DE19621794A1 - Bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung - Google Patents
Bidirektionale, optisch gespeiste SignalübertragungsvorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung zur bidi
rektionalen Kommunikation zwischen zwei Stationen, wobei elektrische Leistung über einen
Lichtstrahl von einer Station zur anderen geliefert wird.
Es sind viele optische Übertragungssysteme bekannt, die Daten über ein Lichtwellenleiter-Kabel
netzwerk zwischen zwei oder mehr Stationen übertragen. Solche Systeme bieten eine erhöhte
Datensicherheit, Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI und RFI) und aus
gezeichnete Explosionsschutzeigenschaften. Diese letzteren Eigenschaften machen solche
Systeme besonders für den Betrieb in potentiell explosiven Umgebungen geeignet.
Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen optischen Signalübertragungsvorrichtung
mit einer Steuerstation 10 und zwei Feldstationen 20 und 30. Die Steuerstation 10 steuert die
beiden Feldstationen 20 und 30. Die Feldstation 20 enthält typischerweise Meßfühler und arbei
tet als Sensor zur Temperaturmessung, Druckmessung etc. oder als Stellglied zur Tempera
tureinstellung, Druckeinstellung etc. Die Steuerstation 10 enthält eine optische Transceiver
schaltung 13a zur Kommunikation mit der Feldstation 20. Die Steuerstation 10 enthält ferner
eine optische Transceiverschaltung 13b für die Kommunikation mit der Feldstation 30. Die Feld
station 30 ist in gleicher Weise ausgebildet wie die Feldstation 20, und die optischen Transcei
verschaltungen 13a und 13b sind ebenfalls gleich. Es reicht daher, nachfolgend lediglich die
Feldstation 20 und die Transceiverschaltung 13a zu beschreiben.
Die Transceiverschaltung 13a enthält eine Lichtquelle 131 zur Erzeugung eines Lichtstrahls. Der
Lichtstrahl durchläuft einen optischen Strahlspalter/Koppler 133 und einen Lichtwellenleiter
(LWL) 41 zur Feldstation 20. In der Feldstation 20 tritt der Lichtstrahl in einen Strahlspal
ter/Koppler 23 ein, von dem er zu einem Lichtempfänger 29 reflektiert wird. Der Lichtempfänger
29 setzt das optische Signal in ein elektrisches Signal um, welches an eine Steuerschaltung 21
gegeben wird. Die Steuerschaltung 21 ist ein Interface zu irgendeiner Art Meßwandler (nicht
gezeigt) oder einem Sensor (nicht gezeigt), die in der Feldstation 20 enthalten sind. Die Steuer
schaltung 21 erfaßt Steuerdaten in dem elektrischen Signal. Die Steuerschaltung 21 steuert eine
Lichtquelle 22 zur Erzeugung eines abgehenden Lichtstrahls, der den Strahlspalter/Koppler 23
und den LWL 41 durchläuft. Dieser Lichtstrahl wird von dem Strahlspalter/Koppler 133 zu
einem Lichtempfänger 132 reflektiert. Der Lichtempfänger 132 setzt das optische Signal in ein
elektrisches Signal um, welches an eine Steuerschaltung 11 gegeben wird. Die Steuerschaltung
11 entnimmt daraus die von der Feldstation 20 erzeugten Daten. Der LWL 41 ist mit der Steu
erstation 10 über eine Verbindungsanordnung 51a und mit der Feldstation 20 über eine Verbin
dungsanordnung 51b verbunden (die Verbindungsanordnungen können etwa Steckverbinder
sein). Eine Batterie 25 speist die Feldstation 20.
Die Feldstationen 20, 30 können sich in einem ungünstigen Umfeld befinden, beispielsweise in
gefährlichen Bereichen einer Ölraffinerie oder einer chemischen Fabrik, in denen eine potentiell
explosive Atmosphäre vorhanden ist. Deshalb wird die Batterie 25 zur Vermeidung hoher Span
nungen benutzt, um eine Explosionssicherheit zu erreichen oder entsprechenden Sicherheitsbe
dingungen zu genügen.
Die Batterie 25 muß regelmäßig ausgetauscht werden. Dazu muß Sorge getragen werden, daß
die Feldstation 20 so ausgelegt und angeordnet wird, daß ein Batterieaustausch ermöglicht
wird. Das herkömmliche optische Signalübertragungssystem erfordert daher hohe Material- und
Arbeitskosten für den Austausch von Batterien.
Aus diesen Gründen sind optisch gespeiste Signalübertragungssysteme entwickelt worden, bei
denen eine Batterie nicht mehr benötigt wird. Solarzellen werden dazu verwendet, Licht, das
über einen Leistungs-LWL übertragen wird, in elektrische Leistung zum Betrieb der Feldstation
umzusetzen. Das Rückkehrsignal von der Feldstation wird normalerweise über einen gesonder
ten LWL geführt. Dies erfordert zwei LWLs, den Leistungs-LWL und den Signal-LWL.
