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Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung, insbesondere für eine Pockelszelle, mit zumindest einem Hochspannungsschaltelement, das durch die Sekundärwicklung eines Übertragers angesteuert ist, wobei ein Treibertransistor, der durch einen Transistortreiber angesteuert ist, in Serie zur Primärwicklung des Übertragers angeschlossen ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Treiberschaltung, insbesondere einer Pockelszellentreiberschaltung, mit zumindest einem Hochspannungsschaltelement, das durch die Sekundärwicklung eines Übertragers angesteuert ist, wobei ein Treibertransistor, der durch einen Transistortreiber angesteuert ist, in Serie zur Primärwicklung des Übertragers angeschlossen ist.
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Eine Pockelszelle besteht aus einem elektrooptischen Kristall, durch welchen elektromagnetische Strahlung (z.B. Laserlicht mit λ = 0,2 bis 2 µm) propagieren kann. Die Phasenverschiebung, die die elektromagnetische Strahlung im Kristall erfährt, kann durch Anlegen einer variierenden elektrischen Spannung verändert werden (Pockelseffekt). Die Pockelszelle wirkt als spannungsabhängige Wellenplatte. Pockelszellen werden zusammen mit weiteren optischen Komponenten wie Polarisatoren in elektrooptischen Modulatoren verwendet und können damit als Aus- und Einkoppler für elektromagnetische Strahlung in Lasern eingesetzt werden. Um den Modulator in einen Sperr- oder Offenzustand zu versetzen, wird eine veränderliche Spannung an die Pockelszelle angelegt. Somit können sie in Lasern z.B. zum Erzeugen von Pulsen in der regenerativen Verstärkern oder auch Lasern nach dem „cavity dump“-Prinzip eingesetzt werden. Die Spannung wird mittels einer Pockelszellentreiberschaltung gesteuert.
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Beim Einsatz des Lasers in der Materialbearbeitung muss der Laser meist ultrakurze Pulse mit hoher Energie liefern. Bei z.B. einem regenerativen Verstärkersystem wird der Laserstrahl hierzu über die Pockelszelle in den optischen Verstärker eingekoppelt, durchläuft diesen sooft, bis die benötigte Energie erreicht wird und wird dann wieder ausgekoppelt. Hierzu muss der Schaltprozess innerhalb einer Umlaufzeit im Resonator des regenerativen Verstärkers erfolgen. Es gilt, je kürzer die Schaltdauer (steile Schaltflanke), desto mehr Schaltzyklen können innerhalb einer vorgegebenen Verstärkungsdauer erreicht werden (hohe Taktrate). Die Ansteuerung von Pockelszellen erweist sich jedoch häufig als schwierig. Vor allem bei hohen Laserleistungen werden hohe Spannungen erforderlich, die in kurzer Zeit angelegt oder abgeschaltet werden müssen.
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Wie bereits erwähnt, ist im Regelfall die Anforderung an einen Pockelszellentreiber, dass im Ausgang eine Spannung ausgegeben wird, deren Flanke eine große Steilheit aufweist. Es gibt jedoch auch Anwendungen, in denen mindestens eine der Schaltflanken (Einschalten oder Ausschalten) in ihrer Flankensteilheit begrenzt oder eingestellt werden soll.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Treiberschaltung bereit zu stellen, mit der die Flankensteilheit einfach an die aktuelle Anforderung angepasst werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Treiberschaltung, insbesondere für eine Pockelszelle, mit zumindest einem Hochspannungsschaltelement, das durch die Sekundärwicklung eines Übertragers angesteuert ist, wobei ein Treibertransistor, der durch einen Transistortreiber angesteuert ist, in Serie zur Primärwicklung des Übertragers angeschlossen ist, wobei eine zusätzliche Primärstromeinstelleinrichtung zur Einstellung des Primärstroms, insbesondere einer Flanke des Primärstroms, in einem Primärstrompfad vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, die Schaltflanke der von der Treiberschaltung ausgegebenen Spannung nicht über die Sekundärseite des (Ansteuer)-Übertragers, sondern über die Primärseite des Übertragers einzustellen. Somit erfolgt eine indirekte Einstellung der Schaltflanke. Insbesondere kann über eine Begrenzung des primärseitigen Stroms indirekt auch der sekundärseitige Ansteuerstrom zum Ansteuern des Hochspannungsschaltelements beeinflusst werden. Insbesondere, wenn mehrere Hochspannungsschaltelemente vorgesehen sind, hat die Beeinflussung auf der Primärseite den Vorteil, dass die Stromeinstellung direkt auf alle Hochspannungsschaltelemente wirkt. Somit können alle Hochspannungsschaltelemente synchron angesteuert werden.
