(57)【要約】  タービンエンジンの高温環境で動作するように適合された電圧調整回路（５０）が提供される。電圧調整器は、第１の半導体スイッチ（５４）と第１の半導体スイッチのソース端子（Ｓ）およびゲート端子（Ｇ）間に接続された第１の抵抗（５６）とを含む定電流源（５２）を含む。第２の抵抗（５８）は、第１の半導体スイッチ（５４）のゲート端子および電気接地（６４）に接続される。定電流源は、第２の抵抗５８にわたり参照電圧を生成するように接続される。ソースフォロア出力段６６は、第２の半導体スイッチ（６８）と電気接地および第２の半導体スイッチのソース端子間に接続された第３の抵抗（５８）とを含みうる。生成された参照電圧は、第２の半導体スイッチ（５８）のゲート端子に印加される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンの高温環境で動作するように適合された電圧調整回路であって、
第１の半導体スイッチと前記第１の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第１の抵抗とを少なくとも含む定電流源と、
前記第１の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第１のリード線と電気接地に接続された第２のリード線とを有する第２の抵抗であって、前記定電流源は、前記第２の抵抗にわたり参照電圧を生成するように接続される、第２の抵抗と、
第２の半導体スイッチと前記電気接地および前記第２の半導体スイッチのソース端子間に接続された第３の抵抗とを含むソースフォロア出力段であって、前記第２の抵抗の前記第１のリード線は、前記第２の半導体スイッチのゲート端子に前記生成された参照電圧を印加するように接続される、ソースフォロア出力段と
を含むことを特徴とする電圧調整回路。
【請求項２】
前記第２の半導体スイッチの前記ソース端子は、前記電圧調整器の調整された出力電圧を供給することを特徴とする請求項１に記載の電圧調整回路。
【請求項３】
前記電流源は、前記電圧調整器によって調整されるべき入力電圧を受信するように接続されたドレイン端子を有する第３の半導体スイッチを含む入力段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電圧調整回路。
【請求項４】
前記第３の半導体スイッチのゲート端子に接続された電圧分配ノードを有する電圧分配ネットワークをさらに含む請求項３に記載の電圧調整回路。
【請求項５】
前記電圧分配ネットワークは、前記電圧分配ノードおよび前記第３の半導体スイッチの前記ドレイン間に接続された第１の抵抗と前記電圧分配ノードおよび前記第２の半導体スイッチの前記ソース間に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とする請求項４に記載の電圧調整回路。
【請求項６】
前記電流源の前記入力段は、前記第１および第３の半導体スイッチ間に直列回路で接続された第４の半導体スイッチをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の電圧調整回路。
【請求項７】
前記第４の半導体スイッチは、前記第３の半導体スイッチのソース端子に接続されたドレイン端子と、前記第１の半導体スイッチのドレイン端子に接続されたソース端子と、前記第１の半導体スイッチの前記ソース端子に接続されたゲート端子とを有することを特徴とする請求項６に記載の電圧調整回路。
【請求項８】
前記各半導体スイッチは、ｎチャネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチを含むことを特徴とする請求項６に記載の電圧調整回路。
【請求項９】
前記各半導体スイッチは、各高温広バンドギャップ材料を含むことを特徴とする請求項６に記載の電圧調整回路。
【請求項１０】
前記高温広バンドギャップ材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮからなるグループから選択されることを特徴とする請求項９に記載の電圧調整回路。
【請求項１１】
前記第１および第２の抵抗の各抵抗値の割合は、前記電圧調整器の前記調整された出力電圧の大きさを調整するように選択されることを特徴とする請求項２に記載の電圧調整回路。
【請求項１２】
請求項１の前記電圧調整回路を含むテレメトリシステム。
【請求項１３】
第１の半導体スイッチと前記第１の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第１の抵抗とを少なくとも含む定電流源であって、前記定電流源は、前記電圧調整器によって調整されるべき入力電圧を受信するように接続されたカスケード入力段をさらに含む、定電流源と、
前記第１の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第１のリード線と電気接地に接続された第２のリード線とを有する第２の抵抗であって、前記定電流源は、前記第２の抵抗にわたり参照電圧を提供するように接続される、第２の抵抗と、
第２の半導体スイッチと前記電気接地および前記第２の半導体スイッチのソース端子間に接続された第３の抵抗とを含むソースフォロア出力段であって、前記第２の抵抗の前記第１のリード線は、前記第２の半導体スイッチのゲート端子に前記生成された参照電圧を印加するように接続される、ソースフォロア出力段と
を含むことを特徴とする電圧調整回路。
