DE3133002A1

DE3133002A1 - Verfahren zum schmelzverbinden optischer fasern

Info

Publication number: DE3133002A1
Application number: DE19813133002
Authority: DE
Inventors: Norio Kashima; Fumihiro Mito Ibaragi Nihei
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1980-10-15
Filing date: 1981-08-20
Publication date: 1982-05-13
Also published as: NL183089C; IT1139369B; NL8103869A; JPS6017085B2; GB2085678B; IT8123527A0; GB2085678A; FR2491911A1; JPS5767905A; US4383844A; CA1157915A; DE3133002C2; FR2491911B1

Description

Beschreibung Verfahren zum Schmelzverbinden optischer Fasern

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzverbinden optischer Fasern, bei dem zwischen Elektroden durch Anlegen einer Wechselspannung aufgrund einer Gasentladung Wärme erzeugt wird.

Das Verfahren zum Schmelzverbinden optischer Fasern mittels Gasentladung ist beispielsweise in der US-PS 3.960.531 beschrieben. Dieses Verfahren hat in der Praxis Anwendung gefunden. Bei dem herkömmlichen Schmelzverbindungsverfahren (Schmelzspleißen) mittels Gasentladung handelt es sich bei dem den Elektroden zugeführten Strom um ■ einen Gleich- oder Wechselstrom, der die übliche Spannungsquellenfrequenz aufweist. Um eine Gasentladung hervorzurufen, muß an die beispielsweise 1,5 mm beabstandeten Elektroden z. B. eine 3 bis 6 kV starke Hochspannung gelegt werden, und gleichzeitig mit dem Beginn der Entladung mit der Folge eines Stromflusses sinkt die Spannung an den Elektroden auf eine Entladungs-Erhaltungsspannung Vg ab. Bei dem bekannten Verfahren wird den Elektroden stets eine hohe Gleichspannung Vsi zugeführt, die zum Starten der Entladung notwendig ist, und während der Entladung steht die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung Vsi und der Erhaltungsspannung Vg an einem Stabilisierungswiderstand an, der in Reihe zu den Entladungselektroden geschaltet ist.

Folglich benötigt das herkömmliche Verfahren einen Hochspannungstransformator zur allzeitigen Erzeugung der Hochspannung Vsi; dieser Transformator ist jedoch platzaufwendig und schwer. Die durch das Produkt der oben erwähnten Spannungsdifferenz Vsi - Vg und des Entladungsstroms bestimmte Leistung wird durch den Stabilisierungswiderstand

verbraucht; weil diese Leistung keinen Anteil an dem Schmelzspleißen hat/ wird sie unnütz vergeudet. Da die vergeudete Leistung groß ist, muß der Hochspannungstransformator eine große Kapazität haben und ist daher unvermeidlich platzraubend und schwer. Weiterhin ist eine derartige unnütze Leistungsabgabe speziell dann unerwünscht, wenn die Schmelzspleißvorrichtung von einer Batterie gespeist wird. Zum Verbinden von optischen Fasern unter schlechten Arbeitsbedingungen, wie z.B. in einem schmalen Mannloch oder Handloch oder an Telegraphenmasten ist es erwünscht, daß die Spleißvorrichtung von einer kleinen, leichten Batterie gespeist wird. Bei dem herkömmlichen Schmelzverbindungsverfahren jedoch ist es schwierig, eine derartige Vorrichtung zu realisieren.

Es wurde bereits vorgeschlagen, den Transformator klein und leicht zu machen, indem die Frequenz der Wechselspannung heraufgesetzt wird, beispielsweise auf 16 bis 60 kHz. Hierbei jedoch wird die Wechselspannung hoher Frequenz als die hohe Spannung Vsi zum Starten der Entladung verwendet, und die Wechselspannung wird den Entladungselektroden stets zugeführt, so daß beträchtliche Leistung durch den Stabilisierungswiderstand vergeudet wird, wie es oben erläutert wurde. Folglich schafft dieser Vorschlag keine Verbesserung hinsichtlich der Energieeinsparung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art anzugeben, das die Herabse bzung der Größe, des Gewichts und des Leistungsverlusts der Schmelzverbindungsvorrichtung gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe einmal:dadurch gelöst, daß an die Elektroden eine zum Starten der Entladung ausreichend hohe Triggerspannung gelegt wird, und an die Elektroden eine Wechselspannung gelegt wird, die kleiner

ß>

als die Triggerspannung ist, um nach dem aufgrund der hohen Triggerspannung erfolgten Auftreten der Entladung eine bleibende Entladung zu erzeugen, wobei die Wechselspannung die Beziehung 10t_Q > (t_f + t, + t ) erfüllt, wobei t_Q die Zeit ist, in der durch die Entladung erzeugte Ionen von der einen zu der anderen Elektrode fließen, und t^, t, und t die Abfall-, Ruhe- bzw. Anstiegszeit der Wechselspannung sind.

