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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für eine pulsierende Ansteuerung eines Leuchtmittels, insbesondere eine LED oder eine Laserdiode.
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Auch betrifft die vorliegende Erfindung einen LiDAR-basierten Umgebungssensor, insbesondere ein Laserscanner, zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einer obigen Ansteuerschaltung und einer Laserdiode.
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Zusätzlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur pulsierenden Ansteuerung eines Leuchtmittels, insbesondere eine LED oder eine Laserdiode.
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Aktuelle Fahrzeuge sind in zunehmendem Maße mit Fahrunterstützungssystemen ausgestattet, die als Fahrerassistenzsysteme einen Fahrer des Fahrzeugs beim Fahren unterstützen, oder Informationen als Grundlage für eine Unterstützungsfunktion beim autonomen oder teilautonomen Fahren des Fahrzeugs bereitstellen. Dabei werden typischerweise mit einem Umgebungssensor oder auch mit mehreren Umgebungssensoren Umgebungsinformationen erfasst und ausgewertet, um eine Umgebungskarte zu erstellen.
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Dabei bekommt die Verwendung von LiDAR basierten Umgebungssensoren, beispielsweise Laserscannern, immer größere Bedeutung. LiDAR basierte Umgebungssensoren funktionieren nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von abgestrahlten Laserpulsen, um die Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen. Die Laserpulse werden von einer pulsierend angesteuerten Laserdiode erzeugt. Dabei werden Pulse mit einer Pulsdauer von beispielsweise 5 Nanosekunden verwendet. Um eine kontinuierliche Überwachung der Umgebung zu gewährleisten und sich bewegende Objekte zuverlässig erfassen zu können, muss die Umgebung mehrmals in jeder Sekunde vollständig erfasst werden. Um dies mit einer punktweisen Abtastung der Umgebung zu realisieren, können Pulsfrequenzen im Kiloherzbereich erforderlich sein. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Ansteuerschaltung, die eine hochfrequente Erzeugung von gleichbleibenden Laserpulsen im kontinuierlichen Einsatz gewährleisten muss. Dabei wird die Laserdiode im pulsierenden Betrieb oftmals mit Spannungen von mehreren zehn bis zu wenigen hundert Volt angesteuert. Diese Spannung kann somit oberhalb von typischen Bordnetzspannungen in Fahrzeugen liegen. Gegenwärtig sind Bordnetzspannungen von zwölf Volt bei Personenkraftwagen üblich, wobei eine Entwicklung hin zu Bordnetzen mit einer höheren Spannung von beispielsweise 24 Volt oder sogar 48 Volt bereits begonnen hat. Auch bei diesen Spannungen ist jedoch eine Spannungswandlung von dem Bordnetz zu der Puls-Ansteuerspannung der Laserdiode erforderlich. Die genannten Funktionen werden typischerweise von einer Ansteuerschaltung durchgeführt.
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Eine aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuerschaltung 10 ist in 1 zusammen mit einer Laserdiode 12 gezeigt zur Ansteuerung der Laserdiode 12 in einem LiDAR basierten Umgebungssensor für einen automobilen Einsatz in einem Fahrzeug. Die Ansteuerschaltung 10 umfasst ein Netzteil 14, das eingangsseitig an ein Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen ist. Das Netzteil 14 stellt eine Gleichspannung von typischerweise mehreren zehn bis zu wenigen hundert Volt bereit. Das Netzteil 14 kann beispielsweise mit einem Aufwärtswandler, auch Step-Up Wandler oder Boost-Wandler genannt, ausgeführt sein, um diese Gleichspannung aus der Bordnetzspannung des Fahrzeugs zu erzeugen. Ausgangsseitig ist an dem Netzteil ein Speicherkondensator 16 angeschlossen, der über einen Ladevorwiderstand 18 von dem Netzteil 14 geladen wird. Der Ladevorwiderstand 18 bestimmt dabei eine Ladegeschwindigkeit des Speicherkondensators 16.
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Parallel zu dem Speicherkondensator 16 ist die Laserdiode 12 über einen Schalter 20 angeschlossen. Zwischen dem Netzteil 14 und dem Ladevorwiderstand 18 ist zusätzlich eine Diode 22 angeordnet, die einen Rückstrom von dem Speicherkondensator 16 in das Netzteil 14 blockiert. Ein Glättungskondensator 24 ist ausgangsseitig an dem Netzteil 14 angeschlossen.
