DE102011052969A1

DE102011052969A1 - Measuring device with galvanic separation by laser

Info

Publication number: DE102011052969A1
Application number: DE102011052969A
Authority: DE
Inventors: Carsten Kühn
Original assignee: MF INSTR GmbH; MF INSTRUMENTS GmbH
Current assignee: MF INSTR GmbH; MF INSTRUMENTS GmbH
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2012-07-12
Also published as: WO2012059216A3; WO2012059216A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen oder technischen Grösse mit einer als galvanische Trennung wirkenden Lichtquelle und einer Temperaturregeleinrichtung zur Regelung der Temperatur der Lichtquelle.The invention relates to a device for measuring an electrical or technical variable with a light source acting as electrical isolation and a temperature control device for controlling the temperature of the light source.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen oder technischen Grösse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Messung einer elektrischen oder technischen Grösse, eine Lasereinrichtung, Verwendungen einer Lasereinrichtung sowie eine Verwendung einer Vorrichtung zum Messen einer elektrischen oder technischen Grösse nach den nebengeordneten Ansprüchen.The invention relates to a device for measuring an electrical or technical size according to the preamble of claim 1 and a method for measuring an electrical or technical size, a laser device, uses a laser device and a use of a device for measuring an electrical or technical size according to the sibling claims.

Stand der TechnikState of the art

Bei vielen technischen Messaufgaben wird eine galvanisch entkoppelte Übertragung von Messsignalen benötigt. Ein Grund hierfür ist, dass bei Messungen in Messobjekten mit mehreren Bezugspotentialen die Bezugspotentiale nicht miteinander oder mit dem Schutzleiter des Stromversorgungsnetzes verbunden werden dürfen. Beispiele für Fälle, in denen eine galvanisch entkoppelte Übertragung von Messsignalen benötigt wird, sind Oszilloskopmessungen an Stromversorgungen auf der Primär- und Sekundärseite oder im Steuer- und Leistungskreis elektrischer Antriebe.Many technical measurement tasks require galvanically decoupled transmission of measurement signals. One reason for this is that, in measurements in DUTs with multiple reference potentials, the reference potentials must not be connected to each other or to the protective conductor of the power supply network. Examples of cases in which galvanically decoupled transmission of measurement signals is required are oscilloscope measurements on power supplies on the primary and secondary side or in the control and power circuit of electrical drives.

Unter galvanischer Trennung versteht man den Fall, dass es für Ladungsträger keinen Weg gibt, aus einem Stromkreis in einen anderen, unmittelbar benachbarten Stromkreis zu fliessen. Häufigster Anwendungsfall für die galvanische Trennung sind Transformatoren mit Verbindung zum öffentlichen Stromnetz. Hier ist eine galvanische Trennung vorgeschrieben, die durch zwei elektrisch getrennte Spulen mit einem gemeinsamen Eisenkern realisiert werden. Ein Informationsaustausch zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen ist durch nicht elektrische Übertrager, z. B. durch Optokoppler möglich.Galvanic isolation means the case that there is no way for carriers to flow from one circuit to another, immediately adjacent circuit. The most common application for galvanic isolation are transformers connected to the public grid. Here, a galvanic separation is prescribed, which are realized by two electrically separate coils with a common iron core. An exchange of information between galvanically isolated circuits is by non-electrical transformer, z. B. possible by optocouplers.

Die DE 101 01 632 B4 beschreibt einen Oszilloskoptastkopf mit faseroptischem Sensor zur potentialfreien Erfassung elektrischer Grössen. Hierbei wird über einen Lichtleiter Energie ausschliesslich in Form von Licht konstanter Intensität, welches in einem elektrooptisch aktiven Kristall entsprechend einem angelegten elektrischen Messsignal in seiner Intensität moduliert wird, zu einem Empfänger übertragen.The DE 101 01 632 B4 describes an oscilloscope probe with fiber optic sensor for potential-free detection of electrical quantities. In this case, energy is transmitted via a light guide exclusively in the form of light of constant intensity, which is modulated in intensity in an electro-optically active crystal in accordance with an applied electrical measurement signal, to a receiver.

Nachteilig bei Messgeräten mit galvanischer Trennung und Optokoppler, welcher beispielsweise als Laser ausgeführt sein kann, sind entweder ihre hohe Komplexität und ihre hohe Anzahl an Teilen oder, bei weniger kompliziert aufgebauten Messgeräten, eine zu geringe Präzision.A disadvantage of measuring devices with galvanic isolation and optocouplers, which may be embodied for example as a laser, either their high complexity and their high number of parts or, with less complicated measuring instruments, too low precision.

Aus dem Stand der Technik sind Laser bekannt, welche sich für eine analoge Übertragung von Messsignalen eignen. Der Vorteil solcher Laser, beispielsweise von VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)-Lasern, ist, dass eine grosse Bandbreite in einem analogen Übertragungsverfahren zuverlässig übertragen werden kann.Lasers are known from the prior art, which are suitable for analog transmission of measurement signals. The advantage of such lasers, for example VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) lasers, is that a large bandwidth can be transmitted reliably in an analog transmission method.

Problematisch hat sich jedoch eine Leistungsregelung solcher Laser erwiesen, da herkömmliche Regelkreise nur eine sehr begrenzte Ansprechgeschwindigkeit aufweisen. Dies führt zu einer Einschränkung der übertragbaren Bandbreite auf der optischen Übertragungsstrecke. Eine Möglichkeit, die bisher angewendet wird, ist, dass das zu übertragende Signal erst nach dem Regler eingekoppelt bzw. aufmoduliert wird. Der Sollwert für den Regelkreis kann dann ein niederfrequenter oder ein Gleichstrom-Sollwert sein. Das zu übertragende Signal kann dann auch höherfrequent sein, da es den Regler nicht beeinflusst. Dies weist jedoch den Nachteil auf, dass der Regler eben nicht das eingekoppelte HF-Signal regelt, so dass die Regelung wiederum ungenügend sein kann, so dass es zu Übertragungseinschränkungen kommt. Weiterhin ist nachteilig, dass keine niederfrequenten Anteile eines zu übertragenden Signals übertragen werden können, da diese in einem zwingend vorzusehenden Tiefpassfilter, der das Trägersignal wieder ausfiltern soll, nicht erfasst werden. Dadurch gelangen diese niederfrequenten Anteile zu dem Regler, wo sie sich wie eine Störung auswirken und ausgeregelt werden.However, a power control of such laser has proved problematic, since conventional control circuits have only a very limited response speed. This leads to a restriction of the transferable bandwidth on the optical transmission path. One possibility that has been used hitherto is that the signal to be transmitted is injected or modulated only after the controller. The setpoint for the control loop can then be a low-frequency or a DC setpoint. The signal to be transmitted can then also be higher-frequency, since it does not affect the controller. However, this has the disadvantage that the controller just does not regulate the injected RF signal, so that the control can again be insufficient, so that there are transmission restrictions. Another disadvantage is that no low-frequency components of a signal to be transmitted can be transmitted, since these are not detected in a mandatory low-pass filter, which is intended to filter out the carrier signal again. As a result, these low-frequency components reach the controller, where they act as a disturbance and are corrected.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des oben genannten Standes der Technik zu beheben oder zumindest zu vermindern. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen oder technischen Grösse zu schaffen, welche über eine galvanische Trennung verfügt und welche einfach und kostengünstig aufgebaut ist.It is the object of the invention to eliminate or at least reduce the disadvantages of the above-mentioned prior art. In particular, it is an object of the invention to provide a device for measuring an electrical or technical size, which has a galvanic isolation and which is simple and inexpensive.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen oder technischen Grösse gemäss Anspruch 1 gelöst. Unabhängige Gegenstände der Erfindung sind ein Verfahren zur Messung einer elektrischen oder technischen Grösse gemäss Anspruch 12, eine Lasereinrichtung gemäss Anspruch 15, Verwendungen einer Lasereinrichtung gemäss der Ansprüche 28 und 29 sowie eine Verwendung einer Vorrichtung zum Messen einer elektrischen oder technischen Grösse gemäss Anspruch 30. The object is achieved by a device for measuring an electrical or technical size according to claim 1. Independent objects of the invention are a method for measuring an electrical or technical quantity according to claim 12, a laser device according to claim 15, uses of a laser device according to claims 28 and 29 and a use of a device for measuring an electrical or technical quantity according to claim 30.

