-
Die Erfindung betrifft einen Diodentreiber nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Laserdioden werden üblicherweise mit Gleichspannungsquellen betrieben. Um eine oder mehrere Laserdioden, sogenannte Diodenstacks in medizinischen Anwendungen wie z. B. der Hautbehandlung oder Augenbehandlung einsetzen zu können, müssen diese mit hoher Dynamik einstellbar sein, so dass möglichst schnelle, präzise, wiederholbare Impulsstromprofile erzeugt werden können. Dazu müssen je nach Modell, bei maximalen Ausgangsströmen von 100 bis 400 A, hohe Schaltfrequenzen von über 400 kHz bei der Stromregelschaltung angewandt werden.
-
Gerade kostengünstige Gleichspannungsquellen besitzen aber in der Regel keine exakte Stromregelbarkeit. Deshalb werden Diodentreiber verwendet, welche einer Gleichspannungsquelle zum Betreiben der Dioden nachgeschaltet sind. Über solche Diodentreiber kann die erforderliche hohe Dynamik der Stromregelbarkeit, d. h. eine Einstellzeit des Diodenstroms im Bereich von bis zu unter 100 μs realisiert werden.
-
Prinzipiell erfolgt bei derartigen Diodentreibern die Stromregelung mit einer Art Abwärtswandlerschaltung mit Synchrongleichrichter. Dabei wird eine Drossel in Reihe mit der oder den Laserdioden über einen Schalter periodisch geladen und mit einem zweiten Schalter gegenphasig entladen, wobei der zweite Schalter oftmals als Freilaufdiode ausgeführt ist. Dabei bestimmt das Schaltverhältnis zwischen den beiden Schaltern den Diodenstrom. Eine entsprechende Schaltung ist in der
DE 10 2007 041 839 A1 beschrieben.
-
Auch die
US 2003/0039280 A1 zeigt anhand der
8 und
9 eine Schaltung, welche prinzipiell ähnliche Bauteile aufweisen, um Laserdioden anzusteuern. Diese erscheint jedoch für derartige hohe Schaltfrequenzen nicht geeignet, da als erster Schalter ein Tyristor (GCT) verwendet wird. Dabei handelt es sich um einen einschaltbaren Schalter, welcher nach dem Einschalten leitend bleibt, bis der Strom abgeklungen ist.
-
Gerade in medizinischen Anwendungen aber auch in industriellen Anwendungen, bei denen Personenschutz erforderlich ist, ist eine über diese Anforderungen hinaus bestehende Grundanforderung an die Laserdioden, dass diese absolut sicher schaltbar sind. Nur durch fehlerfrei arbeitende Schalter kann die verlangte Abschaltsicherheit erreicht werden und nur so können notwendige Zulassungsverfahren im medizinischen Bereich bestanden und der Personenschutz gewährt werden.
-
In der Regel werden zum Abschalten der Laserdioden in den optischen Strahlengang mechanische Shuttersysteme eingebaut. Diese sind jedoch relativ träge und verursachen zusätzliche Kosten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diodentreiber nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 so auszubilden, dass eine extrem schnelle, sichere Schaltung der Laserdiode gewährleistet wird.
-
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch einen Diodentreiber zur Ansteuerung einer oder mehrerer Laserdioden, auch Diodenstapel oder -stack genannt, mit einem Eingang zum Anschluss einer Spannungsquelle, vorzugsweise einer Gleichspannungsquelle und einer Stromregelung mit einer Abwärtswandlerschaltung mit Synchrongleichrichter, umfassend eine Drossel, welche zwischen dem Eingang für die Spannungsquelle und einem Eingang der ein oder mehreren Laserdioden in Reihe mit diesen angeordnet ist, einem Längsschalter zum vorzugsweise periodischen Laden der Drossel, der in Reihe mit der Drossel angeordnet ist, einem Entladeschalter, der zum vorzugsweise gegenphasigen Entladen der Drossel zwischen dem Eingang der Drossel und dem Ausgang der einen oder mehreren Laserdioden angeordnet ist und einem Bypassschalter zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Laserdioden, wobei ein Sicherheit-Längsschalter in Reihe zum Längsschalter zwischen dem Eingang und dem Längsschalter zum Laden der Drossel als zusätzliche Schaltfunktion angeordnet ist und wobei sowohl Längsschalter und Sicherheits-Längsschalter als auch Entladeschalter und Bypassschalter unabhängigvoneinander ein- und ausschaltbar sind, um eine sichere, schnelle Abschaltung der Laserdioden zu gewährleisten.
