DE102021210923A1

DE102021210923A1 - Ophthalmisches Lasersystem und Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr

Info

Publication number: DE102021210923A1
Application number: DE102021210923.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Krause
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2023-03-30
Also published as: EP4378064A1; WO2023052417A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein ophthalmisches Lasersystem (14) umfassend zumindest ein elektrisches Lastelement (20) und eine Vorrichtung (10) zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für das elektrisches Lastelement (20). Die Vorrichtung (10) zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr umfasst ein erstes Schaltelement (18a), welches eine Spannungsquelle (16) und das zumindest eine Lastelement (20) schaltbar verbindet, sowie ein zweites Schaltelement (18b), welches das zumindest eine Lastelement (20) und ein Massepotenzial (22) schaltbar verbindet. Zudem umfasst die Vorrichtung einen Strombegrenzer (24), welcher dazu ausgelegt ist, einen Stromfluss zwischen der Spannungsquelle (16) und dem ersten Schaltelement (18a) zu ermitteln und in Abhängigkeit vom ermittelten Stromfluss einen Schaltzustand des ersten Schaltelements (18a) steuern. Außerdem umfasst die Vorrichtung (10) einen Gate-Treiber (28), welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem elektrischen Potenzial des zumindest einen Lastelements (20) einen Schaltzustand des zweiten Schaltelements (18b) zu steuern. Dabei sind der Strombegrenzer (24) und/oder der Gate-Treiber (28) dazu eingerichtet, bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes des elektrischen Stromflusses zwischen der Spannungsquelle (16) und dem ersten Schaltelement (18a) das erste Schaltelement (18a) bzw. das zweite Schaltelement (18b) in einen geöffneten Zustand zu schalten. Ferner werden eine Vorrichtung (10) zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr und Verfahren zur Bereitstellung und Unterbrechung einer elektrischen Energiezufuhr bereitgestellt.

Description

Bereitgestellt werden ein ophthalmisches Lasersystem, eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für ein elektrisches Lastelement, ein Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Energie für ein Lastelement eines ophthalmischen Lasersystems, ein Verfahren zur Unterbrechung einer elektrischen Energiezufuhr für ein elektrisches Lastelement eines ophthalmischen Lasersystems. Die Ausführungsformen liegen somit insbesondere auf dem Gebiet der ophthalmischen Lasersysteme und deren elektrischer Energieversorgung.
Ophthalmische Lasergeräte sind komplexe elektromechanische Systeme bestehend aus unterschiedlichen Komponenten, welche Verbraucher von elektrischer Energie darstellen und entsprechend eine elektrische Last darstellen. Beispielsweise können elektrische Lastelemente durch Computer, Benutzerschnittstellen, wie Monitore oder Tastaturen, Steuergeräte und Aktoren für mechanische Bewegungen sowie die Laserquelle und deren Steuergerät des ophthalmischen Lasersystems Lastelemente darstellen. Häufig ist auch ein System zur elektromotorischen Verstellung des Laserstrahls und damit des Wechselwirkungsortes enthalten, welches ebenfalls ein Lastelement darstellt. All diese Komponenten verbrauchen typischerweise elektrische Leistung, wobei sich die Leitungsaufnahme in der Regel aufteilen lässt in einen quasi konstanten Grundverbrauch und einen vom Gerätezustand abhängigen variablen Anteil. Der variable Anteil kann beispielsweise während einer Laserbehandlung und/oder bei einer größeren Gerätebewegung deutlich anwachsen und eine entsprechende Lastschwankung verursachen. Durch starke Lastschwankungen, ein begrenztes Leistungsbudget und zulassungstechnische Erfordernisse ergeben sich spezielle technische Anforderungen an die Energieversorgung der Lastelemente, welche durch Peripheriekomponenten und das Gesamtgerät des ophthalmischen Lasersystems gebildet werden können.
Die Peripheriegeräte, welche in manchen Fällen vom selben System mit Energie versorgt werden und entsprechend Lastelemente darstellen, können außerdem folgende Komponenten umfassen:

- Große periphere Energiespeicher, um Lastspitzen örtlich zu glätten
- Elemente zur aktiven Begrenzung des Einschalt- und Laststromes
- Elemente zum Schutz vor Spannungstransienten
- Elemente für EMV-Filtermaßnahmen

Diese peripheren Komponenten können zu einer erheblichen Eingangskapazität des ophthalmischen Lasersystems und dessen Komponenten führen, welche zu einem hohen Einschaltstrom führen, der sich typischerweise nicht vollständig peripher begrenzen lässt. Um diesem Problem zu begegnen, werden herkömmlicherweise die folgenden zusätzlichen Anforderungen an die Energieversorgung und zu treffende Maßnahmen getroffen:

1) Anordnung der Lastelemente in mehreren schaltbaren Ausgangskanälen, die ein kaskadiertes Einschalten der Lastelemente ermöglichen.
2) Aktive Begrenzung des Einschalt- und Laststromes der Ausgangskanäle auf sehr hohem Stromniveau mit möglichst geringen Schaltverlusten.
3) Ergänzender Kurzschlussschutz der Ausgangskanäle, um das Abschalten des Gesamtgerätes im Fehlerfall zu verhindern, was die Diagnose und Reparatur erleichtert.

Die konkreten herkömmlichen Lösungen für dieses Problem lassen sich prinzipiell in die folgenden Kategorien einteilen:

1) Microcontroller-gesteuertes Leistungsmanagement: Derartige Systeme weisen neben Hardware-Komponenten auch eine speziell bereitgestellte Software auf. Die Entwicklung der Software kann viel Entwicklungszeit kosten und kann insbesondere in sicherheitsrelevanten Stromversorgungsbereichen auch regulatorisch sehr aufwändig sein.
