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Opto-elektronische Anordnung zur Speisung einer elektroni-
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schen Schaltung mit Licht Es ist allgemein bekannt, über Lichtleiter
nicht nur Information sondern auch Speiseenergie, zum Beispiel von einer Telefonzentrale
nach einer Tei lnehmerstation, zu übertragen.
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Dabei wird in der Zentrale Lichtenergie durch einen Lichterzeuger
in einen Lichtleiter, vorzugsweise eine Glasfaser, eingespeist, an der Teilnehmerstation
durch eine oder mehrere opto-elektrische Wandler empfangen und in elektrische Energie
umgewandelt. Bei einer solchen Anordnung ist es nachteilig, dass die von den als
Wandler verwendeten Fotodioden abgegebene Spannung nur ungefähr 1 V beträgt, während
die meisten elektronischen Schaltungen eine höhere Speisespannung benötigen. Bei
dieser niedrigen Speisespannung weisen die bekannten Schaltungen einen sehr schlechten
Wirkungsgrad auf oder können überhaupt nicht betrieben werden. Es ist daher notwendig,
die von den Wandlern abgegebene Spannung zu erhöhen.
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Es ist bekannt, eine solche Erhöhung durch eine herkömmliche Zerhackerschaltung
mit ansch Ii essender Transformation und Gleichrichtung (DC-DC-Wandler) zu erreichen,
wobei jedoch die vorher aufgeführten Nachteile einer niedrigen Speisespannung für
den Betrieb des Zerhackers bestehen bleiben. Es ist auch bekannt, mehrere Fotodioden
in Serie zu schalten, wobei eine Schwierigkeit darin liegt, das über den Lichtleiter
ankommende Licht mehr oder weniger gleichmässig und verlustarm auf diese Fotodioden
zu verteilen.
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Bei bekannten Anordnungen wird mit den Speiseenergie übertragenden
Sende- und Empfangseinrichtungen zusätzlich Information übertragen, indem die Lichtenergie
in Impulse unterteilt wird, welche gegenüber den Zwischenräumen lang und in ihrer
Länge oder Phase mit der Information moduliert sind.
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Infolge der erwähnten Zwischenräume ist die auf diese Weise übertragbare
Leistung kleiner als sie bei ununterbrochener Uebertragung von Licht sein könnte.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird nun die Aufgabe gelöst, Energie
mit Hilfe von Licht in einer Weise zu übertragen, gemäss welcher diese Energie am
Ende des Uebertragungsweges in elektrischer Form zur Verfügung steht, wobei eine
genügend hohe Spannung und ein hoher Wirkungsgrad für die Umwandlung erreicht wird.
Die Erfindung betrifft eine opto-elektronische Anordnung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1, deren Kennzeichen der (den) Lichtquelle(n) zugeordnete Schal
tungsmittel sind, welche die Lichtquel le(n) (je) zur intermittierenden Abgabe von
Licht mit einer (zwei) bestimmten Wellenlänge(n) veranlassen und deren weiteres
Kennzeichen eine unterbruchslose Verbindung zwischen dem (den) genannten Wandler(n)
und der (den) genannten Eingangswicklung(en) ist.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden zwei Lichtquellen
verschiedener Wellenlänge verwendet, welche abwechslungsweise betrieben werden und
welche die übertragene Leistung gegenüber einer Anordnung mit nur einer einzigen
Wellenlänge zu verdoppeln gestatten.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
Unter "Licht" wird in der Folge auch infrarote und ultraviolette Strahlung im Wellenlängen-Bereich
zwischen 0,4 und 20/um verstanden.
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Die Figur 1 zeigt das Prinzipschema einer Uebertragungsanlage mit
je einer zentralenseitigen und einer teilnehmerseitigen Sende-Empfangsstelle, zwischen
denen mit Hilfe von Licht über eine Glasfaser in beiden Richtungen Sprechsignale
und von der zentralenseitigen zur teilnehmerseitigen Stelle ausserdem Speise-Energie
übertragen werden können.
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Die Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines zu übertragenden Tonfrequenzsignals,
eines die zentralenseitige Stelle steuernden Taktsignals und der von der zentralenseitigen
zur tei Inehmerseitigen Stelle übertragenen Lichtsignale.
