本實(shí)用新型屬于激光供能領(lǐng)域，具體來說，涉及一種反饋型脈沖式微功率光供能裝置，尤其適用于高電壓微功耗系統(tǒng)的供能。

背景技術(shù)：

近年來，隨著國內(nèi)電力工業(yè)的高速發(fā)展，在電力系統(tǒng)中布置大量的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控電路設(shè)備的工作狀態(tài)，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性逐漸成為一種趨勢。然而在高壓電器中工作的傳感器及其控制系統(tǒng)的供電問題始終未得到很好的解決。傳統(tǒng)的激光供能技術(shù)是解決高壓區(qū)供電問題的一個(gè)較好的方案。該方案使用光纖作為高壓/低壓環(huán)境的隔離介質(zhì)，大功率激光器(通常大于1W)將光能量導(dǎo)入光纖，在高壓端通過光電池將光能量轉(zhuǎn)換為電能量。該方案可以提供上百毫瓦以上的功率，目前在電子式互感器中得到了廣泛的應(yīng)用。

但是，上述方案在實(shí)際使用中也存在一些不足，首先，電力系統(tǒng)中很多微功率模塊的功耗僅有微瓦至毫瓦量級，其次傳統(tǒng)光供能模塊所使用的大功率激光器價(jià)格昂貴，且壽命有限，從而提高了光供能系統(tǒng)的運(yùn)維成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。并且，在實(shí)際使用過程中，由于存在光纖老化或人為問題，光纖損耗增加，直接導(dǎo)致了高壓區(qū)光功率減弱，從而造成光供能模塊輸出功率的變化。所以，針對很多微功率模塊(功耗在微瓦至毫瓦量級)的供電需求，上述光供能方案無論在經(jīng)濟(jì)性還是可靠性方面，都存在不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種脈沖式微功率光供能裝置，可以為高壓區(qū)中的功耗在微瓦至一百毫瓦量級的器件供電，確保高壓區(qū)輸出功率的恒定，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型實(shí)施例采用一種反饋型脈沖式微功率光供能裝置，該裝置包括控制系統(tǒng)、光電探測器、光源驅(qū)動(dòng)電路、溫控系統(tǒng)、光源、光分路器件、光纖、耦合器、反射鏡、光電轉(zhuǎn)換器、變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路；所述控制系統(tǒng)的輸出端口與光源驅(qū)動(dòng)電路的輸入端口連接，光源驅(qū)動(dòng)電路的輸出端口與光源的輸入電端口連接，光源的輸出光端口與光分路器件的第二光端口連接，光分路器件的第三光端口和光電探測器的輸入光端口連接；光電探測器的輸出電端口與控制系統(tǒng)的輸入端口連接，溫控系統(tǒng)用于測量和控制光源的溫度，并將溫度信息反饋至控制系統(tǒng)中；光分路器件的第一光端口通過光纖與耦合器的第一光端口連接，耦合器的第二光端口與反射鏡的輸入光端口連接，耦合器的第三光端口與光電轉(zhuǎn)換器的輸入光端口連接，光電轉(zhuǎn)換器的輸出電端口與變壓器的輸入電端口連接，變壓器的輸出電端口與整流濾波電路的輸入電端口連接；整流濾波電路的輸出電端口與穩(wěn)壓電路的輸入電端口連接。

作為優(yōu)選例，所述光分路器件的第一光端口輸出脈沖光信號(hào)的占空比與PWM驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)的占空比相同。

作為優(yōu)選例，所述控制系統(tǒng)、光電探測器、光源驅(qū)動(dòng)電路、光源、光分路器件、光纖、耦合器和反射鏡組成閉環(huán)反饋裝置，實(shí)現(xiàn)耦合器的第三輸出端口輸出恒定的光功率信號(hào)。