【請求項１４】
前記第２の半導体スイッチの前記ソース端子は、前記電圧調整器の調整された出力電圧を供給することを特徴とする請求項１３に記載の電圧調整回路。
【請求項１５】
前記カスケード入力段は、前記電圧調整器によって調整されるべき前記入力電圧を受信するように接続されたドレイン端子を有する第３の半導体スイッチと、前記第１および第３の半導体スイッチ間に直列回路で接続された第４の半導体スイッチとを含むことを特徴とする請求項１３に記載の電圧調整回路。
【請求項１６】
前記第３の半導体スイッチのゲート端子に接続された電圧分配ノードを有する電圧分配ネットワークをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の電圧調整回路。
【請求項１７】
前記電圧分配ネットワークは、前記電圧分配ノードおよび前記第３の半導体スイッチの前記ドレイン間に接続された第１の抵抗と、前記電圧分配ノードおよび前記第２の半導体スイッチの前記ソース間に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の電圧調整回路。
【請求項１８】
前記半導体スイッチは、ｎチャネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチを含むことを特徴とする請求項１５に記載の電圧調整回路。
【請求項１９】
前記各第１、第２および第３の半導体スイッチは、各高温広バンドギャップ材料を含むことを特徴とする請求項１５に記載の電圧調整回路。
【請求項２０】
前記高温広バンドギャップ材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１９に記載の電圧調整回路。
【請求項２１】
前記第４の半導体スイッチは、前記第３の半導体スイッチのソース端子に接続されたドレイン端子と、前記第１の半導体スイッチのドレイン端子に接続されたソース端子と、前記第１の半導体スイッチの前記ソース端子に接続されたゲート端子とを有することを特徴とする請求項１５に記載の電圧調整回路。
【請求項２２】
タービンエンジンの高温環境で動作するように適合され、前記タービンエンジンの回転可能な構成要素に取り付けられたテレメトリシステムに動作可能に接続されることを特徴とする請求項１３に記載の電圧調整回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電子回路に関し、具体的には、タービンエンジンの高温環境において動作するように適合されうる回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン等のタービンエンジンは、発電プラントにおける発電機の駆動または船舶若しくは航空機を推進する等の各種用途において使用されうる。現在のガスタービンエンジンの焼成温度は、より高い燃焼効率に対する要求に応じて増加し続けている。
【０００３】
エンジンの動作パラメータを監視するために、無線テレメトリシステムにおいて使用されうるような回路を使用するのが好ましいことがある。例えば、タービン翼等のタービンの構成要素の動作温度を監視するために、またはエンジンの動作中にそのような構成要素にかかる動作ストレスを監視するためにそれは望ましい。本発明の実施形態は、そのような回路に関連して改善を提供する。
【０００４】
本発明は、図面を参照して以下の記載において説明される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
タービンエンジンの高温環境で動作するように適合された電圧調整回路であって、
第１の半導体スイッチと前記第１の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第１の抵抗とを少なくとも含む定電流源と、
前記第１の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第１のリード線と電気接地に接続された第２のリード線とを有する第２の抵抗であって、前記定電流源は、前記第２の抵抗にわたり参照電圧を生成するように接続される、第２の抵抗と、
第２の半導体スイッチと前記電気接地および前記第２の半導体スイッチのソース端子間に接続された第３の抵抗とを含むソースフォロア出力段であって、前記第２の抵抗の前記第１のリード線は、前記第２の半導体スイッチのゲート端子に前記生成された参照電圧を印加するように接続される、ソースフォロア出力段と
を含むことを特徴とする電圧調整回路が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、ブレードの動作パラメータを監視するために無線テレメトリシステムによって使用されうる電子回路を含む例示的なタービン翼の部分等角図である。
【図２】図２は、テレメトリシステムによって使用され、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器から恩恵を受けうる例示的な電源回路のブロック図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器の１つの例示的な実施形態の概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器のもう１つの例示的な実施形態の概略図である。
