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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer rauscharmen
geregelten Hochspannung aus einer Niedervolt-Versorgungsquelle,
vorzugsweise einer handelsüblichen
Batterie oder einem Akkumulator unter Verwendung eines über einen
Hochsetzsteller auf- und nachladbaren Ladungsreservoirs.
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Es
gibt eine ganze Reihe von kleinen tragbaren elektrischen oder elektronischen
Geräten
mit Energieversorgung aus einer Batterie, bei denen innerhalb des
Geräts
eine im Vergleich zur Batterie- oder Akkumulatorspannung als Hochspannung
zu bezeichnende Spannung geringer Leistung benötigt wird. Ein solches Gerät, auf das
nachfolgend exemplarisch Bezug genommen wird, enthält beispielsweise
ein optoelektronisches Messsystem für Distanzen bis zu 100 m mit
Genauigkeiten von wenigen Millimetern. Solche optoelektronischen
Messsysteme haben unter anderem in der Bauindustrie und im Anlagenbau
Bedeutung erlangt, insbesondere auch weil die Verwendung definierterer
Zielmarken am Objekt, dessen Distanz von einem Beobachtungs- oder
Referenzort aus bestimmt werden soll, entbehrlich wird. Dadurch
können
Rüst- und
Fertigungszeiten unter anderem in der Baubranche reduziert und Kosteneinsparungen
erreicht werden trotz gleichzeitiger Verringerung von Fertigungstoleranzen.
Optoelektronische Messsysteme dieser Art sind beispielsweise in
den Druckschriften
EP
0 701 702 B1 ,
DE
196 43 287 A1 und
US
4,403,857 beschrieben. Verwiesen wird auch auf ein neues
vorgeschlagenes optoelektronisches Entfernungsmesssystem, das Gegenstand
der Druckschrift
DE
100 06 493 A1 ist.
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Ein
wichtiges Leistungsmerkmal solcher optoelektronischer Messeinrichtungen
ist deren Dynamik, die möglichst
hoch sein sollte, um sowohl sehr schwache als auch relativ starke
Messsignale verarbeiten zu können.
Um diese geforderte hohe Dynamik, d. h. auch die Detektion sehr
schwacher Messsignale gewährleisten
zu können,
werden in aller Regel empfindliche Avalanche-Fotodioden als Empfängerelemente
verwendet. Da Avalanche-Fotodioden (APDs) jedoch mit vergleichsweise
hohen Sperrspannungen von beispielsweise 70 V bis 250 V betrieben
werden müssen,
wird eine Einrichtung zur möglichst
störungsarmen
Hochspannungserzeugung benötigt.
Da die als Empfängerelemente
verwendeten APDs in Sperrrichtung unterhalb ihrer Durchbruchspannung
betrieben werden und andererseits nur sehr geringe Lichtleistungen
detektiert werden, ist nur mit sehr kleinen Fotoströmen zu rechnen.
Diese liegen inklusive Dunkelstrom im Bereich von etwa 1 nA bis
100 nA. Der Hochspannungsquelle, welche die Sperrspannung liefern
soll, wird somit nur eine sehr geringe elektrische Leistung abverlangt.
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Zur
Erzeugung dieser Hochspannung aus einer Batteriespannung von z.
B. 3 V wird in der Regel zunächst
eine Wechselspannung erzeugt. Gemäß einer Möglichkeit wird sodann diese
Wechselspannung primärseitig
auf einen Transformator geführt
und anschließend
zu hohen Spannungswerten transformiert. Die sekundärseitige
hohe Wechselspannung wird sodann mittels Dioden gleichgerichtet
und über Kondensatoren
geglättet
und gegebenenfalls über
einen Regler stabilisiert. Diese Regelung der Hochspannung erfolgt
meistens über
die Veränderung
des Pulsweitenverhältnisses
der primärseitigen
Wechselspannung, die somit einem Pulsweiten-Modulationssignal entspricht.
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Als
andere Möglichkeit
zur Hochspannungserzeugung ist auch die Verwendung von geschalteten
Strömen
in Spulen bekannt. Als Schalter wird in der Regel ein Transistor
verwendet, der von einem Pulsweiten-Modulationssignal angesteuert
wird. Direkt nach dem Ausschalten des Spulenstroms fließt dieser
Strom aufgrund der durch die Induktivität erzwungenen Stetigkeit zunächst weiter
und lädt
dabei bei jedem Abschaltvorgang über
eine Diode als Ladungsreservoir dienenden Kondensator auf. Die Diode
verhindert, dass sich der Kondensator nach dem Aufladen durch einen
Ladungsrückfluss
wieder entlädt.
