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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen und mit einer Pumplichtquelle zum optischen Pumpen der Lasereinrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine einfache und zuverlässige Diagnose des Betriebs der Laserzündeinrichtung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird bei der Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Photodiodenanordnung im Bereich einer optischen Verbindung zwischen der Pumplichtquelle und der Lasereinrichtung so angeordnet ist, dass sowohl von der Pumplichtquelle erzeugte Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung erzeugte Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise auf eine Photodiode der Photodiodenanordnung einstrahlbar ist. Dadurch ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, sowohl die von der Lasereinrichtung erzeugten Laserzündimpulse als auch die von Pumplichtquelle bereitgestellte Pumpstrahlung zu überwachen.
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Eine besonders kleinbauende Variante der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist dadurch angegeben, dass die Photodiode im Bereich eines optischen Anschlusses der Pumplichtquelle oder der Lasereinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise kann die Photodiode auch direkt in die betreffenden Komponenten integriert sein.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist vorgesehen, dass die optische Verbindung zwischen der Pumplichtquelle und der Lasereinrichtung einen optischen Querschnittswandler aufweist, und dass die Photodiode im Bereich des Querschnittwandlers angeordnet ist, vorzugsweise direkt an dem Querschnittswandler. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass im Bereich des Querschnittswandlers vorteilhaft sowohl Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung erzeugte Laserimpulse zumindest in Form von Streulicht aus dem Querschnittswandler austreten, so dass sie besonders effizient und einfach mit einer Photodiode erfasst werden können.
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Eine besonders präzise Auswertung der von der Lasereinrichtung erzeugten Laserzündimpulse ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dadurch gegeben, dass die Photodiodenanordnung einen Hochpassfilter und/oder einen Bandpassfilter zur Filterung eines Ausgangssignals der Photodiode aufweist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei geeigneter Wahl der unteren Grenzfrequenz des Hochpassfilters bzw. des Bandpassfilters erreicht werden kann, dass üblicherweise verhältnismäßig niederfrequente Anteile des elektrischen Ausgangssignals der Photodiode, die auf eingestrahlte Pumpstrahlungsanteile zurückzuführen sind, nicht bereits zu einer Vorsättigung der Photodiode führen, wodurch die Auswertbarkeit der verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die sich infolge der Einstrahlung der Laserzündimpulse auf die Photodiode ergeben, sichergestellt ist.
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Eine besonders einfache Schaltungskonfiguration ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante dadurch gegeben, dass ein induktives Element parallel zu der Photodiode und einem ohmschen Lastwiderstand geschaltet ist. Bei geeigneter Wahl der Induktivität des induktiven Elements, das beispielsweise als herkömmliche Spule ausgebildet sein kann, können bevorzugt die störenden niederfrequenten Pumplichtanteile eines elektrischen Ausgangssignals der Photodiode kurzgeschlossen werden, so dass diese nicht zur Vorsättigung der Photodiode beitragen können. Höherfrequente Anteile des Photodiodenausgangssignals, die durch die Laserzündimpulse bedingt sind, erzeugen demgegenüber jedoch einen größeren Spannungsabfall an der Parallelschaltung von induktivem Element und Lastwiderstand und sind demnach vorteilhaft präzise auswertbar.