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Wird der Schalter 20 betätigt, d.h. geschlossen, so wird der Speicherkondensator 16 über die Laserdiode 12 mit einer Masse 26 der Ansteuerschaltung 10 verbunden. Dadurch wird der Speicherkondensator 16 über die Laserdiode 12 unter Erzeugung eines Laserpulses entladen. Bei dieser Ansteuerschaltung 10 wird der Speicherkondensator 16 kontinuierlich über den Ladevorwiderstand 18 aufgeladen.
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Nachteilig an einer solchen Ansteuerschaltung ist, dass an dem Ladevorwiderstand beim Laden des Speicherkondensators Verluste entstehen. Durch die Verluste entsteht an dem Ladevorwiderstand Wärme. Diese Wärme kann auch die Laserdiode erwärmen. Die Laserdiode ist typischerweise sehr temperatursensitiv, so dass sich die Eigenschaften der Laserdiode bei Erwärmung schnell verändern. Diese Veränderung ist üblicherweise unerwünscht. Beispielsweise kann es bei der Erwärmung zu einer Wellenlängenverschiebung der Laserdiode kommen. Außerdem sinkt mit steigender Temperatur üblicherweise auch eine Effizienz der Laserdiode wie auch der Ansteuerschaltung insgesamt. Bei einer Ansteuerung von LEDs gibt es prinzipiell vergleichbare Einflüsse der Temperatur. Eine ausreichende räumliche Trennung des Ladevorwiderstands und der Laserdiode, um eine Erwärmung der Laserdiode durch den Ladevorwiderstand zu vermeiden, ist praktisch nicht umzusetzen. Somit kann es erforderlich sein, zusätzliche Kühlvorrichtungen bereitzustellen, was mit einem hohen Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden ist. Insgesamt ist durch die Wärmeerzeugung eine größere Bauform beispielsweise des LiDAR basierten Umgebungssensors insgesamt erforderlich, was bei automobilen Anwendungen mit einer limitierten Verfügbarkeit von Raum stets mit Nachteilen verbunden ist. Bei einem Defekt des Schalters besteht außerdem die Gefahr, dass die Laserdiode dauerhaft leuchtet. Ein solcher Betrieb ist jedoch nicht zulässig, da er nicht augensicher ist. Auch ist die Laserdiode nicht von dem Bordnetz entkoppelt. Typische Aufwärtswandler leisten selber keine Entkopplung.
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In diesem Zusammenhang sind aus der
DE 10 2014 111 085 A1 eine Beleuchtungsbaugruppe und eine diese verwendende Beleuchtungsvorrichtung bekannt. Ein diesbezüglicher Controller besitzt einen ersten Modus und einen zweiten Modus. Der erste Modus besteht darin, ein PWM-Signal zu generieren, das ein gemäß einem Leuchtgrad für ein lichtemittierendes Element zu änderndes Tastverhältnis besitzt und eine konstante Amplitude besitzt. Der zweite Modus besteht darin, ein PAM-Signal zu generieren, das ein konstantes Tastverhältnis besitzt und eine gemäß dem Leuchtgrad für das lichtemittierende Element zu ändernde Amplitude besitzt. Der Controller ist konfiguriert zum Anlegen eines des PWM-Signals im ersten Modus und des PAM-Signals im zweiten Modus an einen Steueranschluss eines Schaltelements, wenn der Leuchtgrad ein vorbestimmter Leuchtgrad ist oder darüber liegt. Der Controller ist konfiguriert zum Anlegen des anderen des PWM-Signals im ersten Modus und des PAM-Signals im zweiten Modus an den Steueranschluss des Schaltelements, wenn der Leuchtgrad unter dem vorbestimmten Grad liegt.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung der oben genannten Art und ein Verfahren zur pulsierenden Ansteuerung eines Leuchtmittels anzugeben, welche die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwinden. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung der oben genannten Art und ein Verfahren zur pulsierenden Ansteuerung eines Leuchtmittels anzugeben, welche eine geringe Erwärmung des Leuchtmittels gewährleisten.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Ansteuerschaltung für eine pulsierende Ansteuerung eines Leuchtmittels, insbesondere eine LED oder eine Laserdiode, angegeben, mit einem Schaltnetzteil mit einem ersten Schalter, der in einem Primärkreis des Schaltnetzteils angeordnet ist, wobei das Schaltnetzteil einen primärseitigen Anschluss zur Verbindung mit einer Versorgungsspannung, einen sekundärseitigen Anschluss zur Versorgung des Leuchtmittels, und einen Schalteingang zur Betätigung des ersten Schalters aufweist, einem Speicherkondensator, der zwischen dem sekundärseitigen Anschluss und einer Masse angeordnet ist, einem zweiten Schalter, der in einem Strompfad parallel zu dem Speicherkondensator angeordnet ist, wobei das Leuchtmittel in dem Strompfad positionierbar ist, und einer Steuereinheit, um den ersten und den zweiten Schalter anzusteuern, wobei die Steuereinheit ausgeführt ist, den ersten Schalter zu betätigen, um wenigstens einen Ladepuls zum Laden des Speicherkondensators in dem Sekundärkreis zu induzieren, und den zweiten Schalter zu betätigen, um den Speicherkondensator unter Erzeugung eines Lichtpulses über das Leuchtmittel zu entladen.
