CN107764515B - 电路装置、转换器组件和照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于监视光学的转换器的电路装置、具有该电路装置的转换器组件以及具有该转换器组件的照明设备。为此提供包含测量电桥的电路装置，其具有测量支路、第一比较支路和第二比较支路。测量支路中能集成转换器的导体轨道环路。第一比较支路具有能经由第一有源元件改变的第一串联电阻。第二比较支路具有能经由第二有源元件改变的第二串联电阻。第一和第二有源元件能以相同驱控信号驱控。电路装置具有带有第一比较器和第二比较器的评估电路，它们的输出以与逻辑连接方式形成驱控信号并且形成电路装置的输出信号。第一比较器将第一比较支路的抽头与测量支路的抽头比较，第二比较器将第二比较支路的抽头与测量支路的抽头比较。

Description

电路装置、转换器组件和照明设备
技术领域
本发明涉及一种用于监视光学的转换器的电路装置。此外，本发明还涉及一种具有这种电路装置的转换器组件。最后，本发明还涉及一种具有所述转换器组件的照明设备。
背景技术
本发明所基于的问题源于监视转换元件的必要性。该转换元件承担的功能是将入射的特定波长的光转换为另一波长的光，但是入射的光也在一定范围内扩散地传输。因为入射的光在特定的情况下源自激光，所以该转换以及该入射的光的扩散对于光源的无危险的使用而言是强制必要的。为了能够确保这一点，为此设计的传感器不仅实现为光学的，而且还以环形的金属化件的形式实现。这种环形的金属化件能够在转换器的表面上围绕圆形的转换区域进行布置。其在该环在一个位置上是开放的，因此能够将它的电阻作为导体环路监视。在转换器有裂缝时，通常这个环形的金属化件也中断，这反映在相应的电阻测量中。
这种简单的环形结构的主要缺点在于，它完全处于以下可能性的范围内，即转换器产生不导致导体轨道分隔的裂缝。更有可能的是这个裂缝例如能够延伸穿过环体的已经预设的开口。
在测量技术上对导体轨道环路(Leiterbahnschleife)的检测目前是借助于电流测量或者基于分压器实现的。然而，这种简单的电流测量却不足以通过例如对导体轨道环路的开放区域的桥接来可靠地探测系统的盲区(Erblindung)。可作为替选的、用于监视转换器的已知方法在于，通过电容式的或者感应式的方法来无接触地测量导体轨道环路。
发明内容
因此，本发明的目的在于能够在测量技术上更可靠地发现转换器的问题。
根据本发明，因此提供了一种用于监视光学的转换器的电路装置。该监视用于可靠地识别光学的转换器的问题，该光学的转换器例如将激光至少部分地转换成其他的波长的光。为此，该电路装置具有测量电桥，其具有测量支路、第一比较支路和第二比较支路。在测量支路中能够集成转换器的导体轨道环路。这意味着，导体轨道环路例如能够作为串联元件被闭合在测量支路中。因此例如能够借助其电阻对其进行分析。
第一比较支路具有能够经由第一有源元件改变的第一串联电阻。这意味着，在测量支路中的导体轨道环路能够与某个特定的电阻进行比较，例如关于下阈值方面。该第一比较支路通过如下方式是可变的，即将它的串联电阻经由第一有源元件(例如可控的开关)进行改变。同样地，该第二比较支路具有能够经由第二有源元件改变的第二串联电阻。因此，测量支路中的导体轨道环路也能与第二比较支路的另一个值(例如上阈值)进行比较。这个第二比较支路又例如借助一个有源开关能够在它的串联电阻方面进行改变。
在第一或第二比较支路中的第一和第二有源元件分别能够以一个相同的驱控信号进行驱控。因此，这两个有源元件的控制输入端能够是相互连接的。
