CN206379777U - 一种反馈型脉冲式微功率光供能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种反馈型脉冲式微功率光供能装置，包括控制系统、光电探测器、光源驱动电路、温控电路、光源、光分路器件、光纤、耦合器、反射镜、光电转换器、变压器、整流滤波电路和稳压电路；控制系统、光源驱动电路、光源依次连接，光源的输出光端口与光分路器件的第二光端口连接，光分路器件的第三光端口和光电探测器的输入光端口连接；光电探测器与控制系统连接；光分路器件的第一光端口通过光纤与耦合器的第一光端口连接，耦合器的第二光端口与反射镜连接，耦合器的第三光端口与光电转换器连接，光电转换器、变压器、整流滤波电路、稳压电路依次连接。该装置可为高压区中的功耗在微瓦至毫瓦的器件供电，确保高压区光功率强度的恒定。

Description

一种反馈型脉冲式微功率光供能装置

技术领域

本实用新型属于激光供能领域，具体来说，涉及一种反馈型脉冲式微功率光供能装置，尤其适用于高电压微功耗系统的供能。

背景技术

近年来，随着国内电力工业的高速发展，在电力系统中布置大量的传感器，实时监控电路设备的工作状态，从而提高电力系统的可靠性逐渐成为一种趋势。然而在高压电器中工作的传感器及其控制系统的供电问题始终未得到很好的解决。传统的激光供能技术是解决高压区供电问题的一个较好的方案。该方案使用光纤作为高压/低压环境的隔离介质，大功率激光器(通常大于1W)将光能量导入光纤，在高压端通过光电池将光能量转换为电能量。该方案可以提供上百毫瓦以上的功率，目前在电子式互感器中得到了广泛的应用。

但是，上述方案在实际使用中也存在一些不足，首先，电力系统中很多微功率模块的功耗仅有微瓦至毫瓦量级，其次传统光供能模块所使用的大功率激光器价格昂贵，且寿命有限，从而提高了光供能系统的运维成本，降低了系统的可靠性。并且，在实际使用过程中，由于存在光纤老化或人为问题，光纤损耗增加，直接导致了高压区光功率减弱，从而造成光供能模块输出功率的变化。所以，针对很多微功率模块(功耗在微瓦至毫瓦量级)的供电需求，上述光供能方案无论在经济性还是可靠性方面，都存在不足。

实用新型内容

本实用新型提供一种脉冲式微功率光供能装置，可以为高压区中的功耗在微瓦至一百毫瓦量级的器件供电，确保高压区输出功率的恒定，且结构简单，成本低廉。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用一种反馈型脉冲式微功率光供能装置，该装置包括控制系统、光电探测器、光源驱动电路、温控系统、光源、光分路器件、光纤、耦合器、反射镜、光电转换器、变压器、整流滤波电路和稳压电路；所述控制系统的输出端口与光源驱动电路的输入端口连接，光源驱动电路的输出端口与光源的输入电端口连接，光源的输出光端口与光分路器件的第二光端口连接，光分路器件的第三光端口和光电探测器的输入光端口连接；光电探测器的输出电端口与控制系统的输入端口连接，温控系统用于测量和控制光源的温度，并将温度信息反馈至控制系统中；光分路器件的第一光端口通过光纤与耦合器的第一光端口连接，耦合器的第二光端口与反射镜的输入光端口连接，耦合器的第三光端口与光电转换器的输入光端口连接，光电转换器的输出电端口与变压器的输入电端口连接，变压器的输出电端口与整流滤波电路的输入电端口连接；整流滤波电路的输出电端口与稳压电路的输入电端口连接。