-
Damit kann bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion des Längsschalters über ein öffnen des Sicherheits-Längsschalters die Stromzufuhr zur Laserdiode sofort unterbrochen werden, die Laserdiode wird extrem schnell sicher abgeschaltet. Im Regelfall erfolgt das Abschalten der Laserdiode durch das Öffnen des Längsschalters. Dieser ist jedoch aufgrund der extrem hohen Schaltfrequenz, welche notwendig ist, um einen möglichst konstanten Laserdiodenstrom bei gleichzeitig hoher Dynamik in der Ansteuerung zu gewährleisten, extremen thermischen Belastungen ausgesetzt und hat damit ein hohes Ausfallrisiko. Deshalb wird mit diesem belasteten Längsschalter ein, im Regelfall, also im regulären Betrieb der Laserdioden, geschlossener, statischer Sicherheits-Längsschalter in Reihe geschaltet, welcher keine dynamischen Verluste erleidet und damit ein sehr geringes Ausfallrisiko aufweist. Diese in Reihe Schaltung der beiden Längsschalter bewirkt, dass eine An- und Abschaltung der Laserdiode immer sicher gewährleistet ist. Darüber hinaus bietet der Sicherheits-Längsschalter auch im Betrieb der Laserdiode eine Schutzfunktion für die Laserdiode, da es im Fehlerfall des Längsschalters zu einem übermäßigen Anstieg des Laserdiodenstromes und damit eine Überlastung der Laserdiode kommen könnte. Indem der Sicherheits-Längsschalter bei einer Fehlfunktion des Längsschalters sofort geöffnet wird, wird eine Überlastung der Laserdiode zuverlässig verhindert. Es ist zu bemerken, dass die Erfindung unabhängig davon ist, ob der Diodentreiber eine Laserdiode oder mehrere, gegebenenfalls in einem Laserdiodenstack verbundene Laserdioden betreibt. Auch wenn nur von einer Laserdiode gesprochen wird, gilt das Gesagte für den gesamten Laserdiodenstack und umgekehrt.
-
Vorteilhaft ist es, die beiden in Reihe geschalteten Längsschalter transformatorisch anzusteuern. Transformatoren lassen keinen Gleichspannungspegel durch, so dass durch die transformatorische Ansteuerung gewährleistet ist, dass beim Auftreten statischer Signale, wie sie beispielsweise bei einem Fehlerzustand des, den Diodentreiber ansteuernden, Mikroprozessor verursacht werden konnen, sowohl der Längsschalter als auch der Sicherheits-Längsschalter sofort offnen. Vorzugsweise wird dabei der Sicherheitsschalter direkt über einen Transformator angesteuert, während der, die Drossel ladende, Langsschalter über einen Transformator und einen weiteren Treiber angesteuert wird, wobei der zusätzliche Treiber besonders steile Flanken erzeugt und damit der Sicherheitsschalter bei den hohen Schaltfrequenzen mit entsprechend geringen Schaltverlusten betrieben wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Transformator zu Ansteuerung das Sicherheitsschalter mehrere Wicklungen aufweist, von denen eine mit dem Treiber des Längsschalters verbunden ist, so dass der Transformator fur den Sicherheitsschalter zusatzlich die Hilfsspannung fur den Treiber des Langsschalters erzeugt.
-
Besonders vorteilhaft ist ein Bypassschalter als Bypass fur den Laserdiodenstrom zwischen dem Eingang und dem Ausgang der ein oder mehreren Laserdioden angeordnet. Mit diesem Bypassschalter kann/können im Fehlerfall, indem der Diodenstrom direkt abgeleitet wird, die eine oder mehrere Laserdiode(n) sehr schnell aus- und eingeschaltet werden. Damit ist auch der ebenfalls sehr belastete, da schnell schaltende Entladungsschalter über einen weiteren Schalter gesichert. Wobei der sichernde Bypassschalter wiederum als stationärer Schalter weniger Belastung ausgesetzt und damit wenig fehleranfällig ist. Somit sind beiden dynamischen Schaltern des Drosselabwartswandlers jeweils statische Sicherheitsschalter zugeordnet, welche insbesondere im Fehlerfall zuverlässig eine schnelle Abschaltung des Laserdiodenstromes gewährleisten.
-
Vorzugsweise ist sind die Schalter unabhangig voneinander ansteuerbar, d. h. die langsamen Schalter, Längsschalter und Sicherheits-Langsschalter haben einen Steuereingang mit dem sie mit einer langsamen Shutter-Steuerung verbunden werden können, welche sie zum Ausschalten der Laserdiode und/oder eine im Folgenden erläuterte Sicherheitsuberprüfung ansteuert und die schnellen Schalter, der Endladeschalter und der Bypassschalter haben einen weiteren Steuereingang, welcher mit einer schnellen Shutter-Steuerung verbunden werden kann, welche diese entsprechend ansteuert. Damit sind zwei vollkommen unabhangige Schaltersysteme vorgesehen, welche beide jeweils die Laserdiode abschalten können. Selbst wenn eines der Systeme einen Fehler aufweist, kann die Laserdiode sofort über das andere Schaltersystem abgeschaltet werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Drossel eine einzige Windung. Hierdurch ist gewahrleistet, dass die Induktivitat der Drossel und damit auch die gespeicherte Energie sehr gering ist. Um den Laserdiodenstrom dennoch konstant zu halten muss eine sehr hohe Schaltfrequenz zum Laden und Entladen der Drossel, also von Langsschalter und Entladeschalter realisiert sein. Dies ermöglicht eine sehr schnelle Regelung des Laserdiodenstromes und eine maximal schnelle Abschaltung der Laserdiode auch uber Schalter, nach deren Betätigung erst eine Entladung der Drossel erfolgen muss, bevor eine endgültige Abschaltung der Laserdiode realisiert ist. Die Problematik hierbei ist jedoch, dass Längs- und Entladeschalter dabei aufgrund der sehr hohen Schaltfrequenz enormen Belastungen ausgesetzt und damit sehr fehleranfällig sind. Gerade in diesem, fur eine hohe Regeldynamik sehr vorteilhaften Fall einer sehr geringen Induktivitat erweist sich das erfindungsgemäße Vorsehen von Sicherheitsschaltern wie dem Sicherheits-Langsschalter und dem Bypassschalter als wichtig um die Abschaltsicherheit der Laserdiode zu gewahrleisten. Wobei ein sicheres Abschalten letztlich dann gewahrleistet ist, wenn beide Sicherheitsschalter in ihre Abschaltposition geschaltet sind. D. h. der Sicherheits-Längsschalter ist geöffnet, der Bypassschalter ist geschlossen. Dies wird im Folgenden als sicherer Zustand bezeichnet.
