DE3629349C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen triggerbaren Impulsgenera­ tor, welcher periodisch mit fester oder variabler Impuls- Wiederholungsrate eine gespeicherte elektrische Ladung über einen elektronischen Schalter als zeitlich kurzen Impuls hoher Spannung und hoher Stromstärke (T ≲ 200 ns, U ≲ 800 V, I ≲ 200 A) an eine Lastimpedanz, vorzugs­ weise eine Laserdiode, abgibt, und bei welchem die Trig­ gerung durch einen Triggergenerator erfolgt, welcher den elektronischen Schalter periodisch durchschaltet und einen Kondensator aufweist, mittels welchem bei Erreichen bzw. Überschreiten einer Schwellenspannung bei dessen Aufladung der elektronische Schalter durchschaltbar ist.

Aus der DE 32 16 312 A1 ist eine Schaltung für den Be­ trieb einer Diode mit Impulsen fest vorgegebener Höhe und Länge bekannt. Die Form und Länge der Impulse wird durch die Wahl der entsprechenden Bauteile der Schaltung einma­ lig festgelegt, wobei die Impulse jeweils im Rahmen der vom Hersteller angegebenen Grenzdaten der Laserdiode liegen müssen. Eingriffe in die Schaltung sind hier immer dann erforderlich, wenn beispielsweise bei einer Repara­ tur ein Austausch der Laserdiode erfolgt, da infolge einer immer vorhandenen Bauteilstreuung die optimale Anpassung verloren geht. Will man diese individuelle Anpassung der Schaltung bei in Serie produzierten Geräten umgehen, muß entweder mit vorselektierten Laserdioden gearbeitet werden, was sehr teuer ist, oder es muß ein entsprechender Sicherheitsabstand zu den Grenzdaten der Laserdiode eingehalten werden, was jedoch einer optimalen Ausnutzung der individuellen Leistungsfähigkeit der je­ weils eingebauten Diode entgegensteht.

Die DE 33 25 420 A1 und die DE 33 31 132 C1 zeigen jeweils Schaltungen für den Betrieb von pulsmodulierten Dauerstrich-Laserdioden. Sie arbeiten mit relativ niedri­ gen Strömen, die maximal etwa 1 A betragen. Bei beiden offenbarten Schaltungen erfolgt eine Regelung der Lei­ stung der Laserdioden durch Gegenkopplung auf optischem Wege. Dies bedeutet, daß ein Teil der abgestrahlten La­ serstrahlleistung für die Regelung abgezweigt wird. Außerdem ist diese Regelung relativ aufwendig und be­ nötigt zumindest eine Fotodiode, die im Abstrahlbereich der Laserdiode angeordnet sein muß.

Die US 36 54 489 schließlich zeigt eine Schaltung für einen Hochstrom-Impulsgenerator zum Betrieb mit einer variablen oder unbekannten Last. Die Schaltung ist darauf ausgelegt, Impulse zu erzeugen, deren Form, d. h. insbe­ sondere Höhe und Länge, unabhängig von der angeschlosse­ nen Lastimpedanz sind. Dabei ist die Impulslänge extern vorgebbar. Eine selbsttätige Rückwirkung der Lastimpedanz auf den Generator zwecks dessen Anpassung an die Lastim­ pedanz ist nicht vorgesehen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen triggerbaren Impulsgenerator der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine individuelle Anpassung an veränderte Lastimpe­ danzen überflüssig macht und der zugleich einen sicheren Betrieb mit optimaler Leistung bei unterschiedlichen Lastimpedanzen gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch einen triggerbaren Impulsgenerator der eingangs genannten Art, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der Konden­ sator über die Lastimpedanz aufladbar ist.

