DE19647214C1 - Anordnung zum optischen Empfangen und Senden von Daten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum optischen Empfangen und senden von Daten, bei der eine Photodiode sowohl zum optischen Senden als auch zum optischen Empfangen von wechselndem Datenlicht vorgesehen ist, bei der ein ansteuerbarer elektronischer Schalter zum Umstellen der Photodiode von Empfangsbetrieb auf Sendebetrieb und umge­ kehrt vorgesehen ist, bei der ein Ladungsspeicher zur Energiespeicherung vorgesehen ist, bei der die Photodiode bei Sendebetrieb in Durchlaßrichtung betrieben ist und bei der ein elektrischer Dateneingang und ein elektrischer Datenausgang vorgesehen sind.

Bei einer bekannten (DE-OS 36 13 666) Anordnung dieser Art arbeitet die Photodiode auf einen ohmschen Widerstand und der Photodiode wird bei Empfangsbetrieb nur das wech­ selnde Datenlicht zugeführt. Die Photodiode hangt über den elektronischen Schalter wahl­ weise an Masse oder an einer externen Spannungsquelle. Der elektrische Dateneingang liegt an der Photodiode und veranlaßt diese unmittelbar zum optischen Senden der Daten. Die Photodiode befindet sich beim Empfangsbetrieb in einem Sperrzustand und beim Sende­ betrieb in einem Durchlaßzustand, der durch die Spannung der elektrischen Datenimpulse bedingt ist. Da diese Anordnung eine externe Spannungsquelle aufweist, ist sie mit einer elektrischen Energiezufuhr versehen, die eine elektrische Leitung verlangt. Es gibt Anwen­ dungsfälle, bei denen eine elektrische Zuleitung zu einer Anordnung der eingangs genann­ ten Art unerwünscht ist.

Es ist durch die Praxis eine Anordnung bekannt, bei der eine Photodiode zum optischen Empfangen von Energie und Daten, aber nicht zum Senden von Daten geeignet ist. Bei dieser Anordnung arbeitet die Photodiode nach einem elektrischen Datenausgang über eine entkoppelnde Drossel auf einen Ladungsspeicher-Kondensator, wobei der Photodiode bei Empfangsbetrieb auch gleichförmiges Energielicht zugeführt wird und die Photodiode bei dem Empfangsbetrieb mittels des Ladungsspeicher-Kondensators in einen durch dessen Ladespannung bedingten Durchlaßzustand betrieben ist. Diese Anordnung und deren Photodiode sind nicht zum optischen Senden von Daten geeignet.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der nicht nur zum Empfangen, sondern auch zum Senden optische Energie­ zufuhr vorgesehen ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden mit derselben Photodiode nicht nur opti­ sche Daten empfangen und gesendet, sondern wird auch optische Energie empfangen, die zum Betrieb benötigt wird. Es wird Energie in einer Richtung und werden Daten bidirek­ tional mit derselben Photodiode übertragen. Dieses zusätzliche optische Empfangen von Energie ist mit der zum optischen Senden und Empfangen geeigneten Photodiode erreicht, die z. B. aus Galliumarsenid besteht. Hierzu ist die Ladungsspeicher-Kondensator-Schaltung vorgesehen, ist die Spannungserhöhung eingesetzt, und verarbeitet der elektronische Schal­ ter die zu sendenden Daten. Die Ladungsspeicher-Kondensator-Schaltung stellt auch die be­ nötigte Spannung zum Senden bereit. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden bei entsprechender Einstellung des Schalters digitale bzw. binäre Signale optisch gesendet. Die für das Senden erforderliche Spannung und Energie werden beim Empfangen der Licht­ energie aufgebaut; man kann also Daten optisch solange senden, als der kondensatorgebilde­ te Ladungsspeicher ausreichende Spannung zur Verfügung stellt. Die Spannungserhöhung bringt die Photodiode auf die Betriebsspannung, die zum Senden erforderlich ist. Die Photodiode braucht als Sender eine höhere Spannung, als sie als Empfänger produziert. Die erfindungsgemaße Anordnung wird in der Regel in Identifikationssystemen und Ver­ netzungen intelligenter Sensoren eingesetzt.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Erzeugung der erhöhten Spannung ein Spannungsverdoppler mit den zwei Ladungs­ speicher-Kondensatoren und dem Umstell-Schalter ist. Bei dieser Anordnung wird zum Senden eines Lichtimpulses die verdoppelte Spannung an die Photodiode gelegt, welche Licht sendet, bis eine teilweise Entladung der Kondensatoren stattgefunden hat. In der Regel ist der der Photodiode bei Serienschaltung zugeordnete Kondensator kleiner dimen­ sioniert als der andere.