Erfindungsgemäss ist eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen oder technischen Grösse mit einem Sender zum Abgreifen und Anpassen der elektrischen oder technischen Grösse vorgesehen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Empfänger zum Anzeigen eines Messwerts der elektrischen oder technischen Grösse und eine Lichtübertragung zwischen dem Sender und und dem Empfänger der Vorrichtung. Die Lichtübertragung stellt eine galvanische Trennung von Sender und Empfänger dar. Ausserdem umfasst die Vorrichtung eine dimmbare Lichtquelle, oder eine Lichtquelle, deren Lichtstrom veränderbar ist, zur Einkopplung eines der elektrischen oder physikalischen Grösse proportionalen Lichtstroms in die Lichtübertragung. Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist die Lichtquelle Strom- oder spannungsgesteuert dimmbar. Bei typischen Ausführungsformen ist der Lichtstrom mit Hilfe einer Blende oder einer in ihrer Grösse veränderbaren Öffnung veränderbar.According to the invention, a device is provided for measuring an electrical or technical quantity with a transmitter for picking up and adjusting the electrical or technical size. Furthermore, the device comprises a receiver for displaying a measured value of electrical or technical size and a light transmission between the transmitter and the receiver of the device. The light transmission is a galvanic separation of transmitter and receiver. In addition, the device comprises a dimmable light source, or a light source whose luminous flux is variable, for coupling a luminous flux proportional to the electrical or physical size in the light transmission. In advantageous embodiments, the light source is current or voltage controlled dimmable. In typical embodiments, the luminous flux is variable by means of a diaphragm or a variable in size opening.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Lichtquelle einen Laser. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen emittiert der Laser Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 200 nm, bevorzugt mehr als 400 nm, besonders bevorzugt mehr als 600 nm. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist der Laser ein Infrarotlaser oder ein VCSEL-Laser oder eine Laserdiode. Bei typischen Ausführungsformen umfasst die Lichtquelle mehrere lichtemittierende Dioden. Typischerweise umfassen diese lichtemittierende Dioden anorganische oder organische Materialien. Besonders bevorzugt wird die Verwendung von LEDs oder OLEDs.In advantageous embodiments, the light source comprises a laser. In particularly advantageous embodiments, the laser emits radiation having a wavelength of more than 200 nm, preferably more than 400 nm, more preferably more than 600 nm. In particularly advantageous embodiments, the laser is an infrared laser or a VCSEL laser or a laser diode. In typical embodiments, the light source includes a plurality of light emitting diodes. Typically, these light emitting diodes comprise inorganic or organic materials. Particularly preferred is the use of LEDs or OLEDs.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Lichtübertragung einen Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter umfasst seinerseits mindestens einen Singlemode- oder Multimode-Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter hat den Vorteil, dass das von der Lichtquelle ausgesendete Licht über weite Strecken vom Sender zum Empfänger transportiert werden kann.In particularly advantageous embodiments, the light transmission comprises an optical waveguide. The optical waveguide in turn comprises at least one single-mode or multi-mode optical waveguide. The optical waveguide has the advantage that the light emitted by the light source can be transported over long distances from the transmitter to the receiver.

Typische erfindungsgemässe Lichwellenleiter sind mindestens 10 m, bevorzugt mindestens 50 m, besonders bevorzugt mindestens 100 m lang. Besonders vorteilhaft sind Lichtwellenleiter mit einer Länge von mindestens 500 m. Der Vorteil von mehreren Singlemode- oder Multimode-Lichtwellenleitern liegt darin, dass durch die Kombination von unterschiedlichen Lichtwellenleitern unterschiedlichen Wellenlängen und spektralen Zusammensetzungen des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstroms Sorge getragen werden kann, wodurch die Präzision und die maximale Übertragungsstrecke des Lichtwellenleiters verbessert werden.Typical inventive optical waveguides are at least 10 m, preferably at least 50 m, particularly preferably at least 100 m long. Particularly advantageous are optical fibers with a length of at least 500 m. The advantage of having multiple singlemode or multi-mode optical fibers is that the combination of different optical fibers of different wavelengths and spectral compositions can provide the luminous flux emitted by the light source, thereby improving the precision and maximum transmission distance of the optical fiber.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen umfasst der Empfänger eine Fotodiode zur Umwandlung des Lichtstroms in den Messwert. Aus der Lichtübertragung, speziell dem Lichtwellenleiter, austretende Photonen treffen auf die Fotodiode auf, wodurch ein der elektrischen oder physikalischen Grösse proportionaler Messwert erzeugt wird.In advantageous embodiments, the receiver comprises a photodiode for converting the luminous flux into the measured value. From the light transmission, especially the optical fiber, emerging photons impinge on the photodiode, whereby a measurement value proportional to the electrical or physical size is generated.

Die Vorrichtung ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Temperaturregeleinrichtung zum Kühlen oder Beheizen der Lichtquelle umfasst. Dadurch wird die Temperatur der Lichtquelle konstant gehalten und eine sehr gute Präzision erreicht. Dies bietet den Vorteil, dass im Betrieb auftretende Temperaturschwankungen der Lichtquelle, welche zu einer Verschlechterung der Präzision des Messwertes führen könnten, mit Hilfe der Temperaturregeleinrichtung ausgeregelt werden können.The device is advantageously characterized in that it comprises a temperature control device for cooling or heating the light source. As a result, the temperature of the light source is kept constant and achieved a very good precision. This offers the advantage that temperature fluctuations of the light source occurring during operation, which could lead to a deterioration of the precision of the measured value, can be compensated with the aid of the temperature control device.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Temperaturregeleinrichtung einen elektrothermischen Wandler, bevorzugt Peltierelement oder Peltier-Kühler oder TEC. Der Vorteil eines solchen elektrothermischen Wandlers, speziell eines Peltierelements, ist seine geringe Grösse, die Vermeidung von bewegten Bauteilen sowie die Vermeidung einer Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten. Ferner ist speziell durch die Verwendung eines Peltierelements sowohl ein Kühlen als auch ein Heizen möglich, wodurch eine Thermostatierung der Vorrichtung, speziell der Lichtquelle, erreicht wird.In advantageous embodiments, the temperature control device comprises an electrothermal transducer, preferably Peltier element or Peltier cooler or TEC. The advantage of such an electrothermal transducer, especially a Peltier element, is its small size, the avoidance of moving components and the avoidance of the use of gases or liquids. Furthermore, both by the use of a Peltier element both cooling and heating is possible, whereby a thermostating of the device, especially the light source is achieved.

