WO2023036627A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer stromtreiberspannung und lasersystem - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung einer stromtreiberspannung und lasersystem Download PDF

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Oliver KRUMM
Thomas Kaiser
Arno Jakubaschk
Thomas Notheis
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Trumpf Laser Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a current driving voltage and a laser system, in particular a fiber laser system, in particular with such a device.
  • lasers Due to their coherent and high-energy optical radiation, lasers are an important and often indispensable tool in material processing, production and research.
  • lasers can generate high radiation energies and emit laser pulses with high energy densities that are suitable for separating or melting materials, for example, in order to initiate a joining process, for example.
  • Laser powers capable of separating and melting materials are typically a hazard to organic tissue, particularly living human tissue.
  • a particularly important safety factor here is the possibility of switching off the laser radiation and the associated switch-off time.
  • the laser radiation can be switched off by installing a mechanical shutter behind the active medium in which the laser radiation is generated, so that the laser radiation generated does not exit the laser.
  • fiber lasers in which the optical fiber, which derives the laser beam from the laser zone, is spliced to the laser diode or a laser diode array. There is effectively no optical path through the optical fiber or fibers that can be mechanically broken before the laser radiation exits the laser.
  • a known solution to the problem is to interrupt the laser beam with a mechanical interface attached to the exit end of the optical fiber.
  • the adapter includes a controllable mechanical shutter so that the laser radiation is interrupted at the end of the optical fiber.
  • a mechanical closure also has mechanical wear, so that the mechanical intermediate piece has to be serviced and replaced regularly.
  • the mechanical shutter is very slow with a shutter speed in the order of 100ms to a few seconds.
  • the laser beam often has to be re-coupled into an optical fiber after passing through the mechanical shutter.
  • Such adapters mentioned are correspondingly expensive and complex to adjust and carry the risk of a loss of performance due to the adjustment effort.
  • the object is achieved by a device for generating a current driver voltage for a current driver of a pump diode, preferably for a fiber laser pumped with the pump diode, with the features of claim 1.
  • a device for generating a current driver voltage for a current driver of a pump diode, in particular for a fiber laser pumped with the pump diode, comprising a voltage source for generating the current driver voltage, the voltage source comprising a primary side and a secondary side, the secondary side being derived from the The primary side is isolated, the primary side comprising primary power switches and the secondary side comprising a storage for electrical charge, wherein the voltage source is arranged to generate the current drive voltage at the storage by switching the primary power switches.
  • the invention is characterized by a discharge circuit that is set up to receive a discharge triggering voltage and to discharge the memory when the discharge triggering voltage assumes a predetermined value or range of values.
  • a current driver is a device that is suitable for providing a current.
  • a pump diode can be supplied with energy by the current of the current driver, which in turn can be used again for pumping a fiber laser.
  • energy By supplying energy to a pump diode, for example, laser radiation can be indirectly generated in this way, which is used for a large number of applications in technology and science.
  • the pump diode a population inversion of the electronic states is achieved by the electrical energy supplied, which relax to their basic electronic levels while emitting coherent radiation.
  • the current driver of the pump diode requires a voltage supply.
  • This voltage supply is realized by a voltage source that has a primary side and a secondary side.
  • the primary side and the secondary side can be electrically isolated from each other.
  • the two sides are electrically isolated if no electrical conduction is possible between the sides, but both sides can interact with each other.
  • both sides can be at different potentials, so that the respective parts of the voltage supply are ideally designed according to their respective tasks can become.
  • a potential separation within the meaning of the application can be a galvanic separation, for example.
  • the power source may include a transformer having a primary and a secondary, with the primary and secondary of the transformer being the primary and secondary of the power source.
  • a voltage applied to the primary side can produce a voltage on the secondary side via inductive coupling.
  • the ratio of the two voltages can be adjusted by the physical properties of the transformer, such as the number of turns, height, width and length of the transformer coils, and so on.
  • the primary side can include primary circuit breakers.
  • the primary power switches can be viewed as voltage controlled resistors that conduct or block current based on a received switching signal.
  • the primary power switches can be transistors or power transistors or MOSFETs or bipolar transistors or insulated gate bipolar transistors (IGBTs).
  • a transformer supply voltage can build up a voltage on the primary side of the transformer such that a secondary voltage is developed on the secondary side of the voltage source between two output terminals of the transformer.
  • a storage device for electrical charge is arranged between the two output terminals of the transformer of the voltage source and is charged indirectly by the transformer supply voltage.
  • the voltage that drops across the memory is the current driver voltage for supplying the current driver.
  • the memory has the task of stabilizing the current driver voltage for the current driver between the output terminals of the secondary side.
  • the secondary side of the Voltage source designed as a low-pass filter to smooth any switching signals or spikes.
  • diodes can also be used on the secondary side in order to ensure a specific current direction or a polarity of the storage device.
  • the electrical energy store can be discharged by the discharge circuit.
  • the discharge circuit receives a discharge trigger voltage.
  • the discharge triggering voltage assumes a predetermined value or range of values
  • the storage device is discharged by the discharge circuit, or a discharge of the storage device is triggered by the discharge circuit.
  • Receiving the discharge triggering voltage can consist, for example, in the discharge circuit being connected to a DC voltage supply or to a node of the circuit network at which a discharge triggering voltage is provided.
  • the predetermined value of the discharge triggering voltage can be 0V. If the discharge trigger voltage takes on this value, then the memory is discharged by the discharge circuit. In other words, the discharge circuit can be activated when the DC voltage supply is switched off or set to the value 0V.
  • the discharge circuit discharges the memory when the discharge trigger voltage is below or above a threshold value Discharge trigger voltage is.
  • the value range of the discharge triggering voltage can be between 0V and 5V or below 10V or above 20V.
  • the threshold value of the discharge triggering voltage is at least 0V and/or at most 30V.
  • the value range is to be understood in terms of amount.
  • the absolute value of the discharge triggering voltage can then be below a value.
  • the discharge trigger voltage can be less than 30V in magnitude, so that the discharge trigger voltage can actually be within an interval of -30V to +30V, so that the discharge circuit discharges the memory.
  • the discharge triggering voltage is preferably below a specific value, so that the discharging process is initiated when the DC voltage supply, which is used to provide the discharge triggering voltage, is switched off or fails.
  • the functionality of the discharging circuit can thus be controlled via a sort of inverse switch, which activates the discharging circuit when the DC voltage supply is deactivated.
  • the device can include a driver circuit for switching the primary power switches of the voltage source, the driver circuit including a switching element which is configured to receive a first switching signal and to switch the primary power switches of the voltage source based thereon.
  • a driver circuit generally prepares the switching process of a transistor in order to keep the switching time and the associated switching losses as short and low as possible.
  • a first switching element can be a voltage or current-controlled switch, for example a transistor.
  • the primary circuit breakers can be switched. Indirectly, therefore, a voltage supply can be provided by the voltage source by switching the first switching element, or the storage device for electrical energy is thus charged by switching the switching element of the driver circuit.
  • the first switching element is switched by a first switching signal.
  • a switching signal can be a voltage here, for example, in particular a square-wave voltage, or a sawtooth voltage or another voltage form that has a certain duty cycle. Such a switching signal enables the voltage source to be switched on and off periodically, for example.
  • the switching element switches based on the value of the switching signal.
  • the switching element can switch when the switching signal exceeds or falls below a specific value.
  • a common voltage supply can be used to supply the driver circuit and/or to supply or switch the discharge circuit.
  • This power supply can be implemented via a DC/DC converter, with switching of this power supply being made possible via a deactivation switch.
  • a DC/DC converter can be set up to receive a first control voltage and to provide an output voltage at an output of the DC/DC converter based on the first control voltage.
  • a DC/DC converter or DC voltage converter can generate an output voltage with a higher, lower or inverted voltage level from the first control voltage.
  • a deactivation switch may be configured to receive a second control voltage and to switch an electrical connection between the output of the DC/DC converter and the node based on the second control voltage.
  • the deactivation switch thus makes it possible to provide the output voltage of the DC/DC converter at the node for the discharge circuit.
  • a node here is in particular a point of the potential distribution of the circuit network which is at a specific potential.
  • a deactivation switch can be designed as an optocoupler.
  • An optocoupler is an optoelectronic component that includes a light emitting diode or laser diode and a phototransistor. When an input voltage is applied to the light-emitting diode, it starts to glow. The phototransistor receives the light from the light-emitting diode and can then switch an electrical connection so that an output voltage can be provided. The output voltage remains as long as the light-emitting diode emits light to the phototransistor. In this case, the input voltage can in particular be a second control voltage.
  • the optocoupler thus also provides potential isolation between the input circuit and the output circuit, since there is no electrical connection between the light-emitting diode and the phototransistor.
  • the output voltage of the DC/DC converter can be switched by the second control voltage as the output voltage of the deactivation switch.
  • the output voltage of the DC/DC converter is thus provided at the node in particular by the deactivation switch.
  • the discharge circuit can be connected to a node in order to receive the discharge trigger voltage.
  • the deactivation switch can be configured to establish the electrical connection between the output of the DC/DC converter and the node when the second control voltage has a first value or range of values, and to disconnect the electrical connection between the output and the node when the second control voltage has a second value or value range, which is different from the first value or value range.
  • the deactivation switch can in principle provide a conductive connection, but no output voltage of the DC/DC converter is provided, so that switching the deactivation switch has no effect.
  • the deactivation switch can make the electrical connection when the second control voltage has a value of 10V or has a value of more than 10V and disconnect the electrical connection when the second control voltage has a value of less than 5V or less than 10V, in particular a value of 0V.
  • the deactivation switch makes the electrical connection when the second control voltage has a value of less than 10V and disconnects the electrical connection when the second control voltage has a value of more than 10V.
  • the discharge circuit may include a second deactivation switch, a second switching element and a discharge resistor connected to a first terminal of the memory, wherein the second deactivation switch is configured to receive the discharge trigger voltage of the node and to switch the second switching element based on the discharge trigger voltage.
  • the memory is connected between two output terminals on the secondary side of the voltage source. Accordingly, a discharge resistor of the discharge circuit is connected to one of these output terminals. To a certain extent, a reservoir for the electrical energy of the storage device is provided via the discharge resistor.
  • the second deactivation switch receives the discharge trigger circuit of the node, which is provided, for example, by the first deactivation switch and the DC/DC converter at the node. With the second deactivation switch receiving the discharge trigger voltage, the second deactivation switch is controlled by the discharge trigger voltage.
  • the second deactivation switch can be designed as an optocoupler.
  • the second deactivation switch turns a second switching element on or off.
  • the second switching element is set up to switch an electrical connection between the discharge resistor and the second connection of the storage device. If the second deactivation switch creates an electrical connection between the discharge resistor and the second connection of the memory, the memory is discharged via the discharge resistor. If the second deactivation switch does not establish an electrical connection between the discharge resistor and the second connection of the memory, the memory is not discharged via the discharge resistor.
  • the second deactivation switch can be set up to turn on the second switching element in order to establish an electrical connection between the discharge resistor and a second terminal of the memory, so that the memory is discharged via the discharge resistor when the discharge trigger voltage at the node assumes the first value or value range, or the second deactivation switch can be set up to switch off the second switching element in order to separate the electrical connection between the discharge resistor and the second connection of the memory, so that the memory is prevented from being discharged via the discharge resistor when the discharge trigger voltage reaches the first value or value range does not accept and/or if the discharge trigger voltage is outside the first value or range of values.
