Title:
Sicherheitsschaltung für eine Lichtquelle
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Sicherheitsschaltung (200) für eine moduliert schaltbare Lichtquelle (12),
mit einem Stromunterbrecher (145), der im Strompfad der Lichtquelle (12) angeordnet und derart ausgestaltet ist, das ausgehend von einem an einem Eingang (EN) des Stromunterbrechers (145) anliegendes Abschaltsignal die Stromzufuhr zur Lichtquelle (12) unterbrochen wird,
mit einer ersten Auslöseschaltung (1) zur Bereitstellung eines Abschaltsignalsignals ausgehend von einem Überschreiten eines maximalen Strom (Imax),
und mit einer zweiten Auslöseschaltung (2) zur Bereitstellung eines Abschaltsignals ausgehend von einem Überschreiten eines maximalen mittleren Stroms ().





Inventors:
Dolle, Marc (57368, Lennestadt, DE)
Pochitalin, Alexey (57072, Siegen, DE)
Application Number:
DE102017207957A
Publication Date:
11/16/2017
Filing Date:
05/11/2017
Assignee:
pmdtechnologies ag, 57076 (DE)
International Classes:
H02H7/20; G01S17/88; H02H9/02; H05B37/00
Domestic Patent References:
DE19704496A1N/A1998-03-12
Other References:
IEC 60825-1: 2014
Attorney, Agent or Firm:
Schuhmann, Jörg, Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., 88069, Tettnang, DE
Claims:
1. Sicherheitsschaltung (200) für eine moduliert schaltbare Lichtquelle (12),
mit einem Stromunterbrecher (145), der im Strompfad der Lichtquelle (12) angeordnet und derart ausgestaltet ist, das ausgehend von einem an einem Eingang (EN) des Stromunterbrechers (145) anliegendes Abschaltsignal die Stromzufuhr zur Lichtquelle (12) unterbrochen wird,
mit einer ersten Auslöseschaltung (1) zur Bereitstellung eines Abschaltsignalsignals ausgehend von einem Überschreiten eines maximalen Strom (Imax),
und mit einer zweiten Auslöseschaltung (2) zur Bereitstellung eines Abschaltsignals ausgehend von einem Überschreiten eines maximalen mittleren Stroms ().

2. Sicherheitsschaltung (200) nach Anspruch 1,
mit einer Strommessschaltung (105) zur Erfassung eines zur Beleuchtung (12) fließenden Stroms (IB),
wobei die erste Auslöseschaltung (1) einen ersten Komparator (125) aufweist, der direkt mit der Strommessschaltung (105) verbunden ist,
und die zweite Auslöseschaltung (2) einen zweiten Komparator (120) aufweist der über einen Tiefpass (TP2) mit der Strommessschaltung (105) verbunden ist,
wobei die Ausgänge der beiden Komparatoren (120, 125) mit einem Oder-Logikbaustein (150) verbunden sind, der wiederum mit dem Eingang (EN) des Stromunterbrechers (140) verbunden ist, so dass bei Vorliegen eines Abschaltsignals einer der Komparatoren (120, 125) ein Abschaltsignal am Eingang (EN) des Stromunterbrechers anliegt und zur Unterbrechung der Stromzufuhr führt.

3. Sicherheitsschaltung (200) nach Anspruch 2, bei der die erste Auslöseschaltung (1) einen ersten Tiefpass (TP1) aufweist, wobei eine Zeitkonstante des ersten Tiefpasses (TP1) wesentlich kleiner ist als eine Zeitkonstante des zweiten Tiefpasses (TP2) der zweiten Auslöseschaltung (2).

4. Beleuchtungsmodul (10) mit einer Sicherheitsschaltung (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen.

5. Lichtlaufzeitkamerasystem (100) mit einem Beleuchtungsmodul (10) nach Anspruch 4.

Description:

Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören so genannten Time-of flight-(TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.

Mit Lichtlaufzeitmesssystem bzw. Lichtlaufzeitkamera sind insbesondere alle 3D-Kamerasysteme umfasst, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als 3D-Kamera bzw. PMD-Kamera sind insbesondere so genannte Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der DE 197 04 496 A1 beschrieben sind.

Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Entfernungsmessung hängt unter anderem von der Qualität des Empfängers und der Lichtquelle ab. Mit einer hohen Lichtenergie können insbesondere größere Distanzen in die Entfernungsmessung einbezogen werden. Auch die Qualität der Lichtmodulation hat Einfluss auf die Genauigkeit der Entfernungsmessung.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Regelungen für eine Lichtquelle bekannt. Bei einer reinen Spannungsregelung ist es nachteilig, dass diese Regelung typischerweise sehr empfindlich gegenüber Parametern der Lichtquelle (Serienwiderstand, Schwellspannung) sowie den Tastverhältnissen der Ansteuerung ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Sicherheit unter allen vorhersehbaren Fehlerfällen zu gewährleisten, dazu zählen vor Allem ein fehlerhafter Betriebsmodus oder ein nach dem Abschlusstest aufgetretener Hardwaredefekt.

