Устройство для генерирования и передачи периодических электромагнитных колебаний посредством оптоволоконной линии
DEVICE FOR GENERATION AND TRANSMISSION OF PERIODIC ELECTROMAGNETIC OSCILLATIONS BY MEANS OF OPTICAL FIBER LINE

I. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, лазерной и оптоволоконной техники, энергоснабжения наземных подвижных и неподвижных объектов. Устройство предназначено для генерирования и передачи периодических электромагнитных колебаний, в том числе и промышленной частоты, с использованием оптоволоконной линии.
Устройство может использоваться как в стационарных, так и мобильных системах для электропитания двигателей переменного тока, для привода исполнительных механизмов, работающих в агрессивных средах - в условиях радиационного воздействия, воздействия мощных электромагнитных помех, высоких напряжений - а также для электроснабжения других потребителей электромагнитной энергии переменного тока промышленной частоты. Аналогом является устройство, описанное в работе [1].
II. Уровень техники
Целью изобретения является разработка устройства для генерирования и передачи без проводов по оптоволоконной линии периодических электромагнитных колебаний, в том числе и промышленной частоты. Передача электромагнитных колебаний большой мощности на большие расстояния посредством лазера и волоконно-оптической линии рассматривается в ряде работ [1, 2]. В работе [1] описан волоконно-оптический кабель для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния. В заявке на патент сказано: " предложен волоконно-оптический кабель для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния, кабель может иметь длину, которая больше чем около 0,5 км, больше чем 2 км, больше чем около 3 км или больше чем около 5 км; кабель представляет собой слоистую структуру, содержащую: сердцевину; оболочку; покрытие; первый защитный слой и второй защитный слой, кабель способен передавать энергию лазерного излучения, имеющую мощность выше чем или равную около 1 кВт, около 5 кВт или около 10 кВт, на протяжении длины кабеля при потере мощности меньше чем около 2 дБ/км, предпочтительно меньше чем около 1 дБ/км и более предпочтительно меньше чем около 0,3 дБ/км на выбранной длине волны. Кроме того, предложен такой волоконно-оптический кабель, по которому к инструменту или поверхности доставляется энергия лазерного излучения, имеющая спектр, который является по существу свободным от явления вынужденного рамановского рассеяния…" В статье "Беспроводная передача электричества", помещенной в Википедии [2] сказано: " В 2009 году в соревновании НАСА по передаче энергии лазером первое место и приз в $900 тыс.получила компания LaserMotive, продемонстрировав собственную разработку, способную действовать на расстоянии в один километр. Лазер победителя смог передать мощность в 500 Вт на расстояние в 1 км с 10% КПД". Две схемы беспроводной передачи электромагнитной энергии приведены в журнале Фотоника том 12 №4 (72) 2018, стр. 413. Компания МН GoPower [4] специализируется на выпуске изделий для преобразования световой энергии в электрическую. Дилерами изделий этой компании в России являются компании ЭФО [6], Акционерное общество «Ленинградские лазерные системы» [7] и др. Компания "ЭФО" предлагает ряд компонентов для реализации технологии Power-over-Fiber. Среди них высокоэффективные фотовольтаические преобразователи компании Broadcom [5], работающие в диапазоне длин волн 800-850 нм (мощность на выходе до 600 мВт), Компания МН GoPower, выпускает целый спектр компонентов для технологии Power-over-Fiber:
• источники лазерного излучения с регулируемой мощностью в различном конструктивном исполнении;
• фотовольтаические преобразователи с выходным напряжением 6 и 15 В, работающие в широком диапазоне значений оптической мощности на входе;
• отладочный набор, представляющий собой готовую систему Power-over-Fiber.
Изделия МН GoPower работают на длине волны 976 нм. Лазеры, излучающие на этой длине волны, отличаются более низкой стоимостью по сравнению с другими аналогичными источниками, а также более продолжительным сроком жизни. Это способствует уменьшению общей стоимости системы и повышению ее надежности.
Коммерчески доступные в 2019 году системы Power-over-Fiber характеризуются значениями электрической мощности на выходе конвертера порядка сотен мВт - единиц Вт при напряжении в единицы-десятки В. Этого достаточно для питания широкого круга маломощных устройств, применяемых в различных областях промышленности. Более высокие значения мощности можно получить, если использовать несколько преобразователей, соединенных последовательно или параллельною. При этом в качестве источника светового потока могут использоваться несколько лазеров или один лазер и оптический делитель 1×N.
К основным преимуществам технологии Power-over-Fiber можно отнести (infiber.ru):
• полная гальваническая развязка питаемого устройства от источника питания;
• помехозащищенность линии питания, отсутствие влияния на соседние линии связи;
• снижение риска возгорания проводки вследствие повреждения изоляции;
• уменьшение габаритов и веса линии питания.
