Устройство для генерирования и беспроводной передачи многофазной системы напряжений посредством лазеров
DEVICE FOR GENERATION AND WIRELESS TRANSMISSION OF MULTI-PHASE SYSTEM OF VOLTAGES BY MEANS OF LASERS

I. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, лазерной техники, дистанционного энергоснабжения наземных подвижных и неподвижных объектов, летательных и космических аппаратов, мобильных устройств. Устройство предназначено для генерирования и передачи без проводов многофазной системы напряжений заданной частоты, в том числе и промышленной, с использованием лазеров.
Устройство может использоваться как в стационарных, так и мобильных системах для питания двигателей переменного тока, для передачи электромагнитной энергии летательным аппаратам, а также для дистанционного питания электроэнергией потребителей многофазной системы напряжений промышленной частоты.
Аналогами является устройства, описанные в работах [1, 2]. Актуальность беспроводной передачи электромагнитной энергии летательным и космическим аппаратам приведена в работах [3, 4].
II. Уровень техники
II. 1 Описание принципа работы устройства
Целью изобретения является разработка устройства для генерирования и передачи без проводов, с использованием лазеров, приема и формирования многофазной системы напряжений заданной частоты, включая промышленные частоты 50 Гц и 400 Гц. Генерирование напряжения каждой фазы многофазной системы напряжений осуществляется в результате генерирования прямоугольных импульсов светового потока лазерного диапазона частот с заданной интенсивностью и заданным алгоритмом следования импульсов для каждой фазы, приема и преобразования последовательности импульсов светового потока в последовательность электрических импульсов и формирования из этих последовательностей электрических импульсов многофазной системы напряжения. Генерируемые блоками генерации и инжектирования импульсы светового потока лазерной частоты принимаются приемником (набором фотодиодов) и преобразуются в электрические импульсы. Электрический сигнал на выходе устройства для каждой фазы формируется последовательностью импульсных функций одинаковой длительности TI, амплитуды импульсов и их полярность определяются требуемой формой выходного сигнала. Количество импульсных функций n на периоде T постоянно, задается и запоминается в регистре блока управления. В регистрах этого блока также запоминаются номера импульсов с отрицательными значениями на периоде Т для каждой фазы. Информация о номерах импульсов с отрицательными значениями передается информационным лазером 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 близкие по форме к синусоидальной с управляемой частотой, в том числе и промышленной (50 Гц, 400 Гц и др.). Управление частотой выходных сигналов осуществляется в устройстве путем изменения частоты генератора прямоугольных импульсов в блоке управления. Управление амплитудами импульсов осуществляется управлением интенсивностью излучаемого светового потока. Используются три уровня интенсивности светового потока, достигаемые в результате применения в инжекторах различного, кратного числа лазерных диодов (d, 2d, 3d). Это может осуществляться либо изменением числа излучающих лазеров в решетке инжектора, либо изменением числа инжектирующих решеток. Последовательность следования импульсов для каждой фазы задается блоком управления и блоком инжектирования.
II. 2 Аппроксимация синусоидальных функций трехфазной системы напряжений последовательностью импульсных функций
Функционирование устройства основано на аппроксимации синусоидальных напряжений каждой фазы многофазной системы последовательностью импульсных функций и свойствах симметрии синусоидальной функции.
Синусоидальная функция e(t) зависимости напряжения е от времени t обладает следующими свойствами симметрии:
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. Число амплитудных значений (по модулю) на рисунке фиг. 1 равно 3, это E1, Е2, Е3.
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальной функции напряжения последовательностью импульсных функций для n=12
m
m
В таблице 1 записаны амплитудные значения импульсных функций, аппроксимирующих синусоидальную функцию напряжения e(t)=Esinωt, где E - амплитуда напряжения, ω круговая частота, t - независимая переменная (время), при числе временных интервалов равном n=12. В таблице записаны значения амплитуд импульсов в соответствии с рисунком фиг. 1.
Амплитудные значения импульсов на интервале 0⋅⋅T/4 примем кратными, т.е. Е1, 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.
Система напряжений фаз трехфазной системы напряжений описывается следующими уравнениями:
ЭДС фазы A
e<sub>A</sub>(t)=E<sub>m</sub>sinωt
ЭДС фазы В
e<sub>B</sub>(t)=E<sub>m</sub>sin(ωt-120°)
ЭДС фазы С
e<sub>C</sub>(t)=E<sub>m</sub>sin(ωt-240°)
На рисунке фиг. 2 показана аппроксимация синусоидальных функций трехфазной системы напряжений прямой последовательности при помощи последовательности импульсных функций
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальных функций напряжений трехфазной системы последовательностью импульсных функций
Амплитуды и знаки импульсов аппроксимирующих функций трехфазной системы для прямой последовательности фаз приведены в таблице 2.
В таблице 3 записаны амплитуды и знаки импульсов, аппроксимирующих трехфазную систему напряжений прямой последовательности с разделением амплитуд и знаков импульсов.
II. 3 Отличительные свойства предлагаемого устройства
Устройство отличается тем, что позволяет генерировать, передавать и принимать без проводов многофазную систему напряжений заданной частоты, включая промышленные, средствами импульсной и лазерной техники. Эти свойства устройства позволяют генерировать и без проводов передавать синусоидальные колебания промышленной частоты и использовать их для привода электрических машин и для энергоснабжения других потребителей электрической энергии.