作为优选例，所述光分路器件的第一光端口输出脉冲光信号的占空比与PWM驱动电路输出信号的占空比相同。

作为优选例，所述控制系统、光电探测器、光源驱动电路、光源、光分路器件、光纤、耦合器和反射镜组成闭环反馈装置，实现耦合器的第三输出端口输出恒定的光功率信号。

作为优选例，所述光纤实现高压环境与低压环境的隔离。

作为优选例，所述光纤为多模光纤、塑料光纤或者单模光纤。

作为优选例，所述光分路器件为光耦合器或者光环形器。

作为优选例，所述光源的输出光功率为毫瓦至瓦单位级别。

作为优选例，所述控制系统采用微处理器的PWM功能或者采用模拟电路，产生脉码调制信号。

作为优选例，所述的控制系统采用ARM微处理器，光源驱动电路采用激光器驱动电路，光源采用激光器，温控系统采用热敏电阻温度传感器、半导体制冷片、制冷片驱动电路和ARM微处理器，光分路器件采用环形器，光纤采用多模光纤；ARM处理器的第一输出端口与制冷器驱动电路的输入端口连接，制冷器驱动电路的输出端口与半导体制冷片的输入端口连接；ARM处理器的第二输出端口与激光器驱动电路的输入光端口连接，激光器驱动电路的输出光端口与激光器的输入光端口连接，激光器的输出光端口与环形器的第二光端口连接，环形器的第三光端口与光电探测器的输入端口连接，光电探测器的电输出端口与ARM处理器的第一输入端口连接，热敏电阻温度传感器与ARM处理器的第二输入端口连接；环形器的第一光端口通过光纤与耦合器的第一光端口连接，耦合器的第二光端口与反射镜的输入光端口连接。

作为优选例，所述整流滤波电路采用四个二极管和滤波电容组成全波整流滤波电路，其中，二极管D1的P极和N极分别与二极管D3 的P极和二极管D2的P极相连，二极管D4的P极和N极分别与二极管D3的N极和二极管D2的N极相连，电容C1两端分别与二级管 D4的N极和地相连；二极管D1的P极与地相连；所述变压器的两个原边输入端分别与光电二极管10的输出电端口和地相连，变压器的两个副边输出端分别与二极管D2的P极和二极管D3的N极相连；稳压电路的输入端与二级管D4的N极相连，稳压电路的输出端输出一个恒定电压信号。

与现有技术相比，本实用新型实施例具有以下有益效果：采用光纤实现高压和低压区的隔离，实现对电力系统高压区中功耗在微瓦至毫瓦量级的器件或其它应用的供电。同时，采用了光电闭环反馈结构，实现高压端输出脉冲光信号功率的恒定，消除光路损耗变化对输出功率的影响，提高了系统的可靠性。由于该光供能装置输出功率较低，可以采用长寿命、低成本的小功率光源，具有结构简单，成本低廉的特点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中恒功率脉冲光信号单元的一种结构示意图；

图3是图2中ARM处理器PWM输出信号的波形图；

图4是本实用新型实施例中光电能量转换单元的一种结构示意图；

图5是图4中变压器输出信号的波形图；

图6是图4中稳压电路输出直流电压的波形图。

其中包括：控制系统1、光电探测器2、光源驱动电路3、温控系统4、光源5、光分路器件6、光纤7、耦合器7、反射镜9、光电转换器10、变压器11、整流滤波电路12、稳压电路13、ARM处理器14、激光器驱动电路15、制冷片驱动电路16、温度传感器17、半导体制冷片18、激光器19、环形器20。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型实施例的一种反馈型脉冲式微功率光供能装置，包括控制系统1、光电探测器2、光源驱动电路3、温控系统4、光源5、光分路器件6、光纤7、耦合器8、反射镜9、光电转换器10、变压器11、整流滤波电路12和稳压电路13。所述控制系统1的输出端口与光源驱动电路3的输入端口连接，光源驱动电路3 的输出端口与光源5的输入电端口连接，光源5的输出光端口与光分路器件6的第二光端口6b连接，光分路器件6的第三光端口6c和光电探测器2的输入光端口连接；光电探测器2的输出电端口与控制系统1的输入端口连接，温控系统4用于测量和控制光源5的温度，并将温度信息反馈至控制系统1中；光分路器件6的第一光端口6a通过光纤7与耦合器8的第一光端口8a连接，耦合器8的第二光端口 8b与反射镜9的输入光端口连接，耦合器8的第三光端口8c与光电转换器10的输入光端口连接，光电转换器10的输出电端口与变压器 11的输入电端口连接，变压器11的输出电端口与整流滤波电路12 的输入电端口连接；整流滤波电路12的输出电端口与稳压电路13的输入电端口连接。

