Устройство питания электронных устройств оптическим излучением

Устройство питания электронных устройств оптическим излучением 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.
Известна «Оптическая система электропитания для электронных схем с использованием одного фотогальванического элемента» (патент RU 2431915, 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 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» Patent Application Publication Pub. No.: US 2009/0016715 A1, Jan. 15, 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 близким техническим решением, принятым за прототип, является оптическая система электропитания электронных устройств, патент RU 2615017 от 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 к 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.
Недостатком этого устройства является то, 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 нахождения фотовольтаического преобразователя в точке максимальной мощности при изменении параметров нагрузки и температуры. Раскрытие изобретения
Целью предлагаемого технического решения является повышение КПД и надежности системы электропитания электронных устройств оптическим излучением.
Технический результат, заключается в повышение КПД системы электропитания путем обеспечения работы фотовольтаического преобразователя в точке максимальной мощности.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве питания электронных устройств оптическим излучением, содержащем 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 к входу схемы регулирования тока оптического излучателя, отличающееся тем, что измеритель напряжения выполнен в виде двух супервизоров, в первом из которых резистивным делителем устанавливается порог срабатывания превышающий напряжение точки максимальной мощности не менее, чем на 1-5%, а во втором супервизоре резистивным делителем устанавливается порог срабатывания ниже напряжения точки максимальной мощности не более, чем на 1-5%, а выходы супервизоров подключены к формирователям импульсов различной длительности.
Заявленное устройство может иметь дополнительные отличительные признаки, касающиеся особенностей выполнения входящих в его состав элементов, а именно:
- длительности импульсов на верхнем и нижнем пороге могут отличаться в n (2-5) раз;
- в одном из плеч резистивных делителей супервизоров установлены терморезисторы;
- в формирователе импульсов на выходе супервизоров в одном из каналов в качестве времязадающей цепи устанавливают термозависимую RC цепь.
Сущность заявленного технического решения поясняется рисунками 1-4.
На Фиг. 1 приведена блок-схема заявленного устройства питания.
На Фиг. 2 приведена схема подключения супервизоров.
тмм
На Фиг. 3 приведены в качестве примера типичные зависимости U от входной оптической мощности для преобразователей AFBR-POCxx6L при трех разных температурах.
На Фиг. 4 представлен вариант выполнения преобразователя импульсов супервизоров для передачи по оптическому каналу обратной связи.
На Фиг. 1 приведена блок-схема заявленного устройства питания.
Устройство содержит микропроцессорный модуль 1 связанный с управляемым источником тока 2 для питания лазера 3. Практически, микропроцессорный модуль 1 и источник тока 2 конструктивно представляют собой одну микросхему, например, iC-HTP (https://www.ichaus.de/upload/pdf/HTP_datasheet_C1en.pdf). Излучение лазера 3 через световод 4 поступает на вход фотовольтаического преобразователя 5, где преобразуется в электрическое напряжение. Выход этого преобразователя подключен ко входу повышающего преобразователя 6, а также ко входам двух супервизоров 7 и 8. Выходы супервизоров подключены ко входам формирователя импульсов 9, который, например, по отрицательному перепаду выходных импульсов супервизоров формирует импульсы разной длительности (например, 400 и 100 нс), которые поступают на вход оптического передатчика 10, выполненного, например, на светодиоде HFBR1414. Эти импульсы, через световод 11 поступают на вход фотоприемника (например, AFBR-2418) подключенному ко входу микропоцессорного модуля 1, где используются в системе регулировки тока лазера 3.
1B
2
B
TMM
ref
1H
2
H
TMM
ref
TMM
ref
в
н
1
TMM
На Фиг. 2 приведена схема подключения супервизоров (например, МАХ6838) к выходу фотовольтаического преобразователя. На входе супервизоров устанавливается резистивные делители, коэффициенты деления которых выбираются из условия R=R(KU/U-1) для супервизора, определяющего верхний порог и R=R(KU/U-1) для супервизора, определяющего нижний порог регулируемого напряжения. В этих формулах U напряжение, соответствующее точке максимальной мощности фотовольтаического преобразователя, которое предварительно измерено или взято из паспорта преобразователя. U - опорное напряжение супервизора, которое для супервизоров типа (МАХ6838) составляет 444 мВ. Коэффициенты K и K составляют 1,01÷1,05 для верхнего порога и 0,95 0,99 для нижнего порога. Один из резисторов делителя, например, Rможет быть выполнен в виде терморезистора с законом изменения сопротивления от температуры, соответствующим изменению от температуры напряжения U.