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Im obern Teil der Figur 1 ist die zentralenseitige Sende-Empfangs-Stelle
40 und im untern Teil die teilnehmerseitige Sende-Empfangsstelle 41 dargestellt.
Im zentralenseitigen Teil 40 sind LASER-Dioden 1 und 2 enthalten, wobei die Diode
1 Licht mit der Wellenlänge 21 und die Diode 2 Licht mit der Wellenlänge 5(2 auf
den Lichtwellenlängen-Multiplexer 3 abgibt, von wo die beiden Licht-Arten nach dem
Lichtwellen-Multiplexer 4 und weiter auf die Glasfaser 5 gelangen. Der Multiplexer
4 koppelt dabei Licht mit der Wellenlänge pt3 aus der Glasfaser 5 aus und führt
es der Fotodiode 6 zu, wo es in elektrische Energie umgesetzt wird, die ihrerseits
an den Verstärker 7 angelegt wird. Dieser Verstärker gibt sein Ausgangssignal an
einen Demodulator 11 ab, und das demodulierte Signal erscheint am Ausgang 8.
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Die beiden bereits erwähnten LASER-Dioden 1 und 2 werden von den beiden
Verstärkern 9 und 10 gespeist, denen je ein Eingangssignal vom Pulsdauer-Modulator
16 aus zugeführt wird. Dieser Modulator besteht beispielsweise aus einem monostabilen
Mul tivibrator mit beeinflussbarer Zeitkonstante und wird von einem über 12 zugeführten
und in Figur 2b dargestellten Taktsignal über ein Differenzierglied 13 angestossen.
Dieses Taktsignal ist rechteckförmig, und dessen Frequenz ist mindestens doppelt
so hoch wie die höchste zu übertragende Tonfrequenz. Das Differenziergl ied 13 gibt
an den Modulator beim Beginn jedes Taktimpulses einen kurzen Impuls ab. Aufgrund
jedes dieser Impulse wird vom Modulator ein Impuls erzeugt, dessen Dauer im unbeeinflussten
Zustand des Modulators der Hälfte der Periodendauer des Taktsignals entspricht.
Diese Impulse werden dem Verstärker 9 direkt und dem Verstärker 10 über den Inverter
15 zugeführt, so dass die beiden Verstärker 9 und 10 abwechslungsweise ein Signal
abgeben, wobei diese Signale lückenlos aneinader anschliessen.
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Ueber den Eingang 19 wird ein in Figur 2a dargestelltes n iederfrequentes
Modulationssignal zugeführt, welches die Dauer der aufgrund des Taktsignals erzeugten
Impulse im positiven oder im negativen Sinne beeinflusst, so dass vom Modulator
16 die in Figur 2c dargestellten Impulse abgegeben werden.
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Während die beschriebene zentralenseitige Sende-Empfangsstelle 40
aus einer beliebigen Spannungsquelle gespeist ist, wird der tei Inehmersei tigen
Sende-Empfangsstel le 41 sowohl die Speisung als auch das Signal über die Glasfaser
5 zugeführt. Diese Glasfaser führt an den Lichtwellenlängen-Multiplcx<r- 20,
wo (in von der Leuchtdiode 21 stammendes
Signal der Wellenlänge
,13 eingekoppelt wird. Das über die Glasfaser 5 eintreffende Signal wird weiter
dem Lichtwellenlängen-Multiplexer 22 zugeführt, wo die Signale mit den beiden Wellenlängen
>1 und 5(2 getrennt werden. Diese beiden Signale werden dabei den Fotodioden
23 und 24 zugeführt, welche sie in elektrische Leistung umsetzen und den Wicklungen
25 eines Transformators 35 im Gegentakt zuführen.
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Weitere Gegentakt-Wicklungen 26 des Transformators bilden Bestandteil
einer allgemein üblichen, ausserdem die beiden Dioden 27, den W i ders t a n d 28
und den Kondensator 29 umfassenden Gleichrichterschal tung, welche Speiseenergie
zur Speisung eines später beschriebenen Impulserzeugers 30 und gegebenenfalls eines
Verstärkers 31 abgibt.
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Eine weitere Wicklung 32 des Transformators 35 ist über einen Verstärker
31 mit einem Hörer 33 verbunden. Sofern das vom Transformator abgegebene Signal
gross genug ist, kann auf den Verstärker 31 verzichtet werden.