【図５】図５は、無線テレメトリシステムに組込まれうる、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の例示的な実施形態は、テレメトリシステムを搭載したタービンエンジン等の内燃エンジンで使用されうる１つの例示的な用途において、電子回路に向けることができる。この例示的な用途は、例えば約３００℃を超過する温度を有する環境において動作しうる特定の電子回路を有する、回転可能なタービンエンジン翼等の可動構成要素からセンサデータを送信することを可能にしうる。
【０００８】
本明細書の開示目的のため、追加的な限定のない用語「高温」環境は、約３００℃を超過する最大動作温度を有する、タービンエンジンの部分内等、任意の動作環境に言及しうる。本発明の実施形態は、本発明の実施形態を具体化する回路が高温ではない環境において同様に有効に使用されうるので、高温環境に限定される必要はないことが分かる。
【０００９】
図１は、無線テレメトリ送信部２４およびアンテナ部２６を含みうる、例示的なテレメトリシステムを搭載しうるタービン翼２０（断片的に示される）を示す。リード線またはコネクタ２８は、翼の付根２２に近接して取り付けられ、各種テレメトリ送信回路を含みうる、センサ３０等の１つまたは複数のセンサからテレメトリ送信部２４に伸びうる。例示的なセンサは、歪みゲージ、熱電対、熱流束センサ、圧力トランスデューサ、マイクロ加速度センサ、または任意の他の所望のセンサ等、埋め込まれ、および／または表面実装されるセンサでもよい。リード線２８は、信号がプロセッサによって処理されうる、テレメトリ送信部２４にセンサ３０から電子データ信号を送りうる。また、リード線または電子コネクタ３６は、テレメトリ送信回路からアンテナ部２６に電子データ信号を送るために使用されうる。
【００１０】
図２は、テレメトリシステムを搭載したタービン構成要素（例えば、タービン翼２０（図１））において使用されうる例示的な電源回路３９のブロック図を示す。１つの例示的な実施形態では、１つまたは複数の負荷４０は、電源回路３９によって電力供給されうる。一例として、負荷４０は、テレメトリシステムの一部にしうる、検知回路、信号調節回路、および／またはテレメトリ回路等の電子回路でもよい。
【００１１】
電源回路３９は、誘導ＲＦ（無線周波）エネルギおよび／またはタービンエンジン内の熱若しくは振動出力を得ることによる等、１つまたは複数の環境発電様式で電力を得てもよい。例えば、熱電対列は、熱エネルギから電気を生成するために使用でき、または圧電材料は、タービンエンジンの振動から電気を生成できる。環境発電様式の例示的な形式に関する一般的な背景情報に興味のある読者は、名称「Electrical  Assembly  For  Monitoring  Conditions  in  a  Combustion  Turbine  Operating  Environment」の米国特許第７３６８８２７号を参照することができ、その全体の開示が参照によって本明細書に組込まれる。
【００１２】
特定の環境発電様式に関係なく、１つの例示的な実施形態では、ＡＣ（交流）電力４１は、整流器４２に供給されてよく、それはＡＣ入力をＤＣ（直流）出力に変換し、それは電圧調整器４４に接続され、それは得られたＡＣ入力電圧の振動が存在しても比較的一定のＤＣ電圧出力４５を維持するように構成されうる。一定の電圧出力は、測定されている任意の所定のエンジンパラメータに関して要求される測定精度および／または安定性を達成するのが望まれうるのが分かる。
【００１３】
図３、４および以下の記載は、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器５０の詳細を提供し、一つの例示的な用途では、図２に例示した通り、電源回路で使用されうる。そのような例示的な用途は、限定的な意味で解釈されるべきでなく、本発明の実施形態を具体化する回路が他の用途で使用できることが分かる。
【００１４】
１つの例示的な実施形態では、電圧調整器５０は、タービンエンジンの高温環境で動作するように適合されうる。電圧調整器５０は、第１の半導体スイッチ５４と第１の半導体スイッチ５４のゲート端子（Ｇ）およびソース端子（Ｓ）の間に接続された第１の抵抗５６とを含むことができるような定電流源５２を含みうる。
【００１５】
１つの例示的な実施形態では、第２の抵抗５８は、第１の半導体スイッチ５４のゲート端子（Ｇ）に接続された第１のリード線６０と電気接地６４に接続された第２のリード線６２とを有することができる。定電流源５２は、第２の抵抗５８にわたり参照電圧（Ｖｒ）を生成するように接続されうる。ソースフォロア出力段６６は、第２の半導体スイッチ６８と電気接地６４および第２の半導体スイッチ６８のソース端子（Ｓ）の間に接続された第３の抵抗７０とを含みうる。図３で分かるように、第２の抵抗５８の第１のリード線６０は、生成された参照電圧（Ｖｒ）を第２の半導体スイッチ６８のゲート端子（Ｇ）に印加するように接続される。また、第２の半導体スイッチ６８のソース端子（Ｓ）は、電圧調整器５０の調整された出力電圧（Ｖｏｕｔ）を供給することが分かる。
【００１６】
１つの例示的な実施形態では、電流源５２は、入力段７２をさらに含んでよく、それは電圧調整器５０によって調整されるべき入力電圧（Ｖｉｎ）（例えば、図２の整流器４２からの出力）を受信するように接続されたドレイン端子（Ｄ）を有する第３の半導体スイッチ７４を含みうる。電圧分配ネットワーク７６は、第３の半導体スイッチ７４のゲート端子（Ｇ）に接続された電圧分配ノード７８を提供することができる。電圧分配ネットワーク７６は、電圧分配ノード７８および第３の半導体スイッチ７４のドレイン（Ｄ）間に接続された第１の抵抗８０を含んでよく、また電圧分配ノード７８および第２の半導体スイッチ６８のソース（Ｓ）間に接続された第２の抵抗８２を含んでよい。
