CH662225A5

CH662225A5 - Opto-elektronische anordnung zur speisung einer elektronischen schaltung mit licht.

Info

Publication number: CH662225A5
Application number: CH71984A
Authority: CH
Inventors: Georg Zographos; Roland Christen; Walter Vollenweider
Original assignee: Autophon Ag
Priority date: 1984-02-15
Filing date: 1984-02-15
Publication date: 1987-09-15
Also published as: DE3503877A1

Description

Mit der vorliegenden Erfindung wird nun die Aufgabe gelöst, Energie mit Hilfe von Licht in einer Weise zu übertragen, gemäss welcher diese Energie am Ende des Übertragungsweges in elektrischer Form zur Verfügung steht, wobei eine genügend hohe Spannung und ein hoher Wirkungsgrad für die Umwandlung erreicht wird. Die Erfindung betrifft eine opto-elektrische Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, deren Kennzeichen der (den) Lichtquelle(n) zugeordnete Schaltungsmittel sind, welche die Lichtquelle(n) (je) zur intermittierenden Abgabe von Licht mit einer oder zwei bestimmten Wellenlänge^) veranlassen und deren weiteres Kennzeichen eine unterbruchlose Verbindung zwischen dem (den) genannten Wandler(n) und der (den) genannten Eingangswicklung(en) ist.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden zwei Lichtquellen verschiedener Wellenlänge verwendet, welche abwechslungsweise betrieben werden und welche die übertragene Leistung gegenüber einer Anordnung mit nur einer einzigen Wellenlänge zu verdoppeln gestatten.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Unter «Licht» wird in der Folge auch infrarote und ultraviolette Strahlung im Wellenlängen-Bereich zwischen 0,4 und 20 um verstanden.

Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschema einer Übertragungsanlage mit je einer zentralenseitigen und einer teilnehmerseitigen Sende-Empfangsstelle, zwischen denen mit Hilfe von Licht über eine Glasfaser in beiden Richtungen Sprechsignale und von der zentralenseitigen zur teilnehmerseitigen Stelle ausserdem Speise-Energie übertragen werden können.

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Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines zu übertragenden Tonfrequenzsignals, eines die zentralenseitige Stelle steuernden Taktsignals und der von der zentralenseitigen zur teilnehmerseitigen Stelle übertragenen Lichtsignale.

Im obera Teil der Fig. 1 ist die zentralenseitige Sende-Empfangs-Stelle 40 und im untern Teil die teilnehmerseitige Sende-Empfangsstelle 41 dargestellt. Im zentralenseitigen Teil 40 sind LASER-Dioden 1 und 2 enthalten, wobei die Diode 1 Licht mit der Wellenlänge XI und die Diode 2 Licht mit der Wellenlänge X2 auf den Lichtwellenlängen-Multiplexer 3 abgibt, von wo die beiden Licht-Arten nach dem Lichtwellen-Multiplexer 4 und weiter auf die Glasfaser 5 gelangen. Der Multiplexer 4 koppelt dabei Licht mit der Wellenlänge X3 aus der Glasfaser 5 aus und führt es der Fotodiode 6 zu, wo es in elektrische Energie umgesetzt wird, die ihrerseits an den Verstärker 7 angelegt wird. Dieser Verstärker gibt sein Ausgangssignal an einen Demodulator 11 ab, und das demodulierte Signal erscheint am Ausgang 8.

Die beiden bereits erwähten LASER-Dioden 1 und 2 werden von den beiden Verstärkern 9 und 10 gespeist, denen je ein Eingangssignal vom Pulsdauer-Modulator 16 aus zugeführt wird. Dieser Modulator besteht beispielsweise aus einem monostabilen Multivibrator mit beeinflussbarer Zeitkonstante und wird von einem über 12 zugeführten und in Fig. 2b dargestellten Taktsignal über ein Differenzierglied 13 angestossen. Dieses Taktsignal ist rechteckförmig, und dessen Frequenz ist mindestens doppelt so hoch wie die höchste zu übertragende Tonfrequenz. Das Differenzierglied 13 gibt an den Modulator beim Beginn jedes Taktimpulses einen kurzen Impuls ab. Aufgrund jedes dieser Impulse wird vom Modulator ein Impuls erzeugt, dessen Dauer im unbeeinflussten Zustand des Modulators der Hälfte der Periodendauer des Taktsignals entspricht. Diese Impulse werden dem Verstärker 9 direkt und dem Verstärker 10 über den Inverter 15 zugeführt, so dass die beiden Verstärker 9 und 10 abwechslungsweise ein Signal abgeben, wobei diese Signale lückenlos aneinander anschliessen.