-
Bevorzugt ist dem Sicherheits-Längsschalter ein Spannungsmesser nachgeschaltet. Über diesen kann die Sperreigenschaft des Sicherheits-Langsschalters überprüft werden. So muss die Spannung am Spannungsmesser bei geoffnetem Sicherheits-Längsschalter auf Null zurückgehen. Um den schnellen Langsschalter auch überprufen zu können, wird zwischen Sicherheits-Längsschalter und Längsschalter eine Prufspannung über eine Hilfsstromquelle angelegt, wobei die Hilfsstromquelle vorzugsweise als ein mit der Gleichspannungsquelle verbundener Vorwiderstand realisiert ist. In diesem Prüfzustand sind Entladungsschalter und Bypassschalter im sicheren Zustand, d. h. sie sind geschlossen und damit statisch leitend angesteuert. Damit würde im Fehlerfall des Langsschalters, d. h. wenn dieser nicht vollstandig öffnet, der durch den Widerstand begrenzte bzw. die Hilfsstromquelle erzeugte, Prufstrom abfließen und die zu messende Spannung ware entsprechend gering. Sperrt der Längsschalter sicher, kann kein Prüfstrom abfließen und die an dem Spannungsmesser gemessene Spannung entspricht nahezu der Versorgungsspannung des Diodentreibers. Dieser Selbsttest, Anlegen eines Prüfstroms, Öffnen des Sicherheits-Längsschalters und Messen der durch diesen tretenden Spannung, zum Überprüfen von Sicherheits-Langsschalter und Langsschalter wird immer nur dann durchgeführt, wenn die Laserdiode sicher ausgeschaltet ist, d h. dass Endladeschalter und Bypassschalter geschlossen sind. Misst der Spannungsmesser im Pruffall eine unzulässige Spannung, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben und die Einschaltmöglichkeit der Laserdiode unterbunden. Der Prüfstrom durch den Widerstand liegt weit unterhalb der Laseranregungsschwelle der Laserdiode(n) und kann selbst im ungünstigsten mehrfachen Fehlerfall oder im Einschalt- bzw. Ausschaltmoment nicht gefährlich werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform umfasst der Diodentreiber eine weitere Hilfsstromquelle. Diese kann als zusatzliche Stromquelle ausgebildet sein oder besonders vorteilhaft als weiterer Vorwiderstand realisiert sein. Dieser weitere Vorwiderstand ist auch so dimensioniert, dass der Strom der für den Betrieb der Laserdiode anzuschließenden Gleichspannungsquelle auf einen Hilfsstrom begrenzt wird, der weit unter die Anregungsschwelle der Laserdiode liegt. Dieser Hilfsstrom dient dazu die Funktionalität von Entladungs- und Bypassschalter bei nicht aktiver Laserdiode zu überprüfen. Hierzu ist ein weiterer Spannungsmessers eingesetzt. Bei vollständig geschlossenem Zustand von Endladeschalter und/oder Bypassschalter fließt der Hilfsstrom durch den Vorwiderstand nach Masse ab. Über den weiteren Spannungsmesser wird die Funktionsfähigkeit der Schalter ausgewertet. Ist mindestens einer der beiden Schalter geschlossen, dann ist nur noch die durch den Hilfsstrom verursachte Flussspannung an einer den Schaltern vorgeschalteten Diode messbar. Im Fehlerfall liegt die volle Eingangsspannung der Gleichspannungsquelle an dem weiteren Spannungsmesser an.
-
In einer weiteren vorteilhaften Anwendung ist ein noch genauerer Funktionstest von Entladeschalter und Bypassschalter als Programmablauf in einem, alle Schalter ansteuernden Mikroprozessor hinterlegt. Hierbei wird der Diodentreiber in einen sicheren Zustand versetzt, in dem, vorzugsweise nach erfolgter oben beschriebene Prüfung von Langsschalter und Sicherheits-Langsschalter, in der deren Funktionsfähigkeit sichergestellt wurde, sowohl Sicherheits-Längsschalter als auch Langsschalter geöffnet sind. Anschließend werden Entladeschalter und Bypassschalter geöffnet. Sind diese geoffnet wird mit dem Spannungsmesser nahezu die volle Eingangsspannung gemessen. Danach erfolgt das Einschalten bzw. das Schließen des Entladeschalters und die Spannungsmessung muss nahezu Null ergeben. Der Entladeschalter wird geöffnet, die Spannungsmessung muss wieder nahezu Eingangsspannung zeigen. Dann erfolgt in gleicher Weise mit Messung das Ein-/Ausschalten des Bypassschalters, der uber die Induktivitat der Drossel parallel zum Entladeschalter liegt. Vorzugsweise ist die Induktivität der Drossel sehr klein, somit hat diese keinen Einfluss auf die Messung. Danach werden sicherheitshalber beide Schalter, Entladeschalter und Bypassschalter wieder eingeschaltet. Wenn die Spannungen in der beschriebenen Weise gemessen wurden, sind diese beiden Schalter auf Funktion geprüft. Dieser Test wird sinnvoller Weise vor dem Übergang aus dem sicheren Zustand in den Betriebsmodus der Laserdioden durchgefuhrt. Welchen die Spannungsmesswerte von den vorgegeben (programmierten) Werten ab, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben und die Einschaltmöglichkeit der Laserdiode unterbunden.