Der elektronische Schalter des Spannungsverdopplers erhält seine Spannung und Energie von einem Ladungsspeicher-Kondensator und ist z. B. ein Feldeffekt-Transistor. Durch das Umstellen der Photodiode auf das optische Senden von Daten wird die Photodiode aus dem Zustand herausgebracht, in dem sie durch zugeführtes Licht Energie aufnehmen bzw. empfangen kann. Bei dem Spannungsverdoppler sind die beiden Verdoppler-Kondensa­ toren zum Empfangen parallelgeschaltet und zum Senden in Serie geschaltet.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Erzeugung der erhöhten Spannung ein oszillatorischer Spannungswandler mit einer Spule und einem Wechselschalter ist. Bei dieser Anordnung wird zum Senden eines Lichtimpulses die an Kondensatoren liegende erhöhte Spannung mittels des einen der beiden Konden­ satoren an die Photodiode gelegt, welche Licht aussendet, bis der Kondensator die Schwel­ lenspannung der Photodiode erreicht hat. In der Regel ist der an die Photodiode anzu­ legende Kondensator kleiner dimensioniert als der andere Kondensator.

Es ist möglich, beim Empfangsbetrieb der Photodiode das wechselnde Datenlicht und das gleichförmige Energielicht voneinander gesondert, zeitlich getrennt der Photodiode zuzuführen. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch, wenn beim Empfangsbe­ trieb der Photodiode das wechselnde Datenlicht dem gleichförmigen Energielicht überla­ gert ist. Die Anordnung läßt sich vereinfacht ausgestalten und dimensionieren, wenn Energie und Daten gemeinsam optisch zugeführt werden.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn zur Ansteuerung des Schalters ein Mikroprozessor vorgesehen ist, der mit einer Betriebsspannung versorgt ist und die Daten-Zuleitung speist, und wenn die Betriebsspannung des Mikroprozessors über dem Ladungs­ speicher-Kondensator gegeben ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Mikro­ prozessor also nicht von einer externen Energiequelle oder über elektrische Zuleitungen mit Spannung versorgt, sondern durch die optisch zugeführte Energie mit Spannung versorgt.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und zeigt

Fig. 1 eine erste Anordnung zum optischen Empfangen und Senden von Daten bei Emp­ fangsbetrieb,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 bei Sendebetrieb,

Fig. 3 eine zweite Anordnung zum optischen Empfangen und Senden von Daten bei Emp­ fangsbetrieb und

Fig. 4 die Anordnung gemäß Fig. 3 bei Sendebetrieb.

Gemäß Fig. 1 ist der Anordnung zum optischen Empfangen und Senden von Daten eine Basisstation 1 zugeordnet, welche sich änderndes und zwar gepulstes Datenlicht abgeben kann, sich änderndes und zwar gepulstes Datenlicht aufnehmen kann und gleichförmiges Energielicht abgeben kann. Der Austausch von Licht zwischen der Basisstation 1 und der Anordnung erfolgt über einen einzigen bzw. gemeinsamen Lichtleiter 2. Der Licht­ wellenleiter 2 endet an der Anordnung bei einer Photodiode 3, an deren Anode ein Daten­ ausgang 14 angeordnet ist. Von dem Datenausgang 14 zweigt eine Drossel 4 ab, die weiter an einen Umschalter 8 und an die Anode einer Diode 5 angeschlossen ist. Die Kathode der Diode 5 ist weiter an den Umschalter 8 und einen Umschalter 10 angeschlossen. Die Kathode der Photodiode 3 ist mit Masse 15 verbunden. An die Masse 15 ist auch ein Um­ schalter 9 und ein Kondensator 7 angeschlossen. Zwischen den Umschaltern 9 und 8 liegt ein Kondensator 6. Der Umschalter 10 ist mit der Kathode der Diode 5, mit dem Konden­ sator 7 und mit einem Spannungsausgang 13 verbunden.

