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Empfangsschaltung
für über einen
Lichtwellenleiter übertragene
Lichtsignale, Verwendung der Empfangsschaltung sowie Kommunikationssystem mit
mehreren Teilnehmern
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Die
Erfindung betrifft eine Empfangsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung der Empfangsschaltung
sowie ein Kommunikationssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
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Derartige
Empfangsschaltungen, von denen eine beispielsweise in der
DE 44 32 078 A1 beschrieben
ist, werden beispielsweise in einem Kommunikationsnetz mit mehreren
Teilnehmern verwendet, die durch Lichtwellenleiter miteinander verbunden
sind und die über
die Lichtwellenleiter untereinander Informationen austauschen. Die
Teilnehmer sind beispielsweise verschiedenartige elektronische Geräte in einem
Kraftfahrzeug, etwa ein Autoradio, Aktivlautsprecher, ein Navigationssystem,
ein Telefon und viele andere mehr, die über die Lichtwellenleiter Quell- und
Steuerdaten austauschen. Jeder Teilnehmer enthält eine Empfangsschaltung,
welche die Lichtsignale aus einem Lichtwellenleiter empfängt und
in elektrische Signale umwandelt. Eine Sendeschaltung wandelt elektronische
Signale des Teilnehmers wieder in Lichtsignale um und speist diese
in einen Lichtwellenleiter ein. Die Lichtwellenleiter bilden vorteilhaft
eine Ringleitung, die alle Teilnehmer passiert.
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Die
elektronischen Geräte
in einem solchen Kommunikationsnetz haben häufig eine Stromsparfunktion
zur Abschaltung auf externen Befehl oder nach einer voreingestellten
Zeit der Inaktivität.
Um einen deaktivierten Teilnehmer bei Bedarf wieder zu reaktivieren,
beispielsweise durch einen Teilnehmer, der das Netzwerk verwaltet,
wird die vorbestimmte Signalform, die in der Regel eine periodische
Signalform mit einer vorbestimmten Frequenz ist, über die Lichtwellenleiter
gesendet. Wenn die Überwachungsschaltung
in dem zu reaktivierenden Teilnehmer die vorbestimmte Signalform
erkennt, schaltet sie diesen Teilnehmer wieder ein.
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Da
der fotoelektrische Wandler, ein nachgeschalteter bzw. darin integrierter
elektronischer Signalverstärker
und die Überwachungsschaltung
während
des Stromsparbetriebs eingeschaltet bleiben müssen, hat jeder Teilnehmer
auch im Stromsparbetrieb einen gewissen Mindeststromverbrauch. Dieser Mindeststromverbrauch
liegt in der Grössenordnung Milliampere
und ist damit häufig
eine nicht zu vernachlässigende
Grösse,
beispielsweise bei einem Kommunikationsnetz in einem Kraftfahrzeug,
das eine Vielzahl von Teilnehmern umfasst.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Empfangsschaltung für Lichtwellenleiter
zu schaffen, die möglichst
wenig Strom benötigt,
um einen Lichtwellenleiter zu überwachen.
Ferner besteht die Aufgabe darin, eine Verwendung der Empfangsschaltung
anzugeben, sowie ein Kommunikationssystem mit mehreren Teilnehmern
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in den Ansprüchen
1, 10 und 11 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Anders als der fotoelektrische
Wandler braucht das fotoelektrische Bauelement der erfindungsgemäßen Empfangsschaltung
keine Datensignale mit vorbestimmter Signalform, sondern lediglich
Licht von einer bestimmten Qualität. Erreicht das Licht diese Qualität bspw.
eine bestimmte Lichtstärke,
so wird durch das fotoelektrische Bauelement der elektronische Schalter
durchgeschaltet und damit der fotoelektrische Wandler mit der Versorgungsspannung verbunden.
Das fotoelektrische Bauelement kann wesentlich einfacher aufgebaut
sein als ein technisch anspruchsvoller fotoelektrischer Wandler
für Datensignale.
Das fotoelektrische Bauelement kann beispielsweise ein Fototransistor,
der wegen seiner hohen Empfindlichkeit bei geringem Stromverbrauch bevorzugt
wird, aber auch eine Fotodiode oder ein ähnliches Bauelement sein. Der
Sperrstrom eines solchen Bauelementes liegt im Bereich von Mikroampere
oder darunter, und da der Sperrstrom des elektronischen Schalters,
der vorzugsweise ein Transistor ist, ebenfalls sehr niedrig ist,
ist der Ruhestromverbrauch der erfindungsgemäßen Empfangsschaltung wesentlich
geringer als bei den bekannten Empfangsschaltungen mit Überwachungsschaltung.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind der fotoelektrische Wandler und das fotoelektrische
Bauelement auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet, wobei beide
von dem Licht aus einem Lichtwellenleiter getroffen werden. Aufgrund der
vergleichsweise geringen Anforderungen an die Lichtintensität benötigt man
für das
fotoelektrische Bauelement nur einen kleinen Teil des Strahlquerschnittes
bzw. der lichtempfindlichen Fläche
auf dem Substrat, so daß die
sichere Funktion des fotoelektrischen Wandlers nicht beeinträchtigt wird.