Die Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, daß an die Elektroden eine zum Starten der Entladung ausreichend hohe Triggerspannung gelegt wird und an die Elektroden eine Sinus-Wechselspannung mit einer Frequenz von mehr als 500 Hz gelegt wird, die kleiner ist als die hohe Triggerspannung, um nach dem aufgrund der hohen Triggerspannung erfolgten Auftreten der Entladung eine bleibende Entladung zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird also zu Beginn der Entladung eine Triggerspannung an die Elektroden gelegt, die ausreichend hoch ist, eine Entladung hervorzurufen. Nachdem die Entladung wenigstens einmal gestartet ist, wird eine bleibende Entladung erzeugt. In einem derartigen Zustand einer bleiben Entladung wird an die Elektroden eine Wechselspannung gelegt, die niedriger ist als die hohe Triggerspannung. Diese Wechselspannung hat eine solche Wellenform, daß die Beziehung 10t_Q ~i (t_f + t, + t ) erfüllt ist. Anders ausgedrückt: die Wechselspannung hat einen solchen Verlauf, daß die Entladung von dem nächsten Halbzyklus der Wechselspannung hervorgerufen werden kann, bevor die zwischen den Elektroden befindlichen Ionen "gelöscht" werden. Folglich wird während der bleibenden Entladung, selbst wenn die angelegte Wechselspannung beträchtlich niedriger ist als die Triggerspannung, in jedem Halbzyklus der Wechselspannung die Entladung erzeugt. Demzufolge wird die

Leistungsaufnahme des Stabilisierungswiderstands herabgesetzt, und der Booster-Transformator kann hinsichtlich des Erhöhungsverhältnisses und der Leistung klein gehalten und daher räumlich klein und mit geringem Gewicht ausgelegt werden. Vorzugsweise wird nach dem Anlegen der hohen Triggerspannung die bleibende Entladung durch eine niedrigere Wechselspannung bewirkt, und die Frequenz der Wechselspannung wird angehoben. Hierdurch werden Größe und Gewicht des Transformators weiter herabgesetzt. 10

Vorteilhafterweise wird der Wert des Ausdrucks (t^ + t,

£ d

+ t ) S 2t-, besser noch S t angesetzt. Ferner soll.die Frequenz der Wechselspannung mehr als 1 kHz betragen. Um eine unangenehme Geräuschentwicklung zu vermeiden, beträgt die Frequenz der Wechselspannung vorzugsweise mehr als 15 kHz. Für den Fall, daß es sich um eine sinusförmige Wechselspannung handelt, soll die Frequenz mehr als 500Hz, vorzugsweise mehr als 5 kHz betragen, und zwar unabhängig von der erwähnten Beziehung 1Ot.. > (t^ + t, + t ) .

Im folgenden werden Ausf.ührungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsskizze eines elektrischen Schaltkreises, der bei einem herkömmlichen Schmelzverbindungsverfahren für optische Fasern mit Gasentladung zum Einsatz gelangt,

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm, das die zwischen den Elektroden vorliegende Spannung, bei einer Wechselstromentladung zeigt,

Fig. 3 ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung einer Übergangszeit €,

Fig. 4 eine grafische Darstellung, die experimentelle Ergebnisse der Beziehung zwischen der Übergangszeit t und einer Zündspannung Vs für die bleibende

3/4

Entladung zeigt,

Fig. 5 eine grafische Darstellung, die experimentelle Ergebnisse der Beziehung zwischen der Frequenz und
der Zündspannung bei der bleibenden Entladung verdeutlicht,

Fig. 6 eine grafische Darstellung, die experimentelle Ergebnisse der Frequenzkennlinie einer Entladungs-Erhaltespannung Vg zeigt,

Fig. 7 eine grafische Darstellung, die experimentelle Ergebnisse der Beziehung zwischen der Entladungs-Erhaltungsspannung Vg und dem Elektrodenabstand Vg
zeigt,

Fig. 8 eine grafische Darstellung, die experimentelle Ergebnisse der Frequenzkennlinie der Zündspannung Vs bei der bleibenden Entladung zeigt,

Fig. 9 eine grafische Darstellung, die Berechnungsergebnisse des bezüglich der Frequenz zulässigen Transformatorgewichts zeigt,