Der Impulsgenerator gemäß Erfindung besitzt damit eine Selbstregulierung, die eine manuelle Anpassung und Ein­ stellung, abgesehen von einer einmaligen Grundeinstellung, überflüssig macht. Bei Vergrößerung der Lastimpedanz, z. B. durch Temperaturänderungen oder Alterung des hierfür verwendeten Bauteils, wird selbsttätig die Impuls-Wieder­ holungsrate und damit die mittlere Leistung der Lastimpe­ danz verkleinert, da die Änderung der Lastimpedanz unmit­ telbar die Aufladezeit des dem elektronischen Schalter zugeordneten Kondensator ändert. Hierdurch wird eine schädliche Überlastung der Lastimpedanz vermieden und damit deren Lebensdauer vergrößert, was im Fall einer Laserdiode als Lastimpedanz eine erhebliche Kostenein­ sparung bedeutet.

In weiterer Ausgestaltung des Triggergenerators ist vor­ gesehen, daß ein die elektrische Ladung für die Lastimpe­ danz speichernder Kondensator über eine einen frequenzab­ hängigen Blindwiderstand darstellende, die Stromanstiegs­ geschwindigkeit des Ladestromes begrenzende Induktivität aufladbar ist. Hierdurch wird eine Kompensation eines infolge einer verkleinerten Impuls-Wiederholungsrate bei Lastimpedanzvergrößerung auftretenden zu starken Lei­ stungsabfalls der Lastimpedanz ermöglicht, da die Im­ pulsspitzenleistung der einzelnen Impulse erhöht wird. Beim umgekehrten Fall, d. h. einer Lastimpedanzverminde­ rung, erhöht sich die Impuls-Wiederholungsrate, wobei hier aber zugleich durch Verkleinerung der Impulsspitzen­ leistung eine schädliche, übermäßige Leistungserhöhung der Lastimpedanz verhindert wird.

Um den Impulsgenerator gegen Beschädigung oder Zerstörung im Fall einer Fehlfunktion eines oder mehrerer Bauteile zu schützen, besitzt der Generator zweckmäßig eine nur durch externen Eingriff rücksetzbare elektronische Siche­ rung, welche einen Thyristor aufweist, welcher bei einem über eine vorgebbare oder festgelegte Zeit andauernden Durchschaltzustand des elektronischen Schalters des Im­ pulsgenerators durchgeschaltet wird und nachfolgend mit­ tels Durchleitung eines ausreichend hohen Haltestromes im Durchlaßzustand verbleibt und welcher im Durchlaßzustand die Speisespannung des Impulsgenerators unmittelbar ab­ schaltet oder einen weiteren elektronischen Schalter aktiviert, welcher die Speisespannung des Impulsgenera­ tors abschaltet. Hierdurch wird der Impulsgenerator beim Auftreten eines Fehlers völlig stillgesetzt, indem die Speisespannung des Impulsgenerators abgeschaltet wird. Ein Schwingen der Sicherung, d. h. ein ständiges Hin- und Herkippen zwischen Aus- und Einschaltzustand, wird so ausgeschlossen. Die Sicherung kann nur durch einen exter­ nen Eingriff - nach Behebung des Fehlers - wieder rückge­ setzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen

Fig. 1 einen Impulsgenerator mit Peripherie in Form eines Blockdiagrammes,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Impulsgenerators gemäß Erfindung mit Triggergenerator und Lastim­ pedanz in Form eines vereinfachten Schaltbildes und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Impulsgenerator gemäß Erfindung mit vollständiger Peripherie einschließlich elektronischer Sicherung in Form eines Prinzip-Schaltbildes.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt in einem Blockschaltbild einen Impulsgenerator mit seinen peripheren, für den Betrieb erforderlichen bzw. nützlichen Einheiten.

