DE102011112455A1 - Method for supplying power to LED in e.g. camera for image processing system, involves controlling output voltage of switching regulator by measured voltage drop as feedback signal during measuring period - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektronische Schaltung zur Stromversorgung für eine gepulste Beleuchtungsquelle, insbesondere für ein Bildverarbeitungssystem mit einer gepulsten LED-Beleuchtung.The invention relates to a method and an electronic circuit for power supply for a pulsed illumination source, in particular for an image processing system with a pulsed LED illumination.
In der industriellen Bildverarbeitung wird zur Beleuchtung häufig eine gepulste Lichtquelle, oft auch Stroboskop oder stroboskopische Lichtquelle genannt, eingesetzt. Bei Belichtungszeiten der Bildsensoren von typischerweise 1 Millisekunde und darunter und Bildfolgezeiten von typisch mehreren 10 bis 100 Millisekunden ergibt sich eine Reihe von Vorteilen, wie bessere Energieausnutzung, geringerer Leistungsaufnahme, geringere Wärmeentwicklung, höhere Lebensdauer der Lichtquelle, während der Pulsdauer höhere Lichtleistung, kompaktere Bauform usw. Beispielsweise beträgt bei einer typischen Dimensionierung der periodischen Beleuchtungsblitze mit einer Länge von 41 μsec und einer Impulsfrequenz von 2,4 kHz bei Verwendung einer LED-Beleuchtung der Energieverbrauch nur 10% im Vergleich zum Dauerlicht. Die Verlustwärme der Beleuchtung sinkt und ihre Lebensdauer steigt entsprechend.In industrial image processing, a pulsed light source, often called a stroboscope or stroboscopic light source, is often used for illumination. With exposure times of the image sensors of typically 1 millisecond and below and image repetition times of typically several 10 to 100 milliseconds, there are a number of advantages, such as better energy efficiency, lower power consumption, lower heat generation, longer life of the light source, during the pulse duration higher light output, more compact design, etc For example, in a typical dimensioning of the periodic illumination flashes with a length of 41 μsec and a pulse frequency of 2.4 kHz using LED lighting, the energy consumption is only 10% compared to the continuous light. The heat loss of the lighting drops and its life increases accordingly.
Beispielsweise wird in der
Als Blitzlichtquelle für stroboskopische Beleuchtungen können verschiedenste Lichtquellen in Betracht kommen. Bevorzugt werden die Beleuchtungsblitze mittels einer LED als Blitzlichtquelle erzeugt, die vorzugsweise stromgesteuert oder stromgeregelt sein kann.As a flash source for stroboscopic lighting, a variety of light sources can be considered. Preferably, the illumination flashes are generated by means of an LED as a flash light source, which may preferably be current-controlled or current-controlled.
Um den Lichtstrom während eines Blitzes möglichst konstant zu halten, unabhängig von Exemplarstreuungen und von anderen Parametern wie der Temperatur, wird nach dem Stand der Technik in der Regel von einer Stromregelung des durch die LEDs fließenden Stroms mittels eines Transistors (Bipolartransistor oder Feldeffekttransistor) Gebrauch gemacht.In order to keep the luminous flux as constant as possible during a flash, regardless of specimen scatters and other parameters such as temperature, the prior art usually makes use of current regulation of the current flowing through the LEDs by means of a transistor (bipolar transistor or field effect transistor) ,
Modernere Leuchtdioden, die für Beleuchtungszwecke angeboten werden, haben mittlerweile Leistungsaufnahmen von 3 W, 5 W, 10 W und als Mehrfachelemente, d. h. mit mehrere in Reihe und/oder parallel betriebenen Leuchtdioden, teilweise bis zu 30 W. Hauptsächlich wegen der Exemplarstreuungen und der Temperaturdrift der LEDs muss sicherheitshalber mit einer beträchtlich höheren als der nominal notwendigen Versorgungsspannung für die LEDs gearbeitet werden, damit die so aufgebaute Stromregelung trotz der Bauteiltoleranzen funktioniert. Die aus diesem Grund erhöhte Versorgungsspannung führt jedoch zu teilweise beträchtlicher Verlustleistung am Transistor.More modern light-emitting diodes now have power consumption of 3 W, 5 W, 10 W and as multiple elements, ie. H. with several in series and / or parallel operated light-emitting diodes, sometimes up to 30 W. Mainly because of the specimen scattering and the temperature drift of the LEDs must be used for safety with a considerably higher than nominally necessary supply voltage for the LEDs, so that the current control thus constructed despite the Component tolerances works. The increased supply voltage for this reason, however, leads to considerable power dissipation on the transistor.