TMM
TMM
TMM
На Фиг. 3 приведены в качестве примера типичные зависимости U от входной оптической мощности для преобразователей AFBR-POCxx6L при трех разных температурах. Из этих зависимостей следует, что в диапазоне рабочих величин оптической мощности 0,4-1,5 Вт напряжение U практически не зависит от входной оптической мощности и, следовательно, может служить критерием работы фотовольтаического преобразователя в точке максимальной мощности. Этот вывод применим и к другим типам фотовольтаических преобразователей. Основные производители ФВП указывают напряжение U в справочных данных на свои преобразователи. Так, например, для преобразователей AFBR в зависимости от модификации напряжение в ТММ составляет 6,4-6,5 В 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.
TMM
TMM
-2
Таким образом, способом обеспечения работы ФВП в точке максимальной мощности является поддержание выходного напряжения в определенных пределах. Это напряжение слабо зависит от величины нагрузки, но зависит от температуры, которую надо учитывать для соответствующей коррекции напряжения. Эта зависимость для преобразователей AFBR-POCxxxL может быть с достаточной для практики точностью найдена по формуле U(T)=U(25)-10 Т, где Т - температура в град. Ц.
TMM
На Фиг. 4 представлен вариант выполнения преобразователя импульсов супервизоров для передачи по оптическому каналу обратной связи. В двух каналах формирования импульсов резисторы времязадающих цепей и, следовательно, длительности формируемых импульсов, отличаются в 2-5 раз, что позволяет однозначно сопоставить их срабатыванию первого или второго супервизора. В качестве времязадающего резистора R1 может быть применен терморезистор с положительным ТКС, вследствие чего длительность более длинного импульса будет зависеть от температуры и может быть использована для температурной коррекции положения U при его немонотонном изменении с температурой.
6
Предложенное устройство питания оптическим излучением работает следующим образом. В начальный момент 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. При достижении верхнего порога напряжения ТММ супервизор 7 формирует импульс, который по оптическому каналу обратной связи передается на микропроцессорный модуль 1, после чего крутизна уменьшения тока становится, например, 1 мА/сек, а значение тока питания лазера в момент прихода первого импульса микропроцессор запоминает. При достижении нижнего порога ТММ информационный импульс формирует супервизор 8 и, с приходом этого импульса, модуль 1 начинает увеличивать ток лазера с крутизной, например, 1 мА/сек, до величины равной значению тока, хранящегося в памяти микропроцессора, после чего процесс повторяется. Таким образом, питающее ФВП излучение оказывается промодулировано низкочастотной составляющей с периодом в несколько секунд, вследствие чего скважность передаваемых информационных импульсов длительностью 100-500 нс превышает 10. При такой скважности средний потребляемый ток каналом обратной связи не превысит 30 мкА, что будет соответствовать потребляемой мощности менее 100 мкВт.
Для однозначного сопоставления информационных импульсов срабатыванию первого или второго супервизора, длительности формируемых импульсов, отличаются в 2-5 раз. Фактическое различие зависит от разрешающей способности временного дискриминатора в микропроцессоре 1 (Фиг. 1).
Для температурной коррекции напряжения ТММ в одно из плеч входного делителя супервизоров устанавливаются соответствующие терморезисторы. При этом следует учитывать, что для NTC термисторов закон изменения сопротивления от температуры определяется формулой l/T=l/To+(l/β)⋅ln(R/Ro) (для резисторов 135 серии Honeywell Бета=3974); для РТС термисторов изменения R(T) линейный (примерно - при 25° - 1, -55° - 0,5; +60° - 1,2).
TMM
Другим вариантом температурной коррекции положения U при его немонотонном изменении с температурой является применение в качестве времязадающего резистора R1 (Фиг. 4) терморезистора с положительным ТКС, вследствие чего длительность более длинного импульса будет зависеть от температуры и может быть использована для температурной коррекции.
Таким образом, предложенный вариант построения Системы Питания Оптическим Излучением (СПОИ) обеспечивает работу ФотоВольтаического Преобразователя (ФВП) в точке максимальной мощности при изменении потребляемого нагрузкой тока и изменении температуры.