上述实施例的反馈型脉冲式微功率光供能装置中，温控系统4用于确保光源5的工作温度恒定。控制系统1产生一个占空比和强度可控的PWM信号。作为优选，控制系统1采用微处理器的PWM功能或者采用模拟电路，产生脉码调制信号。该信号经光源驱动电路3后，用于驱动光源5输出一个具有与PWM信号相同占空比且强度成正比的脉冲光信号。脉冲光信号从光分路器件6的第二光端口6b输入，从第一光端口6a输出。然后，脉冲光信号进入光纤7，并被送至位于高压区的耦合器8中。脉冲光信号在耦合器8中一分为二：一部分脉冲光信号经过耦合器8的第三光端口8c送至光电转换器10中；其余脉冲光信号经过耦合器8的第二光端口8b送至反射镜9中。光电转换器10将脉冲光信号转变为与其功率成正比的脉冲电流。该脉冲电流经过变压器11升压后，经整流滤波电路12后变为一个直流信号。该直流信号经过稳压电路13稳压后，作为一个恒压源对高压区的电子系统进行供电。被送入反射镜9中的脉冲光信号，经反射镜9反射后沿原路返回，经过光纤7后从光分路器件6的第一光端口6a输入，第三光端口6c输出。该脉冲光信号经光电探测器2转为与其成正比的脉冲电压信号，并最终被控制系统1接收。控制系统1根据该脉冲电压信号测算耦合器8的第三光端口8c实际输出的光功率值。当该光功率值发生漂移时，通过改变输出PWM信号的强度或占空比，确保耦合器8的第三光端口8c输出光功率的恒定。也就是说，控制系统1、光电探测器2、光源驱动电路3、光源5、光分路器件6、光纤 7、耦合器8和反射镜9组成闭环反馈装置，实现耦合器8的第三输出端口8c输出恒定的光功率信号。控制系统1根据光电探测器2发送的脉冲电压信号，测算耦合器8的第三光端口8c实际输出的光功率值。当该光功率值发生漂移时，控制系统1改变输出PWM信号的强度或占空比，以确保耦合器8的第三光端口8c输出光功率的恒定。

上述实施例的装置中，所述光分路器件6的第一光端口6a输出脉冲光信号的占空比与光源驱动电路3输出信号的占空比相同。激光器19是由电信号驱动的，所以光信号的波形与电信号的波形是相同的，所以说光信号与电信号的占空比相同。

所述光纤7为多模光纤、塑料光纤或者单模光纤。光纤7实现高压环境与低压环境的隔离。所述光分路器件6为光耦合器或者光环形器。所述光源5的输出光功率在毫瓦至瓦单位量级。光源5可以采用小功率激光器或者LED。本实施例主要解决的是高压区微功率系统的供电问题，由于其输出功率较低，所以一般采用小功率的激光器就可以满足要求，无需昂贵的大功率光源。但是由于高压区输出的电功率太小，传统的DC/DC技术难以实现升压，所以采用脉冲光的方式，通过变压器升压。本实施例中，光纤7是一种良好的绝缘体，可以有效隔绝高压区对低压区的影响。激光器19在低压区把光信号注入光纤7，光信号通过光纤7传输至高压区，并在高压区转为电信号，从而实现了对高压区器件的供电。

所述PWM驱动电路3采用微处理器的PWM功能实现或者采用模拟电路实现。所述稳压电路13输出一个恒定的电压信号，可以作为电压源使用。该稳压电路13可作为处于高压区的小功率器件的电压源使用，例如处于高压区的传感器件。光电转换器10用于将脉冲光功率信号转变为与其强度成正比的电流信号，电流信号的占空比与光信号相同。

上述装置包括脉冲光源模块、光纤、光电能量转换单元。脉冲光源模块包括控制系统、光电探测器、光源驱动电路、温控系统、光源、光分路器件、耦合器和反射镜，功能是用于产生固定占空比和强度的光脉冲。光电能量转换单元包括光探测器、变压器、整流滤波电路和稳压电路，功能是用于将光脉冲信号转换为一个恒压电源信号，用于高压端电路的供电。