Besonders bevorzugt wird es, wenn die Temperaturregelvorrichtung einen Temperatursensor umfasst. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist der Temperatursensor ein Widerstandsthermometer, also ein elektrisches Bauteil, welches die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines Leiters zur Messung der Temperatur ausnutzt. Vorzugsweise besteht das Widerstandsthermometer aus einem Edelmetall, aus Keramik oder aus einem Halbleitermaterial. Typischerweise ist der Temperatursensor ein Thermistor, bevorzugt Heissleiter oder NTC-Widerstand. Der Vorteil der Verwendung eines Widerstandsthermometers als Temperatursensor liegt darin, dass sich mit seiner Hilfe in Abhängigkeit der Temperatur ein Spannungsabfall einstellen lässt, welcher dann zur Regelung in einem messtechnischem System herangezogen werden kann.It is particularly preferred if the temperature control device comprises a temperature sensor. In particularly advantageous embodiments, the temperature sensor is a resistance thermometer, that is to say an electrical component which utilizes the temperature dependence of the electrical resistance of a conductor for measuring the temperature. The resistance thermometer preferably consists of a noble metal, of ceramic or of a semiconductor material. Typically, the temperature sensor is a thermistor, preferably a hot conductor or NTC resistor. The advantage of using a resistance thermometer as Temperature sensor is that with its help, depending on the temperature, a voltage drop can be set, which can then be used for control in a metrological system.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Temperaturregeleinrichtung eine Regelgruppe. Typischerweise umfasst diese Regelgruppe eine konstante Stromquelle und einen Verstärker zur Messung des Widerstands des Temperatursensors und somit indirekt zur Messung der Temperatur der Lichtquelle. Von der so erzeugten, der Temperatur der Lichtquelle proportionalen Spannung, wird typischerweise in einer Subtraktionsschaltung ein Temperatursollwert abgezogen und die Abweichung einem Regler, bevorzugt linearem Regler, besonders bevorzugt PI-Regler zugeführt. Über eine Endstufe steuert der Regler das thermoelektrische Element, bevorzugt Peltierelement, so an, dass die Temperatur der Lichtquelle konstant gehalten wird.In advantageous embodiments, the temperature control device comprises a control group. Typically, this control group comprises a constant current source and an amplifier for measuring the resistance of the temperature sensor and thus indirectly for measuring the temperature of the light source. From the voltage generated in this way, which is proportional to the temperature of the light source, a temperature setpoint is typically subtracted in a subtraction circuit, and the deviation is fed to a controller, preferably a linear controller, particularly preferably a PI controller. Via a final stage, the controller controls the thermoelectric element, preferably Peltier element, so that the temperature of the light source is kept constant.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist die Lichtquelle oder der Laser oder die Laserdiode zusammen mit dem Temperatursensor und dem elektrothermischen Element, bevorzugt Peltierelement, in einer Lichtgruppe oder einer Lasergruppe zusammengefasst. Die längste Kantenlänge oder ein Längsmass der Licht- oder Lasergruppe beträgt vorzugsweise maximal 50 mm, bevorzugt maximal 30 mm. Eine solche Licht- oder Lasergruppe oder ein integriertes Licht- oder Lasermodul hat den Vorteil, dass eine äusserst kompakte Aufbauform der Vorrichtung erreicht werden kann, was beispielsweise das Einkoppeln des erzeugten Lichts in den Lichtwellenleiter sowie die punktgenaue Erfassung und Regelung der Temperatur ermöglicht.In advantageous embodiments, the light source or the laser or the laser diode is combined together with the temperature sensor and the electrothermal element, preferably Peltier element, in a light group or a laser group. The longest edge length or a longitudinal dimension of the light or laser group is preferably at most 50 mm, preferably at most 30 mm. Such a light or laser group or an integrated light or laser module has the advantage that an extremely compact design of the device can be achieved, which allows, for example, the coupling of the light generated in the optical waveguide and the pinpoint detection and control of the temperature.

Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Empfänger eine Kontrolleinheit zum Eliminieren von Messfehlern. Messfehler können beispielsweise durch unterschiedliche Längen des Lichtwellenleiters entstehen. Die Kontrolleinheit umfasst vorzugsweise einen Microcontroller, welcher nach einem Einschalten der Vorrichtung ein vom Sender erzeugtes Referenzsignal misst. Typischerweise eliminiert der Microcontroller den Messfehler dann dadurch, dass er die Spannungsverstärkung einer Operationsverstärkerschaltung so einstellt, dass die Länge des Lichtwellenleiters keinen Einfluss mehr auf das Messergebnis hat.In preferred embodiments, the receiver comprises a control unit for eliminating measurement errors. Measuring errors can arise, for example, due to different lengths of the optical waveguide. The control unit preferably comprises a microcontroller which measures a reference signal generated by the transmitter after the device has been switched on. Typically, the microcontroller then eliminates the measurement error by adjusting the voltage gain of an operational amplifier circuit such that the length of the optical waveguide no longer has any influence on the measurement result.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung eine Linearisierungsschaltung zur Verbesserung einer Linearität der Lichtquelle. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Linearisierungsschaltung aus einem Linearisierungswiderstand und/oder einer Linearisierungsstromquelle besteht, wobei der Linearisierungswiderstand und/oder die Linearisierungsstromquelle vorzugsweise parallel zur Lichtquelle angeordnet sind/ist. Durch die Parallelschaltung eines Widerstands zur Lichtquelle, bevorzugt VCSEL-Lichtquelle, und vorzugsweise die Speisung durch eine Stromquelle wird erreicht, dass sich eine Nichtlinearität einer Strom-Spannungs-Kennlinie der Lichtquelle und/oder der Linearisierungsschaltung entgegengesetzt zu einer Nichtlinearität einer Strom-Leistungs-Kennlinie der Lichtquelle und/oder der Linearisierungsschaltung auswirkt. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Linearisierungswiderstands geeignet, einen Linearisierungswert einzustellen, so dass eingestellt werden kann, wie stark sich die Strom-Spannungs-Kennlinie auswirkt.In advantageous embodiments, the device comprises a linearization circuit for improving a linearity of the light source. It is particularly advantageous if the linearization circuit consists of a linearization resistor and / or a linearization current source, wherein the linearization resistance and / or the linearization current source are / is preferably arranged parallel to the light source. By the parallel connection of a resistor to the light source, preferably VCSEL light source, and preferably the supply by a current source, it is achieved that a nonlinearity of a current-voltage characteristic of the light source and / or the linearization circuit is opposite to a non-linearity of a current-power characteristic the light source and / or the linearization circuit. In preferred embodiments, the linearization resistance is suitable for setting a linearization value, so that it is possible to set the extent to which the current-voltage characteristic has an effect.

Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Messen einer elektrischen oder technischen Grösse mit einem Sender zum Abgreifen und Anpassen der elektrischen oder technischen Grösse, einem Empfänger zum Anzeigen eines Messwerts der elektrischen oder technischen Grösse und einer Lichtübertragung zwischen dem Sender und dem Empfänger zur galvanischen Trennung von Sender und Empfänger wird die elektrische oder physikalische Grösse vorzugsweise über einen Laser (1, 20) in einen der elektrischen oder physikalischen Grösse proportionalen Lichtstrom umgewandelt wird.In an advantageous method for measuring an electrical or technical size with a transmitter for tapping and adjusting the electrical or technical size, a receiver for displaying a measured value of electrical or technical size and a light transmission between the transmitter and the receiver for galvanic isolation of transmitter and Receiver is the electrical or physical size preferably via a laser ( 1 . 20 ) is converted into a luminous flux proportional to the electrical or physical quantity.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Lasereinrichtung anzugeben, die einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Regelkreis aufweist. Insbesondere soll eine Bandbreite einer mit der Lasereinrichtung möglichen Übertragung möglichst nur geringfügig oder nicht eingeschränkt werden.The object of the invention is furthermore to specify a laser device which has a comparison with the prior art improved control loop. In particular, a bandwidth of a transmission possible with the laser device should be limited as little as possible or not at all.

Erfindungsgemäss wird zur Lösung der Aufgabe eine Lasereinrichtung nach Anspruch 15 vorgesehen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung sind die Verwendungen einer solchen Lasereinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen.According to the invention, a laser device according to claim 15 is provided for achieving the object. Another aspect of the invention are the uses of such a laser device according to the independent claims.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Verwendung einer Mess-Fotodiode mit einer geringen Kapazität die Geschwindigkeit des Regelkreises erhöht wird. Auf diese Weise wird die zu übertragende Bandbreite nur wenig oder nicht eingeschränkt. Vorzugsweise wird die Lasereinrichtung verwendet, um analog Messdaten über einen Lichtwellenleiter zu einem entfernten Empfänger zu übertragen. Eine solche Anordnung bietet den Vorteil einer grossen Bandbreite auch bei einer grossen Übertragungslänge. Die Regeleinheit umfasst vorzugsweise ein PDI-Regler, wobei ein PDI-Regler den Vorteil bietet, dass eine hohe Regelgüte erreicht wird. Besonders bevorzugt werden Mess-Fotodioden mit einer Kapazität von weniger als 2 pF, noch bevorzugter maximal 1 pF und noch bevorzugter maximal 0,5 pF. Es wurde festgestellt, dass bei der Verwendung von Mess-Fotodioden mit 0,5 pF eine Regelgeschwindigkeit geschaffen werden kann, die ausreicht, um die Bandbreite nicht unnötig einzuschränken.The invention offers the advantage that the speed of the control loop is increased by the use of a measuring photodiode with a low capacitance. In this way, the bandwidth to be transmitted is little or not limited. Preferably, the laser device is used to transmit analog measurement data via an optical waveguide to a remote receiver. Such an arrangement offers the advantage of a large bandwidth even with a large transmission length. The control unit preferably comprises a PDI controller, wherein a PDI controller offers the advantage that a high control quality is achieved. Particular preference is given to measuring photodiodes with a capacity of less than 2 pF, more preferably not more than 1 pF and even more preferably not more than 0.5 pF. It was found that when using 0.5 pF measurement photodiodes can provide a control speed sufficient to not unnecessarily limit the bandwidth.

Vorteilhafterweise wird das zu übertragende Singal als Sollwert der Regeleinheit zur Verfügung gestellt. Der Eingang der Regeleinheit ist demnach mit einem Sollwerteingang zur Einspeisung des zu übertragenden Signals verbunden. Dies bietet den Vorteil, dass die Regelung auch das zu übertragende Signal umfasst, so dass nicht zwingend ein Trägersignal vorgesehen sein muss. Ebenso ist auch eine Übertragung niederfrequenter Signale oder gar konstanter Signalgrössen möglich.Advantageously, the signal to be transmitted is made available as the desired value of the control unit. The input of the control unit is therefore connected to a setpoint input for feeding the signal to be transmitted. This offers the advantage that the control also includes the signal to be transmitted, so that a carrier signal does not necessarily have to be provided. Similarly, a transmission of low-frequency signals or even constant signal sizes is possible.

Vorzugsweise umfasst die Messeinrichtung einen Transimpedanzverstärker, welcher eingangsseitig mit der Mess-Fotodiode und ausgangsseitig mit der Regeleinheit verbunden ist. Die Regeleinheit umfasst vorzugsweise einen Mischer, welcher dem eigentlichen Regler vorgeschaltet ist und einen Sollwert mit dem Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers vergleicht. Ein Transimpedanzverstärker im Zusammenhang mit der Mess-Fotodiode geringer Kapazität bietet den Vorteil einer schnellen Rückkopplung, sodass die geforderte Regelgeschwindigkeit erreicht werden kann.Preferably, the measuring device comprises a transimpedance amplifier, which is connected on the input side to the measuring photodiode and on the output side to the control unit. The control unit preferably comprises a mixer, which is connected upstream of the actual controller and compares a desired value with the output signal of the transimpedance amplifier. A transimpedance amplifier in conjunction with the small-capacity measuring photodiode offers the advantage of fast feedback, so that the required control speed can be achieved.

Vorzugsweise sind die Messeinrichtung oder die Regeleinheit geeignet, Änderungen eines Sollwerts für die abgegebene Leistung mit einer Frequenz von mindestens 5 MHz, noch bevorzugter mindestens 10 MHz zu verarbeiten. Dies wird erreicht durch den Einsatz der oben beschriebenen Mess-Fotodioden geringer Kapazität im Zusammenhang mit dem Transimpedanzverstärker und bietet den Vorteil einer grossen Bandbreite der Übertragungsstrecke.Preferably, the measuring device or the control unit are adapted to process changes in a target value for the output power with a frequency of at least 5 MHz, more preferably at least 10 MHz. This is achieved through the use of the above-described low-capacitance measurement photodiodes in conjunction with the transimpedance amplifier and offers the advantage of a large bandwidth of the transmission path.

