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Anordnung zur Übertragung von Signalen über hohe Potentialdifferenzen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von Signalen über hohe Potentialdifferenzen, insbesondere Messwerten beliebiger physikalischer Grössen, von einem auf Hochspannungspotential liegenden Signalkreis zu einem auf Erdpotential liegenden Empfänger mit Hilfe von Lichtwellen, die von einem auf Hochspannungspotential angeordneten Halbleiterelement in Abhängigkeit von den Signalen modulierbar ist.
Die Entwicklung der Kennwerte und Betriebsforderungen von Hochspannungsgeräten stellt die konventionelle drahtgebundene Messwertübertragung über hohe Potentialdifferenzen vor technische Schwierigkeiten, die nur mit einem hohen Aufwand zu überwinden sind. Zu diesen Schwierigkeiten gehören in erster Linie isolationstechnische Probleme, bedingt durch die steigenden Betriebsspannungen, sowie das Verhalten der konventionellen Messwandler bei Einschwing-Zuständen. Aus diesem Grunde steht die Forderung nach neuen Lösungen, die es ermöglichen, die zu erfassenden Messgrössen auf Erdpotential zu übertragen.
Die Übertragungsverfahren von einem hohen Potential auf Erdpotential müssen speziellen Forderungen genügen. So ist ein hoher Störabstand gegenüber den Beeinflussungen durch starke elektromagnetische und elektrostatische Fremdfelder erforderlich, die durch die Ströme und Spannungen verursacht sind. Die Teile der Übertragungseinrichtung müssen untereinander bei guter Richtwirkung des Signalträgers unempfindlich gegen mechanische Relativbewegungen sein. Ebenso ist ein hoher Kanalstörabstand bei mehreren gleichartigen Übertragungskanälen untereinander gefordert.
Der Preis der Einrichtungen muss der meist kurzen Übertragungsstrecke angemessen sein.
Die bekannten Verfahren, die diesen Forderungen nachkommen, verwenden die kontinuierliche oder diskrete Modulation sinusförmiger oder pulsförmiger Signalträger. Als Signalträger werden wegen der notwendigen Trennung des hohen Potentials vom Erdpotential fast ausschliesslich elektromagnetische Wellen in den Frequenzbereichen angewendet, die vom Gesetzgeber für den Verwendungszweck zugelassen sind und welche die geforderte Ubertragungsbandbreite aufweisen. Der obere Grenzbereich der Trägerfrequenz, der geeignet modulierbar ist, ist derzeit der Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes.
Ein bekanntes Verfahren bedient sich eines auf dem Hochspannungspotential angeordneten Lasers. Die Messgrösse wird durch eine ruhende Codierschaltung umgeformt und dem Laser zugeführt. Dieses codierte Signal trägt dazu bei, dass das System frei von äusseren Störeinflüssen ist. Die Versorgung der ruhenden Schaltung erfolgt vom Hochspannungsnetz. Alle Bauteile sind in einem gemeinsamen Gehäuse auf dem Hochspannungspotential untergebracht. Das vom Laser ausgehende modulierte Lichtsignal wird zu einem Empfänger auf Erdpotential durch eine Faseroptik übertragen. Die zur Erzeugung und Modulation des Trägers nötige Energie wird hiebei von einem auf dem hohen Potential liegenden Energiewandler oder einem Energiespeicher entnommen. Der Anteil der Energie zur Trägererzeugung überwiegt in der Regel den zur Modulation und Messwertwandlung notwendigen Anteil.
Ein anderes Verfahren zur Nachrichtenübertragung verwendet einen, zu der Zeit, als dieses
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Verfahren bekannt wurde, geläufigen Rubinlaser. Ein solcher Laser sendet zeitlich unregelmässige
Lichtimpulse aus, deren Amplitude nach dem Verfahren mittels bekannter Lichtmodulatoren durch eine elektronische Modulatorschaltung und einen damit gekoppelten Signalspeicher moduliert werden, wobei die Modulationssignale mit den unregelmässigen Lichtimpulsen des Lasers synchronisiert werden müssen.
Eine Energieversorgung dieses Systems muss ebenfalls auf dem hohen Potential durch Energiespeicher oder-wandler erfolgen.