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Erfindungsgemäß ist ebenfalls ein LiDAR-basierter Umgebungssensor, insbesondere ein Laserscanner, zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einer obigen Ansteuerschaltung und einer Laserdiode angegeben.
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Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zur pulsierenden Ansteuerung eines Leuchtmittels, insbesondere eine LED oder eine Laserdiode, angegeben, umfassend die Schritte Bereitstellen eines Speicherkondensators und eines dazu parallelen Strompfads, in dem das Leuchtmittel angeordnet ist, Erzeugen von wenigstens einem Ladepuls zum Laden des Speicherkondensators, und Entladen des Speicherkondensators über das Leuchtmittel unter Erzeugung eines Lichtpulses.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, den Speicherkondensator durch Pulsladung über das Schaltnetzteil zu laden. Dadurch ist ein im Stand der Technik üblicher Ladevorwiderstand nicht erforderlich und kann entfallen, wodurch ohmsche Verluste in der Ansteuerschaltung reduziert werden. Die Ansteuerschaltung erzeugt somit weniger Wärme, wodurch das Leuchtmittel weniger erwärmt wird, und sich dessen Eigenschaften wenig verändern. Bei Laserdioden wird somit eine Wellenlängenverschiebung reduziert oder vermieden. Außerdem kann das Leuchtmittel mit hoher Effizienz arbeiten. Auch in der Ansteuerschaltung selber sind Verluste reduziert. Erfordernisse an zusätzliche Kühlvorrichtungen werden reduziert oder entfallen. Das Schaltnetzteil bewirkt außerdem eine Entkopplung zwischen der Versorgungsspannung und der Sekundärseite, wodurch Rückwirkungen durch die Lichtpulse auf die Versorgungsspannung verringert und EMV-Eigenschaften der Ansteuerschaltung verbessert werden.
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Die Verwendung der Strompulse ermöglicht darüber hinaus eine gezielte Ladung des Speicherkondensators, wobei der Ladestrom gut eingestellt werden kann. Ein maximaler Strom kann begrenzt werden. Somit wird auch eine Erwärmung von Spulen in dem Schaltnetzteil reduziert. Magnetisierungsverluste fallen nur an, wenn Strom durch das Schaltnetzteil fließt, das heißt während der Erzeugung der Ladepulse. Dadurch kann die Ansteuerschaltung insgesamt in Bezug auf Baugrößen und Verluste optimiert werden. Durch das Laden des Speicherkondensators mit Ladepulsen wird eine geringe Wechselstrombelastung der Versorgungsspannung erzeugt, was für gute EMV-Eigenschaften der Ansteuerschaltung und des LiDAR-basierten Umgebungssensors günstig ist.
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Das Schaltnetzteil umfasst typischerweise einen Übertrager mit einer Primärspule und einer Sekundärspule, die magnetisch gekoppelt sind. Dadurch wird eine elektrische Entkopplung von Primärseite und Sekundärseite des Schaltnetzteils bewirkt. Der erste Schalter ist in dem Primärkreis des Schaltnetzteils angeordnet, um bei Betätigung einen Strom durch die Primärspule zu ermöglichen. Der erste Schalter ist beispielsweise für eine Ansteuerung mit 50 kHz bis 500 kHz ausgelegt. Dies ist für eine Anwendung in LiDAR-basierten Umgebungssensoren üblicherweise ausreichend. Bei leistungsfähigeren Umgebungssensoren kann eine schnellere Ansteuerung erforderlich sein, um Laserpulse in einer schnelleren Abfolge erzeugen zu können.