Vorteilhaft ist wird erfindungsgemäß eine Sicherheitsschaltung zur Absicherung einer moduliert betriebenen Beleuchtung gemäß des unabhängigen Anspruchs vorgeschlagen.

Vorteilhaft ist eine Sicherheitsschaltung für eine moduliert schaltbare Lichtquelle vorgesehen, mit einem Stromunterbrecher, der im Strompfad der Lichtquelle angeordnet und derart ausgestaltet ist, das ausgehend von einem an einem Eingang des Stromunterbrechers anliegendes Abschaltsignal die Stromzufuhr zur Lichtquelle unterbrochen wird,
mit einer ersten Auslöseschaltung zur Bereitstellung eines Abschaltsignalsignals ausgehend von einem Überschreiten eines maximalen Strom,
und mit einer zweiten Auslöseschaltung zur Bereitstellung eines Abschaltsignals ausgehend von einem Überschreiten eines maximalen mittleren Stroms.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Beleuchtung hinsichtlich mehrerer kritischer Größen abgesichert, nämlich einer Gefährdung der Augensicherheit aufgrund zu hoher Ausgangsleistungen und zum anderen einer Gefährdung aufgrund zu langer Strahlungsbelastungen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, ist der Sicherheitsschaltung ein Strommessschaltung zur Erfassung eines zur Beleuchtung fließenden Stroms zugeordnet,
wobei die erste Auslöseschaltung einen ersten Komparator aufweist, der direkt mit der Strommessschaltung verbunden ist,
und die zweite Auslöseschaltung einen zweiten Komparator aufweist der über einen Tiefpass mit der Strommessschaltung verbunden ist,
wobei die Ausgänge der beiden Komparatoren mit einem Oder-Logikbaustein verbunden sind, der wiederum mit dem Eingang des Stromunterbrechers verbunden ist, so dass bei Vorliegen eines Abschaltsignals einer der Komparatoren ein Abschaltsignal am Eingang des Stromunterbrechers anliegt und zur Unterbrechung der Stromzufuhr führt.

Diese Anordnung ist insbesondere von Vorteil, wenn über die Beleuchtung eine kleine Kapazität und über die Spannungsversorgung eine große Kapazität realisiert werden kann.

Nützlich ist auch eine weitere Ausgestaltung, bei der auch die erste Auslöseschaltung einen Tiefpass aufweist, wobei jedoch eine Zeitkonstante des ersten Tiefpasses wesentlich kleiner ist als eine Zeitkonstante des zweiten Tiefpasses der zweiten Auslöseschaltung.

Diese Schaltung ist von Vorteil, wenn parallel zur Beleuchtung ein typischerweise große Kapazität vorgesehen ist. Durch die geeignete Dimensionierung des Tiefpasses, insbesondere eines RC-Glieds, kann sichergestellt werden, dass die Ladeströme zum Beleuchtungskondensator nicht zum Ansprechen der ersten Sicherheitsschaltung führen.

Ebenso ist es von Vorteil ein Beleuchtungsmodul für eine Lichtlaufzeitkamera mit einer vorgenannten Sicherheitsschaltung auszugestalten, sowie das Lichtlaufzeitkamerasystem entsprechend auszugestalten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,

2 schematisch ein Phasenmessprinzip,

3 Grenzwerte abgestrahlter Leisten gegen Messrate für unterschiedliche Einbausituationen,

4a eine Begrenzung des Spitzenstroms bei Einzelpeaks,

4b ein Begrenzung des Spitzenstroms im Hinblick auf Konstantlicht

4c eine Ausführung mit dynamisch angepasster Abschaltzeit,

4d eine Ausführung mit Strombegrenzung,

5a eine Begrenzung des mittleren Strom im Hinblick auf Konstantlicht,

5b eine Begrenzung des mittleren Stroms im Hinblick auf Dauermodulation,

6 ein Konzept einer Leistungsüberwachung einer Beleuchtung,

7 ein Ausführungsbeispiel mit einer Strommessung vor einem Zwischenkreis,

8 ein Ausführungsbeispiel mit einer Strommessung zwischen dem Zwischenkreis und der Beleuchtung,

9 ein Beispiel bei dem der Strom durch die Beleuchtung begrenzt wird,

10 eine Schaltung zum Betreiben einer Beleuchtung mit einer Sicherheitsschaltung mit Strombegrenzer,

11 eine detaillierte Ausgestaltung der Schaltung gemäß 10,

12 eine Schaltung zum Betreiben einer Beleuchtung mit einer Sicherheitsschaltung mit Stromunterbrecher,

13 eine Schaltung gemäß 12 mit einem zusätzlichen Tiefpass.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.