Man hat Sensorsysteme entwickelt, die sowohl für die Leistungsübertragung als auch die
Signalübertragung einen einzigen LWL verwenden. Ein Leistungslichtstrahl wird von einer Steu
erstation über einen LWL zu einem Fernsensor gesandt, wo ein Teil des Lichts in elektrische
Leistung zum Betrieb des Sensors umgesetzt wird. Der Rest des Lichtstrahls kehrt nach Modula
tion mit einem aufgrund des Sensorausgangssignals erzeugten digitalen Signal über denselben
LWL zur Steuerstation zurück. Die in elektrische Leistung umgesetzte Lichtmenge ist ziemlich
begrenzt. Darüberhinaus sind die LWL-Längen wegen der Notwendigkeit des optischen Signal
ohne übermäßige Abschwächung zur Steuerstation zurückzukehren, begrenzt. Ein weiterer
Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß es sich um eine Einweg-Signalübertragung von dem
Sensor zur Steuerstation handelt. Eine bidirektionale Kommunikation erfordert entweder eine
Batterie an der Feldstation oder zwei Kabel, eines für die Leistung und eines für die Signale.
Davon ausgehend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine optisch gespeiste
Signalübertragungsvorrichtung zu schaffen, die frei von den erwähnten Nachteilen und
Beschränkungen des Standes der Technik ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, eine optisch gespeiste Signalübertra
gungsvorrichtung zu schaffen, die sowohl Leistung als auch ein Signal von einer Steuerstation
an eine Feldstation über einen LWL liefert.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optisch gespeiste Signalüber
tragungsvorrichtung zu schaffen, die eine bidirektionale Kommunikation zwischen Stationen
ermöglicht, ohne eine Energiequelle an einer Feldstation zu benötigen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optisch gespeiste Signalübertra
gungsvorrichtung zu schaffen, die eine bidirektionale Kommunikation über eine sehr viel größere
Entfernung ermöglicht als die herkömmliche bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertra
gungsvorrichtung.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine bidirektionale, optisch gespei
ste Signalübertragungsvorrichtung zu schaffen, die verhindert, daß menschliche Augen und
Haut längere Zeit Licht, insbesondere Leistungslicht ausgesetzt werden.
Diese Aufgaben werden durch eine bidirektionale optisch gespeiste Signalübertragungsvorrich
tung gelöst wie sie in den Ansprüchen 1, 2 bzw. 5 angegeben ist. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Mit der Erfindung wird eine bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung
geschaffen, die eine Steuerstation und eine Feldstation enthält, welche optisch für eine Signal
übertragung und eine Leistungsübertragung verbunden sind. Die Steuerstation sendet einen
ersten Signallichtstrahl an einen Lichtempfänger in der Feldstation. Die Feldstation sendet einen
zweiten Signallichtstrahl an die Steuerstation. Der erste und der zweite Lichtstrahl haben unter
schiedliche Wellenlängen, so daß eine simultane bidirektionale Übertragung ermöglicht wird.
Leistungslicht wird über einen Leistungs-LWL zur Feldstation übertragen oder über einen
gemeinsamen LWL, über den auch der erste und der zweite Signallichtstrahl bidirektional über
tragen werden. Im letzteren Fall ist der erste Signallichtstrahl ein erster Lichtstrahl, der eine
Signallichtkomponente und eine Leistungslichtkomponente enthält. Die Feldstation setzt das
über einen gesonderten Leistungs-LWL übertragene Leistungslicht oder die Leistungslichtkom
ponente, die in dem ersten Lichtstrahl enthalten ist und über den gemeinsamen LWL übertragen
wurde, zum Betrieb der Feldstation in elektrische Leistung um. Die Leistungslichtkomponente ist
eine Gleichkomponente, der eine Signallicht-Wechselkomponente überlagert ist, oder eine
Komponente, deren Intensität mit einer sehr viel längeren Periode moduliert ist als die Modulati
onsperiode der Signallichtintensität. Die Signallicht- und Leistungslicht-Empfangsfunktionen in
der Feldstation sind vorzugsweise in einem integrierten opto-elektrischen Umsetzer vereinigt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläu
tert. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 3 in einer detaillierteren schematischen Darstellung die Strahlspalter/Koppler von Fig. 2
in Relation zu den anderen relevanten optischen Elementen,
Fig. 4 in einem Zeitdiagramm die Amplitude von überlagertem Licht, das von der Steuersta
tion zur Feldstation in Fig. 2 gesandt wird,
Fig. 5 eine Vorderansicht einer Lichtempfängeranordnung in Fig. 2,
Fig. 6 ein Schaltbild der Lichtempfängeranordnung in Fig. 5,
Fig. 7 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 8 in einem Zeitdiagramm die Amplitude von überlagertem Licht, das von der Steuersta
tion zur Feldstation von Fig. 7 gesandt wird,
Fig. 9 eine Vorderansicht einer Lichtempfängeranordnung von Fig. 7,
Fig. 10 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
Fig. 11 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen optischen Signalübertragungsvorrichtung.
Die in Fig. 1 dargestellte optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung enthält eine Steuer
station 10 und eine Feldstation 20. Die Steuerstation 10 liefert optische Leistung, und die Feld
station 20 empfängt optische Leistung. Da die in Fig. 1 gezeigte Feldstation 30 gleichen Aufbau
wie die Feldstation 20 aufweist, wie nachfolgend nur die Feldstation 20 beschrieben.
Eine optische Transceiverschaltung 13a in der Steuerstation 10 überträgt Signallicht an die
Feldstation 20 und empfängt Signallicht von dieser. Die Transceiverschaltung 13a wird von
einer Steuerschaltung 11 gesteuert. Die Steuerstation 10 und die Feldstation 20 sind mittels
LWLs 41a und 41b verbunden. Die LWLs 41a und 41b sind mit der Steuerstation 10 mittels
Verbindungsanordnungen 51a bzw. 51c und mit der Feldstation 20 mittels Verbindungsanord
nungen 51b bzw. 51d verbunden. Bei den Verbindungsanordnungen kann es sich um optische
Steckverbinder handeln.