作為優(yōu)選例，所述光纖實(shí)現(xiàn)高壓環(huán)境與低壓環(huán)境的隔離。

作為優(yōu)選例，所述光纖為多模光纖、塑料光纖或者單模光纖。

作為優(yōu)選例，所述光分路器件為光耦合器或者光環(huán)形器。

作為優(yōu)選例，所述光源的輸出光功率為毫瓦至瓦單位級別。

作為優(yōu)選例，所述控制系統(tǒng)采用微處理器的PWM功能或者采用模擬電路，產(chǎn)生脈碼調(diào)制信號(hào)。

作為優(yōu)選例，所述的控制系統(tǒng)采用ARM微處理器，光源驅(qū)動(dòng)電路采用激光器驅(qū)動(dòng)電路，光源采用激光器，溫控系統(tǒng)采用熱敏電阻溫度傳感器、半導(dǎo)體制冷片、制冷片驅(qū)動(dòng)電路和ARM微處理器，光分路器件采用環(huán)形器，光纖采用多模光纖；ARM處理器的第一輸出端口與制冷器驅(qū)動(dòng)電路的輸入端口連接，制冷器驅(qū)動(dòng)電路的輸出端口與半導(dǎo)體制冷片的輸入端口連接；ARM處理器的第二輸出端口與激光器驅(qū)動(dòng)電路的輸入光端口連接，激光器驅(qū)動(dòng)電路的輸出光端口與激光器的輸入光端口連接，激光器的輸出光端口與環(huán)形器的第二光端口連接，環(huán)形器的第三光端口與光電探測器的輸入端口連接，光電探測器的電輸出端口與ARM處理器的第一輸入端口連接，熱敏電阻溫度傳感器與ARM處理器的第二輸入端口連接；環(huán)形器的第一光端口通過光纖與耦合器的第一光端口連接，耦合器的第二光端口與反射鏡的輸入光端口連接。

作為優(yōu)選例，所述整流濾波電路采用四個(gè)二極管和濾波電容組成全波整流濾波電路，其中，二極管D1的P極和N極分別與二極管D3 的P極和二極管D2的P極相連，二極管D4的P極和N極分別與二極管D3的N極和二極管D2的N極相連，電容C1兩端分別與二級管 D4的N極和地相連；二極管D1的P極與地相連；所述變壓器的兩個(gè)原邊輸入端分別與光電二極管10的輸出電端口和地相連，變壓器的兩個(gè)副邊輸出端分別與二極管D2的P極和二極管D3的N極相連；穩(wěn)壓電路的輸入端與二級管D4的N極相連，穩(wěn)壓電路的輸出端輸出一個(gè)恒定電壓信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型實(shí)施例具有以下有益效果：采用光纖實(shí)現(xiàn)高壓和低壓區(qū)的隔離，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)高壓區(qū)中功耗在微瓦至毫瓦量級的器件或其它應(yīng)用的供電。同時(shí)，采用了光電閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高壓端輸出脈沖光信號(hào)功率的恒定，消除光路損耗變化對輸出功率的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。由于該光供能裝置輸出功率較低，可以采用長壽命、低成本的小功率光源，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中恒功率脈沖光信號(hào)單元的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中ARM處理器PWM輸出信號(hào)的波形圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例中光電能量轉(zhuǎn)換單元的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖4中變壓器輸出信號(hào)的波形圖；