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Nachdem
die Überwachungsschaltung durch
das fotoelektrische Bauelement eingeschaltet worden ist, erkennt
sie die vorbestimmte Signalform und aktiviert das elektronische
Gerät,
beispielsweise indem sie das elektronische Gerät über einen weiteren elektronischen
Schalter mit der Versorgungsspannung verbindet. Außerdem kann
sie ein digitales Statussignal an das elektronische Gerät senden,
das beispielsweise für
eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung wie einen Mikroprozessor
in dem elektronischen Gerät
bestimmt ist. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat
dieses Statussignal den logischen Pegel "1",
wenn die vorbestimmte Signalform erkannt wird, und den logischen Pegel "0", wenn die vorbestimmte Signalform nicht erkannt
wird, so daß auch
für diese
Funktion praktisch kein Ruhestrom benötigt wird.
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In
der einfachsten Ausführungsform
der Erfindung aktiviert das elektronische Bauelement die Überwachungsschaltung
immer dann, wenn es Licht mit einer bestimmten Mindestintensität empfängt, und
die Prüfung,
ob ein Aufwecksignal empfangen wird, findet allein in der Überwachungsschaltung statt.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
sind das fotoelektrische Bauelement und der elektronische Schalter über eine
Schaltung mit passiven oder auch aktiven Bauelementen miteinander
verbunden, die beispielsweise ein Filter ist, das für die periodische
Signalform mit der vorbestimmten Frequenz als Integrator wirkt.
Diese Schaltung bzw. das Filter wandelt die vorbestimmte Signalform
in einen ersten Gleichspannungspegel um, der den elektronischen Schalter
einschaltet und der auch nach dem Verschwinden der vorbestimmten
Signalform bestehen bleibt, und wandelt eine Signalform mit einem
konstanten Signalpegel in einen zweiten Gleichspannungspegel um,
der den elektronischen Schalter ausschaltet. Auf diese Weise findet
ohne zusätzlichen
Stromverbrauch eine Vorauswahl von Signalformen statt, welche die Überwachungsschaltung
aktivieren, und im Fehlerfall, z.B. bei Dauerlicht im Lichtwellenleiter,
bleibt auch die Überwachungsschaltung
ausgeschaltet, so daß auch
in derartigen Fällen
kein erhöhter
Stromverbrauch auftritt.
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Die
Erfindung bietet besondere Vorteile, wenn sie bei einem Kommunikationsnetz
in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, dessen Teilnehmer durch eine
Kette von Lichtwellenleitern miteinander verbunden sind, wobei Kupferkabel
lediglich für
die Gesamt-Stromversorgung benötigt
werden. Wie erwähnt,
wünscht
man insbesondere bei Kraftfahrzeugen einen möglichst geringen Stromverbrauch
von Teilnehmern, die sich in einem Stromsparbetrieb befinden. Es
gibt zwar rein elektronische Stromsparschaltungen, die den gewünschten
geringen Ruhestromverbrauch haben, diese würden aber zusätzliche
Kupferkabel erforderlich machen, wodurch die Vorteile des Kommunikationsnetzes
mit Lichtwellenleitern teilweise wieder zunichte gemacht würden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung erläutert;
darin zeigen:
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1 einen
Schaltplan der Empfangsschaltung,
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2 einen
Querschnitt durch einen fotoelektrischen Wandler und einen Fototransistor
auf einem gemeinsamen Substrat, und
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3 eine
Draufsicht auf den fotoelektrischen Wandler und den Fototransistor
auf dem gemeinsamen Substrat.
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Die
in 1 gezeigte Schaltung enthält einen npn-Fototransistor
T2, dessen Emitter mit Erde verbunden ist und dessen Kollektor über einen
Widerstand mit einer Stromversorgungsspannung U_D verbunden ist.
Der Kollektor des Fototransistors T2 ist außerdem über ein Filter 1 mit
der Basis eines pnp-Schalttransistors T1 verbunden, dessen Emitter mit
der Stromversorgungsspannung U_D verbunden ist.
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Der
Kollektor des Schalttransistors T1 ist mit den Stromversorgungsanschlüssen eines
fotoelektrischen Wandlers 2 und eines Flankendetektors 3 verbunden.
Ein Ausgang des fotoelektrischen Wandlers 2 ist mit einem
Eingang des Flankendetektors 3 verbunden, der das Ausgangssignal
des fotoelektrischen Wandlers 2 überwacht. Ein Erkennungssignal-Ausgang
des Flankendetektors 3 ist mit der Basis eines pnp-Schalttransistors
T3 verbunden.
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Der
Emitter des Schalttransistors T3 ist mit der Versorgungsspannung
U_D verbunden, und wenn der Schalttransistor T3 durchgeschaltet
ist, liegt an seinem Kollektor eine Versorgungsspannung U G an,
die etwas kleiner als die Versorgungsspannung U_D ist.