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Das induktive Element ist entsprechend den verwendeten Signalfrequenzen für die Pumpstrahlung und die Laserzündimpulse der Lasereinrichtung so auszuwählen, dass die Frequenzanteile der Pumpstrahlung überwiegend von dem Hochpassfilter bzw. Bandpassfilter kurzgeschlossen werden, so dass sich keine unerwünschte Vorsättigung der Photodiode durch die Pumpstrahlung ergibt. Typischerweise können Signalanteile des elektrischen Ausgangssignals der Photodiode, die auf die Einstrahlung von Pumplicht zurückgehen, im Bereich von etwa 100 kHz liegen, während solche Signalanteile des elektrischen Ausgangssignals der Photodiode, die auf die Einstrahlung von Laserzündimpulsen der Lasereinrichtung zurückgehen, im Bereich von etwa 1 GHz liegen.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist eine Serienschaltung aus mindestens einem induktiven Element und mindestens einem Ohmschen Widerstand parallel zu der Photodiode geschaltet. Durch eine geeignete Auswahl des Ohmschen Widerstands dieser Serienschaltung kann erreicht werden, dass die zur Vorsättigung der Photodiode beitragenden, verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile des Photodiodenausgangssignals nicht komplett kurzgeschlossen werden. Dadurch ist durch eine der Photodiodenanordnung nachgeordnete Auswerteschaltung auch die Auswertung der Pumpstrahlung möglich, beispielsweise eine Überprüfung auf das Vorhandensein der Pumpstrahlung. Der Ohmsche Widerstand der Serienschaltung ist nicht zu groß zu wählen, damit die Photodiode nicht bereits durch die Spektralanteile der Pumpstrahlung in einen Sättigungszustand übergeht.
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Eine weitere vorteilhafte Erfindungsvariante sieht vor, dass eine erste Serienschaltung aus mindestens einem induktiven Element und mindestens einem Schalter und mindestens eine zweite Serienschaltung aus mindestens einem Ohmsche Widerstand und mindestens einem Schalter jeweils parallel zu der Photodiode geschaltet ist. Mit dieser Schaltungsanordnung kann die Filtercharakteristik der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung verändert werden.
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Beispielsweise kann während des optischen Pumpens der Lasereinrichtung die zweite Serienschaltung durch das Schließen des Schalters der zweiten Serienschaltung aktiv geschaltet werden, so dass parallel zu der Photodiode der Ohmsche Widerstand der zweiten Serienschaltung anliegt. Hierdurch kann an dem Ohmschen Widerstand ein Spannungswert, der proportional zur optischen Pumpleistung der Pumplichtquelle ist, erfasst werden. Anschließend, beispielsweise eine definierte Zeit vor dem geschätzten Auftreten der Erzeugung eines Laserzündimpulses durch die Lasereinrichtung, kann die zweite Serienschaltung durch Öffnen des in ihr enthaltenen Schalters deaktiviert werden, während gleichzeitig der Schalter der ersten Serienschaltung geschlossen wird, um durch die vorstehend bereits mehrfach beschriebene Hochpasscharakteristik der eine Induktivität aufweisenden ersten Serienschaltung eine besonders präzise Erfassung des Laserzündimpulses zu ermöglichen.
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Ein Lastwiderstand ist ebenfalls parallel zu der Photodiode geschaltet. Der Lastwiderstand wandelt den von der Photodiode erzeugten Strom in eine Spannung um, die beispielsweise durch ein Steuergerät der Laserzündeinrichtung messtechnisch erfassbar ist. Der Lastwiderstand stellt typischerweise einen Innenwiderstand einer entsprechenden Messeinrichtung des Steuergeräts dar, kann jedoch auch in diskreter Form, insbesondere in der Nähe der Photodiode, ausgeführt sein.
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Der Lastwiderstand sowie die Induktionswerte der induktiven Elemente und gegebenenfalls weiterer Ohmscher Widerstände der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung sind in an sich bekannter Weise derart anzupassen, dass eine gewünschte Filtercharakteristik erzielt wird. Überdies ist der Lastwiderstand einerseits niedrig genug zu wählen, dass die Schaltung in Verbindung mit der Kapazität der Photodiode (Tiefpass) schnell genug ist, den Zündlaserimpuls zu erfassen. Andererseits ist der Lastwiderstand groß genug zu wählen, dass ein ausreichender Spannungspegel für eine verlässliche Detektion erzeugt wird. Bevorzugte Werte für den Lastwiderstand liegen im Bereich von 50 Ω bis 2 kΩ.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist vorgesehen, dass mindestens ein induktives Element der Photodiodenanordnung entfernt von der Photodiode angeordnet ist. Beispielsweise kann das induktive Element und/oder mindestens eine Serienschaltung, z. B. aufweisend Schalter, induktive Elemente oder Ohwiderstände, in einem Steuergerät der Laserzündeinrichtung angeordnet sein, während allein die Photodiode direkt im Bereich der optischen Verbindung beziehungsweise des optischen Querschnittwandlers angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung ist einer weiteren Ausführungsform zufolge dazu ausgebildet, die Photodiode ohne eine Vorspannung zu betreiben, wodurch sich eine Schaltungsanordnung mit besonders geringer Komplexität ergibt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Hochpassanordnung kann dennoch eine Vorsättigung der Photodiode durch die Beaufschlagung mit Pumplicht vermieden werden, so dass auch Laserzündimpulse gut detektierbar sind.