Die Transceiverschaltung 13a enthält eine Lichtquelle 131 zur Erzeugung eines Signallicht
strahls. Der Signallichtstrahl durchläuft einen Strahlspalter/Koppler 133 und den LWL 41a zur
Feldstation 20. In der Feldstation 20 tritt der Signallichtstrahl in einen Strahlspalter/Koppler 23
ein, von dem er zu einem Lichtempfänger 29 reflektiert wird. Der Lichtempfänger 29 setzt das
optische Signal in ein elektrisches Signal um, welches an eine Steuerschaltung 21 gegeben
wird. Die Steuerschaltung 21 ist ein Interface zu irgendeiner Art von Meßwandler (nicht gezeigt)
oder Sensor (nicht gezeigt), die in der Feldstation 20 enthalten sind. Die Steuerschaltung 21
entnimmt dem elektrischen Signal Steuerdaten. Die Steuerschaltung 21 steuert eine Lichtquelle
22 zur Erzeugung eines abgehenden Signallichtstrahls, der den Strahlspalter/Koppler 23 und den
LWL 41a passiert. Dieser Signallichtstrahl wird von dem Strahlspalter/Koppler 133 zu einem
Lichtempfänger 132 reflektiert. Der Lichtempfänger 132 setzt das optische Signal in ein elektri
sches Signal um, welches an die Steuerschaltung 11 gegeben wird. Die Steuerschaltung 11
entnimmt dem elektrischen Signal Daten, die von der Feldstation 20 erzeugt wurden.
Die Transceiverschaltung 13a enthält außerdem eine Lichtquelle 134 zur Erzeugung eines
Leistungslichtstrahls. Der Leistungslichtstrahl wird mittels einer Linse 135 gesammelt (zur
Konvergenz gebracht) und mit gutem Wirkungsgrad in den LWL 41b eingekoppelt. In der Feld
station 20 wird der Leistungslichtstrahl mittels einer Linse 26 über eine Lichtempfängeranord
nung 27 verteilt, von welcher er in elektrische Leistung umgesetzt wird.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer optischen Signalübertra
gungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
enthält die Vorrichtung eine Steuerstation 10 sowie Feldstationen 20 und 30. Auch hier wird
sich die Beschreibung auf die Feldstation 20 beschränken, da die Feldstation 30 gleich aufge
baut ist. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel liefert die Steuerstation 10 optische Leistung,
während die Feldstation 20 optisch betrieben wird. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel
sind die Steuerstation 10 und die Feldstation 20 mittels eines LWL 41 verbunden. Der LWL 41
ist mit der Steuerstation 10 mittels einer Verbindungsanordnung 51a und der Feldstation 20
mittels einer Verbindungsanordnung 51b verbunden.
Die optische Transceiverschaltung 13a dieses Ausführungsbeispiels enthält eine Lichtquelle
134, die an die Feldstation 20 einen Lichtstrahl sendet, der sowohl Signallicht als auch
Leistungslicht enthält. Dieses einander überlagerte Signallicht und Leistungslicht, das von der
Lichtquelle 134 emittiert wird, wird nachfolgend als "Überlagerungslicht" oder "Überlagerungs
lichtstrahl" bezeichnet. Der Überlagerungslichtstrahl wird von dem Strahlspalter/Koppler 136
gesammelt und gefiltert.
Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, die die Strahlspalter/Koppler 136 und 28 in Relation zu
den anderen relevanten optischen Elementen zeigt. Der Strahlspalter/Koppler 136 enthält eine
Positivlinse 136a und einen Wellenlängenselektionsfilterfilm 136b. Alternativ kann ein optischer
Strahlspalter ohne Wellenlängenabhängigkeit, etwa ein teilweise reflektierender Spiegel oder
Halbspiegel, als Strahlspalter 136 verwendet werden. Die Funktion der Positivlinse wird dann
von einem gesonderten Brechungs- oder Reflexionselement ausgeübt (nicht gezeigt). Der Strahl
spalter/Koppler 136 ist über eine Verbindungsanordnung 51a mit dem LWL 51 gekoppelt,
welcher den Überlagerungslichtstrahl an die Feldstation 20 überträgt.
Die Feldstation 20 enthält eine Lichtquelle 22a, den Strahlspalter/Koppler 28, eine Linse 26,
eine Lichtempfängeranordnung 27 und eine Steuerschaltung 21. Die Steuerschaltung 21 steuert
den Empfang und das Senden von Signalen. Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht der Lichtempfänge
ranordnung 27. Ein Lichtempfänger 272 setzt das Signallicht von der Steuerstation 10 in ein
elektrisches Signal um. Eine Anordnung von sieben Lichtempfängern 271a bis 271g setzt das
Leistungslicht in eine elektrische Größe um. Die Lichtempfängeranordnung 27 integriert die
Lichtempfänger 272 und 271a bis 271g in einer Einheit.