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Das Schaltnetzteil ist an seinem primärseitigen Anschluss mit der Versorgungsspannung verbunden. Dies ist in einem Fahrzeug typischerweise eine Bordnetzspannung von typischerweise 12V, 24V, oder 48V. Die Bordnetzspannung ist typischerweise eine Gleichspannung. Sekundärseitig ist das Schaltnetzteil vorzugsweise ausgeführt, eine Spannung von bis zu wenigen hundert Volt zu erzeugen, beispielsweise bis zu 300V. Besonders bevorzugt stellt das Schaltnetzteil sekundärseitig eine Spannung von etwa 150 Volt bis 200 Volt bereit.
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Der Speicherkondensator ist an dem sekundärseitigen Anschluss angeschlossen und wird darüber mit den Ladepulsen geladen. Der Speicherkondensator kann prinzipiell ein beliebiger Kondensator sein, beispielsweise ein Elektrolytkondensator, ein Keramikkondensator, ein Kunststoff-Folienkondensator oder ein Metallpapierkondensato r.
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Der zweite Schalter dient der Erzeugung der Lichtpulse. Die Lichtpulse haben typischerweise eine Dauer im Bereich von wenigen Nanosekunden. Dabei ist es nicht notwendigerweise erforderlich, den zweiten Schalter entsprechend schnell wieder zu öffnen, da nach der Entladung des Speicherkondensators erst wieder Strom durch das Leuchtmittel fließen kann, wenn der Speicherkondensators erneut geladen ist. Das Laden beginnt jedoch erst mit dem nächsten Ladepuls. Die Lichtpulse werden beispielsweise mit einer Periode im Bereich von wenigen Mikrosekunden erzeugt, beispielsweise zehn bis fünfzig Mikrosekunden.
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Die Steuereinheit kann eine prinzipiell beliebige Datenverarbeitungseinrichtung sein, um eine Ansteuerung des ersten und zweiten Schalters durchzuführen, um diese zu betätigen. Das Betätigen des jeweiligen Schalters entspricht hier einem Schließen des entsprechenden Stromkreises, wodurch ein Stromfluss ermöglicht wird. Dabei ist es unerheblich, durch welche Art der Ansteuerung die Betätigung erfolgt, beispielsweise durch einen digitalen Pegel, der ,high‘ oder ,low‘ sein kann. Die Steuereinheit steuert den ersten Schalter über den Schalteingang. Die Ansteuerung sowohl des ersten wie auch des zweiten Schalters kann dabei mit einem regelmäßigen Signal nach der Art eines Taktsignals erfolgen. Dies ist besonders einfach in der Steuereinheit zu erzeugen. Alternativ kann die Betätigung der Schalter jeweils mit zumindest teilweise unregelmäßigen Signalen erfolgen.
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Durch das Schließen des ersten Schalters kann ein Strom durch die Primärwindung des Schaltnetzteils fließen. Der Stromanstieg wird dabei von der Spule begrenzt. In der Sekundärwindung wird ein Strom induziert, wobei der Strom durch das Übersetzungsverhältnis der Primärwindung zu der Sekundärwindung übersetzt wird. Entsprechendes gilt für die Spannung. Der induzierte Strom lädt den Speicherkondensator als Ladepuls. Der Ladepuls wird dabei verzögert zu der Ansteuerung des ersten Schalters erzeugt.
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Bei der Betätigung des zweiten Schalters wird der Speicherkondensator über das Leuchtmittel gegen Masse geschaltet. Der Speicherkondensator wird dadurch pulsartig entladen. Der resultierende Strom durch das Leuchtmittel erzeugt einen entsprechenden Lichtpuls.
