CC BY
0ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
УДК 681.782.473:621.38
DOI https://doi.org/10.38161/1996-3440-2024-3-15-20
И. Г. Кирин
МОЩНЫЕ ОПТРОНЫ НА БАЗЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ
Кирин И. Г. - д-р техн. наук, профессор кафедры физики ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет», e-mail: igkirin@rambler.ru
Найдено техническое решение позволяющее строить мощные оптроны на базе полупроводниковых лазеров. Для этого предложена коаксиальная схема построения оптронов с использованием полупроводниковых лазеров и фотоэлектрических элементов. По это схеме оптроны имеют цилиндрическую форму, источник оптического излучения располагается на оси цилиндрической конструкции на одной из его торцевой поверхности, а на его боковой поверхности располагается фотоэлектрические элементы. Описан построенный по этой схеме конструкции оптрон с использованием мощного полупроводникового лазера и солнечных элементов в качестве фотоэлектрических преобразователей. Анализ потерь энергии излучаемой источником света энергии в оптроне показывает, что они могут быть ниже 30%. Выходная мощность предлагаемого оптрона определяется мощностью используемого в его составе полупроводникового лазера и может достигать десяти Ватт и более.
Ключевые слова: оптрон, цилиндрическая форма конструкции, полупроводниковый лазер, батарея солнечных элементов, высокая мощность, высокая диэлектрическая прочность, низкие потери.
Введение
Спектр оптоизолированных приборов, к которым и относятся оптроны, широк и непрерывно расширяется [1]. Так в последнее время особое значение приобретает разработка мощных оптронов на базе полупроводниковых источников оптического излучения, предназначенных для использования в фотоэлектронных трансформаторах. На основе этих трансформаторов строятся источники вторичного электропитания с электрически изолированными
© Кирин И. Г., 2024
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
входами и выходами, обеспечивающими полную гальваническую развязку входных и выходных цепей устройств [2]. В составе таких трансформаторов, как правило, используются оптроны на основе шаровых ламп. Такие оптроны строятся по схеме, в которых лампа с помощью какой-либо зеркально - линзовой оптической системы передает излучение на фотоэлектрические преобразователи [3 - 7]. Существенным недостатком таких схема построения оптро-нов является достаточно ограниченная площадь фотоэлектрических преобразователей и в ряде конструкций для достижения необходимой выходной мощности оптронов используется высокоинтенсивное излучение с системами охлаждения фотоэлектрических элементов (как правило, это воздушные радиаторы, находящиеся в теплом контакте с фотоэлектрическими элементами).
В настоящей работе предлагается коаксиальная схема построения оптро-нов с использованием полупроводниковых лазеров и фотоэлектрических элементов. Построенные по это схеме оптроны имеют цилиндрическую форму, источник оптического излучения располагается на оси цилиндрической конструкции на одной из его торцевой поверхности, а на его боковой поверхности располагается фотоэлектрические элементы.
В предлагаемой схеме построения оптронов, каких-либо систем охлаждения фотоэлектрических преобразователей не нужно, в ней площадь фотоэлектрических преобразователей элементов может быть значительной.
Найденное конструктивное решения построения мощных оптронов, особенно при использовании мощных полупроводниковых лазеров, позволяет существенно расширить область использования фотоэлектронных трансформаторов, повысить их срок службы и энергетическую эффективность, снизить массогабаритные размеры, упростить их конструкцию. Кроме того, найденное конструктивное решения позволяет строить не только мощные, но и другие оптроны, рассчитанные на широкий диапазон мощностей.
Методы исследования
При разработке предлагаемого конструктивного решения схемы построения мощных оптронов были использованы методы теории оптических систем, фотоэлектрического преобразования, а также системного анализа.
Результаты
На рис 1. приведена структурная схема разработанного оптрона. Стрелками показан ход световых лучей.