III. Раскрытие сущности изобретения
III. 1 Структурная схема устройства
Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 3.
Фиг. 3 Структурная схема устройства
На рисунке фиг. 3 показаны следующие блоки устройства:
Б1 - Блок управления силовым и информационным модулями излучателя
Б11 - Модуль генерации управляющих импульсов
Б12 - Модуль управления полярностью импульсов фазы А
Б13 - Модуль управления полярностью импульсов фазы В
Б14 - Модуль управления полярностью импульсов фазы С
Б15 - Модуль дешифраторов
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
На рисунке фиг. 3 также показаны силовой канал передачи электромагнитных колебаний и информационный канал. Силовой канал предназначен для передачи без проводов импульсов лазерного излучения от генератора к приемнику. Информационный канал предназначен для передачи без проводов управляющих импульсов лазерного излучения из блока Б2 в блок Б3. 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 T разбивается на заданное число импульсов n, длительность каждого импульса TI=T/n. Каждый импульс управляет генерацией импульса лазерной частоты, который генерируется блоком Б2.
Блок 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 и инжекции прямоугольных импульсов лазерного излучения. Импульс генерируется инжектором, который может быть лазерной решеткой. Каждая решетка содержит определенное количество излучающих лазеров фиксированной, одинаковой мощности светового излучения. Каждый импульс обладает необходимой мощностью излучения в результате использования необходимого количества подключаемых в инжекторе лазеров. В результате реализуются значения амплитуд импульсов E1, Е2, Е3, см. табл. 2 и 3. Блок 3 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. 3 эти устройства не показаны и далее не описываются.
III. 2 Описание блока управления инжекторами импульсов
В последующих разделах для обозначения фазы А может также использоваться термин фаза 1 и использоваться соответствующий индекс i=1, для обозначения фазы В может также использоваться термин фаза 2 и соответствующий индекс i=2, для обозначения фазы С может также использоваться термин фаза 3 и использоваться соответствующий индекс i=3.
Структурная схема блока управления излучателя импульсов, блок Б1, показана на рисунке фиг. 4.
Фиг. 4 Структурная схема блока управления
На рисунке фиг. 4 показана структурная схема системы управления излучателем Б1. На схеме показаны следующие модули блока Б1:
1
1
1
1
pi
ki
- Б11 - модуль генерирования управляющих импульсов, включающий элементы 1, 2, 3, 4, 5. Модуль включает входы 6 и 10. При помощи входа 6 осуществляется запуск блока управления, при помощи входа 10 осуществляется занесение кодов констант в регистры. В регистр 3 заносится код числа импульсов n на периоде Т. В регистры 5…5, i=1, 2, 3 заносятся коды номеров импульсов с отрицательными значениями для фаз А, В, С;
p1
k1
p1
k1
p1
k1
p1
k1
- Б12 - модуль управления полярностью импульсов фазы А. Содержит элементы 3…3, 4…4, 5…5, модуль содержит выходные полюсы 9…9. Здесь p1…k1 - номера импульсов фазы А с отрицательными значениями. Для модулей Б12, Б13, Б14 рассматривается трехфазная система ЭДС при n=12 для прямой последовательности фаз. Номера импульсов для фазы А равны 7, 8, 9, 10, 11, 12, см. рисунок фиг. 2 и таблицы 2 и 3;
p2
k2
p2
k2
p2
k2
p2
k2
- Б13 - модуль управления полярностью импульсов фазы В. Содержит элементы 3…3, 4…4, 5…5, модуль содержит выходные полюсы 9…9. Здесь р2…k2 - номера импульсов фазы В с отрицательными значениями. Для трехфазной системы и при n=12 номера импульсов для фазы В равны 1, 2, 3, 4, 11, 12, см. рисунок фиг. 2 и таблицы 2 и 3;
p3
k3
p3
k3
p3
k3
p3
k3
- Б14 - модуль управления полярностью импульсов фазы С. Содержит элементы 3…3, 4…4, 5…5, модуль содержит выходные полюсы 9…9. Здесь р3…k3 - номера импульсов фазы С с отрицательными значениями. Для трехфазной системы и при n=12 номера импульсов для фазы С равны 3, 4, 5, 6, 7, 8, см. рисунок фиг. 2 и таблицы 2 и 3;
1
2
3
11
n1
21
n2
31
n3
- Б15 - модуль дешифраторов 7, 7, 7 с выходными полюсами 8…8 для фазы А, 8…8 для фазы В; 8…8 для фазы С.
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 Б1 формирует циклическую с периодом T последовательность импульсов. Величина T равна периоду формируемой функции. Если формируется синусоидальная функция, то это период синусоидальной функции. Число импульсов на периоде T равно n, длительность одного импульса TI=Т/n. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации формируемой функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью 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. Питание лазеров токами накачки осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Для формирования синусоидальной функции дискретные значения амплитуд импульсов для конкретных значений n=12 приведены в таблицах 1-3. На схеме фиг. 4 блок Б1 включает модули Б11-Б15.