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Das Entladen des Speicherkondensators über das Leuchtmittel unter Erzeugung eines Lichtpulses wird durch eine Pulsentladung des Speicherkondensators bewirkt. Das Erzeugen des Lichtpulses geht also einher mit der elektrischen Pulsentladung des Speicherkondensators. Insofern ist das Erzeugen des Lichtpulses gleichzusetzen mit der Pulsentladung des Speicherkondensators. Die Erzeugung des Lichtpulses wird unmittelbar durch die Betätigung des zweiten Schalters ausgelöst.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung eine Diode auf, die an dem sekundärseitigen Anschluss des Schaltnetzteils angeordnet ist, um einen Rückstrom aus dem Speicherkondensator in das Schaltnetzteil zu blockieren. Somit kann der Speicherkondensator unproblematisch geladen werden und seine Ladung bis zur Verwendung, d.h. einer Entladung über das Leuchtmittel, halten. Die Diode weist eine Spannungsfestigkeit auf abhängig von einem Design der Ansteuerschaltung, um die maximale Spannung am Speicherkondensator zu sperren und durch die Strompulse von dem Schaltnetzteil nicht beschädigt zu werden. Prinzipiell kann auch eine Mehrzahl Einzeldioden in Reihe geschaltet werden, um eine ausreichende Sperrspannung zu erzielen und einen Rückstrom aus dem Speicherkondensator in das Schaltnetzteil zu verhindern.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, den ersten Schalter und den zweiten Schalter derart zu betätigen, dass die Ladepulse und die Lichtpulse zeitlich versetzt erzeugt werden. Somit wird sichergestellt, dass die Ladepulse des Schaltnetzteils nicht unmittelbar in das Leuchtmittel fließen können und das Schaltnetzteil sekundärseitig nicht auf Masse geschaltet wird. Dies könnte zu einem unkontrollierten Verhalten der Schaltung und zu einer Beschädigung des Leuchtmittels und/oder des Schalters führen. Typischerweise werden dabei auch der erste und der zweite Schalter zeitlich versetzt erzeugt. Allerdings ist die Verzögerung zwischen der Betätigung des ersten Schalters und der Induzierung des Ladepulses bei der Ansteuerung er Schalter zu berücksichtigen. Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung der beiden Schalter und die Erzeugung der Ladepulse und der Lichtpulse in der Art, dass zwischen dem Ladepuls und dem Lichtpuls ein zeitlicher Sicherheitsabstand vorgesehen ist. Der Sicherheitsabstand kann beispielsweise eine halbe Pulsdauer des Ladepulses oder des Lichtpulses betragen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung ausgeführt, den ersten Schalter derart zu betätigen, um den Speicherkondensator bis zum Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspannung mit Ladepulsen zu laden. Die Kondensatorspannung ist abhängig von der Ladung des Speicherkondensators. Die erforderliche Spannung zur Erzeugung des Lichtpulses ist durch das Design der Ansteuerschaltung und das Leuchtmittel vorgegeben. Somit wird durch eine entsprechende Ladung des Speicherkondensators der gepulste Betrieb des Leuchtmittels ermöglicht. Es erfolgt vorzugsweise eine Ladung mit einer Mehrzahl Einzelpulse. Dabei liefert jeder Einzelpuls besonders bevorzugt dieselbe Energie. Alternativ können auch unterschiedliche Ladepulse kombiniert werden, insbesondere Ladepulse mit unterschiedlichen Pulsdauern. Auch können die Ladepulse in regelmäßigen zeitlichen Abständen erzeugt werden. Alternativ können die Ladepulse zeitlich variabel erzeugt werden. Eine hohe Flexibilität bei der Erzeugung der Ladepulse kann genutzt werden, um elektromagnetische Abstrahlung gezielt zu steuern und darüber Vorgaben beispielsweise zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, den Speicherkondensator mit einer vorgegebenen Anzahl Ladepulse zu laden. Die Anzahl der Ladepulse kann abhängig von dem Design der Ansteuerschaltung und einer Auswahl des Leuchtmittels als Designparameter bestimmt und fest in der Ansteuerschaltung implementiert werden. Aus den Anforderungen an den zu erzeugenden Lichtpuls und die Auswahl des verwendeten Leuchtmittels zusammen mit Parameters der Ansteuerschaltung lässt sich eine erforderliche Ladungsmenge bestimmen, mit welcher der Speicherkondensator geladen werden muss. Abhängig davon lässt sich die Anzahl der Ladepulse bestimmen. Dabei kann die Anzahl der Ladepulse abhängig