DE102017207956A1 - Safety circuit for a light source - Google Patents
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Abstract
Sicherheitsschaltung (200) für eine moduliert schaltbare Lichtquelle (12), – mit einem Strombegrenzer (140), der im Strompfad zur Lichtquelle (12) angeordnet und derart ausgebildet ist, dass ein zur Beleuchtung (12) fließender Strom (IB) ein Stromlimit (Ilimit) nicht überschreiten kann, mit einer Strommessschaltung (105) zur Erfassung eines zur Beleuchtung (12) fließenden Stroms (IB), mit einer Auslöseschaltung (2) die derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von der in der Strommessschaltung (105) ermittelten Stroms (IB) ein mittlerer Strombzw. Stromsignalgebildet und ein Abschaltsignal erzeugt wird, wenn der mittlerer Strombzw. das Stromsignaleinen maximalen mittleren Stromüberschreitet wobei die Auslöseschaltung (2) mit einem Eingang (EN) des Strombegrenzers (140) verbunden ist, und der Strombegrenzer (140) derart ausgestaltet ist, dass bei Anliegen des Abschaltsignal am Eingang (EN) des Strombegrenzers (140) der Strompfad zur Beleuchtung (12) unterbrochen wird.Safety circuit (200) for a modulably switchable light source (12), - with a current limiter (140), which is arranged in the current path to the light source (12) and configured such that a current (IB) flowing to the illumination (12) has a current limit ( Ilimit), with a current measuring circuit (105) for detecting a current (IB) flowing to the lighting (12), with a triggering circuit (2) which is designed such that, starting from the current determined in the current measuring circuit (105) ( IB) a medium Strombzw. Current signal formed and a shutdown signal is generated when the average Strombzw. the current signal exceeds a maximum average current, wherein the tripping circuit (2) is connected to an input (EN) of the current limiter (140), and the current limiter (140) is configured such that when the tripping signal is present at the input (EN) of the current limiter (140) the current path for lighting (12) is interrupted.
Description
Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören so genannten Time-of flight-(TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.Systems for three-dimensional image acquisition are known from the prior art, which work with the aid of active illumination. These include so-called time-of-flight (TOF) or transit time measurement systems. These use amplitude-modulated or pulsed illumination to illuminate the three-dimensional scene to be detected.
Mit Lichtlaufzeitmesssystem bzw. Lichtlaufzeitkamera sind insbesondere alle 3D-Kamerasysteme umfasst, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als 3D-Kamera bzw. PMD-Kamera sind insbesondere so genannte Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der
Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Entfernungsmessung hängt unter anderem von der Qualität des Empfängers und der Lichtquelle ab. Mit einer hohen Lichtenergie können insbesondere größere Distanzen in die Entfernungsmessung einbezogen werden. Auch die Qualität der Lichtmodulation hat Einfluss auf die Genauigkeit der Entfernungsmessung.The accuracy and reliability of the distance measurement depends, among other things, on the quality of the receiver and the light source. With a high light energy in particular larger distances can be included in the distance measurement. The quality of the light modulation also influences the accuracy of the distance measurement.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Regelungen für eine Lichtquelle bekannt. Bei einer reinen Spannungsregelung ist es nachteilig, dass diese Regelung typischerweise sehr empfindlich gegenüber Parametern der Lichtquelle (Serienwiderstand, Schwellspannung) sowie den Tastverhältnissen der Ansteuerung ist.Various regulations for a light source are known from the prior art. In a pure voltage control, it is disadvantageous that this control is typically very sensitive to parameters of the light source (series resistance, threshold voltage) and the duty cycles of the control.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Sicherheit unter allen vorhersehbaren Fehlerfällen zu gewährleisten, dazu zählen vor Allem ein fehlerhafter Betriebsmodus oder ein nach dem Abschlusstest aufgetretener Hardwaredefekt.The object of the invention is to ensure safety under all foreseeable error cases, including, above all, a faulty operating mode or a hardware defect that occurred after the final test.
Vorteilhaft ist wird erfindungsgemäß eine Sicherheitsschaltung zur Absicherung einer moduliert betriebenen Beleuchtung gemäß des unabhängigen Anspruchs vorgeschlagen.It is advantageous according to the invention a safety circuit for securing a modulated operated lighting proposed in accordance with the independent claim.