0
1
1
1
1
1
Модуль Б11. Модуль Б11 реализован на элементах 1, 2, 3, 4, 5. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3, схему сравнения 4, регистр 5.
i
i
Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 10 осуществляется запись кода числа временных интервалов n, а также кодов чисел p…k, i=1, 2, 3 модулей Б12, Б13, Б14.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход счетчика 3 подсоединен к первому входу схемы сравнения 4 и к входам дешифраторов 7i, i=1, 2, 3 (модуль Б15), второй вход схемы сравнения 4 подсоединен к выходу регистра 5, выход схемы сравнения 4 соединен с вторым входом счетчика 3. Коды номеров импульсов с выхода счетчика 3 поступают на входы дешифраторов 7i, i=1, 2, 3 (модуль Б15). При достижении числа импульсов, поступающих на вход счетчика 3, равного n, сравнении кода этого числа схемой сравнения 4 с кодом числа, записанного в регистре 5 и равного n, происходит сброс кода числа в счетчике 3. Этим обеспечивается периодичность генерирования управляющих импульсов.
pi
ki
Модули Б12…Б14. Модули предназначены для отслеживания номеров импульсов с отрицательными значениями амплитуд импульсов. При совпадении кодов этих номеров с кодами чисел, занесенных в регистры 5…5 открываются ключи, при помощи которых подается питание на информационные лазеры модуля Б22, в результате подачи на управляющие электроды этих ключей управляющих импульсов. При помощи модуля Б12 выделяются номера импульсов с отрицательными значениями импульсов фазы А, при помощи модуля Б13 выделяются номера импульсов с отрицательными значениями импульсов фазы В, при помощи модуля Б14 выделяются номера импульсов с отрицательными значениями импульсов фазы С.
p1
k1
p1
k1
p1
k1
p1
k1
p1
k1
p1
k1
Модуль Б12 содержит счетчики 3…3, схемы сравнения 4…4, регистры 5…5 в которых записаны коды номеров импульсов с отрицательными значениями для фазы А. При равенстве кода текущего номера импульса, поступающего с выхода счетчика 2, с кодом числа, записанного в одном из регистров 5…5 из схемы сравнения 4…4 блока Б12 поступает управляющий импульс на соответствующий выходной полюс из множества полюсов 9…9. Этот импульс передается на управляющий электрод ключа, при помощи которого подается питание на соответствующий информационный лазер, модуль Б22.
p2
k2
p2
k2
р2
k2
p2
k2
p2
k2
p2
k2
Модуль Б13 содержит счетчики 3…3, схемы сравнения 4…4, регистры 5…5 в которых записаны коды номеров импульсов с отрицательными значениями для фазы В. При равенстве кода текущего номера импульса, поступающего с выхода счетчика 2, с кодом числа, записанного в одном из регистров 5…5, из схемы сравнения 4…4 блока Б12 поступает управляющий импульс на соответствующий выходной полюс из множества полюсов 9…9. Этот импульс передается на управляющий электрод ключа, при помощи которого подается питание на соответствующий информационный лазер, модуль Б22.
p3
k3
p3
k3
p3
k3
p3
k3
p3
k3
p3
k3
Модуль Б14 содержит счетчики 3…3, схемы сравнения 4…4, регистры 5…5 в которых записаны коды номеров импульсов с отрицательными значениями для фазы С. При равенстве кода текущего номера импульса, поступающего с выхода счетчика 2, с кодом числа, записанного в одном из регистров 5…5, из схемы сравнения 4…4 блока Б12 поступает управляющий импульс на соответствующий выходной полюс из множества полюсов 9…9. Этот импульс передается на управляющий электрод ключа, при помощи которого подается питание на соответствующий информационный лазер, модуль Б22.
pi
ki
i
i
1
1
2
2
3
3
При помощи входа 10 на входы регистров 5…5, i=1, 2, 3 заносятся коды чисел p…k, i-1, 2, 3. Для i=1 (фаза А) в соответствии с рисунком фиг. 2 и таблицами 2 и 3 числа p…k равны 7, 8, 9, 10, 11, 12, для i=2 (фаза В) числа p…k равны 1, 2, 3, 4, 11, 12, для i=3 (фаза С) числа р…k равны 3, 4, 5, 6, 7, 8.
pi
ki
Посредством полюсов 9…9, i=1, 2, 3, поступают управляющие импульсы на одноименные полюсы модуля Б22. Управляющие импульсы поступают на управляющие электроды управляемых ключей. При помощи этих ключей подается питание на информационные лазеры модуля Б22.
1
2
3
1
1i
ni
1,i
2,i
3,i
Модуль Б15. Модуль содержит дешифраторы 7, 7, 7. На входы этих дешифраторов поступают импульсы с выхода счетчика 3 Выходные полюсы (клеммы, контакты) дешифраторов 8…8, i=1, 2, 3, подключаются к одноименным полюсам управляемых электронных ключей, расположенных в блоке Б21 (модули управляемых ключей). Посредством этих полюсов поступают управляющие импульсы на силовые ключи 12, 12, 12 которые подключают к лазерам схемы токов накачки.
III. 3 Описание силового блока генератора-излучателя (инжектора)
Принципиальная схема модуля силового блока Б21 генератора-излучателя представлена на рисунке фиг. 5.