  • the discharge circuit can include an indicator circuit which is set up to output an indicator signal with a first value or value range when the memory is discharged via the discharge resistor and to output the indicator signal with a second value or value range when the memory via the discharge resistor is not discharged .
  • An indicator circuit can, for example, tap a voltage in parallel with the second switching element. If by the second switching element an electrical connection is made and the memory is discharged via the discharge resistor, then the indicator circuit can detect this voltage and, for example, via an optocoupler or another potential-separated signal transmission path to an output, so that the discharge of the memory via the discharge resistor is displayed there.
  • the first control voltage and/or the second control voltage can be controllable by a control trigger, in particular the control trigger can be a test switch, door opener or an emergency stop switch, the memory being discharged via the discharge circuit when the control trigger is actuated.
  • a control trigger in particular the control trigger can be a test switch, door opener or an emergency stop switch, the memory being discharged via the discharge circuit when the control trigger is actuated.
  • an emergency stop switch or a door opener can interrupt the first control voltage via an integrated or separate emergency stop device.
  • control trigger is or includes an interface and/or a device by means of which the memory can be unloaded if necessary.
  • the control trigger is a control device of the laser system or is integrated into a control device of the laser system.
  • test switch can interrupt the second control voltage, so that the first deactivation switch turns off the first switching element of the driver circuit, so that the primary power switches of the voltage source are turned off.
  • isolated testing of the discharge circuit can thus be carried out without influencing other components, such as the DC/DC converter.
  • the discharge triggering voltage at the node is interrupted in this case, so that the second switching element of the discharge circuit is activated by the second deactivation switch when the threshold value is not reached is switched on, so that the memory can be discharged via the discharge resistor of the discharge circuit.
  • the memory can be discharged via the discharge circuit.
  • the control element of the driver circuit is switched off, so that the memory is no longer indirectly charged by the primary power switches.
  • the second deactivation switch can switch on the second switching element, so that the storage device is discharged via the discharge resistor.
  • the discharge circuit can be set up and preferably dimensioned to discharge the memory in less than 100 ms, preferably in less than 50 ms.
  • the discharge time is determined in particular by the size of the discharge resistance and the capacity of the storage device.
  • the discharge time is also called the reaction time in which the system switches off safely. In the system described, this can be less than 100 ms, for example 50 ms.
  • the time until no more laser beam exits the laser system is called the stopping time.
  • the stopping time can be over 300 ms, for example 350 ms.
  • a system with the power supply proposed here can have a stop time of less than 200ms, for example 100ms can be reached. Accordingly, increased safety is associated with a shortened stopping time.
  • the discharge circuit can be set up to discharge the memory down to a predetermined residual voltage.
  • the discharge circuit can be switched in such a way, in particular switched off by means of the second switching element, that the storage device has a predetermined residual voltage during discharging, in particular a residual voltage in the range from 0.1V to 20V, for example a residual voltage in the range from 0.1V to 10V, preferably a residual voltage of less than 10V.
  • the memory can be switched at a rate between 1 Hz and 100 Hz, in particular at a rate of 5 Hz.
  • the memory can be a capacitor and the capacitance of the capacitor can be less than 10000 pF, preferably less than 5000 pF, particularly preferably 4000 pF or 2000 pF or 1500 pF.
  • the current driver voltage can be highly stable and, at the same time, a high level of safety can be ensured through short discharge times.
  • the discharge circuit can be present redundantly in the device and/or the device can comprise at least two discharge circuits.
  • safety can be further increased and/or the discharge time can be further reduced.
  • a second discharge circuit discharges the memory when the first discharge circuit is defective. At the same time, such a defect can be noticed and output by the indicator circuit.
  • the device may have a clock that is configured to receive an input clock and the output voltage of the DC/DC converter from the node and, based on the output voltage of the DC/DC converter at the node, a clocked switching signal as the switching signal for switching the switching element to spend
  • the clock generator can be in the form of an optocoupler, for example, so that the output voltage of the DC/DC converter at the node is the supply voltage for the secondary side of the optocoupler. Accordingly, when the output voltage of the DC/DC converter at the node is interrupted, the clock generator is switched off, so that the clock generator does not output a clocked signal for the switching element. Accordingly, the switching element remains switched off. Accordingly, when the clock generator is switched on, the output voltage at the node is received by the switching element in time with the clock generator.
  • a further aspect of the invention is a laser system, in particular a fiber laser system, for providing a laser beam, comprising at least one pump diode, a device for generating a current driver voltage for a current driver of the at least one pump diode and a control trigger for deactivating the laser beam, the control trigger being set up for this purpose and providing a control trigger signal to the device to deactivate the laser beam, and wherein the control trigger signal causes the current drive voltage to be deactivated.
  • the laser beam is to be understood as an output laser beam coupled out of the laser system.
  • the control trigger is to be understood, for example, as an interface and/or a device of the laser system which can transmit a control trigger signal to the device for generating the current driver voltage in order to deactivate the laser beam if necessary.
  • control trigger signal can in particular be a switching signal.
  • a switching signal can include, in particular, the interruption or establishment of an electrical connection or can be in the form of a switching signal to a switch that switches or interrupts an electrical connection.
  • the device for generating the current driver voltage can be set up to deactivate the current driver voltage and/or the laser beam in less than 200 ms, preferably less than 100 ms, particularly preferably in less than 50 ms upon receipt of the control trigger signal.
  • the laser system is set up and/or designed in such a way that deactivation of the current driver voltage causes deactivation of the laser beam coupled out of the laser system.
  • the device for generating the current drive voltage can be one of the devices described above, the control trigger signal transmitted by means of the control trigger causing the memory to be discharged via the discharge circuit.
  • the control trigger signal causes a discharge trigger voltage in the predetermined value or range of values to be made available to the discharge circuit in order to discharge the memory.
  • control trigger causes the first control voltage (SIKDPS) to be interrupted, or the control trigger sends an interrupt signal to a switch which interrupts the first control voltage, so that the memory is discharged via the discharge circuit.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the device
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the device
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the voltage source and the memory
  • FIG. 4A, B shows a schematic representation of the driver circuit and the clock generator
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the discharge circuit
  • FIG. 6 shows a further schematic representation of the discharge circuit
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the discharge circuit and the indicator circuit
  • FIG. 8 shows a schematic overview circuit diagram of the device
  • Figure 9 is a schematic representation of a proposed laser system.
  • the device 9 for generating a current driver voltage V out for a current driver of a pump diode 99 is shown schematically in FIG.
  • a current driver voltage V out is to be made available by the voltage source 1 for the pump diode 99 .
  • the voltage source 1 comprises a memory 120, which can comprise a capacitor, for example, with which the current driver voltage V out is smoothed or otherwise conditioned in order to reliably supply the pump diode 99 with the current driver voltage.
  • the voltage source 1 and in particular the memory 120 can be discharged via a discharge circuit 7 .
  • the discharge circuit 7 can receive a discharge triggering voltage. If the discharge trigger voltage assumes a predetermined value or is within a predetermined range of values, then the memory 120 of the voltage source 1 can be discharged via the discharge circuit 7, so that the pump diode 99 no longer receives any voltage, or the voltage supply receives it as quickly as possible, for example within 100 ms or 50 ms , is interrupted.
  • the voltage source 1 has a primary side 10 and a secondary side 12, which can be electrically isolated from one another.
  • the voltage source 1 can therefore comprise a transformer with a primary side and a secondary side.
  • Primary circuit breakers (not shown) can be arranged on the primary side 10, through which an energy supply of the secondary side 12 can be achieved in a switchable manner.
  • FIG. 2 shows a general embodiment according to the invention, the voltage source 1 and the discharge circuit 7 being connected at least indirectly to a common node 30 from which a voltage is received.
  • this voltage can be called and be the output voltage of a DC/DC converter 5, on the other hand, this voltage can also be called the discharge triggering voltage.
  • the primary switching elements (not shown) of the voltage source 1 are switched by a driver circuit 2 .
  • the driver circuit 2 comprises a switching element (not shown), which can receive a switching signal and can switch the primary power switch of the voltage source 1 based thereon.
  • node 30 can at least indirectly receive an output voltage from the driver circuit. If the output voltage assumes a first value or value range here, the driver circuit 2 is switched, as a result of which the primary power switches are switched and the voltage source 1 is therefore operated. If the output voltage or now the discharge triggering voltage assumes a second value or range of values, the discharge circuit 7 is activated and the voltage source 1 is discharged. At the same time, the voltage source 1 is no longer operated. Accordingly, a certain complementary or inverse circuit property of the driver circuit 2 and the discharge circuit 7 is preferably implemented.
  • FIG. 2 also shows that node 30 receives a voltage from a first deactivation switch 3, which in turn is generated by a DC/DC converter 5 on the basis of a first control voltage SIKDPS.
  • the first deactivation switch 3 is controlled by a second control voltage Disable CO n. If the second control voltage Disable CO n switches the first deactivation switch 3 conductive, then the output voltage of the DC/DC converter 5 is received at the node 30 . If the first deactivation switch is non-conductive due to the second control voltage Disable CO n is switched on, or no output voltage is generated by the DC/DC converter, either the ground potential or an undefined potential is present at the node 30 .
  • the deactivation switch 3 integrates a function into the device 100 which makes it possible to discharge the voltage source 1 via the discharge circuit 7 if the first control voltage SIKDPS fails, for example in the event of a power failure.
  • the voltage source 1 is also discharged when a second control voltage Disable CO n is switched on or off, for example by a control trigger, such as a test switch for testing the discharge function.
  • a control trigger such as a test switch for testing the discharge function.
  • An alternative implementation possibility would be to replace the deactivation switch 3 with a logical AND gate, so that only an output voltage of the DC/DC converter 5 is present at the node 30 if both a first and a second control voltage Disable CO n are present .
  • the voltage source 1 can be quickly discharged via the discharge circuit 7 in order to increase the operational reliability of the device 1 in this way.
  • the voltage source 1 has a primary side 10 and a secondary side 12, with there preferably being an inductive coupling between the two sides.
  • the secondary side 12 also includes two output terminals 1200, 1202 between which a storage device for electrical charge 120 is arranged.
  • the memory 120 can be designed here, for example, as a capacitor whose capacitance is less than 10000 pF, preferably less than 5000 pF, particularly preferably 1500 pF.
  • the capacitance can be 4000pF or 2000pF or 1500pF.
  • Primary circuit breakers 100 are arranged on the primary side 10 of the voltage source 1 .
  • the primary power switches 100 are in the form of MOSFETs, which are optimized for conducting and blocking particularly high electrical currents and voltages. If the MOSFETs are switched on via a switching signal at the circuit input 1000, i.e. switched to be conductive, then the voltage V_IMC on the primary side 10 generates a voltage on the secondary side 12 due to the inductive coupling, as a result of which the memory 120 is charged.
  • the starting point for the considerations on which this structure is based is to enable the memory 120 to be switched off and discharged quickly. So far, in the event of a malfunction or an emergency, the charging process of memory 120 was only interrupted by interrupting the power supply V_IMC, so that the memory only no longer stores energy after a time constant that is determined by the capacity of memory 120 and thus interrupts the power supply of the current driver of the pump diode. To a certain extent, the memory had to be discharged via the pump diode or the consumer, so that a defined switch-off time could not be achieved.