-
Vorzugsweise wird auch während des Betriebs der Laserdiode ständig mit einer Komparatorschaltung eine von der Regelung unabhängige Kontrolle des Diodenstroms durchgeführt. Der Komparator erhält ein dem Führungssignal der Regelung entsprechendes Vergleichssignal. Damit wird der Längsschalter mit dem Regelkreis ständig auf Fehler überprüft. Steigt der Diodenstrom über den Sollwert an, so wird sofort der Sicherheits-Längsschalter geöffnet und die Entlade- und Bypassschalter sofort geschlossen, so dass es zu keiner Überbelastung der Laserdiode(n) kommen kann. Damit ist ein Schutz der teuren Laserdiode und bei medizinischen Anwendungen ein Schutz des Patienten gewährleistet. Eine Fehlermeldung wird zusätzlich ausgegeben.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform umfasst der Diodentreiber ein zweites, von dem üblicherweise für die Regelung der Laserdiode verwendeten Strommesssystem unabhängiges Strommesssystem nach dem Eingang der Gleichspannungsquelle. Damit können Fehlstrome im Laserdiodenkreis erkannt werden. Beispielsweise könnte der Minuspol der externen Diodenverdrahtung Masseschluss verursachen, oder in der Laserdiodenanordnung kann ein Kurzschluss nach Masse auftreten. Dann würde der zum Ausgang abfließende Strom nicht mehr uber das herkömmliche Strommesssystem, welches einen fur die Regelung maßgeblichen Messwiderstand im Lastkreis der Laserdiode aufweist, erfasst werden und der für die Regelung verantwortliche Längsschalter würde voll aufgesteuert werden. Das Strommesssystem am Eingang erfasst diesen Zustand und führt zum sofortigen Abschalten der beiden Längstransistoren. Dadurch wird die Zerstörung des Treibers und der Laserdiode(n) verhindert.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen eingehend erlautert werden.
-
Es zeigen:
-
1 schematisch eine Schaltbild eines Diodentreibers für eine Laserdiode und
-
2 schematisch den Stromverlauf an einer über einen Diodentreiber betriebenen Laserdiode.
-
In 1 ist schematisch ein Schaltbild für ein Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Diodentreibers dargestellt, welcher prinzipiell als Abwärtswandlerschaltung mit Synchrongleichrichter ausgeführt ist. Die Abwartswandlerschaltung umfasst einen Eingang 2 zum Anschluss einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle, einen Längsschalter 3 welcher mit einer Drossel 4 und einem Laserdiodenstack 5 in Reihe geschalten ist, einen parallel zu dem Laserdiodenstack 5 geschalteten Endladeschalter 6 und einem Eingangskondensator 7 und einen Ausgang 8. Stromleitungen und Drossel 4 sind als Kupferbahnen mit Dicken von mehr als 1 mm realisiert, wobei die Drossel 4 nur genau eine Windung und damit eine extrem kleine Induktivitat aufweist. Der Entladeschalter 6 kann als aktiver Gleichrichter mit synchronisiertem Schalter ausgebildet sein. Die Schalter des Diodentreibers können aber auch teilweise oder vollständig als Transistoren, z. B. als MOSFETs und/oder Leistungs-MOSFETs oder bipolare Transistoren ausgebildet sein. Diese Bestandteile des Diodentreibers wirken als Drosselabwärtswandler. Sobald der Längsschalter 3 geschlossen ist, läuft der Strom einer angeschlossenen Gleichspannungsquelle über die Drossel 4 und den Laserdiodenstack 5. Ist der Strom der Gleichspannungsquelle über der Laserschwelle so wird dabei der Laserdiodenstack 5 betrieben. Sobald der Längsschalter 3 geschlossen ist und Strom fließt, wird die Drossel 4 aufgeladen. Nach einer sehr kurzen Ladezeit wird der Längsschalter 3 geöffnet, so dass kein weiterer Strom mehr von der Gleichspannungsquelle zum Laserdiodenstack 5 gelangen kann. Gleichzeitig wird der Entladeschalter 6 geschlossen, wodurch eine Entladung der Drossel 4 über den Laserdiodenstack 5 erfolgen kann. Nach kurzer Entladezeit wird der Entladeschalter 6 geöffnet und parallel der Längsschalter 3 geschlossen, so dass der Laserdiodenstack 5 erneut an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und der Zyklus von neuem beginnen kann. Der Verlauf des bei diesem Vorgang an dem Laserdiodenstack 5 anliegenden Laserdiodenstroms I ist in 2 gegen die Zeit t aufgetragen dargestellt. Im ersten Zeitintervall ist der Längsschalter 3 geschlossen, der Entladeschalter 6 geöffnet, der Strom der Gleichspannungsquelle fließt durch den Laserdiodenstack 5 und lädt dabei die Drossel 4, bis zum Zeitpunkt t1 ein maximaler Laserdiodenstrom Imax erreicht ist. Dann werden die Schalter 3 und 6 gleichzeitig umgeschalten, die Drossel 4 entlädt sich über den Laserdiodenstack 5, der Strom sinkt dabei bis zu einem Wert Imin, der zum Zeitpunkt t2 erreicht ist. Dann erfolgt erneut eine Umschaltung, der Ladevorgang beginnt wieder, usw. Während Längsschalter 3 und Entladeschalter 6 gegenphasig geschalten werden, wird die Drossel 4 immer ge- und entladen, der Laserdiodenstrom am Laserdiodenstack 5 steigt an oder fällt ab, er schwankt somit zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert, Imax und Imin. In der Praxis ist man natürlich an einem möglichst konstanten Laserdiodenstrom mit geringer Welligkeit und damit gleichmäßigen arbeiten des Laserdiodenstacks 5 interessiert. Darüber hinaus ist es wichtig, dass der an der Laserdiode 5 anliegende Strom schnell geregelt, also verändert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Drossel 4 mit einer sehr geringen Induktivität ausgestattet ist und die Schaltfrequenz von Längsschalter 3 und Entladeschalter 6 extrem hoch sind.
