Микромощный оптический источник питания

Оптическим источником пита­ния называют устройство, в кото­ром преобразование напряжения одной величины в напряжение дру­гой величины осуществляют по­средством однонаправленного из­лучения от источника к его прием­нику. Оптический источник пита­ния похож на солнечную батарею с тем отличием, что способен функ­ционировать в темноте. В качестве источника излучения можно ис­пользовать светодиод, лампу нака­ливания или лазер. Излучение мо­жет поглощать фотодиод или сол­нечный элемент. Между излучате­лем и фотоприемником располага­ют оптически прозрачную среду, от диэлектрических свойств которой зависит напряжение электрическо­го пробоя между входом и выхо­дом. Обычно оптически прозрач­ную среду выполняют из стекла или пластмассы, хотя иногда дос­таточно воздушного промежутка. Оптически прозрачной средой мо­жет выступать и диэлектрическая жидкость. Исключительно важно, чтобы все компоненты, а именно: источник излучения, его приемник и оптически прозрачная среда, были согласованы по частотному диапазону.

К уникальным свойствам опти­ческого источника питания следу­ет отнести исключительно высокую частоту преобразования энергии и возможность организации изоля­ции с чрезвычайно высоким напря­жением пробоя. Частота видимого глазом человека света лежит в районе 10¹⁵ Гц, что многократно выше частоты преобразования любых импульсных источников пи­тания. Если излучение лежит в уль­трафиолетовой области спектра, то эквивалентная частота может превышать 1 ПГц, а если в инфра­красной области - то 1 ТГц. Столь высокая частота преобразования энергии гарантирует отсутствие помех даже самым чувствитель­ным радиоприборам.

Устройство оптического источ­ника питания по топологии DC/DC преобразователя изображено на рис. 1. Три светодиода VD1...VD3 облучают три фотодиода VD4...VD6. Балластный резистор R1 служит ограничителем тока, протекающе­го через светодиоды VD1...VD3. Конденсатор С1 запасает энергию для того, чтобы увеличить ампли­туду максимального выходного тока, который способна поглотить нагрузка в импульсе. Вместо кон­денсатора С1 допустимо приме­нить ионистор. Ионистор служит резервным источником энергии при обесточивании питающей сети. Параметры источника питания за­висят от используемых компонен­тов. Так, для получения выходной мощности до 10 Вт целесообразно в качестве излучателя использо­вать лампу или мощный светоди­од, а для преобразования светово­го излучения в электрическую энергию можно применить батарею солнечных элементов. Чем боль­шей выходной мощностью должен обладать оптический источник пи­тания, тем крупнее габариты этого агрегата. Если оптический источ­ник питания будет нагружен на микромощную измерительную цепь, то иногда возможно обойтись оптронами. На одном фотодиоде оптрона возникает напряжение обычно от 0,5 В до 0,7 В. Поэтому для получения более высокого вы­ходного напряжения необходимо

фотодиоды соединять последова­тельно. При последовательном со­единении трех фотодиодов оптро- нов АОДЮ1 постоянное выходное напряжение источника питания примерно составляет 1,5 В, а но­минальный ток нагрузки достигает 0,2 мА, что обычно достаточно для питания часов. Со временем фото­диоды оптронов деградируют, и по­стоянное выходное напряжение оп­тического источника питания обыч­но уменьшается до 30% при непре­рывной эксплуатации в течение двух лет. Если в техническом за­дании указано, что напряжение гальванической развязки между входом и выходом превышает ме- гавольт, то толщина диэлектрика оптически прозрачной среды мо­жет составлять несколько метров. Естественно, в этом случае приме­няют не оптроны, а дискретные компоненты.

Оптические источники питания нашли применение в специальной контрольной и измерительной ап­паратуре, а также в установках для проведения научных эксперимен­тов. Например, оптический источ­ник питания может быть установ­лен в герметичном стеклянном со­суде, который приводят во враще­ние. Таким образом, оптические источники питания используют там, где никакие другие источники питания неприменимы.

Евгений Москатов

г. Таганрог http://moskatov.narod.ru