Zurückgehend zu Fig. 2, handelt es sich bei der Lichtquelle 134 um eine herkömmliche Licht
quelle, etwa eine Leuchtdiode oder eine Halbleiterlaserdiode mit einer Emissionsmittenfrequenz,
die für eine Übertragung durch den LWL 41 mit geringem Verlust geeignet ist, beispielsweise
etwa 780 nm. Die Lichtquelle 134 sendet das Signallicht und das Leistungslicht als Überlage
rungslicht an die Feldstation 20. Der in Fig. 4 gezeigte Verlauf stellt die Amplitude des von der
Steuerstation an die Feldstation gesandeten Überlagerungslichts dar. Wie dargestellt, herrscht in
dem von der Lichtquelle 134 emittiertem Ausgangslicht eine Gleichkomponente vor. Die Gleich
komponente wird für die optische Leistungsübertragung verwendet. Eine Signalwechselkompo
nente ist der Leistungsgleichkomponente überlagert. Die Wechselkomponente enthält die Daten.
Eine in Fig. 2 gezeigt Treiberschaltung 12a steuert die Lichtquelle 134 mit einem Strom an, der
bewirkt, daß der Leistungsgleichkomponente die Signalwechselkomponente überlagert wird.
Wie beschrieben und aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, wird das von der Lichtquelle 134 emit
tierte Überlagerungslicht mittels des Strahlspalters/Kopplers 136 zur Konvergenz gebracht und
gefiltert. Das gefilterte Überlagerungslicht wird dann über den LWL 41 und die Verbindungsan
ordnungen 51a, 51b an die Feldstation 20 gesandt. Ein optisch transparentes Element 136c
weist dieselbe Brechzahl wie die Positivlinse 136a auf, um eine Totalreflexion an dem Wellen
längenselektionsfilterfilm 136b zu verhindern.
Der Strahlspalter/Koppler 28 in der Feldstation enthält eine Positivlinse 28a, einen Wellenlän
genselektionsfilterfilm 28b und ein optisch transparentes Element 28c, die zu ihren Gegen
stücken im Strahlspalter/Koppler 136 der Steuerstation 10 ähnlich sind. In der Feldstation 20
lenkt der Wellenlängenselektionsfilterfilm 28b das Überlagerungslicht ab (reflektiert es). Die
Linse 26 zerstreut das abgelenkte Überlagerungslicht über die Lichtempfängeranordnung 27.
Fig. 6 zeigt die elektrische Verdrahtung der Lichtempfängeranordnung von Fig. 5. Die Lichtemp
fänger 271a bis 271g sind bei diesem Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet. Der Lichtemp
fänger 272 setzt die Signallichtkomponente (Wechselkomponente) des Überlagerungslichts in
ein elektrisches Signal um. Die Lichtempfänger 271a bis 271g setzen die Leistungslichtkompo
nente (Gleichkomponente) in eine elektrische Größe (elektrische Leistung) um. Das elektrische
Signal gelangt als Steuerdaten von der Steuerstation 10 zur Steuerschaltung 21. Die elektrische
Leistung dient dem Betrieb der Lichtquelle 21a, der Steuerschaltung 21 und anderer Einrichtun
gen in der Feldstation 20.
Die Feldstation 20 überträgt Signallicht zur Steuerstation 10 auf folgende Weise. Die Lichtquelle
22a ist vorzugsweise eine Leuchtdiode oder eine Halbleiterlaserdiode, deren Emissionsmitten
wellenlänge sich vorzugsweise von derjenigen der Lichtquelle 134 unterscheidet. Die Emissi
onsmittenwellenlänge der Lichtwelle 22a liegt vorzugsweise bei etwa 850 nm. Der Unterschied
zwischen den Emissionsmittenwellenlängen ermöglicht eine gleichzeitige bidirektionale Übertra
gung optischer Daten auf einem gemeinsamen LWL.
Die Feldstation 20 sendet Signallicht von der Lichtquelle 22a zum Strahlspalter/Koppler 28, wo
es zur Konvergenz gebracht und zur Übertragung auf die Steuerstation 10 in den LWL 41 einge
koppelt wird. In der Steuerstation 10 durchläuft das übertragene Signallicht die Verbindungsan
ordnung 51a und wird von dem Wellenlängenselektionsfilterfilm 136b des Strahlspalter/Kopplers
136 auf den Lichtempfänger 132 reflektiert. Der Lichtempfänger 132 setzt das Signallicht in ein
elektrisches Signal um, welches an die Steuerschaltung 11 gesandt wird. Die Steuerschaltung
11 entnimmt diesem elektrischen Signal die von der Feldstation 20 gemessenen Daten wie
Temperatur, Druck etc.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Lichtempfängeranordnung 27 in acht gleiche Lichtempfänger
unterteilt. Wenn eine schnelle Reaktion auf Signallicht erforderlich ist, wird der Lichtempfänger 272
so klein wie möglich ausgebildet. Mehrere Lichtempfänger 271 werden zur Erzeugung einer
Spannung eingesetzt, die minimal, aber ausreichend zum Betrieb der Schaltungen in der Feldsta
tion 20 ist. Die Anzahl von Lichtempfängern 271 wird durch Teilen einer Spannung gleich oder
größer als die zum Betrieb aller Schaltungen erforderliche Spannung durch die Ausgangsspan
nung eines einzelnen Lichtempfängers bestimmt.
Der Lichtempfänger 27 kann beispielsweise einen Dünnfilm aus einem Verbindungshalbleiter wie
Galliumarsenid (GaAs) aus Silizium (Si) etc. enthalten. Bevorzugt wird ein Galliumarsenid-Dünn
film, der bei geringerer Filmdicke als Silizium eine höhere Energieumwandlungsrate aufweist
(siehe T. Imai, "Compound Semiconductor Device", Kogyou Chosakai Publishing Co. Ltd.,
1985, Seiten 314 bis 315).