  • the memory 120 can now also be discharged in a defined manner and quickly via the discharge circuit 7, as shown further below.
  • the driver circuit 2 for switching the primary power switches 100 of the voltage source 1 is shown in FIG. 4A.
  • the driver circuit 2 has a primary side 20 and a secondary side 22, the primary side 20 and the secondary side 22 being inductively coupled.
  • On the primary side 20 is in the present Embodiment arranged a switching element 200, which can be formed in particular as a transistor.
  • the transistor is a switch that can switch a supply voltage V SU ppiy of the primary side 20 on and/or off by means of a control voltage or a control current.
  • the switching element 200 receives a first switching signal.
  • the primary side 20 also includes, for example, two inductances connected in parallel, each of which is part of a transformer or an inductive coupling element.
  • the transformed voltage can be amplified by an amplifier and fed to the power switches 100 of the voltage source 1.
  • the amplifier can be embodied, for example, as a CMOS inverter, with the transformers generating a supply voltage for the CMOS inverters and a gain being able to be set by a gate voltage of the CMOS inverters.
  • primary side 20 can receive a supply voltage V SU ppiy , with the transformers in secondary side 22 inducing a voltage that can switch primary power switches 100 of voltage source 1 via an amplifier circuit. If the switching element 200 does not receive a switching signal, then no voltage is induced in the secondary side 22 of the driver circuit 2 either, so that the primary power switches 100 are not switched.
  • the switching signal of the switching element 200 can be provided, for example, by a clock generator 4, which is shown as an example in FIG. 4B.
  • the clock generator 4 has an input 40 which is supplied with a clock signal, for example with a square-wave voltage of a specific amplitude.
  • the clock generator 4 is provided with a voltage input 42 through which the clock generator 4 receives voltage. If the voltage is greater than a critical voltage or threshold voltage, the clock generator 4 can Output voltage or the supply voltage at its output 44 in time with the clock signal at the input 40. As a result, the switching element 200 can be switched, for example switched periodically.
  • the clock generator 4 can in particular also be designed as an optocoupler. If the supply voltage of the optocoupler falls below a threshold value, the optocoupler does not emit an output voltage, so that the memory 120 of the voltage source 1 is not loaded.
  • the clock generator 4 can in particular also be connected to the node 30 in this case.
  • the discharge circuit 7 is shown schematically in FIG.
  • the discharge circuit 7 has a second deactivation switch 75 which receives the discharge trigger voltage of the node 30 .
  • a second switching element 73 can be switched on the basis of the discharge trigger voltage received.
  • One end of the second switching element 73 is connected to a discharge resistor 72 , which in turn is connected to a terminal of the memory 120 .
  • the other end of the switching element 73 is connected to the other terminal of the memory 120 . If the switching element 73 is switched based on the received discharge trigger circuit at the deactivation switch 75, then an electrical connection of the terminals of the memory 120 can be established via the discharge resistor 72, so that the memory 120 is discharged via the discharge resistor 72. In the reversed switched state of the switching element 73, the storage device 120 is not discharged via the discharge resistor.
  • the deactivation switch 75 is a photocoupler that receives the discharge trigger voltage.
  • the switching element 73 interrupts the electrical connection between the discharge resistor 72 and the memory 120, which is connected to the connection terminals 1200, 1202.
  • the optocoupler 75 is deactivated, the electrical connection is closed by the switching element 73 until the memory 120 is discharged.
  • the transistor 77 serves to amplify the current and to provide a defined switching threshold for the switching element 73.
  • the device 9 can in particular also have an indicator circuit 76 which outputs an indicator signal or does not output it when the memory 120 is discharged via the discharge resistor 72 .
  • the indicator circuit 76 is designed as an optocoupler.
  • the optocoupler is connected in parallel with the second switching element 73 between the discharge resistor 72 and the second connection 1202 of the memory 120 . Part of the storage energy is always fed via the optocoupler, so that the storage device 120 is always slightly discharged through the discharge resistor 72 . This effect is accepted here.
  • an indicator switching element can be switched at the output of the optocoupler, through which an indicator voltage can be output.
  • the indicator voltage is a measure of the discharge current through the discharge resistor 72.
  • a discharge of the memory 120 can thus be triggered in a variety of ways:
  • the node 30 receives no voltage since the DC/DC converter 5 does not generate an output voltage.
  • the second deactivation switch 75 of the discharge circuit 7 is activated, so that the memory 120 is discharged via the discharge resistor 72 of the discharge circuit 7 .
  • clock generator 4 can also no longer generate a switching signal, so that driver circuit 2 is also no longer supplied with energy and memory 120 is no longer indirectly charged via primary power switch 100 .
  • the discharging of the memory 120 can also be triggered via the first deactivation switch 3 by the second control voltage Disable C on the first deactivation switch 3 is interrupted. Then no voltage is received at the node 30 either, so that the discharge circuit 7 is activated again and the memory 120 is discharged.
  • the storage device 120 can be discharged in less than 100 ms, preferably in less than 50 ms, by the discharge circuit. A particularly reliable operation of the device is thereby possible, in particular when the laser diode of a laser is operated with it.
  • FIG. 8 shows an overview circuit diagram of the device, which contains all the elements mentioned above.
  • a laser system 999 with the proposed discharge circuit is shown schematically in FIG.
  • the laser system 999 is a fiber laser system, for example, which includes at least one pump diode 99 .
  • the pump diode 99 is operated via a device 9 for generating a current driver voltage for a current driver and an associated current driver (not shown).
  • the device 9 receives a first control voltage SIKDPS, the pump diode 99 is energized via the current driver to provide a laser beam 990 .
  • This laser beam 990 is to be understood as meaning an output laser beam of the laser system 999 emerging from the laser system 999 .
  • pump laser radiation for example, is provided by means of the pump diode 99 in order to optically pump an active medium of the laser system 999 (not shown).
  • the active medium is part of an optical fiber (not shown) of the laser system 999.
  • the laser beam 990 in this case is the laser beam emerging from the optical fiber.
  • the laser system 999 has a control trigger 92 .
  • the control trigger 92 can transmit a control trigger signal to the device 9, thereby causing the current drive voltage to be deactivated and thus the laser beam 990 to be switched off.
  • the control trigger signal can be or provide a corresponding control voltage SIKDPS, for example an interruption of the first control voltage SIKDPS.
  • the device 9 of the laser system 999 can deactivate the current drive voltage and/or the laser beam 990 in less than 100 ms, preferably in less than 50 ms.
  • the device 9 can be designed according to the circuit in FIG. 8 for this purpose. Then, for example, by transmitting a control trigger signal to the device 9 , the memory 120 can be discharged via the discharge circuit 7 .
  • the control trigger signal can, for example, interrupt the first control voltage.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtung zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung (Vout) für einen Stromtreiber einer Pumpdiode, insbesondere zum Betreiben einer Pumpdiode eines Pumpdioden-Faserlasers, umfassend eine Spannungsquelle (1) zum Erzeugen der Stromtreiberspannung (Vout), wobei die Spannungsquelle (1) eine Primärseite (10) und eine Sekundärseite (12) umfasst, wobei die Sekundärseite (12) von der Primärseite (10) potentialgetrennt ist, wobei die Primärseite (10) primäre Leistungsschalter (100) umfasst und wobei die Sekundärseite (12) einen Speicher (120) für elektrische Ladung umfasst, wobei die Spannungsquelle (1) dazu eingerichtet ist durch Schalten der primären Leistungsschalter (100) die Stromtreiberspannung (Vout) am Speicher (120) zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine Entladeschaltung (7), die dazu eingerichtet ist, eine Entladeauslösespannung zu empfangen und den Speicher (120) zu entladen, wenn die Entladeauslösespannung einen vorgegebenen Wert oder Wertebereich annimmt, sowie ein Pumpdioden-Faserlasersystem (999) mit einer solchen Vorrichtung (9) zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung für einen Stromtreiber der Pumpdiode (99).

Description

Vorrichtung zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung und Lasersystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung und ein Lasersystem, insbesondere Faserlasersystem, insbesondere mit einer solchen Vorrichtung.
Stand der Technik
Laser sind aufgrund ihrer kohärenten und energiereichen optischen Strahlung ein wichtiges und oft unentbehrliches Werkzeug in der Materialbearbeitung, der Produktion und der Forschung. Insbesondere können Laser hohe Strahlungsenergien erzeugen und Laserpulse mit hohen Energiedichten abgeben, die dazu geeignet sind, Materialien beispielsweise zu trennen oder zu schmelzen, beispielsweise um einen Fügeprozess zu initiieren. Laserleistungen, die geeignet sind, Materialien zu trennen und zu schmelzen, sind typischerweise eine Gefahr für organisches Gewebe, insbesondere lebendes menschliches Gewebe.
Dementsprechend müssen beim Verwenden eines Lasers im Labor und/oder einer Produktionsumgebung hohe Sicherheitsstandards etabliert und eingehalten werden.
Ein besonders wichtiger Sicherheitsfaktor ist hierbei die Möglichkeit des Abschaltens der Laserstrahlung und die damit verbundene Abschaltzeit. In einem einfachen mechanischen Fall kann die Abschaltung der Laserstrahlung dadurch bewerkstelligt werden, dass hinter dem aktiven Medium, in welchem die Laserstrahlung erzeugt wird, ein mechanischer Verschluss angebracht wird, so dass die erzeugte Laserstrahlung nicht aus dem Laser austritt. Eine solche Lösung steht jedoch nicht bei sogenannten Faserlasern zur Verfügung, bei denen die optische Faser, die den Laserstrahl von der Laserzone ableitet, an die Laserdiode oder ein Laserdiodenarray angespleißt ist. Durch die optische Faser oder Fasern gibt es gewissermaßen keinen optischen Weg, der mechanisch unterbrochen werden kann, bevor die Laserstrahlung den Laser verlässt. Eine bekannte Lösung des Problems ist den Laserstrahl mit einem mechanischen Zwischenstück zu unterbrechen, das an dem Austrittsende der optischen Faser angebracht ist. Das Zwischenstück beinhaltet einen ansteuerbaren mechanischen Verschluss, so dass die Laserstrahlung am Ende der optischen Faser unterbrochen wird. Ein mechanischer Verschluss weist jedoch auch einen mechanischen Verschleiß auf, so dass das mechanische Zwischenstück regelmäßig gewartet und ausgetauscht werden muss. Zudem ist der mechanische Verschluss mit einer Verschlusszeit in der Größenordnung von 100ms bis hin zu einigen Sekunden sehr langsam. Hinzukommt, dass der Laserstrahl nach dem Durchlaufen des mechanischen Verschlusses häufig erneut in eine optische Faser eingekoppelt werden muss. Solche genannten Zwischenstücke sind dementsprechend teuer und aufwändig zu justieren und tragen aufgrund des Justageaufwands das Risiko eines Leistungsverlusts.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung für einen Stromtreiber einer Pumpdiode, bevorzugt für einen mit der Pumpdiode gepumpten Faserlaser, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung für einen Stromtreiber einer Pumpdiode, bevorzugt für einen mit der Pumpdiode gepumpten Faserlaser, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Vorgeschlagen wird daher eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung für einen Stromtreiber einer Pumpdiode, insbesondere für einen mit der Pumpdiode gepumpten Faserlaser, umfassend eine Spannungsquelle zum Erzeugen der Stromtreiberspannung, wobei die Spannungsquelle eine Primärseite und eine Sekundärseite umfasst, wobei die Sekundärseite von der Primärseite potentialgetrennt ist, wobei die Primärseite primäre Leistungsschalter umfasst und wobei die Sekundärseite einen Speicher für elektrische Ladung umfasst, wobei die Spannungsquelle dazu eingerichtet ist, durch Schalten der primären Leistungsschalter die Stromtreiberspannung am Speicher zu erzeugen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Entladeschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Entladeauslösespannung zu empfangen und den Speicher zu entladen, wenn die Entladeauslösespannung einen vorgegebenen Wert oder Wertebereich annimmt.