Über den Eingang 19 wird ein in Fig. 2a dargestelltes niederfrequentes Modulationssignal zugeführt, welches die Dauer der aufgrund des Taktsignals erzeugten Impulse im positiven oder im negativen Sinne beeinflusst, so dass vom Modulator 16 die in Fig. 2c dargestellten Impulse abgegeben werden.

Während die beschriebene zentralenseitige Sende-Empfangsstelle 40 aus einer beliebigen Spannungsquelle gespeist ist, wird der teilnehmerseitigen Sende-Empfangsstelle 41 sowohl die Speisung als auch das Signal über die Glasfaser 5 zugeführt. Diese Glasfaser führt an den Lichtwellenlängen-Multiplexer 20, wo ein von der Leuchtdiode 21 stammendes Signal der Wellenlänge X3 eingekoppelt wird. Das über die Glasfaser 5 eintreffende Signal wird weiter dem Lichtwellenlängen-Multiplexer 22 zugeführt, wo die Signale mit den beiden Wellenlängen XI und X2 getrennt werden. Diese beiden Signale werden dabei den Fotodioden 23 und 24 zugeführt, welche sie in elektrische Leistung umsetzen und den Wicklungen 25 eines Transformators 35 im Gegentakt zuführen. Weitere Gegentakt-Wicklungen 26 des Transformators bilden Bestanteil einer allgemein üblichen, ausserdem die beiden Dioden 27, den Widerstand 28 und den Kondensator 29 umfassenden Gleichrichterschaltung, welche Speiseenergie zur Speisung eines später beschriebenen Impulserzeugers 30 und gegebenenfalls eines Verstärkers 31 abgibt.

Eine weitere Wicklung 32 des Transformators 35 ist über einen Verstärker 31 mit einem Hörer 33 verbunden. Sofern das vom Transformator abgegebene Signal gross genug ist, kann auf den Verstärker 31 verzichtet werden.

Das Ausgangssignal eines Mikrofons 34 wird einem modulierbaren Impulserzeuger 30 zugeführt. Die von diesem Impulserzeuger abgegebenen Impulse sind mit der vom Mikrofon 34 abgegebenen Spannung moduliert. Grundsätzlich sind dabei verschiedene Modulationsarten möglich; vom Standpunkt des

Energieverbrauchs aus gesehen, eignet sich jedoch Puls-Positions-Modulation (PPM) am besten. Das vom Erzeuger 30 abgegebene Impuls-Signal wird der Leucht-Diode 21 zugeführt, welche Licht der Wellenlänge X3 erzeugt. Die Lichtimpulse werden mit Hilfe des Lichtwellenlängen-Multiplexers 20 in die Glasfaser 5 eingekoppelt.

Im Ruhezustand der Anordnung, d.h. solange der zentralenseitigen Sende-Empfangsstelle kein Modulationssignal zugeführt wird, erzeugt der Modulator 16, wie bereits kurz erwähnt wurde, Impulse mit einer der halben Periode des Taktsignals entsprechenden Dauer. Da diese Impulse durch das Taktsignal ausgelöst werden, sind sie gleich lang wie die dazwischenliegenden Pausen, und das Ausgangssignal des Modulators 16 entspricht dem Taktsignal gemäss Fig. 2b. Druch die Wirkung des Inverters 15 wird den beiden Verstärkern 9 und 10 je gleich lang ein Signal zugeführt, wodurch abwechslungsweise und ohne zeitliche Lücken die beiden Laser-Dioden 1 und 2 angesteuert werden, welche abwechslungsweise Licht von den Wellenlängen XI und X2 dem Multiplexer 3 und von dort über den Multiplexer 4 der Glasfaser 5 zuführen.

