ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОГО ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2011 года по МПК H02N6/00 H01L31/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящая заявка относится к области создания оптического устройства электропитания и, более конкретно, к области создания оптического устройства электропитания для электронных элементов.

Уровень техники

Оптическое устройство электропитания использует свет для приведения в действие удаленных изолированных схем без необходимости металлических проводов для обеспечения электрической энергии. Известно использование специального фотогальванического преобразователя энергии, состоящего из нескольких фотодиодов, соединенных последовательно, для обеспечения оптического питания электрической схемы под влиянием света, падающего на фотодиоды. Например, компания JDSU, г. Милпитас, шт. Калифорния, США, выпускает фотогальванический преобразователь энергии, который может снабжать энергией электронные схемы. Можно использовать комплект фотодиодов, поскольку один кремниевый фотодиод не может генерировать достаточное напряжение (равное приблизительно 0,7 В) для питания схемы. Специальный преобразователь может быть дорогостоящим элементом и имеет мало поставщиков.

Одним примером применения оптического устройства электропитания является обеспечение питания для датчика в топливном баке. Предпочтительно снижать вероятность взрыва топливного бака посредством устранения использования металлических проводов в топливном баке, обеспечивая также питание для датчиков для контроля условий в топливном баке, таких как давление. В других случаях целесообразно уменьшать вес посредством устранения металлических проводов. Однако, как отмечено выше, использование оптического устройства электропитания может привести к повышению стоимости вследствие необходимости размещения специального преобразователя с множеством фотодиодов для обеспечения достаточного напряжения для датчика или другой электрической схемы в топливном баке.

Следовательно, требуется создать систему, которая обладает преимуществом оптического устройства электропитания, а также является эффективной по стоимости.

Раскрытие изобретения

В соответствии с системой, описанной в данном документе, оптическая система электропитания включает в себя один фотогальванический элемент, который обеспечивает первое напряжение под влиянием падения света на данный фотогальванический элемент. Усилитель напряжения соединен с фотогальваническим элементом и принимает первое напряжение из фотогальванического элемента и генерирует второе напряжение, которое выше, чем первое напряжение. Фотогальваническим элементом может быть светоизлучающий диод, который может включать в себя волоконно-оптическое соединение. Усилителем напряжения может быть повышающий преобразователь постоянного тока типа генератора подкачки заряда и/или повышающий преобразователь постоянного тока типа индуктора. Повышающий преобразователь постоянного тока типа индуктора может работать в течение некоторого периода времени после отключения первого напряжения. Первое напряжение может быть ниже 3 В, а второе напряжение выше 3 В. Усилитель напряжения может включать в себя цифровое выходное устройство, которое показывает состояние света, падающего на фотогальванический элемент.

Дополнительно, в соответствии с системой, описанной в данном документе, система датчика включает в себя один фотогальванический элемент, который обеспечивает первое напряжение под влиянием падения света на данный фотогальванический элемент. С фотогальваническим элементом соединен усилитель напряжения, который принимает первое напряжение из фотогальванического элемента и обеспечивает второе напряжение, которое выше, чем первое напряжение. С усилителем напряжения может быть соединена электрическая схема, которая принимает второе напряжение, причем второе напряжение является достаточным для питания данной электрической схемы. Фотогальваническим элементом может быть светоизлучающий диод. Электрической схемой может быть датчик, такой как датчик давления топливного бака. Электрическая схема может включать в себя устройство связи, и устройство связи может распознавать модулированный световой сигнал связи. Фотогальванический элемент, усилитель напряжения и электрическая схема могут вместе размещаться в корпусе. Свет может подаваться в фотоэлектрический элемент через волоконно-оптическое соединение. Усилителем напряжения может быть повышающий преобразователь постоянного тока типа генератора подкачки заряда и/или повышающий преобразователь постоянного тока типа индуктора. Повышающий преобразователь постоянного тока типа индуктора может работать в течение некоторого периода времени после отключения первого напряжения. Первое напряжение может быть меньше 3 В, а второе напряжение больше 3 В, при этом для питания электрической схемы требуется напряжение, приблизительно равное 3 В.

Кроме того, в соответствии с системой, описанной в данном документе, способ оптического энергоснабжения электрической схемы включает в себя размещение одного фотогальванического элемента для приема падающего света, причем данный фотогальванический элемент обеспечивает первое напряжение под влиянием падающего света. С фотогальваническим элементом может быть соединен усилитель напряжения, причем усилитель напряжения принимает первое напряжение и обеспечивает второе напряжение, которое выше, чем первое напряжение. Электрическая схема может быть соединена с усилителем напряжения, причем данная электрическая схема питается вторым напряжением. Фотогальваническим элементом может быть светоизлучающий диод. Электрической схемой может быть датчик топливного бака. Падающий свет можно модулировать для осуществления связи с электрической схемой.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления системы описаны со ссылкой на чертежи, в которых:

Фиг.1 изображает принципиальную схему, иллюстрирующую оптическую систему электропитания в соответствии с вариантом осуществления системы, описанным в данном документе.