Фиг. 5 Принципиальная схема силового блока
Силовой модуль включает модули:
1,i
2,i
3,i
- модуль генерации токов накачки 13, 13, 13, i=1, 2,…, m, где m - количество фаз генератора
1,i
2,i
3,i
- модуль управляемых полупроводниковых ключей 12, 12, 12,
1,i
2,i
3,i
- модуль инжекторов 11, 11, 11,
где i=1, 2, 3.
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
n,1
Описание схем генерации токов накачки полупроводниковых лазеров известны и приводятся в открытой литературе, например, [6…9]. При помощи полупроводниковых ключей 12, 12, 12 производится подключение схем токов накачки 13, 13, 13 к полупроводниковым инжекторам 11, 11, 11, i=1, 2, 3. Подключение производится на интервал времени TI при поступлении управляющих сигналов на управляющие электроды 8…8.
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. В таблицах 1-3 значениям Е3, Е2, Е1 соответствуют:
- либо значению Е3 соответствует включение трех излучающих решеток, значению Е2 соответствует включение двух решеток, значению Е1 соответствует включение одной излучающей решетки, количество излучающих диодов в каждой из решеток одинаковое;
.
либо включению всех излучающих диодов в решетке, количество которых обозначим 3d, соответствует значение Е3, включению числа 2d диодов соответствует значение Е2, включению d диодов соответствует значение Е1.
1,i
2,i
3,i
1,i
1,i
2,i
2,i
3,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,1
1,1
r,i
r
i
r,i
На рисунке фиг. 5 токи накачки генерируются элементами 13, 13, 13, при этом элементы 13 обеспечивают питание токами накачки d излучающих диодов 11, элементы 13 обеспечивают питание токами накачки 2d излучающих диодов 11, элементы 13 обеспечивают питание токами накачки 3d излучающих диодов 11. Подключение элементов 13, 13, 13 соответствующим им элементам 11, 11, 11, i=1, 2, 3 осуществляется посредством управляемых ключей 12, 12, 12. В открытом состоянии ключа ток накачки поступает от одного в каждой фазе элемента 13, 13, 13 к соответствующему этому элементу в каждой фазе инжектору 11, 11, 11, (значения i одинаковые у элемента, генерирующего ток накачки, и у инжектора). Например, в фазе А элемент 13 генерирует ток накачки, достаточный для питания d диодов инжектора 11. Управление открытым состоянием каждого ключа осуществляется при помощи управляющих электродов этих ключей. К каждому управляющему электроду ключа поступают управляющие импульсы от электродов 8, r=1…n, i=1, 2, 3 с использованием разделяющих эти цепи диодов DD,. Индексы электродов 8 устанавливаются в соответствии с таблицей 3 и рисунком фиг. 2.
1,1
1,1
6,1
7,1
12,1
1,1
6,1
7,1
12,1
1,1
1,1
1,1
2,1
2,1
5,1
8,1
11,1
2,1
5,1
8,1
11,1
3,1
3,1
4,1
9,1
10,1
3,1
4,1
9,1
10,1
В фазе А на управляющий электрод ключа 12 управляющие импульсы поступают с электродов 8, 8 8, 8 через разделяющие диоды DD, DD, DD, D. При поступлении управляющего импульса на один из этих электродов, открывается на интервал времени TI ключ 12 и ток накачки от элемента 13 поступает к элементу 11, содержащему d излучающих диодов. В таблице 3 и на рисунках фиг. 2 и 3 этому состоянию соответствует величина Е1 амплитуды импульса по модулю. Величине Е2 в таблице соответствует 2d излучающих диодов. В этом случае в фазе А на управляющий электрод ключа 12 поступают управляющие сигналы от электродов 8, 8, 8 8 через разделительные диоды DD, DD, DD, DD. Значению Е3 по модулю таблиц 2 и 3 и рисунка фиг. 2 соответствует 3d излучающих диодов. В этом случае на управляющий электрод ключа 12 поступает один из управляющих импульсов с электродов 8, 8, 8, 8 через разделительные диоды DD, DD, DD, DD.
1,2
4,2
5,2
10,2
11,2
4,2
5,2
10,2
11,2
2,2
3,2
6,2
9,2
12,2
3,2
6,2
9,2
12,2
3,2
1,2
2,2
7,2
8,2
1,2
2,2
7,2
8,2
В фазе В открытым состоянием ключа 12 управляют управляющие импульсы, поступающие с одного из электродов 8, 8, 8 8 через разделительные диоды DD, DD, DD, DD, открытым состоянием ключа 12 управляют управляющие импульсы, поступающие на один из управляющих электродов 8, 8, 8 8 через разделительные диоды DD, DD, DD, DD, открытым состоянием ключа 12 управляют управляющие импульсы, поступающие на один из управляющих электродов 8, 8, 8, 8 через разделительные диоды DD, DD, DD, DD.
1,3
2,3,
3,3
8,3
9,3
2,3
3,3
8,3
9,3
2,3
1,3,
4,3
7,3
10,3
1,3
4,3
7,3
9
3,3
1,3,
4,3
7,3
10,3
3,3
5,3,
6,3
11,3
12,3
5,3
6,3
11,3
12,3.