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Die Primärstromeinstelleinrichtung kann einen Widerstand aufweisen, der im Primärstrompfad angeordnet ist. Durch einen Widerstand kann der Primärstrom und somit auch der Schaltvorgang der Hochspannungsschaltelemente direkt beeinflusst werden. Insbesondere kann durch einen Widerstand im Primärstrompfad der Primärstrom begrenzt werden.
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Dazu kann der Widerstand zwischen dem Treibertransistor und Masse geschaltet sein. Dadurch ergibt sich eine Gegenkopplung und somit eine Strombegrenzung. Alternativ kann der Widerstand zwischen die Primärwicklung und den Treibertransistor geschaltet sein. Die Schaltflanke am Ausgang der Treiberschaltung hängt dann direkt vom Widerstandswert ab.
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Eine Einstellung der Schaltflanke kann dadurch erreicht werden, dass die Primärstromeinstelleinrichtung eine einstellbare Spannungsquelle umfasst, die die Spannungsversorgung des Transistortreibers darstellt. Besonders vorteilhaft ist dabei die Kombination der einstellbaren Spannungsquelle und eines Widerstands, der zwischen den Treibertransistor und Masse geschaltet ist. Insbesondere kann somit über die Versorgungsspannung des Transistortreibers und über die Stromgegenkopplung der Primärstrom eingestellt werden. Der Primärstrom hat einen direkten Einfluss auf den Ansteuerstrom auf der Sekundärseite des Übertragers zum Schalten des Hochspannungsschaltelements.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Primärstromeinstelleinrichtung eine strombegrenzte Spannungsquelle umfasst. Diese kann die Spannungsversorgung des Transistortreibers darstellen. Insbesondere kann es sich dabei um eine strombegrenzte Spannungsquelle mit einstellbarem Ausgangsstrom handeln. Durch die Strombegrenzung in der Spannungsversorgung kann die Gegenkopplung, also insbesondere der Widersand zwischen Treibertransistor und Masse, entfallen.
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Die Treiberschaltung kann eine strombegrenzende Einheit zur Spannungs- und Stromversorgung in den Primärstrompfaden aufweisen. Die strombegrenzende Einheit kann eine strombegrenzte Spannungsquelle sein. Auch denkbar ist eine Stromquelle mit einem geregelten Strom und einer Maximalspannung. Der begrenzte Strom bzw. der Strom der Stromquelle kann regelbar und/oder einstellbar sein. Dann kann er flexibler eingestellt werden, beispielsweise auch durch ein in einer Steuerungseinheit abgelegtes Programm, und muss nicht durch Tausch der Widerstände erfolgen.
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Es können mehrere in Serie geschaltete Hochspannungsschaltelemente vorgesehen sein, wobei die Serienschaltung aus Hochspannungsschaltelementen zwei Ausgangsanschlüsse, insbesondere zum Anschluss einer Pockelszelle, aufweist. Durch die Verwendung mehrerer in Serie geschalteter Hochspannungsschaltelemente können höhere Spannungen geschaltet werden.
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Jedem Hochspannungsschaltelement kann ein eigener Übertrager zum Einschalten und ein eigener Übertrager zum Ausschalten zugeordnet sein. Alternativ ist es denkbar, dass jedem Hochspannungsschaltelement ein eigener Übertrager zum Ein- und Ausschalten zugeordnet ist.
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Es kann mindestens ein Hochspannungsschaltelement zum Einschalten der Spannung an der Pockelszelle und mindestens ein Hochspannungsschaltelement zum Ausschalten der Spannung an der Pockelszelle vorgesehen sein. Weiterhin können mehrere in Serie geschaltete Hochspannungsschaltelemente zum Einschalten der Spannung an der Pockelszelle und mehrere in Serie geschaltete Hochspannungsschaltelemente zum Ausschalten der Spannung an der Pockelszelle vorgesehen sein.
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Ein Widerstand kann zwischen die Sekundärwicklung und den Ansteueranschluss des Hochspannungsschaltelements geschaltet sein. Somit können beispielsweise Oszillationen gedämpft werden.
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Jedes Hochspannungsschaltelement kann mit jeweils einem Übertrager zum Einschalten verbunden sein und die Primärwicklungen der Übertrager können in Serie geschaltet sein. Insbesondere, wenn eine Begrenzung des Primärstroms vorgesehen ist, ist es wichtig, dass durch alle Übertrager derselbe Strom zur gleichen Zeit fließt. Dies kann auf diese Art und Weise sichergestellt werden.