von unterschiedlichen Pulsdauern bestimmt werden, beispielsweise um unterschiedliche Ladepulse bei nachfolgenden Ladungen des Speicherkondensators oder auch während einer einzelnen Ladung des Speicherkondensators zu verwenden. Für jede Pulsdauer kann jeweils eine Energiemenge bestimmt werden, die dem Speicherkondensator zugeführt wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, den Speicherkondensator unmittelbar vor dem Entladen des Speicherkondensators über das Leuchtmittel mit der vorgegebenen Anzahl Ladepulse zu laden. Dadurch kann das Laden des Speicherkondensators bedarfsgerecht durchgeführt werden. Ladungsverluste beispielsweise durch eine Selbstentladung des Speicherkondensators können verringert werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung eine Messvorrichtung zur Messung einer Spannung über dem Speicherkondensator auf. Die erforderliche Spannung zur Erzeugung des Lichtpulses ist durch das Design der Ansteuerschaltung und das Leuchtmittel vorgegeben. Somit kann unmittelbar die Spannung des Speicherkondensators überwacht werden, um einen Ladezustand des Speicherkondensators zu ermitteln und abhängig von der Spannung weitere Ladepulse zu erzeugen. Ist die erforderliche Spannung zur Erzeugung des Lichtpulses erreicht, so werden keine weiteren Ladepulse erzeugt. Durch eine dynamische Überwachung der Spannung des Speicherkondensators kann bei Bedarf eine Nachladung erfolgen, wenn sich der Speicherkondensator beispielsweise durch Selbstentladung teilweise entladen hat und die Spannung entsprechend gefallen ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit als FPGA ausgeführt. FPGA (Field Programmable Gate Array) ermöglichen eine einfache Implementierung von verschiedenen Funktionen in Hardware, die mit geringen Ressourcen eine hohe Leistungsfähigkeit ermöglicht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Schalter als Transistor ausgeführt, insbesondere als Feldeffekttransistor. Entsprechende Transistoren können schnelle Schaltvorgänge durchführen und erzeugen darüber hinaus nur geringe Verluste. Der zweite Schalter kann auch eine Kombination von mehreren miteinander verschalteten Transistoren umfassen, um eine gewünschte Spannungsfestigkeit und einen gewünschten Pulsstrom zu ermöglichen. Der Transistor weist eine Spannungsfestigkeit auf abhängig von einem Design der Ansteuerschaltung, um die maximale Spannung am Speicherkondensator zu sperren und durch die Strompulse aus dem Speicherkondensator nicht beschädigt zu werden.
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Entsprechendes gilt prinzipiell für den ersten Schalter, der als Transistor ausgeführt sein kann, um schnelle Schaltvorgänge zum Erzeugen des wenigstens einen Ladepulses durchzuführen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgen die Schritte zum Erzeugen von wenigstens einem Ladepuls und zum Entladen des Speicherkondensators über das Leuchtmittel unter Erzeugung eines Lichtpulses zeitlich versetzt ohne Überlappung. Ladepulse und Lichtpulse, d.h. Pulsentladungen des Speicherkondensators, erfolgen also zeitversetzt. Dadurch wird verhindert, dass das Schaltnetzteil sekundärseitig unmittelbar über das Leuchtmittel gegen Masse geschaltet werden kann. Dabei auftretende Ströme könnten die Ansteuerschaltung und/oder das Leuchtmittel zerstören. Auch kann das Verhalten des Leuchtmittels dabei praktisch nicht kontrolliert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
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Es zeigt
- 1 einen Schaltplan einer im Stand der Technik verwendeten Ansteuerschaltung für eine pulsierende Ansteuerung eines Leuchtmittels zusammen mit dem Leuchtmittel,
- 2 einen Schaltplan einer Ansteuerschaltung für eine pulsierende Ansteuerung eines Leuchtmittels zusammen mit dem Leuchtmittel gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform, und
- 3 einen Zeitverlauf von Ansteuersignalen für einen ersten Schalter der Ansteuerschaltung zum Laden eines Speicherkondensators, eine Verlauf eines Entladestroms und zum Entladen des Speicherkondensators über den zweiten Schalter unter Erzeugung eines Lichtpulses über das Leuchtmittel sowie mit einem resultierenden Spannungsverlauf an dem Speicherkondensator unter Verwendung der Ansteuerschaltung der ersten Ausführungsform.