Fig. 10 eine Schaltungsskizze eines Beispiels einer Strom-Versorgungsschaltung zum Anlegen einer hohen Triggerspannung und einer Wechselspannung an die Elektroden , und
Fig. 11 eine Schaltungsskizze eines weiteren Beispiels

einer Stromversorgungsschaltung.
25

Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, soll zunächst ein herkömmliches Schmelzverbindungsverfahren (Schmelzspleißverfahren) für optische Fasern unter Verwendung einer Wechselstrom-Gastentladung erläutert werden. Gemäß Fig. 1 wird eine 100 Volt-Wechselspannung

einer Frequenz von 50 Hz von einer herkömmlichen Spannungsquelle 11 durch einen Booster-Transformator 12 auf etwa
4 kV hochtransformiert, und die hohe Wechselspannung wird über einen Stabilisierungswiderstand 13 an ein Paar Elektroden 14 und 15 gelegt, um zwischen diesen eine Entladung

4/5

\J I

zu erzeugen. Zwischen den Elektroden 14 und 15 angeordnete optische Fasern (Lichtleiter) 16 und 17 werden durch die aufgrund der Entladung entstehende Hitze verschmolzen.

Fig. 2 zeigt schematisch den Spannungsverlauf zwischen den Elektroden 14 und 15 für den oben geschilderten Fall. In Fig. 2 ist auf der Abszisse die Zeit t, auf der Ordinate die zwischen den Elektroden herrschende Spannung V aufgetragen, wobei das Vorzeichen der Spannung unberücksichtigt ist. Bei dieser Gasentladung ist eine hohe Anfangs-Zündspannung Vsi im Anfangszeitpunkt t₁ einer ersten Entladung notwendig, wenn die Entladung jedoch begonnen hat, erfolgt die anschließende Entladung 10 mit einer Zündspannung Vs, die niedriger ist als die Spannung Vsi, und danach wird eine bleibende Entladung aufrechterhalten, während das Vorzeichen der zwischen den Elektroden herrschenden Spannung entsprechend der angelegten Wechselspannung geändert wird. Bevor die Entladung in jedem Zyklus durch die Wechselspannung gestartet wird, fließt im wesentlichen kein Strom, und die angelegte Wechselspannung erscheint an den Elektroden 14 und 15; nach Einleitung der Entladung jedoch fließt ein Strom, und gleichzeitig fällt die Spannung an den Elektroden 14 und 15 auf einen konstanten Wert, d.h. eine Entladungs-Erhaltungsspannung Vg ab, bei der eine Glimmentladung erfolgt. Die Zündspannung Vs und die Erhaltungsspannung Vg der bleibenden Entladung und die Anfangs-Zündspannung Vsi haben zueinander die Beziehung Vsi>Vs>Vg.

Bei dem anhand von Fig. 1 verdeutlichten herkömmlichen Schmelzspleißverfahren für optische Fasern wird die zum Starten der Entladung notwendige hohe Spannung Vsi den Elektroden 14 und 15 auch während der bleibenden Entladung zugeführt, und die Spannung an den Elektroden 14 und 15 wird durch den Stabilisierungswiderstand 13, der einen hohen Widerstandswert aufweist, zu Beginn jeder Entladung

auf den Wert Vs abgesenkt, und weiterhin während der Entladung auf Vg vermindert. Wenn der Wert des Stabilisierungswiderstands 13 R und der Entladungsstrom I sei, so gilt die Beziehung Vsi = Vg + RI. Die Leistung W der Entladung ergibt sich etwa zu:

W = Vg-I = Vg-(VSi - Vg)/R (1)

Die Anfangszündspannung Vsi und die Erhaltespannung Vg hängen ab von dem Abstand d und der Form der Elektroden und 15. Um die zum Verbinden von optischen Quarzfasern eines Außendurchmessers von 125 bis 150 um erforderliche Leistung aufzubringen, liegt bei einem Abstand d der Elektroden von 1,5 mm der Wert R des Stabilisierungswiderstands 13 zwischen 100 und 150 kß.

