Sistema y método para el acoplamiento de señal y el bloqueo de corriente continua.

Un circuito de acoplamiento que comprende:

un primer conductor (20a) en comunicación eléctrica con un primer circuito (700a) externo;

un segundo conductor (20b) en comunicación eléctrica con un segundo circuito (700b) externo;un elemento (46, 48) capacitivo de doble capa entre el primer conductor y el segundo conductor y que acoplauna señal eléctrica de corriente alterna (AC) entre el primer circuito externo y el segundo circuito externo,siendo además operable el elemento capacitivo de doble capa para bloquear sustancialmente unacomponente de corriente continua (DC) de la señal eléctrica AC; y

una resistencia (104a-104c) en comunicación con el elemento capacitivo de doble capa, siendo la resistenciaoperable para mejorar el ajuste de la impedancia entre el primer circuito externo y el segundo circuito externo.

Sistema y método para el acoplamiento de señal y el bloqueo de corriente continua CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método de acoplamiento de señal y a una clase de configuraciones de circuito. En particular, la presente invención se refiere a un método y sistema de acoplamiento de señal mediante la sustitución de condensadores de acoplamiento monolíticos de cerámica o de tipo de film en circuitos de acoplamiento por lo demás convencionales por condensadores simétricos de carbono de doble capa.

ANTECEDENTES El fenómeno de la capacidad es conocido desde hace siglos. El dispositivo de almacenamiento eléctrico más antiguo, la botella de Ley den, era un simple condensador.

En su forma conceptual más simple, un condensador 10 según se muestra en la Figura 1 puede considerarse como dos placas 12a y 12b conductoras dispuestas en paralelo con un espacio 14 eléctricamente no conductor entre ellas. Si S es el área 16 de cada placa y d es la distancia 18 entre ellas, y si d es mucho menor que la raíz de S, entonces el valor de la capacidad C del condensador 10 está dado por:

C = ε S/d

donde C se mide en faradios, que corresponden a culombios almacenados por voltio aplicado, y ε es la constante dieléctrica del material que rellena el espacio 14. Para un espacio vacío (o aproximadamente para la mayoría de los gases) la constante dieléctrica es ε0 = 8, 849 x 10-12 faradios por metro. Para otros materiales ε se expresa convenientemente como el producto de ε0 por εR, donde εR es un número adimensional característico del material. εR típicamente varía desde alrededor de 2 para hidrocarburos perfluorados como el Teflon®, abarcando valores de 3 a 6 típicos de la mayoría de los plásticos y minerales, 8, 8 para el óxido de aluminio, 30 para el óxido de tantalio y 80 para el agua destilada, hasta alrededor de 1200 para formas especialmente procesadas de titanato de bario.

La comunicación eléctrica entre un condensador 10 y el mundo exterior se realiza a través de dos conductores 20a y 20b conectados a las placas 12a y 12b respectivamente, como se ilustra en la Figura 1a. Como resultado, en los diagramas eléctricos un condensador es representado por medio del símbolo 22 de la Figura 1b que representa las dos placas, el espacio entre ellas y los conductores de salida. Casi invariablemente, un condensador en la práctica contiene además de aquellas, un recubrimiento o funda aislante para evitar un flujo de corriente o pérdidas, como indica la línea 24 discontinua de la Figura 1a.

Como se aprecia fácilmente a partir de la ecuación que se acaba de presentar, la capacidad puede aumentar bien aumentando S, aumentando e, o disminuyendo d. Los primeros condensadores que utilizaban un espacio vacío (en la práctica aire) entre sus placas, como se indica mediante 30 en la Figura 2a, tenían valores muy pequeños de C, del orden de algunos picofaradios (10-12 faradios) hasta unos pocos cientos de picofaradios. Aunque eran útiles a frecuencias muy altas o voltajes de hasta muchos miles de voltios, tales condensadores tienen muy pocos usos en los dispositivos electrónicos modernos de bajo voltaje.

La siguiente generación de condensadores, que se ilustra en la Figura 2b, disponía las placas conductores mucho más cerca, separadas por un film 32 delgado (típicamente de alrededor de 10-4 metros) de mica, papel encerado o plástico. Típicamente, las placas estaban formadas por una lámina metálica, y el film y la lámina se enrollaban para aumentar la compacidad. El aumento de S, disminución de d y aumento de ε combinados resultante hacían que los valores fuesen en la práctica entre dos y tres órdenes de magnitud más altos, desde alrededor de un nanofaradio (10-9 faradios) hasta algunos cientos de nanofaradios, aunque a voltajes de trabajo reducidos de normalmente unos pocos cientos de voltios.

