A DC Voltage-Multiplier Circuit Working as a High-Voltage Pulse Generator

The intensive use of semiconductor devices enabled the development of a repetitive high-voltage pulse-generator topology from the dc voltage-multiplier (VM) concept. The proposed circuit is based on an odd VM-type circuit, where a number of dc capacitors share a common connection with different voltage ratings in each one, and the output voltage comes from a single capacitor. Standard VM rectifier and coupling diodes are used for charging the energy-storing capacitors, from an ac power supply, and two additional on/off semiconductors in each stage, to switch from the typical charging VM mode to a pulse mode with the dc energy-storing capacitors connected in series with the load. Results from a 2-kV experimental prototype with three stages, delivering a 10-mu s pulse with a 5-kHz repetition rate into a resistive load, are discussed. Additionally, the proposed circuit is compared against the solid-state Marx generator topology for the same peak input and output voltages.

Photonics Active Filters Based on SiC Multi layer Structures: A Two Stage Active Circuit

Characteristics of tunable wavelength filters based on a-SiC:H multi-layered stacked cells are studied both theoretically and experimentally. Results show that the light-activated photonic device combines the demultiplexing operation with the simultaneous photodetection and self amplification of an optical signal. The sensor is a bias wavelength current-controlled device that make use of changes in the wavelength of the background to control the power delivered to the load, acting a photonic active filter. Its gain depends on the background wavelength that controls the electrical field profile across the device.

A DC-DC Step-Up mu-Power Converter for Energy Harvesting Applications, Using Maximum Power PointTracking, Based on Fractional Open Circuit Voltage

A DC-DC step-up micro power converter for solar energy harvesting applications is presented. The circuit is based on a switched-capacitorvoltage tripler architecture with MOSFET capacitors, which results in an, area approximately eight times smaller than using MiM capacitors for the 0.131mu m CMOS technology. In order to compensate for the loss of efficiency, due to the larger parasitic capacitances, a charge reutilization scheme is employed. The circuit is self-clocked, using a phase controller designed specifically to work with an amorphous silicon solar cell, in order to obtain themaximum available power from the cell. This will be done by tracking its maximum power point (MPPT) using the fractional open circuit voltage method. Electrical simulations of the circuit, together with an equivalent electrical model of an amorphous silicon solar cell, show that the circuit can deliver apower of 1132 mu W to the load, corresponding to a maximum efficiency of 66.81%.

A Voltage Limiter Circuit for Indoor Light Energy Harvesting Applications

A voltage limiter circuit for indoor light energy harvesting applications is presented. This circuit is a part of a bigger system, whose function is to harvest indoor light energy, process it and store it, so that it can be used at a later time. This processing consists on maximum power point tracking (MPPT) and stepping-up, of the voltage from the photovoltaic (PV) harvester cell. The circuit here described, ensures that even under strong illumination, the generated voltage will not exceed the limit allowed by the technology, avoiding the degradation, or destruction, of the integrated die. A prototype of the limiter circuit was designed in a 130 nm CMOS technology. The layout of the circuit has a total area of 23414 mu m(2). Simulation results, using Spectre, are presented.

Start-up circuit for low-power indoor light energy harvesting applications

A start-up circuit, used in a micro-power indoor light energy harvesting system, is described. This start-up circuit achieves two goals: first, to produce a reset signal, power-on-reset (POR), for the energy harvesting system, and secondly, to temporarily shunt the output of the photovoltaic (PV) cells, to the output node of the system, which is connected to a capacitor. This capacitor is charged to a suitable value, so that a voltage step-up converter starts operating, thus increasing the output voltage to a larger value than the one provided by the PV cells. A prototype of the circuit was manufactured in a 130 nm CMOS technology, occupying an area of only 0.019 mm(2). Experimental results demonstrate the correct operation of the circuit, being able to correctly start-up the system, even when having an input as low as 390 mV using, in this case, an estimated energy of only 5.3 pJ to produce the start-up.