Da bei dem oben beschriebenen Verfahren die Hochspannung Vsi stets an die Elektroden 14 und 15 gegeben ist, ist ein Transformator für die Erzeugung einer hohen Spannung erforderlich, und darüber hinaus muß der Widerstand 13 einen großen Widerstandswert aufweisen, so daß er viel Leistung verbraucht. Aufgrund der hohen Leistungsaufnahme muß der Transformator 13 eine große Leistungskapazität besitzen. Bei der herkömmlichen Schmelzspleißvorrichtung für optische Fasern beträgt das Gewicht der Spannungsquelleneinheit mit dem Hochspannungstransformator 12 etwa die Hälfte des Gesamtgewichts der Vorrichtung, und das Gewicht des Transformators 12 ist mehr als die Hälfte des Gewichts der Spannungsquelleneinheit. Somit stellt der Tranformator 12 ein Hindernis hinsichtlich der Herabsetzung der Größe und des Gewichts der Vorrichtung dar. Weiterhin kommt die Leistungsaufnahme durch den Stabilisierungswiderstand 13 nicht dem Schmelzverbxndungsvorgang zugute, so daß diese Leistung vollständig verschwendet wird. Dieser Leistungsverbrauch ist so hoch, daß die herkömmliche Vorrichtung einen geringen Wirkungsgrad aufweist. Speziell dann, wenn die Schraelzspleißvorrichtung durch eine Batterie gespeist

wird, ist eine große Batterie erforderlich. Daher ist die bekannte Vorrichtung ungeeignet für die Verwendung als Hand- oder tragbare Spleißvorrichtung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die hohe Spannung Vsi (nachfolgend als hohe Triggerspannung Vsi bezeichnet) nur zu Beginn der Entladung angelegt, und die bleibende Entladung wird von einer Wechselspannung Vs aufrechterhalten, die niedriger als die hohe Triggerspannung Vsi ist, um eine Schmelzverbindung von optischen Fasern zu erhalten. Wenn in diesem Fall die Wechselspannung Vsi nahe bei der hohen Triggerspannung Vsi liegt, zeichnet sich die Erfindung nicht so sehr gegenüber dem bekannten Verfahren aus. Demgemäß ist es vorzuziehen, den Wert Vs/Vsi zu minimieren.

Hierzu wird erfindungsgemäß die Wellenform der Wechselspannung, die während der bleibenden Entladung angelegt wird, folgendermaßen ausgewählt: Man definiert die Summe der Abfallzeit t^, der Ruhezeit t-, und der Anstiegszeit t derWechselspannung als eine Übergangszeit t und eine Verweilzeit t~, die die durch eine Entladung erzeugten Ionen benötigen, um von einer der Elektroden zu der anderen Elektrode zu fließen, und man wählt die Wellenform der Wechselspannung so aus, daß die folgende Beziehung erfüllt wird:

1Ot₀ > t (2)

Fig. 3 zeigt die oben erwähnten Zeiten t„, t, und t im Zusammenhang mit einer symmetrischen Wellenform einer Wechselspannung. In Fig. 3 ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Spannung V aufgetragen. Die Zeit t^ ist diejenige Zeit, in der die Wechselspannung 20 von 90 % auf 10 % ihrer Amplitude abfällt; t ist die Zeit, in der die Wechselspannung 20 von 10 % auf 90 % ihrer Amplitude ansteigt; t-, ist die Zeit, in der die Wechselspannung von einem Punkt bei 10 % der Spitzenspannung V, zu einem Punkt

6/7

von 10 % der Spannung -V₁ schwankt. Bei einer asymmetrischen Wellenform wird die längere der Zeitdauern (t_f + t, + t ) von Änderungen zwischen positiv und negativ und zwischen negativ und positiv als Übergangszeit t herangezogen.

Als nächstes soll erläutert werden, daß der Wert Vs/Vsi klein ist, wenn die Beziehung 10t» δ t erfüllt ist.

Die Zeit t_Q, die die durch eine Entladung erzeugten Ionen benötigen, um von einer der Elektroden zu der anderen zu fließen, ist durch folgende Beziehung gegeben:

t₀ = d/v (3)

wobei d der Elektrodenabstand und ν die Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen ist. Mit der Ionen-Beweglichkeit μ ergibt sich die Wanderungsgeschwindigkeit ν zu:

ν = μΕ (4)

wobei E das durch die angelegte Spannung erzeugte elektrisehe Feld ist. Bei der Berechnung der Zeit t„ wird die in Fig. 2 dargestellte Erhaltungsspannung Vg als angelegte Spannung genommen. Das heißt, es gilt E = Vg/d und somit

t_ = —-rr— . Bei einer Wechselstromentladung wird die Span-

nungsrichtung bei jedem Halbzyklus (T/2) umgekehrt, und ebenfalls wird die Wanderungsrichtung der Ionen umgekehrt. Wenn die Zeit t, in der die Spannung umgekehrt wird, herabgesetzt wird, um der Zeit t_Q, die durch die Ausdrücke (3) und (4) definiert ist, zu entsprechen, folgen die durch die Entladung geschaffenen Ionen nicht der Änderung des durch die angelegte Spannung erzeugten elektrischen Feldes, was dazu führt, daß eine Raumladungsschicht gebildet wird. Diese Raumladungsschicht vermindert den Wert von Vs/Vsi■ Die Wirkung der durch die Ansammlung solcher Ionen zwischen den Elektroden geschaffenen Raumladungsschicht ist groß,

