Bipolar pulsed excitation of erbium-doped nanosilicon light emitting diodes

High quantum efficiency erbium doped silicon nanocluster (Si-NC:Er) light emitting diodes (LEDs) were grown by low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) in a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) line. Erbium (Er) excitation mechanisms under direct current (DC) and bipolar pulsed electrical injection were studied in a broad range of excitation voltages and frequencies. Under DC excitation, Fowler-Nordheim tunneling of electrons is mediated by Er-related trap states and electroluminescence originates from impact excitation of Er ions. When the bipolar pulsed electrical injection is used, the electron transport and Er excitation mechanism change. Sequential injection of electrons and holes into silicon nanoclusters takes place and nonradiative energy transfer to Er ions is observed. This mechanism occurs in a range of lower driving voltages than those observed in DC and injection frequencies higher than the Er emission rate.

Polarization strategies to improve the emission of a Si-based light source emitting at 1.55 um

We present a electroluminescence (EL) study of the Si-rich silicon oxide (SRSO) LEDs with and without Er3+ ions under different polarization schemes: direct current (DC) and pulsed voltage (PV). The power efficiency of the devices and their main optical limitations are presented. We show that under PV polarization scheme, the devices achieve one order of magnitude superior performance in comparison with DC. Time-resolved measurements have shown that this enhancement is met only for active layers in which annealing temperature is high enough (>1000 ◦C) for silicon nanocrystal (Si-nc) formation. Modeling of the system with rate equations has been done and excitation cross-sections for both Si-nc and Er3+ ions have been extracted.

Brain energy consumption induced by electrical stimulation promotes systemic glucose uptake.

BACKGROUND: Controlled transcranial stimulation of the brain is part of clinical treatment strategies in neuropsychiatric diseases such as depression, stroke, or Parkinson's disease. Manipulating brain activity by transcranial stimulation, however, inevitably influences other control centers of various neuronal and neurohormonal feedback loops and therefore may concomitantly affect systemic metabolic regulation. Because hypothalamic adenosine triphosphate-sensitive potassium channels, which function as local energy sensors, are centrally involved in the regulation of glucose homeostasis, we tested whether transcranial direct current stimulation (tDCS) causes an excitation-induced transient neuronal energy depletion and thus influences systemic glucose homeostasis and related neuroendocrine mediators.METHODS: In a crossover design testing 15 healthy male volunteers, we increased neuronal excitation by anodal tDCS versus sham and examined cerebral energy consumption with (31)phosphorus magnetic resonance spectroscopy. Systemic glucose uptake was determined by euglycemic-hyperinsulinemic glucose clamp, and neurohormonal measurements comprised the parameters of the stress systems.RESULTS: We found that anodic tDCS-induced neuronal excitation causes an energetic depletion, as quantified by (31)phosphorus magnetic resonance spectroscopy. Moreover, tDCS-induced cerebral energy consumption promotes systemic glucose tolerance in a standardized euglycemic-hyperinsulinemic glucose clamp procedure and reduces neurohormonal stress axes activity.CONCLUSIONS: Our data demonstrate that transcranial brain stimulation not only evokes alterations in local neuronal processes but also clearly influences downstream metabolic systems regulated by the brain. The beneficial effects of tDCS on metabolic features may thus qualify brain stimulation as a promising nonpharmacologic therapy option for drug-induced or comorbid metabolic disturbances in various neuropsychiatric diseases.

Parkinson's disease.

In advanced Parkinson's disease (PD), the emergence of symptoms refractory to conventional therapy poses therapeutic challenges. The success of deep brain stimulation (DBS) and advances in the understanding of the pathophysiology of PD have raised interest in noninvasive brain stimulation as an alternative therapeutic tool. The rationale for its use draws from the concept that reversing abnormalities in brain activity and physiology thought to cause the clinical deficits may restore normal functioning. Currently the best evidence in support of this concept comes from DBS, which improves motor deficits, and modulates brain activity and motor cortex physiology, although whether a causal interaction exists remains largely undetermined. Most trials of noninvasive brain stimulation in PD have applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), targeting the motor cortex. Current studies suggest a possible therapeutic potential for rTMS and transcranial direct current stimulation (tDCS), but clinical effects so far have been small and negligible with regard to functional independence and quality of life. Approaches to potentiate the efficacy of rTMS include increasing stimulation intensity and novel stimulation parameters that derive their rationale from studies on brain physiology. These novel parameters are intended to simulate normal firing patterns or to act on the hypothesized role of oscillatory activity in the motor cortex and basal ganglia with regard to motor control and its contribution to the pathogenesis of motor disorders. Noninvasive brain stimulation studies will enhance our understanding of PD pathophysiology and might provide further evidence for potential therapeutic applications.