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Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12 angegeben.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, der Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, der Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In der Zeichnung zeigt:
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1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung,
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2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung,
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3a, 3b, 3c jeweils unterschiedliche Schaltungsanordnungen einer erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung, und
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4a–4d jeweils unterschiedliche Zeitverläufe elektrischer Betriebsgrößen gemäß weiterer Ausführungsformen.
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Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
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In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 280 mit Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Laser-Steuergerät 32 gesteuert. Die Pumplichtquelle 30 kann beispielsweise Halbleiter-Diodenlaser zur Erzeugung des Pumplichts aufweisen. Das Laser-Steuergerät 32 steht über eine in 1 als gestrichelte Linie angedeutete und nicht näher bezeichnete Kommunikationsleitung mit einem Motor-Steuergerät 33 in Verbindung. Das Motor-Steuergerät 33 steuert den Injektor 18 an. Optional können das Laser- und Motor-Steuergerät in eine Steuereinheit integriert sein.
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Die Lasereinrichtung 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper (nicht gezeigt) mit einer passiven Güteschaltung auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel und einem Auskoppelspiegel einen optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht, welches insbesondere longitudinal in den optischen Resonator eingestrahlt wird, erzeugt die Lasereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik auf einen in dem Brennraum 14 befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in einem Gehäuse der Lasereinrichtung 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein Brennraumfenster von dem Brennraum 14 getrennt. Als laseraktiver Festkörper wird bevorzugt ein Neodym- oder Ytterbium-dotiertes Material verwendet.
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Erfindungsgemäß ist eine Photodiodenanordnung 270 vorgesehen, die im Bereich der optischen Verbindung 280 zwischen der Pumplichtquelle 30 und der Lasereinrichtung 26 so angeordnet ist, dass sowohl von der Pumplichtquelle 30 erzeugte Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung 26 erzeugte Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise eine Photodiode 271 (2) der Photodiodenanordnung 270 einstrahlbar ist.
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Dadurch kann vorteilhaft ein Betrieb der Pumplichtquelle 30 und/oder der Lasereinrichtung 26 überwacht werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 eine Umwandlung der betreffenden optischen Signale in ein elektrisches Ausgangssignal vornehmen, das durch die Steuereinrichtung 32 in an sich bekannter Weise auswertbar ist.
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Eine konstruktiv besonders wenig aufwendige Erfindungsvariante ist dadurch gegeben, dass die Photodiode 271 im Bereich eines optischen Anschlusses der Pumplichtquelle 30 oder der Lasereinrichtung 26 angeordnet ist. Die Photodiode 271 ist über elektrische Verbindungsleitungen 271a mit dem Laser-Steuergerät 32 verbunden.
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2 zeigt eine weitere Erfindungsvariante, bei der die optische Verbindung 280 zwischen der Lasereinrichtung 26 und der Pumplichtquelle 30 mittels eines Bündels 282 aus Lichtleitfasern 282a realisiert ist. Die optische Verbindung 280 verfügt ferner über einen optischen Querschnittswandler 281, der eine Anpassung des Querschnitts der mehreren Lichtleitfasern 282a in an sich bekannter Weise an eine Halbleiterlaser-Diodenanordnung 31 der Pumplichtquelle 30 vornimmt. Der Querschnittswandler 281 setzt den im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt der gebündelten Lichtleitfasern 282a wie aus 2 ersichtlich in eine im Wesentlichen rechteckförmige beziehungsweise lineare Anordnung um, so dass die einzelnen Lichtleitfasern 282a vorteilhaft jeweils unterschiedlichen Emittern des Haltleiterdiodenlasers 31, insbesondere Halbleiterdiodenlaser-Barren, gegenüberliegen.