圖6是圖4中穩(wěn)壓電路輸出直流電壓的波形圖。

其中包括：控制系統(tǒng)1、光電探測器2、光源驅(qū)動(dòng)電路3、溫控系統(tǒng)4、光源5、光分路器件6、光纖7、耦合器7、反射鏡9、光電轉(zhuǎn)換器10、變壓器11、整流濾波電路12、穩(wěn)壓電路13、ARM處理器14、激光器驅(qū)動(dòng)電路15、制冷片驅(qū)動(dòng)電路16、溫度傳感器17、半導(dǎo)體制冷片18、激光器19、環(huán)形器20。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合說明書附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的一種反饋型脈沖式微功率光供能裝置，包括控制系統(tǒng)1、光電探測器2、光源驅(qū)動(dòng)電路3、溫控系統(tǒng)4、光源5、光分路器件6、光纖7、耦合器8、反射鏡9、光電轉(zhuǎn)換器10、變壓器11、整流濾波電路12和穩(wěn)壓電路13。所述控制系統(tǒng)1的輸出端口與光源驅(qū)動(dòng)電路3的輸入端口連接，光源驅(qū)動(dòng)電路3 的輸出端口與光源5的輸入電端口連接，光源5的輸出光端口與光分路器件6的第二光端口6b連接，光分路器件6的第三光端口6c和光電探測器2的輸入光端口連接；光電探測器2的輸出電端口與控制系統(tǒng)1的輸入端口連接，溫控系統(tǒng)4用于測量和控制光源5的溫度，并將溫度信息反饋至控制系統(tǒng)1中；光分路器件6的第一光端口6a通過光纖7與耦合器8的第一光端口8a連接，耦合器8的第二光端口 8b與反射鏡9的輸入光端口連接，耦合器8的第三光端口8c與光電轉(zhuǎn)換器10的輸入光端口連接，光電轉(zhuǎn)換器10的輸出電端口與變壓器 11的輸入電端口連接，變壓器11的輸出電端口與整流濾波電路12 的輸入電端口連接；整流濾波電路12的輸出電端口與穩(wěn)壓電路13的輸入電端口連接。

上述實(shí)施例的反饋型脈沖式微功率光供能裝置中，溫控系統(tǒng)4用于確保光源5的工作溫度恒定?？刂葡到y(tǒng)1產(chǎn)生一個(gè)占空比和強(qiáng)度可控的PWM信號(hào)。作為優(yōu)選，控制系統(tǒng)1采用微處理器的PWM功能或者采用模擬電路，產(chǎn)生脈碼調(diào)制信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)光源驅(qū)動(dòng)電路3后，用于驅(qū)動(dòng)光源5輸出一個(gè)具有與PWM信號(hào)相同占空比且強(qiáng)度成正比的脈沖光信號(hào)。脈沖光信號(hào)從光分路器件6的第二光端口6b輸入，從第一光端口6a輸出。然后，脈沖光信號(hào)進(jìn)入光纖7，并被送至位于高壓區(qū)的耦合器8中。脈沖光信號(hào)在耦合器8中一分為二：一部分脈沖光信號(hào)經(jīng)過耦合器8的第三光端口8c送至光電轉(zhuǎn)換器10中；其余脈沖光信號(hào)經(jīng)過耦合器8的第二光端口8b送至反射鏡9中。光電轉(zhuǎn)換器10將脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c其功率成正比的脈沖電流。該脈沖電流經(jīng)過變壓器11升壓后，經(jīng)整流濾波電路12后變?yōu)橐粋€(gè)直流信號(hào)。該直流信號(hào)經(jīng)過穩(wěn)壓電路13穩(wěn)壓后，作為一個(gè)恒壓源對高壓區(qū)的電子系統(tǒng)進(jìn)行供電。被送入反射鏡9中的脈沖光信號(hào)，經(jīng)反射鏡9反射后沿原路返回，經(jīng)過光纖7后從光分路器件6的第一光端口6a輸入，第三光端口6c輸出。該脈沖光信號(hào)經(jīng)光電探測器2轉(zhuǎn)為與其成正比的脈沖電壓信號(hào)，并最終被控制系統(tǒng)1接收?？刂葡到y(tǒng)1根據(jù)該脈沖電壓信號(hào)測算耦合器8的第三光端口8c實(shí)際輸出的光功率值。當(dāng)該光功率值發(fā)生漂移時(shí)，通過改變輸出PWM信號(hào)的強(qiáng)度或占空比，確保耦合器8的第三光端口8c輸出光功率的恒定。也就是說，控制系統(tǒng)1、光電探測器2、光源驅(qū)動(dòng)電路3、光源5、光分路器件6、光纖 7、耦合器8和反射鏡9組成閉環(huán)反饋裝置，實(shí)現(xiàn)耦合器8的第三輸出端口8c輸出恒定的光功率信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)1根據(jù)光電探測器2發(fā)送的脈沖電壓信號(hào)，測算耦合器8的第三光端口8c實(shí)際輸出的光功率值。當(dāng)該光功率值發(fā)生漂移時(shí)，控制系統(tǒng)1改變輸出PWM信號(hào)的強(qiáng)度或占空比，以確保耦合器8的第三光端口8c輸出光功率的恒定。