Vorzugsweise umfasst die Lasereinrichtung einen Auskoppler, welcher den Teil des Lichts, welcher durch die Mess-Fotodiode erfasst wird, aus dem Laserlicht auskoppelt. Vorzugsweise koppelt der Auskoppler maximal 40%, bevorzugter maximal 35%, noch bevorzugter maximal 30% des Laserlichts aus. Typische Varianten der Erfindung koppeln vorteilhafterweise sogar lediglich maximal 15% des Laserlichts aus. Die genannten Anteile unter 50% bieten den Vorteil, dass auf der Übertragungsstrecke zu einem Empfänger ausreichend Laserlicht für die Übertragung verbleibt. Typische Ausführungsformen weisen einen teildurchlässigen Spiegel als Auskoppler auf. Ein teildurchlässiger Spiegel bietet den Vorteil eines kompakten Aufbaus. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem teildurchlässigen Spiegel und dem Laser oder zwischen dem teildurchlässigen Spiegel und der Mess-Fotodiode maximal 30 mm, bevorzugter maximal 20 mm.Preferably, the laser device comprises an output coupler which decouples the part of the light which is detected by the measuring photodiode from the laser light. Preferably, the output coupler couples out at most 40%, more preferably at most 35%, even more preferably at most 30% of the laser light. Advantageously, typical variants of the invention even couple only a maximum of 15% of the laser light. The stated proportions below 50% offer the advantage that sufficient laser light remains on the transmission path to a receiver for the transmission. Typical embodiments have a partially transparent mirror as an output coupler. A partially transparent mirror offers the advantage of a compact construction. Preferably, the distance between the partially transmissive mirror and the laser or between the partially transmissive mirror and the measuring photodiode is a maximum of 30 mm, more preferably a maximum of 20 mm.

Typische Ausführungsformen der Erfindung umfassen einen Schmelzkoppler als Auskoppler. Schmelzkoppler bieten den Vorteil eines einfachen Aufbaus, wobei ein Schmelzkoppler einfach in eine Lichtwellenleiter-Anordnung eingebaut werden kann.Typical embodiments of the invention include a fusion coupler as an output coupler. Melt couplers offer the advantage of a simple construction, wherein a fusion coupler can be easily installed in an optical waveguide arrangement.

Vorzugsweise sind der Laser, der teildurchlässige Spiegel und die Mess-Fotodiode in einem Lasermodul zusammengefasst. Dies bietet den Vorteil eines besonders kompakten Aufbaus. Vorzugsweise ist die längste Kantenlänge des Lasermoduls 50 mm, noch bevorzugter maximal 30 mm. Vorzugsweise ist das Lasermodul auf einem Chip angeordnet, welcher auf einer Leiterplatte angeordnet werden kann. Dies bietet die Sicherheit, dass die Anordnung der einzelnen Teile zueinander definiert ist, sodass keine Justierarbeiten ausgeführt werden müssen. Vorzugsweise ist im Lichtstrahl stromabwärts des teildurchlässigen Spiegels ein Steckverbinder angeordnet, über welchen ein Lichtwellenleiter anschliessbar ist. Dies bietet die Möglichkeit eines universellen Einsatzes des Lasermoduls. Vorteilhafte Ausführungsformen der Lasereinrichtung umfassen ein Lasermodul, das einen Steckverbinder zum Anschluss eines Lichtwellenleiters umfasst.Preferably, the laser, the partially transmissive mirror and the measuring photodiode are combined in a laser module. This offers the advantage of a particularly compact design. Preferably, the longest edge length of the laser module is 50 mm, more preferably a maximum of 30 mm. Preferably, the laser module is arranged on a chip, which can be arranged on a printed circuit board. This provides the certainty that the arrangement of the individual parts is defined to each other, so no adjustment work must be performed. Preferably, in the light beam downstream of the partially transparent mirror, a connector is arranged, via which an optical waveguide is connectable. This offers the possibility of a universal use of the laser module. Advantageous embodiments of the laser device include a laser module comprising a connector for connecting an optical waveguide.

Besonders bevorzugt werden die beschriebenen erfindungsgemässen Lasereinrichtungen zur Signalübertragung, insbesondere in der Messtechnik verwendet. Sie bieten insbesondere in der Messtechnik bei schwierigen Umgebungsbedingungen oder bei hohen Spannungen den Vorteil, dass Messsignale zuverlässig und stromlos über einen Lichtleiter übertragen werden können.The described laser devices according to the invention are particularly preferably used for signal transmission, in particular in metrology. In particular, they offer the advantage in measurement technology under difficult environmental conditions or at high voltages that measurement signals can be transmitted reliably and without current via a light guide.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Messen einer elektrischen oder physikalischen Grösse umfasst sowohl eine Lasereinrichtung mit einer Mess-Fotodiode, als auch eine Temperaturregeleinrichtung. Vorzugsweise steuert die Temperaturregeleinrichtung in einer solchen Vorrichtung die Mess-Fotodiode oder den Laser. Eine solche Vorrichtung mit einer Lasereinrichtung mit Mess-Fotodiode und einer Temperaturregeleinheit, welche die Temperatur der Lichtquelle oder der Mess-Fotodiode regelt, hat den Vorteil, dass eine extrem hohe Präzision beim Messen der elektrischen oder physikalischen Grösse erreicht wird.An advantageous device for measuring an electrical or physical quantity includes both a laser device with a measuring photodiode, and a temperature control device. Preferably, the temperature control device in such a device controls the measuring photodiode or the laser. Such a device with a laser device with measuring photodiode and a temperature control unit, which regulates the temperature of the light source or the measuring photodiode, has the advantage that an extremely high precision in measuring the electrical or physical size is achieved.

Besonders bevorzugt wird es, wenn die Vorrichtung oder die Lasereinrichtung geeignet ist, elektrische Wechselgrössen mit einer Frequenz von mehr als 5 MHz, bevorzugt mehr als 7 MHz, besonders bevorzugt mehr als 10 MHz oder elektrische Gleichgrössen zu verarbeiten. It is particularly preferred if the device or the laser device is suitable for processing alternating electrical quantities having a frequency of more than 5 MHz, preferably more than 7 MHz, particularly preferably more than 10 MHz, or electrical equivalent variables.

Bei typischen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung oder die Lasereinrichtung eine Batterieversorgung zur Versorgung des Senders oder des Empfängers mit elektrischer Energie ohne Verwendung eines externen Steckers.In typical embodiments, the device or laser device comprises a battery supply for supplying the transmitter or the receiver with electrical energy without the use of an external plug.

Bei einer bevorzugten Verwendung der Vorrichtung oder der Lasereinrichtung wird die Vorrichtung oder die Lasereinrichtung als Messgerät für Spannungen von mehr als 1000 V, bevorzugt mehr als 3000 V, besonders bevorzugt mehr als 5000 V eingesetzt. Typischerweise wird die Vorrichtung oder die Lasereinrichtung bei der Messung von elektrischen Grössen an Transformatorstationen oder Installationen im Mittel- und Hochspannungsbereich eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Verwendungen der Vorrichtung oder der Lasereinrichtung, bei denen Explosionsgefahr besteht, oder bei denen ein Abstand zwischen Sender und Empfänger von mindestens 10 m, bevorzugt mindestens 50 m, vorzugsweise mindestens 100 m, besonders bevorzugt mindestens 300 m vom Lichtwellenleiter überbrückt wird.In a preferred use of the device or the laser device, the device or the laser device is used as a measuring device for voltages of more than 1000 V, preferably more than 3000 V, particularly preferably more than 5000 V. Typically, the device or laser device is used in the measurement of electrical quantities at transformer stations or installations in the medium and high voltage range. Particular preference is given to uses of the device or of the laser device in which there is a risk of explosion, or in which a distance between transmitter and receiver of at least 10 m, preferably at least 50 m, preferably at least 100 m, more preferably at least 300 m is bridged by the optical waveguide.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Zeichnungen schematisch beschrieben, wobei die Zeichnungen zeigen:The invention will now be described schematically with reference to some drawings, in which:

1: eine erste erfindungsgemässe Lasereinrichtung in einem schematischen Blockschaltbild, 1 FIG. 1 shows a first inventive laser device in a schematic block diagram, FIG.