Als Alternative gibt es eine Reihe von integrierten Schaltungen, mit denen Schaltregler mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad aufgebaut werden können. Diese Schaltungen besitzen ebenfalls eine Stromregelung für die LEDs. Bei Leuchtdioden ist ein Pulsbreiten-(PWM)-Verfahren zur Helligkeitsregelung bekannt, das mit periodischen Impulsen arbeitet. Ein integrierter Baustein, mit dem ein solches Verfahren realisiert werden kann, ist z. B. der LM3402 von National Semiconductor.As an alternative, there are a number of integrated circuits that can be used to build switching regulators with significantly better efficiency. These circuits also have a current control for the LEDs. In light emitting diodes a pulse width (PWM) method for brightness control is known, which works with periodic pulses. An integrated module with which such a method can be realized is, for. For example, the LM3402 from National Semiconductor.
Der Nachteil dieser Schaltungen besteht darin, dass wegen der Verwendung einer Spule (Speicherdrossel) und eines Kondensators am Ausgang des Schaltreglers der für die LED zur Verfügung stehende Strom für die Anwendung als Pulsbeleuchtung nicht genügend schnell aufgebaut werden kann. Wird auf den Kondensator verzichtet, arbeiten die Schaltungen schneller, weisen aber dafür eine unerwünschte Stromwelligkeit und somit keine konstante Beleuchtungsstärke auf.The disadvantage of these circuits is that because of the use of a coil (storage choke) and a capacitor at the output of the switching regulator of the current available for the LED current for the application as pulse lighting can not be built up fast enough. If the capacitor is dispensed with, the circuits work faster, but have an unwanted current ripple and therefore no constant illuminance.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende elektronische Schaltung zur Stromversorgung für eine gepulste Beleuchtungsquelle, insbesondere für ein Bildverarbeitungssystem mit einer gepulsten LED-Beleuchtung, zu schaffen, das sich als Stroboskop für die Bildverarbeitung eignet. Die Beleuchtungsquellen sollen im Bereich von wenigen Mikrosekunden bis zu einigen Sekunden pulsförmig ansteuerbar sein. Der Strom durch die Beleuchtungsquellen soll möglichst konstant geregelt für die gesamte Pulsdauer sein. Darüber hinaus soll die gesamte Schaltung einer entsprechenden elektronischen Schaltung eine möglichst geringe eigene Verlustleistung aufweisen.Based on this prior art, the present invention has the object to provide a method and a corresponding electronic circuit for powering a pulsed illumination source, in particular for an image processing system with a pulsed LED illumination, which is suitable as a stroboscope for image processing , The illumination sources should be able to be pulsed in the range of a few microseconds to a few seconds. The current through the illumination sources should be as constant as possible for the entire pulse duration. In addition, the entire circuit of a corresponding electronic circuit should have the lowest possible own power loss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren bzw. eine elektronische Schaltung mit den Merkmalen der beigefügten unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.This object is achieved by a method or an electronic circuit with the features of the attached independent claims. Preferred embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description with accompanying drawings.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Stromversorgung einer gepulsten Beleuchtungsquelle zur Pulsbeleuchtung für ein Bildverarbeitungssystem, bei dem ein Objekt mittels der gepulsten Beleuchtungsquelle mit Blitzimpulsen beleuchtet wird und für die Bildverarbeitung Bilder des mit den Blitzimpulsen beleuchteten Objektes mittels eines Bildsensors aufgenommen werden, wobei die Beleuchtungsquelle mittels einer Versorgungsspannung mit Strom versorgt und zum Auslösen eines Blitzimpulses mittels einer einen Transistor umfassenden Stromsteuerung oder Stromregelung angesteuert wird, weist also die Besonderheit auf, dass die Versorgungsspannung von einem Schaltregler geregelt wird, der bei einem von der Beleuchtungsquelle abgegebenen Blitzimpuls aufgrund des Stromflusses