Vorteilhaft ist eine Sicherheitsschaltung für eine moduliert schaltbare Lichtquelle vorgesehen, mit einem Strombegrenzer, der im Strompfad zur Lichtquelle angeordnet und derart ausgebildet ist, dass ein zur Beleuchtung fließender Strom ein Stromlimit nicht überschreiten kann,
mit einer Strommessschaltung zur Erfassung eines zur Beleuchtung fließenden Stroms,
mit einer Auslöseschaltung die derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von der in der Strommessschaltung ermittelten Stroms ein mittlerer Strom bzw. Stromsignal gebildet und ein Abschaltsignal erzeugt wird, wenn der mittlerer Strom bzw. das Stromsignal einen maximalen mittleren Strom überschreitet
wobei die Auslöseschaltung mit einem Eingang des Strombegrenzers verbunden ist, und der Strombegrenzer derart ausgestaltet ist, dass bei Anliegen des Abschaltsignal am Eingang des Strombegrenzers der Strompfad zur Beleuchtung unterbrochen wird.Advantageously, a safety circuit is provided for a modulably switchable light source, with a current limiter, which is arranged in the current path to the light source and designed such that a current flowing for illumination current can not exceed a current limit,
with a current measuring circuit for detecting a current flowing for illumination,
with a triggering circuit which is designed such that, starting from the current determined in the current measuring circuit, a mean current or current signal is formed and a shutdown signal is generated when the average current or the current signal exceeds a maximum average current
wherein the trigger circuit is connected to an input of the current limiter, and the current limiter is configured such that when the Ausschaltsignal applied to the input of the current limiter of the current path is interrupted for illumination.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Beleuchtung hinsichtlich mehrerer kritischer Größen abgesichert, nämlich einer Gefährdung der Augensicherheit aufgrund zu hoher Ausgangsleistungen und zum anderen einer Gefährdung aufgrund zu langer Strahlungsbelastungen.This procedure has the advantage that the illumination is safeguarded with regard to several critical variables, namely a threat to eye safety due to excessive output powers and, secondly, a risk due to excessive radiation exposure.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die Auslöseschaltung einen Tiefpass und einen Komparator aufweist,
und die Strommessschaltung über den Tiefpass mit dem Komparator verbunden ist,
wobei der Tiefpass derart ausgestaltet ist, dass an einem Eingang des Komparators ein mittleres Stromsignal anliegt,
– wobei der Komparators derart ausgestaltet ist, dass das mittlere Stromsignal mit einem Grenzwert entsprechend eines zulässigen maximalen mittleren Stroms verglichen wird, wobei bei einem Überschreiten dieses Grenzwerts ein Abschaltsignal an den Eingang des Strombegrenzers weiter geleitet wird.In a further embodiment, it is advantageous if the triggering circuit has a low-pass filter and a comparator,
and the current measuring circuit is connected to the comparator via the low-pass filter,
wherein the low-pass filter is configured such that an average current signal is present at an input of the comparator,
- Wherein the comparator is configured such that the average current signal is compared with a limit value corresponding to a maximum permissible average current, wherein when exceeding this limit value, a shutdown signal is forwarded to the input of the current limiter.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Strommessschaltung mit einem Messwiderstand und einen Differenzverstärker zu realisieren,
wobei der Messwiderstand im Strompfad zur Beleuchtung angeordnet ist und der Differenzverstärker eine über den Messwiderstand abfallende Spannung als Stromsignal an den Komparator weiterleitet.In a further embodiment, it is provided to realize the current measuring circuit with a measuring resistor and a differential amplifier,
wherein the measuring resistor is arranged in the current path for illumination and the differential amplifier forwards a drop across the measuring resistor voltage as a current signal to the comparator.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn der Strombegrenzer eine Zeitüberwachung dergestalt aufweist, dass bei einem Strom, der länger als ein Zeitlimit am Stromlimit anliegt, die Stromzufuhr unterbrochen wird.It is also advantageous if the current limiter has a time monitoring in such a way that the current supply is interrupted in the case of a current that is applied to the current limit for longer than a time limit.
