels 2005, 2012) cycling is commonly considered as difficult, unsafe, and abnormal. Consequently, the processes of familiarity forming remain disabled, and, as a result, beliefs cannot rely on mode familiarity as a source of information and influence. Without cycling familiarity, origins of positive beliefs are supposed to rely only on personal traits (affect, values, identities, willingness, etc.), which, in low-cycling contexts, confine the possibility of cycling consideration (and eventual adoption) mainly to ‘cycling enthusiasts’ who are willing to “go against the grain” (Horton & Parkin 2012), as it results from previous research. New research conducted by author provides theoretical insights for a different approach of the cycling consideration problem in which the presence of the new construct of cycling familiarity is hypothesised in the relationship between mode choice behaviour and the set of psychosocial constructs that are supposed to precede it (beliefs and attitudes). Cycling familiarity is conceived as a measure of the real and the perceived relative intensity of use of a bicycle (building upon Diana & Mokhtarian 2009) which may be differently formed for utilitarian or non-utilitarian purposes. The construct is assumed to be related to the amount of time, the intensity and the regularity an individual spends in using a bicycle for the two distinct categories of purposes, gaining in this way a certain level of acquaintance with the mode. Familiarity with a mode of transport is conceived as an enabling condition to properly define the decision-making context in which individual travel mode choices are taken, in line with rather disperse research efforts postulating inverse relationships between mode behaviours and mode choices (Tardiff 1977; Dobson et al. 1978; Golob et al. 1979; Golob 2001; Schwanen et al. 2012; Diana et al. 2009; Vij & Walker 2014). The new construct is built theoretically and methodologically, and a cross-sectional design instrument is employed. Results from a telephone survey in a representative sample of 736 commuters in the Spanish city of Vitoria-Gasteiz, provide suggestive –although preliminary– evidence on the role of mode familiarity as a mediator in the relationship between cycling use and the formation of beliefs and attitudes toward cycling. Measures of both cycling consideration and cycling familiarity are defined making use of exploratory factor analysis. On the one hand, four distinct cycling consideration measures are created, based on attitude expressions on four underlying factors relating to the cycling commuting behaviour: on how cycling commuting is considered green and smart (G&S); on its pleasant and suited character (P&S); on its efficiency as a mode of transport for commuting (E); and on the main drawbacks of its use, namely the difficulties implied (sweating and being exposed to adverse weather conditions) and the sense of unsafety it generates (feeling at risk of accidents and getting stressed by traffic) (D&U). On the other hand, dimensions of cycling familiarity are measured on two distinct ordinal variables (whether based on the utilitarian or non-utilitarian use) comprising four stages to a complete mode familiarity: not familiar; barely familiar; moderately familiar; fully familiar. For each of the four stages of cycling familiarity defined, statistical significant differences are found, especially for the measure related to the utilitarian use. Consistently, people at the lower levels of cycling familiarity have a lower consideration of the positive aspects of cycling and conversely they exhibit higher concerns towards the negative characteristics than those individuals that are more familiar in utilitarian cycling. Using a bicycle occasionally for practical purposes, as opposed to not using it at all, seems associated to significant higher scores in the three positive factors (G&S, E, P&S) while it appears to be associated to significant lower scores in the factor relating with the negative characteristics of cycling commuting (D&U). A same pattern also occurs with a moderate use, as opposed to an occasional one, especially for the consideration of the negative characteristics. The results are in line with previous literature based on similar variables (e.g. de Geus et al. 2008; Stinson & Bhat 2003, 2004; Hunt & Abraham 2006; and van Bekkum et al. 2011a, among others), but in this study the differences are observed in a low-cycling context and derive from an analysis of the entire population of commuters, which rises the reliability of results.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.