In Fig. 1 ist der Empfangsbetrieb dargestellt. Beide Kondensatoren 6 und 7 liegen parallel und werden über die Drossel 4 und die Diode 5 geladen. Durch Anliegen des Sendesignals auf einen Dateneingang 11, an den eine Umschalter-Steuerleitung anschließt, werden die Umschalter 8, 9 und 10 in die andere Lage gebracht. Die Kondensatoren 6 und 7 sind jetzt gemäß Fig. 2 seriell in einer Schleife mit der Drossel 4 und der Photodiode 3 geschaltet. Dadurch entsteht eine höhere Spannung, die zum Senden benotigt wird. Die Spannung über den beiden Kondensatoren 6 und 7 sinkt beim Entladen auf die Schwellenspannung der Photodiode 3. Die Umschalter kommen dann wieder in die Position von Fig. 1. Es ist vorteilhaft, wenn der Kondensator 7 eine viel höhere Kapazität als der Kondensator 6 hat. Dann ist im Kondensator 7 genug Energie, um den Kondensator 6 immer wieder zu laden und mehrere Bits senden zu können, ohne zwischenzeitlich laden zu müssen. Die Drossel 4 trennt die Empfangsdaten von der Gleichspannung an den Kondensatoren 6 und 7; zugleich verbessert sie die Impulsform des von der Photodiode 3 zurückgesendeten Signals. Die Diode 5 verhindert, daß sich die Kondensatoren 6 und 7 während der Dunkelphase ent­ laden.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 und 2 arbeitet auch, aber schlechter, wenn die Diode 5 über­ brückt und die Drossel 4 ausgelassen wird. Es ist dann der Umschalter 8 überflüssig. Die komplette Schaltung in Fig. 1 und Fig. 2 weist jedoch eine bessere Energiebilanz auf; außerdem ist die Empfindlichkeit beim Empfang besser.

Bei Bedarf von höheren Spannungen als die Photodiode 3 produzieren kann, ist die Anord­ nung in Fig. 3 und Fig. 4 geeignet. Gemäß Fig. 3 ist der Anordnung zum optischen Emp­ fangen und Senden von Daten eine Basisstation 1 zugeordnet, welche sich änderndes und zwar gepulstes Datenlicht aufnehmen kann und gleichförmiges Energielicht abgeben kann.

Der Austausch von Licht zwischen der Basisstation 1 und der Anordnung erfolgt über einen einzigen bzw. gemeinsamen Lichtleiter 2. Der Lichtwellenleiter 2 endet an der An­ ordnung bei einer Photodiode 3, an derer Anode ein Datenausgang 14 angeordnet ist. An der Anode der Photodiode 3 ist eine Drossel 19 und ein Umschalter 16 angeschlossen. Mit der Drossel 19 ist der Umschalter 16 und die Anode einer Diode 5 verbunden. An der Kathode der Diode 5 angeschlossen ist ein Spannungsausgang 13, ein Kondensator 7, ein Umschalter 8 und eine Schaltersteuerung 17, von der eine Steuerleitung 18 ausgeht. Mit Masse 15 ist die Kathode der Photodiode 3, der Umschalter 16, ein Kondensator 6, der Kondensator 7 und die Schaltersteuerung 17 verbunden. Die Drossel 19, der Umschalter 16, die Diode 5, der Kondensator 7 und die Schaltersteuerung 17 funktionieren wie ein Span­ nungswandler. Ist der Umschalter 16 geschlossen, fließt der Photostrom von der Anode der Photodiode 3 durch die Drossel 19 und den Umschalter 16 zurück zu der Kathode der Photodiode 3. Wird der Umschalter 16 durch die Schaltersteuerung 17 geöffnet, bildet sich an der Drossel 19 durch eine elektromagnetische Induktion eine höhere Spannung und durch die Diode 5 wird der Kondensator 7 bzw. der Kondensator 6 geladen. Durch die Frequenz und das Puls-Pauseverhältnis wird die gewünschte Spannung zwischen dem Spannungsausgang 13 und der Masse 15 eingestellt.