2) Serverbackendversorgungen mit einzelnen Feedbacksignalen der nachgeschalteten Lastelemente. Dies erfordert eine große Anzahl an diskreten Leitungen zu den einzelnen Lastelementen. Darüber hinaus vermag diese Anordnung die hohen Einschaltströme nicht zu reduzieren, die typischerweise durch die kapazitive Last der Leitungen und der passiven Eingangskapazitäten der Lastelemente entstehen. Zudem müssen für diese Ausgestaltung die Lastelemente feedbackfähig sein, was zur Folge hat, dass die Schaltung nicht lastunabhängig entwickelt werden kann.
3) Träge Systeme mit stark belasteten Schaltelementen, die im Linearbetrieb betrieben werden: Durch eine derartige Variante kann in der Regel keine präzise Einschaltstrombegrenzung realisiert werden, sodass es bei sehr engem Leistungsbudget zur Überlastung der Energiequelle, beispielsweise beim Netzteil, kommen kann. Darüber hinaus ist kein präziser Überstromschutz im Kurzschlussfall möglich, sodass es nicht ohne weiteres möglich ist, Teillasten zu deaktivieren, ohne das Gesamtsystem abzuschalten.
4) Einfache „Hot Swap Controller“ Schaltungen: Um das gewünschte Verhalten zu erzielen, müssen in der Regel hohe Ströme schnell aber definiert eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Hierzu eignen sich lediglich elektronische Schaltelemente, allen voran MOSFETs. Diese lassen sich statisch nahezu leistungslos schalten. Bei starker Schaltungs-Dynamik durch ein schnelles Schalten wirken sich kapazitive Einflüsse sehr stark aus, die mit der Größe des Transistors stark zunehmen. Dies hat zur Folge, dass hohe Steuerströme nötig sind, um die Bauelemente schnell zu schalten. Handelsübliche „Hot Swap Controller“ können daher nicht direkt eingesetzt werden, da diese zwar ein schnelles Ausschaltvermögen besitzen, beim Einschalten aber nur sehr geringe Ströme liefern können. Dies kann zu einem stark verzögerten Einschalten führen. Während dieser Zeit wird das Schaltelement linear betrieben und sehr stark belastet. Solche Systeme sind daher nicht direkt für die in einem ophthalmischen Lasersystem erforderlichen Leistungsbereiche geeignet.

Es liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Energieversorgung für ein ophthalmisches Lasersystem bereitzustellen, welches einen Einschaltvorgang mit geringer Belastung der Vorrichtung zur Energieversorgung und ein sicheres Abschalten der Energieversorgung im Störfall ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein ophthalmisches Lasersystem, eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Optionale Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung angegeben.
Eine erste Ausführungsform betrifft ein ophthalmisches Lasersystem umfassend zumindest ein elektrisches Lastelement und eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für das elektrische Lastelement. Die Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr umfasst ein erstes Schaltelement, welches eine Spannungsquelle und das zumindest eine Lastelement schaltbar verbindet, sowie ein zweites Schaltelement, welches das zumindest eine Lastelement und ein Massepotenzial schaltbar verbindet. Zudem umfasst die Vorrichtung einen Strombegrenzer, welcher dazu ausgelegt ist, einen Stromfluss zwischen der Spannungsquelle und dem ersten Schaltelement zu ermitteln und in Abhängigkeit vom ermittelten Stromfluss einen Schaltzustand des ersten Schaltelements zu steuern. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Gate-Treiber, welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem elektrischen Potenzial des zumindest einen Lastelements einen Schaltzustand des zweiten Schaltelements zu steuern. Dabei sind der Strombegrenzer und/oder der Gate-Treiber dazu eingerichtet, bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes des elektrischen Stromflusses zwischen der Spannungsquelle und dem ersten Schaltelement das erste Schaltelement bzw. das zweite Schaltelement in einen geöffneten Zustand zu schalten.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für ein elektrisches Lastelement. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Schaltelement, welches dazu ausgelegt ist, eine Spannungsquelle und das Lastelement schaltbar zu verbinden, sowie ein zweites Schaltelement, welches dazu ausgelegt ist, das Lastelement und ein Massepotenzial schaltbar zu verbinden. Außerdem umfasst die Vorrichtung einen Strombegrenzer, welcher dazu ausgelegt ist, einen Stromfluss zwischen der Spannungsquelle und dem ersten Schaltelement zu ermitteln und in Abhängigkeit vom ermittelten Stromfluss einen Schaltzustand des ersten Schaltelements zu steuern, sowie einen Gate-Treiber, welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem elektrischen Potenzial des zumindest einen Lastelements einen Schaltzustand des zweiten Schaltelements zu steuern. Der Strombegrenzer und/oder der Gate-Treiber sind dazu eingerichtet, bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes des elektrischen Stromflusses zwischen der Spannungsquelle und dem ersten Schaltelement das erste Schaltelement bzw. das zweite Schaltelement in einen geöffneten Zustand zu schalten.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr eines ophthalmischen Lasersystems.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Energie für zumindest ein elektrisches Lastelement eines ophthalmischen Lasersystems. Das Verfahren umfasst ein Verbinden des zumindest einen elektrischen Lastelements mit einer Spannungsquelle durch Schließen eines ersten Schaltelements derart, dass das zumindest eine Lastelement auf ein durch die Spannungsquelle bereitgestelltes elektrisches Arbeitspotenzial gebracht wird. Außerdem umfasst das Verfahren ein Ermitteln des elektrischen Potenzials, auf welchem sich das zumindest eine Lastelement befindet und ein Verbinden des zumindest einen Lastelements mit einem Massepotenzial durch Schließen eines zweiten Schaltelements mittels eines Gate-Treibers, sofern das ermittelte elektrische Potenzial des zumindest Lastelements einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet und/oder der Betrag einer Potenzialdifferenz zwischen dem Potenzial des Lastelements und dem Arbeitspotenzial der Spannungsquelle einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Unterbrechung einer elektrischen Energiezufuhr für zumindest ein elektrisches Lastelement eines ophthalmischen Lasersystems, wobei das Lastelement durch ein erstes Schaltelement mit einer Spannungsquelle und durch ein zweites Schaltelement mit einem Massepotenzial verbunden ist. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines elektrischen Stromflusses zwischen der Spannungsquelle und dem ersten Schaltelement anhand eines Strombegrenzers, mit welchem das erste Schaltelement steuerbar ist und ein Prüfen, ob der ermittelte Stromfluss einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Ferner umfasst das Verfahren ein Bereitstellen einer Information, ob der ermittelte Stromfluss den vorbestimmten Schwellwert übersteigt, an einen Gate-Treiber, mit welchem das zweite Schaltelement steuerbar ist. Sofern die Prüfung ergibt, dass der ermittelte Stromfluss den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, erfolgt gemäß dem Verfahren ein Öffnen des ersten Schaltelements durch den Strombegrenzer zur Trennung des Lastelements von der Spannungsquelle, und/oder ein Öffnen des zweiten Schaltelements durch den Gate-Treiber zur Trennung des zumindest einen Lastelements vom Massepotenzial.