Cathodic Protection for a Continuous Box Girder Bridge Deck, HR-553, 1993

Bridge deck deterioration due to corrosive effect of deicers on reinforcing steel is a major problem facing many agencies. Cathodic protection is one method used to prevent reinforcing steel corrosion. The application of a direct current to the embedded reinforcing steel and a sacrificial anode protects the steel from corrosion. This 1992 project involved placing an Elgard Titanium Anode Mesh Cathodic Protection System on a bridge deck. The anode was fastened to the deck after the Class A repair-work and the overlay was placed using the Iowa Low Slump Dense Concrete System. The system was set up initially at 1 mA/sq ft.

Real-time, in vivo intracellular recordings of caterpillar-induced depolarization waves in sieve elements using aphid electrodes.

Plants propagate electrical signals in response to artificial wounding. However, little is known about the electrophysiological responses of the phloem to wounding, and whether natural damaging stimuli induce propagating electrical signals in this tissue. Here, we used living aphids and the direct current (DC) version of the electrical penetration graph (EPG) to detect changes in the membrane potential of Arabidopsis sieve elements (SEs) during caterpillar wounding. Feeding wounds in the lamina induced fast depolarization waves in the affected leaf, rising to maximum amplitude (c. 60 mV) within 2 s. Major damage to the midvein induced fast and slow depolarization waves in unwounded neighbor leaves, but only slow depolarization waves in non-neighbor leaves. The slow depolarization waves rose to maximum amplitude (c. 30 mV) within 14 s. Expression of a jasmonate-responsive gene was detected in leaves in which SEs displayed fast depolarization waves. No electrical signals were detected in SEs of unwounded neighbor leaves of plants with suppressed expression of GLR3.3 and GLR3.6. EPG applied as a novel approach to plant electrophysiology allows cell-specific, robust, real-time monitoring of early electrophysiological responses in plant cells to damage, and is potentially applicable to a broad range of plant-herbivore interactions.

Iowa System of Bridge Deck Rehabilitation with Cathodic Protection, HR-1044, 1986

Bridge deck and substructure deterioration due to the corrosive effects of deicing chemicals on reinforcing steel is a problem facing many transportation agencies. The main concern is protection of older bridges with uncoated reinforcing steel. Many different methods have been tried over the past years to repair bridge decks. The Iowa system of bridge deck rehabilitation has proven to be very effective. It consists of scarifying the deck surface, removing any deteriorated concrete, and overlaying with low slump dense concrete. Another rehabilitation method that has emerged is cathodic protection. It has been used for many years in the protection of underground pipelines and in 1973 was first installed on a bridge deck. Cathodic protection works by applying an external source of direct current to the embedded reinforcing steel, thereby changing the electrochemical process of corrosion. The corroding steel, which is anodic, is protected by changing it to a cathodic state. The technology involved in cathodic protection as applied to bridge decks has improved over the last 12 years. One company marketing new technology in cathodic protection systems is Raychem Corporation of Menlo Park, California. Their system utilizes a Ferex anode mesh that distributes the impressed direct current over the deck surface. Ferex mesh was selected because it seemed readily adaptable to the Iowa system of bridge deck rehabilitation. The bridge deck would be scarified, deteriorated concrete removed, Ferex anode mesh installed, and overlaid with low slump dense concrete. The Federal Highway Administration (FHWA) promotes cathodic protection under Demonstration Project No. 34, "Cathodic Protection for Reinforced Concrete Bridge Decks."

