Оптоелектронний датчик спостереження

Реферат: Оптоелектронний датчик спостереження, містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів. Активний елемент містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), яка розміщена на теплопровідній основі та знаходиться у фокусі параболічного дзеркала, активний елемент з параболічним дзеркалом і підсилювач розміщені в одному корпусі, верхня сторона якого прозора для випромінювання джерела світла, та знаходяться поза блоком обробки електричних сигналів і з'єднані з ним, величина сигналу на вході підсилювача залежить від положення світлового зонда між компланарними контактами активного елемента. UA 80952 U (12) UA 80952 U UA 80952 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до сонячних енергетичних установок з фотоелектричним датчиком автоматичного спостереження за джерелом світла та призначене для автоматичної орієнтації площини модуля за її максимальною освітленістю і може бути використаний у приладо- та машинобудуванні, а також в авіаційній та космічній промисловості. Однією з умов ефективного використання світлового випромінювання є необхідність постійної корекції положення модуля, наприклад сонячних елементів так, щоб протягом світлої доби вони перебували під прямим сонячним промінням. Для таких цілей використовують різні фотоелектричні датчики спостереження за джерелом світла, що містять фотоприймачі, датчики зміщення або обертання та інші. Відома сонячна фотоелектрична установка [1], що містить сонячну батарею із лінзами Френеля і приймаючими фотоелектричними перетворювачами, які розміщені на механічній системі та систему орієнтації сонячної батареї на Сонце. Система орієнтації батареї містить основний і додатковий датчики положення Сонця. Основний датчик містить затемнюючий екран із отворами та вісім фотоелементів каскадного типу, чотири з яких розміщені справа, зліва, зверху і знизу по зовнішньому контуру екрана та утворюють канали грубої орієнтації на Сонце, а інших чотири фотоелементи розміщені таким же чином, але з внутрішньої сторони екрану та утворюють канали точної орієнтації. Додатковий датчик містить три фотоелементи каскадного типу, два з яких направлені наліво і направо по відношенню до основного датчика, а третій в протилежну сторону. Полярність третього датчика змінюється при проходження напрямку Південь-Північ. Технічним результатом даного винаходу є спрощення механічної системи, технологія її монтажу та спостереження за положенням Сонця тільки при наявності прямого сонячного випромінювання. Недоліком такої системи орієнтації сонячної батареї на Сонце є складність конструкції, яка містить одинадцять фотоелементів, що понижує надійність системи та недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленостях фотоелементів і дифузної складової сонячного випромінювання. Відомий фотоелектричний модуль [2], що містить бокові і фронтальну панель виконану з силікатного скла із лінзами Френеля на її тильній стороні, а також тильну панель з силікатного скла із сонячними фотоелементами на її фронтальній стороні на теплопровідній основі. Між цими панелями розміщена додаткова проміжна панель з силікатного скла на фронтальній стороні якої встановлені плоско-випуклі лінзи, співвісно з відповідними лінзами Френеля, а фотоприймачі знаходяться у фокусній плямі двох концентраторів - лінз Френеля і плосковипуклих лінз. Технічним результатом даного винаходу є розробка такої оптичної системи, яка б забезпечувала збільшення енергоефективності фотоелектричного модуля. Недоліком такого фотоелектричного модуля є складність конструкції, яка містить велику кількість оптичних елементів (лінзи Френеля та плоско-випуклі лінзи), понижує надійність системи з часом, внаслідок впливу на оптичні елементи навколишнього середовища та недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленостях фотоелементів, внаслідок сильної розмитості плями від концентраторів. Відомий поворотний пристрій для сонячного енергомодуля [3], датчик освітленості якого вибраний як прототип, який містить у собі два фотодіоди, закріплених на несучій пластині, установленої на рухливій рамі паралельно площини сонячної батареї, і відбивач, що являє собою пластину з білою матовою поверхнею, установлену паралельно осі обертання батареї й перпендикулярно її площині таким чином, щоб не попадати в тінь батареї при будь-якому положенні Сонця. При першому вимірі після включення живлення або у випадку, коли знак різниці цих значень змінився в порівнянні з минулим виміром, пристрій обробки сигналу підключає напругу з виходу сонячної батареї до електродвигуна з метою повороту сонячної батареї убік більше освітленого фотодіода доти, поки не зміниться знак різниці значень