-
Alle Schaltvorgange werden über einen Mikroprozessor 9 gesteuert, welcher an den Längsschalter 3 und den Entladeschalter 6 angeschlossen ist. Der Mikroprozessor 9 kann im einfachsten Fall eine hochintegrierte Schaltung sein, in der alle zur Steuerung des Diodentreibers erforderlichen Komponenten integriert sind oder als Mikroprozessor 9, welcher durch die erforderlichen Komponenten wie z. B. Komparator, Verstärker und Zähler ergänzt werden.
-
Im Laststromkreis, welcher im Wesentlichen durch Entladeschalter 6, Drossel 4 und Laserdiodenstack 5 gebildet wird, befindet sich ein Messwiderstand 10 für die Strommessung, dem ein Verstärker 11 nachgeschaltet ist, der eine Spannung liefert, welche dem Iststrom an dem Laserdiodenstack 5 entspricht, vorausgesetzt der Laserdiodenstack 5 hat keinen Masseschluss. Die, dem Iststrom entsprechende Spannung wird als Istwertregelgroße an den Mikroprozessor 9 geleitet. Im Mikroprozessor 9 implementierte Verfahren steuern den Lqangsschalter 3 und den Entladeschalter 6 entsprechend an, um den Laserdiodenstack 5 mit dem vorgegebenen Stromwert zu betreiben. Daruber hinaus wird dieser Iststrom auch an einen Komparator 12 ubermittelt, welcher dem Verstärker 11 nachgeschaltet ist und einen Sollstrom zum Vergleich mit dem Iststrom vom Mikroprozessor 9 erhält, an den er angeschlossen ist. Der Stromsollwert kann, links unten als Pfeil zum Mikroprozessor 8 angedeutet, analog oder digital am Mikroprozessor 9 eingegeben werden oder im Mikroprozessor 9 als Impulsprofile abgelegt werden. Stimmen Ist- und Sollstrom nicht überein, ist davon auszugehen, dass ein Fehler im Diodentreiber vorliegt. In diesem Fall Löst der Komperator 12 ein Fehler Flipflop 13 aus, welches ihm nachgeschaltet ist und das an den Entladeschalter 6 angeschlossen ist, welchen es hardwaremaßig schließt. Darüber hinaus ist das Flipflop 13 an den Längsschalter 3 angeschlossen, den es im Fehlerfall offnet, um die Stromzufuhr durch die Gleichspannungsquelle zu unterbrechen. So wird der Laserdiodenstack 5 angeschaltet. Gleichzeitig wird eine Fehlermeldung ausgegeben. Um Massefehler des Laserdiodenstacks 5 erkennen zu konnen, umfasst der Diodentreiber einen zweiten von der Regelung und dem Komparator 12 unabhangigen Messwiderstand 14 am positiven Eingang 2 des Diodentreibers. Damit können Fehlströme im Diodenkreis erkannt werden. Beispielsweise könnte der Minuspol der externen Diodenverdrahtung des Laserdiodenstacks 5 Masseschluss verursachen, oder in dem Laserdiodenstack 5 selbst kann ein Kurzschluss nach Masse auftreten, dann wurde der abfließende Strom zum Ausgang 8 nicht mehr über den für die Regelung maßgeblichen Messwiderstand 10 erfasst werden und der fur die Regelung verantwortliche Langsschalter 3 würde voll aufgesteuert werden. Der Messwiderstand 14 am Eingang 2 ist über einen Verstärker 15 zur Signalauswertung mit dem Mikroprozessor 9 verbunden, welcher den damit verbundenen Stromanstieg und damit diesen Fehlerzustand erfasst und ein sofortiges Öffnen des Langsschalters 3 auslöst. Dadurch wird die Zerstörung des Diodentreibers und des Laserdiodenstacks 5 bei einem Masseschluss des Laserdiodenstacks 5 verhindert. Dieses Strommesssystem umfasst einen in der Figur der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten weiteren Komparator, der den am Mikroprozessor 9 generierten Sollstrom mit dem gemessenen Iststrom vergleicht und im Fehlerfall über das Fehler Flipflop 13 die Abschaltung des Laserdiodenstacks 5 hardwaremaßig auslöst.