此外，该电路装置具有带有第一比较器和第二比较器的评估电路，该第一比较器的和该第二比较器的输出以与逻辑连接(UND-verknüpft)的方式形成驱控信号并且同时形成该电路装置的输出信号。除了测量电桥以外，因此还设置有一个具有两个比较器的比较电路，从而能够与两个阈值进行比较。这两个比较器的输出以逻辑与进行逻辑连接，从而因此必须满足这些比较器的这两个条件才能让这些比较器的共同的输出信号提供逻辑“1”。以有利的方式，现在将这个共同的输出信号用于驱控第一和第二比较支路的有源元件，从而将这个共同的输出信号反馈到测量电桥上。与此同时，这些比较器的这个共同的输出信号表示整个电路装置的输出信号，根据整个电路装置的输出信号，受监视的光学的转换器被归为有故障的或者无故障的。
第一比较器将第一比较支路的抽头(Abgriff)与测量支路的抽头进行比较，第二比较器将第二比较支路的抽头与测量支路的抽头进行比较。因此，测量支路或导体轨道环路能够利用两个不同的参考值(例如下阈值和上阈值)进行比较，其中，这些反馈到测量电桥中的参考值经由比较器的输出保持为可变的。因此，例如当导体轨道环路具有更高的电阻值时实现从无故障归类到有故障归类的过渡，或者反之亦然。
优选地，第一有源元件是金属氧化物半导体，并且尤其是PMOS(P沟道金属氧化物半导体)开关。以相同的方式有利的是，第二比较支路中的第二有源元件同样是金属氧化物半导体，并且尤其是NMOS(N沟道金属氧化物半导体)开关。这种半导体电路类型是便宜的且可靠的开关，它们确保高的组装密度。
在该电路装置的一个设计方案中，第一比较支路对于下阈值而具有的参考电阻不同于第二比较支路对于上阈值而具有的参考电阻。因此能够事先在不依赖于比较支路中的串联电阻的可变性的情况下预设两个不同的阈值。
在根据本发明的电路装置的一个有利的应用方式中，设计有一个具有光学的转换器的转换器组件和一个根据上述实施方式的电路组件，在该转换器上设置有用于监视该转换器的导体环路，该电路组件与该导体环路连接。因此能够具体地利用该电路装置来监视转换器的导体环路。
在一个特别优选的设计方案中，导体环路形成在转换器的表面上并且具有弯曲
Figure BDA0001384862670000041
的形状，其中，该弯曲的至少一个子环路完全地围绕该转换器的圆形的转换区域。在此通常还提出，导体环路在逆反后再次返回一段类似的路径。导体环路的这种设计方式保证的是，在不将导体环路分隔开至少一次的情况下，在转换区域上通常不可能有裂缝从内向外延伸。
总体上因此能够提供一种具有激光二极管和所述类型的转换器组件的照明设备，其中，该激光二极管借助电路装置的输出信号进行控制。因此能够实现这个基于激光的照明设备的安全运行。
在一个改进方案中，激光二极管的阳极经由一个能由输出信号控制的第一半导体开关元件并且激光二极管的阴极经由一个能由输出信号控制的第二半导体开关元件分离地连接至供电端子。因此存在用于这个激光二极管的冗余的关断可行性。由此明显地提升了安全等级。
此外，第一半导体开关元件还能够通过电路装置的输出信号经由反相器(Inverter)进行驱控。这具有功率消耗较低的优点。
根据另一个有利的实施方式，经由激光二极管的供电端子还确保了对剩余的照明设备的供电。因为电路装置相对于激光二极管仅仅具有小的电流消耗，所以单独对电路装置进行供电完全不必要。这导致在电路技术上的简化并且因此带来安装优势及成本优势。
附图说明
本发明现在借助附图更详尽地进行阐述，图中示出：
图1示出具有弯曲形式的导体(轨道)环路的转换器元件；
图2示出用于评估导体环路的电阻变化的电桥电路；
图3示出用于评估电桥电路的输出的比较电路；
图4在a部分中示出各个比较器的输出电压，并且在b部分中示出内部反馈的功能的视图。
具体实施方式