Фиг.2 изображает принципиальную схему, иллюстрирующую оптическую систему электропитания в соответствии с другим вариантом осуществления системы, описанным в данном документе.

Фиг.3 изображает схематическую иллюстрацию, показывающую систему датчика, которая может включать в себя оптическую систему электропитания и датчик и/или другую электрическую схему, в соответствии с вариантом осуществления системы, описанным в данном документе.

Осуществление изобретения

Чертежи составляют часть данного описания и иллюстрируют примерные варианты осуществления описанного устройства. Необходимо понимать, что в некоторых примерах различные аспекты данной системы могут быть проиллюстрированы схематично или могут быть сильно увеличены или видоизменены для облегчения понимания данной системы.

В одном варианте осуществления системы, описанном в данном документе, вместо специального преобразователя напряжения в оптической системе электропитания могут быть использованы светоизлучающий диод (LED) и усилитель напряжения постоянного тока. LED и усилитель напряжения постоянного тока могут быть готовыми элементами, которые являются широко доступными. LED обычно может использоваться для излучения света, но может также использоваться для генерирования электрической энергии, когда он подвергается воздействию светового излучения, подобно фотодиоду, но он способен генерировать более высокое напряжение (например, немного выше 1 В). Известны электрические схемы для использования преимущества фотогальванического напряжения LED под влиянием падения света, такие как светочувствительные датчики, и которые могут использоваться в сочетании с системой, описанной в данном документе. Напряжение из LED, хотя обычно еще недостаточное для питания большинства электрических схем, является достаточно высоким для приведения в действие устройства для повышения напряжения постоянного тока, например, которое широко применяется для повышения напряжения одноэлементных аккумуляторных батарей.

Фиг.1 изображает схему, иллюстрирующую оптическую систему 100 электропитания в соответствии с одним вариантом осуществления системы, описанным в данном документе. LED 110 показан соединенным с усилителем 120 напряжения постоянного тока. LED 110 подает напряжение на клемму V_IN усилителя 120 напряжения под влиянием светового излучения, падающего на LED. Например, LED может подавать на клемму V_IN напряжение немного выше 1 В. В одном варианте осуществления LED может быть из серии HFBR-14xx производства компании Agilent Technologies, г. Санта-Клара, шт. Калифорния, США, такой как элемент HFBR-1414, который включает в себя волоконно-оптическое соединение. Усилитель 120 напряжения принимает из LED 110 входное напряжение на клемме V_IN и обеспечивает повышенное напряжение на клемме V_OUT. Например, усилитель 120 напряжения может обеспечивать выходное напряжение, равное 3,3 В, которое может быть достаточным для питания электрической схемы. Например, выходное напряжение из усилителя 120 напряжения может быть достаточным для питания датчика, такого как датчик давления в топливном баке. Вместо датчика давления могут использоваться другие типы датчиков, такие как емкостной датчик, датчик температуры, ультразвуковой датчик и датчик сопротивления, которые могут измерять уровень, объем, плотность, расход, степень загрязнения и другие характеристики топлива.

В одном варианте осуществления усилителем 120 напряжения может быть повышающий преобразователь постоянного тока типа регулируемого генератора подкачки заряда производства компании Linear Technology, г. Милпитас, шт. Калифорния, США, такой как элемент LTC1502-3,3. Для надлежащей работы усилителя 120 напряжения могут потребоваться внешние емкости, такие как пять внешних емкостей 122а-е, которые соединяются с клеммами V_IN, V_OUT, C1⁺, C1^-, C3⁺ C3^- и C2, как проиллюстрировано на фиг.1. В различных вариантах осуществления емкости могут находиться в диапазоне от 1 мкФ до 10 мкФ.