The effect of metal transfer stability (spattering) on fume generation, morphology and composition in short-circuit MAG welding

The main objective of this work was to evaluate the hypothesis that the greater transfer stability leads also to less volume of fumes. Using an Ar + 25%CO2 blend as shielding gas and maintaining constant the average current, wire feed speed and welding speed, bead-on-plate welds were carried out with plain carbon steel solid wire. The welding voltage was scanned to progressively vary the transfer stability. Using two conditions of low stability and one with high stability, fume generation was evaluated by means of the AWS F1.2:2006 standard. The influence of these conditions on fume morphology and composition was also verified. A condition with greater transfer stability does not generate less fume quantity, despite the fact that this condition produces fewer spatters. Other factors such as short-circuit current, arcing time, droplet diameters and arc length are the likely governing factors, but in an interrelated way. Metal transfer stability does not influence either the composition or the size/morphology of fume particulates. (c) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

analytical model and measurements of the target erosion depth profile of balanced and unbalanced planar magnetron cathodes

The erosion depth profile of planar targets in balanced and unbalanced magnetron cathodes with cylindrical symmetry is measured along the target radius. The magnetic fields have rotational symmetry. The horizontal and vertical components of the magnetic field B are measured at points above the cathode target with z = 2 x 10(-3) m. The experimental data reveal that the target erosion depth profile is a function of the angle. made by B with a horizontal line defined by z = 2 x 10(-3) m. To explain this dependence a simplified model of the discharge is developed. In the scope of the model, the pathway lengths of the secondary electrons in the pre-sheath region are calculated by analytical integration of the Lorentz differential equations. Weighting these lengths by using the distribution law of the mean free path of the secondary electrons, we estimate the densities of the ionizing events over the cathode and the relative flux of the sputtered atoms. The expression so deduced correlates for the first time the erosion depth profile of the target with the angle theta. The model shows reasonably good fittings to the experimental target erosion depth profiles confirming that ionization occurs mainly in the pre-sheath zone.

Electromagnetic transients analysis of lightning overvoltages on wind power plants

As wind power generation undergoes rapid growth, lightning and overvoltage incidents involving wind power plants have come to be regarded as a serious problem. Firstly, lightning location systems are discussed, as well as important parameters regarding lightning protection. Also, this paper presents a case study, based on a wind turbine with an interconnecting transformer, for the study of adequate lightning and overvoltage protection measures. The electromagnetic transients circuit under study is described, and computational results are presented.

Solid-state Marx based two-switch voltage modulator for the On-Line Isotope Mass Separator accelerator at the European Organization for Nuclear Research

A new circuit topology is proposed to replace the actual pulse transformer and thyratron based resonant modulator that supplies the 60 kV target potential for the ion acceleration of the On-Line Isotope Mass Separator accelerator, the stability of which is critical for the mass resolution downstream separator, at the European Organization for Nuclear Research. The improved modulator uses two solid-state switches working together, each one based on the Marx generator concept, operating as series and parallel switches, reducing the stress on the series stacked semiconductors, and also as auxiliary pulse generator in order to fulfill the target requirements. Preliminary results of a 10 kV prototype, using 1200 V insulated gate bipolar transistors and capacitors in the solid-state Marx circuits, ten stages each, with an electrical equivalent circuit of the target, are presented, demonstrating both the improved voltage stability and pulse flexibility potential wanted for this new modulator.

Design of improved rail-to-rail low-distortion and low-stress switches in advanced CMOS technologies

This paper describes the efficient design of an improved and dedicated switched-capacitor (SC) circuit capable of linearizing CMOS switches to allow SC circuits to reach low distortion levels. The described circuit (SC linearization control circuit, SLC) has the advantage over conventional clock-bootstrapping circuits of exhibiting low-stress, since large gate voltages are avoided. This paper presents exhaustive corner simulation results of a SC sample-and-hold (S/H) circuit which employs the proposed and optimized circuits, together with the experimental evaluation of a complete 10-bit ADC utilizing the referred S/H circuit. These results show that the SLC circuits can reduce distortion and increase dynamic linearity above 12 bits for wide input signal bandwidths.

Repetitive Solid State Pulse Modulator Based on a DC Voltage Multiplier

A newly developed solid-state repetitive high-voltage (HV) pulse modulator topology created from the mature concept of the d.c. voltage multiplier (VM) is described. The proposed circuit is based in a voltage multiplier type circuit, where a number of d.c. capacitors share a common connection with different voltage rating in each one. Hence, besides the standard VM rectifier and coupling diodes, two solid-state on/off switches are used, in each stage, to switch from the typical charging VM mode to a pulse mode with the d.c. capacitors connected in series with the load. Due to the on/off semiconductor configuration, in half-bridge structures, the maximum voltage blocked by each one is the d.c. capacitor voltage in each stage. A 2 kV prototype is described and the results are compared with PSPICE simulations.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Comportamento dinâmico da rede eléctrica da ilha de São Vicente em Cabo Verde: estabilidade de tensão