Traitement de la douleur chronique: rôle de la stimulation transcrânienne du cortex moteur [Treatment of chronic pain: transcranial stimulation of the motor cortex?].

Chronic pain refractory to medical therapy poses a therapeutic challenge. The repetitive Transcranial Magnetic Stimulation (rTMS) and transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) modulate brain activity offering a new approach. Current evidence suggests a potential therapeutic efficacy of motor cortex stimulation for the treatment of pain, but does not (yet) support their recommendation for clinical practice. These methods allow to deepen our knowledge in the pathophysiology of chronic pain while providing new therapeutic approaches.

Tasasähkön hyödyntämismahdollisuudet sähkönjakelussa

Tässä työssä on tutkittu tasasähkönsiirron tuomia mahdollisuuksia sähkönjakelussa, kun pienjännitedirektiivin pienjännitemäärittelyn soveltamista laajennetaan koskemaan vaihtojännitteen lisäksi myös tasajännitettä. Aiemmin tasasähköjärjestelmiä on käytetty ainoastaan sähköistymisen alkuaikoina 1900-luvun alussa. Viime vuosikymmeninä on sähkönjakelussa käytetty pelkästään vaihtosähköverkkoja, koska tehoelektronisten laitteiden korkea hintataso ja tekniset ominaisuudet ovat mahdollistaneet tasasähkön käytön vain suurjännitteellä. Suomalaisten sähkönkäyttö on lisääntynyt muutamalla prosenttiyksiköllä vuosittain ja kasvun taantumista ei ole odotettavissa lähiaikoina. Samaan aikaan yhteiskunta muuttuu jatkuvasti yhä riippuvaisemmaksi sähköstä ja odotukset toteutuvasta sähkönlaadusta ovat jatkuvasti korkeammat. Sähkönlaadun näkökulmasta ilmasto on tuonut aiempia suurempia haasteita sähkön toimitusvarmuudelle, kun myrskyjen aiheuttamat tuhot ovat olleet yhä entisiä suurempia. Toimitusvarmuuden parantamiseksi ovat muutamat vuosikymmenen alun rajut myrskyt johtaneet pohdintaan tulevien haasteiden hoitamiseksi ja edelleen uuden 3-portaiseen 20/1/0,4 kV vaihtosähköjärjestelmän kehittämiseen. Tasasähkönsiirron avulla halutaan tuoda käyttöön niitä hyötyjä, joita järjestelmän vaihdolla on saavutettavissa. Täysimääräisellä tasajännitteen hyödyntämisellä voidaan saavuttaa mm. aiempaa edullisempia investointivaihtoehtoja,parempi sähkönlaatu, parempi hajautetun tuotannon liitettävyys verkkoon ja erilaisten asiakaskohtaisten laitteiden helppo integroitavuus osaksi jakelujärjestelmää. Tämän työn puitteissa on pohdittu sekä teknisiä ratkaisuja että järjestelmän teknistaloudellista käyttöaluetta. Lisäksi on pyritty hahmottamaan eri tekijöiden vaikutuksia sähkönjakeluun.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Tasasähkönjakelun käyttöpotentiaalin määrittäminen

Sähkönjakeluverkkojen kehittäminen nykyistä käyttövarmemmiksi ja taloudellisemmiksi vaatii jatkuvasti uusia ratkaisumalleja. Lupaavaksi tekniikaksi sähkönjakeluverkkojen kehittämisessä on osoittautumassa tasasähkönjakelu tehoelektronisten komponenttien kehittyessä ja hintojen laskiessa samanaikaisesti. Pienjännitedirektiivi mahdollistaa tasajännitteen myötä aiempaa suurempien jännitteiden käytön pienjänniteverkoissa. Tasajännitteen käytöllä voidaan saavuttaa etuja mm. tehonsiirtokyvyssä, sähkönlaadussa, käyttövarmuudessa sekä kustannuksissa. Työssä tehdään yksityiskohtaisia teknistaloudellisia tarkasteluja perinteistä 20/0,4 kV tekniikkaa, 1000 V sähkönjakelua sekä tasasähköjärjestelmiä hyödyntäen ja verrataan näiden järjestelmien kustannuksia ja ominaisuuksia toisiinsa. Tutkimusalueet on valittu Fortum Sähkönsiirto Oy:n maaseutu- ja taajamaverkoista. Työssä pyritään hahmotta-maan teknistaloudellista käyttöaluetta eri tasasähkönjakelujärjestelmille sekä määrittä-mään tasasähkönjakelun käyttöpotentiaali tutkimuskohteena olleissa verkoissa. Lisäksi tutkitaan eri tekijöiden vaikutuksia tasasähköjakelun kannattavuuteen ja käyttövarmuu-teen sekä pyritään tuomaan esiin muitakin tasasähkönjakelujärjestelmien ominaisuuksia.