Über den Multiplexer 20 gelangt das abwechslungsweise zwei Wellenlängen aufweisende Licht nun auf den Multiplexer 22, an dessen beiden Ausgängen je intermittierend Licht einer einzigen Wellenlänge auftritt. Die beiden im Gegentakt auftretenden Signale werden den Fotodioden 23 und 24 zugeführt. Die von den beiden Dioden abgegebene Spannung wird über die Wicklungen 25 und 26 des Transformators 35 auf eine höhere Spannung transformiert, anschliessend gleichgerichtet und gesiebt und als Speisung dem Impulserzeuger 30 und dem Verstärker 31 zugeführt.

Wie schon früher ausgeführt wurde, beeinflusst ein am Eingang 19 zugeführtes tonfrequentes Signal die vom Modulator 16 abgegebenen Impulse, so dass der Verlauf der Lichtimpulse dem in Fig. 2c dargestellten Verlauf entspricht. Aus den Figuren 2b und 2c ist ersichtlich, dass der Übergang von der Wellenlänge X2 auf XI zeitlich immer mit dem Beginn der Impulse des in Fig. 2b dargestellten Taktsignals 12 zusammen fällt, während der Übergang von der Wellenlänge XI auf X2 gegenüber dem Ende der Impulse des Taktsignals zeitlich im negativen oder im positiven Sinne verschoben ist.

An der Wicklung 32 des Transformators 35 entsteht ein bipolares Rechtecksignal, welches dem in Fig. 2c dargestellten Signal entspricht. Bezogen auf je eine der Polaritäten stellt dieses Signal ein in der Pulsbreite moduliertes Signal dar. Das Spektrum dieses Signals enthält neben dem am Eingang 19 eingespeisten Tonfrequenzsignal auch Mischprodukte dieses Signals mit dem Taktsignal 12. Da die Frequenz des Taktsignals mindestens doppelt so hoch gewählt ist wie die höchste zu übertragende Tonfrequenz wirkt der Hörer 33 als Tiefpassfilter, und die auf den Hörer gegebenen Mischprodukte haben keine Wirkung, so dass nur das Tonfrequenzsignal wiedergegeben wird.

Das vom Impulserzeuger 30 abgegebene, vom Ausgangssignal des Mikrofons 34 modulierte Signal wird der Leuchtdiode 21 zugeführt, wo es in Lichtimpulse mit der Wellenlänge X3 verwandelt wird. Dieses Licht gelangt über den Multiplexer 20 auf die Glasfaser 5 und wird durch den Multiplexer 4 wiederum ausgekoppelt und an die Fotodiode 6 angelegt. Diese Diode erzeugt Spannungsimpulse, die im Verstärker 7 verstärkt und im Demodulator 11 demoduliert werden. Das Ausgangssignal 8 des Demodulators entspricht dann dem Ausgangssignal des Mikrofons 34.

Im aufgeführten Ausführungsbeispiel kann, sofern das Übersetzungsverhältnis des Transformators auf ungefähr 1 : 5 festgesetzt wird, am Ende des Übertragungsweges eine elektrische Leistung von ungefähr 100 |xW bei 2 V Spannung gewonnen werden.

Für eine verhältnismässig kurze Länge der Glasfaser-Lei-tung von bis zu 200 m genügen als Lichtquellen preisgünstige

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GaAs-Leuchtdioden (LED) mit 860 und 940 nm Wellenlänge, während als Wandler auf der Empfangsseite Silizium-Fotodioden geeignet sind.

Für einen längem Übertragungsweg von bis zu 1000 m muss, um am Ende dieselbe Ausgangsleistung zu erreichen, entweder die Leistung oder die Wellenlänge der Lichtquellen erhöht werden. Die Erhöhung der Wellenlänge wirkt sich lei-stungssteigernd aus, weil dabei die auf die Länge bezogene Dämpfung des Lichtleiters abnimmt. Die erstgenannte Massnahme kann beispielsweise durchgeführt werden, indem als Lichtquelle eine GaAs/GaAlAs-LASER-Diode mit einer Wellenlänge von 387 nm und einer gegenüber Leuchtdioden erhöhter Leistung verwendet wird. Die zweitgenannte Massnahme lässt sich mit der Verwendung einer InGaAsP-Leuchtdiode mit einer Wellenlänge von 1300 nm durchführen. Auf der Empfangsseite wird vorzugsweise für die kürzere Wellenlänge eine Silizium-Fotodiode und für die längere Wellenlänge eine GaAs-Fotodiode als Wandler verwendet. Die beiden Massnahmen können vorzugsweise kombiniert werden, indem in der gleichen Anordnung je zwei verschiedene Arten von Lichtquellen und Wandlern verwendet werden.