Dadurch ist es möglich den Speicher über die Entladeschaltung zu entladen, so dass ein schnelles und sicheres Ausschalten der Spannungsquelle ermöglicht wird. Damit wird mit anderen Worten ein vorhersagbares, zuverlässiges Abschaltverhalten erreicht, das unabhängig vom jeweiligen Ladungszustand des Speichers ist.
Ein Stromtreiber ist hierbei eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, einen Strom bereitzustellen. Durch den Strom des Stromtreibers kann insbesondere eine Pumpdiode mit Energie versorgt werden, die ihrerseits wieder zum Pumpen eines Faserlasers verwendet werden kann. Durch die Energieversorgung einer Pumpdiode kann auf diese Weise beispielsweise mittelbar Laserstrahlung erzeugt werden, die für eine Vielzahl an Anwendungen in Technik und Wissenschaft Verwendung findet. In der Pumpdiode wird hierbei durch die zugeführte elektrische Energie eine Besetzungsinversion der elektronischen Zustände erreicht, die unter Abstrahlung von kohärenter Strahlung in ihre elektronischen Grundniveaus relaxieren.
Der Stromtreiber der Pumpdiode benötigt hierbei eine Spannungsversorgung. Diese Spannungsversorgung wird realisiert durch eine Spannungsquelle, die eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist. Die Primärseite und die Sekundärseite können hierbei voneinander potentialgetrennt sein. Potentialgetrennt sind die beiden Seiten, wenn keine elektrische Leitung zwischen den Seiten möglich ist, beide Seiten jedoch miteinander wechselwirken können. Insbesondere können dadurch beide Seiten auf unterschiedlichen Potentialen liegen, so dass die jeweiligen Teile der Spannungsversorgung ideal ihren entsprechenden Aufgaben nach ausgebildet werden können. Eine Potentialtrennung im Sinne der Anmeldung kann beispielsweise eine Galvanische Trennung sein.
Beispielsweise kann die Spannungsquelle einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite umfassen, wobei die Primärseite und Sekundärseite des Transformators die Primärseite und Sekundärseite der Spannungsquelle sind. Dadurch kann eine Spannung, die auf der Primärseite angelegt wird, über eine induktive Kopplung eine Spannung auf der Sekundärseite hervorrufen. Das Verhältnis der beiden Spannungen kann durch die physikalischen Eigenschaften des Transformators, wie beispielsweise die Anzahl an Wicklungen, Höhe, Breite und Länge der Transformatorspulen und so weiter eingestellt werden.
Die Primärseite kann hierbei primäre Leistungsschalter umfassen. Die primären Leistungsschalter können hierbei als spannungsgesteuerte Widerstände angesehen werden, die auf Basis eines empfangenen Schaltsignals einen Strom leiten oder blockieren. Beispielsweise können die primären Leistungsschalter Transistoren oder Leistungstransistoren oder MOSFETs oder Bipolar-Transistoren oder Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) sein.
Wenn die primären Leistungsschalter beispielsweise eingeschaltet sind, dann kann eine Transformatorversorgungsspannung auf der Primärseite des Transformators eine Spannung aufbauen, so dass auf der Sekundärseite der Spannungsquelle zwischen zwei Ausgangsklemmen des Transformators eine Sekundärspannung gebildet wird.
Zwischen die beiden Ausgangsklemmen des Transformators der Spannungsquelle ist hierbei ein Speicher für elektrische Ladung angeordnet, der durch mittelbar durch die Transformatorversorgungsspannung geladen wird. Die Spannung, die über dem Speicher abfällt, ist hierbei die Stromtreiberspannung zur Versorgung des Stromtreibers. Der Speicher hat hierbei die Aufgabe, zwischen den Ausgangsklemmen der Sekundärseite die Stromtreiberspannung für den Stromtreiber zu stabilisieren. Typischerweise ist daher die Sekundärseite der Spannungsquelle als ein Tiefpassfilter ausgebildet, um eventuelle Schaltsignale oder Spannungsspitzen zu glätten.
Auf der Sekundärseite können des Weiteren auch Dioden eingesetzt werden, um eine bestimmte Stromrichtung beziehungsweise eine Polarität des Speichers zu gewährleisten.
Gewissermaßen kann dementsprechend durch ein Schalten der primären Leistungsschalter auf der Primärseite der Spannungsquelle ein Laden des Speichers auf der Sekundärseite der Spannungsquelle erreicht werden, wobei über dem Speicher die Stromtreiberspannung abfällt.
Erfindungsgemäß kann der Speicher für elektrische Energie durch die Entladeschaltung entladen werden. Hierfür empfängt die Entladeschaltung eine Entladeauslösespannung. Wenn die Entladeauslösungsspannung einen vorgegebenen Wert oder Wertebereich annimmt, so wird der Speicher durch die Entladeschaltung entladen, beziehungsweise eine Entladung des Speichers durch die Entladeschaltung ausgelöst.
Ein Empfangen der Entladeauslösespannung kann beispielsweise darin bestehen, dass die Entladeschaltung an eine DC-Spannungsversorgung oder an einen Knoten des Schaltungsnetzwerks angeschlossen wird, an dem eine Entladeauslösespannung bereitgestellt wird.
Beispielsweise kann der vorgegebene Wert der Entladeauslösespannung 0V sein. Wenn die Entladeauslösespannung diesen Wert annimmt, dann wird der Speicher durch die Entladeschaltung entladen. Mit anderen Worten kann die Entladeschaltung aktiviert werden, wenn die DC-Spannungsversorgung abgeschaltet beziehungsweise auf den Wert 0V gesetzt wird.
Es kann aber auch sein, dass die Entladeschaltung den Speicher entlädt, wenn die Entladeauslösespannung unterhalb oder oberhalb eines Schwellwerts der Entladeauslösespannung liegt. Beispielsweise kann der Wertebereich der Entladeauslösespannung zwischen OV und 5V liegen oder unterhalb von 10V oder oberhalb von 20V. Beispielsweise beträgt der Schwellwert der Entladeauslösespannung mindestens OV und/oder höchstens 30V.
Es kann aber auch sein, dass der Wertebereich betragsmäßig zu verstehen ist. Beispielsweise kann die Entladeauslösespannung dann betragsmäßig unter einem Wert liegen. Beispielsweise kann die Entladeauslösespannung betragsmäßig unterhalb von 30V, so dass die Entladeauslösespannung tatsächlich innerhalb eines Intervalls von -30V bis +30V liegen kann, so dass die Entladeschaltung den Speicher entlädt.
Vorzugsweise liegt die Entladeauslösespannung zur Realisierung einer Sicherheitsfunktion unterhalb eines bestimmten Wertes, so dass durch ein Abschalten oder ein Ausfallen der DC-Spannungsversorgung, durch die die Entladeauslösespannung bereitgestellt wird, der Entladevorgang eingeleitet wird. Somit kann die Funktionalität der Entladeschaltung über einen gewissermaßen inversen Schalter gesteuert werden, der die Entladeschaltung aktiviert, wenn die DC- Spannungsversorgung deaktiviert wird.
Die Vorrichtung kann eine Treiberschaltung zum Schalten der primären Leistungsschalter der Spannungsquelle umfassen, wobei die Treiberschaltung ein Schaltglied umfasst, das dazu eingerichtet ist ein erstes Schaltsignal zu empfangen und basierend darauf die primären Leistungsschalter der Spannungsquelle zu schalten.
Eine Treiberschaltung bereitet allgemein den Umschaltvorgang eines Transistors vor, um die Umschaltzeit und die damit verbundenen Schaltverluste so kurz und gering wie möglich zu halten.
Ein erstes Schaltglied kann ein spannungs- oder stromgesteuerter Schalter sein, beispielsweise ein Transistor. Durch ein Schalten des ersten Schaltgliedes, sprich durch das spannungs- oder stromgesteuerte Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei Knoten der Schaltung, können die primären Leistungsschalter geschaltet werden. Mittelbar kann demnach durch ein Schalten des ersten Schaltglieds eine Spannungsversorgung durch die Spannungsquelle bereitgestellt werden, beziehungsweise wird somit durch das Schalten des Schaltglieds der Treiberschaltung der Speicher für elektrische Energie geladen.
Das erste Schaltglied wird durch ein erstes Schaltsignal geschaltet. Ein Schaltsignal kann hier beispielsweise eine Spannung sein, insbesondere eine Rechteckspannung, oder eine Sägezahnspannung oder eine andere Spannungsform, die einen gewissen Tastgrad aufweist. Durch ein solches Schaltsignal wird beispielsweise das periodische Ein- und Ausschalten der Spannungsquelle ermöglicht.
Das Schaltglied schaltet hierbei basierend auf dem Wert des Schaltsignals. Beispielsweise kann das Schaltglied schalten, wenn das Schaltsignal einen bestimmten Wert überschreitet oder unterschreitet. Es ist aber auch möglich, dass das Schaltglied graduell und proportional zum Schaltsignal ein- und ausgeschaltet wird.
Zur Versorgung der Treiberschaltung und/oder zur Versorgung beziehungsweise zum Schalten der Entladeschaltung kann insbesondere eine gemeinsame Spannungsversorgung genutzt werden. Diese Spannungsversorgung kann über einen DC/DC-Wandler realisiert werden, wobei ein Schalten dieser Spannungsversorgung über einen Deaktivierungsschalter ermöglicht wird.
Ein DC/DC-Wandler kann hierbei dazu eingerichtet sein, eine erste Steuerspannung zu empfangen und basierend auf der ersten Steuerspannung eine Ausgangsspannung an einem Ausgang des DC/DC-Wandlers bereitzustellen. Ein DC/DC-Wandler oder auch Gleichspannungswandler kann hierbei aus der ersten Steuerspannung eine Ausgangsspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau erzeugen.
Einen Deaktivierungsschalter kann dazu eingerichtet sein eine zweite Steuerspannung zu empfangen und basierend auf der zweiten Steuerspannung eine elektrische Verbindung zwischen dem Ausgang des DC/DC-Wandlers und dem Knoten zu schalten.
Der Deaktivierungsschalter ermöglicht es somit, die Ausgangsspannung des DC/DC- Wandlers an dem Knoten für die Entladeschaltung bereitzustellen. Ein Knoten ist hier insbesondere ein Punkt der Potentialverteilung des Schaltungsnetzes, der auf einem bestimmten Potential liegt.