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels einer optisch gespeisten Signal
übertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 8 stellt die Amplitude von
Überlagerungslicht dar, das von der Steuerstation 10 zur Feldstation 20 in Fig. 7 gesandt wird.
Fig. 9 ist eine Vorderansicht der Lichtempfängeranordnung, die bei dem Ausführungsbeispiel
von Fig. 7 verwendet wird. Dieses dritte Ausführungsbeispiel wird nachfolgend in erster Linie
hinsichtlich seiner Unterschiede gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.
In der Steuerstation 10 steuert eine Treiberschaltung 121a die Lichtquelle 134 zur Überlagerung
von Leistungslicht, dessen Intensität mit einer bestimmten Periode Tp moduliert ist (Amplitude:
Ap), und Signallicht, dessen Intensität mit einer Periode Ts moduliert ist, die sehr viel kürzer als
Tp ist (Amplitude: As).
In der Feldstation wandelt ein Lichtempfänger 291a, der eine relativ kleine Fläche aufweist, das
Signallicht in ein elektrisches Signal um. Ein Lichtempfänger 291b, der eine relativ große Fläche
aufweist, wandelt das Leistungslicht in elektrische Leistung um. Das elektrische Signal vom
Lichtempfänger 291a gelangt an die Steuerschaltung 21. Die elektrische Leistung (Wechsel
strom) vom Lichtempfänger 291b gelangt zu einem Transformator 292, wo sie auf eine Span
nung hochgespannt wird, die zum Betrieb der Steuerschaltung 21 und der weiteren Schaltungen
in der Feldstation 20 ausreicht. Ein Gleichrichter 293 richtet die elektrische Wechselstromlei
stung in Gleichstromleistung um, die dann an die Steuerschaltung 21 (und ggfs. andere zu spei
sende Schaltungen) angelegt wird.
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels einer optisch gespeisten
Signalübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel
stellt eine Modifikation der vorangehenden Ausführungsbeispiele dar. Die Vorrichtung dieses
vierten Ausführungsbeispiels weist einen Aufbau zur Minderung des Energieverbrauchs in der
Steuerstation sowie dazu auf zu verhindern, daß menschliche Augen und Haut über längere Zeit
dem Leistungslicht ausgesetzt werden. Der Aufbau von Fig. 10 wird anhand des zweiten
Ausführungsbeispiels erläutert, kann aber gleichermaßen für das erste und dritte Ausführungs
beispiel eingesetzt werden.
Die Steuerstation 10 in Fig. 10 fordert die Feldstationen 20, 30 periodisch mit einer Periode T
auf, neue Meßdaten zu senden. Die Feldstationen 20, 30 senden neue Daten an die Steuersta
tion 10, wenn eine Antwortzeit t nach Empfang der Aufforderung durch die Feldstationen 20,
30 vergangen ist.
Eine Zeitgebereinrichtung 15a ist für die Feldstation 20 vorgesehen und eine Zeitgebereinrich
tung 15b für die Feldstation 30. Die Zeitgebereinrichtungen 15a und 15b dienen dazu, einen
nutzlosen Verbrauch elektrischer Leistung zu verhindern, wenn kein LWL angeschlossen ist
(wenn eine Feldstation nicht benutzt wird), oder wenn eine Verbindungsanordnung gelöst ist.
Damit wird verhindert, daß über längere Zeit Licht in Luft abgestrahlt wird. Die Zeitgebereinrich
tungen 15a, 15b überwachen beispielsweise die Antwortzeit t und stoppen die Speisung von
Leistungslicht, wenn die Antwortzeit t eine vorbestimmte Zeitspanne übersteigt.
Dadurch, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Feldstation(en) durch von der Steuerstation
10 geliefertes Licht optisch mit Leistung versorgt werden, wird zu ihrem Betrieb keine Batterie
benötigt. Damit verringert die Erfindung die Herstellungskosten eines optischen, bidirektionalen
Übertragungssystems und ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation über den LWL
zwischen zwei optischen Übertragungsstationen.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die Steuer- und Feldstationen mit jeweiligen Lichtquellen zur
Emission von Signallichtstrahlen versehen. Hierdurch werden die Signalübertragungslänge und
damit der Abstand zwischen der Steuerstation und der Feldstation auf das doppelte oder mehr
der herkömmlichen bidirektionalen Signalübertragungsvorrichtung verlängert.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung überwacht die Steuerstation 10 die
Antwortzeit der Feldstationen 20, 30 und stoppt die Speisung von Leistungslicht, wenn die
Antwortzeit einen vorbestimmten Wert übersteigt. Dadurch wird in der Steuerstation 10 Energie
eingespart und außerdem werden menschliche Augen und Haut davor geschützt, längere Zeit
dem Leistungslicht ausgesetzt zu werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung voranstehend anhand von Beispielen erläutert wurde, bei
denen die optische Übertragung über Lichtwellenleiter erfolgt, ist die Erfindung hierauf nicht
beschränkt. So kann die optische Übertragung durch die Luft, irgendeine Kombination von
Gasen, einen Festkörper oder eine Flüssigkeit übertragen werden, solange diese ausreichend
transparent sind, um genügend Signal- und Leistungslicht zur Feldstation gelangen zu lassen,
damit diese das elektrische Signal und die elektrische Leistung ableiten kann.