上述實(shí)施例的裝置中，所述光分路器件6的第一光端口6a輸出脈沖光信號(hào)的占空比與光源驅(qū)動(dòng)電路3輸出信號(hào)的占空比相同。激光器19是由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，所以光信號(hào)的波形與電信號(hào)的波形是相同的，所以說光信號(hào)與電信號(hào)的占空比相同。

所述光纖7為多模光纖、塑料光纖或者單模光纖。光纖7實(shí)現(xiàn)高壓環(huán)境與低壓環(huán)境的隔離。所述光分路器件6為光耦合器或者光環(huán)形器。所述光源5的輸出光功率在毫瓦至瓦單位量級。光源5可以采用小功率激光器或者LED。本實(shí)施例主要解決的是高壓區(qū)微功率系統(tǒng)的供電問題，由于其輸出功率較低，所以一般采用小功率的激光器就可以滿足要求，無需昂貴的大功率光源。但是由于高壓區(qū)輸出的電功率太小，傳統(tǒng)的DC/DC技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)升壓，所以采用脈沖光的方式，通過變壓器升壓。本實(shí)施例中，光纖7是一種良好的絕緣體，可以有效隔絕高壓區(qū)對低壓區(qū)的影響。激光器19在低壓區(qū)把光信號(hào)注入光纖7，光信號(hào)通過光纖7傳輸至高壓區(qū)，并在高壓區(qū)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對高壓區(qū)器件的供電。

所述PWM驅(qū)動(dòng)電路3采用微處理器的PWM功能實(shí)現(xiàn)或者采用模擬電路實(shí)現(xiàn)。所述穩(wěn)壓電路13輸出一個(gè)恒定的電壓信號(hào)，可以作為電壓源使用。該穩(wěn)壓電路13可作為處于高壓區(qū)的小功率器件的電壓源使用，例如處于高壓區(qū)的傳感器件。光電轉(zhuǎn)換器10用于將脈沖光功率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c其強(qiáng)度成正比的電流信號(hào)，電流信號(hào)的占空比與光信號(hào)相同。

上述裝置包括脈沖光源模塊、光纖、光電能量轉(zhuǎn)換單元。脈沖光源模塊包括控制系統(tǒng)、光電探測器、光源驅(qū)動(dòng)電路、溫控系統(tǒng)、光源、光分路器件、耦合器和反射鏡，功能是用于產(chǎn)生固定占空比和強(qiáng)度的光脈沖。光電能量轉(zhuǎn)換單元包括光探測器、變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路，功能是用于將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)恒壓電源信號(hào)，用于高壓端電路的供電。

下面結(jié)合具體結(jié)構(gòu)，對上述實(shí)施例的裝置做更加詳細(xì)的說明。

如圖2所示，為上述實(shí)施例裝置中恒功率脈沖光信號(hào)單元的一種具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括控制系統(tǒng)1采用ST公司stm32f103系列 ARM微處理器14，光源驅(qū)動(dòng)電路3采用激光器驅(qū)動(dòng)電路15，光源5 采用額定功率為500mW的980nm激光器19，溫控系統(tǒng)4采用熱敏電阻溫度傳感器17、半導(dǎo)體制冷片18、制冷片驅(qū)動(dòng)電路16和stm32f103微處理器14，光分路器件6采用環(huán)形器20，采用1:99耦合器8，光纖7采用多模光纖7，以及反射鏡9。