Bei einem Impulsgenerator für Netzbetrieb, wie im Bei­ spiel der Fig. 1, wird die aus dem Netz entnommene Netzspannung über einen Netztransformator auf eine höhere Spannung transformiert. Diese wird in einem nachfolgenden Hochvolt-Gleichrichter zu einer Hochvolt- Gleichspannung gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird einer Hochvolt-Stabilisierung zugeführt, welche die Spannung auf einem stabilen, festgelegten Wert hält. Die stabilisierte Spannung wird anschließend auf einen Hochvolt-Regler gegeben, welcher über ein ebenfalls von der Hochvolt-Stabilisierung versorgtes Hochvolt-Stellglied einstellbar ist. Der Hochvolt-Regler gibt eine stabilisierte, geregelte Gleichspannung als Speisespannung U _P an den Impulsgenerator. Eine vom Hoch­ volt-Regler versorgte elektronische Sicherung sorgt bei Auftreten eines Fehlers für ein Abschalten der Versor­ gungsspannung U _P .

Vom bereits erwähnten Hochvolt-Gleichrichter wird wei­ terhin eine Spannung abgezweigt, die einem Trigger- Stabilisator zugeführt wird, wo sie auf einen festgeleg­ ten Wert stabilisiert wird. Diese Spannung wird als Versorgungsspannung U _T einem Triggergenerator zugeführt. Dieser Triggergenerator dient zur Triggerung des Impuls­ generators, d. h. er löst die vom Impulsgenerator er­ zeugten Strom- bzw. Spannungsimpulse aus. Vom Impulsge­ nerator gelangen die erzeugten Impulse zu einer Lastim­ pedanz, z. B. einer Laserdiode. Soweit wie bisher be­ schrieben, entspricht der Aufbau dem von gängigen Im­ pulsgeneratoren.

Neu ist bei der vorliegenden Erfindung, daß die Lastim­ pedanz mit dem Triggergenerator gekoppelt ist, genauer daß die Lastimpedanz auf den Triggergenerator zurück­ wirkt. Durch diese Rückwirkung der Lastimpedanz auf den Triggergenerator wird der Triggergenerator so beein­ flußt, daß der Impulsgenerator die Lastimpedanz unabhän­ gig von Änderungen oder Austausch der Lastimpedanz stän­ dig optimal ansteuert.

Ein erstes, einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt, welche ein prinzipielles Schaltbild eines Impulsgenerators mit Triggergenerator und Lastimpedanz zeigt. Der eigentliche Impulsgenerator besteht hier aus einem Thyristor THY, einem Kondensator C _P , einem Widerstand R _P und einer Spule L _P . Der Trigger­ generator wird gebildet durch einen Kondensator C _T , eine Triggerdiode D _T , einen Widerstand R _T sowie einen Schutz­ widerstand R _S zwischen Gate und Kathode des Thyristors THY. Die Lastimpedanz ist hier eine Laserdiode D _L .

Die Funktionsweise ist wie folgt:

Mittels der Versorgungsspannung U _P wird der Kondensator C _P über die Induktivität L _P und den Widerstand R _P aufge­ laden, d. h. der Kondensator C _P dient als Speicher für die elektrische Ladung, die der Laserdiode D _L zugeführt werden soll. Gleichzeitig wird mittels der Versorgungs­ spannung U _T der Kondensator C _T über den Widerstand R _T aufgeladen. Im Unterschied zu Schaltungen nach dem Stand der Technik wird hier der Kondensator C _T über die Last­ impedanz, hier über die Laserdiode D _L aufgeladen. Dies bedeutet, daß die Ladezeit des Kondensators C _T unmittel­ bar von der Größe der Lastimpedanz, hier als Impedanz der Laserdiode D _L abhängt. Sobald die Spannung an den Platten des Kondensators C _T die Durchbruchsspannung der Diode D _T erreicht bzw. überschreitet, schaltet diese durch und es wird ein Stromimpuls auf das Gate des Thy­ ristors THY gegeben; hierbei wird der Kondensator C _T schlagartig entladen und die Triggerdiode D _T fällt in den Sperrzustand zurück. Der Thyristor THY schaltet, durch und entleert den Kondensator C _P über den Widerstand R _P und die Laserdiode D _L . Hierbei wird ein zeitlich kurzer Impuls hoher Stromstärke und hoher Spannung erzeugt, wie er für den Betrieb der Laserdiode D _L erforderlich ist. Nach Entleerung des Kondensators C _P über den Thyristor THY, den Widerstand R _P und die Last D _L sperrt der Thyri­ stor THY wegen Unterschreitung seines Haltestromes.