下面详尽描述的实施例表示本发明的优选实施方式。其中要注意的是，各个特征不仅能够以所描述的特征组合方式实现，而且还能够单独地或者以其他在技术上有意义的特征组合方式实现。
首先要借助图1描述一个转换器元件，其能够被用于激光的转换。这类转换器元件能够用在照明设备中，例如在机动车大灯中。
实际的转换器1构造成圆形的，并且连接在例如由蓝宝石构成的基片2上。转换器1的表面覆有导体轨道环路3。这个导体轨道环路具有弯曲的形式，并且其末端通往基片2上的焊接端子4和焊接端子5中。从焊接端子4出发，导体轨道环路在第一环路中几乎完全在圆形的转换器的外边沿上延伸。第一环路具有第一半径。进一步地，该导体轨道环路径向向内地延伸直至达到定义了第三环路的第三半径，该导体环路沿着该第三环路又几乎完全以像在第一环路上那样的方向延伸。在这个几乎完整的第三环路的末端，导体轨道环路径向向外地延伸直至定义了第二环路的第二半径，该第二环路位于第一环路和第三环路之间。在这个第二环路上，导体轨道环路相对于第一环路上的方向而言返回延伸直至第二焊接端子5，并且在此又几乎描述了一个完整的环路。导体轨道环路因此具有三个同心的子环路，它们位于第一环路、第二环路和第三环路上。
同样也能够考虑这种弯曲结构的一种更简单的形式，其虽然可能有光学上的缺点，然而却只由两个环路组成。在该弯曲结构中起决定作用的是不允许有开放的、径向向外延伸的转换器面的形状。
环路的这种设计方式一方面提供以下优点，即不会在不损害导体轨道环路的情况下形成从边沿直到转换器的中央的裂缝。在此排除了在技术上是不可信的、完全环绕的裂缝。通过例如650/35(转换器与弯曲强度)的强度比例以及经由金属层在转换器上的粘接，确保了转换器的裂缝不会损害到(利用由铝制成的)金属化件。
此外，导体轨道环路的这种实施方式提供以下可能性，通过在相应地减少宽度的情况下最大化长度以提升电阻值。这又提升了测量可靠性，因为导线电阻的影响相应地降低了。
几乎完全圆形的导体轨道环路还具有光栅的功能。这种环形的挡光板在激光转换器应用场合中是必要的，以便遮挡具有较小强度的部分激光射束和边沿处的转换光。仅仅如此就能够确保的是，以理想的方式保持转换的和未转换的光的比例。
对传感器的要求是，识别超出和尤其是低于某个特定阈值的电阻变化。超过该阈值在此覆盖转换器的所描述的损坏(对于安全性关键的故障情形)。相反地，低于该阈值考虑到的是可能让传感器失明(erblinden)的故障情形。也就是说，如果例如通过金属部件桥接了焊接端子4和焊接端子5，就可能不再探测到转换器的损坏。由于该原因，这也是一个必须导致由电子件侧关闭光源的故障。
另一个来自于应用的要求是在进行电阻探测时实施迟滞效应(Hysterese)。也就是说，如果导体轨道环路的需要监视的电阻由于不同的影响而处于阈值附近，那么这就可能因为环境条件(如温度)的波动以及因为内部参数(如电源电压)的波动导致导体环路持续波动地被识别为有故障或者无故障。这可能导致系统相对于其周围环境根据边缘条件被交替地证明是有故障的和无故障的。
因此，在用于监视光学的转换器3的电路装置的框架内，使用根据图2所示的桥接电路，其用于评估转换器的导体环路的电阻变化。
元件X0在此表示转换器的导体轨道环路，其能够被视为欧姆电阻。作为比较电阻，设置有用于上阈值的电阻R4和用于下阈值的电阻R3。在基本功能上，所示的电路对应于电桥电路或者测量电桥。
电桥位于与供电端子Vdd相连的第一节点11和在这里纯粹可选地经由两个二极管D0和D1与地gnd连接的第二节点12之间。在第一节点11和第二节点12之间并联地设置有一个测量支路13、一个第一比较支路14和一个第二比较支路15。
除了与测量电桥连接的导体轨道环路X0以外，该测量支路13还串联地具有一个串联电阻R0。在导体轨道环路X0和电阻R0之间能够量取到测量电势pos。