Ein ophthalmisches Lasersystem ist dabei ein Lasersystem für die refraktive chirurgische Behandlung eines Patientenauges, insbesondere der Cornea. Das ophthalmische Lasersystem kann insbesondere eine Laserquelle umfassen und auch eine oder mehrere optische Elemente, um den von der Laserquelle bereitgestellten Laserstrahl auf das Patientenauge zu applizieren. Zudem umfasst das ophthalmische Lasersystem neben der Laserquelle in der Regel noch weitere Komponenten, welche zum Betrieb elektrische Energie benötigen und daher Verbraucher von elektrischer Energie darstellen. Optional kann die Laserquelle als eine Femtosekundenlaserquelle ausgebildet sein. Ein ophthalmisches Lasersystem wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als Lasersystem bezeichnet.
Ein elektrisches Lastelement ist dabei ein Teil des ophthalmischen Lasersystems, welches zum Betrieb elektrische Energie benötigt und im Betrieb elektrische Energie verbraucht. Ein elektrisches Lastelement wird im Rahmen der Offenbarung auch lediglich als „Lastelement“ bezeichnet. Das Lastelement kann dabei eine oder mehrere elektrische Komponenten aufweisen. Mit anderen Worten stellt ein elektrisches Lastelement einen Verbraucher von elektrischer Energie dar oder weist einen oder mehrere solche Verbraucher auf. Insbesondere kann das zumindest eine elektrische Lastelement zumindest eines der folgenden Elemente aufweisen: einen Computer, eine Benutzerschnittstelle, ein Steuergerät, einen Aktor, und eine Laserquelle.
Die Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für das elektrische Lastelement kann insbesondere in Form einer elektrischen Schaltung und/oder eines elektrischen Schaltkreises vorliegen. Dabei können eine Spannungsquelle und/oder das zumindest eine Lastelement einen Teil der Vorrichtung bilden, wenngleich in manchen optionalen Ausführungsformen das zumindest eine Lastelement und/oder die Spannungsquelle nicht Teil der Vorrichtung sind.
Unter einer Regelung der elektrischen Energiezufuhr ist dabei das kontrollierte Bereitstellen von elektrischer Energie zu verstehen. Dies muss nicht zwingend eine Regelung im Sinne der Regelungstechnik umfassen, wenngleich dies möglich ist. Vielmehr kann die Regelung im Sinne der Offenbarung auch eine Steuerung umfassen oder daraus bestehen. Die Regelung der elektrischen Energiezufuhr kann insbesondere ein Einschalten und/oder Abschalten der Energiezufuhr umfassen. Außerdem kann die Regelung eine Variation der zugeführten Leistung umfassen, etwa um die zugeführte Leistung einem im ophthalmischen Lasersystem bzw. in Lastelement vorherrschenden Leistungsbedarf anzupassen.
Ein Schaltelement ist dabei ein elektrisches Schaltelement, welches ein Schalten der elektrischen Leitfähigkeit erlaubt. So kann ein Schaltelement zum Schalten und/oder kontrollierten Variieren eines elektrischen Stromflusses verwendet werden. Das Schaltelement kann dabei verschiedene Schaltzustände aufweisen. Insbesondere kann das Schaltelement einen offenen bzw. geöffneten Schaltzustand aufweisen, in welchem das Schaltelement keinen leitfähigen Strompfad herstellt und entsprechend keinen elektrischen Stromfluss zwischen den Anschlüssen des Schaltelements ermöglicht. Auch kann das Schaltelement einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen, in welchem das Schaltelement einen leitfähigen Strompfad zwischen den Anschlüssen herstellt und dadurch einen Stromfluss durch das Schaltelement ermöglicht. Optional kann das erste und/oder das zweite Schaltelement als ein MOSFET ausgebildet sein.
Die Spannungsquelle kann dabei als eine auf den Bedarf des ophthalmischen Lasersystems und/oder das zumindest eine Lastelement abgestimmte Spannungsquelle ausgebildet sein. Insbesondere kann die Spannungsquelle als eine Gleichspannungsquelle ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Spannungsquelle dazu ausgelegt sein, eine Gleichspannung in Höhe von 48 V bereitzustellen. Dabei ist die Spannung eine Potenzialdifferenz gegenüber dem systemeigenen Massepotenzial, welches dem elektrischen Potenzial des leitfähigen Erdreichs entsprechen kann oder von diesem abweichen kann.
