ОПТОПАРА С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ЛАЗЕРОМ
OPTIC COUPLER WITH SEMICONDUCTOR LASER

Изобретение относится к технике преобразования световой энергии в электрическую.
Известна резистивная оптопара, состоящая из излучающего элемента и фотоприемного элемента, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция. В качестве фотоприемного элемента в этой оптопаре используется фоторезистор или полупроводниковый резистор. Излучателем в резистивной оптопаре может служить сверхминиатюрная лампочка накаливания, светоизлучающий диод, ИК-излучающий диод (Иванов В.И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник. / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, A.M. Юшин - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 448 с., с. 309).
Это устройство обладает низкой выходной мощностью из-за использования в его составе изучающего элемента с малой мощностью излучения и фотоэлектрического элемента, рассчитанного на преобразования светового излучения малой мощности, а также низкой электрической прочностью, из-за малого расстояния между излучающим элементом и фотоэлектрическим элементом, значительными потерями энергии в оптопаре из-за того, что только часть излучения из диаграммы направленности от излучающего элементы, попадающая на фотоприемный элемент, преобразовывается в электрический ток, и из-за того, что излучение излучающего элемента преобразовывается фотоприемным элементом с не максимально возможным КПД.
Это ограничивает величину выходной мощности построенных на основе таких оптопар оптоэлектронных трансформаторов и значение величин напряжения, при которых они могут работать, а потери энергии в этих оптоэлектронных трансформаторах значительны.
Техническим результатом изобретения является увеличение выходной мощности оптопары, ее электрической прочности, снижение потери энергии в ней.
Задача, на решение которой направлено техническое решение, достигается тем, что в известном устройстве, содержащем излучатель, фотоприемный элемент, закрепленный на корпусе, корпус выполнен в виде трубы из диэлектрического материала, на внешней боковой поверхности которого имеются распределители потенциала в качестве излучателя света использован полупроводниковый лазер, в качестве фотоприемного элемента использован фотоэлектрический блок, причем на одном торце корпуса оптопары расположен полупроводниковый лазер, а  на другом торце  расположен фотоэлектрический блок,  включающий корпус, фотопремный элемент, рассеивающую линзу, глухое зеркало, муфту, электрический разъем, два контакта  и светораспределитеть, в качестве фотоприемного элемента использована  батарея солнечных элементов, корпус фотоэлектрического блока выполнен в виде полого цилиндра с торцевыми поверхностями, внутренние торцевые поверхности, выполненные зеркальными, батарея солнечных элементов  расположена коаксиально на боковой внутренней поверхности корпуса фотоэлектрического блока, светораспределитель расположен на оси корпуса фотоэлектрического блока и выполнен в виде стеклянной трубки, покрытой сверху тонким слоем отражающего покрытия, один торец стеклянной трубки через рассеивающую линзу закреплен на переднем торце корпуса фотоэлектрического блока имеющего отверстие для установки  рассеивающей линзы,  второй торец стеклянной трубки закрыт глухим зеркалом и  закреплен на заднем торце корпуса фотоэлектрического блока  с помощью муфты, с обратной стороне которого расположен электрический разъем с двумя контактами соединенными с батареей солнечных элементов.
На фигуре приведена структурная схема оптопарыс полупроводниковым лазером. Оптопарас полупроводниковым лазером содержит корпус фотоэлектрического блока 1, батарея солнечных элементов 2, светораспределитель в виде стеклянной трубка 3,  зеркальное покрытие светораспределителя 4, глухое зеркало 5,  полупроводниковый лазер 6, торцы корпуса  фотоэлектрического блока с зеркальным  покрытием  7 и 9, муфта 8, контакты 10, электрический разъем 11, корпус оптопары, выполненный  в виде полого изолятора 12, отрицательная линза 13, распределители потенциалов корпус оптопары 14. Стрелками показан ход световых лучей.
При отсутствии напряжения на полупроводниковом лазере 6 электрический ток на выходе батареи солнечных элементов 11 отсутствует.
При поступлении напряжения на  полупроводниковый лазер 6 его излучение,  пройдя через корпус оптопары, выполненный в виде полого изолятора 12 с распределителями потенциалов 14, попадает на отрицательную линзу 13, рассеивается ее и попадает светораспределитель в виде стеклянной трубка с отражающей боковой поверхностью с зеркальным покрытием 3. Это излучение частично выходит из нее, одновременно распространяясь в этой трубке, попадает на батарее солнечных элементов 5. В батареях солнечных элементов излучение полупроводникового лазера оно преобразовывается в электрический ток и далее через выводы 10 поступает на выводы 11, передается  потребителю.
Предлагаемая оптопарас полупроводниковым лазером по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую выходную мощность. Это обеспечивает тем, что в составе оптопары в качестве источника света используется полупроводниковый лазер 6, в качестве фотоприемного элемента используется батарея солнечных элементов 2. Увеличение электрической прочности оптопары достигается за счет предлагаемой конструкции оптопары, в которой увеличивается расстояние между источником излучения, в качестве которого используется полупроводниковый лазер 6, и ее фотоприемным элементом, в качестве которого используется батарея солнечных элементов 2. Для этого между ними располагается корпус, выполненный в виде полого изолятора 14 с распределителями потенциалов.
При практической реализации оптопарыс полупроводниковым лазером, например при использовании в качестве источника излучения в составе оптопары  полупроводникововго лазера  SP-DHS-457-W  мощностью 10 Вт, при КПД преобразования излучения лазера солнечными элементами ~85%, с учетом потерь, возникающих при передачи оптического излучения от лазера к батарее солнечных элементов, мощность электрического тока на выходе оптопары может быть ~8 Вт. Такая мощность на выходе оптопары достигается, если в качестве солнечных элементов использовать многослойные структуры, обеспечивающие каскадное преобразование оптического излучения. Для этих целей могут быть использованы трех- и четырехкомпонентные соединения элементов III и V групп периодической системы. Кроме того, могут быть использованы гетероструктуры с вариозной базой, когда на выходе создается широкозонное окно, соответствующее максимальной ширине спектра преобразовываемого излучения, а база имеет переменное по глубине значение  (благодаря плавному изменению состава, уменьшающегося по мере углубления). Такие структуры можно получить, используя двойные, тройные и четвертные соединения на базе компонент, входящих в состав GaAs [Кирин И.Г. Потери энергии в источниках вторичного электропитания с системами гальванической развязки «Источник оптического излучения - фотоэлектрический преобразователь». / Кирин И.Г. // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2014. N 4. - С. 153-157].
Предлагаемое устройство оптопары с полупроводниковым лазером позволяет существенно увеличить ее мощность, электрическую прочность, снизить потери энергии внутри оптопары, что позволит практически реализовывать оптоэлектронные трансформаторы с большей выходной мощностью, рассчитанные на использование более высокого значения напряжения, и обладающие низкими потерями.