Исходя из этих особенностей, можно выделить следующие ключевые области применения Power-over-Fiber:
• электрические сети (высоковольтные датчики, камеры для контроля подстанций);
• судовое и бортовое оборудование (топливные системы, системы мониторинга и диагностики);
• нефтегазовые и горнодобывающие предприятия (оборудование во взрывоопасных зонах);
• телекоммуникационные сети (антенны сотовой связи, удлинители PON);
• медицинская техника (высоковольтные элементы лечебно-диагностического оборудования).
Одной из систем, реализующих технологию POV являются готовые системы (источник + конвертер) от компании МН GoPower, работающие на длине волны 976 нм (мощность до 2,6 Вт).
На международной выставке Фотоника - 2018 компания ОПТЕЛ, продемонстрировала беспроводную передачу электромагнитной энергии по оптоволокну мощностью 30 Вт [3].
Прототипом для рассматриваемого устройства являются описанные в [8, 9.10] устройства. В рассматриваемом устройстве для передачи периодических электромагнитных колебаний используется оптоволоконная линия, по которой передаются импульсы электромагнитных колебаний лазерного диапазона частот. Кроме этой линии используется информационная волоконно-оптическая линия, по которой передаются коды номеров силовых импульсов с отрицательными знаками. Генерируемые блоком генерации импульсы светового потока лазерной частоты передаются по оптоволоконной линии и принимаются приемником (фотовольтаический преобразователь, конвертер оптической мощности), где преобразуются в электрические импульсы. Амплитуды импульсов и их полярность определяются требуемой формой выходного сигнала. Управление амплитудой импульсов светового потока осуществляется изменением числа лазеров, инжектирующих световой поток. Блоком генерации генерируются импульсы только положительной полярности. Импульсы, которые на выходе устройства должны быть отрицательной полярности, генерируются и передаются как положительные. Номера импульсов с отрицательной полярностью передаются на выходное устройство по отдельной информационной оптоволоконной линии. Приемное устройство преобразует световые импульсы в электрические. По информационной линии передаются на выход устройства номера импульсов с отрицательной полярностью. Силовые импульсы с этими номерами инвертируются на выход устройства поступают с отрицательной полярностью. Электрический сигнал на выходе устройства формируется последовательностью импульсных функций одинаковой длительности TI требуемой амплитуды и знака. Количество импульсных функций n на периоде Т постоянно, задается и запоминается в регистре блока управления. В регистрах этого блока также запоминаются номера импульсов с отрицательными на периоде значениями. Информация об импульсах с отрицательными значениями передается по информационной оптоволоконной линии в приемный блок. Принимаемые приемником силовые импульсы с этими номерами после преобразования в электрические импульсы инвертируются и передаются на выход устройства с отрицательными значениями. Управление амплитудами передаваемых импульсов осуществляется путем изменения интенсивности светового лазерного излучения, формируемого решетками лазеров в блоке генерации. При помощи устройства могут формироваться сигналы синусоидальной формы промышленной частоты (50 Гц, 400 Гц и др.), получившие широкое распространение в силовой электротехнике. Управление частотой выходных сигналов осуществляется в устройстве путем изменения частоты генератора прямоугольных импульсов в блоке управления.
Далее в заявке рассматривается устройство для передачи электромагнитной энергии по оптоволоконной линии, использующее аппроксимацию синусоидальной функции последовательностью импульсных функций с числом импульсов на периоде равном n=12.
Свойства симметрии синусоидальной функции Синусоидальная функция e(t) зависимости напряжения е от времени t обладает следующими свойствами симметрии:
1.
2. e(t)=e(T-t) T/2<t<T,
3. e(t)=-e(t+T/2) для 0<t<T/2.
Свойства симметрии выполняются и для аппроксимирующей функции фиг. 1, представленной последовательностью импульсных функций.
Эти свойства позволяют для аппроксимации синусоидальной функции использовать ограниченное число дискретных значений импульсных функций. На рисунке фиг. 1 показана аппроксимация синусоидальной функции напряжения последовательностью импульсных функций при числе временных интервалов n=12. Дальнейшее описание устройства будет выполнено для числа временных интервалов n=12.
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальной функции напряжения последовательностью импульсных функций для n=12
В таблице 1 записаны амплитудные значения импульсных функций, аппроксимирующих синусоидальную функцию напряжения при числе временных интервалов равном n=12.