下面结合具体结构，对上述实施例的装置做更加详细的说明。

如图2所示，为上述实施例装置中恒功率脉冲光信号单元的一种具体实现结构。该结构包括控制系统1采用ST公司stm32f103系列 ARM微处理器14，光源驱动电路3采用激光器驱动电路15，光源5 采用额定功率为500mW的980nm激光器19，温控系统4采用热敏电阻温度传感器17、半导体制冷片18、制冷片驱动电路16和stm32f103微处理器14，光分路器件6采用环形器20，采用1:99耦合器8，光纤7采用多模光纤7，以及反射镜9。

ARM处理器14的第一输出端口与制冷器驱动电路16的输入端口连接，制冷器驱动电路16的输出端口与半导体制冷片18的输入端口连接；ARM处理器14的第二输出端口与激光器驱动电路15的输入电端口连接，激光器驱动电路15的输出电端口与激光器19的输入电端口连接，激光器19的输出光端口与环形器的第二光端口20b连接，环形器的第三光端口20c与光电探测器2的输入端口连接，光电探测器2的电输出端口与ARM处理器14的第一输入端口连接，热敏电阻温度传感器17与ARM处理器14的第二输入端口连接；环形器的第一光端口20a通过光纤7与耦合器8的第一光端口8a连接，耦合器8的第二光端口8b与反射镜9的输入光端口连接。

如图4所示，为上述实施例装置中光电能量转换单元的一种具体实现结构。该结构主要包括：光电转换器10采用硅基光电二极管，变压器11采用匝数比为1:8的升压变压器，其中变压器11的两个原边输入端分别与光电二极管10的输出电端口和地相连，变压器11的两个副边输出端分别与二极管D2的P极和二极管D3的N极相连；整流滤波电路12采用四个BAV70二极管和滤波电容组成全波整流滤波电路，其中二极管D1的P极和N极分别与二极管D3的P极和二极管D2的P极相连，二极管D4的P极和N极分别与二极管D3的N 极和二极管D2的N极相连，电容C1两端分别与二级管D4的N极和地相连。二极管D1的P极与地相连。稳压电路13采用低功耗线性稳压电源，其输入端与二级管D4的N极相连，其输出端输出一个恒定的电压信号。

ARM处理器14产生可控的PWM波形信号。PWM波形信号如图 3所示。PWM波形信号经过激光器驱动电路15驱动激光器19。激光器19输出光波信号的占空比与ARM处理器14输出的PWM信号占空比相同，同时，光波信号的强度与PWM信号的强度成正比。激光器19输出的脉冲光信号从环形器20的第二光端口20b输入，从环形器20的第一光端口20a输出。该光信号穿过多模光纤7后，经1:99 耦合器8的第一光端口8a输入。光信号在耦合器8中一分为二：99％的光能量从耦合器8的第三光端口8c输出，并送至光电二极管10中。 1％的光能量从耦合器8的第二光端口8b输出，经过反射镜9反射后沿原路返回。返回的光信号从环形器20的第一端口20a输入，从环形器20的第三端口20c输出，并被光电探测器2接收。光电探测器 2将光能量信号转为电压信号，电压信号被ARM处理器14接收。ARM 处理器14根据光电探测器2输出的电压信号，动态调整输出PWM 波形信号的强度，保证耦合器8的第三端口输出光功率的恒定。

温度传感器17实时获得激光器19的工作温度，并将温度信息传递至ARM处理器14中，ARM处理器14根据温度数据输出模拟控制电压信号，该模拟控制电压信号经过制冷片驱动电路16后，控制半导体制冷片18的电流大小和方向。通过控制半导体制冷片18的电流，将激光器19的工作温度控制在恒定范围内。

光电二极管10将脉冲光信号转为与其成正比的电流信号，经过升压变压器11后，将电压升高。变压器11输出波形如图5所示，其占空比与图3相同。该波形信号经整流滤波电路12和线性稳压电源 13后，输出一个恒定的约为8V信号，如图6所示。线性稳压电源 13输出的恒定电压信号可以对高压区中的微功率器件供电。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节,在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：该装置包括控制系统(1)、光电探测器(2)、光源驱动电路(3)、温控系统(4)、光源(5)、光分路器件(6)、光纤(7)、耦合器(8)、反射镜(9)、光电转换器(10)、变压器(11)、整流滤波电路(12)和稳压电路(13)；

