ANALIZA PRETVORNIKOV LASERSKE MOČI IN NAPAJANJA ELEKTRONSKIH NAPRAV Z LASERSKIMI VIRIKIMOVEC, ROK (Avtor) Topič, Marko (Mentor) pretvornik laserske močiLPCuhajalni tokmonolitska povezavamonolitsko povezan modulMIMvečsegmentna fotovoltaikasvetlobno inducirana prevodnostsvetlobno induciran shuntdelno izolativni substratoptične in električne izgubetokovno neujemanjeNapajanje elektronskih naprav v ekstremnih in industrijskih okoljih pogosto zahteva uporabo visoko zanesljivih električnih napajalnikov, imunih na raznovrstne okolijske in elektromagnete motenje. Zahtevane specifikacije takšnih napajalnikov je mogoče doseči z uporabo sistemov, ki za izvor energije uporabljajo svetlobo laserskih virov. Energija v obliki monokromatske svetlobe je na oddaljeno mesto vodena skozi električno neprevodni medij, s čimer je dosežena inherentna neobčutljivost takšnih napajalnih sistemov na vse vrste elektromagnetih motenj. Lasersko svetlobo vodimo bodisi brezkontaktno po zraku ali priporočljivejše po električno neprevodnem optičnem vlaknu. V slednjem govorimo o sistemih za prenos »moči po optičnem vlaknu« (ang. Power–over–Fiber systems, PoF). Monokromatsko svetlobo je za napajanje elektronskih naprav potrebno pretvoriti v enosmerno električno energijo, kar storimo s fotonapetostnimi pretvorniki optimiziranimi za pretvorbo monokromatske svetlobe laserskih virov – »pretvorniki laserske moči« (ang. Laser Power Converter, LPC). PoF sistem je zaključen s priključitvijo podpornega elektronskega vezja na izhod pretvornika laserske moči, ki poskrbi za prilagoditev napetostnega nivoja za zanesljivo napajanje elektronskih naprav. PoF sistemi napajanja elektronskih naprav so našli svoje mesto v ekstremnih in industrijskih okoljih zaradi lastnosti kot so: • imunost na elektromagnetne motnje (enosmerna in izmenična električna in magnetna polja, razelektritve ozračja, radiofrekvenčne motnje, …), • velika prebojna trdnost med izvorom energije in napajano napravo, • majhna teža vodnikov energije (optična vlakna), • pri poškodbi vodnikov energije ne prihaja do iskrenja, … Zaradi omenjenih lastnosti so bili PoF sistemi razviti in uporabljeni za napajanje: • senzorjev za merjenje parametrov visokonapetostnih daljnovodov, • elektronskih merilnikov pod vodno gladino, • elektronskih podsklopov naprav za magnetno resonanco, • brezpilotnih letal, • elektronskih implantatov v človeškem telesu, • kontrolnih podsistemov v satelitih, • nadzornih video kamer, • merilnikov obratovalnih parametrov vetrnih turbin, … Kljub uspešni implementaciji PoF sistemov v nekaterih nišnih aplikacijah, je prenos energije z lasersko svetlobo še vedno razmeroma neznana tehnološka rešitev. Razlogov za to je veliko, verjetno pa je eden glavnih nizek izkoristek takšnega prenosa energije, ki se v praksi na sistemski ravni giblje nekje med 10 % in 30 %. Največ vložene energije se izgubi pri pretvorbi elektrike v svetlobo, pri čemer sodobne laserske diode dosegajo izkoristke med 40 % in 70 % ter nadalje pri pretvorbi laserske svetlobe nazaj v elektriko, pri čemer najboljši pretvorniki laserske moči dosegajo učinkovitost pretvorbe med 40 % in 60 %. V večini praktičnih aplikacij izgube pri prvotni pretvorbi energije iz elektrike v svetlobo s sistemskega vidika niso problematične, saj je laser postavljen na mestu, kjer je zagotovljena oskrba s potrebno električno energijo. Večje omejitve predstavljajo približno polovične izgube energije pri pretvorbi laserske svetlobe v električno energijo, preostanek energije pa je še dodatno zmanjšan za 10 % do 20 % zaradi izgub na podporni elektroniki. Tako v praksi izgube na sprejemni strani omejujejo največjo električno moč, ki jo lahko napajani napravi zanesljivo zagotovi en pretvornik laserske moči, na približno 1 W. Takšna omejitev največje dovedene moči ne predstavlja večjih problemov za napajanje nizkoenergijskih senzorjev, vendar omejuje doseg splošne uporabnosti PoF sistemov. V želji po razširitvi uporabnosti PoF sistemov se pričajoča doktorska naloga osredotoča na odkrivanje glavnih izgubnih mehanizmov v pretvornikih laserske moči in podporne elektronike. Rezultati sistematične analize in kvantitativnega ovrednotenja izgub so pripeljali do konceptualnih predlogov za izboljšanje sedanjih pretvornikov laserske moči.20182018-11-05 08:22:02Doktorsko delo/naloga105167VisID: 44742sl