Из рисунка, представленного на фиг. 1 следует, что синусоидальную функцию можно аппроксимировать последовательностью импульсных функций с достаточным для решения практических задач приближением.. Амплитудные значения импульсов на интервале 0..T/4 примем кратными, т.е. Е1=1, Е2=2Е1, Е3=3Е1. Для остальных на периоде Т значений независимой переменной t эти значения повторяются с знаками плюс и минус, при общем числе импульсов равном n=12. Далее под Е1 будем понимать интенсивность светового потока, создаваемого при помощи р излучающих лазеров (инжекторов), под Е2 - интенсивность светового потока, создаваемого при помощи 2р инжекторов, Е3 - интенсивность светового потока, создаваемого при помощи 3р инжекторов, где р - количество инжекторов.
Отличительные свойства предлагаемого устройства
Устройство отличается тем, что позволяет передавать без проводов по оптоволоконной линии периодические электромагнитные колебания заданной формы, мощности, частоты, включая промышленную, средствами импульсной и лазерной техники. Эти свойства устройства позволяют генерировать и передавать синусоидальные колебания промышленной частоты и использовать их для привода электрических машин и других потребителей электрической энернгии.
III. Раскрытие сущности изобретения
III.1 Структурная схема устройства
Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 2.
Фиг. 2 Принципиальная структурная схема устройства
На рисунке фиг. 2 показаны следующие блоки устройства:
Б1 - Блок управления силовым и информационным модулями передатчика
Б2 - Генератор и передатчик
Б21 - Силовой модуль генератора
Б22 - Информационный модуль генератора
Б3 - Приемник и формирователь выходного сигнала
Б31 - Силовой модуль приемника
Б32 - Информационный модуль приемника
Б4 - оптоволоконная линия передачи силовых импульсов
Б5 - оптоволоконная линия передачи информационных сигналов
Блок Б1 - это блок управления. Он предназначен для генерации повторяющейся последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности для управления открытием инжекторов силового лазерного излучения и управления моментами открытия информационного лазера. Период повторения последовательности прямоугольных импульсов Т разбивается на заданное число импульсов n, длительность каждого импульса TI=Т/n. Каждый импульс, поступающий с выхода блока управления Б1, управляет открытием одного из наборов инжекторов с количеством инжекторов р, 2р, 3р расположенных в блоке Б2.
Б2 - это блок генерации силового светового потока и генерации луча информационного лазера. Состоит из модуля генерации силового излучения Б21 и модуля Б22, предназначенного для генерации информационного лазерного луча. Луч, генерируемый модулем Б22, предназначен для управления полярностью импульса, генерируемого модулем Б21. Модуль Б21 предназначен для генерации (инжекции) прямоугольных импульсов лазерного излучения заданной амплитуды и частоты. Импульс генерируется инжектором, который может быть лазерной решеткой. Каждая решетка содержит определенное количество излучающих лазеров фиксированной, одинаковой мощности светового излучения. Каждый импульс управляет своим, требуемым для обеспечения необходимой мощности излучения, количеством подключаемых в инжекторе лазеров, чем обеспечивается управление амплитудой импульса. Силовые импульсы инжектируются с интенсивностями светового потока E1, Е2, Е3. Импульсы, показанные на рисунке фиг. 1 с отрицательным знаком, генерируются блоком Б21 с положительным знаком. Номера этих импульсов передаются по информационной оптоволоконной линии, блок Б5, и принимаются блоком Б32. При помощи схемы блока Б32, силовые импульсы с этими номерами инвертируются и подаются на выход устройства с отрицательными знаками. Блок Б3 состоит из модуля приемника силовых импульсов Б31 и модуля приемника информационного импульсного лазерного излучения Б32, генерируемого блоком Б22. Модуль Б32 управляет знаком принимаемого импульса. При поступлении на вход модуля Б32 импульса лазерного излучения, генерируемого модулем Б22, импульсный сигнал, принимаемый модулем Б31 и преобразованный в электрический сигнал, добавляется со знаком минус к принимаемой последовательности силовых импульсов.
На выходе модулей генератора Б21 и Б22 устанавливаются коллиматоры -линзы для получения параллельных пучков лучей, излучаемых инжектором (блок Б21) и информационным лазером (блок Б22). На рисунке фиг. 2 эти устройства не показаны и далее не описываются.
Блок Б4 - оптоволоконная линия, при помощи которой генерируемые блоком Б21 импульсы светового потока передаются приемнику Б31.
Блок Б5 - оптоволоконная линия, при помощи которой информационные импульсы светового потока, генерируемые блоком Б22, передаются приемнику Б32.
III.2 Описание блока управления передатчиком
Принципиальная схема блока управления передатчиком блок Б1, показана на рисунке фиг. 3а и 3б.