Neste trabalho é efectuado, não só o diagnóstico em regime permanente, mas também o estudo, simulação e análise do comportamento dinâmico da rede eléctrica da ilha de São Vicente em Cabo Verde. Os estudos de estabilidade transitória desempenham um importante papel, tanto no planeamento como na operação dos sistemas de potência. Tais estudos são realizados, em grande parte, através de simulação digital no domínio do tempo, utilizando integração numérica para resolver as equações não-lineares que modelam a dinâmica do sistema e dependem da existência de registos reais de perturbação (ex: osciloperturbografia). O objectivo do trabalho será também verificar a aplicabilidade dos requisitos técnicos que as unidades geradoras devem ter, no que concerne ao controlo de tensão, estabelecidos na futura regulamentação europeia desenvolvida pela ENTSO-E (European Network Transmission System Operator for Electricity). De entre os requisitos analisou-se a capacidade das máquinas existentes suportarem cavas de tensão decorrentes de curto-circuitos trifásicos simétricos, Fault Ride Through, no ponto de ligação à rede. Identificaram-se para o efeito os factores que influenciam a estabilidade desta rede, em regime perturbado nomeadamente: (i) duração do defeito, (ii) caracterização da carga, com e sem a presença do sistema de controlo de tensão (AVR) em unidades de geração síncronas. Na ausência de registos reais sobre o comportamento do sistema, conclui-se que este é sensível à elasticidade das cargas em particular do tipo potência constante, existindo risco de perda de estabilidade, neste caso, para defeitos superiores a 5ms sem AVR. A existência de AVR nesta rede afigura-se como indispensável para garantir estabilidade de tensão sendo contudo necessário proceder a uma correcta parametrização.

Projecto e implementação de um sistema de alimentação para um transformador de alta tensão

Neste trabalho pretende-se estudar, dimensionar e implementar experimentalmente de um sistema de alimentação para transformadores de alta tensão a alta frequência. Este sistema será constituído por dois elementos principais, um rectificador monofásico em ponte totalmente controlado e por um inversor de tensão. Inicialmente realizou-se um estudo sobre as diferentes topologias possíveis para o rectificador considerando diferentes tipos de carga. Realizou-se, também, um estudo sobre o circuito de geração dos impulsos de disparo dos tiristores, executado com base num circuito integrado TCA 785, dimensionou-se os elementos constituintes do circuito de disparo, e de um sistema de controlo da tensão de saída do rectificador. Posteriormente estudou-se o funcionamento do inversor de tensão, definindo-se os modos de operação e dimensionou-se um circuito ressonante tendo em conta os parâmetros construtivos do transformador que se pretende utilizar. Finalmente procedeu-se à implementação prática dos sistemas previamente dimensionados e simulados e à apresentação dos respectivos resultados.

Análise do desempenho da tecnologia 4G LTE

O objectivo deste trabalho passa pelo desenvolvimento de uma ferramenta de simulação dinâmica de recursos rádio em LTE no sentido descendente, com recurso à Framework OMNeT++. A ferramenta desenvolvida permite realizar o planeamento das estações base, simulação e análise de resultados. São descritos os principais aspectos da tecnologia de acesso rádio, designadamente a arquitectura da rede, a codificação, definição dos recursos rádio, os ritmos de transmissão suportados ao nível de canal e o mecanismo de controlo de admissão. Foi definido o cenário de utilização de recursos rádio que inclui a definição de modelos de tráfego e de serviços orientados a pacotes e circuitos. Foi ainda considerado um cenário de referência para a verificação e validação do modelo de simulação. A simulação efectua-se ao nível de sistema, suportada por um modelo dinâmico, estocástico e orientado por eventos discretos de modo a contemplar os diferentes mecanismos característicos da tecnologia OFDMA. Os resultados obtidos permitem a análise de desempenho dos serviços, estações base e sistema ao nível do throughput médio da rede, throughput médio por eNodeB e throughput médio por móvel para além de permitir analisar o contributo de outros parâmetros designadamente, largura de banda, raio de cobertura, perfil dos serviços, esquema de modulação, entre outros. Dos resultados obtidos foi possível verificar que, considerando um cenário com estações base com raio de cobertura de 100 m obteve-se um throughput ao nível do utilizador final igual a 4.69494 Mbps, ou seja, 7 vezes superior quando comparado a estações base com raios de cobertura de 200m.