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2 zeigt hierzu auch einen Schnitt durch den Querschnittswandler 281 entlang der Linie A-A'.
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Die Photodiode 271 der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung 270 ist bei dieser Erfindungsvariante vorteilhaft direkt auf dem optischen Querschnittswandler 281 angeordnet, so dass sie in dem Querschnittswandler 281 gestreutes Licht aufnehmen kann. Das in dem Querschnittswandler 281 gestreute Licht enthält Untersuchungen der Anmelderin zufolge sowohl Anteile des von der Pumplichtquelle 30 bereitgestellten Pumplichts als auch Anteile der von der Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserzündimpulse 24, wobei die Intensität des gestreuten Pumplichts typischerweise deutlich größer als die Intensität der gestreuten Laserzündimpulse ist.
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3a zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung 270 mit der Photodiode 271, bei der es sich beispielsweise um eine PIN(positive intrinsic negative)-Diode handeln kann. Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 verfügt über ein induktives Element L, das wie aus 3a ersichtlich parallel zu der Photodiode 271 geschaltet ist, wodurch sich eine Hochpassfilterkonfiguration ergibt. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass diese Schaltungsanordnung vorteilhaft solche Signalanteile des Photodiodenausgangssignals (Photodiodenstrom) kurzschließt, die verhältnismäßig niedrige Frequenzanteile haben, während höherfrequente Signalanteile des Photodiodenstroms nicht kurzgeschlossen werden. Dadurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass die Photodiode 271 bereits durch alleinige Beaufschlagung mit dem Pumplicht in eine Vorsättigung gerät, die nachteilig dazu führen könnte, dass der üblicherweise zeitlich der Pumplichtbestrahlung nachfolgende Laserzündimpuls 24 gar nicht mehr detektiert werden kann. Das induktive Element L verhindert demnach einerseits die Vorsättigung der Photodiode 271 durch die verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht in der Photodiode 271 erzeugt werden. Andererseits ergibt sich für die verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die durch die im Nanosekundenbereich liegenden Laserzündimpulse 24 bewirkt werden, ein entsprechender gut auswertbarer Spannungsabfall an der Parallelschaltung von induktivem Element L und Lastwiderstand RL. Parasitäre ohmsche Leitungswiderstände innerhalb des induktiven Elements L (Spule) lassen sich nicht komplett vermeiden. Erfindungsgemäß bevorzugt sind Leitungswiderstände unterhalb von 10 mΩ.
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Der Lastwiderstand RL muss nicht notwendig als separates, diskretes Bauelement ausgebildet werden, sondern kann in an sich bekannter Weise beispielsweise bereits in einer Eingangsstufe des Steuergeräts 32 enthalten sein, die eine Auswertung der von der Photodiode 271 erzeugten elektrischen Signale realisiert. Der Lastwiderstand RL kann auch als Eingangsimpedanz einer solchen Eingangsstufe aufgefasst werden.
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3b zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung 270, bei der eine Serienschaltung SS1 aus einer ersten Induktivität L1 und einem ersten Ohmschen Widerstand R1 gegeben ist. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß 3a weist die Serienschaltung SS1 nicht nur rein induktiven Charakter auf, so dass auch die primär durch die induktive Komponente L1 der Serienschaltung SS1 kurzgeschlossenen, verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht in der Photodiode 271 hervorgerufen werden, zu einem entsprechenden Spannungsabfall an dem Ohmschen Widerstand R1 führen und damit ebenfalls durch das Steuergerät 32 detektierbar sind. Das bedeutet, bei der Konfiguration gemäß 3b kann durch die Auswertung der an dem Lastwiderstand RL abfallenden Spannung sowohl auf das Vorhandensein von Pumplicht als auch auf das Vorhandensein von Laserstrahlung, die mit den durch die Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserzündimpulsen 24 korrespondiert, geschlossen werden.