第一比较支路14具有与电阻R1串联的电阻R3。与电阻R1并联的是电阻R6与PMOS开关X2组成的串联电路。该开关的输入端由控制信号Out控制。在电阻R1和电阻R3之间是用于下阈值的电势l_ref的抽头。
第二比较支路15与第一比较支路14类似地构造。在第一节点11和第二节点12之间有一个电阻R4与电阻R7组成的串联电路。与电阻R7并联的是电阻R2与可控制的开关X1组成的串联电路，该开关优选地构造成NMOS开关。在它的控制电极上连接着与在第一比较支路14的可控制的开关X2一样的控制信号Out。在电阻R7和电阻R4之间能够在抽头上量取到用于上阈值的电势h_ref。
因此在测量支路13中预设了固定的串联电阻R0的同时，在第一比较支路14中有一个串联电阻，其由元件R1、R6和X2组成。该串联电阻能够经由开关X2改变。以相同的方式，第二比较支路15中的串联电阻包括元件R2、R7和X1。该串联电阻也能够经由开关X1改变。特别地，这两个有源元件X1和X2能够通过驱控信号Out来匹配这些比较支路中的串联电阻。
在图3中示出了用于监视光学的转换器的电路装置的相应的评估电路。这个评估电路也为图2所示的电桥电路的有源元件X1和X2提供驱控信号Out。在输入侧设置有一个第一比较器K1和一个第二比较器K2。该第一比较器K1将测量电势pos与电桥电路的第一比较支路14中的电势l_ref进行比较。同样地，第二比较器K2将比较电势h_ref与测量电势pos进行比较。这两个比较器K1和K2的输出信号通过相应的“开路集电极(opencollector)”的实施方案进行与(UND)逻辑连接。最终形成的信号表示电路装置的输出信号Out。
该输出信号Out也被用于相应的照明设备的、在图3中未示出的激光二极管的通断。在图3中仅仅示出了端子LA_A和LA_K,通过它们能够将激光二极管的阳极和阴极连接。端子LA_A经由PMOS开关X6的漏极源极路段连接在外部的电源电压Ext_VDD上。相对地，阴极端子LA_K经由NMOS开关X5的漏极源极路段连接在外部的地Ext_GND上。NMOS开关X5的栅极获得输出信号Out。相对地，PMOS开关X6的栅极从比较器K1和K2的输出端经由反相器X2、X4和电阻R5获得逆变后的输出信号Out。这个逆变后的输出信号Out经由电阻R11接到地gnd上。反相器X2、X4利用电源电压Vdd供电。
这两个输出晶体管X5和X6将激光二极管的阳极和阴极与相应的电源连接。也就是说，在故障情况(输出信号是逻辑“0”)下，激光二极管的阳极和阴极与电源分隔开。
由图4的a部分和b部分中得出包括测量电桥和比较电路的整个电路装置的工作方式。随着时间t变化的信号RSRS描述的是转换器的导体轨道环路的电阻的虚拟变化过程。为了理解该电路，在此假设导体环路的电阻RSRS根据b部分中所示的曲线21首先线性地上升，并且随后又线性地下降。如果电阻RSRS非常小，那么在转换器中存在故障。当电阻RSRS过高时，同样成立。
在线性上升时，首先存在有故障的、低的电阻RSRS。在时间点t1，电阻超出高的下阈值US+。在进一步上升以后，电阻RSRS超出高的上阈值OS+。在b部分中用阴影表示的、位于在这两个阈值US+和OS+之间的区域表示转换器处于无故障的状态。
在时间点t2以后，电阻RSRS继续上升，并且因此指示转换器的有故障的状态。在电阻变化曲线21的下降的区域中，应该不立即再次在高的上阈值OS+时指示无故障的状态(比较阴影区域)。因此使用了低的上阈值OS-，以便安全地指示无故障的状态。在进一步下降的变化曲线中，还使用低的下阈值US-，以便指示出电阻RSRS再次离开了无故障的区域。