Ein Strombegrenzer ist ein elektrisches Bauteil oder eine Anordnung von elektrischen Bauteilen, welche einen in einem zugewiesenen Überwachungsbereich fließenden elektrischen Strom überwachen und bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwert eines Stroms eine Maßnahme zur Reduktion oder Unterbrechung des Stromflusses bewirkt. Insbesondere ist der Strombegrenzer dazu eingerichtet, im Falle eines Überschreitens des Schwellwertes durch den Stromfluss das erste Schaltelement zu öffnen und auf diese Weise den Stromfluss zu unterbrechen. Dem Merkmal, wonach der Strombegrenzer den Schaltzustand des ersten Schaltelements in Abhängigkeit vom ermittelten Stromfluss steuert, steht nicht entgegen, dass optional auch andere Parameter für die Steuerung oder Regelung des Schaltzustands des ersten Schaltelements herangezogen werden, welche optional unabhängig vom Strombegrenzer ist.
Ein Gate-Treiber ist dabei ein elektrisches Bauteil und/oder eine Anordnung von elektrischen Bauteilen, welche einer Änderung des Schaltzustands des zweiten Schaltelements dienen. Dabei ist zu bedenken, dass eine Schaltzeit vom verwendeten Schaltelement, d.h. von der verwendeten Hardware, wie beispielsweise einem MOSFET, abhängt. Dabei kann der Gate-Treiber dazu ausgelegt sein, den Schaltzustand des zweiten Schaltzustands in einer möglichst kurzen Schaltzeit zu ändern, etwa innerhalb einer Schaltzeit von nicht mehr als 200 µs.
Die Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass mittels der Vorrichtung das zumindest eine elektrische Lastelement zunächst bei noch nicht geschlossenem Stromkreis mit der Spannungsquelle verbunden werden kann und dadurch auf das Arbeitspotenzial der Spannungsquelle gebracht werden kann. Dadurch, dass während dieser Phase des Einschaltens das zweite Schaltelement noch in geöffnetem Zustand gehalten werden kann und entsprechend der Stromkreis noch unterbrochen ist, kann ein hoher Stromfluss vermieden werden. Demzufolge kann die Verlustleistung und die Belastung des ersten Schaltelements gering gehalten werden. In einem weiteren Schritt kann sodann, nachdem das Lastelement auf das Arbeitspotenzial gebracht wurde oder eine anderweitige Potenzialschwelle erreicht wurde, und dadurch die Arbeitsspannung erreicht wurde, das zweite Schaltelement geschlossen werden, um auch den Arbeitsstrom bereitzustellen. Mittels des Gate-Treibers und aufgrund der Tatsache, dass sich das Lastelement bereits auf dem Arbeitspotenzial befindet, kann der Schaltvorgang des zweiten Schaltelements sehr kurz gehalten werden und auf diese Weise ebenfalls die Verlustleistung und entsprechend der Verschleiß im zweiten Schaltelement gering gehalten werden. Der Gate-Treiber stellt dabei sicher, dass ausreichend hohe Ströme für den schnellen Schaltvorgang des zweiten Schaltelements bereitgestellt werden.
Somit bietet die Erfindung den Vorteil, dass ein zweistufiger Einschaltprozess für die elektrische Energieversorgung des Lastelements bereitgestellt werden kann, wobei zunächst die Arbeitsspannung mittels des ersten Schaltelements und erst im Anschluss daran der Arbeitsstrom mit dem zweitem Schaltelement bereitgestellt wird. Dies führt zu einer Verringerung der Verlustleistung und der Belastung in den Schaltelementen und entsprechend zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Schaltelemente. Das zweite Schaltelement kann dadurch relativ klein dimensioniert werden, was insbesondere zu einer Materialeinsparung und/oder einer Kosteneinsparung führen kann.
Außerdem bieten die Ausführungsformen den Vorteil, dass durch jedes der beiden Schaltelemente der Stromkreis unterbrochen und entsprechend die elektrische Energieversorgung abgeschaltet werden kann. Somit stehen zwei redundante Schaltelemente für die Abschaltung der Energieversorgung in einem Störfall zur Verfügung. Folglich bieten die Ausführungsformen die Möglichkeit, die Sicherheit des ophthalmischen Lasersystems und der Vorrichtung zu erhöhen.
Ferner bieten die Ausführungsformen den Vorteil, dass diese eine rein hardwarebasierte Regelung der Energiezufuhr ermöglichen. Entsprechend ist im Gegensatz zu einem microcontrollergesteuerten Leistungsmanagement keine Verwendung einer Steuerungssoftware erforderlich. Somit entfällt das zwingende Erfordernis, eine entsprechende Software bereitzustellen und der damit verbundene Aufwand zur Entwicklung und Zertifizierung der Software.
Zudem bieten die Ausführungsformen den Vorteil, dass keine zusätzlichen diskreten Leitungen zu den einzelnen Lasten bzw. Lastelementen zwingend erforderlich sind und entsprechend die elektrische Verkabelung vereinfacht werden kann, wie dies typischerweise bei Serverbackendversorgungen erforderlich ist. Außerdem bieten die Ausführungsformen den Vorteil, dass die Lastelemente nicht zwingend feedbackfähig ausgestaltet sein müssen und die Vorrichtung zur Regelung der Energiezufuhr entsprechend lastunabhängig entwickelt werden kann. Dadurch können die Entwicklungs- und Bereitstellungskosten reduziert werden.
Auch bieten die Ausführungsformen den Vorteil, dass diese eine präzise Einschaltstrombegrenzung ermöglichen, mittels welcher, im Gegensatz zu trägen Systemen zur Energieversorgung mit stark belasteten Schaltelementen im Linearbetrieb, auch bei knapp bemessenen Leistungsbudgets eine Überlastung der Spannungsquelle, beispielsweise eines Netzteils, vermieden werden kann. Auch bieten die Ausführungsformen einen präzisen Überstromschutz im Falle eines Kurzschlusses.