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Der Ohmsche Widerstand R1 der Serienschaltung SS1 ist vorteilhaft so zu wählen, dass die durch das Pumplicht erzeugten Signalanteile nach wie vor überwiegend kurzgeschlossen werden, das heißt nur ein geringer Teil der niederfrequenten Signalanteile erfassbar ist, um die beschriebene Vorsättigung der Photodiode 271 zu vermeiden.
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3c zeigt eine weitere Photodiodenanordnung 270, bei der zwei Serienschaltungen SS1, SS2 parallel zu der Photodiode 271 geschaltet sind.
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Die erste Serienschaltung SS1 weist einen Schalter S1 und ein induktives Element L1 auf, während die zweite Serienschaltung einen zweiten Schalter S2 und einen hierzu in Serie angeordneten Ohmschen Widerstand R2 aufweist. Die Schalter S1, S2 können beispielsweise als Transistor ausgebildet sein, wobei die jeweiligen Transistoren von dem Laser-Steuergerät 32 gesteuert werden können. Bevorzugt werden als Schalter S1, S2 MOSFETS eingesetzt, die einerseits kostengünstig und andererseits im Durchlassbetrieb niederohmig sind.
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Die Photodiodenanordnung 270 gemäß 3c ist besonders vorteilhaft hinsichtlich ihrer Filtercharakteristik konfigurierbar. Beispielsweise kann in einer ersten Betriebsart während eines Pumpvorganges, bei der die Lasereinrichtung 26 mittels des durch die Pumplichtquelle 30 bereitgestellten Pumplichts optisch gepumpt wird, der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen sein, so dass sich insgesamt eine verhältnismäßig niederohmige Anordnung durch die Ohmschen Widerstände R2, RL ergibt. Diese niederohmige Anordnung ermöglicht vorteilhaft die Vermeidung einer Sättigung der Photodiode 271 bereits allein durch die Pumplichtsignalanteile.
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Dennoch kann ein an den Ohmschen Widerständen R2, RL auftretender Spannungsabfall ausgewertet werden, der Aufschluss über die Intensität des Pumplichts beziehungsweise überhaupt des Vorhandensein des Pumplichts gibt.
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In einer zweiten Betriebsart wird der zweite Schalter S2 geöffnet und der erste Schalter S1 geschlossen. Diese Konfiguration entspricht im Wesentlichen der Schaltungsanordnung gemäß 3a und ermöglicht durch die Hochpasscharakteristik, die durch das induktive Element L1 bedingt wird, vorteilhaft eine Filterung der Ausgangssignale der Photodiode 271 dahingehend, dass nur die verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die durch die Laserzündimpulse 24 der Lasereinrichtung 26 hervorgerufen werden, an dem Lastwiderstand RL abfallen, während die verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht bedingt werden, wie bereits beschrieben durch das induktive Element L1 der ersten Serienschaltung SS1 kurzgeschlossen werden, damit sie nicht zu der unerwünschten Vorsättigung der Photodiode 271 führen.
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Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt vorteilhaft hinreichend früh vor einem erwarteten Zündzeitpunkt, zu dem die Lasereinrichtung 26 den Laserzündimpuls 24 erzeugt. Die Umschaltung sollte insbesondere so rechtzeitig vor dem erwarteten Zündzeitpunkt erfolgen, dass die Hochpassfilteranordnung der Photodiodenanordnung 270 noch einschwingen und eventuell in dem P-N-Übergang der Photodiode 271 gespeicherte Ladungsträger abbauen kann, damit eine maximale Empfindlichkeit der Photodiode 271 zur Detektion des Laserzündimpulses 24 gewährleistet ist.