Nachteilig an diesen Verfahren, die einen auf hohem Potential liegenden Sender benutzen, ist einerseits der technisch und ökonomische hohe Aufwand für die Energiespeicherung oder -wandlung auf dem hohen Potential ; andererseits zwingt die Lösung mittels Energiespeicher zu einem Kompromiss zwischen Übertragungsdauer und Speicherkapazität sowie Volumen und damit Gewicht des
Energiespeichers.
Nur für einige wenige physikalische Grössen sind Übertragungsverfahren bekanntgeworden, die es gestatten, die zur Erzeugung eines geeigneten Trägers mit ausreichender Leistung notwendige Energie aus einer auf Erdpotential liegenden Energiequelle zur Verfügung zu stellen. Dabei wird der Träger mittels eines Schaltelementes, das auf Hochspannungspotential liegt, durch eine solche physikalische
Grösse moduliert und darauf der Träger zu einem mit dem Erdpotential verbundenen Empfänger geleitet. Eines dieser Verfahren benutzt eine aussenverspiegelte Membran, die von innen mit einem der physikalischen Grösse entsprechenden Druck beaufschlagt und von aussen durch einen auf sie treffenden
Lichtstrahl als Träger beleuchtet wird.
Die druckabhängige Durchbiegung der Membran bewirkt eine Änderung des reflektierten Lichtstromes je Raumwinkeleinheit und damit dessen Amplituden- modulation. Diese Verfahren versagen jedoch bei Beaufschlagung mit andern als der jeweils speziellen physikalischen Grösse und sind daher universell nicht anwendbar.
Es ist auch ein Verfahren bekanntgeworden, mit dem gleichfalls Messwerte mit Hilfe von auf
Erdpotential erzeugter Lichtstrahlen vom Hochspannungspotential auf das Erdpotential übertragen werden. Dazu werden die Messgrössen auf der Hochspannungsseite in ein Drehmoment umgewandelt.
Durch dieses Drehmoment wird eine kodierte Scheibe verdreht. Mit Hilfe einer Linsenanordnung wird diese Scheibe mit Licht bestrahlt. Die Zahl und die Lage der Lichtstrahlen ist ein Mass für den Wert der Messgrösse. Schwierigkeiten bringt die scharfe Trennung zwischen den einzelnen Lichtstrahlen, was zu einem ungenauen Messwert führt. Die Messung schnellverlaufender Vorgänge ist nicht möglich.
Es ist bekannt, auf der Hochspannungsseite binär gestaffelte bistabile Kippstufen zu verwenden, die von einem Verschlüssler gesteuert werden. Jede Kippstufe steuert eine separate Lichtquelle, der auf der Empfangsseite wieder eine Photodiode mit einem Flip-Flop zugeordnet ist. Mit diesem Verfahren ist es ebenfalls nicht möglich, schnellverlaufende Vorgänge zu erfassen oder einen zeitlichen Verlauf einer Grösse kurvengetreu zu übermitteln, da nur der zeitliche Mittelwert der Messgrösse übertragen wird. Ausserdem sprechen die Schwierigkeiten in der Stromversorgung der wieder auf Hochspannung liegenden Geräte gegen dieses Verfahren.
Durch die Erfindung soll die Notwendigkeit sowohl einer Energiewandlung bzw. -speicherung auf hohem Potential als auch die Energieübertragung nach einem hohen Potential, die zum Betrieb eines auf hohem Potential befindlichen universellen Senders elektromagnetischer Wellen besteht, vermieden werden. Die Messforderungen, wie sie in gestörten Energieversorgungsnetzen und in Hochleistungsprüffeldern bestehen, verlangen besonders nach einer Energieversorgung, die unabhängig von den wechselnden Hochspannungsnetzen sind.