图4的a部分示出了比较器K1和K2的相应的比较信号22和23。变化曲线22参照电压电平l_ref示出了第一比较器K1的输出信号，该电压电平能够取值US+和US-。第一比较器K1的电平在时间点t1时提升并且在时间点t4时才再次下降。
图4的a部分中的电平变化23示出了在b部分所示的人为的电阻变化曲线21的情况中第二比较器K2的输出。首先，输出电平直到时间点t2之前都处于高电平，在t2时下降，并且在时间点t3再次升到高电平。通过与逻辑连接(UND)得到电路装置的输出信号Out，这个信号在图4的a部分中用带点的虚线表示。输出信号Out的电平只有在时间点t1和t2之间以及在时间点t3和t4之间是高的。这些时间段对应于无故障的状态。为了利用输出信号Out驱控激光二极管，这意味着激光二极管只在转换器的无故障状态下运行。
下面简短描述的是，输出信号Out是如何利用电桥电路和比较电路产生的。如果在示例性的、根据b部分所示的电阻变化曲线21中，导体环路的电阻从低的值逐渐靠近高的下阈值US+，那么比较电路的输出信号为逻辑“0”。因此，图2所示的PMOS开关X2是低欧姆值的，并且NMOS开关X1是高欧姆值的。因此，第一测量支路14的串联电阻由于R1和R6的串联电路而不对应于测量支路的串联电阻R0。更有可能的是，串联电阻R1║R6(R1并联R6)是更低欧姆值的，这意味着导体轨道环路的电阻(测量电阻)必须大于比较电阻R3，以便补偿中间电压(对应于0V)。
如果测量电阻在进一步的变化曲线中超过提升的阈值OS+(由于R1和R6的并联电路)，那么比较器组合切换到逻辑“1”，使得图2所示的电桥电路的PMOS晶体管X2关闭，并且NMOS晶体管X1完全打开。因此，电阻R6和R1的并联电路被取消，并且下阈值l_ref又对应于标称值US-。也就是说，如果导体电阻在进一步的变化曲线中下降，那么现在就必须低于这个值，以便将该系统标记为有故障。
几乎相同的观察方式能够实施用于上阈值h_ref。在无故障的情况下，输出信号Out是逻辑“1”，因此NMOS晶体管X1是低欧姆值的。因此，由电阻R2和R7组成的并联电路用作第二比较支路15中的串联电阻。由于这个原因，测量电阻X0必须超出阈值一定的量，以便补偿测量支路13和第二比较支路15之间的中间电压。较高的上阈值OS+有效。在进一步的变化曲线中，比较器组合切换到逻辑“0”，从而让NMOS晶体管X1再次变成高欧姆值的，并且借此使得只有电阻R7作为串联电阻起作用。因此，再次实施相应较低的上阈值OS-。
通过所述方法能够产生所述电路的不同表现，依据的是电阻是离开了无故障的状态还是进入了无故障的状态(比较图4的b部分中所示的阴影区域)。在这里，采用的迟滞效应能够在标称电阻为4欧姆时例如等于2欧姆。
由于这种电路的简单的可实现性以及通过反馈和使用的比较器的连接方式，能够从激光二极管的电源为该电路供电。必要的电流在这里典型地明显低于激光二极管的必要的电流(例如1/1000)。此外，通过可低成本实现的缓冲(Pufferung)也让激光的PWM(脉宽调制)运行能够是无干扰的。
通过这种实施方式使得能够在故障状况下自主地关断模块，而不必向控制器报告，并且不需要在插头上设置额外的端子。这降低了整个系统的成本和复杂性。
附图标记列表
1 转换器
2 基片
3 导体轨道环路
4、5 焊接端子
11、12 节点
13 测量支路
14、15 比较支路
21 电阻变化曲线
22、23 比较信号
D0、D1 二极管
gnd 地
Ext_GND 用于激光二极管的地
Ext_VDD 用于激光二极管的电源电压
h_ref 上阈值电势
K1、K2 比较器
LA_A、LA_K 端子
l_ref 下阈值电势
OS- 低的上阈值