durch den Transistor an dem Transistor entstehende Spannungsabfall während einer Messdauer, die der Dauer oder eines Anteils der Dauer des Stromflusses durch den Transistor entspricht, mit einem Differenzspannungsverstärker gemessen wird, und während der Messdauer mittels des gemessenen Spannungsabfalls als Rückkopplungssignal die Ausgangsspannung des Schaltreglers geregelt wird.An inventive method for powering a pulsed illumination source for pulse illumination for an image processing system, wherein an object is illuminated by means of the pulsed illumination source with flash pulses and the image processing images of the illuminated with the flash pulses object are recorded by means of an image sensor, wherein the illumination source by means of a supply voltage with Powered and to trigger a Lightning impulse is driven by means of a transistor comprehensive current control or current control, so has the peculiarity that the supply voltage is controlled by a switching regulator, which at a light source emitted by the lightning pulse due to the current flow through the transistor at the transistor voltage drop during a measurement period, which corresponds to the duration or a portion of the duration of the current flow through the transistor, is measured with a differential voltage amplifier, and the output voltage of the switching regulator is controlled during the measurement period by means of the measured voltage drop as a feedback signal.
Eine entsprechende erfindungsgemäße elektronische Schaltung zur Stromversorgung einer gepulsten Beleuchtungsquelle zur Pulsbeleuchtung für ein Bildverarbeitungssystem, bei dem ein Objekt mittels der gepulsten Beleuchtungsquelle mit Blitzimpulsen beleuchtet wird und für die Bildverarbeitung Bilder des mit den Blitzimpulsen beleuchteten Objektes mittels eines Bildsensors aufgenommen werden, wobei die Beleuchtungsquelle mittels einer Versorgungsspannung mit Strom versorgt und zum Auslösen eines Blitzimpulses mittels einer einen Transistor umfassenden Stromsteuerung oder Stromregelung angesteuert wird, umfassend eine Vorsorgungsspannungsschaltung und eine Stromsteuerung oder Stromregelung, die einen Transistor umfasst, zum Auslösen eines Blitzimpulses an einer an die elektronische Schaltung angeschlossenen Beleuchtungsquelle, weist die Besonderheit auf, dass sie einen Schaltregler zum Regeln der Versorgungsspannung umfasst, einen Differenzspannungsverstärker umfasst, mit dem der bei einem von der Beleuchtungsquelle abgegebenen Blitzimpuls aufgrund des Stromflusses durch den Transistor an dem Transistor entstehende Spannungsabfall während einer Messdauer, die der Dauer oder eines Anteils der Dauer des Stromflusses durch den Transistor entspricht, gemessen werden kann, und derart ausgebildet ist, dass während der Messdauer mittels des gemessenen Spannungsabfalls als Rückkopplungssignal die Ausgangsspannung des Schaltreglers geregelt wird.A corresponding electronic circuit according to the invention for supplying power to a pulsed illumination source for pulse illumination for an image processing system in which an object is illuminated with flash pulses by means of the pulsed illumination source and images of the object illuminated with the lightning pulses are taken by means of an image sensor for image processing, wherein the illumination source by means of a Power supply voltage and is driven to trigger a lightning pulse by means of a transistor comprising current control or current regulation, comprising a Vorspannungspannungsschaltung and a current control or current control, comprising a transistor for triggering a lightning pulse to a connected to the electronic circuit illumination source has the particularity on, that it comprises a switching regulator for regulating the supply voltage, a differential voltage amplifier, with which at a voltage pulse emitted by the illumination source due to the current flow through the transistor at the transistor voltage drop during a measurement period corresponding to the duration or a portion of the duration of the current flow through the transistor, and is designed such that during the measurement period means the measured voltage drop as the feedback signal, the output voltage of the switching regulator is controlled.