Фиг. 3а Принципиальная схема блока управления
На рисунке фиг. 3а показана принципиальная схема системы управления передатчиком для генерирования сигнала произвольной формы.
Фиг. 3б Структурная схема блока управления для синусоидальной функции
На рисунке фиг. 3б представлена принципиальная схема системы управления передатчиком для генерирования сигнала синусоидальной формы, как показано на рисунке фиг. 1.
Блок управления Б1 предназначен для формирования прямоугольных управляющих импульсов заданной длительности TI и подачи этих сигналов на управляющие электроды управляемых ключей, включающих схемы питания лазеров токами накачки. Управляемые ключи, лазеры и схемы питания лазеров токами накачки располагаются в блоке Б2. Блок формирует циклическую с периодом Г последовательность импульсов. Величина Г равна периоду формируемой функции. Если формируется синусоидальная функция, то это период синусоидальной функции. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI=T/n. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации формируемой функции последовательностью прямоугольных импульсных функций, технической возможности реализации и стоимости реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость.
При помощи электронных ключей, расположенных в блоке Б2, токи накачки подключаются в заданные блоком управления моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом к излучающим силовым лазерам. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Для формирования синусоидальной функции значения дискретных значений амплитуд импульсов для конкретных значений n=12 приведено в таблице 1. Принципиальная схема блока управления представлена на рисунках фиг. 3а и 3б.
1
1
1
1
1
n
p
к
2
3
p
к
Рисунок 3а соответствует формированию функций произвольной формы. На схеме фиг. 3а блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчики 3, 3р..3к числа импульсов на периоде Г периодической функции, схемы сравнения 4, 4p..4к, регистры 5, 5р..5к, дешифратор 7 с числом выводов, равном n-числу импульсных функций на периоде Т. Выходные полюсы (клеммы, контакты) дешифратора 8..8n подключаются к одноименным полюсам управляемых электронных ключей, расположенных в блоке Б2 (модуль управляемых ключей 12…12). Выходные полюсы схемы управления 9..9 подключаются к одноименным полюсам модуля диодов D7…D12 для управления открытым состоянием управляемого полупроводникового ключа 19, расположенного в блоке Б22. При помощи этого ключа включается информационный лазер 19, расположенный в блоке Б22. Информационный лазер управляющим импульсом включается на интервал времени TI и на этот интервал времени посылает информационный сигнал, который принимается блоком Б32. Номера p и k - это номера импульсов на периоде Т с отрицательными значениями амплитуд импульсов. Эти номера хранятся в регистрах 5..5. Для синусоидальной функции это импульсы с номерами 7…12.
1
Запуск работы устройства осуществляется при помощи ключа 6. При замкнутом состоянии ключа 6 сигналы с выхода ГТИ 1 поступают на второй вход логического элемента И 2 и с выхода элемента 2 поступают на входы счетчиков числа импульсов 3, 3р..3к.
7
12
7
12
7
12
7
12
7
12
4
1
p
k
Схема, показанная на рисунке фиг. 3б, отличается от схемы рисунка фиг. 3а тем, что для формирования отрицательной полуволны синусоидальной функции, показанной на рисунке. фиг. 1, используются счетчики 3..3, схемы сравнения 4..4, регистры 5…5. Регистры 5…5 хранят номера импульсов с отрицательными значениями амплитуд импульсов. Выходные полюсы 9…9 подключаются к одноименным полюсам модуля диодов 16 блока Б32. По входу 10 осуществляется запись кода числа временных интервалов n, по входам 10…10 осуществляется запись кодов чисел p…k.
1
p
k
1
1
p
k
p
k
1
р
k
1
p
k
1
1
p
k
p
k
p
k
1
n
Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к ключу включения 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, входам счетчиков 3..3, выход счетчика 3 подсоединен к первому входу схемы сравнения 4 и к входу дешифратора 7, выходы счетчиков 3..3подсоединены к первым входам схем сравнения 4..4, вторые входы схем сравнения 4, 4..4 подсоединены к выходам регистров 5, 5..5, выход схемы сравнения 4 соединен с вторым входом счетчика 3, выходы схем сравнения 4..4 соединены с полюсами 9..9, при помощи которых блок соединяется с одноименными полюсами информационного блока Б22, входы регистров 51, 5..5 подсоединен к входу 10 устройства, выходными полюсами дешифратора 7 являются полюсы 8..8, при помощи которых блок управления соединяется с одноименными полюсами силового блока Б21. Для схемы 3б числам диапазона p…k схемы 3а соответствуют числа 7..12.
III.3 Описание силового блока генератора Принципиальная схема силового блока генератора Б21 представлена на рисунке фиг. 4.