освітленості фотодіодів. Технічним результатом даного винаходу є спрощення конструкції системи спостереження та зменшення витрат електроенергії, споживаної поворотним пристроєм. Недоліком такого датчика освітленості є недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленостях фотоелементів і дифузної складової сонячного випромінювання. Відомо [4], що наявність неоднорідностей різних типів та пов'язаного з ними потенціального рельєфу суттєво впливає на властивості нерівноважних напівпровідників, створюючи значні флуктуації електростатичного потенціалу, що приводить до фотовольтаїчних ефектів. Задачею корисної моделі є розробка такого оптоелектронного датчика спостереження, який має просту конструкцію, забезпечує збільшення його ефективності для різних типів поворотних 1 UA 80952 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 модулів, задану чутливість реагування на зміну положення джерела випромінювання при малих освітленостях активного елемента. Поставлена задача вирішується тим, що оптоелектронний датчик спостереження містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, активний елемент, містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), яка розміщена на теплопровідній основі та знаходиться у фокусі параболічного дзеркала, активний елемент з параболічним дзеркалом і підсилювач розміщені в одному корпусі, верхня сторона якого прозора для випромінювання джерела світла та знаходяться поза блоком обробки електричних сигналів і з'єднані з ним, величина сигналу на вході підсилювача залежить від положення світлового зонда між компланарними контактами активного елемента. Активний елемент містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку з моносульфіду германію (GeS), легованого сурмою (Sb) в кількості 0,5-1,0 ат. %, з нанесеними компланарними омічними контактами, при освітленні якої світловим зондом виникає фотоерс. Фотоерс досягає максимального значення при розміщенні світлового зонду біля одного з контактів і зменшується по мірі переміщення світлового зонду в бік другого контакту, приймаючи нульове значення посередині між ними, після чого змінивши полярність на протилежну знову зростає і досягає максимального значення біля другого контакту. При цьому змінюється і полярність напруги на контактах активного елемента. Так як зміна положення джерела випромінювання приводить до одночасної зміни положення світлового зонду на поверхні монокристалічної пластинки по відношенню до контактів, то це приводить до зміни величини фотоерс на контактах активного елемента та сигналу на вході підсилювача. Розміщення плоскопаралельної монокристалічної пластинки на теплопровідній основі корпуса активного елемента дозволяє значно розширити температурний діапазон використання оптоелектронного датчика. Активний елемент з параболічним дзеркалом і підсилювач, що розміщені в одному корпусі, верхня сторона якого прозора для випромінювання джерела світла та знаходяться поза блоком обробки електричних сигналів забезпечують ефективність та надійність роботи оптоелектронного датчика спостереження в різних умовах навколишнього середовища. Використання параболічного дзеркала дозволяє отримати необхідну інтенсивність світла у світловому зонді навіть при малих освітленостях джерела випромінювання або його дифузної складової. Розмірами та формою параболічного дзеркала можна регулювати інтенсивність та розміри плями світлового зонду, який падає на активний елемент, що дозволяє забезпечити необхідну чутливість оптоелектронного датчика при роботі в різних умовах навколишнього середовища. На фіг. 1 наведена залежність величини сигналу на вході підсилювача від положення світлового зонда між контактами активного елемента. На фіг. 2 наведена конструкція активного елемента. Активний 1 елемент складається з корпусу 2, на основі якого розміщена плоскопаралельна 3 пластинка, що виготовлена з монокристалічного моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb). Електричні 5 контакти нанесені на плоскопаралельну 3 пластинку в одній площині і з'єднані із струмовиводами 6. На верхній стороні корпусу 2 розміщене прозоре для світлового випромінювання вікно 4. На фіг. 3 наведена функціональна схема оптоелектронного модуля спостереження за рухомим джерелом світла. Активний 1 елемент знаходиться у фокусі параболічного 7 дзеркала і через підсилювач 9 підключений до блоку 10 обробки електричних сигналів у який входять з'єднані між собою аналогово-цифровий 11 перетворювач та мікропроцесор 12. Активний 1 елемент з параболічним 7 дзеркалом і підсилювач 9 розміщені в одному корпусі 8, верхня сторона якого прозора для випромінювання джерела світла та знаходяться поза блоком 10 обробки електричних сигналів