Фиг.2 изображает принципиальную схему, иллюстрирующую оптическую систему 200 электропитания в соответствии с другим вариантом осуществления системы, описанным в данном документе. LED 210 показан соединенным с усилителем 220 напряжения постоянного тока. LED 210 подает напряжение на клемму V_IN усилителя 220 напряжения под влиянием светового излучения, падающего на LED, и может быть подобным LED 110, уже описанному в данном документе. Например, LED может подавать на клемму V_IN напряжение немного выше 1 В. Усилителем 220 напряжения может быть усилитель напряжения типа индуктора, который может быть более эффективным по сравнению с усилителем напряжения постоянного тока типа генератора подкачки заряда, который проиллюстрирован в связи с фиг.1. Усилитель 220 напряжения принимает на клемме V_IN входное напряжение, которое может быть достаточным для питания электрической схемы, такой как датчик. В одном варианте осуществления усилителем 220 напряжения является маломощный синхронный повышающий преобразователь постоянного тока производства компании Linear Technologies, г. Милпитас, шт. Калифорния, США, такой как элемент LTC3525L-3, который обеспечивает на выходе напряжение, равное 3 В. Для обеспечения должной работы усилитель 220 напряжения может включать в себя внешние элементы, включающие в себя две емкости 222а, 222b и индуктивность 222с, как проиллюстрировано на фиг.2. Индуктивность 222с показана подсоединенной через клемму V_IN и входную клемму переключателя (SW). Усилитель 220 напряжения может включать в себя клемму управления выключением (SHDN), которая может быть использована для включения и выключения усилителя 220 напряжения.

В одном варианте осуществления усилитель 220 напряжения включает в себя пусковой элемент с задержкой, который позволяет накапливать входную энергию перед включением усилителя напряжения. Задержка при пуске может происходить, поскольку усилитель напряжения типа индуктора может требовать относительно большого пускового тока. Кроме того, световое излучение может отключаться на короткие периоды времени без прерывания мощности на выходе усилителя 220 напряжения. Модуляция светового излучения может использоваться для связи с датчиком или другой снабжаемой энергией электрической схемой, как дополнительно описано в данном документе. Усилитель 220 напряжения может также включать в себя цифровое выходное устройство, которое показывает состояние светового излучения.

Фиг.3 изображает схематическую иллюстрацию, показывающую систему 300 датчика, которая может включать в себя оптическую систему 305 электропитания и датчик 330 и/или другую электрическую схему в соответствии с вариантом осуществления системы, описанным в данном документе. Оптическая система 305 электропитания может включать в себя LED 310 и усилитель 320 напряжения, которые могут работать подобно элементам 110, 210, 120, 220, описанным в данном документе. Оптическая система 305 электропитания может быть соединена с датчиком 330, и оптическая система 305 электропитания и датчик могут быть расположены в корпусе 302. Корпус 302 системы 300 датчика может предусматривать оптический канал 304, который обеспечивает прием светового излучения в LED 310. В одном варианте осуществления оптическим каналом 304 в LED 310 может быть волоконно-оптическая линия связи. Соединение для волоконно-оптической линии связи может быть объединено с LED 310. Модуляция светового излучения может использоваться для связи с датчиком 330. Следовательно, датчик 330 может включать в себя устройство связи, которое распознает модулированный световой сигнал. Другие устройства связи могут также использоваться в сочетании с устройством, описанным в данном документе, включая, например, беспроводную связь, в которой датчик 330 принимает беспроводным способом переданный сигнал и/или беспроводным способом передает сигнал, содержащий данные датчика.

Вместе с устройством, описанным с данном документе, могут использоваться другие элементы, в том числе другие типы LED и/или фотогальванические элементы, отличающиеся от LED, которые генерируют достаточное напряжение для приведения в действие преобразователя постоянного тока и/или другого типа элемента повышения напряжения. Например, могут быть использованы фотодиоды на арсениде галлия.

Другие варианты осуществления настоящего изобретения будут понятны специалистам в данной области техники из рассмотрения описания или практического осуществления настоящего изобретения, раскрытого в данном документе. Необходимо понимать, что данное описание и примеры рассмотрены только в качестве примера, при этом действительный объем и сущность настоящего изобретения определяются приведенной ниже формулой изобретения.

Изобретение может быть использовано для приведения в действие удаленных изолированных схем без необходимости металлических проводов для обеспечения электрической энергии. Оптическая система электропитания, содержащая одиночный фотогальванический элемент, который выдает первое напряжение при падении на него света; причем одиночным фотогальваническим элементом является одиночный диод; усилитель напряжения, соединенный с фотогальваническим элементом, который принимает первое напряжение от фотогальванического элемента и генерирует второе напряжение, которое выше, чем первое напряжение, причем усилитель напряжения питается только первым напряжением от фотогальванического элемента, при этом первое напряжение больше 1 В. Также предложены система датчика, содержащая одиночный фотогальванический элемент, и способ оптического электропитания электрической схемы. Изобретение обеспечивает возможность создать систему электропитания, которая обладает преимуществом оптического устройства электропитания, а также является эффективной по стоимости. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптическая система электропитания, содержащая:
одиночный фотогальванический элемент, который выдает первое напряжение при падении на него света; причем одиночным фотогальваническим элементом является одиночный диод;
усилитель напряжения, соединенный с фотогальваническим элементом, который принимает первое напряжение от фотогальванического элемента и генерирует второе напряжение, которое выше, чем первое напряжение, причем усилитель напряжения питается только первым напряжением от одиночного фотогальванического элемента, при этом первое напряжение больше 1 вольта.