Фиг. 4 Принципиальная схема силового блока
1
2
3
4
Силовой блок Б21 включает модули Б21, Б21, Б21, B21.
1
1
3
Модуль генерации токов накачки Б21 содержит схемы генерации токов накачки 13…13. Это известные и описанные в литературе схемы генерации токов накачки, например, см. [14, 15].
2
1
3
1
2
3
1
1
6
7
12
1
1
2
3
Модуль управляемых полупроводниковых ключей Б21 включает управляемые силовые ключи 12 12. При помощи этих ключей токи накачки поступают к инжекторам, излучающим световые потоки лазерного диапазона частот. Управление открытым состоянием этих ключей осуществляется в результате подачи управляющих импульсов на полюсы 18, 18, 18. На полюс 18 с полюсов 8, 8, 8, 8 блока управления Б1 через диоды D1,1…D1,4 поступают импульсы напряжения, которые на время TI открывают ключ 12э. Аналогично описанному процессу открытия ключа 12, осуществляется управление открытием ключей 12 и 12.
3
1
3
1
3
1
3
1
2
3
Модуль инжекторов Б21 содержит решетки излучающих инжекторов 11…11. Питание инжекторов токами накачки осуществляется в результате подключения инжекторов к полюсам 15…15. Интенсивности световых потоков, излучаемых инжекторами 11…11 пропорциональны значениям Е1…Е3, см. рисунок фиг. 1 и таблицу 1. Это достигается за счет изменения числа излучающих диодов в решетке. Пусть число излучающих диодов в решетке инжектора 11 равно k. Тогда число излучающих диодов в решетке инжектора 11 будет равно 2k, а число излучающих диодов в решетке инжектора 11 будет равно 3k. Управление амплитудами излучаемых импульсов может осуществляться путем изменения количества лазеров в излучателе (инжекторе). Это может быть либо изменение количества лазерных диодов в решетке, либо изменение количества решеток с одинаковым числом лазеров. Например, для аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсов при их общем числе равном 12 достаточно использовать три значения амплитуд со знаками плюс и минус. Такая аппроксимация показана на рисунке фиг. 1. В этом случае три значения амплитуд импульсов можно достичь подключением одной, двух или трех излучающих решеток с одинаковым числом лазеров, либо изменением числа излучающих лазерных диодов в решетке.
4
1
3
Модуль Б21 направляет (коммутирует) световые потоки, создаваемые инжекторами 11…11 посредством зеркал и линз на вход 16 оптоволоконной линии Б4. По этой линии передаются силовые импульсы светового потока от генератора к приемнику.
Характеристики наборных решеток лазерных диодов квазипериодического и непрерывного режимов работы лазерных решеток, выпускаемых ООО «НПП «Инжект», г. Саратов, приведены в таблицах 2-4. Характеристики приводятся в соответствии с каталогом продукции, выпускаемой предприятием в 2018 году. По заказу предприятие может изготовить решетки с требуемыми заказчику характеристиками.
Из приведенных в таблицах данных следует, что отечественной промышленностью выпускаются решетки лазерных диодов, удовлетворяющих требованиям передачи широкого спектра периодических сигналов. Для синусоидальных колебаний с частотой 50 Гц, период 0,02 с при числе аппроксимирующих импульсов на периоде n=12 длительность импульса равна TI=0,00166(6) с=1,66(6) мс, при n=32 длительность импульса равна TI=0,000625с=0,625 мс. Для частоты 400 Гц при n=12 длительность импульса равна TI=0,0002083(3)с=0,2083 мс, при n=32 длительность импульса равна TI=0,000078125 с=0,078125 мс. Приведенные в таблице 3 данные для решетки СЛМ П-6НП (длительность импульса не более 0,25 мс, частота импульсов 10-10000 Гц) близки к требуемым значениям для передачи сигнала частоты 50 Гц при n=32, когда длительность импульса составляет 0,625 мс. Параметры решетки удовлетворяют требуемым значениям при частоте 400 Гц, n=12, TI=0,2083 мс и тем более при n=32, TI=0,078125 мс.
III.4 Описание информационного канала
Информационный канал предназначен для управления приемником силового светового потока так, чтобы передаваемый силовой импульс лазерного излучения поступал на выход устройства с отрицательной полярностью. Это позволяет синтезировать из передаваемых импульсов лазерного излучения сигнал требуемой формы, который может содержать и участки с отрицательной полярностью. Например, можно формировать синусоиду, состоящую из положительных и отрицательных полуволн. Информационный канал включает:
-- управляемый ключ, подающий питание на генератор импульсов лазерного диапазона частот;
-генератор импульсов, подключаемый к входу оптоволоконной линии;
- оптоволоконную линию для передачи импульсов светового потока, генерируемого информационным лазером;
- приемник светового потока, преобразующий световой поток в электрические импульсы;
Принципиальная схема информационного модуля Б22 представлена на рисунке фиг. 5.