El desarrollo de los materiales cerámicos ferroeléctricos, muchos de ellos basados en titanato de bario con un procesado especial, posibilitaron la aparición de otra generación de condensadores denominados monolíticos. Dicho condensador de "chip" se fabrica a partir de capas delgadas (alrededor de 10-4 metros) alternativas de cerámica 34 y un metal como el paladio, cocidas juntas en una única pieza cerámica, como se ilustra en la Figura 2c. Aunque en la práctica los dispositivos son pequeños, son más fáciles de fabricar que los condensadores de film y mucho más duraderos. El muy alto valor de εR de la cerámica 34, típicamente alrededor de 1200, compensa los valores de S necesariamente reducidos, proporcionando en la práctica valores desde unos pocos de nanofaradios hasta alrededor de un microfaradio (10-6 faradios) con voltajes de trabajo típicamente de diez hasta treinta voltios. También se puede utilizar cerámica ferroeléctrica en condensadores de "disco" donde la cerámica sustituye el material 32 del ejemplo previo, lo que proporciona menores valores de capacidad pero puede funcionar a mayores voltajes.

Otro desarrollo que permite una gran capacidad en un pequeño volumen a través de una S grande y una d muy pequeña fue el condensador electrolítico que se ilustra en la Figura 2s. Aquí, al menos una placa está hecha de un metal como el aluminio o el tantalio, bien grabados o procesados de otra manera para maximizar el área de su superficie, y luego puestos en contacto con un electrolito 36. Mediante la aplicación de una corriente y voltaje controlados, se hace crecer una capa delgada (10-6 metros aproximadamente) de óxido 38 sobre la superficie y se forma el dieléctrico. Como εR es moderadamente elevado (aunque no tan elevado como en la cerámica ferroeléctrica) y d es órdenes de magnitud más delgado de lo que sería posible en una estructura construida mecánicamente, se consiguen fácilmente valores de capacidad desde un microfaradio (10-6 faradios) hasta muchos miles de microfaradios con voltajes de trabajo que oscilan desde algunos voltios hasta algunos cientos de voltios.

El desarrollo de condensadores electrolíticos revolucionó la electrónica consiguiendo valores relativamente altos de capacidad de un modo económico. Los condensadores electrolíticos tienen un inconveniente, sin embargo, ya que son inherentemente unidireccionales o polarizados. Esto es el resultado del proceso de fabricación y de la química del metal y el electrolito. Mientras que el voltaje aplicado tenga la misma polaridad que la utilizada para formar originalmente la capa de óxido, el condensador funciona normalmente. Sin embargo, si se invierte el voltaje, la capa de óxido se rompe y el condensador empieza a tener numerosas pérdidas, lo que da como resultado en la práctica un cortocircuito. Esto requiere especiales precauciones en el uso de los condensadores electrolíticos, limitando su utilidad a aplicaciones como el almacenamiento de energía en las que el voltaje aplicado siempre tiene la misma polaridad correcta.

Es necesario mencionar que procesando ambas placas de un condensador 40 electrolítico, en lugar de simplemente una sola, como se ilustra en la Figura 2e, puede dar como resultado un dispositivo con características aproximadamente simétricas. Tales condensadores electrolíticos simétricos se utilizan ocasionalmente en procesamiento de señal, por ejemplo en aplicaciones de audio de baja impedancia como filtros y ecualizadores gráficos. Debido a su mayor complejidad de fabricación y el relativamente elevado coste resultante, sin embargo, los condensadores 40 electrolíticos simétricos son frecuentemente la última opción cuando no sirve nada más. Un método más común es simplemente disponer dos condensadores electrolíticos convencionales polarizados de igual valor en serie uno junto al otro. Las pérdidas a través de cada condensador en su dirección inversa carga rápidamente su punto común hasta un voltaje suficientemente alto como para evitar una polarización inversa mayor, y entonces el par funciona aproximadamente como lo haría un único condensador simétrico que tuviese la mitad del valor nominal de cada componente.