Da die Preise der Lichtquellen in den beschriebenen Varianten für einen kurzen und einen langen Lichtleiter um Grössen-ordnungen voneinander abweichen, sind die in der Variante für lange Leiter aufgeführten Lichtquellen für kurze Leiter unwirtschaftlich.

Die Erfindung ist natürlich nicht an das Ausführungsbeispiel gebunden. Sie kann auch angewendet werden, wenn für jede Verkehrsrichtung ein eigener Lichtleiter besteht oder wenn das die Speisung übertragende Licht nicht über einen Lichtleiter 5 fortgeleitet wird. Dieser letztgenannte Fall kann für die Speisung eines galvanisch vollständig isolierten Verstärkers in Frage kommen, welcher sich bei der Speisequelle befindet. Sofern das Licht über zwei Wege übertragen wird, kann für beide Takte die gleiche Wellenlänge angewendet werden.

io Die Erfindung ist auch nicht an die abwechslungsweise Erzeugung von Licht verschiedener Wellenlängen gebunden. Wesentlich ist der Umstand, dass das Licht einer bestimmten Wellenlänge intermittierend gesendet wird und dass ein Lichtwandler direkt auf einen Transformator einwirkt.

15 Es sind aus einer Kombination von verschiedenen LASER-Dioden und steuerbaren Licht-Filtern bestehende Lichtquellen bekannt geworden, welche in Abhängigkeit von der Ansteue-rung Licht von verschiedener Wellenlänge abgeben. Anstelle von zwei Lichtquellen und einem Multiplexer kann auch eine 20 solche Kombination verwendet werden.

Die Verwendung von LASER-Dioden und Lichterzeugungs-Dioden (LED) als Lichterzeuger und die Verwendung von Fotodioden zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie sind nur als Beispiele zu betrachten. Die Erfindung lässt sich grund-25 sätzlich für alle Arten von Lichtquellen und von Lichtauswer-tern anwenden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Opto-elektronische Anordnung zur Speisung einer elektronischen Schaltung, in welcher Anordnung die Speiseenergie in der Form von Licht zwischen mindestens einer Lichtquelle (1, 2) und mindestens einem Licht in elektrische Energie umwandelnden Wandler (23, 24) übertragen wird, wobei von diesem Wandler abgegebene Energie intermittierend mindestens einer Eingangswicklung (25) eines Transformators (35) zugeführt, durch diesen Transformators (35) auf eine höhere Spannung transformiert und anschliessend weiterverarbeitet wird, gekennzeichnet durch der (den) Lichtquelle(n) zugeordnete Schaltungsmittel (12, 16, 15), welche die Lichtquelle(n) (je) zur intermittierenden Abgabe von Licht mit einer oder zwei bestimmten Wel-lenlänge(n) (XI, X2) veranlassen und durch eine unterbruchslose Verbindung zwischen dem (den) genannten Wandler(n) und der (den) genannten Eingangswicklung(en) (25).

2. Opto-elektronische Anordnung nach Patentanspruch 1, in welcher mit Hilfe des Lichts ausser Speiseenergie auch Information (19, 33) übertragen wird und in welcher die der (den) Lichtquelle(n) (1, 2) zugeordneten Schaltungsmittel (15, 16, 11) die jeweiligen Wechsel der Lichterzeugung von einem ersten (X2) auf einen zweiten (XI) Zustand in einem regelmässigen Takt vornehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Schaltungsmittel (15, 16, 11) die Zeitpunkte der jeweiligen Wechsel vom zweiten (XI) in den ersten (X2) Zustand der Lichterzeugung derart von der zu übertragenden Information abhängig machen, dass die Information in der Form von Puls-Dauer-Modulation übertragen wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Opto-elektronische Anordnung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Wandler (23, 24), durch zwei Eingangswicklungen (25) des Transformators (35), an welche die beiden Wandler im Gegentakt angeschlossen sind und durch eine Ausbildung der Lichtquelle(n) und der sie steuernden Schaltungsmittel (12, 16, 15) in einer Weise, gemäss welcher den beiden Wandlern abwechslungsweise Licht der ihr zugeordneten Wellenlänge zugeführt wird.