Ebenso ist es von Vorteil ein Beleuchtungsmodul für eine Lichtlaufzeitkamera mit einer vorgenannten Sicherheitsschaltung auszugestalten, sowie das Lichtlaufzeitkamerasystem entsprechend auszugestalten Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.Likewise, it is advantageous to design an illumination module for a light runtime camera with an aforementioned safety circuit, as well as to configure the light transit time camera system accordingly. The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigenShow it
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
Die erfindungsgemäße Lösung kann insbesondere für ein Lichtlaufzeitkamerasystem
Das Lichtlaufzeitkamerasystem
Der Lichtlaufzeitsensor
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle
Ferner weist das System ein Modulationssteuergerät
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Grundsätzlich ist es von Vorteil Signale mit einem hohen Signal-/Rausch-Verhältnis zu erhalten, insofern ist es ein Bestreben, wenn möglich und sinnvoll eine möglichst hohe Ausgangsleistung bereitzustellen. Die Leistung kann jedoch nicht so hoch getrieben werden, dass eine Augen- oder Hautsicherheit nicht mehr gegeben ist.Basically, it is advantageous to obtain signals with a high signal-to-noise ratio, in that it is an effort, if possible and useful to provide the highest possible output power. However, the performance can not be so high that no eye or skin safety is given.
Aus den einschlägigen Normen und Gesetzesvorschriften sind entsprechende Grenzwerte bekannt. In
Wie in
Gegenstand der Erfindung ist eine Sicherheitsschaltung, die je nach Einbausituation der Strahlenquelle so abgestimmt werden kann, dass die zulässige Ausgangsleistung bei verschiedenen Messraten bestmöglich ausgeschöpft werden kann, sofern das erforderlich ist.The subject matter of the invention is a safety circuit which, depending on the installation situation of the radiation source, can be tuned in such a way that the permissible output power can be optimally utilized at different measuring rates, if this is necessary.
Augensicherheit kann in der Regel gewahrt werden, wenn Leistungsspitzen vermieden werden und überwacht werden. Beispielsweise darf der Strom zur Beleuchtung
Die zweite Überschreitung des Stromgrenzwerts Imax überschreitet nicht den Grenzwert des Spitzenstroms IPeak_max und führt zunächst nicht zu einer Abschaltung, übersteigt jedoch dann die Abschaltzeit tmax, was dann zu einer Abschaltung führt.The second exceeding of the current limit I max does not exceed the limit value of the peak current I Peak_max and initially does not lead to a shutdown, but then exceeds the turn-off time t max , which then leads to a shutdown.
In einer solchen Schaltung kann eine Betriebsweise vorgesehen sein, bei der die Modulation maximal bis zu einem Stromlimit Ilimit erfolgen kann. Erfolgt die Modulation direkt am Stromlimit Ilimit, so ist die Schaltung sensitiv für eine Überschreitung der Abschaltzeit tmax, über die dann eine Abschaltung eingeleitet wird, entsprechend des letzten in
Liegt hingegen die Modulationsamplitude unterhalb dieses Stromlimits Ilimit führt hingegen eine Überschreitung der Abschaltzeit tmax nicht zu einer Abschaltung. Ob eine solche Situation sicherheitskritisch ist, wird erfindungsgemäß durch eine weitere Sicherheitsschaltung überwacht.On the other hand, if the modulation amplitude lies below this current limit I limit , on the other hand, exceeding the switch-off time t max does not lead to a shutdown. Whether such a situation is safety critical is monitored according to the invention by a further safety circuit.
Je nach Einbausituation und Betriebsmodus können auch lang andauernde Bestrahlungsleistungen P als kritisch angesehen werden. Derartig Strahlungsleistungen können beispielsweise über einen mittleren maximalen Strom überwacht werden. In
Ebenso kann es wie in
Grundgedanke der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung ist, den Strom durch eine Lichtquelle (Laser oder LED) so zu begrenzen, dass diverse Defekte oder Fehleinstellungen nicht zu einer unzulässig hohen Leistung führen können, so dass die Augensicherheit und Hautsicherheit für alle betrachteten Zeitkonstanten gegeben ist, ohne die legitimen Arbeitspunkte einzuschränken.The basic idea of the safety circuit according to the invention is to limit the current through a light source (laser or LED) so that various defects or incorrect settings can not lead to an unacceptably high power, so that the eye safety and skin safety for all considered time constants is given without the legitimate To limit operating points.