Die erfindungsgemäße Lösung kann insbesondere für ein Lichtlaufzeitkamerasystem 100, wie es in 1 schematisch dargestellt ist, eingesetzt werden. Die 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera 20, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 100 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M0 mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M0 mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.

Ferner weist das System ein Modulationssteuergerät 27 auf, das in Abhängigkeit der vorliegenden Messaufgabe die Phasenlage φvar das Modulationssignal M0 verändert und/oder über einen Frequenzoszillator 38 die Modulationsfrequenz einstellt.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden oder -Laserdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M0 mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M0 in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.

Grundsätzlich ist es von Vorteil Signale mit einem hohen Signal-/Rausch-Verhältnis zu erhalten, insofern ist es ein Bestreben, wenn möglich und sinnvoll eine möglichst hohe Ausgangsleistung bereitzustellen. Die Leistung kann jedoch nicht so hoch getrieben werden, dass eine Augen- oder Hautsicherheit nicht mehr gegeben ist.

Aus den einschlägigen Normen und Gesetzesvorschriften sind entsprechende Grenzwerte bekannt. In 3 sind schematisch und beispielhaft Leistungs-Grenzwerte für zugängliche Strahlung in Abhängigkeit der Messrate aufgetragen. Die obere Kurve zeigt den Verlauf der Grenzwerte für eine Einbausituation, bei der die Augensicherheit zu beachten ist und die untere Kurve einen Verlauf der Grenzwerte für eine Einbausituation, bei der die Hautsicherheit zu beachten ist.

Wie in 3 zu erkennen ist, kann die zulässige zugängliche Strahlung je nach Einbausituation und Messrate auf stark unterschiedliche Werte begrenzt sein.

Gegenstand der Erfindung ist eine Sicherheitsschaltung, die je nach Einbausituation der Strahlenquelle so abgestimmt werden kann, dass die zulässige Ausgangsleistung bei verschiedenen Messraten bestmöglich ausgeschöpft werden kann, sofern das erforderlich ist.

Augensicherheit kann in der Regel gewahrt werden, wenn Leistungsspitzen vermieden werden und überwacht werden. Beispielsweise darf der Strom zur Beleuchtung 12 keinen maximalen Spitzenstrom IPeak_max überschreiten und/oder darf ein maximaler Strom Imax nur eine maximale Zeit tmax anliegen. In 4a ist dieser Sachverhalt schematisch anhand eines moduliert ausgestrahlten Lichtsignals einer Beleuchtung für ein Lichtlaufzeitkamerasystem dargestellt. Die erste Überschreitung des Stromgrenzwerts Imax ist sehr kurz und liegt unterhalb eines Zeitgrenzwertes bzw. einer Abschaltzeit tmax, übersteigt jedoch den maximalen Spitzenstrom IPeak_max und führt somit zu einer Abschaltung. Alternativ zur Abschaltung kann der Strom hier auch auf einen Wert unterhalb des maximalen Stroms Imax heruntergeregelt oder gesteuert werden, um eine Fehlabschaltung zu vermeiden.

Die zweite Überschreitung des Stromgrenzwerts Imax überschreitet nicht den Grenzwert des Spitzenstroms IPeak_max und führt zunächst nicht zu einer Abschaltung, übersteigt jedoch dann die Abschaltzeit tmax, was dann zu einer Abschaltung führt.

4b zeigt eine Variante, bei der schon im normalen Modulationsbetrieb die Strompulse den Stromgrenzwert Imax überschreiten aber zeitlich unterhalb der Abschaltzeit tmax und des maximalen Spitzenstroms IPeak_max bleiben. Übersteigt ein Strompuls die Abschaltzeit tmax führt dies, wie bereits in 4a erläutert, zu einer Abschaltung.

4c zeigt eine Ausgestaltung, bei der sich die Abschaltzeit tmax mit zunehmender Stromstärke IB verkürzt. Stromstärken IB unterhalb der maximalen Stromstärke Imax sind unkritisch und sind nicht einer Abschaltzeit tmax unterworfen. Bei einer Überschreitung der maximalen Stromstärke Imax verhalten sich die Abschaltzeiten für zunehmende Ströme IB,1 < IB,2 < IB,3 demnach wie folgt: tmax,1 > tmax,2 > tmax,3. In einem solchen Fall bedarf es nicht zwingend einer gesonderten Überwachung des Spitzenstroms IPeak_max, da die Sicherheitsschaltung derart ausgelegt werden kann, dass die Abschaltung bei diesen hohen Strömen sehr schnell erfolgt. Eine solche Verkürzung der Abschaltzeiten kann durch geeignete Wahl eines Tiefpassfilters, insbesondere einer geeigneten Dimensionierung eines RC-Glieds realisiert werden.