Ein Deaktivierungsschalter kann hierbei als Optokoppler ausgebildet sein. Ein Optokoppler ist ein optoelektronisches Bauteil, welches eine Leuchtdiode oder Laserdiode und einen Phototransistor umfasst. Wenn eine Eingangsspannung an die Leuchtdiode angelegt wird, so beginnt diese zu leuchten. Der Phototransistor empfängt das Licht der Leuchtdiode und kann daraufhin eine elektrische Verbindung schalten, so dass eine Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann. Die Ausgangsspannung bleibt so lange bestehen, wie die Leuchtdiode Licht an den Phototransistor abgibt. Die Eingangsspannung kann hierbei insbesondere eine zweite Steuerspannung sein.
Der Optokoppler stellt somit auch eine Potentialtrennung zwischen dem Eingangsschaltkreis und dem Ausgangsschaltkreis bereit, da zwischen der Leuchtdiode und dem Phototransistor keine elektrische Verbindung besteht.
Als Ausgangsspannung des Deaktivierungsschalters kann hierbei insbesondere die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers durch die zweite Steuerspannung geschaltet werden. Somit wird insbesondere durch den Deaktivierungsschalter die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers an dem Knoten bereitgestellt. Die Entladeschaltung kann hierbei mit einem Knoten verbunden sein, um die Entladeauslösespannung zu empfangen.
Das hat den Vorteil, dass die Entladeschaltung auf mindestens zweierlei Weise geschaltet werden kann, wie im Folgenden erläutert.
Der Deaktivierungsschalter kann dazu eingerichtet sein, die elektrische Verbindung zwischen dem Ausgang des DC/DC-Wandlers und dem Knoten herzustellen, wenn die zweite Steuerspannung einen ersten Wert oder Wertebereich aufweist, und die elektrische Verbindung zwischen dem Ausgang und dem Knoten zu trennen, wenn die zweite Steuerspannung einen zweiten Wert oder Wertebereich aufweist, der unterschiedlich zum ersten Wert oder Wertebereich ist.
Wenn die elektrische Verbindung durch die zweite Steuerspannung hergestellt ist, ist die Entladeauslösespannung daher am Knoten gleich der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers, wenn die elektrische Verbindung nicht hergestellt ist, ist die Entladeauslösespannung am Knoten gleich Masse oder Undefiniert. Wenn hingegen die erste Steuerspannung des DC/DC-Wandlers gleich Null ist, so kann der Deaktivierungsschalter zwar prinzipiell eine leitfähige Verbindung bereitstellen, jedoch wird keine Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers bereitgestellt, so dass ein Schalten des Deaktivierungsschalters ohne Effekt bleibt.
Beispielsweise kann der Deaktivierungsschalter die elektrische Verbindung herstellen, wenn die zweite Steuerspannung einen Wert von 10V aufweist oder einen Wert von über 10V aufweist und die elektrische Verbindung trennen, wenn die zweite Steuerspannung einen Wert von weniger 5V aufweist oder weniger als 10V aufweist, insbesondere einen Wert von 0V aufweist.
Durch die elektrische Verbindung kann durch die Ausgangsspannung des DC/DC- Wandlers am Knoten eine Spannung von 15V anliegen oder von 25V anliegen, wohingegen bei fehlender elektrischer Verbindung oder bei fehlender Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers der Knoten auf Masse oder einem Undefinierten Zustand liegt.
Es kann aber auch sein, dass der Deaktivierungsschalter die elektrische Verbindung herstellt, wenn die zweite Steuerspannung einen Wert von weniger als 10V aufweist und die elektrische Verbindung trennen, wenn die zweite Steuerspannung einen Wert von mehr als 10V aufweist.
Die Entladeschaltung kann einen zweiten Deaktivierungsschalter, ein zweites Schaltglied und einen Entladewiderstand umfassen, der mit einem ersten Anschluss des Speichers verbunden ist, wobei der zweite Deaktivierungsschalter dazu eingerichtet ist die Entladeauslösespannung des Knotens zu empfangen, und basierend auf der Entladeauslösespannung das zweite Schaltglied zu schalten.
Wie bereits beschrieben, ist der Speicher zwischen zwei Ausgangsklemmen auf der Sekundärseite der Spannungsquelle angeschlossen. An eine dieser Ausgangsklemmen ist demnach ein Entladewiderstand der Entladungsschaltung angeschlossen. Gewissermaßen wird über den Entladewiderstand ein Reservoir für die elektrische Energie des Speichers bereitgestellt.
Der zweite Deaktivierungsschalter empfängt hierbei die Entladeauslöseschaltung des Knotens, die beispielsweise durch den ersten Deaktivierungsschalter und den DC/DC-Wandler am Knoten bereitgestellt wird. Indem der zweite Deaktivierungsschalter die Entladeauslösespannung empfängt, wird der zweite Deaktivierungsschalter durch die Entladeauslösespannung gesteuert. Der zweite Deaktivierungsschalter kann hierbei als Optokoppler ausgeführt sein.
Der zweite Deaktivierungsschalter schaltet ein zweites Schaltglied ein oder aus. Das zweite Schaltglied ist dazu eingerichtet eine elektrische Verbindung zwischen dem Entladewiderstand und dem zweiten Anschluss des Speichers zu schalten. Sofern der zweite Deaktivierungsschalter eine elektrische Verbindung zwischen dem Entladewiderstand und dem zweiten Anschluss des Speichers herstellt, wird der Speicher über den Entladewiderstand entladen. Sofern der zweite Deaktivierungsschalter keine elektrische Verbindung zwischen dem Entladewiderstand und dem zweiten Anschluss des Speichers herstellt, wird der Speicher nicht über den Entladewiderstand entladen.
Der zweite Deaktivierungsschalter kann dazu eingerichtet sein, das zweite Schaltglied einzuschalten, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Entladewiderstand und einem zweiten Anschluss des Speichers herzustellen, sodass der Speicher über den Entladewiderstand entladen wird, wenn die Entladeauslösespannung am Knoten den ersten Wert oder Wertebereich annimmt, oder der zweite Deaktivierungsschalter kann dazu eingerichtet sein, das zweite Schaltglied auszuschalten, um die elektrische Verbindung zwischen dem Entladewiderstand und dem zweiten Anschluss des Speichers zu trennen, sodass verhindert wird, dass der Speicher über den Entladewiderstand entladen wird, wenn die Entladeauslösespannung den ersten Wert oder Wertebereich nicht annimmt und/oder wenn die Entladeauslösespannung außerhalb des ersten Werts oder Wertebereichs liegt.
Die Entladeschaltung kann eine Indikatorschaltung umfassen, die dazu eingerichtet ist, ein Indikatorsignal mit einem ersten Wert oder Wertebereich auszugeben, wenn der Speicher über den Entladewiderstand entladen wird und das Indikatorsignal mit einem zweiten Wert oder Wertebereich auszugeben, wenn der Speicher über den Entladewiderstand nicht entladen wird.
Dadurch kann festgestellt werden, ob der Speicher entladen wird oder nicht, beziehungsweise kann angezeigt werden, ob die Entladeschaltung so aktiviert ist, dass eine Entladung des Speichers erreicht wird.
Eine Indikatorschaltung kann hierbei beispielsweise parallel zum zweiten Schaltglied eine Spannung abgreifen. Wenn durch das zweite Schaltglied eine elektrische Verbindung hergestellt wird und der Speicher über den Entladewiderstand entladen wird, dann kann die Indikatorschaltung diese Spannung detektieren und beispielsweise über einen Optokoppler oder einen anderen potentialgetrennten Signalübertragungsweg an einen Ausgang leiten, so dass dort das Entladen des Speichers über den Entladewiderstand angezeigt wird.
Die erste Steuerspannung und/oder die zweite Steuerspannung kann durch einen Steuerungstrigger steuerbar sein, insbesondere kann der Steuerungstrigger ein Testschalter, Türöffner oder ein Notaus-Schalter sein, wobei der Speicher beim Betätigen des Steuerungstriggers über die Entladeschaltung entladen wird.
Beispielsweise kann ein Notausschalter oder ein Türöffner über ein integriertes oder separates Notausschaltgerät die erste Steuerspannung unterbrechen.
Insbesondere ist oder umfasst der Steuerungstrigger eine Schnittstelle und/oder eine Einrichtung, mittels welcher der Speicher im Bedarfsfall entladen werden kann. Beispielsweise ist der Steuerungstrigger eine Steuerungseinrichtung des Lasersystems oder in eine Steuerungseinrichtung des Lasersystems integriert.
Beispielsweise kann der Testschalter die zweite Steuerspannung unterbrechen, so dass der erste Deaktivierungsschalter das erste Schaltglied der Treiberschaltung ausschaltet, so dass die primären Leistungsschalter der Spannungsquelle ausgeschaltet werden.
Beispielweise kann somit ein isoliertes Testen der Entladeschaltung ohne die Beeinflussung anderer Komponenten, wie beispielsweise dem DC/DC-Wandler, vorgenommen werden.
Gleichzeitig wird in diesem Fall die Entladeauslösespannung an dem Knoten unterbrochen, so dass durch das Unterschreiten des Schwellwerts das zweite Schaltglied der Entladeschaltung durch den zweiten Deaktivierungsschalter eingeschaltet wird, so dass der Speicher über den Entladewiderstand der Entladeschaltung entladen werden kann.
Bei der Unterbrechung der ersten Steuerspannung, insbesondere im Falle eines Stromausfalles oder einer Betriebsstörung, kann der Speicher über die Entladeschaltung entladen werden.
Beispielsweise kann ein Unterschreiten eines Schwellwerts der ersten Steuerspannung dazu führen, dass an dem ersten Knoten keine Ausgangsspannung bereitgestellt wird. Dies hat zur Folge, dass das Steuerglied der Treiberschaltung ausgeschaltet wird, so dass der Speicher mittelbar nicht mehr durch die primären Leistungsschalter geladen wird. Gleichzeitig kann durch die Unterschreitung des Schwellwerts der Entladeauslösespannung der zweiten Deaktivierungsschalter das zweite Schaltglied einschalten, so dass der Speicher über den Entladewiderstand entladen wird.
Die Entladeschaltung kann dazu eingerichtet und bevorzugt dimensioniert sein, den Speicher in weniger als 100ms, bevorzugt in weniger als 50ms, zu entladen.
Die Entladezeit wird hierbei insbesondere durch die Größe des Entladewiderstands und der Kapazität des Speichers bestimmt.
Bei der sicheren Abschaltung von Laserstrahlung wird die Entladezeit auch die Reaktionszeit genannt, in der das System sicher abschaltet. Diese kann bei dem beschriebenen System weniger als 100ms, beispielsweise 50ms betragen.
Die Zeit, bis zu der kein Laserstrahl mehr aus dem Lasersystem austritt, wird Anhaltezeit genannt. Die Anhaltezeit kann bei einem System mit optischem Verschluss, also einer mechanischen Unterbrechung des Laserstrahls, über 300ms, beispielsweise 350ms betragen. Bei einem System mit der hier vorgeschlagenen Spannungsversorgung kann jedoch eine Anhaltezeit von weniger als 200ms, beispielsweise 100ms erreicht werden. Dementsprechend geht mit einer verkürzten Anhaltezeit eine erhöhte Sicherheit einher.
Die Entladeschaltung kann eingerichtet sein, um den Speicher bis zu einer vorgegebenen Restspannung zu entladen. Die Entladeschaltung kann derart schaltbar sein, insbesondere mittels des zweiten Schaltglieds ausschaltbar sein, dass der Speicher beim Entladen eine vorgegebene Restspannung, insbesondere eine Restspannung im Bereich von 0,1V bis 20V, beispielsweise eine Restspannung im Bereich von 0,1V bis 10V, vorzugsweise eine Restspannung von kleiner 10V, behält.