В фазе С открытым состоянием ключа 12 управляют управляющие импульсы, поступающие с одного из электродов 8 8, 8, 8 через разделительные диоды DD, DD, DD, DD, открытым состоянием ключа 12 управляют управляющие импульсы, поступающие на один из управляющих электродов 8 8, 8, 8 через разделительные диоды DD, DD, DD, DD, открытым состоянием ключа 12 управляют управляющие импульсы, поступающие на один из управляющих электродов 8 8, 8, 8, открытым состоянием ключа 12 управляют управляющие импульсы, поступающие на один из управляющих электродов 8 8, 8, 8 через разделительные диоды DD, DD, DD, DD
Характеристики наборных решеток лазерных диодов квазипериодического и непрерывного режимов работы лазерных решеток, выпускаемых ООО «НПП «Инжект», г. Саратов, приведены в таблицах 4-6.
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=0,000625 с=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 5 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.
1,i
3,i
1,i
3,i
В схеме фиг. 5 в модуле инжекторов элементы могут быть реализованы двумя способами. В первом варианте из общего числа 3d лазеров решетки используются d, 2d или 3d элементов, во втором варианте используются три решетки каждая из которых содержит d излучающих диодов. Соответственно, включаются одна, две или три решетки. Модуль инжекторов соединяется с модулем управляемых ключей посредством полюсов 15…15, модуль управляемых ключей соединяется с модулем генерации токов накачки посредством полюсов 14…14.
III. 4 Описание информационного блока генератора
Информационная система состоит из блоков Б22 и Б32, фиг. 3, и предназначена для информирования приемника о том, что передаваемый импульс лазерного излучения должен суммироваться с отрицательной полярностью. Это позволяет формировать 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. Принципиальная схема информационного генератора Б22 представлена на рисунке фиг. 6.
Фиг. 6 Принципиальная схема информационного модуля генератора
1,i
2,i
3,i
4,i
Информационный модуль включает источник постоянного напряжения модуль 16, управляемый полупроводниковый ключ 16, полупроводниковый лазер и схему питания лазера током накачки 16, модуль диодов 16, где i=1, 2, 3.
1,i
3,i
3,i
- Источник питания 16 - это гальванический элемент или выпрямительная схема, питаемая от сети переменного напряжения. Источник обеспечивает питание схемы 16, которая питает лазер током накачки. В ряде случаев этот блок может содержать стабилизатор напряжения, поддерживающий величину напряжения на входе схемы 16 неизменного независимо от величины нагрузки. На схеме фиг. 6 стабилизатор не показан.
2,i
1,i
3,i
- При помощи управляемого полупроводникового ключа 16 осуществляется подключение источника питания 16 к схеме питания лазера и самого лазера 16.
2,i
р,i
ki
4,i
- Управление ключом 16 осуществляется путем подачи управляющего импульса, поступающего с полюсов 9…9 блока управления Б1 посредством модуля диодов 16.
3,i
- Модуль 16 - это полупроводниковый лазер и схема питания лазера током накачки. Схемы питания лазера током накачки, включая сам лазер, приведены в ряде работ [10-12]. Возможные схемы этого модуля приведена на рисунках фиг. 7а и 7б. Работа схемы описана в [10-11].
Фиг. 7 Схема накачки лазера, включающая полупроводниковый лазер
3,i
В каталоге [4] приведены характеристики лазеров, которые могут использоваться в качестве излучающего лазера 16, например лазерные диоды квазинепрерывного режима работы типа ЛЛД-20, излучатели ЛЛДИИ-70-940, ИЛД-20 и др., выпускаемые ООО «НПП «Инжект», г. Саратов [5],
- Схема модуля диодов приведена на рисунках фиг. 8а, б, в.
Фиг. 8а, б, в Схема модуля диодов для фаз А. В, С
4,i
p,i
k,i
4,i
p,i
k,i
4,i
2,i
Модуль диодов 16, рисунок фиг. 8, необходим для исключения взаимного влияния электрических цепей, по которым поступают управляющие сигналы. В схему входят диоды D…D. Номера pi и ki записаны дальше. Входными для модуля 16являются полюсы 9…9, выходными являются полюса 17i, i=1, 2, 3. Посредством этого полюса модуль диодов 16 подключается к управляющему электроду управляемого ключа 16.
1,1
6,1
1,1
7,1
2,1
8,1
6,1
12,1
1
На рисунке фиг. 8а приведена схема соединения диодов D…D для фазы A, i=1. Анод диода D подключается к электроду 9, анод диода D подключается к электроду 9, анод диода D подключается к электроду 9. Катоды этих диодов объединяются и подключаются к электроду 17. В соответствии с таблицей 3 для фазы A, i=1, импульсы аппроксимирующей синусоидальную функцию последовательности импульсов с номерами 7-12 имеют отрицательные значения. В соответствии с этим индексы p1…k1 изменяются в пределах 7…12. Для фазы В, i=2, импульсы аппроксимирующей синусоидальную функцию последовательности импульсов с номерами 1, 2, 3, 4, 11, 12 имеют отрицательные значения. В соответствии с этим индексы р2…k2 имеют значения 1, 2, 3, 4, 11, 12. Для фазы С, i=3, импульсы аппроксимирующей синусоидальную функцию последовательности импульсов с номерами 3, 4, 5, 6, 7, 8 имеют отрицательные значения. В соответствии с этим индексы р3…k3 имеют значения 3, 4, 5, 6, 7, 8. Это отображено на рисунках фиг. 8а, 8б и 8в, где изображены схемы блоков диодов для фаз А, В и С.