El desarrollo más nuevo en condensadores, que forma parte de la invención que se describe más adelante, es el denominado "ultracondensador", "supercondensador", condensador "electroquímico" ("EC") o de " doble-capa". Se trata de un dispositivo esencialmente similar a un condensador electrolítico como el que se ilustra en la Figura 2e, aunque en lugar de una capa de óxido metálico, depende para su parte "dieléctrica" de un potencial superficial de barrera que surge en cualquier unión entre un semiconductor como el carbono y otro material. Como se ilustra en la Figura 2f cuando el segundo material es un electrolito... [Seguir leyendo]

1. Un circuito de acoplamiento que comprende:

un primer conductor (20a) en comunicación eléctrica con un primer circuito (700a) externo; un segundo conductor (20b) en comunicación eléctrica con un segundo circuito (700b) externo; un elemento (46, 48) capacitivo de doble capa entre el primer conductor y el segundo conductor y que acopla una señal eléctrica de corriente alterna (AC) entre el primer circuito externo y el segundo circuito externo, siendo además operable el elemento capacitivo de doble capa para bloquear sustancialmente una componente de corriente continua (DC) de la señal eléctrica AC; y una resistencia (104a-104c) en comunicación con el elemento capacitivo de doble capa, siendo la resistencia operable para mejorar el ajuste de la impedancia entre el primer circuito externo y el segundo circuito externo.

2. El circuito de acoplamiento de la reivindicación 1, donde el elemento capacitivo de doble capa comprende al menos uno de entre:

a) un semiconductor en contacto con un material electrolítico; b) un primer semiconductor en contacto con un material electrolítico, y un segundo semiconductor en contacto con el material electrolítico; c) una pluralidad de condensadores de doble capa conectados en serie; o d) uno o más ultracondensadores.

3. El circuito de acoplamiento de la reivindicación 1, donde la señal eléctrica AC comprende cargas desequilibradas.

4. El circuito de acoplamiento de la reivindicación 1, que además comprende una resistencia en comunicación con el elemento capacitivo de doble capa, siendo la resistencia operable para mejorar el ajuste de la impedancia entre el primer circuito externo y el segundo circuito externo.

5. El circuito de acoplamiento de la reivindicación 1, que además comprende una resistencia, siendo la resistencia y el elemento capacitivo de doble capa operables para establecer una constante de tiempo mayor que al menos una de entre:

a) diez segundos; b) treinta segundos; c) cien segundos; o d) mil segundos.

6. El circuito de acoplamiento de la reivindicación 1, que además comprende una resistencia, donde la resistencia y el elemento capacitivo de doble capa producen una frecuencia a aproximadamente o menos de entre:

a) veinte Hz; b) cinco y quince Hz; o c) uno y tres diezmilésimas de Hz.

7. Un método para acoplar una señal entre un circuito y una carga con un elemento capacitivo de doble capa que comprende:

suministrar una señal que contiene ambos componentes de corriente alterna (AC) y de corriente continua (DC) en un primer conductor, propagar la señal a lo largo de dicho primer conductor hasta un elemento capacitivo de doble capa y una resistencia que está acoplada al elemento capacitivo de doble capa, siendo operable la resistencia para mejorar el ajuste de impedancia entre un circuito y una carga, acoplar la componente AC de la señal a través de dicho elemento capacitivo de doble capa, bloquear la componente DC de la señal con dicho elemento capacitivo de doble capa, y propagar la señal que comprende sólo la componente AC desde dicho elemento capacitivo de doble capa hasta un segundo conductor, y suministrar la señal desde el segundo conductor a la carga.

8. El método de la reivindicación 7, donde propagar la señal a lo largo de dicho primer conductor hasta un elemento capacitivo de doble capa comprende además acoplar la señal a través de un único condensador de doble capa.

9. El método de la reivindicación 7, donde propagar la señal a lo largo de dicho primer conductor hasta un elemento capacitivo de doble capa comprende además acoplar la señal a través de una pluralidad de

condensadores de doble capa.

10. El método de la reivindicación 7, donde suministrar la señal desde el segundo conductor hasta una carga comprende además suministrar la componente AC de la señal el segundo conductor a otro circuito.

11. El circuito de acoplamiento de la reivindicación 1, donde una dirección del camino de flujo de la señal va desde un aparato electrónico hasta material biológico que consiste en células biológicas en cultivo o tejidos en cultivo.

12. El circuito de acoplamiento de la reivindicación 1, donde dichos elementos capacitivos de doble capa10 comprenden al menos uno de entre:

a) una pluralidad de células conectadas en serie; b) una pluralidad de células conectadas en serie; c) tres condensadores de doble capa; o

d) condensadores de doble capa que funcionan en sus rangos de voltaje especificados.