Фиг. 5 Принципиальная схема информационного модуля
1
2
3
Информационный модуль включает источник постоянного напряжения модуль 19, управляемый полупроводниковый ключ 19, полупроводниковый лазер и схему питания лазера током накачки 19, модуль диодов D7…D12.
1
3
3
2
1
3
- Источник питания 19 - это гальванический элемент или выпрямительная схема, питаемая от сети переменного напряжения. Источник обеспечивает питание схемы 19, которая питает лазер током накачки. В ряде случаев этот блок может содержать стабилизатор напряжения, поддерживающий величину напряжения на входе схемы 19 неизменной независимо от величины нагрузки. На схеме фиг. 5 стабилизатор не показан. При помощи управляемого полупроводникового ключа 19 осуществляется подключение источника питания 19 к схеме лазера 19 в заданные интервалы времени. Эти интервалы времени устанавливаются путем задания номеров силовых импульсов с отрицательными значениями, которые вводятся при помощи регистров
2
p
k
7
12
2
7
12
2
- Управляемый ключ, управление открытым состоянием ключа 19 осуществляется путем подачи управляющего импульса, поступающего с полюсов 9…9 блока управления Б1 посредством полюса 20. Для синусоидальной функции это будут полюса 9…9, так как силовые импульсы с номерами 7…12 имеют отрицательные значения (аппроксимируют отрицательную полуволну синусоиды). Диоды D7…D12 необходимы для исключения взаимного влияния путей, по которым поступают управляющие сигналы. Входными для модуля 19 являются полюсы 9…9. Посредством полюса 20 управляющие импульсы подключаются к управляющему электроду управляемого ключа 19.
3
3
- Модуль 19 - это полупроводниковый лазер и схема питания лазера током накачки. Схемы питания лазера током накачки, включая сам лазер, приведены в ряде работ [16-17] и показаны на рисунках фиг. 6а и 6б. В каталоге [13] приведены характеристики лазеров, которые могут использоваться в качестве излучающего лазера 19, например лазерные диоды квазинепрерывного режима работы типа ЛЛД-20, излучатели ЛЛДИИ-70-940, ИЛД-20 и др., выпускаемые ООО «НПП «Инжект», г. Саратов.
Выходным для информационного модуля является полюс 24. Импульсы светового потока, передаваемые по оптоволоконной линии Б5 поступают на вход фотовольтаического преобразователя 22, преобразующего импульсы светового потока в электрические импульсы. Описание таких приборов дано в [5-7]. Фотовольтаический преобразователь 22 находится в блоке Б32. Электрический импульс, поступающий с выхода фотовольтаического преобразователя управляют полярностью силовых импульсов на выходе устройства.
3
Генерация импульсов светового информационного потока, их передача по оптико-волоконной линии и преобразование их в электрические импульсы может осуществляться при помощи готового решения, изготовляемого компанией МН GoPower [4]. Использование этого решения заменяет элементы 19 и 21 на рисунке фиг. 5, блок Б5 на рисунке фиг. 2, элемент 22 модуля Б32 на рисунке фиг. 6.
Фиг. 6 Схема накачки лазера, включающая полупроводниковый лазер
Технические характеристики элементов такой системы приведены в таблице 5.
Компания МН GoPower, специализирующаяся на решениях для преобразования оптической мощности в электрическую, выпускает целый спектр компонентов для технологии Power-over-Fiber. К ним относятся:
• источники лазерного излучения с регулируемой мощностью в различном конструктивном исполнении;
• фотовольтаические преобразователи с выходным напряжением 6 и 15 В, работающие в широком диапазоне значений оптической мощности на входе;
• отладочный набор, представляющий собой готовую систему Power-over-Fiber.
Компоненты этой системы можно приобрести в компании «ЭФО».
III.5 Описание принципиальной схемы приемника
Принципиальная схема приемника показана на рисунке фиг. 7.
Фиг. 7 Принципиальная схема приемника
Принципиальная схема приемника, блок Б3, включает силовой модуль приемника Б31, информационный модуль приемника Б32, схему управления полярностью импульсов, из которых формируется выходной сигнал. При помощи приемников лазерного излучения 22 и 26 световые потоки лазерного диапазона частот преобразуются в импульсные электрические сигналы.