III. 5 Описание принципиальной схемы приемника
i
i
Блок Б3 формирует трехфазную систему напряжений с выходными полюсами 0, 24, 25, i=1, 2, 3, рисунок фиг. 9. Трехфазная система напряжений образуется из напряжений фаз А, В. С (им соответствуют индексы 1, 2, 3). Напряжения фаз получаются в результате преобразования импульсных световых потоков лазерного диапазона частот, излучаемых инжекторами передатчика и принимаемых фотоприемниками блока Б3, в импульсы напряжения. Принципиальная схема приемника показана на рисунке фиг. 9.
Фиг. 9 Принципиальная схема приемника
А
В
С
А
В
С
А
В
С
А
В
С
На принципиальной схеме показаны три блока фаз Б3, Б3, Б3, при помощи которых формируются напряжения фаз А, В, С. Каждый блок Б3, Б3, Б3 содержит силовой модуль приемника Б31, Б31, Б31 и информационный модуль Б32, Б32, Б32 и схему управления полярностью импульсов, из которых формируется выходной сигнал.
А
В
С
i
i
i
i
i
В модулях Б31, Б31, Б31 используются элементы 21, 22, 23, i=1, 2, 3 (индексы 1, 2, 3 соответствуют фазам А, В, С), в качестве выходных полюсов каждого модуля используются полюсы 24 и 25.
А
В
С
i
i
i
В модулях Б32, Б32, Б32 используются элементы 18 19, в качестве выходных полюсов каждого модуля используются полюсы 20.
А
В
С
i
i
1,1
2,1
3,1
2
1,2
2,2
3,2
3
1,3
2,3
3,3
В модулях Б31, Б31, Б31 элементы 23 являются приемниками импульсов светового потока лазерного диапазона частот. При помощи элемента 23 принимаются импульсы светового потока, излучаемые инжекторами 11, 11 и 11 фазы А модуля Б21, при помощи элемента 23 принимаются импульсы светового потока, излучаемые инжекторами 11, 11 и 11 фазы В блока Б21, при помощи элемента 23 принимаются импульсы светового потока, излучаемые инжекторами 11, 11 и 11 фазы С модуля Б21. Принимаемые импульсы светового потока преобразуются фотодиодами в импульсные электрические сигналы.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Силовой модуль приемника Б31 включает приемник лазерного излучения 23, силовые ключи 21 и 22, коммутационную схему. Панель для приема силового лазерного излучения описана, например, в работе [3]. Выходными для блока Б31, как и для всего устройства, являются полюсы 24 и 25. На эти полюсы поступают импульсы напряжения, снимаемого с выходов приемников лазерного излучения 23. Импульсы положительной полярности на выход схемы поступают через нормально открытый управляемый ключ 22. При поступлении сигнала от информационного приемника на управляющий электрод ключа 22 он закрывается, при отсутствии управляющего сигнала ключ открывается. Импульсы отрицательной полярности выходного сигнала получаются за счет инверсии напряжения, снимаемого с выхода приемника 23. Для этого нормально открытый ключ 22 закрывается управляющим импульсом, поступающим с полюса 20 от модуля Б32, а нормально закрытый ключ 21 открывается этим же импульсом. Ключ 22 при отсутствии управляющего сигнала, поступающего от информационного приемника, находится в замкнутом состоянии, при поступлении управляющего сигнала он размыкается. В результате инвертированное напряжение от приемника 23 поступает на выходные полюсы 24 и 25. При замкнутом ключе 22 к полюсу 24 прикладывался положительный полюс напряжения, снимаемого с выхода приемника 23 при разомкнутом ключе 22 и замкнутом ключе 21 на полюс 24 поступает отрицательная полярность выходного напряжения приемника.
А
В
С
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Информационный модуль приемника Б32 включает модули фаз Б32, Б32, Б32. Каждый из этих модулей включает приемник информационного сигнала 18 и схему согласования 19. 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 схем 19 согласуются уровни выходного напряжения приемника 18 с уровнем сигнала, необходимого для управления силовыми управляемыми ключами модуля Б31. С выходного полюса схемы согласования 20 поступают управляющие сигналы на управляющие электроды силовых ключей 21 и 22. При помощи этих ключей производится инвертирование импульса силового сигнала, поступающего от приемника силовых импульсов 23 лазерного потока. Ключ 22 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 21 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.
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальной функции напряжения последовательностью импульсных функций для n=12
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальных напряжений трехфазной системы последовательностями импульсных функций
Фиг. 3 Принципиальная схема устройства
Фиг. 4 Структурная схема блока управления
Фиг. 5 Принципиальная схема силового модуля
Фиг. 6 Принципиальная схема информационного модуля генератора
Фиг. 7 Лазер и схема накачки
Фиг. 8 Схемы модулей диодов для фаз А, В, С
Фиг. 9 Структурная схема приемника
V. Осуществление изобретения
Описание работы устройства.