Hierbei hat die Spule L _P die Aufgabe, durch Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit des Ladestromes für den Kondensator C _P den Thyristor THY für eine Zeit, die größer als dessen Freiwerdezeit ist, an einer nicht durch den Triggergenerator kontrollierten Wiederdurch­ schaltung zu hindern. Danach beginnt der beschriebene Zyklus von vorn.

Der Widerstand R _S hat in der Schaltung nach Fig. 2 die Aufgabe, eventuelle schädliche Verschiebeströme im Halbleiterkristall des Thyristors THY zu verhindern bzw. auf für dieses Bauteil unschädliche Werte zu begrenzen.

Fig. 3 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem alle in Fig. 1 in Form des Blockdiagrammes dargestellten Baueinheiten beispielhaft in Form eines vereinfachten Schaltbildes dargestellt sind.

Gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel der Erfin­ dung wird die Netzspannung von 220 V/50 Hz mittels eines Transformators TR 1 transformiert und über eine Sicherung F 1 auf die Schließerkontakte eines Relais K 1 geführt. Bei Anlegen einer externen Versorgungsspannung an die Spule des Relais K 1, in diesem Beispiel 12 V Gleichspannung, werden die Kontakte des Relais K 1 ge­ schlossen. Die transformierte Wechselspannung gelangt daraufhin zu dem in Fig. 1 bereits erwähnten Hochvolt- Gleichrichter, hier bestehend aus vier Dioden D 1-D 4 in Brückengleichrichterschaltung, denen ein Kondensator C 1 als Ladekondensator zugeordnet ist. Diese gleichgerich­ tete Spannung gelangt nachfolgend zu der erwähnten Hoch­ volt-Stabilisierung, die in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Widerstand R 1 sowie einer Zenerdiode D 5 ge­ bildet wird. Die stabilisierte Gleichspannung wird dem aus Fig. 1 bekannten Hochvolt-Stellglied zugeführt, das hier aus einem Potentiometer R 2 besteht. Dieses liefert ausgangsseitig eine variable Spannung, mittels welcher der Hochvolt-Regler, bestehend aus zwei Transistoren T 1 und T 2 in Darlington-Schaltung, über zwei Widerstände R 6 und R 7 geregelt wird. Der mit seinem einen Pol zwischen den Widerständen R 6 und R 7 und mit seinem anderen Pol am Minuspol der Versorgungsspannung angeschlossene Konden­ sator C 2 dient zur Unterdrückung von Rückwirkungen und Schwingungen des Reglers. Ausgangsseitig liefert der Hochvolt-Regler die Speisespannung U _P für den eigentli­ chen Impulsgenerator, wobei die Spannung U _P noch über Dioden D 9 und D 10 sowie eine Spule L 1 zur Glättung und Vermeidung von Rückwirkungen auf den Regler geführt wird. Die Spule L 1 hat weiterhin die Aufgabe, durch Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit des Lade­ stroms, der über die Dioden D 9 und D 10 den Kondensator C 5 auflädt, dem Thyristor THY 2 die erforderliche Frei­ werdezeit zu verschaffen und zugleich sein Ausschalten durch Unterschreiten des Haltestromes zu bewirken bzw. zu ermöglichen.