-
Da Langsschalter 3 und Entladeschalter 6 extrem viele Schaltvorgänge ausführen müssen, haben sie eine gewisse Fehleranfälligkeit, d. h. es kann zu einem Ausfall einer der Schalter kommen, wodurch ein Abschalten des Laserdiodenstacks 5 unter Umständen nicht mehr gewahrleistet ware. Um dieses Abschalten auch im Fehlerfall eines der Schalter zu gewährleisten ist deshalb jeden dieser Schalter ein weiterer Schalter zugeordnet. So ist ein Sicherheits-Langsschalter 16 in Reihe zum Langsschalter 3 zwischen diesem und dem Eingang 2 angeordnet und ein Bypassschalter 17 parallel zum Entladeschalter 6, zwischen dem Laserdiodeneingang 18 und dem Laserdiodenausgang 19. Die beiden Sicherheitsschalter 16 und 17 werden im Fall eines Fehlers gleichzeitig mit dem entsprechenden Längsschalter 3 bzw. Entladeschalter 6 geoffnet bzw. geschlossen, so dass im Falle eines Ausfalls von Langsschalter 3 oder Entladeschalter 6 jeweils der Sicherheits-Langsschalter 16 und/oder der Bypassschalter 17 deren Funktion übernehmen und für ein sicheres Abschalten des Diodenstacks 5 sorgen. Diese beiden Sicherheitsschalter werden im Lastbetrieb des Laserdiodenstacks 5 nicht zur Regelung des Laserdiodenstacks 5 geschalten und sind damit keiner dynamischen Belastung ausgesetzt. Damit ist ihre Fehleranfälligkeit weitaus geringer als die der beiden ständig durch Schaltvorgänge beanspruchten Schalter 3 und 6. Um bei einem über den Fehler Flipflop 13 angezeigten Fehler den Längsschalter 3 zu offnen und gleichzeitig Entladeschalter 6 und Bypassschalter 17 zu schließen, um damit den Laserdiodenstack 5 sicher abzuschalten, ist der Fehler Flipflop 13 mit Entladeschalter 6 und Bypassschalter 17 über Oder-Gatter 20 und 21 mit den Treibern 22 und 23 der Schalter verschaltet und über ein Und-Gatter 24 mit dem Treiber 25 des Längsschalters 3. Dieser Abschaltprozess des Laserdiodenstacks 5 über dieselben Schalter kann darüber hinaus durch einen Optokoppler 26 in Gang gesetzt werden, welcher hierzu über einen Inverter 27 ebenfalls mit dem Und-Gatter 24 und außerdem mit den Oder-Gattern 20 und 21 verbunden ist.
-
Längsschalter 3 und Sicherheits-Langsschalter 16 werden über Transformatoren 28 und 29 angesteuert. Der Transformator 28 wird über einen Hilfstransistor 30 angetrieben. Dabei ist zwischen den Transformator 29 und den Sicherheits-Längsschalter 16 ein Widerstand 31 geschaltet, der die Kapazitat des als MOSFET-Transistors ausgefuhrten Sicherheits-Längsschalters 16 entlädt, um dessen Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Transformatoren 28 und 29 werden zur Ansteuerung der Schalter 3 und 16 verwendet da sie keinen Gleichspannungspegel durchlassen und damit beim Auftreten von statischen Signalen, wie sie bspw. bei einem Fehlerzustand des Mikroprozessors 9 verursacht werden, die Schalter 3 und 16 sofort öffnen und damit den Laserdiodenstack 5 abschalten. Der Transformator 29 des Sicherheits-Längsschalters 16 weist drei Wicklungen, eine Primärwicklung 32, eine mittlere Wicklung 33 und eine Wicklung 34 auf, wobei die mittlere Wicklung 33 über Gleichrichter-Dioden 35 mit dem Treiber 25 des Langsschalters 3 verbunden ist, so dass der Transformator 29 fur den Sicherheits-Langsschalter 16 zusätzlich die Hilfsspannung für den Treiber 25 des Längsschalters 3 liefert. Die Wicklung 34 geht uber Gleichrichter-Dioden 36 zum Sicherheits-Langsschalter 16. Der Transformator 29 ist über zwei Transistoren 37 und 38, uber die er gesteuert wird an den Mikroprozessor 9 angeschlossen. Die Transistoren 37 und 38 werden im Normalbetrieb des Mikroprozessors 9 von diesem gesteuert und laufen mit 100 kHz. Bei einem Ausfall des Mikroprozessors 9 werden sie nicht mehr angesteuert, dadurch wird auch der Transformator 29 außer Betrieb gesetzt, der Sicherheits-Längsschalter 16 öffnet augenblicklich, der Stromfluss zum Laserdiodenstack 5 ist unterbrochen. Damit ist eine Absicherung von Diodentreiber und Laserdiodenstack 5 durch sofortige Abschaltung bei einem Ausfall des Mikroprozessors 9 gewährleistet. Eine weitere Möglichkeit der Abschaltung des Laserdiodenstacks 5 ist über zwei sich zur Erhöhung der Systemsicherheit gegenseitig überwachende