УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ ОПТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к генерации электрической мощности за счет фотовольтаического преобразования лазерного излучения и может найти применение в системах питания электронных устройств, работающих под высоким потенциалом или в условиях мощных электромагнитных помех.
Уровень техники
Известна «Оптическая система электропитания для электронных схем с использованием одного фотогальванического элемента» (патент RU 2431915 С2, 20.10.2011, бюл. № 29). Эта оптическая система электропитания, содержит одиночный фотогальванический элемент, который выдает первое напряжение при падении на него света и повышающий преобразователь напряжения, выходное напряжение которого имеет требуемую величину для питания потребителя. Повышающий преобразователь напряжения может быть выполнен как на переключаемых конденсаторах, так и индуктивного типа. Недостаток этого технического решения состоит в низкой эффективности системы питания, которая связана с необходимостью подавать на вход фотогальванического элемента избыточную оптическую мощность, чтобы обеспечить работоспособность устройства при всех условиях эксплуатации. Индуктивные преобразователи напряжения в момент запуска потребляют от фотовольтаического преобразователя значительный ток (до 1А), что принципиально требует повышенной оптической мощности при запуске системы питания. После запуска преобразователя в таком режиме и сохранении мощности излучения рабочий КПД системы питания не превышает 10-20%.
Известна также система оптического питания («Power over optical fiber system», US 2009016715 A1, 15.01.2009), которая наряду со стандартной конфигурацией (лазер, оптическое волокно, фотовольтаический преобразователь) имеет микропроцессорный модуль контроля системы питания, запитанный по отдельному каналу оптического питания и волоконный канал обратной связи, по которому на передающий модуль поступает информация о состоянии системы питания удаленного модуля. По сигналу обратной связи включается, при необходимости, дополнительный (основной) канал оптического питания. Недостаток этого технического решения также состоит в низкой эффективности системы питания обусловленной наличием дополнительного канала питания микропроцессорного модуля и фиксированным уровнем мощности питающего лазера.
Наиболее близкой, и принятой за прототип, является оптическая система электропитания электронных устройств (патент RU 2615017, 03.04.2017, бюл. № 10). Эта оптическая система электропитания электронных устройств содержит регулируемый источник тока питающего лазера, оптический тракт, (например, волоконно-оптический) передачи излучения от лазера до фотовольтаического элемента, выход которого подключен ко входу повышающего преобразователя напряжения, питаемое электронное устройство, измеритель напряжения, вход которого подключен к выходу фотовольтаического элемента или к выходу повышающего преобразователя напряжения, а выход измерителя напряжения подключен ко входу волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ), выход которой подключен к управляющему входу регулируемого источника тока питания лазера. Эта система обеспечивает регулировку мощности питающего лазера в зависимости от нагрузки системы питания, и окружающих условий, влияющих на выходное напряжение фотовольтаического преобразователя и поддерживает его на заранее предустановленном уровне. Недостаток этого устройства состоит в том, что измерение выходного напряжения осуществляется АЦП или преобразователем напряжение-частота, что требует применения сложной системы кодирования выходного сигнала для его передачи по оптическому каналу связи, а также введения в схему измерителя напряжения дополнительных узлов (источник опорного напряжения, кодировщик выходного сигнала, генератор тактовых импульсов, счетчик выходных импульсов и т.д.) которые увеличивают энергопотребление канала обратной связи и снижают КПД всей системы питания. Кроме этого, заранее предустановленное напряжение не гарантирует нахождение фотовольтаического преобразователя в точке максимальной мощности при изменении параметров нагрузки и температуры.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат заключается в повышении КПД устройства электропитания оптическим излучением.
Технический результат достигается за счет того, что устройство электрического питания оптическим излучением содержит источник излучения, подключенный к выходу схемы регулирования тока, канал передачи излучения от источника к фотовольтаическому преобразователю и измеритель напряжения, вход которого подключен к выходу фотовольтаического преобразователя, а выход этого измерителя, с помощью канала передачи информации об измеренном напряжении, подключен ко входу схемы регулирования тока оптического излучателя, причем измеритель напряжения выполнен в виде супервизора, в котором входным резистивным делителем установлен порог срабатывания равный напряжению точки максимальной мощности фотовольтаического преобразователя.