В устройстве для генерирования и передачи без проводов многофазной системы напряжений (токов) заданной частоты и периодом Т выделяются следующие блоки и модули - блок управления, блок генерации и инжекции импульсов светового излучения лазерного диапазона частот Б2, блок приемника светового потока и преобразования светового потока в электрические сигналы трехфазной системы напряжений (токов) Б3.
1
Блок управления Б1 состоит из модулей Б11, Б12, Б13, Б14, Б15. При помощи модуля Б11 блока Б1 генерируется последовательность прямоугольных управляющих импульсов. Количество импульсов на периоде T равно n, длительность каждого импульса TI=Т/n. Количество и задается и заносится в регистр 5 модуля Б11.
Генерируемые блоком Б1 импульсы:
1,i
2,i
3,1
- управляют излучением инжекторов светового излучения 11, 11, 11 расположенных в модуле Б21;
- управляют знаком электрических импульсов в модуле приемника Б31.
Излучаемые инжекторами импульсы светового потока длительностью TI каждый принимаются приемниками светового потока (фотодиодами) Б31 блока Б3 и преобразуются в электрические сигналы требуемой интенсивности. Интенсивность импульсов светового потока различна и кратна интенсивности с наименьшим значением. Интенсивность с наименьшим значением обозначим d, тогда для трехфазной системы остальные интенсивности будут равны 2d и 3d.
1
1
1
1
1
1
Модуль Б11 включает элементы 1, 2, 3, 4, 5. Это генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде T периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5.
1
1
При помощи модуля Б12 генерируются информационные прямоугольные импульсы напряжения для номеров импульсов с отрицательными значениями для фазы А. Эти импульсы управляют излучением информационных лазеров, расположенных в блоке Б22. Импульсы светового потока, излучаемых информационными лазерами принимаются фотодиодами, расположенными в модуле Б32 блока Б3 и преобразуются фотодиодами в электрические сигналы. Эти импульсы управляют ключами 21 и 22, расположенными в блоке Б31 блока Б3. При помощи этих ключей принимаемые приемником лазерного излучения импульсы, после их преобразования в электрические сигналы, суммируются для фазы А с отрицательным знаком.
2
2
При помощи модуля Б13 генерируются информационные прямоугольные импульсы напряжения для номеров импульсов с отрицательными значениями для фазы В. Эти импульсы управляют излучением информационных лазеров, расположенных в блоке Б22. Импульсы светового потока, излучаемых информационными лазерами принимаются фотодиодами, расположенными в модуле Б32 блока Б3 и преобразуются фотодиодами в электрические сигналы. Эти импульсы управляют ключами 21и 22, расположенными в блоке Б31 блока Б3. При помощи этих ключей принимаемые приемником лазерного излучения импульсы, после их преобразования в электрические сигналы, суммируются для фазы В с отрицательным знаком.
3
3
При помощи модуля Б14 генерируются информационные прямоугольные импульсы напряжения для номеров импульсов с отрицательными значениями для фазы С. Эти импульсы управляют излучением информационных лазеров, расположенных в блоке Б22. Импульсы светового потока, излучаемых информационными лазерами принимаются фотодиодами, расположенными в модуле Б32 блока Б3 и преобразуются фотодиодами в электрические сигналы. Эти импульсы управляют ключами 21 и 22, расположенными в блоке Б31 блока Б3. При помощи этих ключей принимаемые приемником лазерного излучения импульсы, после их преобразования в электрические сигналы, суммируются для фазы С с отрицательным знаком.
1
2
3
1
1
11
n1
2
12
n2
3
13
n3
11
n1
1
1,1
2,1
3,1
1,1
2,1
3,1
1,1
2,1
3,1
2
3
Модуль Б15 включает дешифраторы 7, 7, 7. Входным для каждого дешифратора является выходной полюс счетчика 3, выходными для дешифратора 7 являются полюсы 8…8, для дешифратора 7 полюсы 8…8, для дешифратора 7 полюсы 8…8, число выходных полюсов для каждого дешифратора равно числу импульсных функций на периоде Т, которое равно n. Выходные полюсы (клеммы, контакты) 8…8 дешифратора 7 подключаются к одноименным полюсам управляемых электронных ключей, расположенных в блоке Б2, модуль управляемых ключей 12, 12, 12. При помощи этих ключей генераторы токов накачки 13, 13, 13 подключаются к инжекторам 11, 11, 11, излучающих световые потоки фазы А с интенсивностью, соответственно, d, 2d, 3d. С использованием дешифраторов 7 и 7 осуществляется управление открытым состоянием ключей фаз В и С, аналогично тому, как описано для фазы А.