Bei der Erfindung kann somit die Versorgungsspannung mittels des Spannungsreglers und eines diesen steuernden Rückkopplungssignals auf den tatsächlich für den Betrieb der Beleuchtungsquelle erforderlichen Wert geregelt werden, indem die Differenzspannung an dem Transistor als Spannungsabfall an dem Transistor während des Stromflusses durch den Transistor gemessen und diese Spannung als Rückkopplungssignal verwendet wird. Dadurch kann in der Messdauer während der Erzeugung eines Lichtblitzes die Verlustleistung der Leistungselektronik auf einen minimalen Wert eingestellt werden. Außerhalb der Messdauer muss die Versorgungsspannung nicht besonders geregelt werden, weil in dieser Zeit kein oder kein hoher Stromfluss durch den Transistor erfolgt und daher keine nennenswerte Verlustleistung anfällt.In the invention, therefore, the supply voltage can be regulated by the voltage regulator and a feedback signal controlling it to the actual value required for the operation of the illumination source by measuring the difference voltage across the transistor as a voltage drop across the transistor during the current flow through the transistor and measuring this voltage as Feedback signal is used. As a result, the power loss of the power electronics can be set to a minimum value during the measurement period during the generation of a light flash. Outside the measurement period, the supply voltage need not be particularly regulated, because during this time no or no high current flow through the transistor and therefore no significant power loss occurs.
Entsprechend ist nach einem vorteilhaften Merkmal vorgesehen, dass der Schaltregler bei ausgeschalteter Beleuchtungsquelle eine Ausgangsspannung erzeugt, die mit einer als Sicherheitsreserve dienenden Spannungserhöhung über der Spannung liegt, die für das Auslösen eines Blitzes mit der Beleuchtungsquelle erforderlich ist, und während der Messdauer diese überhöhte Ausgangsspannung durch das Rückkopplungssignal reduziert wird.Accordingly, it is provided according to an advantageous feature that the switching regulator generates an output voltage when the illumination source is switched off, which is provided with a safety margin as a voltage increase over the voltage required for triggering a flash with the illumination source, and during the measurement of this excessive output voltage the feedback signal is reduced.
Vorteilhafterweise ist ferner vorgesehen, dass mittels des Rückkopplungssignals die Ausgangsspannung des Schaltreglers während der Messdauer derart geregelt wird, dass der Spannungsabfall an dem Transistor eine vorgegebene, für die Funktion des Transistors zur Stromregelung erforderliche Restspannung einnimmt. Anders ausgedrückt kann man auch vorsehen, dass mittels des Rückkopplungssignals die Ausgangsspannung des Schaltreglers während der Messdauer derart geregelt wird, dass über dem Transistor eine minimale zur Funktion als Stromquelle erforderliche Restspannung erhalten bleibt. Auf diese Weise wird die minimale Verlustleistung erzielt.Advantageously, it is further provided that by means of the feedback signal, the output voltage of the switching regulator is controlled during the measurement period such that the voltage drop across the transistor assumes a predetermined, required for the function of the transistor for current regulation residual voltage. In other words, it can also be provided that the output voltage of the switching regulator is controlled during the measurement period by means of the feedback signal in such a way that a minimum residual voltage required as a current source is maintained across the transistor. In this way, the minimum power loss is achieved.