2. Оптическая система электропитания по п.1, в которой фотогальваническим элементом является светоизлучающий диод.

3. Оптическая система электропитания по п.2, в которой светоизлучающий диод включает в себя волоконно-оптическое соединение.

4. Оптическая система электропитания по п.1, в которой усилителем напряжения является повышающий преобразователь постоянного тока типа генератора подкачки заряда.

5. Оптическая система электропитания по п.1, в которой усилителем напряжения является повышающий преобразователь постоянного тока типа индуктора.

6. Оптическая система электропитания по п.5, в которой повышающий преобразователь постоянного тока типа индуктора работает в течение некоторого времени после отключения первого напряжения.

7. Оптическая система электропитания по п.1, в которой первое напряжение меньше 3 вольт, а второе напряжение больше 3 вольт.

8. Оптическая система электропитания по п.1, в которой усилитель напряжения включает в себя цифровое устройство вывода, которое показывает состояние света, падающего на фотогальванический элемент.

9. Система датчика, содержащая:
одиночный фотогальванический элемент, который выдает первое напряжение при падении на него света, причем одиночным фотогальваническим элементом является одиночный диод;
усилитель напряжения, соединенный с фотогальваническим элементом, который принимает первое напряжение от фотогальванического элемента и обеспечивает второе напряжение, которое выше, чем первое напряжение, причем усилитель напряжения питается только первым напряжением от одиночного фотогальванического элемента, при этом первое напряжение больше 1 вольта; и
электрическую схему, соединенную с усилителем напряжения, которая принимает второе напряжение, причем второе напряжение является достаточным для питания электрической схемы.

10. Система датчика по п.9, в которой фотогальваническим элементом является светоизлучающий диод.

11. Система датчика по п.9, в которой электрической схемой является датчик.

12. Система датчика по п.11, в которой датчиком является датчик давления топливного бака.

13. Система датчика по п.9, в которой электрическая схема включает в себя систему для распознавания сигнала связи, передаваемого к упомянутой схеме.

14. Система датчика по п.13, в которой сигналом о связи является модулированный световой сигнал связи.

15. Система датчика по п.9, дополнительно содержащая:
корпус, причем фотогальванический элемент, усилитель напряжения и электрическая схема размещаются в данном корпусе.

16. Система датчика по п.9, в которой свет подается в фотогальванический элемент через волоконно-оптическое соединение.

17. Система датчика по п.9, в которой усилителем напряжения является повышающий преобразователь постоянного тока типа генератора подкачки заряда.

18. Система датчика по п.9, в которой усилителем напряжения является повышающий преобразователь постоянного тока типа индуктора.

19. Система датчика по п.18, в которой повышающий преобразователь постоянного тока типа индуктора работает в течение некоторого периода времени после отключения первого напряжения.

20. Система датчика по п.9, в которой первое напряжение меньше 3 Вольт, а второе напряжение больше 3 вольт, и при этом для питания электрической схемы требуется напряжение, по меньшей мере, приблизительно равное 3 вольтам.

21. Система датчика по п.9, в которой усилитель напряжения включает в себя цифровое устройство вывода, которое показывает состояние света, падающего на фотогальванический элемент.

22. Способ оптического электропитания электрической схемы, содержащий этапы, на которых:
размещают одиночный фотогальванический элемент для приема падающего света, причем данный фотогальванический элемент выдает первое напряжение при воздействии на него падающего света, при этом одиночным фотогальваническим элементом является одиночный диод;
соединяют усилитель напряжения с фотогальваническим элементом, причем усилитель напряжения принимает первое напряжение и выдает второе напряжение, которое выше, чем первое напряжение, при этом усилитель напряжения питается только первым напряжением от одиночного фотогальванического элемента, при этом первое напряжение больше 1 вольта; и
соединяют электрическую схему с усилителем напряжения, причем электрическая схема питается вторым напряжением.

23. Способ по п.22, в котором фотогальваническим элементом является светоизлучающий диод.

24. Способ по п.22, в котором электрической схемой является датчик топливного бака.

25. Способ по п.22, дополнительно содержащий этап, на котором:
модулируют падающий свет для передачи сигнала связи, который распознается электрической схемой.