Ferner bieten die Ausführungsformen den Vorteil, dass Schaltelemente verwendet werden können, welche sehr schnell und nahezu leistungslos geschaltet werden können, insbesondere als MOSFETs ausgebildete Schaltelemente. Insbesondere bieten die Ausführungsformen dabei den Vorteil, dass ein verzögertes Einschalten und eine typischerweise damit einhergehende starke Belastung der Schaltelemente vermieden werden kann, wodurch die Lebensdauer der Schaltelemente erhöht werden kann. Insbesondere kann der Verschleiß des ersten Schaltelements durch den Einsatz eines Strombegrenzers und der Verschleiß des zweiten Schaltelements durch den Einsatz eines Gate-Treibers reduziert werden.
Außerdem bieten die Ausführungsformen den Vorteil, dass handelsübliche Bauteile zur Realisierung der Vorrichtung verwendet werden können. Insbesondere können handelsübliche Schaltelemente, wie etwa MOSFETs, Gate-Treiber und/oder Strombegrenzer für die Realisierung der Vorrichtung Verwendung finden. Dadurch können die Herstellungskosten reduziert werden.
Optional ist die Vorrichtung zur Regelung der elektrischen Energiezufuhr dazu eingerichtet, eine Information über ein durch den Strombegrenzer ermitteltes Überschreiten des vorbestimmten Schwellwertes durch den Stromfluss zwischen der Spannungsquelle und dem ersten Schaltelement an den Gate-Treiber zu übermitteln. Mit anderen Worten sind der Strombegrenzer und der Gate-Treiber optional in Form einer Feedback-Schleife miteinander gekoppelt. Insbesondere kann bei Erkennen eines Überschreitens des Schwellwertes durch den Stromfluss, d.h. etwa bei Vorliegen eines Stromflusses, welcher einen zulässigen Maximalwert überschreitet, durch den Strombegrenzer eine entsprechende Information bzw. ein entsprechendes Signal an den Gate-Treiber übermittelt werden. Der Gate-Treiber kann optional daraufhin das zweite Schaltelement öffnen und dadurch den Stromkreis unterbrechen. Da optional auch der Strombegrenzer dazu eingerichtet sein kann, in solch einem Fehlerfalle das erste Schaltelement zu öffnen, kann ein zweistufiges Sicherheitssystem bereitgestellt werden, wodurch die Sicherheit erhöht werden kann. Insbesondere kann auch der Gate-Treiber dazu eingerichtet sein, dass dieser das vorherrschende elektrische Potenzial des zumindest einen Lastelements bzw. eine am zumindest einen Lastelement vorherrschende Spannung gegenüber einem Referenzpotenzial, beispielsweise dem Massepotenzial, zu ermitteln, um etwa darauf basierend den Schaltzustand des zweiten Schaltelements zu steuern.
Optional ist das erste Schaltelement und/oder das zweite Schaltelement jeweils als ein Transistor, insbesondere als ein Feldeffekt-Transistor, FET, und insbesondere als ein Metalloxid-Halbleiter-FET, MOSFET, ausgebildet oder weist einen solchen auf. Dies bietet den Vorteil, dass ein besonders schnelles Ein- und/oder Ausschalten der Schaltelemente ermöglicht wird. Ferner bietet dies den Vorteil, dass handelsübliche Komponenten verwendet werden können.
Optional ist der Gate-Treiber dazu ausgelegt, den Schaltzustand des zweiten Schaltelements innerhalb einer Schaltzeit von 50 µs oder 100 µs bis 1 ms oder 2 ms, bevorzugt von 200 µs, von einem geschlossenen in einen offenen Schaltzustand zu überführen. Das heißt, die Schaltzeit des zweiten Schaltelements (in nachfolgender Formel als t_Einschalt bezeichnet) kann wie folgt gewählt werden: 50µs oder 100µs ≤ t_Einschalt ≤ 1 ms oder 2ms. Bevorzugt wird die Schaltzeit des zweiten Schaltelements jedoch auf 200 µs begrenzt oder beträgt 200 µs. Dadurch kann der Zeitraum, in welchem das Schaltelement erhöhten Belastungen ausgesetzt sein kann, zeitlich reduziert werden und entsprechend die Gesamtbelastung des Schaltelements verringert werden. Folglich bietet dies den Vorteil, dass ein Verschleiß des zweiten Schaltelements verringert und die Lebensdauer erhöht werden kann. Entsprechend ist auch das Verfahren zur Bereitstellung der elektrischen Energie vorzugsweise derart ausgestaltet, dass das Schließen des zweiten Schaltelements durch den Gate-Treiber innerhalb einer Schaltzeit von 50 µs oder 100 µs bis 1 ms oder 2 ms, bevorzugt von 200 µs, erfolgt.
Die oben genannten und im Folgenden erläuterten Merkmale und Ausführungsformen sind dabei nicht nur als in den jeweils explizit genannten Kombinationen offenbart anzusehen, sondern sind auch in anderen technisch sinnhaften Kombinationen und Ausführungsformen vom Offenbarungsgehalt umfasst.
Weitere Einzelheiten und Vorteile sollen nun anhand von den folgenden Beispielen und optionalen Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 einen beispielhaften Schaltplan für eine Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für eine elektrisches Lastelement eines ophthalmischen Lasersystems;
2 ein ophthalmisches Lasersystem mit einer Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr.

In den folgenden Figuren werden gleiche oder ähnliche Elemente in den verschiedenen Ausführungsformen der Einfachheit halber mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen beispielhaften Schaltplan für eine Vorrichtung 10 zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für ein elektrisches Lastelement 20 eines ophthalmischen Lasersystems 14. Gemäß der gezeigten Ausführungsform weist die Vorrichtung 10 eine Spannungsquelle 16 auf, welche als Gleichspannungsquelle zur Bereitstellung einer Spannung von 48 V ausgelegt ist. Beispielsweise kann die Spannungsquelle als ein Netzteil ausgebildet sein oder ein solches umfassen. Gemäß anderen optionalen Ausführungsformen kann die Vorrichtung dazu ausgelegt sein, keine Spannungsquelle aufzuweisen, sondern mit einer externen Spannungsquelle verbunden zu werden.