Информационный модуль приемника Б32 включает приемник информационного сигнала 22 и схему согласования 23. Приемники лазерного излучения выпускаются рядом компаний, в том числе Bosh, ADA, LEICA, Vega, STABILA, RGR, 220-Volt (www.220-volt.ru) и др.. При помощи схемы 23 согласуются уровень выходного напряжения приемника с уровнем сигнала, необходимого для управления силовыми управляемыми ключами блока Б31. С выходного полюса схемы согласования 24 поступают управляющие сигналы на управляющие электроды силовых ключей 25 и 27. Ключи 25 и 27 могут быть либо электронными, либо электромеханическими. При помощи этих ключей производится инвертирование импульса силового сигнала, поступающего от приемника силовых импульсов 26 лазерного потока. Ключ 27 это нормально замкнутый ключ. Он пропускает на выход устройства импульсы положительной полярности. При отсутствии управляющего сигнала он находится в замкнутом состоянии, при поступлении управляющего сигнала он переходит в разомкнутое состояние. При прекращении действия управляющего сигнала, поступающего на управляющий электрод (полюс) ключа, он возвращается в замкнутое состояние. Ключ 25 это нормально разомкнутый ключ, он пропускает на выход устройства импульсы отрицательной полярности. При отсутствии управляющего сигнала он находится в разомкнутом состоянии, при поступлении управляющего сигнала он переходит в замкнутое состояние. При прекращении действия управляющего сигнала, поступающего на управляющий электрод (полюс) ключа, он возвращается в разомкнутое состояние.
1
2
1
2
1
1
Силовой модуль приемника Б31 включает приемник лазерного излучения 26, силовые ключи 25 и 27, коммутационную схему. Панель для приема силового лазерного излучения описана, например, в работе [11]. Выходными для блока Б31, как и для всего устройства, являются полюсы 28 и 28. На эти полюсы поступают импульсы напряжения, снимаемого с выхода приемника лазерного излучения 26. Импульсы положительной полярности на выход схемы поступают через нормально открытый управляемый ключ 27. При поступлении сигнала от информационного приемника 22 на управляющий электрод ключа 27 он размыкается, а ключ 25 замыкается. При отсутствии управляющего сигнала ключ 27 находится в замкнутом состоянии, ключ 25 в разомкнутом состоянии. Импульсы отрицательной полярности выходного сигнала получаются за счет инверсии напряжения, снимаемого с выхода приемника 28. Для этого нормально замкнутый ключ 22 размыкается управляющим импульсом, поступающим с полюса 24 от модуля Б32, а нормально разомкнутый ключ 25 замыкается этим же импульсом.. В результате инвертированное напряжение от приемника 26 поступает на выходные полюсы 28 и 28. При замкнутом ключе 27 к полюсу 28 прикладывался положительный полюс напряжения, снимаемого с выхода приемника 26, при разомкнутом ключе 27 и замкнутом ключе 25 на полюс 28 поступает отрицательная полярность выходного напряжения приемника.
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальной функции напряжения последовательностью импульсных функций для n=12
Фиг. 2 Принципиальная структурная схема устройства
Фиг. 3а Структурная схема блока управления
Фиг. 3б Структурная схема блока управления для синусоидальной функции
Фиг. 4 Принципиальная схема силового модуля
Фиг. 5 Принципиальная схема информационного модуля
Фиг. 6 Схема накачки лазера, включающая полупроводниковый лазер
Фиг. 7 Принципиальная схема приемника
V. Осуществление изобретения
1
1
1
p
k
1
1
1
n
Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5 блока управления Б1 по входу 10 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период Т реализуемой устройством функции при аппроксимации его последовательностью импульсных функций. На регистрах 5p…5k записаны номера импульсов с отрицательными значениями. Для аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций это будут номера р=7…к=12. На счетчике 3i хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 3а не показан). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчиков 3, 3…3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i=1…n) выходе 8 дешифратора 7 подается на управляющие электроды управляемых полупроводниковых ключей 12…12.
1
n
1
n
1
n
1
2
3
p
k
7
12
p
k
p
k
k
3
2
3
При помощи этих ключей источники токов накачки от схем генерации токов накачки 13…13, n=3, поступают через полюсы 15…15 на решетки полупроводниковых лазеров 11…11. В каждой из этих решеток задействовано определенное число лазеров - m, 2m/3, m/3. Для реализации значения амплитуды импульса Е1 в соответствии с рисунком фиг. 1 используется m/3 лазеров решетки, для получения значения Е2 пользуется 2m/3 лазеров решетки, для получения значения Е3 используется m лазеров решетки. Соответственно этому при реализации синусоидальной функции, показанной на рисунке фиг. 1 решетка 11 содержат m/3 лазеров решетки, решетка 11 содержат 2m/3 лазеров, решетка 11 содержат m лазеров. Импульсы 7-12 в соответствии с рисунком фиг. 1, имеют отрицательные значения. Для получения в приемном устройстве импульсов с отрицательными значениями, номера этих импульсов отслеживаются в блоке управления Б1 при помощи счетчиков 3…3 Для синусоидальной функции это будут счетчики 3…3, как показано на рисунке фиг. 3б. Коды этих счетчиков сравниваются с кодами, помещенными в регистры 5…5. При совпадении значений кодов, поступающих на входы схем сравнения 4…4, с выходных полюсов этих схем 9p…9 поступают импульсы на открытие информационного лазера 19 находящихся в блоке Б22, как показано на рисунке фиг. 5. Импульсы поступают через модуль диодов D7…D12 с полюса 20 на вход управляемого ключа 19. Посредством этого управляемого ключа подается питание на схему генерации токов накачки для питания информационного лазера 19.