і з'єднані з ним. Оптоелектронний датчик спостереження працює наступним чином. В положенні, коли світло від джерела випромінювання падає на параболічне 7 дзеркало таким чином, що світловий зонд пройшовши крізь прозоре для світлового випромінювання вікно 4 попадає на середину активного 1 елемента, спад напруги на вході підсилювача 9 рівний нулю. При переміщенні джерела випромінювання одночасно з ним в тій же площині переміщується і світловий зонд, наближаючись до одного з контактів 5. Така зміна положення світлового зонда приводить до появи спаду напруг певної полярності на вході підсилювача 9. В результаті зміни напруги відповідної полярності на виході підсилювача 9, блок обробки 10 електричних сигналів формує відповідні сигнали керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідну 2 UA 80952 U 5 10 15 20 25 30 35 40 сторону. При цьому світловий зонд переміщується в початкове положення, а спад напруги на вході підсилювача 9 стає рівний нулю. При переміщенні джерела випромінювання в протилежну сторону одночасно з ним в тій же площині переміщується і світловий зонд, наближаючись до другого контакта 5 активного елемента. Така зміна положення світлового зонда приводить до появи спаду напруг протилежної полярності на вході підсилювача 9. В результаті зміни напруги протилежної полярності на виході підсилювача 9, блок обробки 10 електричних сигналів формує відповідні сигнали керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідну сторону. При цьому світловий зонд переміщується в початкове положення, а спад напруги на вході підсилювача 9 стає рівний нулю. При першому включенні фотоелектричного датчика або у випадку коли виникла напруга на вході підсилювача 9 мікропроцесор 12 подає електричний сигнал для вимірювання величини та полярності напруги на вході підсилювача 9, який з'єднаний з аналогово-цифровим 11 перетворювачем. Величина та полярність напруги на виході підсилювача 9 передається на аналогово-цифровий 11 перетворювач, який генерує для мікропроцесора 12 відповідний цифровий код. У залежності від отриманого цифрового коду мікропроцесор 12 подає відповідний електричний сигнал керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідну сторону. Коли спад напруги на вході підсилювача 9 стане рівний нулю мікропроцесор 12 переходить в режим таймера. Робота мікропроцесора 12 з різною періодичністю або тривалістю часу задається апаратно або програмно в залежності від вибраного поворотного модуля та умов його використання. Плоскопаралельна монокристалічна 3 пластинка моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) вирощена із газової фази методом статичної сублімації в герметично запаяних попередньо відкачаних кварцових ампулах. Габітус кристалів - плоскопаралельні пластинки з природними атомно-гладкими поверхнями розміром до 15×8×0,1 мм. На поверхню (001) одержаної монокристалічної пластинки наносилися компланарні індієві контакти. Лінійність Вольт-Амперних характеристик при освітленості контактів пластинки та в темноті підтверджує омічність контактів. Ширина світлового зонда не перевищувала 1,0 мм. Запропонований оптоелектронний датчик спостереження має просту конструкцію, забезпечує його ефективність для різних типів поворотних модулів, достатню чутливість реагування на зміну положення рухомого джерела світла при малих освітленостях активного елемента або наявної дифузної складової світлового випромінювання. Джерела інформації:. 1. Патент RU № 2286517. Солнечная фотоэлектрическая установка, МПК F24J2/42 (2006.01). Опуб. 27.10.2005. 2. Патент RU № 2307294 Фотоэлектрический модуль (варианты), МПК F24J2/08 (2006.01) H01L31/052 (2006.01). Опуб. 27.09.2007. 3. Патент RU № 2381426. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля, МПК F24J2/54 (2006.01). Опуб. 10.02.2010. 4. Блецкан Д.И. Кристаллические и стеклообразные халькогениды Si, Ge, Sn и сплавы на их основе. - Ужгород. ВАТ "Видавництво "Закарпаття»».-2004. - Т. І.-292 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Оптоелектронний датчик спостереження, що містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, який відрізняється тим, що активний елемент містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), яка розміщена на теплопровідній основі та знаходиться у фокусі параболічного дзеркала, активний елемент з параболічним дзеркалом і підсилювач розміщені в одному корпусі, верхня сторона якого прозора для випромінювання джерела світла, та знаходяться поза блоком обробки електричних сигналів і з'єднані з ним, величина сигналу на вході підсилювача залежить від положення світлового зонда між компланарними контактами активного елемента. 3 UA 80952 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4