Zudem weist die Vorrichtung 10 ein erstes Schaltelement 18a und ein zweites Schaltelement 18b auf, welche beide als Transistoren, insbesondere als MOSFETs, ausgebildet sein können. Dabei können die beiden Schaltelemente 18a und 18b gleichartig oder verschiedenartig voneinander ausgebildet sein.
Dabei ist die Vorrichtung 10 derart ausgebildet, dass das erste Schaltelement 18a in einer Zuleitung zu zumindest einem Lastelement 20 angeordnet ist, d.h. zwischen der Spannungsquelle 16 und dem Lastelement 20, und das zweite Schaltelement 18b in einer Ableitung vom Lastelement 20, d.h. zwischen dem Lastelement 20 und einem Massepotenzial 22, angeordnet ist. Das zumindest eine Lastelement 20 ist dabei mit einer gestrichelten Linie umrandet, um dazustellen, dass dieses nicht notwendigerweise einen Teil der Vorrichtung 10 bilden muss. Insbesondere kann es sich bei dem zumindest einen Lastelement um einen oder mehrere Verbraucher von elektrischer Energie eines ophthalmischen Lasersystems handeln, wie etwa eine Laserquelle und/oder ein Computer und/oder eine Benutzerschnittstelle, und/oder ein Steuergerät und/oder ein Aktor, wie etwa eine Verschiebeeinheit. Die Kapazität und der ohmsche Widerstand des Lastelements 20 sind beispielhaft durch einen Kondensator 20a und einen elektrischen Widerstand 20b indiziert.
Außerdem weist die Vorrichtung 10 einen Strombegrenzer 24 auf, welcher dazu ausgelegt ist, zwischen der Spannungsquelle 16 und dem ersten Schaltelement 18a die über einem Messwiderstand 26 abfallende Spannung zu messen und darauf basierend den Stromfluss durch den Messwiderstand 26 zu ermitteln. Der Strombegrenzer 24 ist ferner mit dem ersten Schaltelement 18a verbunden, um dieses zu steuern, d.h. um dessen Schaltzustand zu ändern. Insbesondere kann bei einem als MOSFET ausgebildeten ersten Schaltelement 18a der Strombegrenzer mit dem Gate-Anschluss des MOSFETs verbunden sein, um darüber den Schaltzustand zu steuern.
Zudem weist die Vorrichtung 10 einen Gate-Treiber 28 auf, welcher mit dem zweiten Schaltelement 18b verbunden ist, um dessen Schaltzustand zu steuern. Auch dabei kann das zweite Schaltelement 18b als MOSFET ausgebildet sein und der Gate-Treiber 28 mit dem Gate des MOSFETs verbunden sein. Insbesondere kann der Gate-Treiber 28 dazu ausgelegt sein, besonders hohe Ströme bereitzustellen, um den Schaltzustand des zweiten Schaltelements 18b möglichst schnell zu ändern und dadurch die Zeitdauer des Übergangs, in welchem das zweite Schaltelement besonders hohen Belastungen ausgesetzt sein kann, zeitlich zu minimieren. Um eine präzise Steuerung des zweiten Schaltelements 18b durch den Gate-Treiber 28 zu ermöglichen, ist der Gate-Treiber 28 zum einen über eine Fehler-Feedbackleitung 30 mit dem Strombegrenzer 24 verbunden. Über die Fehler-Feedbackleitung 30 kann der Strombegrenzer 24 dem Gate-Treiber 28 das Vorliegen eines Fehlers mitteilen, beispielsweise durch ein Übermitteln einer entsprechenden (Fehler-) Information mittels zumindest eines diskreten, analogen Signals, falls der Strombegrenzer 24 einen Stromfluss ermittelt hat, welcher über dem vorbestimmten Schwellwert liegt. Dies kann den Gate-Treiber 28 dazu veranlassen, das zweite Schaltelement 18b zu öffnen und dadurch den Stromkreis zu unterbrechen.
Außerdem ist der Gate-Treiber 28 mit der Leitung zwischen dem ersten Schaltelement 18a und dem zumindest einen Lastelement 20 verbunden, um ein am Lastelement 20 vorherrschendes elektrisches Potenzial bzw. eine Spannung des Lastelements 20 gegenüber einem Referenzpotenzial, beispielsweise dem Massepotenzial 22, zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann ein Spannungs-Feedback-Element 29 bereitgestellt sein, welches die Spannung bzw. das Potenzial des Lastelements 20 ermittelt und dem Gate-Treiber 28 eine entsprechende Information bereitstellt. Auf Basis des ermittelten Potenzials kann der Gate-Treiber 28 ermitteln, ob das zumindest eine Lastelement 20 bereits vorgespannt ist, d.h. sich auf dem Potenzial der Spannungsquelle 16 befindet, oder sich noch auf einem niedrigeren Potenzial oder gar dem Massepotenzial befindet. Dadurch kann der Gate-Treiber 28 den Schaltzustand des zweiten Schaltelements 18b in Abhängigkeit vom vorherrschenden Potenzial des Lastelements 20 ändern. Insbesondere kann zum Einschalten der elektrischen Energiezufuhr der Gate-Treiber 28 das zweite Schaltelement 18b zunächst geöffnet halten und erst dann schließen, wenn das zumindest eine Lastelement 20 vorgespannt ist. Dadurch kann beim Schließen des zweiten Schaltelements 18b frühzeitig ein hoher Stromfluss bereitgestellt werden und entsprechend der Schaltvorgang verkürzt und die Belastung des zweiten Schaltelements 18b gering gehalten werden. Denkbar ist, dass ein Kondensator für das zweite Schaltelement bereitgestellt wird, der eine wiederholbare bzw. vordefinierte Schaltzeit des zweiten Schaltelements 18b garantiert.