Заявленное устройство может иметь дополнительные отличительные признаки, касающиеся особенностей выполнения входящих в его состав элементов, а именно:
t
- входной резистивный делитель имеет резистор нижнего плеча, который выполнен составным и включает последовательно соединенные терморезистор R с положительным температурным коэффициентом и термостабильный резистор (R*2), причем резисторы делителя выбираются из соотношений:
t
t
R1= (R(T2)- R(T1))
*
t
t
R2 = (R(T1)- R(T2))
*
t
где: R1- резистор верхнего плеча, R2 – термостабильный резистор нижнего плеча, U(T) напряжение точки максимальной мощности при температуре Т; R(T) сопротивление терморезистора при температуре Т,опорное напряжение супервизора.
- терморезистор имеет тепловую связь с корпусом фотовольтаического преобразователя.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блок-схема заявленного устройства питания;
Фиг.2 - схема подключения супервизора;
Фиг.3 - зависимость от температуры напряжения максимальной мощности для однопереходного фотовольтаического преобразователя на AlGaAs (красные квадраты) и порога срабатывания супервизора МАХ6838 (синие треугольники).
Осуществление полезной модели
Сущность заявленного технического решения поясняется фиг. 1-3.
На фиг.1 приведена блок-схема заявленного устройства питания.
Устройство электрического питания электронных устройств оптическим излучением содержит микропроцессорный модуль 1 связанный с управляемым источником тока 2 для питания лазера 3. Микропроцессорный модуль 1 и источник тока 2 конструктивно могут представлять собой одну микросхему, например, iC-HTР. Излучение лазера 3 через световод 4 поступает на вход фотовольтаического преобразователя 5 (ФВП), где преобразуется в электрическое напряжение. Выход этого преобразователя подключен ко входу повышающего преобразователя 6, а также ко входу супервизора 7. Выход супервизора подключен ко входу оптического передатчика 8, выполненного, например, на светодиоде HFBR1414. Оптические импульсы, соответствующие достижению напряжения максимальной мощности, через световод 9 поступают на вход фотоприемника (например, AFBR-2418), подключенному ко входу микропроцессорного модуля 1, где используются в системе регулировки тока лазера 3.
1В
2
тмм
ref
тмм
ref
2
*
На фиг.2 приведена схема подключения супервизора (например, МАХ6838) к выходу фотовольтаического преобразователя. На входе супервизора устанавливается входной резистивный делитель, коэффициент деления которого выбирают из условия R=R(U/U-1). В этих формулах Uнапряжение, соответствующее точке максимальной мощности фотовольтаического преобразователя, которое предварительно измерено или взято из паспорта преобразователя. U – опорное напряжение супервизора, которое, например, для супервизора типа (МАХ6838) составляет 444мВ. Один из резисторов делителя, например, R, может быть выполнен составным в виде последовательно соединенных термостабильного резистора R2 и терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и линейным законом изменения сопротивления от температуры, например, ТМР61-64. В этом случае, величины резисторов делителя рассчитываются по формулам:
t
t
R1= (R(T2)- R(T1))
*
t
t
R2 = (R(T1)- R(T2))
*
t
где: R1- резистор верхнего плеча, R2 – термостабильный резистор нижнего плеча, U(T) напряжение точки максимальной мощности при температуре Т; R(T) сопротивление терморезистора при температуре Т,опорное напряжение супервизора.
На фиг.3 представлена зависимость от температуры напряжения максимальной мощности для однопереходного фотовольтаического преобразователя на AlGaAs (красные квадраты) и порога срабатывания супервизора МАХ6838 (синие треугольники), входной делитель которого рассчитан по приведенным выше формулам. В качестве терморезистора применен элемент ТМР61. Из этих зависимостей видно, что выбор параметров делителя по приведенным формулам позволяет обеспечить практически точное срабатывание супервизора при напряжении максимальной мощности в широком диапазоне температур.