Claims (14)
1. Bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung, umfassend:
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (31, 32, 33) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Signallichtstrahls über einen ersten optischen Übertragungsweg (41a) an die zweite Übertragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines zweiten Signallichtstrahls über den ersten optischen Übertragungsweg von der zweiten Übertragungsstation,
eine zweite Einrichtung (22, 23, 29) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Senden des zweiten Signallichtstrahls über den ersten optischen Übertragungsweg (41a) an die erste Übertragungsstation (10) und zum Empfang des ersten Signallichtstrahls von der ersten Übertragungsstation,
eine dritte Einrichtung (134, 135) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines Leistungslichtstrahls über einen zweiten optischen Übertragungsweg (41b) an die zweite Übertragungsstation (20, 30), und
eine vierte Einrichtung (26, 27) in der zweiten Übertragungseinrichtung zum Empfang des Leistungslichtstrahls und zum Umsetzen des Leistungslichtstrahls in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungsstation,
wobei der erste und der zweite Signallichtstrahl unterschiedliche Wellenlängen aufwei sen.
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (31, 32, 33) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Signallichtstrahls über einen ersten optischen Übertragungsweg (41a) an die zweite Übertragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines zweiten Signallichtstrahls über den ersten optischen Übertragungsweg von der zweiten Übertragungsstation,
eine zweite Einrichtung (22, 23, 29) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Senden des zweiten Signallichtstrahls über den ersten optischen Übertragungsweg (41a) an die erste Übertragungsstation (10) und zum Empfang des ersten Signallichtstrahls von der ersten Übertragungsstation,
eine dritte Einrichtung (134, 135) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines Leistungslichtstrahls über einen zweiten optischen Übertragungsweg (41b) an die zweite Übertragungsstation (20, 30), und
eine vierte Einrichtung (26, 27) in der zweiten Übertragungseinrichtung zum Empfang des Leistungslichtstrahls und zum Umsetzen des Leistungslichtstrahls in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungsstation,
wobei der erste und der zweite Signallichtstrahl unterschiedliche Wellenlängen aufwei sen.
2. Bidirektionale optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung, umfassend:
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (132, 134, 136) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Lichtstrahls über einen optischen Übertragungsweg (41) an die zweite Übertragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines von der zweiten Übertragungsstation gesendeten zweiten Lichtstrahls, wobei der erste Lichtstrahl eine Signalwechselkomponente enthält, die einer Leistungsgleichkomponente überlagert ist,
eine zweite Einrichtung (22a, 26, 27, 28) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Senden des zweiten Lichtstrahls über den optischen Übertragungsweg (41) an die erste Übertragungsstation (10) und zum Empfang des von der ersten Übertragungsstation gesendeten ersten Lichtstrahls, und
eine dritte Einrichtung (27) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Umsetzen der Leistungsgleichkomponente in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungs station sowie zur Umsetzung der Signalwechselkomponente in ein erstes elektrisches Signal zur Steuerung der zweiten Übertragungsstation,
wobei die erste Einrichtung eine erste Lichtquellenanordnung (134) zum Abstrahlen des ersten Lichtstrahls einer ersten vorbestimmten Wellenlänge sowie eine Treibereinrichtung (12a) zur Steuerung der Wechselkomponente enthält,
die zweite Einrichtung eine zweite Lichtquellenanordnung (22a) zum Abstrahlen des zweiten Lichtstrahls einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge enthält, und
dis zweite vorbestimmte Wellenlänge von der ersten vorbestimmten Wellenlänge ver schieden ist.
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (132, 134, 136) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Lichtstrahls über einen optischen Übertragungsweg (41) an die zweite Übertragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines von der zweiten Übertragungsstation gesendeten zweiten Lichtstrahls, wobei der erste Lichtstrahl eine Signalwechselkomponente enthält, die einer Leistungsgleichkomponente überlagert ist,
eine zweite Einrichtung (22a, 26, 27, 28) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Senden des zweiten Lichtstrahls über den optischen Übertragungsweg (41) an die erste Übertragungsstation (10) und zum Empfang des von der ersten Übertragungsstation gesendeten ersten Lichtstrahls, und
eine dritte Einrichtung (27) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Umsetzen der Leistungsgleichkomponente in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungs station sowie zur Umsetzung der Signalwechselkomponente in ein erstes elektrisches Signal zur Steuerung der zweiten Übertragungsstation,
wobei die erste Einrichtung eine erste Lichtquellenanordnung (134) zum Abstrahlen des ersten Lichtstrahls einer ersten vorbestimmten Wellenlänge sowie eine Treibereinrichtung (12a) zur Steuerung der Wechselkomponente enthält,
die zweite Einrichtung eine zweite Lichtquellenanordnung (22a) zum Abstrahlen des zweiten Lichtstrahls einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge enthält, und
dis zweite vorbestimmte Wellenlänge von der ersten vorbestimmten Wellenlänge ver schieden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die dritte Einrichtung (27) enthält:
einen ersten opto-elektrischen Wandler zur Umsetzung der Leistungsgleichkomponente in elektrische Leistung, der eine Mehrzahl von Lichtempfängern (271a-271g) aufweist, die in einem Feld angeordnet sind, und
einen zweiten opto-elektrischen Wandler zur Umsetzung der Signalwechselkomponente zu dem ersten elektrischen Signal, der einen Lichtempfänger (272) enthält.
einen ersten opto-elektrischen Wandler zur Umsetzung der Leistungsgleichkomponente in elektrische Leistung, der eine Mehrzahl von Lichtempfängern (271a-271g) aufweist, die in einem Feld angeordnet sind, und
einen zweiten opto-elektrischen Wandler zur Umsetzung der Signalwechselkomponente zu dem ersten elektrischen Signal, der einen Lichtempfänger (272) enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Lichtempfänger (271a-271g) des ersten
opto-elektrischen Wandlers und der Lichtempfänger (272) des zweiten opto-elektrischen Wand
lers einstückig als ein Verbindungshalbleiter-Lichtempfangsfilm ausgebildet sind.
5. Bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung, umfassend:
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (132, 134, 136) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Lichtstrahls auf einem optischen Übertragungsweg (41) zur zweiten Über tragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines zweiten, von der zweiten Übertragungsstation gesendeten Lichtstrahls, wobei der erste Lichtstrahl Signallicht und Leistungslicht enthält,
eine zweite Einrichtung (22a, 26, 28) in der zweiten Übertragungseinrichtung zum Senden des zweiten Lichtstrahls an die erste Übertragungseinrichtung über den optischen Über tragungsweg und zum Empfang des ersten, von der ersten Übertragungsstation gesendeten Lichtstrahls, und
eine dritte Einrichtung (291, 292, 293) in der zweiten Übertragungsstation zur Umwandlung des Leistungslichts in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungs station und zur Umwandlung des Signallichts in ein erstes elektrisches Signal zur Steuerung der zweiten Übertragungsstation,
wobei die erste Einrichtung eine erste Lichtquellenanordnung (134) zum Abstrahlen des ersten Lichtstrahls mit einer ersten vorbestimmten Wellenlänge und eine Treibereinrichtung (121a) zur Modulation der Intensität des Leistungslichts mit einer ersten vorbestimmten Periode und zur Modulation der Intensität des Signallichts mit einer zweiten vorbestimmten Periode ent hält, wobei die zweite vorbestimmte Periode kürzer als die erste vorbestimmte Periode ist,
wobei die zweite Einrichtung eine zweite Lichtquellenanordnung (22a) zum Abstrahlen des zweiten Lichtstrahls mit einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge enthält, und wobei die zweite vorbestimmte Wellenlänge von der ersten vorbestimmten Wellenlänge verschieden ist.
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (132, 134, 136) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Lichtstrahls auf einem optischen Übertragungsweg (41) zur zweiten Über tragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines zweiten, von der zweiten Übertragungsstation gesendeten Lichtstrahls, wobei der erste Lichtstrahl Signallicht und Leistungslicht enthält,
eine zweite Einrichtung (22a, 26, 28) in der zweiten Übertragungseinrichtung zum Senden des zweiten Lichtstrahls an die erste Übertragungseinrichtung über den optischen Über tragungsweg und zum Empfang des ersten, von der ersten Übertragungsstation gesendeten Lichtstrahls, und
eine dritte Einrichtung (291, 292, 293) in der zweiten Übertragungsstation zur Umwandlung des Leistungslichts in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungs station und zur Umwandlung des Signallichts in ein erstes elektrisches Signal zur Steuerung der zweiten Übertragungsstation,
wobei die erste Einrichtung eine erste Lichtquellenanordnung (134) zum Abstrahlen des ersten Lichtstrahls mit einer ersten vorbestimmten Wellenlänge und eine Treibereinrichtung (121a) zur Modulation der Intensität des Leistungslichts mit einer ersten vorbestimmten Periode und zur Modulation der Intensität des Signallichts mit einer zweiten vorbestimmten Periode ent hält, wobei die zweite vorbestimmte Periode kürzer als die erste vorbestimmte Periode ist,
wobei die zweite Einrichtung eine zweite Lichtquellenanordnung (22a) zum Abstrahlen des zweiten Lichtstrahls mit einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge enthält, und wobei die zweite vorbestimmte Wellenlänge von der ersten vorbestimmten Wellenlänge verschieden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die dritte Einrichtung (291, 292, 293)
enthält:
einen ersten opto-elektrischen Wandler (291 b) zum Umsetzen des Leistungslichts von der ersten Übertragungsstation (10) in elektrische Leistung, und
einen zweiten opto-elektrischen Wandler (291a) zur Umsetzung des Signallichts von der ersten Übertragungsstation (10) zu dem ersten elektrischen Signal.
einen ersten opto-elektrischen Wandler (291 b) zum Umsetzen des Leistungslichts von der ersten Übertragungsstation (10) in elektrische Leistung, und
einen zweiten opto-elektrischen Wandler (291a) zur Umsetzung des Signallichts von der ersten Übertragungsstation (10) zu dem ersten elektrischen Signal.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die dritte Einrichtung (291, 292, 293) ferner
umfaßt:
einen Transformator (292) zur Erhöhung der Ausgangsspannung des ersten opto-elek trischen Wandlers (291b), und
einen Gleichrichter (293) zur Umsetzung der Wechselstromausgangsleistung des Transformators in elektrische Gleichstromleistung.
einen Transformator (292) zur Erhöhung der Ausgangsspannung des ersten opto-elek trischen Wandlers (291b), und
einen Gleichrichter (293) zur Umsetzung der Wechselstromausgangsleistung des Transformators in elektrische Gleichstromleistung.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die lichtempfindliche Fläche des ersten
opto-elektrischen Wandlers (291b) größer ist als die des zweiten opto-elektrischen Wandlers
(291a).