Die Vorrichtung 10 bietet demnach den Vorteil, dass ein Einschaltvorgang der Bereitstellung von elektrischer Energie für das Lastelement 20 besonders schonend für die Bauteile erfolgen kann und entsprechend der Verschleiß der Schaltelemente gering gehalten werden kann. Darüber hinaus bietet die Vorrichtung zudem auch ein besonders hohes Maß an Sicherheit, da diese die Unterbrechung des Stromkreises im Falle einer Störung an gleich zwei verschiedenen Stellen mit zwei separaten Schaltelementen 18a und 18b ermöglicht.
Dabei kann zur Vermeidung einer Überlastung der Vorrichtung 10 im Strombegrenzer 24 ein vorbestimmter Schwellwert hinterlegt sein, bei dessen Überschreiten durch den Stromfluss der Strombegrenzer das erste Schaltelement 18a in einen geöffneten Zustand bringen kann und folglich den Stromkreis unterbrechen kann. Zudem kann der Strombegrenzer 24 über die Fehler-Feedbackleitung 30 das Vorliegen eines Fehlers dem Gate-Treiber 28 mitteilen, woraufhin auch der Gate-Treiber 28 ebenfalls das zweite Schaltelement 18b in einen geöffneten Zustand bringen kann und auch der Stelle des zweiten Schaltelements 18b unterbrechen kann. Selbstverständlich kann gemäß manchen optionalen Ausführungsformen vorgesehen sein, den Stromkreis im Falle eines Fehlers und/oder beim Ausschalten im Regelbetrieb lediglich mit einem der Schaltelemente 18a und 18b zu unterbrechen, was für die Beendigung des Stromflusses auch ausreichend ist. Allerdings bietet eine Vorrichtung 10 gemäß einer optionalen Ausführungsform 10, welche sich beider Schaltelemente 18a und 18b zum Unterbrechen des Stromkreises bedient, den Vorteil, dass auch dann der Stromkreis zuverlässig unterbrochen werden kann, wenn eines der beiden Schaltelemente 18a und 18b nicht vollständig funktionstüchtig ist und den Stromkreis nicht zu unterbrechen vermag. In diesem Fall wird sodann dennoch durch das jeweils andere, korrekt funktionierende Schaltelement, das sichere Unterbrechen des Stromkreises gewährleistet. Auf diese Weise kann ein redundantes System zur Unterbrechung des Stromkreises bereitgestellt werden.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein ophthalmisches Lasersystem 14 gemäß einer optionalen Ausführungsform, welches eine Vorrichtung 10 zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr gemäß einer optionalen Ausführungsform und zumidnest einen Lastelement 20 aufweist. Das ophthalmische Lasersystem 14 ist mit einer externen Spannungsquelle 32 verbunden, welches elektrische Energie bereitstellt, die jedoch vom ophthalmischen Lasersystem nicht ohne Weiteres verwendet werden kann. Beispielsweise kann das ophthalmische Lasersystem 14 für den Betrieb eine Gleichspannung benötigen, während die externe Spannungsquelle 32 eine Wechselspannung bereitstellt. Die externe Spannungsquelle kann beispielsweise als ein Quelle von Netzspannung ausgebildet sein.
Dabei wird die elektrische Leistung bzw. Energie in ein Netzteil eingespeist und von diesem in eine Gleichspannung umgewandelt, welches sodann als interne Spannungsquelle 16 für das ophthalmsiche Lasersystem 14 dient. Daraufhin wird die von der internen Spannungsquelle 16 bereitgestellte Spannung und der zugehörige Stromfluss durch die Vorrichtung 10 geregelt, sodass dem zumindest einen Lastelement 20 die elektrische Energie in geeigneter Form bereitgestellt wird.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr
14: ophthalmisches Lasersystem
16: Spannungsquelle
18a: erstes Schaltelement
18b: zweites Schaltelement
20: Lastelement
20a: Kondensator (Kapazität des Lastelements)
20b: Widerstand (ohmscher Widerstand des Lastelements)
22: Massepotenzial
24: Strombegrenzer
26: Messwiderstand
28: Gate-Treiber
30: Fehler-Feedbackleitung
32: externe Spannungsquelle

Claims

Ophthalmisches Lasersystem (14) umfassend zumindest ein elektrisches Lastelement (20) und eine Vorrichtung (10) zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für das elektrisches Lastelement (20), die Vorrichtung (10) zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr umfassend: - ein erstes Schaltelement (18a), welches eine Spannungsquelle (16) und das zumindest eine Lastelement (20) schaltbar verbindet; - ein zweites Schaltelement (18b), welches das zumindest eine Lastelement (20) und ein Massepotenzial (22) schaltbar verbindet; - einen Strombegrenzer (24), welcher dazu ausgelegt ist, einen Stromfluss zwischen der Spannungsquelle (16) und dem ersten Schaltelement (18a) zu ermitteln und in Abhängigkeit vom ermittelten Stromfluss einen Schaltzustand des ersten Schaltelements (18a) steuern; - einen Gate-Treiber (28), welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem elektrischen Potenzial des zumindest einen Lastelements (20) einen Schaltzustand des zweiten Schaltelements (18b) zu steuern; wobei der Strombegrenzer (24) und/oder der Gate-Treiber (28) dazu eingerichtet sind, bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes des elektrischen Stromflusses zwischen der Spannungsquelle (16) und dem ersten Schaltelement (18a) das erste Schaltelement (18a) bzw. das zweite Schaltelement (18b) in einen geöffneten Zustand zu schalten.