【００１７】
図４に示す代替の実施形態では、電圧調整器５０’において、電流源５２の入力段７２はまた、第１の半導体スイッチ５４および第３の半導体スイッチ７４間に直列回路で接続された第４の半導体スイッチ８４を含みうる。この代替の実施形態では、第４の半導体スイッチ８４は、第３の半導体スイッチ７４のソース端子（Ｓ）に接続されたドレイン端子（Ｄ）、第１の半導体スイッチ５４のドレイン端子（Ｄ）に接続されたソース端子（Ｓ）、および第１の半導体スイッチ５４のソース端子（Ｓ）に接続されたゲート端子（Ｇ）を有することができる。半導体スイッチ７４および８４のカスケード配置は、電流源５２による比較的安定した電流調整に貢献し、また比較的安定した参照電圧Ｖｒに貢献し、それは、第３の半導体スイッチ６８に対するＤＣバイアスを構成し、比較的安定した調整出力電圧Ｖｏｕｔになることが分かる。
【００１８】
１つの例示的な実施形態では、半導体スイッチ５４、６８、７４および８４は、ｎチャネル接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチでもよく、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮ等、それぞれ高温の広バンドギャップ材料を含みうる。
【００１９】
当業者であれば分かるように、高温材料を含むツェナーダイオードが商業的に利用可能なほど分配されていないと考えられるので、高温の広バンドギャップ材料からなるツェナーダイオードを含みうる高温の電圧調整は、現在可能ではない。また、ｐチャネルＳｉＣ  ＪＦＥＴは、その比較的低いチャネル移動度により高温用途で実用的ではないと現在考えられる。従って、本発明の実施形態を具体化する回路は、ｎチャネルＪＦＥＴで高温広バンドギャップから作成されるツェナーダイオードの現在の非利用性を有利に解消し、故にそのような回路は、高温広バンドギャップ材料のＪＦＥＴの理論的温度制限（例えば、５００℃より上）内での動作を可能にし、実質的に安定した電圧調整器を効果的に提供しうる。１つの例示的な実施形態では、本発明の実施形態による電圧調整器は、比較的低電圧の情報信号を含む負荷回路に電力供給するための高温環境における電源を適切に調整するよう利用されうる。例えば、本発明の前では、そのような負荷回路は、熱電対および歪みゲージ等のセンサにより生成されうる比較的小さい規模（例えば、数ミリボルト）の情報信号を考慮すると電源の不安定性に起因する測定上の不確定性に影響されやすかった。
【００２０】
１つの例示的な実施形態では、調整された出力電圧Ｖｏｕｔの大きさは、第１および第２の抵抗５６および５８の各抵抗値の割合を調整することによって調整可能にしうる。通常、既知の電圧調整器の出力電圧は、調整可能ではなく、調整が望まれる場合、既知の電圧調整器に関して演算増幅器が含まれる。しかし、高温用途に対して、高温広バンドギャップ材料からなる演算増幅器は、商業的に利用可能であると考えられていない。従って、単純な方法（例えば、比較的少ない能動構成要素）において、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器は、高温環境での動作を含みうるので、調整された出力電圧Ｖｏｕｔの大きさを調整するよう有利に構成されうる。必要に応じて、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）または類似物は、温度変化に従って調整出力電圧Ｖｏｕｔを制御するために第１および第２の抵抗５６および５８に結合されうる。本発明の実施形態を具体化する電圧調整器で達成されうる改善された安定性および反復性により、温度変化の下で電圧調整器が受けることのある任意の電圧調整器変化は、連続して反復可能であり、温度変化に起因する任意のそのような電圧調整変化は、当業者によってよく知られた技術を使用して適切に補償されうることを意味する。
【００２１】
図５は、無線テレメトリシステムに組込まれうる、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器５０’の概略図である。１つの例示的な用途では、電圧調整器５０’は、周波数変調（ＦＭ）信号を生成するように構成されうる、例示的なＲＦ送信器９０に電力供給するように配置されてもよく、それはＲＦ搬送波上の情報で符号化（例えば、変調）されうる。例えば、この例示的な用途では、トランジスタＪ５は、調整された電力Ｖｏｕｔを電圧調整器５０’から受信し、これは、ＡＣで得られた電力の変化に関係なく、比較的高い精度および安定した情報の符号化に貢献する。
【００２２】
本発明の各種実施形態がここで図示および説明されたが、そのような実施形態が単なる例示で提供されることが分かる。多数の変形、変更、および代替は、本発明から逸脱することなく行える。従って、本発明が添付の特許請求の範囲および精神によってのみ制限されることが意図される。
【符号の説明】
【００２３】
４０  負荷
４２  整流器
４４  電圧調整器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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