Der Speicher kann mit einer Rate zwischen 1 Hz und 100Hz schaltbar sein, insbesondere mit einer Rate von 5Hz schaltbar ist.
Das kann bedeuten, dass nach einer erfolgten Abschaltung die Vorrichtung insgesamt der Speicher erneut aufladen kann. In dem Entlade- und Ladevorgang des Speichers wird hierbei insbesondere die gesamte Signalstrecke von erster und zweiter Steuerspannung bis zum Speicher berücksichtigt.
Der Speicher kann hierbei ein Kondensator sein und die Kapazität des Kondensators kann weniger als 10000pF betragen, bevorzugt weniger als 5000pF betragen, besonders bevorzugt 4000pF oder 2000pF oder 1500pF betragen.
Dadurch kann eine große Stabilität der Stromtreiberspannung ermöglicht werden und gleichzeitig eine hohe Sicherheit durch geringe Entladungszeiten gewährleistet werden.
Die Entladeschaltung kann redundant in der Vorrichtung vorhanden sein, und/oder die Vorrichtung kann mindestens zwei Entladeschaltungen umfassen.
Dadurch kann insbesondere die Sicherheit weiter erhöht werden und/oder die Entladezeit weiter verringert werden. Beispielsweise kann damit erreicht werden, dass eine zweite Entladeschaltung den Speicher entlädt, wenn die erste Entladeschaltung defekt ist. Gleichzeitig kann durch die Indikatorschaltung ein solcher Defekt bemerkt und ausgegeben werden.
Die Vorrichtung kann einen Taktgeber aufweisen, der dazu eingerichtet ist, einen Eingangstakt und die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers vom Knoten zu empfangen und basierend auf der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers am Knoten ein getaktetes Schaltsignal als das Schaltsignal zum Schalten des Schaltglieds auszugeben.
Der Taktgeber kann beispielsweise als Optokoppler ausgebildet sein, so dass die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers am Knoten die Versorgungsspannung für die Sekundärseite des Optokopplers ist. Dementsprechend wird bei einer unterbrochenen Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers am Knoten der Taktgeber ausgeschaltet, so dass der Taktgeber kein getaktetes Signal für das Schaltglied ausgibt. Dementsprechend bleibt das Schaltglied ausgeschaltet. Bei einem eingeschalteten Taktgeber wird dementsprechend die Ausgangsspannung am Knoten im Takt des Taktgebers vom Schaltglied empfangen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Lasersystem, insbesondere ein Faserlasersystem, zur Bereitstellung eines Laserstrahls, umfassend mindestens eine Pumpdiode, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung für einen Stromtreiber der mindestens eine Pumpdiode und einen Steuerungstrigger zur Deaktivierung des Laserstrahls, wobei der Steuerungstrigger dazu eingerichtet ist, zur Deaktivierung des Laserstrahls ein Steuerungstriggersignal an die Vorrichtung zu übermitteln, und wobei das Steuerungstriggersignal eine Deaktivierung der Stromtreiberspannung bewirkt.
Unter dem Laserstrahl ist ein aus dem Lasersystem ausgekoppelter Ausgangslaserstrahl zu verstehen. Unter dem Steuerungstrigger ist beispielsweise eine Schnittstelle und/oder eine Einrichtung des Lasersystems zu verstehen, welche ein Steuerungstriggersignal an die Vorrichtung zur Erzeugung der Stromtreiberspannung übermitteln kann, um den Laserstrahl im Bedarfsfall zu deaktivieren.
Das Steuerungstriggersignal kann hierbei insbesondere ein Schaltsignal sein. Ein Schaltsignal kann insbesondere das Unterbrechen oder Herstellen einer elektrischen Verbindung umfassen oder als Schaltsignal an einen Schalter, der eine elektrische Verbindung schaltet oder unterbricht, ausgebildet sein.
Die Vorrichtung zur Erzeugung der Stromtreiberspannung kann dazu eingerichtet sein, die Stromtreiberspannung und/oder den Laserstrahl bei Empfang des Steuerungstriggersignals in weniger als 200ms, bevorzugt weniger als 100ms, besonders bevorzugt in weniger als 50ms, zu deaktivieren.
Insbesondere ist das Lasersystem derart eingerichtet und/oder ausgebildet, dass eine Deaktivierung der Stromtreiberspannung eine Deaktivierung des aus dem Lasersystem ausgekoppelten Laserstrahls bewirkt.
Die Vorrichtung zur Erzeugung der Stromtreiberspannung kann eine der oben beschriebenen Vorrichtungen sein, wobei das mittels des Steuerungstriggers übermittelte Steuerungstriggersignal eine Entladung des Speichers über die Entladeschaltung bewirkt. Beispielsweise bewirkt das Steuerungstriggersignal die Bereitstellung einer Entladeauslösespannung in dem vorgegebenen Wert oder Wertebereich an der Entladeschaltung, um den Speicher zu entladen.
Beispielsweise bewirkt der Steuerungstrigger eine Unterbrechung der ersten Steuerspannung (SIKDPS), beziehungsweise sendet der Steuerungstrigger ein Unterbrechungssignal an einen Schalter, der die erste Steuerspannung unterbricht, sodass der Speicher über die Entladeschaltung entladen wird. Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung;
Figur 3 eine schematische Darstellung Spannungsguelle und des Speichers;
Figur 4A, B eine schematische Darstellung der Treiberschaltung und des Taktgebers;
Figur 5 eine schematische Darstellung der Entladeschaltung;
Figur 6 eine weitere schematische Darstellung der Entladeschaltung;
Figur 7 eine schematische Darstellung der Entladeschaltung und der Indikatorschaltung;
Figur 8 einen schematischen Übersichtsschaltplan der Vorrichtung; und
Figur 9 eine schematische Darstellung eines vorgeschlagenen Lasersystems.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist schematisch die Vorrichtung 9 zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung Vout für einen Stromtreiber einer Pumpdiode 99 gezeigt. In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform soll für die Pumpdiode 99 eine Stromtreiberspannung Vout durch die Spannungsquelle 1 zur Verfügung gestellt werden. Die Spannungsquelle 1 umfasst dabei einen Speicher 120, der beispielsweise einen Kondensator umfassen kann, mit dem die Stromtreiberspannung Vout geglättet oder anderweitig konditioniert wird, um die Pumpdiode 99 zuverlässig mit der Stromtreiberspannung zu versorgen.
Die Spannungsquelle 1 und insbesondere der Speicher 120 kann hierbei über eine Entladeschaltung 7 entladen werden. Hierzu kann die Entladeschaltung 7 eine Entladeauslösespannung empfangen. Wenn die Entladeauslösespannung einen vorgegebenen Wert annimmt oder in einem vorgegebenen Wertebereich liegt, dann kann der Speicher 120 der Spannungsquelle 1 über die Entladeschaltung 7 entladen werden, so dass die Pumpdiode 99 keine Spannung mehr empfängt, beziehungsweise die Spannungsversorgung schnellstmöglich, beispielsweise innerhalb von 100ms oder 50ms, unterbrochen wird.
Die Spannungsquelle 1 weist hierbei eine Primärseite 10 und eine Sekundärseite 12 auf, die voneinander potentialgetrennt sein können. Beispielsweise kann die Spannungsquelle 1 daher einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite umfassen. Auf der Primärseite 10 können primäre Leistungsschalter angeordnet sein (nicht gezeigt), durch die eine Energieversorgung der Sekundärseite 12 schaltbar erreicht werden kann.
Da die Spannungsquelle 1 nicht gleichzeitig betrieben und über die Entladeschaltung 7 entladen werden soll, kann der Betriebszustand der Spannungsquelle 1 und der Betriebszustand der Entladeschaltung 7 von einem gemeinsamen Referenzpotential abhängig gemacht werden, wie in Figur 2 gezeigt. Figur 2 zeigt eine allgemeine erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei die Spannungsquelle 1 und die Entladeschaltung 7 zumindest mittelbar an einen gemeinsamen Knoten 30 angeschlossen sind, von dem eine Spannung empfangen wird. Diese Spannung kann einerseits die Ausgangsspannung eines DC/DC- Wandlers 5 genannt werden und sein, andererseits kann diese Spannung auch die Entladeauslösespannung genannt werden.
In Figur 2 werden die primären Schaltglieder (nicht gezeigt) der Spannungsquelle 1 von einer Treiberschaltung 2 geschaltet. Die Treiberschaltung 2 umfasst hierbei ein Schaltglied (nicht gezeigt), welches ein Schaltsignal empfangen kann und basierend darauf die primären Leistungsschalter der Spannungsquelle 1 zu schalten.
Beispielsweise kann von dem Knoten 30 eine Ausgangsspannung von der Treiberschaltung zumindest mittelbar empfangen werden. Sofern die Ausgangsspannung hier einen ersten Wert oder Wertebereich annimmt, wird die Treiberschaltung 2 geschaltet, wodurch die primären Leistungsschalter geschaltet werden und somit die Spannungsquelle 1 betrieben wird. Sofern die Ausgangsspannung beziehungsweise nun die Entladeauslösespannung einen zweiten Wert oder Wertebereich annimmt, wird die Entladeschaltung 7 aktiviert und die Spannungsquelle 1 entladen. Gleichzeitig wird die Spannungsquelle 1 nicht mehr betrieben. Es wird demnach bevorzugt eine gewisse komplementäre oder inverse Schaltungseigenschaft der Treiberschaltung 2 und der Entladeschaltung 7 realisiert.
In Figur 2 ist des Weiteren gezeigt, dass der Knoten 30 eine Spannung von einem ersten Deaktivierungsschalter 3 empfängt, die wiederum von einem DC/DC-Wandler 5 aufgrund einer ersten Steuerspannung SIKDPS erzeugt wird. Gleichzeitig wird der erste Deaktivierungsschalter 3 durch eine zweite Steuerspannung DisableCOn gesteuert. Wenn die zweite Steuerspannung DisableCOn den ersten Deaktivierungsschalter 3 leitend schaltet, dann wird an dem Knoten 30 die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 5 empfangen. Wenn der erste Deaktivierungsschalter durch die zweite Steuerspannung DisableCOn nichtleitend geschaltet ist, oder durch den DC/DC-Wandler keine Ausgangsspannung erzeugt wird, so liegt an dem Knoten 30 entweder das Massepotential oder ein Undefiniertes Potential an.
Durch den Deaktivierungsschalter 3 wird eine Funktion in die Vorrichtung 100 integriert, die es ermöglicht, die Spannungsquelle 1 über die Entladeschaltung 7 zu entladen, wenn die erste Steuerspannung SIKDPS ausfällt, beispielsweise bei einem Stromausfall. Gleichzeitig wird die Spannungsquelle 1 auch entladen, wenn eine zweite Steuerspannung DisableCOn eingeschaltet oder ausgeschaltet wird, beispielsweise durch einen Steuerungstrigger, etwa einen Testschalter zum Testen der Entladefunktion. Gewissermaßen werden an dem ersten Deaktivierungsschalter mehrere Funktionalitäten und Sicherheitsmechanismen miteinander kombiniert.