4. Opto-elektronische Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Lichtquelle(n) (1, 2) abwechslungsweise Licht von verschiedener Wellenlänge (XI, X2) erzeugt wird und dass jeder Wandler (23, 24) Licht von verschiedener Wellenlänge umwandelt.

5. Opto-elektronische Anordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht beider Wellenlängen (XI, X2) über einen einzigen Lichtleiter nach den Wandlern (23, 24) übertragen und mit Hilfe eines Lichtwellenlängen-Multi-plexers (22) auf die beiden Wandler verteilt wird.

6. Opto-elektronische Anordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lichtquellen (1, 2) vorhanden sind, welche Licht mit verschiedener Wellenlänge (XI, X2) erzeugen und dass das von den beiden Lichtquellen erzeugte Licht durch einen Lichtwellenlängen-Multiplexer (3) zusammen-gefasst und über einen einzigen Lichtleiter (5) nach den Wandlern (23 , 24) übertragen wird.

7. Opto-elektronische Anordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Lichtquelle vorhanden ist, welche abwechslungsweise Licht mit zwei verschiedenen Wellenlängen (XI, X2) erzeugt.

8. Opto-elektronische Anordnung nach einem der Patentansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Schaltungsmittel (12, 16, 15) die Lichtquelle(n) zur praktisch lückenlos aufeinanderfolgenden Abgabe von Licht veranlassen.

9. Opto-elektronische Anordnung nach den Patentansprüchen 2 und 8.

10. Opto-elektronische Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1, 2) Laser sind.

11. Opto-elektronische Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1, 2) Licht emittierende Dioden (LED) sind.

12. Opto-elektronische Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (23, 24) Fotodioden sind.

Es ist allgemein bekannt, über Lichtleiter nicht nur Information, sondern auch Speiseenergie, zum Beispiel von einer Telefonzentrale nach einer Teilnehmerstation, zu übertragen. Da- -bei wird in der Zentrale Lichtenergie durch einen Lichterzeuger in einen Lichtleiter, vorzugsweise eine Glasfaser, eingespeist, an der Teilnehmerstation durch eine oder mehrere opto-elektrische Wandler empfangen und in elektrische Energie umgewandelt. Bei einer solchen Anordnung ist es nachteilig, dass die von den als Wandler verwendeten Fotodioden abgegebene Spannung nur ungefähr 1 V beträgt, während die meisten elektronischen Schaltungen eine höhere Speisespannung benötigen. Bei dieser niedrigen Speisespannung weisen die bekannten Schaltungen einen sehr schlechten Wirkungsgrad auf oder können überhaupt nicht betrieben werden. Es ist daher notwendig, die von den Wandlern abgegebene Spannung zu erhöhen.

Es ist bekannt, eine solche Erhöhung durch eine herkömmliche Zerhackerschaltung mit anschliessender Transformation und Gleichrichtung (DC-DC-Wandler) zu erreichen, wobei jedoch die vorher aufgeführten Nachteile einer niedrigen Speisespannung für den Betrieb des Zerhackers bestehen bleiben. Es ist auch bekannt, mehrere Fotodioden in Serie zu schalten, wobei eine Schwierigkeit darin liegt, das über den Lichtleiter ankommende Licht mehr oder weniger gleichmässig und verlustarm auf diese Fotodioden zu verteilen.

Bei bekannten Anordnungen wird mit den Speiseenergie übertragenden Sende- und Empfangseinrichtungen zusätzlich Information übertragen, indem die Lichtenergie in Impulse unterteilt wird, welche gegenüber den Zwischenräumen lang und in ihrer Länge oder Phase mit der Information moduliert sind. Infolge der erwähnten Zwischenräume ist die auf diese Weise übertragbare Leistung kleiner als sie bei ununterbrochener Übertragung von Licht sein könnte.