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Jedes Hochspannungsschaltelement kann mit jeweils einem Übertrager zum Ausschalten verbunden sein und die Primärwicklungen der Übertrager können in Serie geschaltet sein. Auch hier ergeben sich die gleichen Vorteile, dass der identische Strom durch alle Übertrager fließt, so dass ein synchrones Schalten sichergestellt ist.
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Es kann jeweils eine Treiberschaltung den oder dem Übertragern zum Einschalten und den oder dem Übertragern zum Ausschalten zugeordnet sein. Somit können die Hochspannungsschaltelemente zum Einschalten und zum Ausschalten der Spannung für die Pockelszelle getrennt voneinander angesteuert werden.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer Treiberschaltung, insbesondere einer Pockelszellentreiberschaltung, mit zumindest einem Hochspannungsschaltelement, das durch die Sekundärwicklung eines Übertragers angesteuert ist, wobei ein Treibertransistor, der durch einen Transistortreiber angesteuert ist, in Serie zur Primärwicklung des Übertragers angeschlossen ist, wobei die Schaltflanke am Ausgang der Treiberschaltung eingestellt wird, indem der Strom durch einen der Primärwicklungen enthaltenden Primärstrompfad eingestellt wird. Es erfolgt somit eine indirekte Einstellung der Schaltflanke durch die Einstellung des Stroms im Primärstrompfad.
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Dabei kann der Strom durch einen Widerstand im Primärstrompfad eingestellt, insbesondere begrenzt, werden. Der Widerstand kann an einen der Leistungsanschlüsse eines Treibertransistors angeschlossen sein.
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Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass der Strom durch einen den Transistortreiber mit Spannung versorgende Spannungsquelle eingestellt wird. Dabei kann entweder die Spannung der Spannungsquelle eingestellt werden oder es kann der Ausgangsstrom einer strombegrenzten Spannungsquelle eingestellt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Treiberschaltung;
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Treiberschaltung.
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Insofern in der Beschreibung, den Patentansprüchen oder den Zeichnungen zum Ausdruck gebracht wird, dass Schaltungselemente miteinander „verbunden“, „elektrisch verbunden“ oder „gekoppelt“ sind, so kann dies bedeuten, dass die genannten Elemente direkt, d.h. ohne dazwischen befindliche weitere Elemente, miteinander gekoppelt sind. Es kann jedoch auch bedeuten, dass die genannten Elemente nicht direkt miteinander gekoppelt sind und dass weitere Elemente zwischen den genannten Elementen gekoppelt sind.
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Insofern in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet werden, so beziehen sich diese auf gleiche oder funktionsgleiche Elemente, so dass in diesen Fällen die Beschreibung dieser Elemente nicht wiederholt wird.
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Die 1 zeigt eine Treiberschaltung 1 für eine Pockelszelle 2, die an zwei Ausgangsanschlüsse 3, 4 der Treiberschaltung 1 angeschlossen werden kann. Die Ausgangsanschlüsse 3, 4 befinden sich an Knotenpunkten einer Serienschaltung von Hochspannungsschaltelementen 5a bis 5d. Zur Ansteuerung der Hochspannungsschaltelemente 5a bis 5d sind Übertrager 6a bis 6h vorgesehen. Dabei sind die Sekundärwicklungen 7a bis 7h mit den Ansteueranschlüssen der Hochspannungsschaltelemente 5a bis 5d verbunden.
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Die Primärwicklungen 8a bis 8d sind in Serie geschaltet und bilden einen ersten Primärstrompfad 10, wobei ein Treibertransistor 11 und ein Widerstand 12 Bestandteil des Primärstrompfad 10 sind. Die Primärwicklungen 9a bis 9d sind ebenfalls in Serie geschaltet und bilden einen zweiten Primärstrompfad 13, der ebenfalls einen Treibertransistor 14 und einen Serienwiderstand 15 aufweist.
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Die in den Primärstrompfaden 10, 13 angeordneten Widerstände 12, 15 sorgen für eine Gegenkopplung und damit für eine Begrenzung des Stroms in den Primärstrompfaden 10, 13. Zusätzlich oder alternativ zu den Widerständen 12, 15 kann eine strombegrenzende Einheit 22 zur Spannungs- und Stromversorgung in den Primärstrompfaden 10, 13 vorgesehen sein. Die strombegrenzende Einheit 22 kann eine strombegrenzte Spannungsquelle sein. Auch denkbar ist eine Stromquelle mit einem geregelten Strom und einer Maximalspannung. Die Treibertransistoren 11, 14 sind jeweils durch einen Transistortreiber 16, 17 angesteuert. Die Transistortreiber 16, 17 werden durch eine Spannungsquelle 18, 19 mit Spannung versorgt, wobei die Spannungsquellen 18, 19 als einstellbare Spannungsquellen ausgebildet sind oder als strombegrenzte Spannungsquellen. Wenn sie als strombegrenzte Spannungsquellen ausgebildet sind, können die Widerstände 12, 15 entfallen.
