SE453949B - Anordning for overforing och fordelning av ljusstralning - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 55 Ä0 \4Eá3 9¿19;: 2 É __\ Olikformighet i strålning resulterar även i vissa svårigheter vid användning av optiska styrkopplingar för strålningsstyrning med avkänning av en del av strålningsenergin. Dessa svårigheter beror på komplicerade metoder för avkänning av en del av energin hos den totala strålningen över hela ríktningsdiagrammet för varje källa och av hela den användbara ytan på källans lyskropp. Endast när en del av den totala strålningen avkännes, kan styrkopplingen till- förlitligt indíkera ändringar i parametrar hos strålningskällan eller källorna och motsvarande ändring i ljusstrålníng vid utgång- arna på anordningen.

Genom t.ex. amerikanska patentskriften 3 355 600 är en tändanord- ning känd för styrda likriktarelement, som omfattar ett antal ljus- känsliga styrda likriktarelement, som ingår i styrkretsar för resp. effektlikriktare. gemensam för samtliga likriktarelement och alstrar och avger ljus- _Anordningen omfattar även en ljuskälla, som är energi, som samtidigt tillföres samtliga likriktarelement i form av Ljusstrål- ning överföres från ljuskällan till de ljuskänsliga likríktarele- ljussignaler för att säkerställa tändning av elementen. menten via ljusledare, varvid varje likriktarelement har sin egen ljusledare.

Till följd av olikformig strålning från ljuskällan uppkommer stor För att sä- kerställa tändning av likriktarelement med minimal energi vid någon spridning av ljusenergi, som tillföres varje element. av ljusledarna, användes en gasurladdningsljuskälla med stor energi, t.ex. en blixtljuslampa. Dylika källor förbrukar normaltnavševärd elektrisk energi och är tämligen otillförlitliga. Någon styrning av strålningen från källan förekommer ej vid denna anordning, så att möjlighet saknas att minska strålningsenergin under drift och felaktigheter hos källan är möjliga, som är mycket kritiska, när dylika anordningar användes vid omvandlare för hög effekt, där hög tillförlitlighet hos tändanordningen är önskvärd. Dessutom kan den- na anordning ej säkerställa fullständigt utnyttjande av källans strålning av de styrda likriktarelementen.

Detta problem har delvis blivit löst vid en modulenligt uppbyggd optisk styranordning för styrning av tynistorenheter (jfr ryska uppfinnarcertifikatet nr SMO 337). Anordningen omfattar strålnings- källor och mottagare med tillhörande hjälputrustning, ett linssystem 10 15 20 25 30 55 HO 453 949 's := 3 och en fördelande ljusfiberledare av_kollektortyp för hög spänning med ändytor på sina parter, som är kopplade till strålningsmotta- garna. Strålningen från källorna fokuseras med ett optiskt system på en ingångsöppning på en ljuskoncentrerande anordning såsom en kon, som är kopplad till en ljusledare av kollektortyp, som är in- stallerad i en tyristorenhet för högspänning, och fördelas medelst parter i ljusledare bland fotoceller i varje modul av enheten. Även om hela strålningen från källorna tillföres anordningen och koncentreras vid ingången på ljusledaren, visar sig likformigheten i fördelningen av ljusstrålningen bland utgångsparterna av ljusle- daren till följd av olikformigheter i källornas strålning vara otill- räcklig för tillförlitlig drift av anordningen. Härigenom reduceras möjligheten att helt utnyttja strålningskällorna. Anordningen är även utsatt för inverkan av dammbeläggning på frilagda element i den optiska banan. Ej heller elimineras inverkan av exponering av främmande ursprung. Under installation av anordningen bör optisk inställning av dess element utföras med avseende både på jordpoten- Under drift kan inställ- ningen av det optiska systemet störas till följd av vibrationer el- tial och potentialen för tyristorenheten. ler andra mekaniska fenomen. Anordningen är konstruktionsmässigt knappast lämpad för med tyristorer utrustade högspänningslikriktare, som är inbyggda i ettnslutet hölje, som är fyllt med ett vätske- eller gasformigt isolermaterial, till följd av svårigheten att in- föra.strålning i det slutna höljet via ett linssystem och komplice- rad justering av anordningen liksom till följd av möjligheten av absorption av en del av ljusstrålningen av isolermaterialet inom området för linssystemet.