тмм
Этот вывод применим и к другим типам фотовольтаических преобразователей. Основные производители ФВП указывают напряжение Uв справочных данных на свои преобразователи. Так, например, для преобразователей AFBR, в зависимости от модификации, напряжение в точке максимальной мощности (ТММ) составляет 6,4-6,5В и 4,2-4,3 В, а для преобразователей MhGoPower YCH-L200 работающих с пассивным теплоотводом – 7,1+/-0,1 В, при изменении оптической мощности от 250 до 1000 мВт. Т.е. напряжение максимальной мощности слабо зависит от величины электрической нагрузки и мощности оптического излучения, но зависит от температуры, которую надо учитывать для соответствующей коррекции напряжения.
Предложенное устройство питания оптическим излучением работает следующим образом. В начальный момент (при включении) микропроцессорный модуль 1 формирует управляющий сигнал для источника тока 2, так, чтобы мощность излучения была достаточной для запуска преобразователя 6, к выходу которого подключена нагрузка. Через несколько секунд (зависит от величины емкости, подключенной к ФВП) модуль 1 начинает линейно, с крутизной, например, 10 мА/сек снижать управляющий ток лазера 3, вследствие чего начинает уменьшаться напряжение фотовольтаического преобразователя 5. При достижении напряжения максимальной мощности на преобразователе 5 срабатывает супервизор 7, который формирует импульс длительностью 70 мкс. Этот импульс поступает на вход оптического передатчика 8 и по оптическому каналу 9 обратной связи передается на микропроцессорный модуль 1. Значение тока накачки лазера в момент прихода информационного импульса запоминается и поддерживается в течение некоторого времени, за которое не изменится температурный режим ФВП (например, 1 мин). По истечении этого времени ток накачки увеличивается на 3-5% и снова начинает плавное снижение для определения нового значения точки максимальной мощности. Поскольку часть оптической мощности, поступающей на ФВП не преобразуется в электрическую мощность, а разогревает сам преобразователь, его температура может отличаться от температуры окружающей среды и тепловой контакт терморезистора с корпусом ФВП позволяет обеспечивать более точное определение точки максимальной мощности.
5
Скважность передаваемых импульсов превышает 10, что при импульсном токе через оптический передатчик 50 мА соответствует среднему потребляемому току менее 5 мкА и электрической мощности менее 20 мкВт. Учитывая, что супервизор и его входной делитель потребляют менее 30 мкА при напряжении питания около 1 В, суммарная потребляемая мощность каналом обратной связи не превысит 50 мкВт.
*
Пример реализации предложенного устройства. В качестве супервизора применяется МАХ6838 с задаваемым внешним делителем порогом срабатывания. Потребляемый ток 7,5 мкА, напряжение питания 0,55-3,6 В, длительность выходного импульса 70 мкс. Терморезистор, применяемый в делителе - TMP61, номинальное сопротивление которого при комнатной температуре составляет 10 кОм. Сопротивление этого резистора изменяется от 6473 Ом при -40 град. Ц, до 12180 Ом при +60 град. Ц. Расчет по приведенным выше формулам дает значения резисторов входного делителя: R1=35499 Ом, R2=14916 Ом. Зависимость от температуры порога срабатывания супервизора приведена на фиг.3.
Для температурной коррекции напряжения ТММ в верхнее плечо входного делителя супервизора может также устанавливаться соответствующий NTC термистор, закон изменения сопротивления от температуры которого определяется формулой 1/T=1/To+(1/β)·ln(R/Ro) (для резисторов 135 серии Honeywell Бета=3974), однако его применение из-за сильно нелинейной зависимости R(T) возможно только в узком диапазоне температур.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет:
-mобеспечить практически точное отслеживание точки максимальной мощности фотовольтаического преобразователя и обеспечить работу системы питания оптическим излучением с максимальным КПД.
-mуменьшить мощность, потребляемую каналом обратной связи с 1 мВт, как в прототипе (АЦП для измерения напряжения, источник опорного напряжения, датчик температуры, ПЛИС для кодирования информации, генератор тактовых импульсов и т.д.), до 50 мкВт, что также увеличивает КПД системы питания.