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Die 2 zeigt eine Ansteuerschaltung 50 für eine pulsierende Ansteuerung eines Leuchtmittels 52 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform. Das Leuchtmittel 52 ist hier als Laserdiode 52 ausgeführt. Die Ansteuerschaltung 50 und die Laserdiode 52 sind Teil eines LiDAR-basierten Umgebungssensors zur Verwendung in einem Fahrzeug.
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Die Ansteuerschaltung 50 umfasst ein Schaltnetzteil 54. Das Schaltnetzteil 54 umfasst einen Übertrager 56 mit einer Primärspule 58, die auf einer Primärseite 59 des Schaltnetzteils 54 angeordnet ist, und einer Sekundärspule 60, die auf einer Sekundärseite 61 des Schaltnetzteils 54 angeordnet ist. Die Primärspule 58 und die Sekundärspule 60 sind magnetisch gekoppelt. Das Schaltnetzteil 54 weist auf seiner Primärseite 59 einen Anschluss 62 zu Verbindung mit einer Versorgungsspannung Vsup auf. Die Versorgungsspannung Vsup ist eine Bordnetzspannung des Fahrzeugs als Gleichspannung mit 12V. Alternativ kann die Bordnetzspannung 24V oder 48V betragen.
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Auf der Primärseite 59 des Schaltnetzteils 54 ist ein erster Schalter 64 angeordnet, über den die Primärspule 58 bei Betätigung über einen Schalteingang 65 mit einer Masse 66 verbunden wird. Bei Betätigung des ersten Schalters 64 fließt also ein Strom durch die Primärspule 58. Der erste Schalter 64 ist beispielsweise für eine Ansteuerung mit etwa 500 kHz ausgelegt. Der erste Schalter 64 ist als Transistor ausgeführt, beispielsweise als Feldeffekttransistor.
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Das Schaltnetzteil 54 ist weiter ausgeführt, auf der Sekundärseite 61 über einen sekundärseitigen Anschluss 67 zur Versorgung der Laserdiode 52 eine Spannung von etwa 150 Volt bis 200 Volt bereitzustellen.
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Die Ansteuerschaltung 50 umfasst weiterhin einen Speicherkondensator 68, der zwischen dem sekundärseitigen Anschluss 67 und der Masse 66 angeordnet ist. Der Speicherkondensator 68 ist hier beispielhaft ein Elektrolytkondensator.
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Die Ansteuerschaltung 50 umfasst außerdem einen zweiten Schalter 70, der in einem Strompfad 71 parallel zu dem Speicherkondensator 68 gemeinsam mit der Laserdiode 52 angeordnet ist. Auch der zweite Schalter 70 ist als Transistor ausgeführt, beispielsweise als Feldeffekttransistor.
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Die Ansteuerschaltung 50 umfasst weiterhin eine Steuereinheit 72, die den ersten und den zweiten Schalter 64, 70 ansteuert. Die Steuereinheit 72 ist hier als FPGA ausgeführt. Das Betätigen des jeweiligen Schalters 64, 70 entspricht hier einem Schließen des entsprechenden Stromkreises, wodurch ein Stromfluss ermöglicht wird. Details der Ansteuerung der Schalter 64, 70 werden nachstehend unter Bezug auf 3 beschrieben.
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Schließlich weist die Ansteuerschaltung 50 in diesem Ausführungsbeispiel eine Diode 74 auf, die an dem sekundärseitigen Anschluss 67 des Schaltnetzteils 54 angeordnet ist und einen Rückstrom aus dem Speicherkondensator 68 in das Schaltnetzteil 54 blockiert.
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Die Steuereinheit 72 ist ausgeführt, den ersten Schalter 64 zu betätigen, um Ladepulse zum Laden des Speicherkondensators 68 sekundärseitig in dem Schaltnetzteil 54 zu induzieren. Außerdem ist die Steuereinheit 72 ausgeführt, den zweiten Schalter 70 zu betätigen, um den Speicherkondensator 68 über die Laserdiode 52 zu entladen, wobei die Laserdiode 52 einen Lichtpuls 82, der hier ein Laserpuls 82 ist, abgibt. Details sind in 3 gezeigt.