Ophthalmisches Lasersystem (14) gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (10) zur Regelung der elektrischen Energiezufuhr dazu eingerichtet ist, eine Information über ein durch den Strombegrenzer (24) ermitteltes Überschreiten des vorbestimmten Schwellwertes durch den Stromfluss zwischen der Spannungsquelle (16) und dem ersten Schaltelement (18a) an den Gate-Treiber (28) zu übermitteln.
Ophthalmisches Lasersystem (14) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Schaltelement (18a) und/oder das zweite Schaltelement (18b) jeweils als ein Transistor, insbesondere als ein Feldeffekt-Transistor, FET, und insbesondere als ein Metalloxid-Halbleiter-FET, MOSFET, ausgebildet ist oder einen solchen aufweist.
Ophthalmisches Lasersystem (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsquelle (16) als eine Gleichspannungsquelle ausgebildet ist.
Ophthalmisches Lasersystem (14), wobei das zumindest eine elektrische Lastelement (20) zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: einen Computer, eine Benutzerschnittstelle, ein Steuergerät, einen Aktor, und eine Laserquelle.
Ophthalmisches Lasersystem (14), wobei der Gate-Treiber (28) dazu ausgelegt ist, den Schaltzustand des zweiten Schaltelements (18b) innerhalb einer Schaltzeit von 50 µs oder 100 µs bis 1 ms oder 2 ms, bevorzugt von 200 µs, von einem geschlossenen in einen offenen Schaltzustand zu überführen.
Vorrichtung (10) zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr für ein elektrisches Lastelement (20), die Vorrichtung (10) umfassend: - ein erstes Schaltelement (18a), welches dazu ausgelegt ist, eine Spannungsquelle (16) und das Lastelement (20) schaltbar zu verbinden; - ein zweites Schaltelement (18b), welches dazu ausgelegt ist, das Lastelement (20) und ein Massepotenzial (22) schaltbar zu verbinden; - einen Strombegrenzer (24), welcher dazu ausgelegt ist, einen Stromfluss zwischen der Spannungsquelle (16) und dem ersten Schaltelement (18a) zu ermitteln und in Abhängigkeit vom ermittelten Stromfluss einen Schaltzustand des ersten Schaltelements (18a) steuern; - einen Gate-Treiber (24), welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem elektrischen Potenzial des zumindest einen Lastelements (20) einen Schaltzustand des zweiten Schaltelements (18b) zu steuern; wobei der Strombegrenzer (24) und/oder der Gate-Treiber (28) dazu eingerichtet sind, bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes des elektrischen Stromflusses zwischen der Spannungsquelle (16) und dem ersten Schaltelement (18a) das erste Schaltelement (18a) bzw. das zweite Schaltelement (18b) in einen geöffneten Zustand zu schalten.
Verwendung einer Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 7 zur Regelung einer elektrischen Energiezufuhr eines ophthalmischen Lasersystems (14).
Verwendung einer Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8 zur Zufuhr von elektrischer Energie zu zumindest einem elektrischen Lastelement (20) eines ophthalmischen Lasersystems (14), wobei das zumindest eine Lastelement (20) zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: einen Computer, eine Benutzerschnittstelle, ein Steuergerät, einen Aktor, und eine Laserquelle.
Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Energie für zumindest ein elektrisches Lastelement (20) eines ophthalmischen Lasersystems (14), das Verfahren umfassend: - Verbinden des zumindest einen elektrischen Lastelements (20) mit einer Spannungsquelle (16) durch Schließen eines ersten Schaltelements (18a) derart, dass das zumindest eine Lastelement (20) auf ein durch die Spannungsquelle (16) bereitgestelltes elektrisches Arbeitspotenzial gebracht wird; - Ermitteln des elektrischen Potenzials, auf welchem sich das zumindest eine Lastelement (20) befindet, - Verbinden des zumindest einen Lastelements (20) mit einem Massepotenzial (22) durch Schließen eines zweiten Schaltelements (18b) mittels eines Gate-Treibers (28), sofern das ermittelte elektrische Potenzial des zumindest Lastelements (20) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet und/oder der Betrag einer Potenzialdifferenz zwischen dem Potenzial des Lastelements und dem Arbeitspotenzial der Spannungsquelle einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Schließen des zweiten Schaltelements (18b) durch den Gate-Treiber (28) innerhalb einer Schaltzeit von 50 µs oder 100 µs bis 1 ms oder 2 ms, bevorzugt von 200 µs, erfolgt.
Verfahren zur Unterbrechung einer elektrischen Energiezufuhr für zumindest ein elektrisches Lastelement (20) eines ophthalmischen Lasersystems (14), wobei das Lastelement (20) durch ein erstes Schaltelement (18a) mit einer Spannungsquelle (16) und durch ein zweites Schaltelement (16) mit einem Massepotenzial (22) verbunden ist, das Verfahren umfassend: - Ermitteln eines elektrischen Stromflusses zwischen der Spannungsquelle (16) und dem ersten Schaltelement (18a) anhand eines Strombegrenzers (24), mit welchem das erste Schaltelement (18a) steuerbar ist; - Prüfen, ob der ermittelte Stromfluss einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet; - Bereitstellen einer Information, ob der ermittelte Stromfluss den vorbestimmten Schwellwert übersteigt, an einen Gate-Treiber (28), mit welchem das zweite Schaltelement (18b) steuerbar ist; - Sofern die Prüfung ergibt, dass der ermittelte Stromfluss den vorbestimmten Schwellwert überschreitet: + Öffnen des ersten Schaltelements (18a) durch den Strombegrenzer (24) zur Trennung des Lastelements (20) von der Spannungsquelle (16), und/oder + Öffnen des zweiten Schaltelements (18b) durch den Gate-Treiber (28) zur Trennung des zumindest einen Lastelements (20) vom Massepotenzial (22).