Die auf hohem Potential befindliche Schaltung soll im wesentlichen während der Übertragungspause keine Energie verbrauchen. Die Erfindung soll die Forderung nach einem Übertragungskanal, der wegen der in ihm bestehenden mechanischen Relativbewegungen z. B. des Senders oder Empfängers eine änderbare Richtwirkung, sowie einen hohen Fremd- und Kanalstörabstand besitzt und an die geringe notwendige Reichweite angepasst ist, befriedigen. Ebenso muss eine ausreichend genaue Messung sowie die Erfassung schnellverlaufender Vorgänge erfüllt sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit welcher beeinflussungsarm Signale schnellverlaufender Vorgänge über hohe Potentialdifferenzen, mittels eines auf Erdpotential erzeugten Trägers, der ausserhalb der von den kommerziellen Funkdiensten benutzten Frequenzbereiche des elektromagnetischen Spektrums liegt, mit ausreichender Genauigkeit übertragen werden.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass im Signalkreis ein Halbleiterelement mit
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Sperrschicht dieses Halbleiterelementes verbunden ist, und die gegenüberliegende Stirnfläche der Sperrschicht über eine weitere Faseroptikverbindung und über einen Analysator mit einem Demodulator, z. B. einer Photodiode, und einer Einrichtung zur Messwertverarbeitung, welche beide auf Erdpotential liegen, in Verbindung steht.
Die Faseroptikverbindung zwischen Lichtquelle und Halbleiterelement weist am Hochspannungspotential eine Verzweigung auf, durch die ein Teil der monochromatischen Lichtwellen auf aktive photoelektrische Bauelemente leitbar ist, die ihrerseits durch Energieumwandlung die notwendige elektrische Energie zum Betreiben einer das Halbleiterelement ansteuernden elektrischen Modulatorschaltung liefern.
Durch die Umwandlung der Versorgungsenergie in Trägerenergie des auf Erdpotential befindlichen Senders entfällt eine Energieübertragung für die Versorgung eines auf hohem Potential befindlichen Senders. Die vergleichsweise geringe Energie zur Modulation des Trägers wird längs der Ausbreitunsrichtstrecke des Trägers gemeinsam mit diesem übertragen, in einem auf hohem Potential befindlichen Empfänger abgezweigt, umgeformt und mittels eines vergleichsweise kleinen Energiespeichers oder unmittelbar im Modulator umgesetzt, wodurch eine getrennte Energieleitung ausserhalb der Bauelemente der genannten Richtstrecke entfällt.
Zusätzlich werden die Forderungen nach hohen Störabständen und nach Richtwirkung trotz mechanischer Relativbewegungen bei vergleichsweise geringem technischem Aufwand und daher niedrigem Preis des auf dem hohen Potential liegenden Geräteteiles der Einrichtung befriedigt. Der niedrige Preis des letztgenannten Teiles ist besonders günstig im Hinblick auf die mögliche Zerstörung dieses Teiles während Entwicklungsprüfungen am Hochspannungsschaltgeräten.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Ein He-Ne-Gaslaser-l-erzeugt eine monochromatische Lichtstrahlung, die über eine optisch geschirmte Glasfaserlichtleitung--2-und eine Fasere Faseroptikverzweigung--3--sowohl einem Selenphotoelement-4--, als auch einer als Polarisator wirkenden Polarisationsfolie-S-- zugeführt wird.
Die nach Verlassen von --5-- linear polarisierte Strahlung wird auf die Sperrschicht einer in Sperrichtung betriebenen GaUium-Phosphid-Diode-6-fokussiert, an deren Elektroden eine mit einem Signal modulierte Modulationsspannung liegt, die über der Sperrschicht eine in der durch den
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ausserordentlichen und des ordentlichen Strahles werden in bekannter Weise durch die elektrische Modulationsfeldstärke unterschiedlich beeinflusst, so dass nach Verlassen der Diode--6--die Strahlung elliptisch polarisiert ist und durch einen Analysator --7-- in eine amplitudenmodulierte Strahlung umgewandelt wird, die über die optisch geschirmte Glasfaserlichtleitung--8--einer Photodiodenschaltung--9--zur Demodulation zugeführt wird, deren elektrisches Ausgangssignal an
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Signal modulierte Modulationsspannung,
z. B. eine ihm proportionale oder eine pulsdauermodulierte Modulationsspannung, erzeugt, die auf die Diode-6-, wie oben beschrieben, einwirkt. Die zum Betreiben des Aufnehmers der Modulatorschaltung --12-- und der Diode --6-- nötige elektrische Energie wird entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines elektrochemischen Speichers--13-der vom Selenphotoelement-4--umgeformten Strahlungsenergie entnommen.
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