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Der
Kollektor des Schalttransistors T3 ist mit dem Stromversorgungsanschluß eines
nicht dargestellten elektronischen Gerätes verbunden. Dieses elektronische
Gerät weist
einen Dateneingang auf, der mit dem Ausgang des fotoelektrischen
Wandlers 2 verbunden ist, um dessen Ausgangssignal DATA zu
empfangen.
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Der
Ausgang des Flankendetektors 3 ist außerdem mit dem Eingang einer
Logikschaltung 4 verbunden, die ein Statussignal WAKE_UP
ausgibt, das den logischen Pegel "0" oder "1" hat.
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, sind der Fototransistor
T2 und der fotoelektrische Wandler 2 auf einem gemeinsamen
Substrat 5 angeordnet. Diese Anordnung ist in einem nicht
gezeigten Gehäuse
untergebracht, an das ein Lichtwellenleiter 6 anschließbar ist,
so daß Licht
aus dem Lichtwellenleiter 6 auf den Fototransistor T2 und
auf den fotoelektrischen Wandler 2 trifft, wie in 2 mit
Pfeilen dargestellt. Auf die Oberfläche des Fototransistors T2
und ggfs. auf die des fotoelektrischen Wandlers 2 kann
ein Tageslichtfilter aufgebracht werden, um Fehlfunktionen durch
Kabelbruch zu verhindern.
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Die
oben beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt.
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Wenn
Licht über
den Lichtwellenleiter 6 auf den Fototransistor T2 trifft,
wird dieser um so niederohmiger, je höher die Lichtstärke ist.
Wenn das Licht ein optisches Aufwecksignal in Form von moduliertem
Licht mit einer vorbestimmten Frequenz ist, tritt am Kollektor des
Fototransistors T2 eine mit der Frequenz des modulierten Lichtes
modulierte Spannung auf. Das Filter 1 hat für ein Signal
mit einer vorbestimmten Frequenz eine Integratorfunktion, derart, daß der Schalttransistor
T1 dauerhaft durchschaltet, wenn die Spannung am Filter 1 die
vorbestimmte Frequenz hat, und in anderen Fällen sperrt.
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Wird
daher ein Aufwecksignal, also Licht von einer bestimmten Qualität empfangen,
wird über
den Schalttransistor T1 die Spannungsversorgung für den fotoelektrischen
Wandler 2 und den Flankendetektor 3 eingeschaltet.
In anderen Fällen,
etwa im Falle von Kabelbruch (Dauerlicht) oder bei fehlendem Licht
(Dunkelheit) auf dem Lichtwellenleiter 6, ist der Schalttransistor
T1 hochohmig gehalten, und es fließt kein Strom.
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Der
Flankendetektor 3 führt
eine nochmalige, aber genauere Prüfung durch, ob ein Aufwecksignal
empfangen wird oder nicht. Wird durch den Flankendetektor 3 erkannt,
daß der
fotoelektrische Wandler 2 moduliertes Licht mit der richtigen,
d.h. der vorbestimmten Frequenz empfängt, schaltet der Flankendetektor 3 die
Spannungsversorgung für
das elektronische Gerät
ein, indem er ein Erkennungssignal ausgibt, das den Schalttransistor
T3 durchschaltet.
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Eine
elektronische Datenverarbeitungseinrichtung in dem elektronischen
Gerät,
etwa ein Mikroprozessor, empfängt
außerdem
das Statussignal WAKE_UP, das im ausgeschalteten Zustand der Schaltung
den logischen Pegel "0" hat und das den logischen
Pegel "1" hat, wenn die vorbestimmte
Signalform erkannt worden ist. Das Statussignal WAKE_UP benachrichtigt
den Mikroprozessor oder dergleichen, den vollständigen Betrieb wiederaufzunehmen,
beispielsweise falls nur Teile des elektronischen Gerätes stillgelegt
worden sind. Indem für
den Status "nicht
Aufwecken" der logische
Pegel "0" verwendet wird,
der normalerweise mehr oder weniger dem physikalischen Pegel "0" entspricht, ist keine Entkopplungslogik
für die
nachgeschalteten Bauteile notwendig, um deren Fremdspeisung zu vermeiden. Als
Folge ergeben sich Materialeinsparungen und eine Ruhestromabsenkung.
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Wenn,
wie im Ausführungsbeispiel
beschrieben, der Transistor T1 dauerhaft durchschaltet, sobald Licht
mit der vorbestimmten Frequenz empfangen wird, muß die Empfangsschaltung
auf irgendeine geeignete Weise wieder zurückgesetzt werden, wenn das
angeschlossene elektronische Gerät
einen Stromsparbetrieb aufnimmt. Alternativ kann vorgesehen werden,
daß das
Filter 1 eine Ausgangsspannung, die den Schalttransistor
T1 durchschaltet, nur eine gewisse Zeit lang hält. In diesem Fall muß sich das
angeschlossene elektronische Gerät
entweder auf irgendeine Weise selbst mit Spannung versorgen, sobald
es aus einem Stromsparbetrieb aufgeweckt worden ist, oder aber es
werden in regelmäßigen Abständen Aufwecksignale
gesendet, solange das elektronische Gerät aktiv bleiben soll.