Eine alternative Implementierungsmöglichkeit wäre es hierbei den Deaktivierungsschalter 3 durch ein logisches Und-Gatter zu ersetzen, so dass an dem Knoten 30 nur eine Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 5 anliegt, wenn sowohl eine erste als auch eine zweite Steuerspannung DisableCOn vorhanden sind.
In beiden Fällen wird ein schnelles Entladen der Spannungsquelle 1 über die Entladeschaltung 7 ermöglicht, um so die Betriebssicherheit der Vorrichtung 1 zu erhöhen.
In Figur 3 ist schematisch ein vereinfachter Schaltplan der Spannungsquelle 1 gezeigt. Die Spannungsquelle 1 weist eine Primärseite 10 und eine Sekundärseite 12 auf, wobei vorzugsweise eine induktive Kopplung zwischen den beiden Seiten besteht. Die Sekundärseite 12 umfasst zudem zwei Ausgangsklemmen 1200, 1202 zwischen denen ein Speicher für elektrische Ladung 120 angeordnet ist. Der Speicher 120 kann hierbei beispielsweise als Kondensator ausgebildet sein, dessen Kapazität weniger als 10000pF beträgt, bevorzugt weniger als 5000pF beträgt, besonders bevorzugt 1500pF beträgt. Beispielsweise kann die Kapazität 4000pF oder 2000pF oder 1500pF betragen. Indem der Speicher 120 zwischen den Ausgangsklemmen 1200, 1202 der Sekundärseite 12 angeordnet ist, stabilisiert der Speicher 120 die Stromtreiberspannung Vout der Spannungsquelle 1 , mit der beispielsweise ein Stromtreiber einer Pumpdiode mit Spannung versorgt werden kann.
Auf der Primärseite 10 der Spannungsquelle 1 sind primäre Leistungsschalter 100 angeordnet. Die primären Leistungsschalter 100 sind im vorliegenden Beispiel als MOSFET ausgebildet, die für das Leiten und Sperren besonders großer elektrischer Ströme und Spannungen optimiert sind. Werden die MOSFETs über ein Schaltsignal an dem Schaltungseingang 1000 eingeschaltet, sprich leitfähig geschaltet, dann erzeugt die Spannung V_IMC auf der Primärseite 10 durch die induktive Kopplung eine Spannung auf der Sekundärseite 12, wodurch der Speicher 120 geladen wird.
Ausgangspunkt der diesem Aufbau zugrundeliegenden Überlegungen ist es, das schnelle Abschalten und Entladen des Speichers 120 zu ermöglichen. Bisher wurde in einem Störfall oder einem Notfall lediglich durch Unterbrechen der Stromversorgung der Ladevorgang des Speichers 120 durch Unterbrechen der Spannungsversorgung V_IMC unterbrochen, so dass der Speicher erst nach einer Zeitkonstanten, die durch die Kapazität des Speichers 120 bestimmt ist, keine Energie mehr speichert und somit die Spannungsversorgung des Stromtreibers der Pumpdiode unterbricht. Gewissermaßen musste sich der Speicher über die Pumpdiode oder den Verbraucher entladen, so dass eine definierte Abschaltzeit nicht erreicht werden konnte.
Gemäß dem nun hier vorgeschlagenen Aufbau kann der Speicher 120 jedoch nun auch definiert und schnell über die Entladeschaltung 7 entladen werden, wie weiter unten gezeigt.
In Figur 4A ist die Treiberschaltung 2 zum Schalten der primären Leistungsschalter 100 der Spannungsquelle 1 gezeigt. Die Treiberschaltung 2 weist eine Primärseite 20 und eine Sekundärseite 22 auf, wobei die Primärseite 20 und die Sekundärsite 22 induktiv gekoppelt sind. Auf der Primärseite 20 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Schaltglied 200 angeordnet, welches insbesondere als Transistor ausgebildet sein kann. Der Transistor ist ein Schalter, der durch eine Steuerspannung oder einen Steuerstrom eine Versorgungsspannung VSUppiy der Primärseite 20 ein- und/oder ausschalten kann. Das Schaltglied 200 empfängt hierzu ein erstes Schaltsignal.
Die Primärseite 20 umfasst des Weiteren beispielsweise zwei parallel geschaltete Induktivitäten, die jeweils Teil eines Transformators beziehungsweise eines induktiven Kopplungselements sind. Auf der Sekundärseite 22 der Treiberschaltung 2, die sogleich durch die Sekundärseiten 22 jedes Transformators gegeben ist, kann die transformierte Spannung durch einen Verstärker verstärkt und zu den Leistungsschaltern 100 der Spannungsquelle 1 geführt werden. Der Verstärker kann hierbei beispielsweise als CMOS-Inverter ausgeführt sein, wobei durch die Transformatoren eine Versorgungsspannung der CMOS-Inverter erzeugt wird und durch eine Gate-Spannung der CMOS-Inverter eine Verstärkung eingestellt werden kann.
Wenn also das Schaltsignal das Schaltglied 200 leitend schaltet, dann kann die Primärseite 20 eine Versorgungsspannung VSUppiy empfangen, wobei durch die Transformtoren in der Sekundärseite 22 eine Spannung induziert wird, die über die eine Verstärkerschaltung die primären Leistungsschalter 100 der Spannungsquelle 1 schalten kann. Wenn das Schaltglied 200 kein Schaltsignal empfängt, dann wird auch keine Spannung in der Sekundärseite 22 der Treiberschaltung 2 induziert, so dass die primären Leistungsschalter 100 nicht geschaltet werden.
Das Schaltsignal des Schaltglieds 200 kann hierbei beispielsweise durch einen Taktgeber 4 bereitgestellt werden, der exemplarisch in Figur 4B dargestellt ist. der Taktgeber 4 weist hierzu einen Eingang 40 auf, der mit einem Taktsignal gespeist wird, beispielsweise mit einer Rechteckspannung einer bestimmten Amplitude. Zusätzlich ist der Taktgeber 4 mit einem Spannungseingang 42 versehen, durch den der Taktgeber 4 Spannung empfängt. Sofern die Spannung größer ist als eine kritische Spannung oder Schwellspannung, kann der Taktgeber 4 eine Ausgangsspannung oder die Versorgungsspannung an seinem Ausgang 44 im Takt des Taktsignals am Eingang 40 abgeben. Dadurch kann das Schaltglied 200 geschaltet werden, beispielsweise periodisch geschalten werden.
Der Taktgeber 4 kann hierbei insbesondere auch als Optokoppler ausgebildet sein. Sofern die Versorgungsspannung des Optokopplers einen Schwellwert unterschreitet, gibt der Optokoppler keine Ausgangsspannung aus, so dass der Speicher 120 der Spannungsquelle 1 nicht geladen wird. Der Taktgeber 4 kann hierbei insbesondere ebenfalls an den Knoten 30 angeschlossen werden.
In Figur 5 ist schematisch die Entladeschaltung 7 gezeigt. Die Entladeschaltung 7 weist einen zweiten Deaktivierungsschalter 75 auf, der die Entladeauslösespannung des Knotens 30 empfängt. Auf Basis der empfangenen Entladeauslösespannung kann ein zweites Schaltglied 73 geschaltet werden. Das zweite Schaltglied 73 ist mit einem Ende mit einem Entladewiderstand 72 verbunden, der wiederum mit einem Anschluss des Speichers 120 verbunden ist. Das andere Ende des Schaltglieds 73 ist mit dem anderen Anschluss des Speichers 120 verbunden. Wenn das Schaltglied 73 auf Basis der empfangenen Entladeauslöseschaltung am Deaktivierungsschalter 75 geschaltet wird, dann kann eine elektrische Verbindung der Anschlüsse des Speichers 120 über den Entladewiderstand 72 hergestellt werden, so dass der Speicher 120 über der Entladewiderstand 72 entladen wird. Im umgekehrt geschalteten Zustand des Schaltglieds 73 wird der Speicher 120 nicht über den Entladewiderstand entladen.
In Figur 6 ist eine detailliertere Darstellung des Schaltplans der Entladeschaltung 7 dargestellt. Hierbei ist der Deaktivierungsschalter 75 durch einen Optokoppler gegeben, der die Entladeauslösespannung empfängt. Wenn der Optokoppler 75 aktiviert wird, so unterbricht das Schaltglied 73 die elektrische Verbindung zwischen dem Entladewiderstand 72 und dem Speicher 120, der an den Anschlussklemmen 1200, 1202 angeschlossen ist. Wird der Optokoppler 75 hingegen deaktiviert, so wird die elektrische Verbindung durch das Schaltglied 73 geschlossen, bis der Speicher 120 entladen ist. Der Transistor 77 dient hierbei zur Stromverstärkung und dem Bereitstellen einer definierten Schaltschwelle für das Schaltglied 73.
Die Vorrichtung 9 kann insbesondere auch eine Indikatorschaltung 76 aufweisen, die ein Indikatorsignal ausgibt oder nicht ausgibt, wenn der Speicher 120 über den Entladewiderstand 72 entladen wird.
In Figur 7 ist die Indikatorschaltung 76 als Optokoppler ausgeführt. Der Optokoppler ist parallel zum zweiten Schaltglied 73 zwischen den Entladewiderstand 72 und den zweiten Anschluss 1202 des Speichers 120 geschaltet. Über den Optokoppler wird hierbei stets ein Teil der Speicherenergie gespeist, so dass immer eine geringfügige Entladung des Speichers 120 durch den Entladewiderstand 72 erfolgt. Dieser Effekt wird hierbei in Kauf genommen. Beim Schalten des zweiten Schaltglieds 73 und beim Entladen des Speichers 120 über den Entladewiderstand 72 kann am Ausgang des Optokopplers jedoch ein Indikatorschaltelement geschalten werden, durch das eine Indikatorspannung ausgegeben werden kann. Die Indikatorspannung ist hierbei ein Maß für den Entladestrom über den Entladewiderstand 72.
In den vorgenannten Ausführungsformen kann somit eine Entladung des Speichers 120 auf vielfältige Weise ausgelöst werden:
Wenn die erste Steuerspannung SIKDPS ausfällt, beispielsweise durch einen Stromausfall bedingt, dann empfängt der Knoten 30 keine Spannung, da der DC/DC- Wandler 5 keine Ausgangsspannung erzeugt. Dadurch wird einerseits der zweite Deaktivierungsschalter 75 der Entladeschaltung 7 aktiviert, so dass ein Entladen des Speichers 120 über den Entladewiderstand 72 der Entladeschaltung 7 erfolgt.
Andererseits kann zudem der Taktgeber 4 kein Schaltsignal mehr erzeugen, so dass auch die Treiberschaltung 2 nicht mit Energieversorgt wird und der Speicher 120 mittelbar über die primären Leistungsschalter 100 nicht mehr geladen wird.
Das Entladen des Speichers 120 kann jedoch auch über den ersten Deaktivierungsschalter 3 ausgelöst werden, indem die zweite Steuerspannung DisableCon des ersten Deaktivierungsschalters 3 unterbrochen wird. Dann wird an dem Knoten 30 ebenfalls keine Spannung empfangen, so dass wiederum die Entladeschaltung 7 aktiviert wird und den Speicher 120 entlädt.
Durch die Entladeschaltung kann der Speicher 120 in weniger als 100ms, bevorzugt in weniger als 50ms entladen werden. Dadurch ist ein besonders sicherer Betrieb der Vorrichtung möglich, insbesondere, wenn damit die Laserdiode eines Lasers betrieben wird.
