Патент на изобретение №2150170
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к средствам питания электронных систем. Его использование позволяет построить автономные средства питания с минимальным временем, требуемым для получения электрического заряда нужной величины. Способ заключается в преобразовании неэлектрической энергии в электрическую с генерацией электрического заряда с высоким электрическим потенциалом, понижении потенциала зарядов с увеличением их количества и накоплении полученных зарядов для питания электронной системы. Устройство для реализации способа содержит генератор электрических зарядов, использующий преобразование неэлектрической энергии в электрическую, накопитель электрических зарядов, выход которого является выходом устройства, преобразователь энергии электрических зарядов, вход которого подключен к выходу генератора, а выход – ко входу накопителя. Преобразователь энергии зарядов выполнен с возможностью увеличения количества зарядов, поступающих на его вход, и понижения потенциала зарядов на его выходе. Генератор электрических зарядов может использовать пьезоэффект, трибоэффект или эффект радиоактивного распада с излучением заряженных частиц. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил. Изобретение относится к средствам питания электронных систем, а в частности – к способу и устройству для питания микроэлектронных схем. В настоящее время развитие микроэлектроники привело к тому, что для питания некоторых (например, КМОП) электронных микросхем, выполняющих небольшие объемы вычислений, требуется крайне малое количество электрической энергии для их питания. Поэтому предпринимаются попытки обеспечить автономное электрическое питание таких микросхем, например, с использованием встраиваемых в их корпус микрогабаритных гальванических источников питания (известна серия микросхем DS1920 фирмы DALLAS Semiconductors). Привлекательны также попытки отказаться и от гальванических источников питания и использовать для получения небольшой порции электрического заряда для кратковременного питания микросхем малогабаритные устройства, преобразующие неэлектрическую энергию в электрическую. Известны, к примеру, способ и устройство для питания электронной системы посредством индукционного генератора построенного на шаговом двигателе (патент США N 5061923, кл. H 04 Q 9/00, 1991). В этом случае для питания электронной системы необходимо вращать ротор двигателя и снимать в нагрузку электрический ток с обмоток статора. В ряде систем эти механические движения неудобны, а кроме того, сравнительно большие габариты и высокая стоимость двигателя ограничивают его применение в качестве источника питания. Наиболее близким к заявляемому является способ питания электронной системы, состоящий в преобразовании неэлектрической энергии в электрическую энергию и накоплении электрических зарядов, питающих электронную систему (заявка ЕПВ N 0725452, кл. H 01 L 41/113, 1996). В этом же документе описано и наиболее близкое к заявляемому устройство для питания электронной системы, содержащее генератор электрических зарядов, использующий преобразование неэлектрической энергии в электрическую энергию, и накопитель электрических зарядов, выход которого является выходом устройства. При этом преобразователь неэлектрической энергии в электрическую энергию представляет собой механизм с пьезоэлементом. Однако как способ, так и устройство, рассмотренные в этом документе, мало эффективны для питания электронных систем. Это обусловлено тем, что пьезоэлементы, в отличие от гальванических источников или индукционных генераторов, не являются источниками электродвижущих сил (потенциалов), а являются генераторами электрического заряда. При этом величина единичной порции производимого заряда определяется однократным внешним воздействием и практически не зависит от емкости потребляющей заряд нагрузки, потенциал же возникающий на нагрузке пропорционален накапливающемуся заряду и обратно пропорционален ее емкости. Это, в частности, означает, что при малой емкости нагрузки такой генератор позволяет получить заряды с очень высоким потенциалом. В то же время для накопления на нагрузке с большой емкостью суммарного заряда с величиной, достаточной для питания электронной системы непосредственно от пьезоэлемента, требуется многократное и длительное по времени приложение механического усилия к пьезоэлементу, т.е. многочисленные механические нажатия или удары по нему (что собственно и реализуется в механизме устройства по заявке ЕПВ N 0725452, кл. H 01 L 41/113, 1996). Задача данного изобретения состоит в разработке такого способа питания электронной системы и такого устройства для реализации этого способа, которые позволили бы свести к минимуму время, требуемое для получения электрического заряда нужной для питания системы величины. Этот технический результат достигается в способе питания электронной системы, состоящем в преобразовании неэлектрической энергии в электрическую энергию и накоплении электрических зарядов, питающих электронную систему, за счет того, что, согласно изобретению, при преобразовании неэлектрической энергии в электрическую энергию осуществляют генерацию небольшого числа электрических зарядов с высоким электрическим потенциалом, за счет использования упомянутой неэлектрической энергии, а перед накоплением электрических зарядов, питающих электронную систему, осуществляют понижение их потенциала и увеличение их количества, своеобразное умножение общего количества зарядов. При этом для преобразования неэлектрической энергии в электрическую энергию используют, в частности, пьезоэффект, трибоэффект или энергию радиоактивного источника заряженных частиц. Для достижения того же технического результата в устройство для питания электронной системы, содержащее генератор электрических зарядов, использующий преобразование неэлектрической энергии в электрическую энергию, и накопитель электрических зарядов, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению, введен преобразователь энергии зарядов, вход которого подключен к выходу генератора электрических зарядов, а выход – ко входу накопителя электрических зарядов, предназначенный для осуществления такой перекачки энергии электрических зарядов со своего входа на свой выход, при которой количество электрических зарядов, поступающих на его вход