Optokoppler 39 und 40 gegeben, welche uber Widerstände 41 und 42 mit einem Hilfstransistor 43 zum Speisen des Transformators 29 zum Schließen des Sicherheits-Längsschalters 16 verbunden sind. Die Optokoppler 26, 39 und 40 werden durch eine nicht gezeigte Steuerung, welche bspw. uber ein Interface bedient werden kann, angesteuert. Die Steuerung ist Bestandteil eines übergeordneten Geräts wie einer industriellen Anlage oder eines medizinischen Geräts, in welche Diodentreiber und Laserdiode eingebaut sind. Derartige Steuerung verfügen überlicherweise über NotAus und Interlock-Kreise, welche unmittelbar auf die Optokoppler 26, 39 und 40 wirken. Mit dem NotAus kann im Störungsfall direkt vom Bediener das Gerat in einen sicheren Zustand gebracht werden. Der Interlock Kreis verbindet z. B. Turkontakte oder Fehlersignale von wichtigen Komponenten z. B. Kühlung. Wird also eine Schutztüre ohne vorherige Abschaltung des Gerats geoffnet, dann schaltet letztlich der Türkontakt uber die Optokoppler 26, 39 und 40 ab. Oder das Kühlsystem der Laserdiode fällt aus, dann muss die Laserdiode auch sofort abgeschaltet werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die von dem Laserdiodenstack 5 zur Verfugung gestellten Kontrollwerte wie Temperatur, Feuchtigkeits-, Monitordiodensignale und ggf. Kühlwasserfluss direkt in den Mikroprozessor 9 des Diodentreibermoduls eingehen. Diese Signale werden durch den Programmablauf des Mikroprozessors 9 des Diodentreibers dann ständig hinsichtlich ihrer Grenzwerte überwacht. Überschreitet mindestens ein Signal den voreingestellten oder fest programmierten Grenzwert erfolgt das sofortige Abschalten sicher uber den erfindungsgemaßen elektronischen Abschaltmechanismus. Speziell in diesem Fall würde ein mechanischer Shutter nicht hilfreich sein, da dieser nur die Laserstrahlung abblockt, aber die Stromzufuhr zum Laserdiodenstack 5 nicht unterbricht.
-
Um die Abschaltsicherheit des Diodentreibers zu erhöhen sind Mechanismen zum standigen Selbsttest der Schalter 3, 6, 16 und 17 vorgesehen. Diese sind im Diodentreiber uber mehrere Testschaltungen realisiert.
-
Um den Sicherheits-Längsschalter 16 zu testen ist diesem ein Spannungsmesser 44 nachgeschaltet, welcher zwischen dem Sicherheits-Längsschalter 16 und dem Längsschalter 3 eingreift und die Spannung gegenüber dem Ausgang 8 misst. Über diesen Spannungsmesser 44 kann die Sperreigenschaft des Sicherheits-Längsschalters 16 überprüft werden. So muss die Spannung am Spannungsmesser 44 bei geoffnetem Sicherheits-Längsschalter 16 auf Null zurückgehen. Um den schnellen Längsschalter 3 auch uberprufen zu können, wird zwischen den beiden Längsschaltern 3 und 16 eine Prufspannung uber einen dem Eingang 2 nachgeschalteten Vorwiderstand 45 angelegt. Dies geschieht in der Art, dass zwischen dem Vorwiderstand 45 und dem Ausgang 8 geschalteter Hilfstransistor 46 geöffnet wird und Strom über zwischen Vorwiderstand 45 und Spannungsmesser 44 angeordnete Diode 47 fließen kann. In diesem Testfall sind Entladeschalter 6 und Bypassschalter 17 im sicheren Zustand, d. h. sie sind statisch leitend angesteuert. Damit wurde im Fehlerfall des Längsschalters 3 der durch den Widerstand 45 begrenzte Prüfstrom abfließen und die zu messende Spannung wäre entsprechend gering. Sperrt der Langsschalter 3 sicher, kann kein Prüfstrom abfließen und die am Spannungsmesser 44 gemessene Spannung entspricht nahezu der Versorgungsspannung des Diodentreibers. Dieser Selbsttest, Anlegen eines Prufstroms, Öffnen des Sicherheits-Längsschalters 16 und Messen der durch diesen tretenden Spannung, zum Überprufen des Sicherheits-Längsschalters 16 und Längsschalter 3 wird immer dann durchgefuhrt, wenn der Laserdiodenstack 5 sicher ausgeschaltet ist. Misst der Spannungsmesser 44 im Testfall eine unzulässige Spannung, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben und die Einschaltmoglichkeit des Laserdiodenstacks 5 unterbunden. Der Prüfstrom durch den Widerstand 45 liegt weit unterhalb der Laseranregungsschwelle des Laserdiodenstacks 5 und kann selbst im ungunstigsten mehrfachen Fehlerfall oder im Einschalt- bzw. Ausschaltmoment nicht gefährlich werden.