Auch hier erfolgt die Stabilisierung über das Pulsweitenverhältnis der
den Transistor ansteuernden Wechselspannung. Da beim Abschalten
des Spulenstroms elektrische Ladungen in den Kondensator gepumpt
werden, wird eine Einrichtung dieser Art auch als Ladungspumpe bezeichnet.
Diese Art der Erzeugung einer Hochspannung wird zur Anwendung in
einem Laser-basierten Distanzmessgerät, wie in WO 98/08151 A1 beschrieben,
noch durch die geregelte Zuführung
von elektrischer Ladung aus dem Ladungsreservoir zu einem mit dem
Verbraucher verbundenen Speicherkondensator verbessert. Das dabei
angewandte Prinzip der Rege lung der Ladespannung eines Kondensators
mittels Ladung und gegebenenfalls der Entladung über gesteuerte Schalteinrichtungen
ist an sich auch aus der
DE
23 51 127 B2 und der
US
5926384 bekannt.
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Wie
bereits angesprochen, besteht ein Problem bei einer hochgenauen
Distanzmessung an technischen Oberflächen, z. B. einer Betonmauer, mittels
eines optoelektronischen Distanzmesssystems in der Notwendigkeit,
auch sehr schwache Reflexionssignale detektieren zu können. Das
Messsystem verträgt
also nur sehr geringes störendes
elektronisches Rauschen. Die oben erwähnten Schaltvorgänge bei
der Hochspannungserzeugung mittels sogenannter Hochsetzsteller führen jedoch
beim Umschalten der Ströme
in der oder den jeweiligen Spulen zu Störungen, welche das Rauschen
insgesamt erhöhen
und somit die Sensitivität
der Distanzmessung reduzieren.
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Der
Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Hochspannungserzeugung aus einer Niedervolt-Versorgungsquelle
anzugeben, bei denen während
der Nutzanwendung dieser Hochspannung keine Störungen und kein zusätzliches
Rauschen entstehen.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
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Durch
den Einsatz eines zusätzlich
zum Ladungsreservoir vorhandenen Speicherkondensators, dem in bestimmter
Weise geregelt elekrische Ladungen zugeführt bzw. in vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung von diesem Speicherkondensator abgesaugt werden, lässt sich
für bestimmte
Nutzungszeiträume
der Hochspannung weitgehende Rauschfreiheit erreichen, wenn erfindungsgemäß mindestens während dieser
Nutzungszeitspannen, in denen die Rauscharmut zu gewährleisten
ist, der Hochsetzsteller stillgesetzt wird. Zudem kann die Hochspannung rasch
erhöht
und gesenkt werden, was beispielsweise bei den erwähnten, mit
APDs ausgerüsteten,
optoelektronischen Distanzmessgeräten von besonderer Bedeutung
ist, wenn die Avalanche-Verstärkung der
APDs schnell an unterschiedliche Umgebungsbedingungen angepasst
werden soll oder muss.
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Vorzugsweise
und in der Regel sind die erste und die zweite Schalteinrichtung
jeweils steuerbare Stromquellen, die von einem Regler gesteuert
sind, an dessen Istwert-Eingang ein der tatsächlichen Hochspannung am Speicherkondensator
entsprechendes Signal anliegt, während
ein jeweiliger Sollwerteingang durch ein der gewünschten Hochspannung am Speicherkondensator
entsprechendes Signal beaufschlagt ist.
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Als
Alternative zu den steuerbaren Stromquellen bietet sich auch an
als erste und zweite Schalteinrichtung steuerbare Schalter mit einem
zur jeweiligen Schaltstrecke in Reihe liegenden Lade- bzw. Entladewiderstand
vorzusehen, wobei diese Schalter von einem Regler gesteuert werden,
an dessen Istwert-Eingang
ein der tatsächlichen,
momentanen Hochspannung am Speicherkondensator entsprechendes Signal
anliegt, während
ein Sollwert-Eingang durch ein der gewünschten Hochspannung am Speicherkondensator
entsprechendes Signal beaufschlagt ist.