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In einer dritten Betriebsart wird der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 geöffnet, so dass nur noch der Lastwiderstand RL vom Photodiodenstrom durchflossen wird. Wenn RL größer als R2 ist, lässt sich in dieser Betriebsart ein im Vergleich zur ersten Betriebsart vergrößerter Gesamtwiderstand realisieren, der eine Detektion von relativ schwachen optischen Signalen erlaubt. So kann beispielsweise das relativ schwache Fluoreszenz-Signal des laseraktiven Festkörpers nach Abschaltung des Pumplichtes detektiert werden. Hierbei ist das Ziel des Pumpvorganges lediglich die Erzeugung einer Besetzungsinversion im laseraktiven Festkörper zur Fluoreszenz-Erzeugung, ohne dass ein Zündlicht-Puls durch den passiven Güteschalter ausgelöst wird.
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Die Induktionswerte des induktiven Elements L sind bevorzugt ausgewählt aus dem Bereich von etwa 0,5 μH (Mikrohenry) bis etwa 20 μH, wobei ein Wert von etwa 5 μH besonders bevorzugt ist. In diesem Fall ist eine besonders effiziente Detektion der Laserzündimpulse 24 durch die Photodiodenanordnung 270 gegeben.
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Nachstehend sind unter Bezugnahme auf die 4a bis 4d weitere Ausführungsformen beschrieben.
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Die gestrichelte Linie Upd in 4a zeigt einen zeitlichen Verlauf der Photodioden-Spannung, wie er sich gänzlich ohne die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Filterung ergibt. Derselbe zeitliche Verlauf ist auch in den 4b und 4c aufgetragen. Eine Messung des Zündzeitpunktes ist hiermit folglich nicht möglich.
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Die durchgezogene Linie Uf in 4a zeigt demgegenüber die Photodioden-Spannung bei Parallelschaltung einer Spule L gemäß 3a. Eine Messung des Zündzeitpunkts T2, zu dem der Laserzündimpuls 24 abgegeben wird, ist z. B. unter Verwendung einer Trigger- oder Interrupt-Einheit des Laser-Steuergeräts 32 möglich, die den erfindungsgemäß gefilterten Zeitverlauf Uf (durchgezogene Linie in 4a auswertet und das scharf abgegrenzte lokale Maximum M zu dem Zeitpunkt T2 erkennt.
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Das Bezugszeichen T1 in 4a gibt den Anschaltzeitpunkt der Pumplichtquelle wieder. Unmittelbar nach T1 ist das Einschwingen des Hochpasses gemäß 3a erkennbar in dem gefilterten Spannungsverlauf Uf. Wie bereits beschrieben, repräsentiert T2 den Zündzeitpunkt. T3 gibt den Abschaltzeitpunkt der Pumplichtquelle an. Nach T3 ist das Ausschwingen des Hochpasses gemäß 3a erkennbar.
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4b zeigt einen Zeitverlauf der gefilterten Photodioden-Spannung Uf, wie er sich bei Parallelschaltung einer Serienschaltung aus Spule L1 und nierohmigem Widerstand R1 gemäß 3b ergibt. TS1 gibt den Start-Zeitpunkt für eine Messwert-Abtastung (Sampling) an, während TS2 den Stop-Zeitpunkt für die Messwert-Abtastung definiert. In dem Zeitfenster (TS1; TS2) werden >= 1 Messwerte erfasst, aus denen auf die Anwesenheit von Pumplicht geschlossen werden kann. Ein mit dem Auftreten des Laserzündimpulses 24 korrespondierendes lokales Maximum zu der Zeit T2 ist ebenfalls aus dem Verlauf Uf detektierbar.
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4c zeigt den Zeitverlauf der gefilterten Photodioden-Spannung Uf, wie er sich bei Verwendung einer Schaltung gemäß 3c ergibt. Eine erste Betriebsart wird in dem Zeitintervall von T1 bis TU1 eingestellt, nämlich eine Messwert-Abtastung in Sample-Fenster (TS1; TS2). Bei dieser ersten Betriebsart ist Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geschlossen, so dass aus dem Verlauf Uf vorteilhaft auf die Anwesenheit von Pumpstrahlung geschlossen werden kann, mithin eine Diagnose des Pumpvorgangs ermöglicht ist.