Mest likartat anordningen enligt uppfinningen är en anordning, som är känd genom t.ex. amerikanska patentskriften 5 5H1 341 och som omfattar minst en strâlningskälla med en utgång, som är optiskt kopplad till en ingång på en fördelande ljusledare via en fiber- matris. Utgångarna på ljusledarna på mottagningssidan är via om- vandlare för omvandling av ljusstrålning till elektriska signaler kopplade till ingångar på manöverelement. Fibermatriserna fram- ställda på sådant sätt, att ljusstrålning från varje källa överförs Följden härav är möjligheten till överskott av strålningskällor och mottagare. An- till varje utgång på den fördelande ljusledaren. ordningen möjliggör även styrning av strålningskällorna. 10 15 20 25 30 35 I 453 349 Här kan framhållas, att det är mycket komplicerat att framställa fibermatrisen, isynnerhet vid en anordning med ett stort antal strâlningskällor och mottagare, och att likformigheten i fördel- ningen av ljusstrålningen från varje källa bland mottagarna i an- ordningen är tämligen låg till följd av den olikformiga strålnin- gen från källorna. Detta resulterar i olikformig belysning av änd- ytorna på ingångsparterna i matrisen, så att tillförlitligheten med hänsyn till styrning och möjligheten att utnyttja strålningskällor- na reduceras. Styrningen av strålningen vid denna anordning är ba- serad på avkänning av en del av strålningen vid kanten på ríktnings- diagrammet, vilket ej kan säkerställa tillförlitlig styrning under drift vid försämring av den emitterande anordningen, isynnerhet när flera sådana anordningar användes.

Uppfinningen är baserad på uppgiften att utveckla en anordning för överföring och fördelning av ljusstràlning, vid vilken likformig be- lysning av ändytan på ingångssidan på den fördelande ljusledaren sä- kerställer likformig fördelning av strålning från en eller flera käl- lor över belysta ytor eller bland fotoceller, som ingår i mottagarna.

Denna uppgift löses genom att en anordning för överföring och för- delning av ljusstrålning med minst en ljuskälla, som med en utgång är optiskt kopplad till ingången på en fördelande ljusledare via en optisk blandare, vilken anordning kännetecknas av att blandaren är utförd såsom ett prisma med parametrar, som möjliggör flerfaldig ref- lexion av ljusstrålning från varje källa från sidofytor på prismat, som med en ändyta är optiskt kopplat till utgången på varje ljuskäl- la och med den andra ändytan till ingången på ljusledaren.

Anordningen enligt uppfinningen är enkelt uppbyggd och möjliggör, att i praktiken hög likformighet uppnås i fördelningen av strålning från en eller flera källor bland utgångar på den fördelande ljus- ledaren, så att källorna utnyttjas effektivare. Det blir härigenom även möjligt att använda likartat uppbyggda omvandlare vid utgån- garna på anordningen, varvid en förenklad elektrisk koppling bildar i huvudsak lika elektriska signaler, så att hög tillförlitlighet hos det optiska styrsystemet säkerställas. Anordningen säkerstäl- ler även likartad ljustäthet och belysning av delar av paneler för synlig återgivning och paneler, som ingår i system för synlig åter- 10 15 20 25 30 35 HO 453 9-49 ' j! givning och belysning.

Uppfinningen beskrives närmare nedan med ledning av åtföljande rit- ning, där fig. 1 schematiskt visar en anordning enligt uppfinningen för belysning av skalor på instrument, fig. 2 schematiskt en anord- ning enligt uppfinningen för optisk styrning av en högspänningslik- ríktare med tyristorer, och fig. 3 en utföringsform av en anord- ning enligt uppfinningen.

Enligt den i fig. 1 visade utföringsformen omfattar anordningen för överföring och fördelning av ljusstrålning minst en ljuskälla, i föreliggande fall källorna 1, 2, och en optisk blandare i form av ett prisma 3, vars ena ändyta är optiskt kopplad till utgângarna på källorna 1, 2. liggör flerfaldig reflexion av ljusstrålning från källorna 1, 2 Prismat 5 är framställt med parametrar, som möj- från prismats sidoytor. Den andra ändytan på prismat 3 är kopplad till ingången på en fördelande ljusledare U. Såsom optisk blan- dare är det särskilt lämpligt att använda ett prisma med rektangu~ lärt tvärsnitt, som är framställt av ett optiskt glas. Prismats sidoyta kan vara försedd med eller sakna ljusisolerande beläggning.

I det senare fallet bör ytan ha minimal area för optisk kontakt med ett ej visat skyddshölje, medan prismamaterialet bör ha större brytningsindex änddet omgivande mediet.