■ 7/8

so daß der Wert von Vs/Vsi wesentlich herabgesetzt werden kann. Der Grund, weshalb t kleiner als 1OtQ, nicht als t_Q gemacht wird, ist der, daß in der Zeit (t + t, + t_f) eine Spannung, die kleiner ist als Vg, an die Elektroden gelegt wird, um die Wanderungsgeschwindigkeit V der Ionen herabzusetzen, was zu einem Ansteigen der Ionen-Wanderungszeit führt. Dies wird im folgenden auf der Grundlage experimenteller Ergebnisse erläutert.

Gemäß Engel Steenbeck, "Gasentladungen", Springer, 1932, beträgt die Beweglichkeit μ von Ionen in der Atmosphäre μ =[2 cm²/SV] bei 273 ⁰K bei 1 atm. Berechnet man auf der Grundlage dieses Wertes die Zeit t„ für den Fall d = 1,5 mm, so erhält man 20 μεβσ. Die Zündspannung Vs für die bleibende Entladung wurde durch Variieren der Übergangszeit t unter Verwendung einer Rechteckwelle mit einer Frequenz f = 1 kHz für die Wechselspannung gemessen. Die experimentellen Ergebnisse sind in Fig. 4 niedergelegt, in der auf der Abszisse die normalisierte Wanderungszeit, erhalten durch Teilen der Übergangszeit t durch die Ionen-Wanderungszeit t , aufgezeichnet ist, während auf der Ordinate der Quotient Vs/Vsi aufgezeichnet ist, d.h., der Wert, den man erhält, wenn man die Zündspannung durch die hohe Triggerspannung dividiert. Die Kurven 21,22,23 und 24 (kennt- lieh gemacht durch X, , und Δ) zeigen die Fälle, in denen der Elektrodenabstand d 0,5; 1,0; 1,5 bzw. 2,0 mm betrug. Man erkennt aus diesen Kurven, daß die Herabsetzung der Übergangszeit t die Zündspannung Vs für die bleibende Entladung herabsetzt, und daß, wenn 10t» = t, die Zündspannung Vs weniger als die Hälfte der hohen Triggerspannung Vsi beträgt, selbst wenn d = 2,00 mm. Bei der Einzelfaserverbindung wird der Elektrodenabstand d für gewöhnlich kleiner als 2,0 mm gewählt, um eine stabile Entladung zu erhalten. Im Hinblick auf den einfachen Betrieb der Spleißvorrichtung ist es vorzuziehen, daß der Elektrodenabstand

8/9

etwa 1,5 mm beträgt. Bei dem Mehrfach-Faser-Spleißen wird der Elektrodenabstand zu 3 bis 5 mm gewählt. Wenn 2t_Q = t, wird der Wert Vs/Vsi etwa 0,2, und die Zündspannung Va kann beträchtlich herabgesetzt werden. Bei t_Q = t betrug Vs/Vsi etwa 0,1. Bei weiterer Abnahme von t kann der Wert von

Vs/Vsi nicht so sehr vermindert werden. Die experimentellen Ergebnisse gemäß Fig. 4 legen nahe, daß die Übergangszeit t kleiner als 10t«, vorzugsweise kleiner als 2t_n, speziell kleiner als t» sein soll.
10

Fig. 5 zeigt die Ergebnisse ähnlicher Experimente, die für den Fall einer sinusförmigen Wechselspannung durchgeführt wurden. In Fig. 5 ist auf der unteren Abszisse die Frequenz f, auf der oberen Abszisse die normalisierte Zeit T/t- und auf der Ordinate der Wert Vs/Vsi aufgetragen. Der Elektrodenabstand d betrug 1,5 mm. Aus Fig. 5 geht hervor, daß der Wert von Vs/Vsi bei 500 Hz kleiner als 0,4 wird (bei 100t_, wenn man es in der Periodendauer T ausdrückt), und bei höheren Frequenzen sehr klein wird. Im Fall der Sinus-Welle beträgt die gemäß Fig. 3 definierte Übergangszeit t nun T/3. Betrachtet man nun, daß die Übergangszeit t kleiner als 10t_Q auch bei Verwendung einer Rechteckwelle gewählt wird, so reicht es aus, daß die Periode T kleiner als 30t„ ist. Die in Fig. 5 niedergelegten experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch, daß die Dauer T kleiner sein kann als 100t«. Folglich ist es bei derselben Frequenz vorzuziehen, eine Sinus-Welle und eine Rechteck-Welle zu verwenden; es scheint, daß die Ursache hierfür darin liegt, daß die Rechteck-Welle eine beträchtlich lange Zeit t-, im Vergleich zu der Sinus-Welle aufweist. Weiterhin zeigt Fig. 5, daß der Wert Vs/Vsi oberhalb von 5 kHz sich 1/10 annähert und .bei Frequenzen oberhalb von .10 kHz eine Sättigung bei etwa 0,1 erfährt. .