Moottorimalliton skalaarisäätö

Työssä tutkitaan nopeusanturittoman vaihtovirtakäytön skalaarisia ohjaus- ja säätömenetelmiä. Työn alussa esitetään perusteoriat taajuusmuuttajista ja oikosulkumoottoreista. Tämän jälkeen esitellään yleisimmin kirjallisuudessa esiintyneet skalaariohjaukset ja –säädöt. Vektorisäätöä ja erityisesti moottoriparametrien vaikutusta säädön toimivuuteen esitellään lyhyesti. Työn tavoitteena on ACS800 taajuusmuuttajan skalaarisäädön tutkiminen. ACS800:n nykyinen skalaarisäätö on liian sidoksissa vektorisäätöön, joten simulointien ja kirjallisuustutkimuksen tarkoituksena on täysin vektorisäädöstä eriytetyn skalaarisäädön kehitysmahdollisuuksien tutkiminen. Kirjallisuudessa esiintyneiden säätöjen avulla muodostetaan diskreettiaikainen toteutus skalaarisäädölle vaihtovirtakäytössä, jossa on käytössä virran ja välipiirijännitteen takaisinkytkentä. Säädettävää moottoria mallinnetaan jatkuvaaikaisella L-sijaiskytkennällä. Välipiirin mallinnus toimii myös jatkuva-aikaisena lukuun ottamatta välipiirin tasavirtakomponenttia, joka muodostetaan virran takaisinkytkennän ja PWM-modulaattorin kytkinasentojen avulla. Simuloinnin tarkoituksena on mallintaa skalaarisäädön suurimpia ongelmia, kuten virta- ja välijännitesäätöä. Tuloksista voidaan päätellä, että perussäädöt toimivat moitteettomasti, mutta erityisesti virtasäätöä tulisi kehittää.

Tasasähköjakelu ja kiinteistöjen tasasähköverkot

Perinteisesti sähkönjakelu on toteutettu vaihtosähköjärjestelmänä, mutta varsinkin tehoelektroniikan kehittymisen ja halpenemisen myötä on paljon keskusteltu tasasähköisistä jakelujärjestelmistä. Tässä työssä on tutkittu ja koetettu tuoda esille tasasähkön hyödyntämismahdollisuuksia sähkönjakelussa, sekä erityisesti kiinteistöjen kuten kotien ja toimistojen sähköverkoissa. DC-verkko parantaa mm. järjestelmän luotettavuutta ja jännitteenlaatua. Myös hajautetun energiantuotannon ja energiavarastojen lisääminen sähkövoimajärjestelmään olisi yksinkertaisempaa tasasähköiseen verkkoon. Monet nykyajan kotien ja toimistojen sähkölaitteista olisi nykyiselläänkin ilman modifikaatioita liitettävissä DC-verkkoon. Monien laitteiden sisäinen käyttöjännite on nykyään tasajännitettä kuten esimerkiksi tietokoneiden ja viihde-elektroniikan. Näiden laitteiden tarvitsemissa lukuisissa tasasuuntaajissa hukataan paljon energiaa. Yhdistämällä laitteet DC-verkkoon voitaisiin suuntauksista luopua, jolloin järjestelmän kokonaishyötysuhde paranisi. Lisäksi kiinteistöissä tasajännitteellä voitaisiin hyödyntää entistä paremmin muun muassa aurinkoenergiaa, polttokennoja ja energiavarastoja eli uusiutuvia ja ympäristöystävällisiä energialähteitä.