МОЩНЫЕ ОПТРОНЫ НА БАЗЕ ПОЛУПРОВОД- -
НИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ НХЛИИС ТСГУ. 2024. № 3 (74)
9
Рис 1. Мощный оптрон на базе полупроводникового лазера
I-корпус фотоэлектрического блока, 2-батарея солнечных элементов, 3-светораспре-делитель в виде стеклянной трубки с отражающей боковой поверхностью с зеркальным покрытием 4, 5-глухое зеркало, 6-полупроводниковый лазер, 7-торцы корпуса фотоэлектрического блока с зеркальным покрытием, 8-муфта, 9- радиатор, 10-контакты,
II- электрический разъем, 12- корпус оптрона, 13- рассеивающая линза, 14 - распределители потенциалов корпуса оптрона.
Сптрон работает следующим образом. При поступлении напряжения на полупроводниковый лазер 6 его излучение, пройдя через корпус оптрона, выполненный в виде полого изолятора с распределителями потенциалов 14, попадает на отрицательную линзу 13, рассеивается ей и поступает в светораспре-делитель выполненный в виде стеклянной трубки с отражающей боковой поверхностью с зеркальным покрытием 3. Это излучение частично выходит из нее и, одновременно распространяется в ней. Вышедшее из светораспредели-теля излучение попадает на батарею солнечных элементов 5. В батарее солнечных элементов это излучение преобразовывается в электрический ток, далее через выводы 10 поступает на разъем 11 и передается потребителю.
Конструкция оптрона обеспечивает достаточно высокую выходную мощность. Это достигается тем, что в ее составе в качестве источника света оптрона используется мощный полупроводниковый лазер 6, а в качестве фотоприемного элемента используется батарея солнечных элементов 2.
Электрическая прочность оптрона достигается за счет того, что в нем полупроводниковый лазер 6, и ее фотоприемный элемент - батарея солнечных элементов 2, располагаются на достаточном расстоянии друг относительно друга. Для этого между ними располагается корпус, выполненный в виде полого изолятора 14 с распределителями потенциалов, обеспечивая тем самым
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
электрическую прочность оптрона. Кроме того, значительная электрическая прочность оптрона достигается еще и за счет того, что его корпус выполнен в виде трубы из диэлектрического материала, и, увеличивая диаметр торцов 7 фотоэлектрического блока 1 оптрона, можно увеличить его диэлектрическую прочность.
В предлагаемой схеме построения оптронов потери излучаемой источником света энергии определяются соотношением:
7 = 71 "72 (1)
где: П1 - коэффициент учитывает потери энергии в оптических системах при ее передаче от источника оптического излучения к фотоэлементам; П2 - коэффициент описывает потери энергии при преобразовании световой энергии в электрическую.
Коэффициент П1 определяют ту частью светового потока источника света, которую оптической системой оптрона удается направить на фотоэлементы. Эти потери энергии в первую очередь определяются параметрами источника оптического излучения, применяемого в составе оптрона, важнейшими из которых являются:
- форма пространственных кривых распределения силы света выбранного источника, которая определяет величину светового потока, сосредоточенную в данном телесном угле, а, следовательно, величину его возможного захвата оптической системой;
- форма излучающей поверхности выбранного источника излучения в значительной степени определяющая направленность излучения;
- размер излучающей поверхности выбранного источника излучения;
- а также типом оптической схемы, по которой построен оптрон и оптических элементов, выбранных для построения этой схемы [2].
Для интегральной оценки эффективности оптической системы оптрона можно использовать такую характеристику как коэффициент использования источника света
Ф
71 = ф3ах- (2)
Ф
пол
где: Фзах - величина энергетического светового потока, захваченного оптической системой и направляемого для освещения на фотоэлементы (выходящего из системы почти параллельным пучком), Фпол - полный энергетический световой поток источника света.
Применительно к предлагаемой конструкции оптрона коэффициент 71 находятся в пределах от 0,90 до 0,95. Столь низкие значения потерь, описываемые коэффициентом 71, применительно к предложенной конструкции оптрона, обусловлены его коаксиальной формой, замкнутым внутренним объемом и высоким коэффициентом отражения внутренней поверхности заглушек 7, который предполагается при использовании данных схемы построения оп-трона.