9/10

VS

Auch bei der in Fig. S dargestellten Rechteck-Welle nimmt/ wenn die Frequenz der Wechselspannung ansteigt, die Übergangszeit t ebenfalls automatisch ab, um den Wert von Vs/ Vsi zu vermindern. In anderen Worten: Zum Vermindern des Wertes von Vs/Vsi ist es vorzuziehen, die Frequenz anzuheben, unabhängig von der Wellenform der Wechselspannung. Wenn die Frequenz jedoch zu hoch ist, bestehen aufgrund der Streukapazitäten und anderer Faktoren Schwierigkeiten, die Vorrichtung so zu konstruieren, daß die beabsichtigten Eigenschaften erzielt werden, oder die Maschine kann nicht mit kostengünstigen Bauteilen gefertigt werden. Daher ist es derzeitig praktisch, daß die Frequenz der Wechselspannung niedriger als 100 kHz ist.

Die hohe Triggerspannung Vsi und die Entladungs-Erhaltespannung Vg hängen nicht von der Frequenz der Wechselspannung ab. Wie beispielsweise in Fig. 6, die einen gemessenen Wert der Frequenzkennlinie der Spannung Vg bezüglich einer Sinus-Spannung bei einem Elektrodenabstand d von 1,5 mm darstellt, gezeigt ist, ist die Spannung Vg bezüglich der Frequenz f konstant. Die Spannung Vg hängt von dem Elektrodenabstand d ab. Wie beispielsweise durch die in Fig. 7 dargestellten Meßwerte gezeigt wird, führt ein höherer Elektrodenabstand d zu einer höheren Spannung Vg.

Die Messung gemäß Fig. 7 wurde bei 1 kHz durchgeführt.

Fig. 8 zeigt experimentelle Ergebnisse der Kennlinie des Wertes (Vs/Vg) der durch die Spannung Vg normalisierten Zündspannung Vs bezüglich der Frequenz f einer Sinus-Wechselspannung. Der Elektrodenabstand d betrug 1,5 mm, der Wert von Vsi/Vg etwa 6. Der Wert von Vs/Vg nimmt nach und nach mit ansteigender Frequenz f ab und hat.bei 5 kHz etwa den Wert 2. In dem Bereich oberhalb von 10 kHz liegt die Spannung Vs ziemlich dicht bei Vg, und daher wird die unnütze Energieverschwendung durch den Stabilisie-

10/11

yd 45

rungswiderstand 13 spürbar herabgesetzt.

Wie oben beschrieben wurde, kann der unnütze Energieverbrauch herabgesetzt werden, indem die bleibende Entladung durch eine Wechsel-Zündspannung Vs erzeugt wird, die niedriger ist als die hohe Triggerspannung Vsi, nachdem eine Start-Entladung durch die Spannung Vsi erfolgt ist, und indem 10t_Q S t gewählt oder die Frequenz angehoben wird. Als nächstes soll die Verminderung der Größe und des Gewichts des Transformators durch Herabsetzen der Leistungsaufnahme und Anheben der Frequenz beschrieben werden.

Wenn man die gesamte Querschnittsfläche der Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators, die Gesamtfläche einer Öffnung des Kerns, die wirksame Querschnittsfläche jedes Kerns, die magnetische Flußdichte jedes Kerns, die zulässige Stromdichte der Wicklung, die wirksame Länge der Windung und das Verhältnis der Wicklungsbelegung bezeichnet mit Ac (m²), Aw (m²), Ae (m²), B (Wb/m²), δ (A/m²), ie bzw. 3 = Ae/Aw, ergebn sich Leistung P und Kapazität Q des Transformators durch die Beziehungen:

P = 2ß'B'Ae«Aw6'f (5)

Q = Ae'&e Ξ Ae/Sw . (6)

Nimmt man an, daß Aw proportional zu Ae ist, so ist die Kapazität Q proportional zu /Ae³. Die Leistung P ist proportional zu Ae²f, so daß, wenn die Kapazität Q und das Gewicht W zueinander proportional sind bei konstanter

-3/4 Leistung P, das Gewicht proportional zu f ist. Diese Beziehung ist in Fig. 9 dargestellt, wo eine proportionale Konstante unter Verwendung von Meßwerten eines 50 Hz-Transformators bestimmt ist. In Fig. 9 ist auf der Abszisse die Frequenz f und auf der Ordinate das Gewicht W des Transformators aufgetragen. Die Kurven 25, 26 und 27 zeigen die Fälle für eine Leistung von 100, 50 bzw. 15 W.