- Vid denna utföringsform är prismat 3 framställt av ett optískt glas Förhållandet mellan prismats 3 kantlängd och längden av bassidan är 20:1. När med ett brytningsindex n51,52 och med polerade ytor. prismats 3 ändyta på ingångssidan bestrålas med en konisk ljusstrå- le med en fläckdiameter på ändytan av 2 mm och toppvinkel av H00 oberoende av fläckens läge på ändytan på ingångssidan, erhålles en bestrålning med en olikformighet av maximalt 5 % vid prismats änd- yta på utgångssidan. Till följd av denna egenskap blir det möjligt att använda ett dylikt prisma för tillförsel av ljussträlning från flera källor och likformig fördelning av strålningen över den belys- ta ytan, isynnerhet för belysning av skalor på instrument 5. Ljus- källorna 1,2 kan vara försedda med glödlampor, gasurladdníngslampor, lysdioder, lasrar osv.

Dylika ljuskällor kan kopplas optiskt till prísmats 5 ändyta på olika sätt. I föreliggande fall användes ett konventionellt optiskt lins- 10 15 20 25 30 35 HO 453 949 6 JR system med bikonvexa linser 6. Ljusflödet från källorna 1, 2 foku- seras medelst linserna 6 via ett elektriskt isolerande luftgap di- Optisk koppling av pris- mat 3 till ingången på ljusledaren U sker genom direkt kontakt mel- Ldusledaren H och prismat 3 kan vara utförda såsom ett rekt på prismats 3 ändyta på ingångssidan. lan desamma. enda element i det optiska systemet. Kopplingen av desamma kan ske på varje sätt för att säkerställa lämplig ljusöverföring och meka- nisk hållfasthet. ljusledaren H väljes i beroende av speciell tillämpning, medan dess längd bör vara minimal i och för lämplig förläggning. Optisk kopp- ling mellan ljuskällorna 1, 2 och prismats 3 ändyta på ingångssidan Antalet utgångar i form av utgående parter i kan utföras medelst en i fig. 2 visad ljusledare 7 av uppsamlings- typ, vilket är lämpligare i jämförelse med ovan beskrivna linssys- tem. Tvärsnittsarean för parterna i ljusledaren 7 väljes på sådant sätt, att hela strålningen från källorna 1, 2 fokuseras på deras ändytor. Ljusledaren 7 bör ha sådan längd och vara dimensionerad på sådant sätt, att tillförlitlig elektrisk isolation säkerställes vid en tyristorlikriktare 8 för högspänning, som styres medelst anord- ningen enligt uppfinningen. Ljusledarens 7 ändyta på utgångssidan kan ha cirkulärt eller rektangulärt tvärsnitt och är kopplad till ändytan på prismat 3 via ett lösbart anslutningsdon.

För alstring av en signal för styrning av likriktaren 8 kan de i anordningen ingående strålningskällorna 1, 2 utgöras av gasurladd- ningslampor, lysdioder eller halvledarlasrar såsom gallium-arsenid- lasrar av injektionstyp, som arbetar med pulser, varvid omvandlare 9 ingår för omvandling av ljusstrålning till elektriska signaler. Ändytorna på de utgående parterna i ljusledaren U är optiskt kopp- lade till var sin omvandlare 9, som kan vara uppbyggda med foto-e - I detta fall bör tvärsnittsarean hos parterna i ljusledaren H, kopplingen mellan dioder, fototransistorer eller fototyristorer. parterna och omvandlarna 9 och parametrarna hos ljuskällorna 1, 2 väljas på sådant sätt, att överföringsfaktorn vid överföring av ljusstrålning till en känslig yta på varje omvandlare 9 är maximal och att strålningsenergin vid ändytorna på de utgående parterna är tillräcklig för omvandlarens 9 tillförlitliga funktion. För att säkerställa tillförlitlig funktion hos likriktaren 8 finnes till- satsomvandlare 9 för varje modul i likriktaren 8.

I anordningen ingår en koppling 10 för styrning av ljusstrålning, 10 15 20 25 30 35 455 949 - 1 4: 7 t.ex. genom strålningsenergi, varvid_en ljusledare 11 ingår för av- känning av en del av ljusstrålningen.' Utgången och ingången på ljusledaren 11 är optiskt kopplade till ett optiskt fönster på en fotomottagare vid ingången på kopplingen 10 och till ändytan på prismat 3 på utgångssidan. Optisk koppling sker medelst ej visade optiska kopplingsdon. Avkänning av en del av ljusstrålningen för styrning av strålningsenergi sker med ledning av returreflexíonen av en del av strålningen från prismats ändyta på utgångssidan.

