X9.23 Передача энергии по лучу света (DRAFT)
==X_461
Световой поток переносит энергию. Иногда этот факт иллюстрируют с помощью радиометра Крукса ( рис. X9.92 ). Он представляет собой крыльчатку, лопатки которой зачёрнены с одной стороны и отполированы с другой. Освещённая крыльчатка начинает вращаться 63 . Таким путём передачи энергии можно воспользоваться и на практике, избавившись заодно от проводов и обеспечив полную гальваническую изоляцию схемы.
Рис. X9.92 Радиометр Крукса, изобретённый в 1873 году, запустил продолжавшуюся несколько десятилетий дискуссию о его «обратном» вращении. Эту штуку очень трудно фотографировать: света должно быть мало ( тогда крыльчатка неподвижна ), приходится дожидаться, пока она, наконец, перестанет качаться, выбрать правильное положение, и... Хуже всего то, что полированные стороны норовят показать уши фотографа. Пришлось потратить несколько бесплодных часов, прежде чем удалось сделать её портрет
В наиболее распространённой форме диод-излучатель освещает последовательно включённые фотогенераторные элементы, которые и обеспечивают питание для затвора в драйвере верхнего плеча. Такие микросхемы встречались в §3.5.6.B . Там PVI5033 ( двухканальный фотогенераторный преобразователь ) использовался для управления затвором МОП ключа ( рис. 3.107A ). Такие компоненты могут создавать достаточный для управления потенциал \(V_{GS}\) , но они очень слабые и медленные. PVI5033 даёт 5...10V , ток короткого замыкания составляет всего несколько микроампер, а постоянная времени исчисляется миллисекундами. Такой мощности ни на что не хватит, ни запитать ничего, ни входную ёмкость быстро перезарядить. 5μA с выхода PVI5033 будут переключать классический IRF520N ( общий заряд затвора \(Q_G\)=25 nC ) в течение 5 ms . Напомним, что мощные драйверы затвора, подобные серии TC4420, выдают пиковый ток, измеряемый амперами .
Тем не менее, методы получения и передачи большой оптической мощности существуют. Это можно делать с помощью мощных светодиодов или, лучше, с помощью полупроводникового лазера. Последний отлично сочетается с оптическим волокном - стандартной средой передачи света к принимающему фотоэлементу. Например, типовое стеклянное волокно 62.5/125 μm имеет потери не более 0.7 dB/km и минимальную дисперсию при длине волны λ=1300 nm ( инфракрасный свет ), а наиболее распространённый свет λ=800...850 nm ( «краснее красного» ) ослабляется на 3 dB/km . Энергия-через-волокно ( POF ) имеет массу достоинств. Среда передачи непроводящая, поэтому нечувствительна к наводкам, например грозовым разрядам, и магнитным полям. Такой способ передачи не порождает искр и имеет идеальную гальваническую изоляцию, а значит, полное подавление синфазного сигнала. Компоненты имеют малый вес и могут передавать широкополосный сигнал по той же линии. Недостатки: цена, КПД и реальная опасность выжигания глаз при не должном обращении с лазерами.
Можно приобрести уже готовые к использованию системы оптического питания ( рис. X9.93 ). Например, Lumentum L4-2486-005 может передать до 2W и состоит из лазерного диода с длиной волны 830 nm под волокно 62.5/125 μm , работающего в паре с «конвертором оптической мощности» Broadcom AFBR-POC406L. На приёмном конце можно получить 6V@120 mA 64 . На рис. X9.94 показана вольтамперная характеристика такого набора ( AFBR-POC404L не ней выдаёт сравнимую мощность 650 mW при 3V ).
Рис. X9.93 2-ваттный лазер для передачи энергии фирмы JDSU/Lumentum, подсоединённый к фотогенераторному модулю, способен доставить 500 mW 3- или 5-вольтовому потребителю
Рис. X9.94 Вольтамперная характеристика 6-вольтового фотогенераторного модуля Broadcom AFBR-POCx06L по справочным данным
==X_462
Такой уровень мощности уже достаточен для использования в небольших аналоговых и цифровых системах. Но, если этого недостаточно, можно посетить сайт фирмы Powerlight Technologies из которого вы узнаете, «технология PowerLight Power Over Fiber использует свет высокой интенсивности для передачи по оптическому каналу мощности, исчисляемой киловаттами».
Возвратимся к лабораторным уровням мощности. Tektronix использует энергию-по-волокну ( и обратный канал сигнал-по-волокну ) в их примечательной линейке осциллографических пробников IsoVu™ ( рис. X9.95 ). По одному волокну передаётся энергия к удалённой схеме, ещё два задействованы для цифровых каналов управления и диагностики, наконец, аналоговая пара передаёт в щуп оптическую несущую, с помощью которой возвращается широкополосный сигнал до 1 GHz ( рис. X9.96 ). В итоге получается полностью гальванически изолированная система с исключительным уровнем подавления синфазного сигнала ( 160 dB на низких частотах и 110 dB на 800 MHz ). Такой щуп нужен, если требуется рассмотреть высокочастотный сигнал на затворе летающего МОП ключа. Полная изоляция означает, что щуп можно подключать к высоковольтной системе и работать, не опасаясь смертельных потенциалов 65 .