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Eine zweite Betriebsart wird von TU1 bis T3 eingestellt, in der die Messung des Zündzeitpunkts T2 erfolgt. Bei dieser zweiten Betriebsart ist Schalter S2 geöffnet und Schalter S1 geschlossen, so dass das lokale Maximum M zur Zeit T2 besonders sicher aus dem Verlauf Uf detektierbar ist.
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Der Zeitpunkt TU1 repräsentiert hierbei einen Umschaltzeitpunkt, d. h. Schließen von S1 und Öffnen von S2. Nach dem Umschalten ist ein Einschwingen des Hochpass-Filters (3c) erkennbar, vgl. die Schwankungen im Zeitverlauf Uf unmittelbar nach TU1.
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4d zeigt, wiederum in Form einer durchgezogenen Linie Uf, den Zeitverlauf der Photodioden-Spannung bei Verwendung einer Schaltung gemäß 3c) des Anmeldungsentwurfs. Vorliegend soll ein von der Lasereinrichtung 26 erzeugtes Fluoreszenz-Signal erfasst werden.
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Hierzu erfolgt in einer ersten Betriebsart von T1 bis T3 eine Messwert-Abtastung des Zeitverlaufs Uf, wie er sich aufgrund des optischen Pumpens ergibt, in dem Sample-Fenster TS1 bis TS2. Schalter S1 (3c) ist geöffnet und Schalter S2 ist geschlossen.
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Danach, in einer dritten Betriebsart für Zeitpunkte t > TU2, in der Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geöffnet ist, erfolgt eine Messwert-Abtastung für die Fluoreszenz-Messung in dem Sample-Fenster TS3 bis TS4 mit >= 1 Messwert. Während der dritten Betriebsart ab TU2 erfolgt kein optisches Pumpen mehr, da hierdurch die Erfassung des Fluoreszenz-Signals erschwert bzw. unmöglich gemacht würde. Es muss nur bis T3 gepumpt werden, um den Laser zur Fluoreszenz anzuregen.
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Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 erlaubt vorteilhaft eine Auswertung der Laserzündimpulse 24, des Pumplichts der Pumplichtquelle 30 und/oder des Fluoreszenzlichts der Lasereinrichtung, ohne dass aufgrund einer Vorsättigung der Photodiode 271 durch die Signalanteile des Pumplichts die Auswertung der Laserzündimpulse 24 beeinträchtigt ist. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die in die Photodiode eingestrahlte Pumplicht-Leistung deutlich größer als die entsprechende Zündlicht-Leistung bzw. Fluoreszenzlicht-Leistung ist.
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Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung kann besonders flexibel auch in unterschiedliche bauliche Gruppen aufgeteilt werden, wobei beispielsweise allein die Photodiode 271 im Bereich der optischen Verbindung 280 (1) beziehungsweise des optischen Querschnittwandlers 281 (2) vorgesehen ist, während die restlichen Komponenten L, L1, RL, SS1, SS2 von der optischen Verbindung 280 beziehungsweise dem Querschnittswandler 281 entfernt angeordnet sind, beispielsweise integriert in das Steuergerät 32.
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Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung ist einer weiteren Ausführungsform zufolge dazu ausgebildet, die Photodiode 271 ohne eine Vorspannung zu betreiben, wodurch sich eine Schaltungsanordnung mit besonders geringer Komplexität ergibt, vgl. 3a, 3b, 3c. Aufgrund der erfindungsgemäßen Hochpassanordnung kann dennoch eine Vorsättigung der Photodiode 271 durch die Beaufschlagung mit Pumplicht vermieden werden, so dass auch verhältnismäßig kurze Laserzündimpulse 24 gut detektierbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007044011 A1 [0002]