När vågledaren 7 användes för optisk koppling av källorna 1, 2 till prismat 3, kan vågledaren omfatta en part, som tjänstgör såsom Till följd av prismats 3 egenskaper kan kopplingen 10 säkerställa gene- Till följd av den flerfaldiga reflexionen av strålning från sidoytorna ljusledare 11 för avkänning av en del av ljusstrålningen. rell styrning med användning av en eller flera ljuskällor. på prismat 3 med fram- och återgående strålar säkerställer hög grad av proportionalitet hos strålning, som avkännes för styrning, både med hänsyn till den totala strålningen från en eller flera källor med hänsyn till strålningen från de utgående parterna i ljusledaren U. Följaktligen kan styrkopplingen 10 justeras både till källornas totala strålning och till strålningen från utgången på anordningen. Den senare egenskapen hos kopplingen beror på den likformiga fördelningen av ljusstrålningen bland de utgående par- terna i ljusledaren 4.

När likriktaren 8 är inbyggd i ett slutet hölje 12 i fig. 3, som är fyllt med ett vätske- eller gasformigt isolerande material såsom transformatorolja, är prismat 3, ljusledaren H och omvandlarna 9 även inbyggda i höljet 12. Optisk koppling mellan ljuskällorna 1, 2 och prismat 3 sker medelst en styv vågledare i form av en stång 13, vars tvärsnittsarea är lika med eller mindre än arean hos änd- ytan på prismat 3 på ingångssidan. För optisk koppling mellan stången 13 och prismat 3 i höljet 12 är prismat 3 försett med ett styrelement lä, som är monterat på prismats ändyta på ingångssidan, medan enštätande bussning 15 finnes för införing av stången 13 i höljet 12. Stången 13 har samma tvärsnitt som ljusledarens 7 ut- gångsände men ett tvärsnitt, som är lika med eller mindre än pris- Det är särskilt lämpligt att utforma den inre arbetsytan på elementet lü såsom en stympad pyramid. mats 3 tvärsnitt. 10 15 20 25 30 35 H0 8 .åäö 949 När stången 13 installeras, säkerställer bussningen 15 grovstyrning i riktning mot prismat 3, så att stångens ände med nödvändighet kommer att införas i den zon, som bestämmes av styrelementet lü.

När stången 13 befinner sig i sitt slutliga läge, förflyttas stång- änden längs elementet 1H, så att dess optiska kontakt med ändytan på prismat 3 säkerställas.

Ljusledaren U, prismat 3, stången 13 och omvandlarna 9 bör vara utformade för drift i olja.

I det fall stången 13 ingår, avkännes en del av ljusstrålningen för styrkopplíngen 10 medelst ljusledaren 11 till följd av den direkta kontakten mellan dess ingångsände och ändytan på stången 13.

Under drift av anordningen för överföring och fördelning av ljus- strålning, t.ex. vid en anläggning för belysning av instrumentska- " lor, aktiverar ljuskällorna 1, 2 såsom glödlampor genom tillförsel av elektrisk ström. Strålningen från källorna 1, 2 fokuseras me- delst det optiska linssystemet i form av bikonvexa linser vid änd- ytan på prismat 3 på ingångssidan. Hög fokuseringsnoggrannhet krä- ves ej. När den fokuserade strålningsfläcken upptar en area, som är mindre än arean av ändytan på prismat 3, tillåtes avsevärd fo- kusering och förskjutning av fläcken över ändytan under förutsätt- ning att den fokuserade strålningen ligger inom arean av prismats 3 ändyta. ' flerfaldig reflexion från dess sidoytor, passerar från ändytan på Ljusstrålningen, som träffar prismat 3 och utsättes för ingångssidan i riktning mot ytan på utgångssidan och fortsätter till ingången på ljusledaren U, som är i direkt beröring med prismat 3.

Likformig belysning från varje källa 1, 2 uppnås'vid ändytan på ljusledaren U på dess ingångssida, varvid eventuell olikformighet i.strålningen med hänsyn till area och vinkel vid ändytan på prismat Till följd härav uppnås lika strålningsenergi från varje källa 1, 2 vid på ingångssidan ligger inom gränserna för prismats 3 öppning. utgångsparterna i ljusledaren U med lika tvärsnittsareor och över- föringsfaktorer med hänsyn till parterna. Denna likformiga strål- ning från utgångsparterna i ljusledaren H matas för belysning av instrumentskalor, varvid parterna belyser var sin enskilda skala.

Om utgångsparterna i ljusledaren U har olika längd i enlighet med dimensioneringsbedömanden, kan parternas överföringsfaktorer vara avsevärt olika. För att åstadkomma samma strålningsenergi vid ut- 10 15 20 25 BO 35 HO 453 949 -ß 9 gången på parterna i ljusledaren U _bör i detta fall varje part ha en tvärsnittsarea, som är omvänt proportionell mot dess överförings- faktor.