МОЩНЫЕ ОПТРОНЫ НА БАЗЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
Коэффициент ^2 описывает потери энергии при преобразовании световой энергии в электрическую его фотопреобразователями, в предлагаемой конструкции - солнечными элементами. Анализ значения этого коэффициента проведен по методики [9,10]. В соответствии с этой методикой максимальный КПД фотоэлемента может быть вычислен из соотношения:
Так, при преобразовании, например, излучения полупроводникового лазера с длиной волны X = 0,85 мкм фотопреобразователем из GaAs, ширина запрещенной зоны которого точно соответствует частоте преобразовываемого излучения, по (3), КПД может достигать ~ 70%, при той освещенности, которую создает солнечное излучение в этой области спектра.
Можно еще увеличить КПД путем увеличения кратности концентрации излучения [10] и использование в составе оптрона радиатора 9.
Таким образом, с учетом (1) в предлагаемой схеме построения оптронов потери энергии излучаемой полупроводниковым лазером могут быть ниже
Заключение
1. Найдено техническое решение позволяющее строить мощные оптроны на базе полупроводниковых лазеров.
2.Предложена новая схема построения оптронов в основу которой положен принцип коаксиальной конструкции с использованием полупроводниковых источников оптического излучения, позволяют изготавливать линейку оптронов, рассчитанных на выходную мощность от долей Ватт до десяти Ватт и более.
3.Предложенная схема построения оптронов позволяет обеспечить его высокую электрическую прочность.
З.Анализ потерь показывает, что оптроны, построенные по предлагаемой схеме, имеют потери 30% и могут быть еще уменьшены путем увеличения интенсивности излучения света при его преобразовании в электрический ток с использованием радиаторов для охлаждения батарей солнечных элементов используемых в качестве фотоэлектрических преобразователей в составе оптро-нов.
Новизна конструкция оптрона подтверждена Патентом РФ [8].
(3)
30%.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
Библиографические ссылки
1. Носов Ю.Р. Оптроны и их применение / Ю.Р. Носов, А.С. Сидоров. - М.: Радио и связь, 1981, 280 с.
2. Кирин И.Г. Фотоэлектронные трансформаторы / И.Г. Кирин. - М.: Университетская книга, 2013. -136 с.
3. Кирин И.Г. Оптопара с эллипсоидальным отражателем. Патент на изобретение RU 2670706, 24.10.2018.
4. Кирин И.Г. Оптопара с катадиоптрической линзой. Патент на изобретение RU 2627565, 08.08.2017.
5. Кирин И.Г. Оптопара с шаровой лампой. Патент на изобретение RU 2618964, 11.05.2017.
6. Кирин И.Г. Оптопара. Патент на изобретение RU 2633934 С, 19.10.2017. Заявка № 2016127918 от 11.07.2016.
7. Кирин И.Г. Оптопара с трубчатой ксеноновой лампой. Патент на изобретение RU 2672784, 19.11.2018.
8. Кирин И.Г. Оптопара с полупроводниковым лазером. Патент на
изобретение 2752615, 29.07.2021.
9. Раушенбах Г.П. Справочник по проектированию солнечных батарей. -М. : Энергоатоиздат, 1983. - 357с.
10. Фрааз Л.П. Усовершенствованные солнечные элементы, предназначенные для работы в системах с концентраторами излучения // Современные полупроводниковые элементы фотоэнергетики / под ред. Т.Ф. Кутмса, Дж.К. Ми-кина. пер. с англ. под ред. М. М. Колтуна. - М.: Мир, 1988. - С. 201-261.
Title: Powerful Optrons Based on Semiconductor Lasers Authors' affiliation:
Kirin I. G. - Orenburg State University, Orenburg, Russian Federation
Abstract: A technical solution has been found that allows to construct powerful optrons based on semiconductor lasers. For this purpose, a coaxial scheme for constructing optrons using semiconductor lasers and photoelectric elements has been proposed. According to this scheme, optrons have a cylindrical shape, the source of optical radiation is located on the axis of the cylindrical structure on one of its end surfaces, and photoelectric elements are located on its side surface. An optron constructed according to this design scheme using a powerful semiconductor laser and solar cells as photoelectric converters is described. Analysis of energy losses of the emitted by a light source in the optron shows that they can be lower than 30%. The output power of the proposed optron is determined by the power of the semiconductor laser used in its composition and can reach ten watts or more.
Keywords: optron, cylindrical shape of the structure, semiconductor laser, solar cell battery, high power, high dielectric strength, low losses.