2: eine weitere erfindungsgemässe Lasereinrichtung ebenfalls in einem schematischen Blockschaltbild, 2 FIG. 2: another laser device according to the invention likewise in a schematic block diagram,

3: eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Messung einer elektrischen oder physikalischen Grösse in einem schematischen Blockschaltbild, 3 FIG. 2: a device according to the invention for measuring an electrical or physical quantity in a schematic block diagram, FIG.

4: eine Lichtquelle mit einer Linearisierungsschaltung in einem schematischen Blockschaltbild. 4 : a light source with a linearization circuit in a schematic block diagram.

Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments

In der 1 ist eine erste erfindungsgemässe Lasereinrichtung dargestellt, welche einen VCSEL-Laser 1 (im Folgenden kurz: Laser) umfasst, der von einer spannungsgesteuerten Stromquelle 2 mit elektrischer Leistung versorgt wird. Die Steuerung der spannungsgesteuerten Stromquelle 2 übernimmt eine Regeleinheit 3. Der Regelkreis umfasst weiterhin eine Mess-Fotodiode 4, die eine Kapazität von 0,5 pF aufweist. Das Ausgangssignal der Mess-Fotodiode 4 wird in einen Transimpedanzverstärker 5 eingespeist, welcher wiederum mit einem Mischer 6 verbunden ist. Der Mischer 6 ist ausserdem mit einem Sollwerteingang 7 verbunden und liefert ein Eingangssignal für die Regeleinheit 3.In the 1 a first laser device according to the invention is shown, which is a VCSEL laser 1 (hereinafter referred to as "laser"), that of a voltage controlled current source 2 is supplied with electrical power. The control of the voltage controlled current source 2 takes over a control unit 3 , The control loop further comprises a measuring photodiode 4 which has a capacity of 0.5 pF. The output signal of the measuring photodiode 4 becomes a transimpedance amplifier 5 fed, which in turn with a mixer 6 connected is. The mixer 6 is also with a setpoint input 7 connected and provides an input to the control unit 3 ,

Um Licht für die Mess-Fotodiode 4 aus dem Licht 8 des Lasers 1 auszukoppeln, ist ein teildurchlässiger Spiegel 9 angeordnet. Der teildurchlässige Spiegel 9 dient als Auskoppler, um einen Teil des vom Laser abgegebenen Lichts 8 auszukoppeln und der Mess-Fotodiode 4 zuzuführen. Der Grossteil des Lichts 8 wird „stromabwärts” des teildurchlässigen Spiegels 9 einem Lichtwellenleiter 10 zugeführt, der diesen Teil des Lichts 8 an einer Steckverbindung 11 für eine optische Signalübertragungsstrecke zur Verfügung stellt. An der Steckverbindung 11 kann ein Lichtwellenleiter für eine Übertragung über mehrere 100 m angeschlossen werden.To light for the measuring photodiode 4 out of the light 8th the laser 1 Uncoupling is a partially transparent mirror 9 arranged. The partially transparent mirror 9 serves as a decoupler to a part of the light emitted by the laser 8th decouple and the measuring photodiode 4 supply. Most of the light 8th becomes "downstream" of the partially transmissive mirror 9 an optical fiber 10 fed to this part of the light 8th on a plug connection 11 provides for an optical signal transmission path. At the plug connection 11 An optical fiber can be connected for transmission over several 100 m.

Der Laser 1, die Mess-Fotodiode 4 und der teildurchlässige Spiegel 9 sind auf einem Chip 12 angeordnet, der eine Abmessung von weniger als 30 mm × 30 mm aufweist. Durch die Verwendung der Mess-Fotodiode 4 mit einer geringen Kapazität im Zusammenspiel mit dem Transimpedanzverstärker 5 ist es möglich, einen sehr schnell anspringenden Regelkreis aufzubauen, sodass die Leistungsregelung des Lasers 1 die Bandbreite einer über das Licht 8 übertragenen Signalübertragung kaum einschränkt oder gar nicht einschränkt.The laser 1 , the measuring photodiode 4 and the partially transmissive mirror 9 are on a chip 12 arranged having a dimension of less than 30 mm × 30 mm. By using the measuring photodiode 4 with a low capacity in conjunction with the transimpedance amplifier 5 it is possible to build up a very fast-starting control loop, so that the power control of the laser 1 the bandwidth of one over the light 8th transmitted signal transmission hardly restricts or does not restrict.

Zusammen mit dem Steckverbinder 11 bildet der Chip 12 eine Sendeeinheit für eine analoge Signalübertragung.Together with the connector 11 forms the chip 12 a transmitting unit for an analog signal transmission.

In der 2 ist eine weitere erfindungsgemässe Lasereinrichtung schematisch in einem Blockschaltbild gezeigt, wobei gleiche oder ähnliche Teile gleiche Bezugszeichen aufweisen und teilweise nicht noch einmal erläutert werden. In the 2 a further inventive laser device is shown schematically in a block diagram, wherein the same or similar parts have the same reference numerals and partly not be explained again.

Im Unterschied zu dem Aufbau der 1 ist bei der Lasereinrichtung der 2 ein Schmelzkoppler 13 vorgesehen als Auskoppler, um Licht des Lasers auszukoppeln und einer Mess-Fotodiode 4 zuzuführen. Aufgrund des anderen Aufbaus des Schmelzkopplers sind der Laser und die Mess-Fotodiode mit dem Schmelzkoppler ebenfalls über Lichtwellenleiter 10 verbunden.In contrast to the structure of the 1 is in the laser device of 2 a fusion coupler 13 provided as a decoupler to decouple light from the laser and a measuring photodiode 4 supply. Due to the different construction of the fusion coupler, the laser and the measuring photodiode with the fusion coupler are also via optical fibers 10 connected.

Der Aufbau mit dem Schmelzkoppler 13 bietet den Vorteil, dass eine flexiblere Gestaltung möglich ist, da der Schmelzkoppler 13 sowohl mit dem Laser 1 als auch mit der Mess-Fotodiode 4 jeweils über die flexiblen Lichtwellenleiter 10 verbunden ist.The structure with the fusion coupler 13 offers the advantage that a more flexible design is possible because the fusion coupler 13 both with the laser 1 as well as with the measuring photodiode 4 each via the flexible optical fiber 10 connected is.

Wie die Anordnung der 1 weist auch die Anordnung der 2 den Vorteil auf, dass durch die schnelle Regelung mit der Mess-Fotodiode geringer Kapazität eine hohe Bandbreite erzielt werden kann. Zusätzlich ist bei der Lasereinrichtung der 2 die Möglichkeit gegeben, die Mess-Fotodiode 4 eventuell noch gegen eine andere Fotodiode auszutauschen. Beide gezeigten Ausführungsformen haben den Vorteil einer grossen Bandbreite zur Übertragung von analogen Signalen.Like the arrangement of 1 also indicates the arrangement of 2 the advantage that the fast control with the measuring photodiode of low capacity, a high bandwidth can be achieved. In addition, in the laser device of 2 given the opportunity the measuring photodiode 4 possibly replace it with another photodiode. Both embodiments shown have the advantage of a large bandwidth for the transmission of analog signals.