Den senast beskrivna anordningen, som ingår i en anläggning för styrning av en högspänningslikriktare, arbetar i huvudsak på samma sätt som tidigare beskriven anordning. Anordningen startas medelst elektriska startpulser, som samtidigt tillföres ingången på källor- na 1, 2 i form av t.ex. halvledarpulslasrar. Laserstrålning foku- seras på ändytorna på parterna i ljusledaren 7 och matas längs ljus- ledaren 7 till ändytan på prismat 3. När strålningen från källorna 1, 2 passerar genom prismat 3, reflekteras den delvis från prismats ändyta på utgångssidan i riktning mot dess ingångsände. En del av denna reflekterade strålning tillföres ljusledaren 11 för avkänning av en del av ljusstrålningen och tillföres fotomottagaren i styr- kopplingen 10 för t.ex. styrning av strålningsenergi. En signal från styrkopplingen 10 tillföres ett ej visat manöverbord för hög- spänningslikriktaren. Storleken av avkänd strålning, som tillföres styrkopplingen 10, beror på reflexíonsfaktorn vid prismats 3 ändyta på utgångssídan, på tvärsnittsarean hos ljusledaren 11 och dess överföringsfaktor. För den belagda ändytan uppgår reflexionsfaktorn till ca 0,5 % och för den obelagda ändytan till ca 4 %.

Från de båda källorna 1, 2 avgivet ljus, som är likformigt fördelat på utgångsparterna i ljusledaren 4, matas till de känsliga områdena på omvandlarna 9: Ljussignaler omvandlas till elektriska styrpul- ser i omvandlaren 9 för matning till högspänningslikriktaren 8.

Extra omvandlare 9 finnes vid varje modul av likriktaren 8 och des- sa har sådan känslighet, att de arbetar normalt, om de båda källorna 1, 2 är felaktiga.

Denna utföringsform av anordningen enligt uppfinningen arbetar på samma sätt som den i fig. 2 visade anordningen. Den enda skillna- den ligger i att stångens 13 överföringsfaktor bör tagas hänsyn till, eftersom stången 13 kommer att något reducera både den till omvand- larna 9 matade strålningen och strålning, som reflekteras från prismats utgångsändyta och tillföres styrkopplingen 10.

Vid samtliga tre ovan beskrivna utföringsformer av anordningen en- ligt uppfinningen är uppbyggnaden och framställningen av den optiska 453 949 J! 10 blandaren i form av ett prisma avseyärt enklare i jämförelse med den kända fibermatrisen. Samtidigt uppnås bättre likformighet med hänsyn till ljusfördelning och líkformig bestrålning av ingångsänd- ytorna på parterna i uppsamlíngsljusleäare erfordras ej, medan kra- ven pâ ljuskällorna och deras koppling till ljusledarparterna är lägre.

Claims (3)

10 15 20 25 30 35 H 453 949 gatentkrav

1. Anordning för överföring och fördelning av ljusstràlning med minst en ljuskälla (1, 2), som med en utgång är optiskt kopplad till ingången på en fördelande ljusledare (4) via en optisk blandare (3), k ä n n e t e c k n a d av att blandaren är utförd såsom ett prisma (3) med parametrar, som möjliggör flerfaldig reflexion av ljusstrålning från varje källa från sidoytor på prismat (3), som med en änd- yta är optiskt kopplat till utgången på varje ljuskälla och med den andra ändytan till ingången på ljusledaren (4).

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att prismat (3), när omvandlare (9) ingår för omvandling av ljusstrålning till elektriska signaler, som med sina ingångar är optiskt kopplade till var sin utgång på ljus~ ledaren (4) och tillsammans med ljusledaren är inbyggda i ett slutet, med vätske- eller gasformigt isolermaterial fyllt hölje (12), även är inrymt i höljet (12) och att en styv ljusledare i form av en stång (13) finnes, som optiskt kopplar varje ljuskälla till prismat (3) och vars tvärsnittsarea är lika med eller mindre än arean av ändytan på prismat (3), varvid prismat är försett med ett styrelement (14), som är monterat på prismats mot stången (13) vända ändyta, och stången (13) i sin ände förflyttas längs styrelementet, när den införes i höljet (12).

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a d av att när ett steg (19) ingår för styrning av ljusstrâlning, vilket med en ingång är kopplat till ut- gången på ytterligare en ljusledare (11) för avkänning av en del av ljusstrâlningen, ingången på denna ljus- _ ledare (11) är optiskt kopplad till prismats (3) mot ljuskällan (1, 2) vända ändyta.