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Weitere
vorteilhafte Einzelheiten und Ergänzungen des Erfindungsgedankens
sind jeweils Gegenstand eines oder mehrerer abhängiger Patentansprüche und
werden außerdem
nachfolgend unter Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 das
Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur störungsfreien Hochspannungserzeugung
gemäß der Erfindung;
und
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2 das
Blockschaltbild einer gegenüber 1 abgewandelten
Schaltungsanordnung zur störungsfreien
Hochspannungserzeugung mit kapazitivem Spannungsteiler.
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Die
Schaltungsanordnung nach 1 zur Erzeugung einer vorzugsweise
rasch veränderbaren und
weitgehend rauschfreien Hochspannung umfasst als wesentliche Baugruppen
oder Teile eine von einer Steuereinrichtung 1, beispielsweise
einem Mikrocontroller, gesteuerte Ladungspumpe 2 über die ein
Ladungsreser voir, insbesondere realisiert als Kondensator 3,
entsprechend einem von der Steuereinrichtung 1 gelieferten
Wechselsignal auf oder über eine
gewünschte
Hochspannung aufgeladen wird. Eine von einem Regler 5 gesteuerte
erste Stromquelle 4 bzw. gegebenenfalls auch ein steuerbarer
Schalter bestimmt den Ladungszufluss zu einem Speicherkondensator 7,
an dem die gewünschte
Hochspannung abgreifbar ist. Über
eine ebenfalls vom Regler 5 gesteuerte zweite Stromquelle 6,
die alternativ auch durch einen steuerbaren Schalter ersetzt sein kann,
wird der Ladungsabfluss aus dem Speicherkondensator 7 bestimmt.
Der Hochspannungs-Sollwert wird für den Regler 5 durch
die übergeordnete Steuereinrichtung 1 vorgegeben.
Der Hochspannungs-Istwert für
den Regler 5 wird vorzugsweise über einen Spannungsteiler 8, 9 mit
einem festgelegten Teilerverhältnis
vorgegeben, der im Falle der Schaltung nach 1 ein ohmscher
Spannungsteiler ist.
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Zur
Erläuterung
der Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach 1 sei
wiederum deren Verwendung als Hochspannungsgenerator für die APD-Sperrspannung(en)
in einem optoelektronischen Distanzmesssystem der oben erläuterten
Art angenommen.
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Nach
dem Einschalten des Distanzmessgeräts und vor der eigentlichen
Distanzmessung, d. h. während
der Anwender beispielsweise einen von einer Laserdiode erzeugten
Leuchtfleck auf die Messoberfläche
positioniert, wird mit dem in dem Messgerät in der Regel ohnehin vorhandenen
Mikrocontroller, also über
die Steuereinrichtung 1, ein pulsweitenmoduliertes Wechselsignal
erzeugt, das die Ladungspumpe 2 in bekannter oben erläuterter
Weise ansteuert. Über
die Ladungspumpe 2 wird der Kondensator 3 mit
relativ hoher Kapazität
(z. B. 1 μF)
unkontrolliert auf eine hohe Spannung aufgeladen, die beispielsweise
einige 10 % höher
liegen sollte als die maximal zu lieferende Hochspannung, also als
die APD-Sperrspannung. Die Ladungspumpe 2 kann mit einem
ebenfalls vom Mikrocontroller 1 gelieferten Steuersignal
ein- oder ausgeschaltet werden.
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Gemäß dem Erfindungsgedanken
wird während
des Messvorgangs, der im Fall zahlreicher Einzelmessungen (Tracking)
durchaus einige Minuten dauern kann, die störende Ladungspumpe 2 deaktiviert.
Die benötigte
Hochspannung, insbesondere die APD-Sperrspannung wird jetzt mit
der im Ladungsreservoir, also im Kondensator 3, gespeicherten
Ladung über
die erste Stromquelle 4 bzw. die zweite Stromquelle 6 mit
Hilfe des Reglers 5 eingestellt und stabilisiert. Zum Erhöhen der
Hochspannung wird beispielsweise mittels der ersten gesteuerten
Stromquelle 4, im Wesentlichen bestehend aus einem Transistor,
der Speicherkondensator 7 kontrolliert aufgeladen, wobei
Ladungsträger
vom Ladungsreservoir, also vom Kondensator 3 zum Speicherkondensator 7, überführt werden.