увеличивается, а потенциал этих электрических зарядов на его выходе уменьшается. Образно такой преобразователь энергии зарядов мы называем электронным умножителем электрических зарядов, или просто – умножителем, что для краткости и принято в дальнейшем описании. При этом генератор электрического заряда может быть, в частности, выполнен с использованием пьезоэлемента, трибоэлемента, или радиоактивного источника заряженных частиц. В существующем уровне техники не выявлены объекты с указанными выше совокупностями существенных признаков, что позволяет считать заявленные объекты новыми. В существующем уровне техники не выявлены также объекты, содержащие совокупности отличительных признаков заявленных объектов, что позволяет считать их имеющими изобретательский уровень. На чертеже приведена структурная схема устройства для питания электронной системы, с помощью которого реализуется заявленный способ. Это устройство содержит генератор 1 электрических зарядов, который генерирует электрические заряды за счет подводимой извне неэлектрической энергии. Этот генератор 1 может быть выполнен на основе пьезоэлемента, который преобразует в электрические заряды энергию механического давления (например, как в упомянутой выше заявке ЕПВ N 0725452); генератор 1 может быть выполнен и в виде трибоэлемента, который преобразует в электрические заряды механическую энергию трения (например, общеизвестная из школьного курса физики электрофорная машина); генератор 1 может быть выполнен на основе радиоактивного источника заряженных частиц (например, как конденсатор, в котором одна обкладка содержит радиоактивный материал, излучающий заряженные  – частицы, а другая обкладка служит их коллектором). Конкретное выполнение генератора 1 по той или иной схеме может быть любым и не входит в объем патентных притязаний по данной заявке, важно лишь, чтобы генератор 1 производил электрические заряды с высокой электрической энергией. Для простоты последующего описания в генераторе 1 формально выделена выходная емкость 4, на которой накапливается высокоэнергетический заряд.
К выходу генератора 1 электрических зарядов подключен вход электронного умножителя 2 электрических зарядов, выход которого соединен со входом накопителя 3 электрических зарядов, выход которого является выходом устройства.
Электронный умножитель 2 электрических зарядов может быть сконструирован различными способами, поскольку основная его функция состоит в эффективной перекачке потенциальной энергии конденсатора 4 в потенциальную энергию накопительного конденсатора 3.
Наиболее простым устройством для умножителя 2 может быть принят понижающий трансформатор, который посредством электромагнитной связи обмоток перекачивает электрическую энергию возбужденную в его первичной обмотке в выходную электрическую энергию, снимаемую со вторичной обмотки. При условии, что вторичная обмотка трансформатора, содержит значительно меньшее число витков по сравнению с первичной и благодаря закону сохранения энергии понижающий трансформатор будет играть роль умножителя зарядов, поскольку электрический ток во вторичной обмотке будет намного выше тока возбуждаемого в первичной обмотке.
В качестве накопителя 3 может использоваться конденсатор большой емкости.
Устройство реализующее способ питания электронной системы, работает следующим образом.
При приложении неэлектрического воздействия ко входу генератора 1 электрических зарядов (например, при механическом воздействии на пьезоэлемент, либо при трении трибоэлементов) с выхода генератора 1 генерируемые электрические заряды с высоким электрическим потенциалом (до нескольких тысяч вольт, что характерно, например, для пьезоэлементов) попадают на конденсатор 4. Благодаря малой емкости конденсатор 4 быстро заряжается от генератора 1 до высокого электрического потенциала, после чего вступает в действие непосредственно трансформатор 2 перекачивающий энергию с конденсатора 4 на конденсатор 3 с понижением результирующего электрического потенциала. Как отмечалось выше благодаря закону сохранения энергии, на выходе трансформатора 2, т. е. на конденсаторе накопителя 3 накапливается гораздо большее количество зарядов, нежели генерируется на выходе генератора 1, а в идеальном случае умножение общего количества зарядов обратно пропорционально квадрату отношения низкого напряжения на конденсаторе 3 к высокому напряжению на конденсаторе 4. Таким образом, основное требование к умножителю – максимальный КПД при перекачке электрической энергии с конденсатора 4 на конденсатор 3. Подбором величины конденсатора 3 можно накопить на выходе устройства необходимое количество зарядов для питания электронной системы.
Описанный выше пример умножения числа электрических зарядов с помощью трансформатора не единственный.
Обширные возможности заложены в полупроводниковой электронике и в частности, в использовании эффектов связанных с автоэлектронной ударной ионизацией и лавинным пробоем в полупроводниках [S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices, N. Y., 1981]. В соответствие с этими эффектами электроны с высокой энергией благодаря соударениям с молекулами среды выбивают из них дополнительные носители заряда, что при определенных условиях может приводить к цепной реакции их лавинного умножения. На основе лавинных неустойчивостей работают такие известные полупроводниковые приборы как – тиристоры, диоды Ганна и т.п.
Поэтому в описанном выше примере трансформаторного умножителя перезарядку конденсаторов 4 и 3 можно также реализовать, заменив трансформатор полупроводниковым устройством, в котором электроны с высоким потенциалом от конденсатора 4 возбуждают лавинообразное умножение числа носителей зарядов, чем также обеспечивается процесс накопления заряда лавины на конденсаторе 3.
Данное изобретение может найти применение во всех случаях, когда требуется запитать автономную электронную систему, например, в электронных замках, в считывателях электронных карт, других компактных электронных приборах с кратковременным действием.
Приведенные примеры выполнения устройства являются чисто иллюстративными, и любой специалист сможет сделать различные иные выполнения как способа, так и устройства по данному изобретению, объем патентных притязаний по которому определяется нижеследующей формулой изобретения.
Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