In Figur 8 ist ein Übersichtsschaltplan der Vorrichtung gezeigt, der alle oben genannten Elemente enthält.
In Figur 9 ist ein Lasersystem 999 mit der vorgeschlagenen Entladeschaltung schematisch dargestellt.
Das Lasersystem 999 ist beispielsweise ein Faserlasersystem, welches mindestens eine Pumpdiode 99 umfasst. Die Pumpdiode 99 wird über eine Vorrichtung 9 zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung für einen Stromtreiber und einen zugehörigen Stromtreiber (nicht gezeigt) betrieben. Wenn die Vorrichtung 9 eine erste Steuerspannung SIKDPS empfängt, dann wird die Pumpdiode 99 über den Stromtreiber mit Strom versorgt, um einen Laserstrahl 990 bereitzustellen.
Unter diesem Laserstrahl 990 ist ein aus dem Lasersystem 999 austretender Ausgangslaserstrahl des Lasersystems 999 zu verstehen.
Zur Bereitstellung des Laserstrahls 990 wird mittels der Pumpdiode 99 beispielsweise Pumplaserstrahlung bereitgestellt, um ein aktives Medium des Lasersystems 999 optisch zu pumpen (nicht gezeigt).
Insbesondere ist das aktive Medium Teil einer optischen Faser (nicht gezeigt) des Lasersystems 999. Der Laserstrahl 990 ist in diesem Fall der aus der optischen Faser austretende Laserstrahl. Das Lasersystem 999 weist einen Steuerungstrigger 92 auf. Der Steuerungstrigger 92 kann ein Steuerungstriggersignal an die Vorrichtung 9 übermitteln, so dass dadurch eine Deaktivierung der Stromtreiberspannung bewirkt wird und somit der Laserstrahl 990 abgeschaltet wird. Beispielsweise kann das Steuerungstriggersignal eine entsprechende Steuerspannung S IKDPS sein oder bereitstellen, beispielsweise eine Unterbrechung der ersten Steuerspannung SIKDPS.
Insbesondere kann die Vorrichtung 9 des Lasersystems 999 die Stromtreiberspannung und/oder den Laserstrahl 990 in weniger als 100ms, bevorzugt in weniger als 50ms deaktivieren. Beispielsweise kann zu diesem Zweck die Vorrichtung 9 entsprechend der Schaltung in Figur 8 ausgebildet sein. Dann kann etwa durch das Übermitteln eines Steuerungstriggersignals an die Vorrichtung 9 eine Entladung des Speichers 120 über die Entladeschaltung 7 bewirken. Das Steuerungstriggersignal kann zu diesem Zweck beispielsweise die erste Steuerspannung unterbrechen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezuqszeichenhste
1 Spannungsquelle
10 Primärseite
100 primärer Leistungsschalter
1000 Schaltungseingang
12 Sekundärseite
120 Speicher für elektrische Ladung
1200 Anschlussklemme
1202 Anschlussklemme
2 Treiberschaltung
20 Primärseite
22 Sekundärseite
200 Schaltglied
3 Deaktivierungsschalter
30 Knoten
4 Taktgeber
40 Eingang
42 Spannungseingang
44 Ausgang
5 DC/DC-Wandler
7 Entladeschaltung
72 Entladewiderstand
73 zweites Schaltglied
75 zweiter Deaktivierungsschalter
76 Indikatorschaltung
77 Transistor
9 Vorrichtung
92 Steuerungseinrichtung
99 Pumpdiode
990 Laserstrahl
999 Lasersystem

Claims

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Ansprüche Vorrichtung zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung (Vout) für einen Stromtreiber einer Pumpdiode, insbesondere zum Betreiben einer Pumpdiode eines mittels der Pumpdiode gepumpten Faserlasers, umfassend: eine Spannungsquelle (1 ) zum Erzeugen der Stromtreiberspannung (Vout), wobei die Spannungsquelle (1 ) eine Primärseite (10) und eine Sekundärseite (12) umfasst, wobei die Sekundärseite (12) von der Primärseite (10) potentialgetrennt ist, wobei die Primärseite (10) primäre Leistungsschalter (100) umfasst und wobei die Sekundärseite (12) einen Speicher (120) für elektrische Ladung umfasst, wobei die Spannungsquelle (1 ) dazu eingerichtet ist durch Schalten der primären Leistungsschalter (100) die Stromtreiberspannung (Vout) am Speicher (120) zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine Entladeschaltung (7), die dazu eingerichtet ist, eine Entladeauslösespannung zu empfangen und den Speicher (120) zu entladen, wenn die Entladeauslösespannung einen vorgegebenen Wert oder Wertebereich annimmt. Vorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Treiberschaltung (2) zum Schalten der primären Leistungsschalter (100) der Spannungsquelle (1 ), wobei die Treiberschaltung ein Schaltglied (200) umfasst, das dazu eingerichtet ist, ein erstes Schaltsignal zu empfangen und basierend darauf die primären Leistungsschalter (100) der Spannungsquelle (1 ) zu schalten. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Entladeschaltung (7) mit einem Knoten verbunden ist, um die Entladeauslösespannung zu empfangen, gekennzeichnet durch einen DC/DC-Wandler (5), der dazu eingerichtet ist, eine erste Steuerspannung (SIKDPS) ZU empfangen und basierend auf der ersten Steuerspannung (SIKDPS) eine Ausgangsspannung an einem Ausgang davon bereitzustellen, und einen Deaktivierungsschalter (3), der dazu eingerichtet ist, eine zweite Steuerspannung (DisableCOn) zu empfangen und basierend auf der zweiten Steuerspannung (DisableCOn) eine elektrische Verbindung zwischen dem Ausgang des DC/DC-Wandlers (5) und dem Knoten zu schalten. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deaktivierungsschalter (3) dazu eingerichtet ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Ausgang des DC/DC-Wandlers (5) und dem Knoten (30) herzustellen, wenn die zweite Steuerspannung (DisableCOn) einen ersten Wert oder Wertebereich aufweist, und die elektrische Verbindung zwischen dem Ausgang und dem Knoten zu trennen, wenn die zweite Steuerspannung (DisableCon) einen zweiten Wert oder Wertebereich aufweist, der unterschiedlich zum ersten Wert oder Wertebereich ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (7) einen zweiten Deaktivierungsschalter (75), ein zweites Schaltglied (73) und einen Entladewiderstand (72) umfasst, der mit einem ersten Anschluss des Speichers (120) verbunden ist, wobei der zweite Deaktivierungsschalter (75) dazu eingerichtet ist die Entladeauslösespannung des Knotens (30) zu empfangen, und basierend auf der Entladeauslösespannung das zweite Schaltglied (73) zu schalten. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Deaktivierungs-schalter (75) dazu eingerichtet ist, das zweite Schaltglied (73) einzuschalten, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Entladewiderstand (72) und einem zweiten Anschluss des Speichers (120) herzustellen, sodass der Speicher über den Entladewiderstand (72) entladen wird, wenn die Entladeauslösespannung am Knoten den ersten Wert oder Wertebereich annimmt, und/oder der zweite Deaktivierungsschalter (75) dazu eingerichtet ist, das zweite Schaltglied (73) auszuschalten, um die elektrische Verbindung zwischen dem Entladewiderstand (72) und dem zweiten Anschluss des Speichers (120) zu trennen, sodass verhindert wird, dass der Speicher (120) über den Entladewiderstand (72) entladen wird, wenn die Entladeauslösespannung den ersten Wert oder Wertebereich nicht annimmt und/oder wenn die Entladeauslösespannung außerhalb des ersten Werts oder Wertebereichs liegt. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (7) eine Indikatorschaltung (76) umfasst, die dazu eingerichtet ist ein Indikatorsignal mit einem ersten Wert oder Wertebereich auszugeben, wenn der Speicher (120) über den Entladewiderstand (72) entladen wird und das Indikatorsignal mit einem zweiten Wert oder Wertebereich auszugeben, wenn der Speicher (120) über den Entladewiderstand (72) nicht entladen wird. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuerspannung (SIKDPS) und/oder die zweite Steuerspannung (DisableCon) durch einen Steuerungstrigger steuerbar ist, insbesondere der Steuerungstrigger ein Testschalter, oder ein Türöffner oder einen Notaus- Schalter ist und wobei der Speicher (120) beim Betätigen des Steuerungstriggers über die Entladeschaltung (7) entladen wird. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Unterbrechung der ersten Steuerspannung (S IKDPS), insbesondere im Falle eines Stromausfalles oder einer Betriebsstörung, der Speicher (120) über die Entladeschaltung (7) entladen wird. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (7) eingerichtet ist, um den Speicher (120) in weniger als 100ms, bevorzugt in weniger als 50ms, zu entladen. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (7) eingerichtet ist, um den Speicher (120) bis zu einer vorgegebenen Restspannung zu entladen. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (7) derart schaltbar ist, insbesondere mittels des zweiten Schaltglieds (73) ausschaltbar ist, dass der Speicher (120) beim Entladen eine vorgegebene Restspannung, insbesondere eine Restspannung im Bereich von 0,1V bis 20V, behält. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (120) mit einer Rate zwischen 1 Hz und 100Hz schaltbar ist, insbesondere mit einer Rate von 5Hz schaltbar ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (120) ein Kondensator ist und die Kapazität des Kondensators weniger als 10000pF beträgt, bevorzugt weniger als 5000pF beträgt, besonders bevorzugt 4000pF oder 2000pm oder 1500pF beträgt. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (7) redundant in der Vorrichtung vorhanden ist, und/oder dass die Vorrichtung mindestens zwei Entladeschaltungen (7) umfasst. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Taktgeber (4), der dazu eingerichtet ist, einen Eingangstakt und die Entladeauslösespannung zu empfangen und basierend auf der Entladeauslösespannung ein getaktetes Schaltsignal als das erste Schaltsignal zum Schalten des Schaltglieds (200) auszugeben. Lasersystem (999), insbesondere Faserlasersystem, zur Bereitstellung eines Laserstrahls (990), umfassend mindestens eine Pumpdiode (99), eine Vorrichtung (9) zur Erzeugung einer Stromtreiberspannung für einen Stromtreiber der mindestens einen Pumpdiode (99), und einen Steuerungstrigger (92) zur Deaktivierung des Laserstrahls (990), wobei der Steuerungstrigger (92) dazu eingerichtet ist zur Deaktivierung des Laserstrahls 32
(990) ein Steuerungstriggersignal an die Vorrichtung (9) zu übermitteln, und wobei das Steuerungstriggersignal eine Deaktivierung der Stromtreiberspannung bewirkt. Lasersystem (999) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (9) zur Erzeugung der Stromtreiberspannung dazu eingerichtet ist, die Stromtreiberspannung und/oder den Laserstrahl (990) bei Empfang des Steuerungstriggersignals in weniger als 200ms, bevorzugt in weniger als 100ms, besonders bevorzugt in weniger als 50ms, zu deaktivieren. Lasersystem (999) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (9) zur Erzeugung der Stromtreiberspannung eine Vorrichtung (9) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 umfasst, wobei das mittels des Steuerungstriggers (92) übermittelte Steuerungstriggersignal eine Entladung des Speichers (120) über die Entladeschaltung (7) bewirkt.
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