Корпус фототиристора с волоконно-оптическим узлом запуска

Изобретение относится к конструкции корпуса фототиристора и других полупроводниковых приборов таблеточного исполнения с оптическим управлением (фотосимисторов, фототранзисторов и др.). Технический результат в предлагаемой конструкции корпуса фототиристора таблеточного исполнения, состоящего из первого основания, служащего первым электродом прибора, кольцеобразного изолятора, второго основания увеличенной высоты, служащего вторым электродом, в сквозном отверстии которого герметично закреплен узел с оптическим окном, с внешней стороны которого расположен наружный канал от сквозного отверстия с фотоокном до боковой поверхности основания, достигается тем, что во втором основании на выходе наружного канала сформированы элементы разборного соединения с оптическим узлом, встроенным в сквозное отверстие с оптическим окном и в наружный канал и оснащенным оптическим разъемом контактного типа. Элемент соединения выполнен в виде крепежной резьбы в наружном канале для фиксирования корпуса розетки оптического разъема с фланцем «под ключ». Предложенная конструкция может быть использована при проектировании и производстве мощных высоковольтных фототиристоров, предназначенных для применения в современных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, формирователях мощных импульсов и др.

Изобретение относится к конструкции корпуса фототиристора и других полупроводниковых приборов таблеточного исполнения с оптическим управлением (фотосимисторов, фототранзисторов и др.).

Известна конструкция корпуса фототиристора таблеточного исполнения [1], состоящего из первого основания, служащего первым электродом прибора, кольцеобразного изолятора, второго основания, служащего вторым электродом, в сквозном отверстии которого герметично закреплен узел с оптическим окном.

Недостатком конструкции является то, что в силовом модуле, содержащем фототиристор, токопроводящие шины, охлаждающее и зажимное устройства, должны быть предусмотрены специальные каналы для размещения адаптера волоконно-оптического кабеля, по которому передаются оптические импульсы управления к фоточувствительной области выпрямительного элемента фототиристора.

Следствием этого является:

- сложность конструкции модуля;

- сложность технологии изготовления и сборки модуля;

- низкая параметрическая надежность обусловлена тем, что волоконно-оптический ввод осуществляется через оптическое окно, которое в процессе эксплуатации может покрываться пылью или другими частицами, блокирующими световой импульс лазерного излучения передаваемого по волокну;

- засветка участка горазда большей площади, чем фоточувствительная область и как следствие для достижения необходимого уровня срабатывания необходимость применения более мощных лазеров;

- ограниченные возможности использования в конструкции модуля охладителей на основе тепловых труб или жидкостных систем охлаждения, связанные с риском разгерметизации тонкостенных охлаждающих элементов при создании в них каналов и проточек для размещения адаптера волоконно-оптического кабеля.

Все это отрицательно сказывается на технико-экономических показателях и конкурентоспособности преобразовательных устройств на основе фототиристоров.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция корпуса фототиристора таблеточного исполнения [2], состоящего из первого основания, служащего первым электродом прибора, кольцеобразного изолятора, второго основания, служащего вторым электродом, в сквозном отверстии которого герметично закреплен узел с оптическим окном, отличающаяся тем, что во втором основании увеличенной высоты со стороны контактной поверхности располагается наружный канал от сквозного отверстия с оптическим окном до боковой поверхности основания. В канале и сквозном отверстии помещается наконечник волоконно-оптического кабеля изогнутой формы, являющийся адаптером волоконно-оптического кабеля для подвода оптических импульсов через оптическое окно к светочувствительной области выпрямительного элемента фототиристора.

Недостатком конструкции является то, что после сборки силового модуля на основе фототиристора образуется неразъемное соединение модуля с волоконно-оптическим кабелем, длина которого может достигать нескольких десятков метров. С ростом количества фототиристоров в силовом модуле соответственно возрастает количество волоконно-оптических кабелей.