Рис. X9.95 Осциллографический щуп IsoVu фирмы Tektronix. Полностью изолирован, сигнал и питание подаются по оптическому волокну ( публикуется с разрешения фирмы Tektronix )
Рис. X9.96 Пять волокон передают цифровые и аналоговые сигналы, питая вдобавок изолированный щуп. Самое интересное таится в широкополосном высокоимпедансном малошумящем линейном оптическом модуляторе ( электрооптическом интерферометре Mach-Zehnder ), который умудряется обойтись без прожорливого входного усилителя
Авторы решили собрать и попробовать в работе систему оптического питания. Сначала пришлось отправиться на eBay, где был приобретён 66 2-ваттный лазер JDSU 2486-L3 с длиной волны 830 nm и около метра оптического волокна 62.5/125 μ/m с разъёмами ST на концах 67 . Там же был куплен квадратный 40-миллиметровый монокристаллический 68 фотогенераторный модуль ( 2V , активная площадь 25×35 mm , $17.60 за десяток - дешёвка! ). Выбор определялся ценой: она была в сотни раз ниже, чем предложения Broadcom. Выглядело приобретение непрезентабельно и громоздко. Приёмник был помещён на одном конце трубки ∅2.5"×6" , а на другом закреплён разъём ST оптического кабеля. Но результат получился обнадёживающий - 150 mA при 2V 69 .
==X_463
Рис. X9.97 Светодиодные матрицы, выполненные по технологии «Кристалл-на-плате» ( COB ). Выпускаются многих цветов и в том числе белые ( жёлтый люминофор поверх синего светодиода ), недороги ( ∼$15 за 100 W ) и используются для освещения. Зелёная «фотонная матрица» - излучатель в левом нижнем углу - используется вместе с аналогичным согласованным синим и красным модулем в цифровых проекторах вместо галогенных ламп. Он выдаёт 2000 люмен с площади 0.12 cm2 . Включённые модули на фото работают при сильно сниженном токе: на полной мощности смотреть на них просто больно
Такой результат подвиг на исследование передачи мощности с помощью светодиодов вместо лазера, что более подходит для задач, не требующих компактности и гибкости стеклянного волокна. В лабораторном барахле обнаружился целый выводок мощных светодиодных матриц в исполнении ( COB ). Некоторые из таких источников света показаны на рис. X9.97 . Светодиодные матрицы могут иметь самые разные цвета свечения и выдают очень много света. Среди красных ( 625 nm ) нашёлся экземпляр с постоянной электрической мощностью 100 W и примерно 25-процентной эффективностью по оптическому выходу. Прежний 4-элементный фотогенераторный модуль 25×35 mm , размещённый на расстоянии 25 mm , дал 2.6 V на открытых концах и 400 mA при коротком замыкании ( на излучатель подавалось 4A ). Аналогичные цифры для 10-элементного фотогенераторного модуля ( квадрат со стороной 65 mm ) дал 6.2 V и 200 mA . На рис. X9.98 приводятся результаты измерения V-I в зависимости от тока нагрузки при нескольких токах излучателя, а на рис. X9.99 показана система в работе.
Рис. X9.98 Результаты измерения зависимости выходного напряжения двух монокристальных фотогенераторных модулей ( «солнечных батарей» ) от тока нагрузки, снятые при нескольких значениях тока излучателя. Для разнообразия оси поменяны местами ( сравните с рис. X9.94 )
==X_464
Рис. X9.99 Игрушечное фотоактивное устройство. Матрица красных светодиодом работает на кремниевый фотогенераторный модуль. От последнего запитан электромотор, вращающий 3-лопастную крыльчатку
==X_464
63 Довольно неожиданно то, что она вращается назад . Вы, возможно, думаете, что свет, отражённый от полированной поверхности, сообщает вращающий момент в два раза больший, чем поглощённый тёмной стороной. Из таких рассуждений следует, что полированная сторона должна идти назад, однако в действительности вращение идёт в обратную сторону. Объяснение этого факта гораздо сложнее того, что можно найти в некоторых учебниках, которые хотя бы пытаются разобрать имеющийся парадокс. Остальные не делают даже этого. <-
64 Торговая марка JDS Uniphase принадлежит сейчас Lumentum, которая выпускает фотогенераторные преобразователи. Об их продукции рассказывается в технической заметке Lumentum Technical Note 30175827-900-0314. <-
65 Как обычно, на солнце есть пятна. Данное изделие не претендует на сегмент дешёвого оборудования: цены начинаются с +41dB$. <-
66 Starlight Photonics Inc., или “Junktronix”. <-
67 JDSU сейчас принадлежит фирме Lumentum, которая продаёт этот лазер под обозначением L4-2486-xxx. Совместимыми фотогенераторными модулями они не торгуют. <-
68 Интересно, что фотогенераторы из аморфного кремния не могут работать с инфракрасным светом: их рабочая полоса обрывается на 800 nm . <-
69 Фотогенераторные модули, подходящие для передачи мощности под 800-нанометровый лазер делаются из GaAs, а не из кремния, т.к. лучшее согласование ширины запрещённой зоны позволяет повысить КПД преобразования до 40...50% . <-