3 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Messung einer elektrischen oder physikalischen Grösse 30 in einem schematischen Blockschaltbild. Um eine galvanische Trennung zwischen einem Sender 14 und einem Empfänger 15 mit einer beliebig hohen Isolationsspannung zu erreichen, wird eine Laserdiode 20 im Sender 14 so angesteuert, dass ihre optische Ausgangsleistung proportional zu der elektrischen oder physikalischen Grösse 30 ist. Das Licht dieser Laserdiode 20 wird über einen Lichtwellenleiter 16 zu dem Empfänger 15 geleitet, der hieraus wieder einen zu der elektrischen oder physikalischen Grösse 30 proportionalen Messwert 31 erzeugt. 3 shows an inventive device for measuring an electrical or physical size 30 in a schematic block diagram. For a galvanic isolation between a transmitter 14 and a receiver 15 to reach with an arbitrarily high isolation voltage, a laser diode 20 in the transmitter 14 so controlled that their optical output power is proportional to the electrical or physical size 30 is. The light of this laser diode 20 is via an optical fiber 16 to the recipient 15 from this again one to the electrical or physical size 30 proportional reading 31 generated.

Der Lichtwellenleiter 16 ist die einzige Verbindung zwischen dem Sender 14 und dem Empfänger 15. Da der Lichtwellenleiter 16 nicht elektrisch leitfähig ist und in einer Länge von bis zu 1 km ausgeführt werden kann, sorgt er für die galvanische Trennung.The optical fiber 16 is the only connection between the transmitter 14 and the receiver 15 , As the optical fiber 16 is not electrically conductive and can be executed in a length of up to 1 km, it ensures the galvanic isolation.

Im Sender 14 wird die zu messende elektrische oder physikalische Grösse 30 zunächst durch umschaltbare Spannungsteiler und Operationsverstärker 17 an den Eingangsspannungsbereich einer Modulationsschaltung angepasst. Diese Modulationsschaltung wird durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle 18 realisiert, welche einen zur elektrischen oder physikalischen Grösse 30 proportionalen Strom durch die Laserdiode 20 treibt. Der Strombereich der Laserdiode 20 ist so gewählt, dass ihre optische Ausgangsleistung proportional mit dem Strom der spannungsgesteuerten Stromquelle 18 verläuft.In the transmitter 14 becomes the electrical or physical quantity to be measured 30 initially by switchable voltage divider and operational amplifier 17 adapted to the input voltage range of a modulation circuit. This modulation circuit is powered by a voltage controlled current source 18 realized, which is a proportional to the electrical or physical size 30 current through the laser diode 20 drives. The current range of the laser diode 20 is chosen so that its optical output power is proportional to the current of the voltage controlled current source 18 runs.

Um eine konstante Lichtleistung bei konstantem Strom zu erreichen, ist es notwendig, die Temperatur der Laserdiode 20 konstant zu halten. Aus diesem Grund wird die Laserdiode 20 in Verbindung mit einem als NTC ausgebildeten Temperatursensor 19 und einem Peltierelement 21 verwendet. Laserdiode 20, Temperatursensor 19 und Peltierelement 21 sind in einer Lasergruppe zusammengefasst. Mit Hilfe einer Konstantstromquelle 23 und eines Verstärkers 25 wird der Widerstand des NTCs und somit die Temperatur der Laserdiode 20 gemessen. Von der der Temperatur proportionalen Spannung wird in einer Subtraktionsschaltung 26 ein Sollwert abgezogen und die Abweichung einem PI-Regler 24 zugeführt. Dieser steuert über eine Endstufe 22 das Peltierelement 21 so an, dass die Temperatur der Laserdiode 20 konstant gehalten wird.In order to achieve a constant light output at constant current, it is necessary to change the temperature of the laser diode 20 to keep constant. Because of this, the laser diode becomes 20 in conjunction with a temperature sensor designed as NTC 19 and a Peltier element 21 used. laser diode 20 , Temperature sensor 19 and Peltier element 21 are summarized in a laser group. With the help of a constant current source 23 and an amplifier 25 becomes the resistance of the NTC and thus the temperature of the laser diode 20 measured. From the temperature proportional voltage is in a subtraction circuit 26 a setpoint subtracted and the deviation a PI controller 24 fed. This controls via a power amplifier 22 the Peltier element 21 so on, that the temperature of the laser diode 20 is kept constant.

Im Empfänger 15 wird das Licht aus dem Lichtwellenleiter 16 durch eine Fotodiode 27 in einen Strom umgewandelt. Dieser wird durch einen Transimpedanzverstärker 28 in eine Spannung gewandelt. Die Amplitude dieser Spannung wird durch eine nicht näher gezeigte Operationsverstärkerschaltung auf den gewünschten Ausgangsspannungsbereich eingestellt. Um Messfehler durch verschiedene Längen des Lichtwellenleiters zu kompensieren, wird nach dem Einschalten der Vorrichtung ein Referenzsignal von dem Sender 14 erzeugt. Dieses wird im Empfänger 15 durch eine Kontrolleinheit 29 gemessen, welche die Spannungsverstärkung entsprechend einstellt und den Fehler so eliminiert.In the receiver 15 the light gets out of the fiber optic cable 16 through a photodiode 27 converted into a stream. This is done by a transimpedance amplifier 28 transformed into a tension. The amplitude of this voltage is set by an unspecified operational amplifier circuit to the desired output voltage range. In order to compensate for measurement errors due to different lengths of the optical waveguide, after switching on the device, a reference signal from the transmitter 14 generated. This will be in the receiver 15 through a control unit 29 which adjusts the voltage gain accordingly and thus eliminates the error.

Um eine analoge Messdatenübertragung mit Hilfe einer Lichtleiterstrecke zu realisieren, ist es besonders vorteilhaft, wenn ein geringer Linearitätsfehler (typischerweise < 0,5%) erreicht wird. Da die günstigsten und effizientesten Bauarten von Laserdioden (z. B. VCSELs) eine nicht zu vernachlässigende Nichtlinearität in ihrer Strom-Leistungs-Kennlinie aufweisen können, ist es vorteilhaft, Massnahmen zur Linearisierung zu treffen. Es wurde festgestellt, dass die Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie einer VCSEL-Laserdiode (20.1) einen sehr ähnlichen Verlauf wie die Nichtlinearität ihrer Strom-Leistungs-Kennlinie hat.In order to realize an analog measurement data transmission with the aid of an optical waveguide route, it is particularly advantageous if a low linearity error (typically <0.5%) is achieved. Since the cheapest and most efficient types of laser diodes (eg VCSELs) can have a non-negligible non-linearity in their current-power characteristic, it is advantageous to undertake linearization measures to meet. It has been found that the nonlinearity of the current-voltage characteristic of a VCSEL laser diode ( 20.1 ) has a very similar course to the nonlinearity of its current-power characteristic.