Следствием этого является:

- сложность монтажа в преобразовательных устройствах массивных силовых модулей с присоединенными волоконно-оптическими кабелями;

- большая вероятность механических повреждений волоконно-оптических кабелей в процессе монтажных работ с разрывом между кварцевыми волокнами и оптическим наконечником кварцевых волокон и нарушением прохождения оптических импульсов от источника управления к фоточувствительным областям выпрямительных элементов фототиристоров;

- необходимость разработки специальных приспособлений и методик по предотвращению повреждений волоконно-оптических кабелей в процессе монтажа модулей в преобразовательных устройствах;

- увеличение объема работ, связанных с необходимостью демонтажа и повторного монтажа модулей для замены волоконно-оптических кабелей в случае их повреждения.

Все это отрицательно сказывается на технико-экономических показателях и надежности преобразовательных устройств на фототиристорах.

Техническим результатом предлагаемого решения является конструкция корпуса фототиристора, позволяющая подключать к нему и заменять волоконно-оптический кабель при необходимости перемонтажа посредством оптического разъема на любой стадии монтажных и сборочных работ, а также в процессе испытаний и эксплуатации преобразовательного устройства. Кроме того, предлагаемое решение является универсальным из-за совместимости оптических компонентов корпуса фототиристора с оптическими разъемными соединителями различным типов, в том числе с адаптером волоконно-оптического кабеля известной конструкции [2].

Технический результат в предлагаемой конструкции корпуса фототиристора таблеточного исполнения, состоящего из первого основания, служащего первым электродом прибора, кольцеобразного изолятора, второго основания увеличенной высоты, служащего вторым электродом, в сквозном отверстии которого герметично закреплен узел с оптическим окном, с внешней стороны которого расположен наружный канал от сквозного отверстия с фотоокном до боковой поверхности основания, достигается тем, что во втором основании на выходе наружного канала сформированы элементы разборного соединения с оптическим узлом, встроенным в сквозное отверстие с оптическим окном и в наружный канал и оснащенным оптическим разъемом контактного типа. Элемент соединения выполнен в виде крепежной резьбы в наружном канале для фиксирования корпуса розетки оптического разъема с фланцем «под ключ». Элементы соединения выполнены в виде крепежной резьбы около наружного канала для фиксирования корпуса розетки оптического разъема с прямоугольным или квадратным фланцем или для фиксирования разрезных планок крепления «в замок» оптического узла с розеткой или вилкой оптического разъема, вынесенной за габариты второго основания. Встроенный оптический узел, состоящий из изогнутого отрезка световода с двумя наконечниками, выполнен в твердой оболочке. Первый наконечник встроенного оптического узла, установленный в сквозном отверстии с фотоокном, ориентирован торцом к фотоокну и ограничен в перемещении фланцем с эластичной прокладкой, которая предназначена для защиты фотоокна от пыли. Второй наконечник встроенного оптического узла установлен в отверстии корпуса розетки оптического разъема, закрепленного на выходе наружного канала во втором основании. Для облегчения доступа к розетке оптического разъема при подключении питающего волоконно-оптического кабеля к фототиристору, установленному в силовом модуле, предлагается вариант корпуса, в котором розетка вынесена за габариты второго основания посредством увеличения длины ее корпуса и соответственно длины отрезка световода встроенного оптического узла. При достаточной прочности оболочки встроенного оптического узла предлагается вариант конструкции корпуса фототиристора, в котором оптическая розетка, составляющая неразборное соединение с отрезком световода встроенного оптического узла, вынесена за габариты второго основания посредством увеличения длины отрезка световода. Встроенный оптический узел на выходе наружного канала во втором основании закреплен разрезными планками «в замок». Для решения проблемы механической несовместимости отдельных компонентов оптических разъемов различных типов в последнем варианте вместо розетки установлена вилка, позволяющая подключать волоконно-оптический кабель по симметричной схеме разъемного соединения «вилка - розетка - вилка». Все конструктивные исполнения корпуса фототиристора предусматривают дополнительное фиксирование встроенного оптического узла в области изгиба установочным винтом с коническим концом, расположенным в сквозном отверстии второго основания. Разборная конструкция встроенного оптического узла фототиристора обеспечивает гибкую систему выбора и замены компонентов оптических разъемных соединений. Кроме того, предлагается унифицировать геометрические параметры сквозного отверстия с оптическим окном и наружного канала с аналогичными параметрами серийно выпускаемых адаптеров волоконно-оптических кабелей [2].