Wie in Fig. 1 bereits erläutert, wird die vom Gleich­ richter gelieferte Spannung weiterhin einem Triggersta­ bilisator zugeführt. Dieser besteht hier aus einem Wi­ derstand R 3 sowie einer Zenerdiode D 6. Die so erzeugte stabilisierte Gleichspannung wird über einen Widerstand R 8 dem Triggergenerator als Versorgungsspannung U _T zuge­ führt. Der Triggergenerator besteht hier, wie bereits anhand von Fig. 2 beschrieben, wieder aus einem Konden­ sator C 3, welcher über den Widerstand R 8 und die Lastim­ pedanz D _L aufladbar ist, sowie einer Diode D 8 zur An­ steuerung des Thyristors THY 2 des Impulsgenerators. Auch dieser entspricht im wesentlichen der Ausführung gemäß Fig. 2, wobei hier ergänzend noch eine antiparallel zur Laserdiode D _L geschaltete Diode D 11 vorgesehen ist. Weiterhin ist noch ein Widerstand R 10 zwischen Gate und Kathode des Thyristors THY 2 vorgesehen. Die Funktionen von D 11 sowie R 10 werden im folgenden noch erläutert.

Nach Einschalten der Versorgungsspannung mittels des Relais K 1 wird der Kondensator C 3 über den Widerstand R 8 und über die Laserdiode D _L aufgeladen. Dies hat neben dem bereits erwähnten Vorteil der Selbstregulierung des Triggergenerators in Abhängigkeit von der Lastimpedanz noch den Vorteil, daß die Triggerung ohne die ange­ schlossene Laserdiode nicht funktionsfähig ist und daß die Laserdiode leicht in Flußrichtung vorgespannt wird. Durch die Schaltungsart des Kondensators C 3 wird verhin­ dert, daß der Gateimpuls des Thyristors beim Durchschal­ ten der Triggerdiode D 8 durch die Laserdiode fließt; der Widerstand R 10 verhindert eventuelle, schädliche Ver­ schiebeströme im Halbleiterkristall des Thyristors THY 2. Erreicht die Spannung am Kondensator C 3 die Durchbruchs­ spannung der Triggerdiode D 8, so schaltet diese durch und gibt einen kurzen Stromimpuls auf das Gate des Thyristors THY 2, worauf dieser durchschaltet. Der zuvor bereits aufgeladene Kondensator C 5 wird nun über den Widerstand R 11, den Thyristor THY 2 und die angeschlos­ sene Laserdiode D _L schlagartig entladen.

Nach Entladung des Kondensators C 3 verschwindet der Gate- Impuls am Thyristor THY 2 und die Spannung an der Trig­ gerdiode D 8 fällt unter die Durchbruchsspannung ab, d. h. die Diode D 8 geht in Sperrzustand über. Nach Entla­ dung des Kondensators C 5 unterschreitet der Strom im Thyristor THY 2 den Haltestrom, woraufhin dieser eben­ falls wieder in Sperrzustand übergeht. Ein Rückstrom zum Ausräumen des Thyristors THY 2 kann jedoch über die Diode D 11 sowie den Kondensator C 5 und Widerstand R 11 noch fließen. Hierdurch wird der Kondensator C 5 bereits teilweise wieder aufgeladen. Ist der Rückstrom durch den Thyristor THY 2 abgeklungen, steigt der Strom durch die Spule L 1 sowie die Diode D 10 wieder an, was dem Thyristor THY 2 die erforderliche Freiwerdezeit verschafft, sowie den Kondensator C 5 wieder auflädt. Daraufhin beginnt der beschriebene Ablauf wieder von vorn. Die Impuls-Wieder­ holungsrate wird durch die Höhe der Spannung U _T , den Widerstand R 8, den Kondensator C 3 und die Größe der Lastimpedanz D _L festgelegt. Eine Grundeinstellung er­ folgt dabei durch entsprechende Wahl der Spannung U _T , des Widerstandes R 8 und den Kondensator C 3. Die Selbst­ regelung des Triggergenerators erfolgt über die Last­ impedanz, hier die Impedanz der Diode D _L , welche, wie beschrieben, ebenfalls die Impuls-Wiederholungsrate un­ mittelbar beeinflußt.