1
n
1
n
j
j+1
n
1
1
p
k
Сигналы, управляющие открытым состоянием ключей 12…12, поступают с выхода дешифратора блока управления посредством полюсов 8…8. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом от формирователя импульсов 8, j=1..n следует управляющий импульс от формирователя импульсов 8, пока j+1 не станет равным n. После прекращения действия импульса с выхода 8 включается импульс 8. При этом текущее значение счетчика числа импульсов 3 совпадет с заданным при помощи входа 13 числом n, счетчик обнуляется, при этом также обнуляются счетчики 3…3. После этого процесс повторяется.
1
2
Излучаемые импульсы лазерного излучения принимаются фотовольтаическим преобразователем 26. При помощи управляемых ключей 25 и 27 осуществляется управление знаком принимаемого импульса лазерного излучения. Управляемый полупроводниковый ключ 27 в нормальном состоянии открыт для прохождения импульса (контакты ключа замкнуты) и при поступлении сигнала от приемника информационного сигнала 22 он закрывается (контакты ключа размыкаются). Сигнал от приемника информационного сигнала через схему согласования уровней напряжений 23 поступает через полюс 24 на управляющий электрод ключа 27 и закрывает его (контакты размыкаются). Одновременно, этот сигнал поступает на управляемый ключ 25 (электронный или электромеханический). Ключ 25 в нормальном состоянии закрыт (контакты разомкнуты) и при поступлении информационного сигнала он открывается (контакты ключа замыкаются). При этом поступающий с выхода элемента 26 импульс лазерного силового сигнала поступает на выход схемы и снимается с полюсов 28…28 с противоположным знаком.
VI. Литература
1. Фэрклот Брайан О. (US), Зедикер Марк С.(US), Моксли Джоел Ф. (US), Коблик Йешая (US), Ринзлер Чарльз K. (US) Волоконно-Оптический кабель для передачи энергии лазерного излучения высокой мощногсти на большие расстояния, патент RU 2551392, зарегистрирован в Реестре изобретений Российской Федерации 21.04.2015
2. Беспроводная передача электричества // ru.wikipedia.org
3. Базакуцы П.В Разработка систем передачи электроэнергии по оптическим волокнам (POF)/ Доклад на 13 Международной специализированной выставке лазерной, оптической и оптоэлектронной техники, Москва, 2018 г.
4. Готовые системы (источник + конвертер) от компании МН GoPower (mhgopower.com)
5. Фотовольтаические преобразователи компании Broadcom (broadcorh.com)
6. Компания ЭФО - поставки силовых компонентов, компонентов ВОЛС (www.efo.ru),
7. Лазерные системы Акционерного общества «Ленинградские лазерные системы» lenlasers.ru
8. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС Патент №2016127384 МПК Н05В 1/00, 2017
• 9. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств, Патент 2671539 от 01.11.2018
10. Гаврилов Л.П., Титов В.А., Буланов Р.Н. Устройство передачи многофазной системы напряжений по оптоволоконной линии, Патент №2646618 от 06.03.2018
11. Тугаенко В Ю., Корнилов В.А. Приемник-преобразователь лазерного излучения Патент RU 2594953
12. nts.tsniimash.ru Заявка
13. Каталог продукции ООО «НПП «Инжект» »
14. Импульсный источник питания лазера с ламповой накачкой, модель SF13x http://fedalel.com/catalog/
15.technomag.bmstu.ru/file/out/505275 Высокоэффективные источники накачки для импульсных полупроводниковых лазерных линеек 77-30569/373951 # 04, апрель 2012 Грамаков А.А., Фефелов А.П., Чернышев А.В
16. habr.com // Мощный лазер своими руками
17. Как сделать лазер // https://1posvetu.ru/ustrojstva/kak-sdelat-lazernuyu-ukazku-iz-dvd-dioda.html.