所述控制系统(1)的输出端口与光源驱动电路(3)的输入端口连接，光源驱动电路(3)的输出端口与光源(5)的输入电端口连接，光源(5)的输出光端口与光分路器件(6)的第二光端口(6b)连接，光分路器件(6)的第三光端口(6c)和光电探测器(2)的输入光端口连接；光电探测器(2)的输出电端口与控制系统(1)的输入端口连接，温控系统(4)用于测量和控制光源(5)的温度，并将温度信息反馈至控制系统(1)中；光分路器件(6)的第一光端口(6a)通过光纤(7)与耦合器(8)的第一光端口(8a)连接，耦合器(8)的第二光端口(8b)与反射镜(9)的输入光端口连接，耦合器(8)的第三光端口(8c)与光电转换器(10)的输入光端口连接，光电转换器(10)的输出电端口与变压器(11)的输入电端口连接，变压器(11)的输出电端口与整流滤波电路(12)的输入电端口连接；整流滤波电路(12)的输出电端口与稳压电路(13)的输入电端口连接。

2.按照权利要求1所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述光分路器件(6)的第一光端口(6a)输出脉冲光信号的占空比与PWM驱动电路(3)输出信号的占空比相同。

3.按照权利要求1所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述控制系统(1)、光电探测器(2)、光源驱动电路(3)、光源(5)、光分路器件(6)、光纤(7)、耦合器(8)和反射镜(9)组成闭环反馈装置，实现耦合器(8)的第三输出端口(8c)输出恒定的光功率信号。

4.按照权利要求1所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述光纤(7)实现高压环境与低压环境的隔离。

5.按照权利要求1所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述光纤(7)为多模光纤、塑料光纤或者单模光纤。

6.按照权利要求1所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述光分路器件(6)为光耦合器或者光环形器。

7.按照权利要求1所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述光源(5)的输出光功率为毫瓦至瓦单位量级。

8.按照权利要求1所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述控制系统(1)采用微处理器的PWM功能或者采用模拟电路，产生脉码调制信号。

9.按照权利要求1所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述的控制系统(1)采用ARM微处理器(14)，光源驱动电路(3)采用激光器驱动电路(15)，光源(5)采用激光器(19)，温控系统(4)采用热敏电阻温度传感器(17)、半导体制冷片(18)、制冷片驱动电路(16)和ARM微处理器(14)，光分路器件(6)采用环形器(20)，光纤(7)采用多模光纤；

ARM处理器(14)的第一输出端口与制冷器驱动电路(16)的输入端口连接，制冷器驱动电路(16)的输出端口与半导体制冷片(18)的输入端口连接；ARM处理器(14)的第二输出端口与激光器驱动电路(15)的输入光端口连接，激光器驱动电路(15)的输出光端口与激光器(19)的输入光端口连接，激光器(19)的输出光端口与环形器的第二光端口(20b)连接，环形器的第三光端口(20c)与光电探测器(2)的输入端口连接，光电探测器(2)的电输出端口与ARM处理器(14)的第一输入端口连接，热敏电阻温度传感器(17)与ARM处理器(14)的第二输入端口连接；环形器的第一光端口(20a)通过光纤(7)与耦合器(8)的第一光端口(8a)连接，耦合器(8)的第二光端口(8b)与反射镜(9)的输入光端口连接。

10.按照权利要求9所述的反馈型脉冲式微功率光供能装置，其特征在于：所述整流滤波电路(12)采用四个二极管和滤波电容组成全波整流滤波电路，其中，二极管D1的P极和N极分别与二极管D3的P极和二极管D2的P极相连，二极管D4的P极和N极分别与二极管D3的N极和二极管D2的N极相连，电容C1两端分别与二级管D4的N极和地相连；二极管D1的P极与地相连；所述变压器(11)的两个原边输入端分别与光电二极管10的输出电端口和地相连，变压器(11)的两个副边输出端分别与二极管D2的P极和二极管D3的N极相连；稳压电路(13)的输入端与二级管D4的N极相连，稳压电路(13)的输出端输出一个恒定电压信号。