11/12

41·

Man sieht aus Fig. 9, daß bei einer Zunahme der Frequenz f das Gewicht W des Transformators abnimmt, was zu geringeren Transformatorabmessungen führt, und daß bei geringerer Leistung das Gewicht und die Größe des Transformators kleiner werden.

Wie oben beschrieben wurde, wird erfindungsgemäß die Entladung dadurch gestartet, daß eine hohe Triggerspannung Vsi an die Elektroden gelegt wird, und die anschließende bleibende Entladung wird dadurch aufrechterhalten, daß die Spannung Vs, die niedriger ist als Vsi, angelegt wird. Eine derartige Spannungszuführung kann beispielsweise folgendermaßen vonstatten gehen: Wie in Fig. 10 beispielsweise dargestellt ist, wird das Ausgangssignal des Transformators . 12 durch eine Gleichspannungs-Booster-Schaltung 28, die aus Kondensatoren und Dioden besteht, gleichgerichtet, und gleichzeitig wird das gleichgerichtete Ausgangssignal angehoben. Ein Anschluß der Eingangsseite der Booster-Schaltung 28 ist an die eine Elektrode 14 über einen Kondensator 29 und den Stabilisierungswiderstand 13 angeschlossen, der andere Anschluß ist an die andere Elektrode 15 angeschlossen. Die Ausgangsseite der Gleichspannungs-Booster-Schal— tung 28 ist über einen Widerstand 31 mit hohem Widerstandswert an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 29 und dem Widerstand 13 angeschlossen. Der Widerstand 31 hat beispielsweise einen Wert von 10 ΜΩ, der Stabilisierungswiderstand 13 besitzt einen Wert von 2 kti. Der Transformator 12 liefert beispielsweise an seinem Ausgang eine Spannung von 1 kV bei 20 kHz; diese Spannung wird von der Booster-Schaltung 28 gleichgerichtet und gleichzeitig um das Sechsfache erhöht und an den Kondensator 29 gegeben. Etwa 7 kV, was die Summe aus der Spannung am Kondensator 29 und der Ausgangsspannung der Primärseite des Transformators 12 darstellt, werden an die Elektroden 14 und 15 gelegt, und diese Spannung dient als die hohe Trigger-

12/13

Spannung Vsi zum Erzeugen einer Entladung zwischen den Elektroden 14 und 15. Nach erfolgter Entladung wird die Impedanz durch den Widerstand 13 und die Entladungslücke ausreichend kleiner als die Impedanz des Widerstands 31, so daß die Ausgangs-Wechselspannung des Transformators über Kondensator 29 - Widerstand 13 - Lücke zwischen den Elektroden 14 und 15 läuft und die Gleichspannungs-Booster-Schaltung 28 in angemessener Weise von den Elektroden 14 und 15 abgeschaltet wird. Nach dem Starten der Entladung zwischen den Elektroden 14 und 15 wird an diese Elektroden von dem Transformator eine Wechselspannung von 1 kV mit einer Frequenz von 20 kHz angelegt, um dadurch die bleibende Wechselspannungs-Entladung aufrechtzuerhalten.

Bei einer alternativen Ausführungsform, die in Fig. 11 gezeigt ist, gelangt das Ausgangssignal des Transformators 12 über den Stabilisierungswiderstand 13 an die Elektroden 14 und 15, und gleichzeitig wird ein piezoelektrischer Hochspannungsgenerator 32 über den Widerstand 31 an die Elektroden 14 und 15 geschaltet. Durch den piezeelektrischen Hochspannungsgenerator 32 wird augenblicklich die hohe Triggerspannung Vsi erzeugt, um eine Entladung zwischen den Elektroden 14 und 15 hervorzurufen. Ist die Entladung einmal zwischen den Elekroden 14 und 15 erzeugt, so wird die bleibende Entladung zwischen den Elektroden durch die von dem Transformator 12 zugeführte Wechselspannung von 1 kV bei 20 kHz aufrechterhalten.

Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Schmelzverbindungsverfahren für optische Fasern die Entladung durch eine Triggerspannung Vsi gestartet, und die anschließende bleibende Entladung wird aufrechterhalten durch die niedrigere Wechselspannung Vs, wodurch die Spannungsversorgungseinheit in ihrer Größe und ihrem Gewicht vermindert und ihre Leistungsaufnahme herabgesetzt

13/14

werden kann. Für den Fall, daß die Frequenz f der Wechselspannung 20 kHz beträgt und die Elektroden einen Abstand d von 1/5 nun aufweisen, beträgt der Viert von Vs/Vsi etwa 1/10 des in Fig. 5 dargestellten Meßwertes. Durch ein solches Absenken der Spannung Vs im Vergleich zu der Spannung Vsi und durch die angehobene Frequenz der Wechselspannung wird das Gewicht des Transformators 12 von 1,6 kg auf 80 g vermindert, wobei 1,6 kg das Gewicht für den Transformator ist, wenn die Frequenz f der Wechselspannung 5.0 Hz beträgt und die Spannung Vsi auch während der bleibenden Entladung zum Aufrechterhalten derselben angelegt wird. Das heißt: Das Gewicht des Transformators wird auf 1/20 im Vergleich zum Stand der Technik vermindert, wodurch das Gewicht der Spannungsversorgungseinheit in hohem Maße herabgesetzt wird. Weiterhin wird durch Verringern der Spannung Vs für die bleibende Entladung im Vergleich zu der Spannung Vsi der Widerstandswert des Stabilisierungswiderstands 13, der in Serie mit den Elektroden 14 und 15 geschaltet ist, herabgesetzt. In diesem Beispiel konnte der Widerstandswert von 100 kfi auf 1 kf2 verringert werden. Folglich betrug die Leistungsaufnahme 12 W im Gegensatz zu 1Ö0 W im Stand der Technik. Wenn weiterhin Stufenfasern von 50 "μια- Kerndurchmesser und 125 μΐη Außendurchmesser mit dieser Vorrichtung verbunden (gespleißt) wurden, wurden dieselben Verbindungseigenschaften erhalten wie im Stand der Technik. Darüber hinaus konnte ein Spleißvorgang 90 mal hintereinander durchgeführt werden, wenn eine NickeI-Cadmium-Batterie von 12V und 0,45 Ah verwendet wurde. .

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Spannungsversorgungseinheit klein und leicht gemacht werden, ihre Leistungsaufnahme kann gesenkt werden. Darüber hinaus kann die Wechselspannung Vs für den Zustand bleibender Entladung nahe an die Erhaltungsspannung Vg gebracht werden, um die Aufrechterhaltung der Glimmentladung zu er-

14/15

»β

1 leichtern, so daß ein ausgezeichnetes Verbinden von opti schen Fasern möglich ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

ί K Verfahren zum Schmelzverbinden optischer Fasern, bei dem zwischen Elektroden durch Anlegen einer Wechselspannung aufgrund einer Gasentladung Wärme erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet , daß an die Elektroden eine zum Starten der Entladung ausreichend hohe Triggerspannung gelegt wird', und an die Elektroden eine Wechselspannung gelegt wird, die kleiner als die Triggerspannung ist, um nach dem aufgrund der hohen Triggerspannung erfolgten Auftreten der Entladung eine bleibende Entladung zu erzeugen, wobei die Wechselspannung die Beziehung

1Ot₀ > (t_{f +} t_{d +} t_r)

erfüllt, wobei -t« die Zeit ist, in der durch die Entladung erzeugte Ionen von der einen zu der anderen Elektrode fließen, und t_f, t, und t die Abfall-, Ruhe- bzw. Anstiegszeit der Wechselspannung sind.
20
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wechselspannung so gewählt wird, daß sie die Bedingung

2t₀ 2 <t_{f +} t_{d +} t_r)

erfüllt.
3„ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η SO zeichnet , daß die Wechselspannung so ausgewählt wird, daß sie die Bedingung

^(tf ⁺ *d ⁺ V

erfüllt=
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet / daß die Frequenz der Wechselspannung höher als 1 kHz ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz der Wechselspannung höher als 15 kHz ist.
6. Verfahren zum Schmelzverbinden optischer Fasern, bei dem zwischen Elektroden durch Anlegen einer Wechselspannung aufgrund einer Gasentladung Wärme erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet , daß an die Elektroden eine zum Starten der Entladung ausreichend hohe Triggerspannung gelegt wird und an die Elektroden eine Sinus-Wechselspannung mit einer Frequenz von mehr als 500 Hz gelegt wird, die niedriger ist als die hohe Triggerspannung, um nach dem aufgrund der hohen Triggerspannung erfolgten Auftreten der Entladung eine bleibende Entladung zu erzeugen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz der Wechselspannung höher ist als 5 kHz. - ·
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz der Wechselspannung höher ist als 15 kHz.

16/17