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Am Eingang 20 wird ein Schaltsignal zum Einschalten der Spannung, die an den Ausganganschlüssen 3, 4 ausgegeben wird, vorgegeben. Am Ausgang 21 wird ein Schaltsignal zum Ausschalten der Spannung, die an die Pockelszelle 2 angelegt wird, eingegeben. Die Steilheit der Flanke der Spannung an den Ausgangsanschlüssen kann durch die Spannungsquellen 18, 19 beeinflusst werden.
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Der 1 ist weiterhin zu entnehmen, dass für jeden Transistor 5a bis 5d ein eigener Übertrager 6a, 6c, 6e, 6g zum Einschalten des Transistors 5a bis 5d einen eigenen Übertrager 6b, 6d, 6f, 6h zum Ausschalten des Transistors 5a bis 5d vorgesehen ist. Dabei sind die Primärwicklungen 8a bis 8d der Übertrager 6a, 6d, 6f, 6g zum Einschalten der Spannung an den Ausgangsanschlüssen 3, 4 in Serie miteinander verbunden und die Primärwicklungen 9a bis 9d der Übertrager 6b, 6c, 6e, 6h zum Ausschalten der Spannung an den Ausgangsanschlüssen 3, 4 in Serie miteinander verbunden. Somit kann sichergestellt werden, dass die Transistoren 5a bis 5d identisch angesteuert werden.
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Zur Vermeidung bzw. zur Bedämpfung von Oszillationen können zwischen den Sekundärwicklungen 7a bis 7h und den Steueranschlüssen der Transistoren 5a bis 5d Widerstände 23a bis 23d vorgesehen sein.
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Die 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Treiberschaltung 100. Die Treiberschaltung 100 unterscheidet sich von der Treiberschaltung 1 gemäß der 1 dadurch, dass in den Primärstrompfaden 10, 13 nicht die Widerstände 12, 15 zwischen den Treibertransistoren 11, 14 und Masse vorgesehen sind, sondern Widerstände 101, 102 zwischen den Primärwicklungen 8a bis 8d bzw. 9a bis 9d und den Treibertransistoren 11, 14 angeordnet sind. Dadurch kann ebenfalls eine Strombegrenzung erfolgen. Es erfolgt jedoch keine Gegenkopplung. Bei dieser Variante ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spannungsversorgungen 18, 19 als strombegrenzte Spannungsquellen ausgebildet sind. Insbesondere kann durch die Spannungsquellen 18, 19 die Steilheit der Flanke der Spannung eingestellt werden, die an den Ausgangsanschlüssen 3, 4 ausgegeben wird.
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Alternativ oder zusätzlich zu den Widerständen 101, 102 können auch Widerstände 101a, 102a in den Primärstrompfaden 10, 13, beispielsweise zwischen den Primärwicklungen 8a bzw. 9a und der in diesem Fall als strombegrenzende Einheit 22 ausgebildeten Strom- und Spannungsversorgung vorgesehen sein. Die Widerstände 101, 102, 101a, 102a können auch aufgeteilt auf mehrere Widerstände in den Primärstrompfaden 10, 13 angeordnet sein, also zwischen den Primärwicklungen 8a bis 8d bzw. 9a bis 9d. Wenn die Widerstände 101, 102, 101a, 102a vorhanden sind, muss die Strom- und Spannungsversorgung nicht als strombegrenzende Einheit ausgebildet sein.
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Zusätzlich oder alternativ zu den Widerständen 101, 102, 101a, 102a kann eine strombegrenzende Einheit 22 zur Spannungs- und Stromversorgung in den Primärstrompfaden 10, 13 vorgesehen sein. Die strombegrenzende Einheit 22 kann eine strombegrenzte Spannungsquelle sein. Auch denkbar ist eine Stromquelle mit einem geregelten Strom und einer Maximalspannung.
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Die Einstellung der Steilheit der Flanke der Spannung, die an den Ausgangsanschlüssen 3, 4 ausgegeben wird, kann durch die Wahl der Widerstandswerte der Widerstände 101, 102, 101a, 102a erfolgen. Die Steilheit der Flanke kann alternativ oder zusätzlich durch die strombegrenzende Einheit 22 eingestellt werden.