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Das Ausgangssignal eines Mikrofons 34 wird einem modulierbaren Impuiserzeuger
30 zugeführt. Die von diesem Impulserzeuger abgegebenen Impulse sind mit der vom
Mikrofon 34 abgegebenen Spannung moduliert. Grundsätzlich sind dabei verschiedene
Modulationsarten möglich; vom Standpunkt des Energieverbrauchs aus gesehen, eignet
sich jedoch Puls-Positions-Modulation (PPM) am besten. Das vom Erzeuger 30 abgegebene
Impuls-Signal wird der Leucht-Diode 21 zugeführt, welche Licht der Wellenlänge )>3
erzeugt. Die Lichtimpulse werden mit Hilfe des Lichtwellenlängen-Multiplexers 20
in die Glasfaser 5 eingekoppelt.
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Im Ruhezustand der Anordnung, d.h. solange der zentralensei tigen
Sende-Empfangsstel le kein Modulationssignal zugeführt wird, erzeugt der Modulator
16, wie bereits kurz erwähnt wurde, Impulse mit einer der halben Periode des Taktsignals
entsprechenden Dauer. Da diese Impulse durch das Taktsignal ausgelöst werden, sind
sie gleich lang wie die dazwischen liegenden Pausen, und das Ausgangssignal des
Modulators 16 entspricht dem Taktsignal gemäss Figur 2b. Durch die Wirkung des Inverters
15 wird den beiden Verstärkern 9 und 10 je gleich lang ein Signal zugeführt, wodurch
abwechslungsweise und ohne zeitliche Lücken die beiden Laser-Dioden 1 und 2 angesteuert
werden, welche abwechslungslungsweise Licht von den Wellenlängen ;1 1 und dem Multiplexer
3 und von dort über den Multiplexer 4 der Glasfaser 5 zuführen.
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Ueber den Multiplexer 20 gelangt das abwechslungsweise zwei Wellenlängen
aufweisende Licht nun auf den Multiplexer 22, an dessen beiden Ausgängen je intermittierend
Licht einer einzigen Wel lenlänge auftritt. Die beiden im Gegentakt auftretenden
Signale werden den Fotodioden 23 und 24 zugeführt. Die von den beiden Dioden abgegebene
Spannung wird über die Wicklungen 25 und 26 des Transformators 35 auf eine höhere
Spannung transformiert, anschliessend gleichgerichtet und gesiebt und als Speisung
dem Impulserzeuger 30 und dem Verstärker 31 zugeführt.
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Wie schon früher ausgeführt wurde, beeinflusst ein am Eingang 19 zugeführtes
tonfrequentes Signal die vom Modulator 16 abgegebenen Impulse, so dass der Verlauf
der Lichtimpulse dern in Figur 2c dargestellten Verlauf entspricht. Aus den Figuren
2b und 2c ist ersichtlich, dass der
Uebergang von der Wellenlänge
22 auf al zeitlich immer mit dem Beginn der Impulse des in Figur 2b dargestellten
Taktsignals 12 zusammen fällt, während der Uebergang von der Wellenlänge auf auf
22 gegenüber dem Ende der Impulse des Taktsignals zeitlich im negativen oder im
positiven Sinne verschoben ist.
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An der Wicklung 32 des Transformators 35 entsteht ein bipolares Rechtecksignal,
welches dem in Figur 2c dargestellten Signal entspricht. Bezogen auf je eine der
Polaritäten stellt dieses Signal ein in der Pulsbreite moduliertes Signal dar. Das
Spektrum dieses Signals enthält neben dem am Eingang 19 eingespeisten Tonfrequenzsignal
auch Mischprodukte dieses Signals mit dem Taktsignal 12. Da die Frequenz des Taktsignals
mindestens doppelt so hoch gewählt ist wie die höchste zu übertragende Tonfrequenz
wirkt der Hörer 33 als Tiefpassfilter, und die auf den Hörer gegebenen Mischprodukte
haben keine Wirkung, so dass nur das Tonfrequenzsignal wiedergegeben wird.
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Das vom Impulserzeuger 30 abgegebene, vom Ausgangssignal des Mikrofons
34 modulierte Signal wird der Leuchtdiode 21 zugeführt, wo es in Lichtimpulse mit
der Wel lenlänge 3s3 verwandelt wird. Dieses Licht gelangt über den Multiplexer
20 auf die Glasfaser 5 und wird durch den Multiplexer 4 wiederum ausgekoppelt und
an die Fotodiode 6 angelegt.