Die Erfindung kann in einem intelligenten Bildverarbeitungssensor bzw. einem Bildverarbeitungssensor mit ergonomischer Beleuchtung eingesetzt werden. Hierzu zählt eine Kamera oder Smartkamera, die eine in die Kamera integrierte erfindungsgemäße elektronische Schaltung und gegebenenfalls eine oder mehrere integrierte pulsbare Beleuchtungsquellen aufweist.The invention can be used in an intelligent image processing sensor or image processing sensor with ergonomic illumination. This includes a camera or smart camera which has an electronic circuit according to the invention integrated in the camera and optionally one or more integrated pulsable illumination sources.
Im Stand der Technik sind Kameras bekannt, die als intelligente Kameras oder auch als Smartkameras bezeichnet werden. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein oder mehrere Bildaufnahmechips in Form von CCDs oder CMOS-Sensoren enthalten, eine Verarbeitungseinheit mit Speicher, z. B. in Form eines Mikroprozessors oder DSPs, sowie verschiedene Schnittstellen zur Ein-/Ausgabe wie z. B. serielle Schnittstellen, Netzwerkanschluss, SPS-Schnittstelle und Videoausgabe. Wird eine solche Kamera mit Optik und Beleuchtung kombiniert oder in einem Gehäuse fest verbunden, so spricht man von einem Bildverarbeitungssensor oder ”Vision Sensor”. Da die Mess- oder Objektbeleuchtung bei derartigen Kameras oft in Form von gepulsten LEDs ausgeführt ist, lässt sich die Erfindung hier vorteilhaft einsetzen.In the prior art cameras are known, which are referred to as smart cameras or as smart cameras. They are characterized by the fact that they contain one or more imaging chips in the form of CCDs or CMOS sensors, a processing unit with memory, for. B. in the form of a microprocessor or DSPs, as well as various interfaces for input / output such. Eg serial interfaces, network connection, PLC interface and video output. If such a camera combined with optics and lighting or firmly connected in a housing, it is called an image processing sensor or "Vision Sensor". Since the measurement or object illumination in such cameras is often in the form of pulsed LEDs, the invention can be used advantageously here.
Weitere vorteilhafte Merkmale einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung können folgende sein:
- – der Schaltregler bei ausgeschalteter Beleuchtungsquelle eine Ausgangsspannung erzeugt, die mit einer als Sicherheitsreserve dienenden Spannungserhöhung über der Spannung liegt, die für das Auslösen eines Blitzes mit der Beleuchtungsquelle erforderlich ist, und während der Messdauer diese überhöhte Ausgangsspannung durch das Rückkopplungssignal reduziert wird.
- – Die Schaltung ist derart ausgebildet, dass mittels des Rückkopplungssignals die Ausgangsspannung des Schaltreglers während der Messdauer derart geregelt wird, dass der Spannungsabfall an dem Transistor eine vorgegebene, für die Funktion des Transistors zur Stromregelung erforderliche Restspannung einnimmt.
- – Die Schaltung ist derart ausgebildet, dass mittels des Rückkopplungssignals die Ausgangsspannung des Schaltreglers während der Messdauer derart geregelt wird, dass über dem Transistor eine minimale zur Funktion als Stromquelle erforderliche Restspannung erhalten bleibt.
- – Die Schaltung ist derart ausgebildet, dass die Messdauer gleichzeitig mit dem Auslösen eines Blitzimpulses oder hierzu geringfügig verzögert beginnt.
- – Die Schaltung ist derart ausgebildet, dass der Spannungsabfall direkt an dem Transistor gemessen wird.
- – Die Schaltung ist derart ausgebildet, dass der elektronische Schalter außerhalb der Messdauer die Ausgangsspannung des Schaltreglers und während der Messdauer die von dem Differenzspannungsverstärker gelieferte Spannung als Rückkopplungssignal zum Regeln der Ausgangsspannung des Schaltreglers an den Schaltregler schaltet.