Die Sicherheitsschaltung beinhaltet zwei miteinander verbundene Auslösemechanismen bzw. Auslöseschaltungen, die unterschiedliche Fehlerfälle abdecken. Eine erste Auslöseschaltung
Für Laser gibt es bereits einige Sicherheitskonzepte. Aufgrund der speziellen Signalformen jedoch, die bei der Verwendung von Lasermodulen als Lichtquelle für TOF-Kameras benutzt werden, lassen diese Lösungen allerdings problematisch erscheinen. Im Folgenden wird auf einige Aspekt grundsätzlich bekannter Lösungen eingegangen.There are already some safety concepts for lasers. However, because of the special waveforms that are used as a light source for TOF cameras when using laser modules, these solutions appear problematic. In the following, some aspects of basically known solutions will be discussed.
Beispiel Sicherungen: Aufgrund der spezifischen Anforderungen (vergleichsweise hohe Pulsleistung bei geringem Mittelwert) ist eine zuverlässige Sicherungsdimensionierung nicht möglich, da die vergleichsweise großen Toleranzen des charakteristischen I2T-Wertes eine ausreichend schnelle Abschaltung bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit unmöglich machenExample fuses: Due to the specific requirements (comparatively high pulse power with low mean value), reliable fuse dimensioning is not possible, since the comparatively large tolerances of the characteristic I 2 T value make sufficiently fast shutdown with simultaneously high operational reliability impossible
Beispiel PTC: Diese Schaltelemente sind bauartbedingt so träge, das eine Abschaltung selbst bei stark überhöhter Leistung zu spät erfolgt, so dass die zulässige Ausgangsleistung kurzzeitig überschritten wird, zudem erfordern die hohen Toleranzen sowie die Temperaturabhängigkeit eine extrem konservative Auslegung Beispiel Stromregelung: Dadurch kann zwar das Auftreten einer stark erhöhten Ausgangsleistung vermieden werden, allerdings kann der Mittelwert immer noch unzulässig hoch werden, zudem können präzise Stromregler zusätzliche Verluste verursachen.Example PTC: Due to their design, these switching elements are so sluggish that they are switched off too late, so that the permissible output power is exceeded for a short time. In addition, the high tolerances and the temperature dependence require an extremely conservative design Occurrence of a greatly increased output power can be avoided, however, the mean can still be unacceptably high, also precise current regulator can cause additional losses.
Beispiel Monitordiode: Durch eine separate Monitordiode kann die emittierte optische Leistung direkt gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden. Diese Monitordioden sind aber nicht in allen Technologien leicht integrierbar (VCSEL, LEDs) und müssen zudem kalibriert werden.Monitor diode example: A separate monitor diode allows the emitted optical power to be measured directly and compared to a setpoint. However, these monitor diodes are not easily integrable in all technologies (VCSEL, LEDs) and must also be calibrated.
Durch die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung sollen wenigsten drei unterschiedliche Fehlerfälle abgedeckt werden:
Erstens, Ausfall der Modulation, Konstantlicht mit hoher Leistung (s.
First, failure of the modulation, constant light with high power (s.
Ursache für einen solchen Ausfall der Modulation können hier Hardwaredefekte oder eine falsche Konfiguration des Lichtlaufzeitsensors sein. The cause of such a modulation failure may be hardware defects or an incorrect configuration of the light transit time sensor.
Zweitens, zu hohe Ausgangsleistung (s.
Drittens, zu lange Einschaltzeit (s.
Durch eine geeignete Dimensionierung der in
Besonders die zuverlässige Erkennung des dritten Fehlerfalls (zu lange Einschaltzeit) erfordert eine spezielle Abstimmung, da die zulässige Leistung, die abgestrahlt werden darf, stark von vorgegebenen Parametern, beispielsweise von der Messrate und der Messzeit sowie auch von der Einbausituation abhängt.In particular, reliable detection of the third fault (too long turn-on time) requires a special tuning, since the allowable power that can be radiated strongly depends on predetermined parameters, for example on the measuring rate and the measuring time, as well as on the installation situation.
In einer Ausgestaltung gemäß
Um ein Wiedereinschalten nach einmaligem Auslösen zu verhindern, kann der Auslösemechanismus des Schalters impulsgesteuert ausgeführt werden. Alternativ kann in einer anderen Ausführungsform das Ausganssignal der Auslösemechanismen auf den Eingang gekoppelt werden, um durch eine geeignete Kopplung eine Selbsthaltung im ausgelösten Zustand zu erreichen (Latch).To prevent a restart after a single trip, the triggering mechanism of the switch can be pulse-controlled. Alternatively, in another embodiment, the output signal of the triggering mechanisms may be coupled to the input to achieve latched latching by appropriate coupling.