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei der der erste opto-elektrische Wandler
(291b) und der zweite opto-elektrische Wandler (291a) einstückig als ein opto-elektrischer
Wandlerfilm aus einem Verbindungshalbleiter ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei der die erste Einrichtung
enthält:
einen ersten Strahlspalter/Koppler (136) zur Reflexion des von der zweiten Übertra gungsstation (20, 30) gesendeten zweiten Lichtstrahls, und
einen ersten Lichtempfänger (132) zum Umsetzen des von dem ersten Strahlspal ter/Koppler reflektierten Lichtstrahls zu einem zweiten elektrischen Signal.
einen ersten Strahlspalter/Koppler (136) zur Reflexion des von der zweiten Übertra gungsstation (20, 30) gesendeten zweiten Lichtstrahls, und
einen ersten Lichtempfänger (132) zum Umsetzen des von dem ersten Strahlspal ter/Koppler reflektierten Lichtstrahls zu einem zweiten elektrischen Signal.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der erste Strahlspalter/Koppler (136)
enthält:
eine erste Positivlinse (136a), zum Koppeln des ersten Lichtstrahls auf den optischen Übertragungsweg (41) und
ein Wellenlängenselektionsfilter (136b),
wobei das Wellenlängenselektionsfilter für die zweite vorbestimmte Wellenlänge selek tiv ist.
eine erste Positivlinse (136a), zum Koppeln des ersten Lichtstrahls auf den optischen Übertragungsweg (41) und
ein Wellenlängenselektionsfilter (136b),
wobei das Wellenlängenselektionsfilter für die zweite vorbestimmte Wellenlänge selek tiv ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei der die zweite Einrichtung
enthält:
einen zweiten Strahlspalter/Koppler (28), der den von der ersten Übertragungsstation (10) gesendeten ersten Lichtstrahl zu der dritten Einrichtung (27; 291) lenkt.
einen zweiten Strahlspalter/Koppler (28), der den von der ersten Übertragungsstation (10) gesendeten ersten Lichtstrahl zu der dritten Einrichtung (27; 291) lenkt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der zweite Strahlspalter/Koppler (28)
enthält:
eine zweite Positivlinse (28a) zum Koppeln des zweiten Lichtstrahls zu dem optischen Übertragungsweg (41), und
ein Wellenlängenselektionsfilter (28b),
wobei das Wellenlängenselektionsfilter für die erste vorbestimmte Wellenlänge selektiv ist.
eine zweite Positivlinse (28a) zum Koppeln des zweiten Lichtstrahls zu dem optischen Übertragungsweg (41), und
ein Wellenlängenselektionsfilter (28b),
wobei das Wellenlängenselektionsfilter für die erste vorbestimmte Wellenlänge selektiv ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, ferner umfassend:
eine Einrichtung zum Aussenden eines Befehlssignals an die zweite Übertragungssta tion (20, 30),
eine Einrichtung (15a, 15b) zur Überwachung der Zeit vom Aussenden des Befehls signals bis zur Ankunft eines Antwortsignals von der zweiten Übertragungsstation, und
eine Einrichtung zum Stoppen des Aussendens des ersten Lichtstrahls von der ersten Übertragungsstation, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, bevor das Antwort signal angekommen ist.
eine Einrichtung zum Aussenden eines Befehlssignals an die zweite Übertragungssta tion (20, 30),
eine Einrichtung (15a, 15b) zur Überwachung der Zeit vom Aussenden des Befehls signals bis zur Ankunft eines Antwortsignals von der zweiten Übertragungsstation, und
eine Einrichtung zum Stoppen des Aussendens des ersten Lichtstrahls von der ersten Übertragungsstation, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, bevor das Antwort signal angekommen ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7133039A JPH08331061A (ja) | 1995-05-31 | 1995-05-31 | 光信号伝送装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19621794A1 true DE19621794A1 (de) | 1996-12-05 |
Family
ID=15095389
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19621794A Withdrawn DE19621794A1 (de) | 1995-05-31 | 1996-05-30 | Bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08331061A (de) |
DE (1) | DE19621794A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005002829A2 (de) * | 2003-07-03 | 2005-01-13 | Krauss-Maffei Kunststofftechnik Gmbh | Maschine, insbesondere spritzgiessmaschine, mit einem kraftsensor |
DE102004009734A1 (de) * | 2004-02-25 | 2005-09-15 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Feldgerät für die Automatisierungstechnik mit Lichtwellenleiteranschluss zur Datenübertragung |
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JP6660439B1 (ja) * | 2018-09-27 | 2020-03-11 | 東日本電信電話株式会社 | 光送受信器と光給電システム |
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JP6889225B2 (ja) | 2019-10-21 | 2021-06-18 | 京セラ株式会社 | 光ファイバー給電システム |
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1995
- 1995-05-31 JP JP7133039A patent/JPH08331061A/ja active Pending
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1996
- 1996-05-30 DE DE19621794A patent/DE19621794A1/de not_active Withdrawn
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WO2005002829A2 (de) * | 2003-07-03 | 2005-01-13 | Krauss-Maffei Kunststofftechnik Gmbh | Maschine, insbesondere spritzgiessmaschine, mit einem kraftsensor |
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DE102004009734A1 (de) * | 2004-02-25 | 2005-09-15 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Feldgerät für die Automatisierungstechnik mit Lichtwellenleiteranschluss zur Datenübertragung |
Also Published As
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JPH08331061A (ja) | 1996-12-13 |
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