- – Der Transistor ist ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor.
- – Der spannungsgesteuerte Schaltregler ist als Abwärtsregler, als Aufwärtsregler, als Aufwärts-/Abwärtsregler, mit Transformator und Gegentaktansteuerung, als Flyback-Schaltung oder als SEPIC-Schaltung ausgebildet.
- - The switch regulator generates an output voltage with a backup power serving voltage increase, which is required for the triggering of a flash with the illumination source with the backup source, and during the measurement period, this excessive output voltage is reduced by the feedback signal.
- - The circuit is designed such that by means of the feedback signal, the output voltage of the switching regulator is controlled during the measurement period such that the voltage drop across the transistor assumes a predetermined, required for the function of the transistor for current regulation residual voltage.
- - The circuit is designed such that by means of the feedback signal, the output voltage of the switching regulator is controlled during the measurement period such that above the transistor a minimum required for functioning as a residual current source voltage is maintained.
- - The circuit is designed such that the measurement period starts simultaneously with the triggering of a lightning pulse or slightly delayed.
- - The circuit is designed such that the voltage drop is measured directly on the transistor.
- - The circuit is designed such that the electronic switch switches the output voltage of the switching regulator and during the measurement period supplied by the differential voltage amplifier voltage as a feedback signal for controlling the output voltage of the switching regulator to the switching regulator outside the measurement period.
- - The transistor is a bipolar transistor or a field effect transistor.
- - The voltage controlled switching regulator is designed as a buck regulator, as a boost regulator, as an up / down controller, with transformer and push-pull control, as a flyback circuit or SEPIC circuit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben, auch wenn sie bei anderen Ausführungsformen vorteilhaft eingesetzt werden können. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in FIGS. The features described therein may be used alone or in combination with each other to provide preferred embodiments of the invention. Identical or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the various figures and usually described only once, although they can be used advantageously in other embodiments. Show it:
Die
Hauptsächlich wegen der Exemplarstreuungen der LEDs
Das folgende Rechenbeispiel veranschaulicht dies. Wenn die Beleuchtungsquelle
Die
Wie bei
Die Schaltung
Der Schaltregler
Sobald die Sollwertvorgabe auf den Nominalwert steigt, um einen Blitzimpuls mit den LEDs
Da die Schaltung
Der beim Auslösen eines Blitzimpulses an dem Transistor
Die Versorgungsspannung Vs wird also von dem Schaltregler
Die Messdauer kann bevorzugt gleichzeitig mit dem Auslösen eines Blitzimpulses oder hierzu geringfügig verzögert beginnen. Wegen des üblicherweise am Ausgang des Schaltreglers
Die Verlustleistung im MosFet ist ebenfalls gering, weil lediglich zu Beginn des Pulses für einige Mikrosekunden eine erhöhte Verlustleistung erzeugt wird. Für die restliche Dauer ist diese wesentlich geringer. Integral ist die kurze anfängliche Erhöhung vernachlässigbar.The power loss in the MosFet is also low, because only at the beginning of the pulse for a few microseconds increased power loss is generated. For the remaining duration this is much lower. Integral, the short initial increase is negligible.
Für das Rechenbeispiel von
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Beleuchtungsquellelighting source
- 22
- LEDLED
- 33
- Messwiderstandmeasuring resistor
- 44
- Transistortransistor
- 55
- Differenzverstärkerdifferential amplifier
- 66
- Steuersignalcontrol signal
- 77
- elektronische Schaltungelectronic switch
- 88th
- Schaltreglerswitching regulators
- 99
- elektronischer Schalterelectronic switch
- 1010
- DifferenzspannungsverstärkerDifferential voltage amplifier
- FBFB
- RückkopplungssignalFeedback signal
- ii
- Stromelectricity
- Vsvs
- Versorgungsspannungsupply voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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