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Die Steuereinheit 72 steuert zunächst den ersten Schalter 64 an, um fünf Ladepulse zu erzeugen. Durch das Schließen des ersten Schalters 64 kann jeweils ein Strom durch die Primärspule 58 des Schaltnetzteils 54 fließen. Der Stromanstieg wird dabei von der Primärspule 58 begrenzt. In der Sekundärspule 60 wird ein Strom induziert, der durch ein Übersetzungsverhältnis der Primärspule 58 zu der Sekundärspule 60 übersetzt wird. Der induzierte Strom dient jeweils als Ladepuls für den Speicherkondensator 68, wobei der Ladepuls verzögert zu der Ansteuerung des ersten Schalters erzeugt wird. Mit jedem Ladepuls wird die Ladungsmenge in dem Speicherkondensator 68 vergrößert, wodurch die Kondensatorspannung VC1 steigt. Die fünf Ladepulse werden innerhalb von 10 Mikrosekunden erzeugt. Die fünf Ladepulse haben die gleiche Pulsdauer, so dass sie jeweils die gleiche Energiemenge übertragen und sukzessive die Spannung an dem Speicherkondensator 68 erhöhen. Alternativ können die Ladepulse unterschiedliche Pulsdauern aufweisen. Außerdem weisen die Ladepulse den gleichen zeitlichen Abstand voneinander auf.
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Zusätzlich weist das Schaltnetzteil 54 eine nicht gezeigte Messvorrichtung zur Messung einer Spannung über dem Speicherkondensator 68 auf. Entsprechend wird die Spannung des Speicherkondensators 68 überwacht. Wenn die Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird der erste Schalter 64 deaktiviert und es werden keine weiteren Ladepulse erzeugt.
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Wie in 3 weiter zu sehen ist, wird nach der Erzeugung der fünf Ladepulse durch das fünffache Betätigen des ersten Schalters 64 nach einer Zeitdauer von hier 0,5 Mikrosekunden der zweite Schalter 70 betätigt, wodurch der Speicherkondensator 68 über die Laserdiode 52 gegen Masse 66 geschaltet wird. Der Speicherkondensator 68 wird dadurch pulsartig entladen, wobei der Strom durch die Laserdiode 52 über Masse 66 fließt, so dass in der Laserdiode 52 entsprechend der Laserpuls 82 erzeugt wird. Der Laserpuls 82 hat hier eine Dauer im Bereich von fünf bis zehn Nanosekunden. Wie 3 zeigt, ist die Ansteuerung des ersten Schalters 64 und des zweiten Schalters 70 derart aufeinander abgestimmt, dass die fünf Ladepulse zusammen mit der Zeitdauer von 0,5 Mikrosekunden unmittelbar vor dem Entladen des Speicherkondensators 68 über die Laserdiode 52 erzeugt werden. Entsprechend ergibt sich zwischen jedem Laserpuls 82 und dem jeweils ersten der fünf Ladepulse eine Zeit Δt, in der der erste Schalter nicht betätigt wird, um Ladepulse zu erzeugen.
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Die Steuereinheit 72 betätigt den ersten Schalter 64 und den zweiten Schalter 70 also jeweils derart alternativ, so dass die Ladepulse und die Lichtpulse 82 zeitlich versetzt erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ansteuerschaltung (Stand der Technik)
- 12
- Laserdiode (Stand der Technik)
- 14
- Netzteil (Stand der Technik)
- 16
- Speicherkondensator (Stand der Technik)
- 18
- Ladevorwiderstand (Stand der Technik)
- 20
- Schalter (Stand der Technik)
- 22
- Diode (Stand der Technik)
- 24
- Glättungskondensator (Stand der Technik)
- 26
- Masse (Stand der Technik)
- 50
- Ansteuerschaltung
- 52
- Leuchtmittel, Laserdiode
- 54
- Schaltnetzteil
- 56
- Übertrager
- 58
- Primärspule
- 59
- Primärseite
- 60
- Sekundärspule
- 61
- Sekundärseite
- 62
- Anschluss für Versorgungsspannung
- 64
- erster Schalter
- 65
- Schalteingang
- 66
- Masse
- 67
- sekundärseitiger Anschluss
- 68
- Speicherkondensator
- 70
- zweiter Schalter
- 71
- Strompfad
- 72
- Steuereinheit
- 74
- Diode
- 82
- Lichtpuls, Laserpuls
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111085 A1 [0010]