p,i
k,i
4i
2i
3,i
pi
кi
1
pi
ki
1
1
1
pi
ki
1
i
1i
ni
i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
1,i
2,i
3,i
2,1
2,2
2,3
3,1
3,2
3,3
p1
ki
p1
ki
pi
ki
pi
ki
pi
ki
3i
4i
2i
3i
А
В
С
Выходные полюсы схемы управления 9…9, i=1, 2, 3 подключаются к одноименным полюсам модуля диодов 16, i=1, 2, 3 для управления открытым состоянием управляемого полупроводникового ключа 16, расположенного в блоке Б22. При помощи этого ключа включается информационный лазер 16, расположенный в блоке Б22. Информационный лазер управляющим импульсом включается на интервал времени TI и на этот интервал времени он посылает информационный сигнал, который принимается блоком Б32. Номера pi и ki - это номера импульсов на периоде Т с отрицательными значениями амплитуд импульсов. Эти номера хранятся в регистрах 5…5. 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 5…5 записаны номера импульсов с отрицательными значениями. На счетчике 3 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 дешифраторов 7, i=1, 2, 3. На выходе каждого дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i=1…n) выходе 8…8 дешифратора 7 подается на управляющие электроды управляемых полупроводниковых ключей 12, 12, 12. При помощи этих ключей источники токов накачки от схем генерации токов накачки 13, 13, 13 поступают через полюсы 15, 15, 15 на решетки полупроводниковых лазеров 11, 11, 11. В каждой из этих решеток задействовано определенное число лазеров - d, 2d, 3d. Для реализации значения амплитуды импульса Е1 в соответствии с рисунком фиг. 1 используется d лазеров решетки, значения Е2 пользуется 2d лазеров решетки, значения Е3 используется 3d лазеров решетки. Соответственно этому при реализации синусоидальной функции, показанной на рисунке фиг. 5 решетки 11, 11, 11 содержат 2d лазеров решетки, решетки 11, 11, 11 содержат 2d лазеров решетки, решетки 11, 11, 11 содержат 3d лазеров решетки. Импульсы 7-12 в соответствии с рисунком фиг. 1, имеют отрицательные значения. Для получения в приемном устройстве импульсов с отрицательными значениями, номера импульсов с отрицательными значениями отслеживаются в блоке управления Б1 при помощи счетчиков 3…3. Для синусоидальной функции это будут импульсы с номерами 7…12, как показано на рисунке фиг. 1. Коды счетчиков 3…3 сравниваются с кодами, помещенными в регистры 5…5 При совпадении значений кодов на входах схем сравнения 4…4 с выходных полюсов этих схем 9…9 поступают импульсы на открытие информационного лазера 16находящихся в блоке Б22, как показано на рисунке фиг. 6. Импульсы поступают через модуль диодов 16 и управляемый ключ 16. Посредством управляемого ключа подается питание информационного лазера 16 от независимого источника. Ключ открывается на интервал времени Т, в течение этого интервала информационный лазер изучает световой поток, который принимается элементами 18i модулей Б32, Б32, Б32, как показано на рисунке фиг. 9.
1,i
2,i
3,i
1,i
n,i
k,i
k+1,i
n,i
1,i
1
Pi
ki
Сигналы, управляющие открытым состоянием ключей 12, 12, 12, поступают с выхода дешифратора блока управления посредством полюсов 8…8, i=1, 2, 3. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом от формирователя импульсов 8, k=1…n следует управляющий импульс от формирователя импульсов 8, пока k+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 10 числом n, счетчик обнуляется, при этом также обнуляются счетчики 3…3. После этого процесс повторяется.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Блок приемника светового потока и преобразования светового потока в электрические сигналы трехфазной системы напряжений (токов) Б3 формирует трехфазную систему напряжений (токов), которая снимается с полюсов 0, 24, 25, i=1, 2, 3, рисунок фиг. 9. Трехфазная система напряжений образуется из напряжений фаз А, В. С. Напряжения фаз получаются в результате преобразования импульсных световых потоков лазерного диапазона частот, излучаемых инжекторами передатчика и принимаемых фотоприемниками блока Б3, в импульсы напряжения (тока). Излучаемые инжектором, блок Б2, импульсы лазерного излучения фаз А, В, С принимаются панелями 23, представляющую собой совокупность полупроводниковых фотодиодов. При помощи управляемых ключей 22 и 23 осуществляется управление знаком принимаемого импульса лазерного излучения. Управляемый полупроводниковый ключ 22 в нормальном состоянии открыт для прохождения импульса (контакты ключа замкнуты) и при поступлении сигнала от приемника информационного сигнала 18 он закрывается (контакты ключа размыкаются). Сигнал от приемника информационного сигнала через схему согласования уровней напряжений 19 поступает через полюс 20 на управляющий электрод ключа 22; и закрывает его (контакты размыкаются). Одновременно, этот сигнал поступает на управляемый ключ 21 (электронный или электромеханический). Ключ 21 в нормальном состоянии закрыт (контакты разомкнуты) и при поступлении информационного сигнала он открывается (контакты ключа замыкаются). При этом поступающий с выхода элемента 23 импульс лазерного силового сигнала поступает на выход схемы и снимается с полюсов 24 и 25 с противоположным знаком.
VI. Литература
1. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС Патент №2016127384 МПК Н05В 1/00, 2017
2. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств Патент 2671539
3. Тугаенко В.Ю., Корнилов В.А. Приемник-преобразователь лазерного излучения Патент RU 2594953
4. nts.tsniimash.ru Заявка
5. Каталог продукции ООО « НПП «Инжект» »
6. http://fedalel.com/catalog/
7. lib.alnam.ru
8. e.lib.visu.ru
9. 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.
10. habr.com Мощный лазер своими руками
11. Как сделать лазер
12. http://1posvetu.ru/ustrojstva/kak-sdelat-lazernuyu-ukazku-iz-dvd-dioda.html