К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:

а) элементы крепления розетки оптического разъема в одном из оснований корпуса фототиристора:

- крепежная резьба для розетки оптического разъема с фланцем «под ключ»,

- крепежная резьба для розетки оптического разъема с квадратным или прямоугольным фланцем и разрезных планок фиксирования встроенного оптического узла;

б) встроенный оптический узел, состоящий из изогнутого отрезка световода с защитным покрытием допустимым для применения в герметизированном корпусе, например металлизированным покрытием и не влияющим отрицательно на работу устройства с двумя наконечниками и корпуса розетки оптического разъема, выполненный в твердой оболочке; один наконечник снабжен фланцем и герметизирующей прокладкой;

в) оптический узел в твердой оболочке, встроенный в одно из оснований корпуса фототиристора, с розеткой оптического разъема на боковой поверхности основания;

г) оптический узел в твердой оболочке, встроенный в одно из оснований корпуса фототиристора, с розеткой оптического разъема, вынесенной за пределы корпуса фототиристора;

д) оптический узел в твердой оболочке, встроенный в одно из оснований корпуса фототиристора, с вилкой оптического разъема, вынесенной за пределы корпуса фототиристора;

е) установочный винт с коническим концом;

ж) разрезные планки крепления встроенного оптического узла;

з) геометрические параметры сквозного отверстия в одном из оснований корпуса фототиристора с оптическим окном и наружного канала унифицированы с геометрическими параметрами серийных адаптеров волоконно-оптических кабелей.

Положительный эффект достигается за счет

1) подключения к фототиристору волоконно-оптического кабеля посредством оптического разъема контактного типа;

2) простоты в технике сменяемости встроенного оптического узла фототиристора, оптического разъема и их компонентов;

3) унификации геометрических параметров базовой конструкции корпуса фототиристора с аналогичными параметрами серийных адаптеров волоконно-оптических кабелей.

На Фиг.1 показан вариант конструкции второго основания корпуса фототиристора увеличенной высоты с встроенным оптическим узлом и розеткой с фланцем «под ключ» на боковой поверхности основания. Обозначения компонентов основания корпуса фототиристора: 1 - электрод, 2 - установочный винт, 3 - встроенный оптический узел, 4 - оптическая розетка, 5 - манжета, 6 - эластичная прокладка, 7 - фотоокно, 8 - фланец. Манжета 5 является стандартным конструктивным элементом корпуса таблеточного исполнения, необходимым для соединения с аналогичным элементом на кольцеобразном изоляторе при сборке фототиристора.

На Фиг.2 показан вариант конструкции второго основания с увеличенной длиной корпуса оптической розетки, вынесенной за габариты основания. Обозначения аналогичны приведенным на Фиг.1.

На Фиг.3 показан вариант конструкции второго основания с увеличенной длиной отрезка световода встроенного оптического узла и оптической розеткой 4, вынесенной за габариты основания. Обозначения аналогичны приведенным на фиг.1. Две разрезные планки 9 фиксируют встроенный оптический узел.

На Фиг.4 показан вариант конструкции второго основания с увеличенной длиной отрезка световода встроенного оптического узла и оптической вилкой 10, вынесенной за габариты основания.