OS+ 高的上阈值
Out 控制信号
pos 测量电势
R1至R7、R11 电阻
t1至t4 时间点
US- 低的下阈值
US+ 高的下阈值
Vdd 电源电压
X0 导体轨道环路
X1至X6 开关

Claims (12)

1.一种用于监视光学的转换器(1)的电路装置，其特征在于：
测量电桥，所述测量电桥具有测量支路(13)、第一比较支路(14)和第二比较支路(15)，其中，
在所述测量支路(13)中能够集成所述转换器的导体轨道环路(3、X0)，
所述第一比较支路(14)具有能够经由第一有源元件(X2)改变的第一串联电阻，
所述第二比较支路(15)具有能够经由第二有源元件(X1)改变的第二串联电阻，
所述第一有源元件(X2)和所述第二有源元件(X1)分别能够以一个相同的驱控信号进行驱控，
所述电路装置具有带有第一比较器(K1)和第二比较器(K2)的评估电路，所述第一比较器的和所述第二比较器的输出以与逻辑连接的方式形成所述驱控信号并且同时形成所述电路装置的输出信号(Out)，其中
所述第一比较器(K1)将所述第一比较支路(14)的抽头(l_ref)与所述测量支路(13)的抽头(pos)进行比较，并且
所述第二比较器(K2)将所述第二比较支路(15)的抽头(h_ref)与所述测量支路的抽头(pos)进行比较。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其中，所述第一有源元件(X2)是金属氧化物半导体。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其中，所述第一有源元件(X2)是PMOS开关。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其中，所述第二有源元件(X1)是金属氧化物半导体。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其中，所述第二有源元件(X1)是NMOS开关。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其中，所述第一比较支路(14)对于下阈值而具有的参考电阻不同于所述第二比较支路(15)对于上阈值而具有的参考电阻。
7.一种具有光学的转换器(1)和根据权利要求1至6中任一项所述的电路装置的转换器组件，在所述转换器上设置有用于监视所述转换器的导体轨道环路(3、X0)，所述电路装置与所述导体轨道环路(3、X0)连接。
8.根据权利要求7所述的转换器组件，其中，所述导体轨道环路(3、X0)形成在所述转换器(1)的表面上并且具有弯曲的形状，并且所述弯曲的至少一个子环路完全地围绕所述转换器(1)的圆形的转换区域。
9.一种具有激光二极管和根据权利要求7或8所述的转换器组件的照明设备，其中，所述激光二极管借助于所述电路装置的所述输出信号(Out)进行控制。
10.根据权利要求9所述的照明设备，其中，所述激光二极管的阳极经由一个能由所述输出信号控制的第一半导体开关元件(X6)并且所述激光二极管的阴极经由一个能由所述输出信号(Out)控制的第二半导体开关元件(X5)分离地连接至供电端子(Ext_VDD、Ext_GND)。
11.根据权利要求10所述的照明设备，其中，所述第一半导体开关元件(X6)通过所述电路装置的所述输出信号(Out)经由反相器进行驱控。
12.根据权利要求10或11所述的照明设备，其中，经由所述激光二极管的所述供电端子也确保了对剩余的所述照明设备的供电。
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