In einer weiteren Ausgestaltung gemäß
In einer Ausgestaltung gemäß
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zum einen die Sicherheitsschaltung schaltungstechnisch günstig vor dem Zwischenkreis angeordnet werden kann und zum anderen es zu keinen Einschränkungen bei der Dimensionierung des Zwischenkreises kommt.This embodiment has the advantage that, on the one hand, the safety circuit can be arranged in terms of circuitry before the intermediate circuit and, on the other hand, there are no restrictions on the dimensioning of the intermediate circuit.
Je nach Dimensionierung des Strombegrenzers kann auch ein dauerhafter Betrieb unter Konstantstrombedingungen unterbunden werden, indem beispielsweise eine zusätzliche Abschaltung nach einer definierten Zeit hinzugefügt wird.Depending on the dimensioning of the current limiter, it is also possible to prevent permanent operation under constant current conditions, for example by adding an additional switch-off after a defined time.
Wie bereits in
Die zweite Auslöseschaltung
Die Strombegrenzung
Die Strombegrenzung
Ferner ist der Komparator
Der Tiefpass kann dabei so dimensioniert werden, dass abhängig von der Pulsfolgefrequenz im relevanten Bereich entweder eine Pulsenergielimitierung, eine Mittelwertlimitierung oder eine Mischform von beiden erfolgt, wodurch ein Schutz gegen alle unzulässigen Betriebspunkte gewährleistet wird.The low-pass filter can be dimensioned such that, depending on the pulse repetition frequency in the relevant region, either pulse energy limitation, a mean value limitation or a mixed form of both takes place, whereby protection against all inadmissible operating points is ensured.
Der Stromunterbrecher
Die Ausgänge der beiden Komparatoren
Bevorzugt ist der erste Komparator
Weiterhin ist die Schaltung gemäß
Wie im vorgenannten Beispiels sind beide Komparatoren
Auch hier sind die Komparatoren
Die vorgenannten Schaltungen sind selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausgestaltungen beschränkt. Insbesondere können die Strommessungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
-
1 erste Auslöseschaltung,1 first trigger circuit, -
2 zweite Auslöseschaltung,2 second trigger circuit, -
10 Beleuchtungsmodul10 lighting module -
12 Beleuchtung, Lichtquelle12 Lighting, light source -
15 Strahlformungsoptik15 Beam shaping optics -
20 Lichtlaufzeitkamera,20 Time of flight camera -
22 Lichtlaufzeitsensor22 Transit Time Sensor -
25 Optik,25 optics, -
27 Modulationssteuergerät,27 Modulation controller, -
30 Modulator30 modulator -
35 Phasenschieber35 phase shifter -
38 Frequenzoszillator,38 Frequency oscillator, -
100 Lichtlaufzeitkamerasystem100 Time of flight camera system -
105 Strommessschaltung,105 Current sensing circuit, -
110 Differenzverstärker,110 Differential amplifier -
120 erster Komparator120 first comparator -
125 zweiter Komparator,125 second comparator, -
130 Spannungsquelle,130 Voltage source, -
140 Strombegrenzer,140 current limiter, -
145 Stromunterbrecher,145 Circuit Breaker, -
150 Vergleicher, Oder-Schaltung150 Comparator, or circuit -
200 Sicherheitsschaltung200 safety circuit - TP1 erster Tiefpassfilter,TP1 first low-pass filter,
- TP2 zweiter TiefpassfilterTP2 second low-pass filter
- IB Strom zur Beleuchtung,I B electricity for lighting,
- mittlerer Strom zur Beleuchtung medium current for lighting
- Imax maximaler Strom, Stromgrenzwert,I max maximum current, current limit,
- IPeak_max maximaler Spitzenstrom,I peak_max maximum peak current ,
- Ilimit Stromlimit,I limit current limit ,
- Grenzwert mittlerer Strom, Limit mean current,
- tmax Abschaltzeit, Zeitgrenzwertt max switch off time, time limit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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2017
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