Была изготовлена партия корпусов фототиристоров таблеточного исполнения по предлагаемому техническому решению для выпрямительных элементов диаметром 56 мм. Диаметр сердцевины используемого кварцевого волокна составляет 200 мкм. Радиус изгиба волокна 9-10 мм. Встроенные оптические узлы оснащены оптическими стандартными разъемами типа FC. Измеренные вносимые оптические потери не превышают 0,5 дБ, что соответствует типичным значениям для данного типа разъемов.

Предложенная конструкция может быть использована при проектировании и производстве мощных высоковольтных фототиристоров, предназначенных для применения в современных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, формирователях мощных импульсов и др.

Источники информации:

1. Курцин В.М., Думаневич А.Н., Челноков В.Е., Авт. Свидетельство СССР, Кл. Н01L 111/10, 434520, заяв. 13.11.67 г., опубл. 6.11.74 г.

2. CHIBOORU ZARANKI, RAINHORUTO, KUUNERUTO, HAINTSU, MIITSUTOREENAA, Patent number DE198535513219 19850412, Pablication date 1981-10-24.

1. Корпус фототиристора таблеточного исполнения, состоящий из первого основания, служащего первым электродом прибора, кольцеобразного изолятора, второго основания увеличенной высоты, служащего вторым электродом, в сквозном отверстии которого герметично закреплен узел с оптическим окном, с внешней стороны которого расположен наружный канал от сквозного отверстия с фотоокном до боковой поверхности основания, отличающийся тем, что во втором основании на выходе наружного канала сформированы элементы разборного соединения с оптическим узлом, встроенным в сквозное отверстие с оптическим окном и в наружный канал и оснащенным оптическим разъемом контактного типа.

2. Корпус фототиристора по п.1, отличающийся тем, что встроенный оптический узел, состоящий из изогнутого отрезка световода с двумя наконечниками, выполнен в твердой оболочке.

3. Корпус фототиристора по п.2, отличающийся тем, что первый наконечник встроенного оптического узла, установленный в сквозном отверстии с фотоокном, ориентирован торцом к фотоокну и ограничен в перемещении в направлении к фотоокну фланцем с эластичной прокладкой.

4. Корпус фототиристора по п.2, отличающийся тем, что второй наконечник встроенного оптического узла установлен в отверстии корпуса розетки оптического разъема, закрепленного на выходе наружного канала во втором основании.

5. Корпус фототиристора по п.1, отличающийся тем, что встроенный оптический узел на изгибе зафиксирован установочным винтом с коническим концом, расположенным в сквозном отверстии второго основания.

6. Корпус фототиристора по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что элемент соединения с оптическим узлом выполнен в виде крепежной резьбы в наружном канале для фиксирования розетки оптического разъема с фланцем «под ключ».

7. Корпус фототиристора по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что элементы соединения с оптическим узлом выполнены в виде крепежной резьбы около наружного канала для фиксирования розетки оптического разъема с прямоугольным или квадратным фланцем или для фиксирования разрезных планок крепления «в замок» оптического узла с розеткой или вилкой, вынесенной за габариты второго основания.

8. Корпус фототиристора по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что корпус розетки оптического разъема и отрезок световода встроенного оптического узла выполнены такой длины, что розетка оптического разъема вынесена за габариты второго основания.

9. Корпус фототиристора по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что отрезок световода встроенного оптического узла выполнен такой длины, что оптическая розетка, образующая неразборное соединение с отрезком световода встроенного оптического узла, вынесена за габариты второго основания и на выходе наружного канала во втором основании отрезок световода закреплен разрезными планками «в замок».

10. Корпус фототиристора по п.8, отличающийся тем, что отрезок световода встроенного оптического узла выполнен такой длины, что второй наконечник встроенного оптического узла, оформленный в виде оптической вилки, вынесен за габариты второго основания.

11. Корпус фототиристора по п.1, отличающийся тем, что встроенный оптический узел с оптическим разъемом контактного типа совместим с различными разъемами внешних оптических кабелей посредством сменяемости встроенного оптического узла и его компонентов.