Fig. 3 zeigt die Einrichtung im Empfangsbetrieb; dabei wird der Umschalter 8 durch einen Dateneingang 11 über eine Umschalter-Steuerleitung 12 umgeschaltet. Es ergibt sich der Sendebetrieb gemäß Fig. 4. Der Kondensator 6 entlädt sich über die Photodiode 3 und die sendet einen Lichtimpuls, der über den Lichtwellenleiter 2 zu der Basisstation 1 geleitet wird. Es ist günstig, wenn der Kondensator 7 eine viel höhere Kapazität als der Konden­ sator 6 hat. Dann ist es möglich schnell mehrere Lichtimpulse auf einmal zurückzusenden, ohne zwischenzeitlich laden zu müssen.

Claims (5)

1. Anordnung zum optischen Empfangen und Senden von Daten,
bei der eine Photodiode (3) sowohl zum optischen Senden als auch zum opti­ schen Empfangen von wechselndem Datenlicht vorgesehen ist,
bei der ein ansteuerbarer elektronischer Schalter (8, 9, 10; 8, 16) zum Umstellen der Photodiode von Empfangsbetrieb auf Sendebetrieb und umgekehrt vorgese­ hen ist,
bei der ein Ladungsspeicher (6, 7) zur Energiespeicherung vorgesehen ist, bei der die Photodiode (3) bei Sendebetrieb in Durchlaßrichtung betrieben ist und
bei der ein elektrischer Dateneingang (11) und ein elektrischer Datenausgang (14) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Photodiode (3) bei Empfangsbetrieb neben dem Datenlicht auch gleich­ förmiges Energielicht zugeführt wird und dabei eine zugeordnete Photodioden­ spannung (13) erzeugt wird,
daß die Photodiode (3) zu einer Ladungsspeicherung auf zwei als Ladungsspei­ cher vorgesehene, zueinander parallele Kondensatoren (6, 7) arbeitet, von denen der eine (6) mittels des Schalters (8, 9, 10 bzw. 8, 16) in der Schaltungszuordnung umstellbar ist, wobei dieser Umstell-Schalter mittels der Ladungsspeicherung gespeist ist,
daß den Ladungsspeicherung-Kondensatoren (6, 7) eine Einrichtung (8, 9, 10; 16, 19) zur Erzeugung einer gegenüber der Photodioden-Spannung erhöhten Spannung mittels der Photodiodenspannung zugeordnet ist und
daß der elektrische Dateneingang (11) am Steuereingang des Umstell-Schalters (8, 9, 10; 8, 16) liegt, der die erhöhte Spannung im Takt der zu sendenden Daten an die Photo­ diode (3) legt und so die Photodiode zum optischen Senden der Daten veranlaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der erhöhten Spannung ein Spannungsverdoppler mit den zwei La­ dungsspeicher-Kondensatoren (6, 7) und dem Umstell-Schalter (8, 9, 10) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der erhöhten Spannung ein oszillatorischer Spannungswandler mit einer Drossel (19) und einem Wechselschalter (16) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Emp­ fangsbetrieb der Photodiode (3) das wechselnde Datenlicht dem gleichförmigen Energielicht überlagert ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zur Ansteuerung des Schalters ein Mikroprozessor vorgesehen ist, der mit einer Betriebsspannung versorgt ist und den Dateneingang speist, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ triebsspannung des Mikroprozessors vom Ladungsspeicher-Kondensator (6, 7) abgegeben wird.