In 4 ist eine spezielle Ausführungsform der Erfindung dargestellt: Durch eine Parallelschaltung eines Linearitätswiderstands (32) zu einer VCSEL-Laserdiode (20.1) und die Speisung durch eine Linearitätsstromquelle (33) wird erreicht, dass sich die Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie entgegengesetzt der Nichtlinearität der Strom-Leistungs-Kennlinie auswirkt. Mit der Grösse des Linearitätswiderstands (32) kann eingestellt werden, wie stark sich die Strom-Spannungs-Kennlinie auswirkt. Wird dieser richtig gewählt, so kompensieren sich die beiden Nichtlinearitäten. Bezugszeichenliste 1 Laser 2 Stromquelle 3 Regeleinheit 4 Mess-Fotodiode 5 Transimpedanzverstärker 6 Mischer 7 Sollwerteingang 8 Licht 9 Spiegel 10 Lichtwellenleiter 11 Steckverbindung 12 Chip 13 Schmelzkoppler 14 Sender 15 Empfänger 16 Lichtwellenleiter 17 Verstärker 18 Stromquelle 19 Temperatursensor 20, 20.1 Laserdiode 21 Peltierelement 22 Endstufe 23 Konstantstromquelle 24 PI-Regler 25 Verstärker 26 Subtraktionsschaltung 27 Fotodiode 28 Transimpedanz-Verstärker 29 Kontrolleinheit 30 Grösse 31 Messwert 32 Linearitätswiderstand 33 Linearitätsstromquelle In 4 a special embodiment of the invention is shown: By a parallel connection of a linearity resistor ( 32 ) to a VCSEL laser diode ( 20.1 ) and the supply by a linearity current source ( 33 ) it is achieved that the non-linearity of the current-voltage characteristic counteracts the non-linearity of the current-power characteristic. With the size of the linearity resistance ( 32 ) can be set, how strong the current-voltage characteristic affects. If this is chosen correctly, the two non-linearities compensate each other. LIST OF REFERENCE NUMBERS 1 laser 2 power source 3 control unit 4 Measuring photodiode 5 Transimpedance amplifier 6 mixer 7 Setpoint input 8th light 9 mirror 10 optical fiber 11 connector 12 chip 13 Fused 14 transmitter 15 receiver 16 optical fiber 17 amplifier 18 power source 19 temperature sensor 20 . 20.1 laser diode 21 Peltier element 22 final stage 23 Constant current source 24 PI controller 25 amplifier 26 subtraction 27 photodiode 28 Transimpedance amplifier 29 control unit 30 Size 31 reading 32 linearity resistance 33 Linearity power source

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10101632 B4 [0004]

Claims

Device for measuring an electrical or technical quantity ( 30 ) with - a transmitter ( 14 ) for picking up and adjusting the electrical or technical size ( 30 ), - a recipient ( 15 ) for processing a measured value ( 31 ) of electrical or technical size ( 30 ) and - a light transmission between the transmitter ( 14 ) and the recipient ( 15 ) for galvanic isolation of transmitter ( 14 ) and receiver ( 15 ), characterized by a light source ( 1 . 20 ) with variable luminous flux for coupling one of the electrical or physical size ( 3 0) proportional luminous flux in the light transmission.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the light source is a laser or a laser diode ( 20 ).

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the light transmission an optical waveguide ( 16 ).

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the receiver ( 15 ) a photodiode ( 27 ) for converting the luminous flux into the measured value ( 31 ).

Device according to one of claims 1 to 4, characterized by a temperature control device for cooling or heating the light source ( 20 ).

Apparatus according to claim 5, characterized in that the temperature control device is a Peltier element ( 21 ).

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the temperature control device comprises a temperature sensor ( 19 ).

Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the temperature control device comprises a control group.

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the light source ( 20 ), the temperature sensor ( 19 ) and the Peltier element ( 21 ) are grouped together in a light group or a laser group.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the receiver ( 15 ) a control unit ( 29 ) for eliminating measurement errors.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device is adapted to process electrical alternating quantities with a frequency of more than 5 MHz or electrical Gleichgrössen.

Device according to one of the preceding claims, characterized by a linearization circuit for improving a linearity of the light source ( 1 . 20 ).

Method for measuring an electrical or technical quantity ( 30 ) with - a transmitter ( 14 ) for picking up and adjusting the electrical or technical size ( 30 ), - a recipient ( 15 ) to display a measured value ( 31 ) of electrical or technical size ( 30 ) and - a light transmission between the transmitter ( 14 ) and the recipient ( 15 ) for galvanic isolation of transmitter ( 14 ) and receiver ( 15 ), characterized in that the electrical or physical quantity is controlled by a laser ( 1 . 20 ) is converted into a luminous flux proportional to the electrical or physical quantity.

Method according to claim 13, characterized in that the laser ( 1 . 20 ) is tempered.

Method according to one of claims 13 or 14, characterized in that the laser ( 1 . 20 ) is regulated in its performance.

Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that the laser ( 1 . 20 ) is linearized.

Laser device with a laser, in particular a VCSEL laser ( 1 ), - a control unit for controlling the laser, and - a measuring device which is connected to the control unit and which is adapted to the power of the light emitted by the laser ( 8th ), the measuring device being a measuring photodiode ( 4 ) which is arranged so as to cover part of the light emitted by the laser ( 8th ), and wherein the measuring photodiode ( 4 ) has a capacity of less than 10 pF.

Laser device according to claim 17, characterized in that the measuring photodiode ( 4 ) has a capacity of less than 2 pF.

Laser device according to claim 17 or 18, characterized in that the measuring device comprises a transimpedance amplifier ( 5 ), which on the input side with the measuring photodiode ( 4 ) and the output side is connected to the control unit.

Laser device according to one of claims 17 to 19, characterized in that the measuring device and / or the control unit are adapted to process changes in a target value for the output power of the laser of more than 5 MHz.

Laser device according to one of Claims 17 to 20, characterized by an output coupler which extracts the part of the light from the light emitted by the laser ( 8th ) decoupled.

Laser device according to claim 21, characterized in that the output coupler a partially transparent mirror ( 9 ).

Laser device according to claim 22, characterized in that the laser, the partially transmissive mirror ( 9 ) and the measuring photodiode ( 4 ) in a laser module ( 12 ) are summarized.

Laser device according to claim 21, characterized in that the output coupler comprises a fusion coupler ( 13 ).

Laser device according to claim 23, characterized in that the laser module has a plug connector ( 11 ) for connecting an optical waveguide.

Laser device according to one of claims 17 to 25, characterized in that the laser device is suitable to process electrical alternating quantities with a frequency of more than 5 MHz or electrical Gleichgrössen.

Laser device according to one of claims 17 to 26, characterized by a battery supply.

Laser device according to one of Claims 17 to 27, characterized by a linearization circuit for improving a linearity of the laser ( 1 ).

Device according to one of claims 1 to 12 with a laser device according to one of claims 17 to 28.

Device according to one of claims 1 to 12 or 29, characterized by a battery supply.

Use of a laser device according to one of claims 17 to 28 as a transmitter for an analog signal transmission.

Use of a laser device according to one of claims 17 to 28 as a measuring device for voltages of more than 1000 volts.

Use of a device according to one of claims 1 to 12 or 29 as a measuring device for voltages of more than 1000 volts.