-
Um Entladeschalter 6 und Bypassschalter 17 auf Funktionsfähigkeit zu testen ist dem Eingang 2 ein Vorwiderstand 48 nachgeschaltet, welcher als Hilfsstromquelle für die Schalter 6 und 17 dient. Dieser Vorwiderstand 48 ist auch so dimensioniert, dass der Strom der fur den Betrieb des Laserdiodenstacks 5 anzuschließenden Gleichspannungsquelle weit unter die Anregungsschwelle der Laserdiode begrenzt wird. Der Hilfsstrom dient dazu die Funktionalität von Entladeschalter 6 und Bypassschalter 17 bei nicht aktivem Laserdiodenstack 5 zu überprüfen. Hierzu wird mittels eines zwischen Vorwiderstand 48 und Ausgang 8 geschalteten Spannungsmessers 49 der parallel zu einem Hilfstransistor 50 geschaltet ist, die Spannung am Hilfstransistor 50 bei geoffnetem Zustand des Hilfstransistors 50 gemessen. Bei geschlossenem Zustand von Entladeschalter 6 und/oder Bypassschalter 17 fließt der Hilfsstrom durch den Vorwiderstand 48 über die zwischen Vorwiderstand 48 und Entladeschalter 6 geschaltete Diode 51 nach Masse ab. Die Dioden 47 und 51 sind als Klemm- oder Schaltdioden ausgebildet. Über den Spannungsmesser 49 wertet der steuernde Mikroprozessor 9 die Funktionsfähigkeit der Schalter 6 und 17 aus. Ist mindestens einer der beiden Schalter 6 oder 17 geschlossen, dann ist nur noch die Flussspannung der Diode 51 messbar. Im Fehlerfall, also wenn keiner der Schalter 6 und 17 schließt, liegt die volle Eingangsspannung an dem Spannungsmesser 49 an. Um einen noch genauerer Funktionstest von Entladeschalter 6 und Bypassschalter 17 durchzuführen kann folgender Programmablauf realisiert werden: Im sicheren Zustand, d. h. wenn die beiden Langsschalter 3 und 16 geoffnet sind und bereits durch die oben beschriebene Prüfung der Längsschalter 3 und 16 deren Funktionsfähigkeit sichergestellt ist, werden Entladeschalter 6 und Bypassschalter 17 und der Hilfstransistor 50 abgeschaltet. Mit Spannungsmesser 49 wird nahezu die volle Eingangsspannung gemessen. Danach erfolgt das Einschalten des Entladeschalters 6 und der Spannungsmesser 49 muss nahezu Null anzeigen. Anschließend wird der Entladeschalter 6 abgeschaltet, der Spannungsmesser 49 muss wieder nahezu Eingangsspannung zeigen. Dann erfolgt in gleicher Weise mit Messung das Ein-/Ausschalten des Bypassschalters 17 der über die Drossel 4 parallel zum Entladeschalter 6 liegt. Da die Induktivitat der Drossel 4 sehr klein ist, hat diese keinen Einfluss auf die Messung. Danach werden sicherheitshalber beide Schalter 6 und 17 wieder eingeschaltet. Wenn die Spannungen in der beschriebenen Weise gemessen wurden, sind beide Schalter 6 und 17 auf Funktion geprüft. Dieser Test wird sinnvoller Weise vor dem Übergang aus dem sicheren Zustand in den Betriebsmodus des Laserdiodenstacks 5 durchgefuhrt. Weichen die Spannungsmesswerte von den vorgegeben (programmierten) Werten ab, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben und die Einschaltmöglichkeit des Laserdiodenstacks 5 unterbunden.
-
Um alle Vorgänge innerhalb des Diodentreibers und des Laserdiodenmoduls 503 transparent zu machen, sind am Mikroprozessor 9 mehrere in der 1 gezeigten Optokoppler 62 vorgesehen, welche als Ausgange des Mikroprozessors 9 unter Anderem die Zustände der Schalter 3, 6, 16 und 17 sowie Fehler derselben anzeigen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Abwärtswandlerschaltung
- 2
- Eingang
- 3
- Längsschalter
- 4
- Drossel
- 5
- Laserdiodenstack
- 6
- Entladeschalter
- 7
- Eingangskondensator
- 8
- Ausgang
- 9
- Mikroprozessor
- 10
- Messwiderstand
- 11
- Verstärker
- 12
- Komparator
- 13
- Fehler Flipflop
- 14
- Messwiderstand
- 15
- Verstärker
- 16
- Sicherheits-Längsschalter
- 17
- Bypassschalter
- 18
- Laserdiodeneingang
- 19
- Laserdiodeneingang
- 20
- Oder-Gatter
- 21
- Oder-Gatter
- 22
- Treiber
- 23
- Treiber
- 24
- Und-Gatter
- 25
- Treiber
- 26
- Optokoppler
- 27
- Inverter
- 28
- Transformator
- 29
- Transformator
- 30
- Hilfstransistor
- 31
- Widerstand
- 32
- Primärwicklung
- 33
- Mittlere Wicklung
- 34
- Wicklung
- 35
- Gleichrichter-Dioden
- 36
- Gleichrichter-Dioden
- 37
- Transistor
- 38
- Transistor
- 39
- Optokoppler
- 40
- Optokoppler
- 41
- Widerstand
- 42
- Widerstand
- 43
- Hilfstransistor
- 44
- Spannungsmesser
- 45
- Vorwiderstand
- 46
- Hilfstransistor
- 47
- Diode
- 48
- Vorwiderstand
- 49
- Spannungsmesser
- 50
- Hilfstransistor
- 51
- Diode
