ОПТОПАРА С ШАРОВОЙ ЛАМПОЙ
OPTOCOUPLER WITH BALL LAMP

Изобретение относится к технике преобразования световой энергии в электрическую.
Известна резистивная оптопара, состоящая из излучающего элемента и фотоприемного элемента, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция. В качестве фотоприемного элемента в этой оптопаре используется фоторезистор или полупроводниковый резистор. Излучателем в резистивной оптопаре может служить сверхминиатюрная лампочка накаливания, светоизлучающий диод, ИК-излучающий диод (Иванов В.И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник. / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, A.M. Юшин - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 448 с., с. 309).
Это устройство обладает низкой выходной мощностью из-за использования в его составе изучающего элемента с малой мощностью излучения и фотоэлектрического элемента, рассчитанного на преобразования светового излучения малой мощности, а также низкой электрической прочностью, из-за малого расстояния между излучающим элементом и фотоэлектрическим элементом, значительными потерями энергии в оптопаре из-за того, что только часть излучения из диаграммы направленности от излучающего элементы, попадающая на фотоприемный элемент, преобразовывается в электрический ток, и из-за того, что излучение излучающего элемента преобразовывается фотоприемным элементом с не максимально возможным кпд.
Это ограничивает величину выходной мощности построенных на основе таких оптопар оптоэлектронных трансформаторов и значение величин напряжения, при которых они могут работать, а потери энергии в этих оптоэлектронных трансформаторах значительны.
Техническим результатом изобретения является увеличение выходной мощности оптопары, ее электрической прочности, снижение потери энергии в ней.
Задача, на решение которой направлено техническое решение, достигается тем, что в известном устройстве, содержащем излучатель, фотоприемный элемент, закрепленный на корпусе, в качестве излучателя света использованы шаровая лампа, в качестве фотоприемного элемента используется батарея солнечных элементов, корпус выполнен в виде трубы из диэлектрического материала, на внешней боковой поверхности которого имеются распределители потенциала, дополнительно включены сферическая отражающая поверхность, имеющая отверстие в боковой поверхности в виде круга, и линза с эллипсоидальной поверхностью, сферическая отражающая поверхность, линза с эллипсоидальной поверхностью, шаровая лампа и батарея солнечных элементов расположены на одной оптической оси, совпадающей с осью корпуса, причем в одном торце корпуса расположена сферическая отражающая поверхность, линза с эллипсоидальной поверхностью и шаровая лампа, а во втором торце батарея солнечных элементов, шаровая лампа расположена в центре сферической отражающей поверхности, линза с эллипсоидальной поверхностью расположена в отверстии шаровой сферической поверхности, внутренние поверхности сферической отражающей поверхности и корпуса имеют зеркальное покрытие, батарея солнечных элементов выполнена на основе многослойных структур, обеспечивающих каскадное преобразование оптического излучения шаровой лампы.
На чертеже приведена структурная схема устройства.
Устройство содержит шаровую лампу 1, сферическую отражающую поверхность 2, линзу с эллипсоидальной поверхностью 3, корпус, выполненный в виде полого изолятора 4 с распределителями потенциалов 6, батарею солнечных элементов 5.
Стрелками показан ход световых лучей.
При отсутствии напряжения на шаровой лампе 1 электрический ток на выходе батареи солнечных элементов 5 отсутствует.
При поступлении напряжения на шаровую лампу 1 ее излучение, сконцентрированное сферическим зеркалом 2 и линзой с эллипсоидальной поверхностью 3, выходит из нее в виде квазипараллельного пучка, и, пройдя через корпус, выполненный в виде полого изолятора 4 с распределителями потенциалов 6, попадает на батарею солнечных элементов 5. В батарее солнечных элементов 5 световое излучение преобразовывается в электрический ток и через выводы батареи солнечных элементов передается далее потребителю.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую выходную мощность. Это обеспечивает тем, что в составе оптопары в качестве источника света используется шаровая лампа, в качестве фотоприемного элемента используется батарея солнечных элементов. При этом излучение от шаровой лампы 1, сконцентрированное сферическим зеркалом 2 и линзой с эллиптической поверхностью 3, выходит из линзы в виде квазипараллельного пучка, и, пройдя через корпус 4, выполненный в виде полого изолятора с распределителями потенциалов 6, попадает на батарею солнечных элементов 5. В батарее солнечных элементов 5 световое излучение преобразовывается в электрический ток и через выводы батареи солнечных элементов передается далее потребителю. Таким образом, весь световой поток передается на батарею солнечных элементов, а потери излучения в предлагаемом устройстве обусловлены только поглощением в оптических элементах. Причем эти потери значительно меньше аналогичных потерь прототипа. Кроме того, в качестве солнечных элементов используются многослойные структуры, обеспечивающие каскадное преобразование оптического излучения, и излучение излучающего элемента преобразовывается фотоприемным элементом с максимально возможным кпд. Соответственно использование таких структур также обеспечивает снижение потерь в оптопаре.
Увеличение электрической прочности оптопары достигается за счет предлагаемой конструкции оптопары, в которой увеличивается расстояние между источником излучения, в качестве которого используется шаровая лампа 1, и ее фотоприемным элементом, в качестве которого используется батарея солнечных элементов 5. Для этого между ними располагается корпус, выполненный в виде полого изолятора 4 с распределителями потенциалов 6.
При практической реализации устройства, например при использовании в качестве источника излучения в составе оптопары шаровой ксеноновой лампы ДКсШ 200 мощностью 200 Вт, при КПД преобразования излучения лампы солнечными элементами ~85%, с учетом потерь, возникающих при передачи оптического излучения от шаровой ксеноновой лампы к батарее солнечных элементов, мощность электрического тока на выходе оптопары может быть ~160 Вт. Такая мощность на выходе оптопары достигается, если в качестве солнечных элементов использовать многослойные структуры, обеспечивающие каскадное преобразование оптического излучения. Для этих целей могут быть использованы трех- и четырехкомпонентные соединения элементов III и V групп периодической системы. Кроме того, могут быть использованы гетероструктуры с вариозной базой, когда на выходе создается широкозонное окно, соответствующее максимальной ширине спектра преобразовываемого излучения, а база имеет переменное по глубине значение  (благодаря плавному изменению состава, уменьшающегося по мере углубления). Такие структуры можно получить, используя двойные, тройные и четвертные соединения на базе компонент, входящих в состав GaAs [Кирин И.Г. Потери энергии в источниках вторичного электропитания с системами гальванической развязки «Источник оптического излучения - фотоэлектрический преобразователь». / Кирин И.Г. // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2014. N 4. - С. 153-157].
Предлагаемое устройство оптопары позволяет существенно увеличить ее мощность, электрическую прочность, снизить потери энергии внутри оптопары, что позволит практически реализовывать оптоэлектронные трансформаторы с большей выходной мощностью, рассчитанные на использование более высокого значения напряжения, и обладающие низкими потерями.