ARM處理器14的第一輸出端口與制冷器驅(qū)動(dòng)電路16的輸入端口連接，制冷器驅(qū)動(dòng)電路16的輸出端口與半導(dǎo)體制冷片18的輸入端口連接；ARM處理器14的第二輸出端口與激光器驅(qū)動(dòng)電路15的輸入電端口連接，激光器驅(qū)動(dòng)電路15的輸出電端口與激光器19的輸入電端口連接，激光器19的輸出光端口與環(huán)形器的第二光端口20b連接，環(huán)形器的第三光端口20c與光電探測器2的輸入端口連接，光電探測器2的電輸出端口與ARM處理器14的第一輸入端口連接，熱敏電阻溫度傳感器17與ARM處理器14的第二輸入端口連接；環(huán)形器的第一光端口20a通過光纖7與耦合器8的第一光端口8a連接，耦合器8的第二光端口8b與反射鏡9的輸入光端口連接。

如圖4所示，為上述實(shí)施例裝置中光電能量轉(zhuǎn)換單元的一種具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要包括：光電轉(zhuǎn)換器10采用硅基光電二極管，變壓器11采用匝數(shù)比為1:8的升壓變壓器，其中變壓器11的兩個(gè)原邊輸入端分別與光電二極管10的輸出電端口和地相連，變壓器11的兩個(gè)副邊輸出端分別與二極管D2的P極和二極管D3的N極相連；整流濾波電路12采用四個(gè)BAV70二極管和濾波電容組成全波整流濾波電路，其中二極管D1的P極和N極分別與二極管D3的P極和二極管D2的P極相連，二極管D4的P極和N極分別與二極管D3的N 極和二極管D2的N極相連，電容C1兩端分別與二級管D4的N極和地相連。二極管D1的P極與地相連。穩(wěn)壓電路13采用低功耗線性穩(wěn)壓電源，其輸入端與二級管D4的N極相連，其輸出端輸出一個(gè)恒定的電壓信號(hào)。

ARM處理器14產(chǎn)生可控的PWM波形信號(hào)。PWM波形信號(hào)如圖 3所示。PWM波形信號(hào)經(jīng)過激光器驅(qū)動(dòng)電路15驅(qū)動(dòng)激光器19。激光器19輸出光波信號(hào)的占空比與ARM處理器14輸出的PWM信號(hào)占空比相同，同時(shí)，光波信號(hào)的強(qiáng)度與PWM信號(hào)的強(qiáng)度成正比。激光器19輸出的脈沖光信號(hào)從環(huán)形器20的第二光端口20b輸入，從環(huán)形器20的第一光端口20a輸出。該光信號(hào)穿過多模光纖7后，經(jīng)1:99 耦合器8的第一光端口8a輸入。光信號(hào)在耦合器8中一分為二：99％的光能量從耦合器8的第三光端口8c輸出，并送至光電二極管10中。 1％的光能量從耦合器8的第二光端口8b輸出，經(jīng)過反射鏡9反射后沿原路返回。返回的光信號(hào)從環(huán)形器20的第一端口20a輸入，從環(huán)形器20的第三端口20c輸出，并被光電探測器2接收。光電探測器 2將光能量信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)被ARM處理器14接收。ARM 處理器14根據(jù)光電探測器2輸出的電壓信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出PWM 波形信號(hào)的強(qiáng)度，保證耦合器8的第三端口輸出光功率的恒定。

溫度傳感器17實(shí)時(shí)獲得激光器19的工作溫度，并將溫度信息傳遞至ARM處理器14中，ARM處理器14根據(jù)溫度數(shù)據(jù)輸出模擬控制電壓信號(hào)，該模擬控制電壓信號(hào)經(jīng)過制冷片驅(qū)動(dòng)電路16后，控制半導(dǎo)體制冷片18的電流大小和方向。通過控制半導(dǎo)體制冷片18的電流，將激光器19的工作溫度控制在恒定范圍內(nèi)。

光電二極管10將脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)為與其成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過升壓變壓器11后，將電壓升高。變壓器11輸出波形如圖5所示，其占空比與圖3相同。該波形信號(hào)經(jīng)整流濾波電路12和線性穩(wěn)壓電源 13后，輸出一個(gè)恒定的約為8V信號(hào)，如圖6所示。線性穩(wěn)壓電源 13輸出的恒定電壓信號(hào)可以對高壓區(qū)中的微功率器件供電。

以上詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié),在本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換,這些等同變換均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。