Um die Lastimpedanz, insbesondere im Fall einer teuren Laserdiode, vor eventuellen Überkopf-Zündungen oder sogar Kurzschlüssen des Thyristors THY 2 zu schützen, ist noch eine elektronische Sicherung vorgesehen, welche aus einem Widerstand R 9, einem Kondensator C 4, einem Thyri­ stor THY 1 und einer Diode D 7 besteht. Der Widerstand R 9 und der Kondensator C 4 sind parallel zueinander in die Verbindung von Trigger- und Impulsgenerator zum Minuspol der Versorgungsspannung geschaltet. Im Normalzustand fällt über den Widerstand R 9 und den Kondensator C 4 eine geringe Spannung ab, welche nicht ausreicht, den zuge­ hörigen Thyristor THY 1 zu zünden. Bleibt aber der Thyri­ stor THY 2 im Impulsgenerator zulange durchgeschaltet, fällt über den Widerstand R 9 und den Kondensator C 4 eine höhere Spannung ab, welche ausreicht, den Thyristor THY 1 zu zünden. Daraufhin wird über die Diode D 7 die Basis­ spannung der Darlington-Schaltung, bestehend aus den Transistoren T 1 und T 2, kurzgeschlossen. Über einen Widerstand R 5 erhält der Thyristor THY 1 gleichzeitig den erforderlichen Haltestrom, so daß dieser in seinem durchgeschalteten Zustand verbleibt, bis durch externen Eingriff die Versorgungsspannung durch Betätigung des Relais K 1 abgeschaltet wird. Eine Zerstörung von Bautei­ len, insbesondere von teuren Laserdioden, ist damit gänzlich ausgeschlossen.

Neben diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind auch weitere Schaltungen denkbar, welche unter den Erfin­ dungsgedanken fallen. Ein weiterer Vorteil der vorlie­ genden Erfindung gegenüber Impulsgeneratoren gemäß dem Stand der Technik besteht darin, daß diese vollständig mit handelsüblichen Bauelementen realisierbar ist, so daß keine unnötig hohen Kosten oder Schwierigkeiten bei der Beschaffung von Ersatzteilen auftreten.

Claims (3)

1. Triggerbarer Impulsgenerator, welcher periodisch mit fester oder variabler Impuls-Wiederholungsrate eine gespeicherte elektrische Ladung über einen elektroni­ schen Schalter als zeitlich kurzen Impuls hoher Span­ nung und hoher Stromstärke (T ≲ 200 ns, U ≲ 800 V, I < 200 A) an eine Lastimpedanz, vorzugsweise eine Laserdiode, abgibt, und bei welchem die Triggerung durch einen Triggergenerator erfolgt, welcher den elektronischen Schalter periodisch durchschaltet und einen Kondensator aufweist, mittels welchem bei Errei­ chen bzw. Überschreiten einer Schwellenspannung bei dessen Aufladung der elektronische Schalter durch­ schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Konden­ sator (C _T ) über die Lastimpedanz (D _L ) aufladbar ist.

2. Impulsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein die elektrische Ladung für die Lastimpe­ danz (D _L ) speichernder Kondensator (C _p ; C 5) über eine einen frequenzabhängigen Blindwiderstand darstellende, die Stromanstiegsgeschwindigkeit des Ladestromes be­ grenzende Induktivität (L _p ; L 1) aufladbar ist.

3. Impulsgenerator nach den Ansprüchen 1 und 2, gekenn­ zeichnet durch eine nur durch externen Eingriff rück­ setzbare elektronische Sicherung, welche einen Thyri­ stor (THY 1) aufweist, welcher bei einem über eine vor­ gebbare oder festgelegte Zeit andauernden Durchschalt­ zustand des elektronischen Schalters (THY; THY 2) des Impulsgenerators durchgeschaltet wird und nachfolgend mittels Durchleitung eines ausreichend hohen Halte­ stromes im Durchlaßzustand verbleibt und welcher im Durchlaßzustand die Speisespannung (U _p ) des Impulsge­ nerators unmittelbar abschaltet oder einen weiteren elektronischen Schalter aktiviert, welcher die Speise­ spannung (U _p ) des Impulsgenerators abschaltet.