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Diese Diode erzeugt Spannungsimpulse, die im Verstärker 7 verstärkt
und im Demodulator 11 demodul iert werden. Das Ausgangssignal 8 des Demodulators
entspricht dann dem Ausgangssignal des Mikrofons 34.
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Im aufgeführten Ausführungsbei spiel kann, sofern das Uebersetzungsverhältnis
des Transformators auf ungefähr 1:5 festgesetzt wird am Ende des Uebertragungsweges
eine elektrische Leistung von ungefähr 100/t'«V bei 2 V Spannung gewonnen werden.
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Für eine verhältnismässig kurze Länge der Glasfaser-Leitung von bis
zu 200 m genügen als Lichtquellen preisgünstige GaAs-Leuchtdioden (LED) mit 860
und 940 nm Wel lenlänge, während als Wandler auf der Empfangsseite Silizium-Fotodioden
geeignet sind.
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Für einen längern Uebertragungsweg von bis zu 1000 m muss, um am Ende
dieselbe Ausgangsleistung zu erreichen, entweder die Leistung oder die Wellenlänge
der Lichtquellen erhöht werden. Die Erhöhung der Wellenlänge wirkt sich leistungssteigernd
aus, weil dabei die auf die Länge bezogene Dämpfung des Licht leiters abnimmt. Die
erstgenannte Massnahme kann beispielsweise durchgeführt werden, indem als Lichtquelle
eine GaAs/GaAlAs-LASER-Diode mit einer Wellenlänge von 837 nm und einer gegenüber
Leuchtdioden erhöhter Leistung verwendet wird. Die zweitgenannte Massnahme lässt
sich mit der Verwendung einer InGaAsP-Leuchtdiode mit einer Wellenlänge von 1300
nm durchführen. Auf der Empfangsseite wird vorzugsweise für die kürzere Wellenlänge
eine Silizium-Fotodiode und für die längere Wellenlänge eine GaAs-Fotodiode als
Wandler verwendet. Die beiden Massnahmen können vorzugsweise kombiniert werden,
indem in der gleichen Anordnung je zwei verschiedene Arten von Lichtquellen und
Wandlern verwendet werden.
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Da die Preise der Lichtquellen in den beschriebenen Varianten für
einen kurzen und einen langen Lichtleiter um Grössenordnungen voneinander abweichen,
sind die in der Variante für lange Leiter aufgeführten Lichtquellen für kurze Leiter
unwirtschaftlich.
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Die Erfindung ist natürlich nicht an das Ausführungsbeispiel gebunden.
Sie kann auch angewendet werden, wenn für jede Verkehrsrichtung ein eigener Lichtleiter
besteht oder wenn das die Speisung übertragende Licht nicht über einen Lichtleiter
fortgeleitet wird. Dieser letztgenannte Fall kann für die Speisung eines galvanisch
vollständig isolierten Verstärkers in Frage kommen, welcher sich bei der Speisequelle
befindet. Sofern das Licht über zwei Wege übertragen wird, kann für beide Takte
die gleiche Wellenlänge angewendet werden.
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Die Erfindung ist auch nicht an die abwechslungsweise Erzeugung von
Licht verschiedener Wellenlängen gebunden.
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Wesentlich ist der Umstand, dass das Licht einer bestimmten Wellenlänge
intermittierend gesendet wird und dass ein Lichtwandler direkt auf einen Transformator
einwirkt.
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Es sind aus einer Kombination von verschiedenen LASER-Dioden und steuerbaren
Licht-Filtern bestehende Lichtquellen bekannt geworden, welche in Abhängigkeit von
der Ansteuerung Licht von verschiedener Wellenlänge abgeben. Anstelle von zwei Lichtquellen
und einem Multiplexer kann auch eine soiche Kombination verwendet werden.
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Die Verwendung von LASER-Dioden und Lichterzeugungs-Dioden (LED) als
Lichterzeuger und die Verwendung von Fotodioden zur Umwandlung von Licht in elektrische
Energie sind nur als Beispiele zu betrachten. Die Erfindung lässt sich grundsätzl
ich für alle Arten von Lichtquellen und von Lichtauswertern anwenden.