Zum schnellen Absenken der Hochspannung wird beispielsweise über die zweite
gesteuerte Stromquelle 6 der Speicherkondensator 7 kontrolliert
entladen. Der Istwert der Hochspannung wird beispielsweise mit dem
Spannungsteiler 8, 9 proportional verkleinert
und auf den Istwert-Eingang des Reglers 5 geführt, der
beispielsweise als integrierender Operationsverstärker verwirklicht
sein kann. Der Sollwert der Hochspannung wird vom Mikrocontroller
der Steuereinrichtung 1 vorgegeben und beaufschlagt den
Sollwert-Eingang des Reglers 5. Der Regler 5 steuert
also den Ladungszufluss zum Speicherkondensator 7 bzw.
den Ladungsabfluss vom Speicherkondensator 7 durch Ein-
und Ausschalten der Stromquellen 4 und 6 so, dass
der untersetzte Istwert der Hochspannung dem Sollwert entspricht.
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Anstatt
der gesteuerten Stromquellen 4, 6 kann jeweils
auch ein gesteuerter Schalter, beispielsweise ein Transistor oder
gegebenenfalls auch ein Relais und ein zu diesem Schalter in Reihe
geschalteter Widerstand verwendet werden. Die Änderung der Hochspannung erfolgt
also im Falle eines geschlossenen Schalters über den kontrollierten Ladungsfluss
durch den zum jeweiligen Schalter gehörenden Widerstand.
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Die
Regelung der Hochspannung kann auch direkt über die Steuereinrichtung 1,
beispielsweise einen Microcontroller, vorgenommen werden. Hierzu wird
der vom Spannungsteiler 8, 9 herabgesetzte Spannungs-Istwert
mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert und der Steuereinrichtung 1,
in welcher jetzt der Soll-Ist-Vergleich
durchgeführt
wird, übermittelt.
Die Steuereinrichtung 1 steuert nun die Stromquellen 4, 6 bzw.
die entsprechenden Schalter so, dass sich der gewünschte Sollwert
der Hochspannung, z. B. die APD-Sperrspannung, einstellt. Hierdurch
erhöht
sich jedoch der Rechenaufwand für die
Steuereinheit 1.
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Als
Spannungsteiler 8, 9 zur Herabsetzung des Spannungs-Istwertes
kann auch – wie
in 2 gezeigt – ein
kapazitiver Teiler 10, 11 verwendet werden. Der
kapazitive Spannungsteiler bietet gegenüber dem ohmschen Teiler erhebliche
Vorteile, da der Hochspannungsquelle keine zusätzliche elektrische Leistung abverlangt
wird. Für
einige bevorzugte Anwendungen, wie beispielsweise die erwähnten optoelektronischen
Distanzmesssysteme, ist bei den sehr geringen Fotoströmen der
Avalanche-Fotodiode selbst bei sehr hochohmigen Spannungsteilern
(einige 10 MOhm) der Strom durch diesen Teiler dominierend. Eine
Erhöhung
der Teilerwiderstände
in den 100-MOhm-Bereich im Falle eines ohmschen Teilers ist kritisch,
da hierdurch die Regelung störanfällig wird.
Zudem sind sehr hochohmige Widerstände vergleichsweise teuer.
Das Ladungsreservoir 3 aber auch der Speicherkondensator 7 können bei
Verwendung eines kapazitiven Spannungsteilers 10, 11 die gewünschte Hochspannung
wesentlich länger
aufrechthalten als beim Einsatz eines ohmschen Spannungsteiler 8, 9.
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Wegen
des Eingangsstroms des Reglers 5 wird der Spannungsteilerkondensator 11 (Kapazität C2) während
des Betriebes ge- oder entladen, so dass die geregelte Hochspannung
allmählich
zu höheren
und tieferen Werten hindriftet. Bei einer Kapazität von beispielweise
C2 = 100 nF reduziert sich hierdurch die
Steuerspannung am Kondensator 11 nach einer Zeitspanne
von 100 Sekunden um etwa 10 mV, wobei für die Steuereinheit ein für FET-Eingänge typischer
Eingangsstrom von 10 pA angenommen wird. Bei einer Spannungsuntersetzung
von 100 : 1 bedeutet dies eine Hochspannungserhöhung um 1 V. Aufgrund dieses
Entladestroms kann die Hochspannung nicht für beliebig lange Zeiten konstant
gehalten werden. Nach einer gewissen Zeitspanne, die von dem tolerierbaren
Spannungsfehler abhängt, aber
auch zum Verändern
der Hochspannung ist vorgesehen die Kapazitäten C1,
C2 des Spannungsteilers 10, 11 über zugeordnete
schaltbare Stromquellen 6 bzw. 12 (oder steuerbare
Schalter, wie z. B. Transistoren oder Relais) zu entladen, damit
sich ein definierter Zutand einstellt und ein korrekter Spannungs-Istwert
am Istwert-Eingang des Reglers 5 gemessen werden kann.
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Auch
zur anfänglichen
Initialisierung sollten oder müssen
die Kondensatoren 10, 11 durch die steuerbaren
Stromquellen 6 bzw. 12 (Schaltelemente) entladen
werden, da C2 beispielsweise durch den Istwert-Eingang
des Reglers 5 aufgeladen werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
zur Hochspannungserzeugung bzw. das bei dieser zur Anwendung kommende
erfindungsgemäße Verfahren
bieten folgende Vorteile.
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Zumindest
während
bestimmter Betriebsphasen, etwa im Verlauf eines Messryklus mittels
einer optoelektronischen Distanzmesseinrichtung steht eine weitgehend
störsignalfreie
Hochspannung zur Verfügung,
woraus sich eine erhebliche Steigerung der Messgenauigkeit ergibt.
- – Der
Wert der erzeugten Hochspannung lässt sich durch die Verwendung
mehrerer Stromquellen bzw. Schalter und entsprechende Steuerung des
Ladungszuflusses und des Ladungsabflusses rasch verändern, was
insbesondere für
die erwähnte
optoelektronische Distanzmessung bei Verwendung von APDs von Bedeutung
ist, wenn ein hoher Dynamikbereich bei rasch veränderlichen Empfangssignalen
zu gewährleisten
ist.
- – Bei
vorhandenen Vorgaben, etwa für
den Fall der erläuterten
optoelektronischen Distanzmessung lässt sich die erwünschte störungsfreie Hochspannungserzeugung
mit nur geringem Mehraufwand realisieren durch Verwendung des ohnehin
vorhandenen Mikrocontrollers zur Erzeugung des Wechselsignals für die Ladungspumpe 2.
Hierbei kann von Bedeutung sein, dass kein zusätzlicher Aufwand im Mikrocontroller
zur Regelung der APD-Spannung erforderlich ist, da das Ladungsreservoir 3 unkontrolliert
aufgeladen wird und die Stabilisierung der APD-Spannung, also der
Hochspannung über
einen handelsüblichen Regler
einfach realisiert werden kann, wobei die Regelung nicht über eine
Pulsweitenmodulation erfolgt, wofür hinsichtlich Mikrocontroller
ein erhöhter
Programmier-, Zeit- und
Hardwareaufwand erforderlich wäre.
- – Bei
Verwendung eines kapazitiven Spannungsteilers 10, 11 (2)
zur Herabsetzung des Istwerts der Hochspannung kann beispielsweise
bei sehr geringen Fotoströmen
einer APD die Hochspannung wesentlich länger aufrechtgehalten werden
als beim Einsatz eines ohmschen Spannungsteilers 8, 9.
Die Ladungspumpe 2 muss dann nur relativ selten aktiviert
werden. Dies hat Vorteile bei der Messung sehr schwacher Signale, wie
sie beispielsweise bei der Distanzmesstechnik vorkommen. Es müssen zudem
keine extrem hochohmige Teilerwiderstände verwendet werden, die teuer
sind und bei der Spannungsregelung zu Instabilitäten führen können. Durch die sehr geringe
Leistungsaufnahme der Last lassen sich dann auch sehr kleine und
kostengünstige Spulen
für die
Ladungspumpe 2 einsetzen. Der Platzbedarf und die Kosten
werden reduziert.
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Grundsätzlich eignet
sich das erfindungsgemäße Verfahren
zur rauscharmen Hochspannungserzeugung für viele Messtechnikanwendungen
mit schwachen Signalen und bei Belastungen mit sehr geringen Leistungsaufnahmen.
Neben APDs ist hier auch an Fotomultipeier zu denken.
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Ein
kapazitiver Spannungsteiler 10, 11 (2)
kann prinzipiell bei allen Hochspannungserzeugungen dieser Art eingesetzt
werden. Besondere Vorteile bietet dessen Einsatz jedoch bei Belastungen
mit sehr geringen Leistungsaufnahmen.