4d zeigt eine Variante, bei der der Strom IB aufgrund schaltungstechnischer Auslegungen auch in einem Fehlerfall ein vorgegebenes Stromlimit Ilimit nicht überschreiten kann. Je nach Anwendung kann das Stromlimit Ilimit mit dem maximalen Strom IB identisch sein, das Stromlimit Ilimit kann jedoch auch unterhalb des maximalen Stroms IB festgelegt sein.

In einer solchen Schaltung kann eine Betriebsweise vorgesehen sein, bei der die Modulation maximal bis zu einem Stromlimit Ilimit erfolgen kann. Erfolgt die Modulation direkt am Stromlimit Ilimit, so ist die Schaltung sensitiv für eine Überschreitung der Abschaltzeit tmax, über die dann eine Abschaltung eingeleitet wird, entsprechend des letzten in 4d dargestellten Modulationssignals.

Liegt hingegen die Modulationsamplitude unterhalb dieses Stromlimits Ilimit führt hingegen eine Überschreitung der Abschaltzeit tmax nicht zu einer Abschaltung. Ob eine solche Situation sicherheitskritisch ist, wird erfindungsgemäß durch eine weitere Sicherheitsschaltung überwacht.

Je nach Einbausituation und Betriebsmodus können auch lang andauernde Bestrahlungsleistungen P als kritisch angesehen werden. Derartig Strahlungsleistungen können beispielsweise über einen mittleren maximalen Strom überwacht werden. In 5 ist ein entsprechender Sachverhalt schematisch dargestellt. Während der Strom IB zu keiner Zeit den maximalen Stromgrenzwert Imax überschreitet, steigt der mittlere Strom aufgrund eines fehlerhaften, konstanten Lichtsignals immer weiter an und übersteigt letztendlich einen Grenzwert für den mittleren Strom und führt so zu eine Abschaltung der Beleuchtung.

Ebenso kann es wie in 5b gezeigt, eine zulässige Bestrahlungsleistung überschritten werden, indem die Modulation nicht mehr in Modulationsintervallen, sondern in einer fehlerhaften, kontinuierlichen Modulation erfolgt. Während im Intervallbetrieb der mittlere Strom Ī einen Normalwert nicht übersteigt, steigt der mittlere Ī Strom bei einer kontinuierlichen Modulation immer weiter an. Bei Erreichen der kritischen mittleren Stromgrenze wird die Beleuchtung 12 abgeschaltet.

Grundgedanke der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung ist, den Strom durch eine Lichtquelle (Laser oder LED) so zu begrenzen, dass diverse Defekte oder Fehleinstellungen nicht zu einer unzulässig hohen Leistung führen können, so dass die Augensicherheit und Hautsicherheit für alle betrachteten Zeitkonstanten gegeben ist, ohne die legitimen Arbeitspunkte einzuschränken.

Die Sicherheitsschaltung beinhaltet zwei miteinander verbundene Auslösemechanismen bzw. Auslöseschaltungen, die unterschiedliche Fehlerfälle abdecken. Eine erste Auslöseschaltung 1 reagiert hier sehr schnell auf stark überhöhte Ströme (s. 4a–c), um diese im Fehlerfall (z. B. bei Versagen des Modulationsschalters) innerhalb einiger μs auf zulässige Werte zu begrenzen oder abzuschalten, während eine zweite Auslöseschaltung 2 den Mittelwert (s. 5a, b) überwacht, um bei Überschreitung zulässiger Werte abzuschalten. Die Mittelwertbildung wird dabei so gewichtet, dass der zulässige Grenzwert der optischen Ausgangsleistung, bspw. der KL1 nach IEC 60825-1: 2014 keinesfalls überschritten, aber auch nicht stärker eingeschränkt wird, als es aufgrund schaltungstechnischer Limitierungen (Toleranzen, bauformbedingte Einschränkung der Zeitkonstanten) erforderlich ist. Ein mögliches Konzept der Leistungsüberwachung der Beleuchtung ist in 6 gezeigt.

Für Laser gibt es bereits einige Sicherheitskonzepte. Aufgrund der speziellen Signalformen jedoch, die bei der Verwendung von Lasermodulen als Lichtquelle für TOF-Kameras benutzt werden, lassen diese Lösungen allerdings problematisch erscheinen. Im Folgenden wird auf einige Aspekt grundsätzlich bekannter Lösungen eingegangen.

Beispiel Sicherungen: Aufgrund der spezifischen Anforderungen (vergleichsweise hohe Pulsleistung bei geringem Mittelwert) ist eine zuverlässige Sicherungsdimensionierung nicht möglich, da die vergleichsweise großen Toleranzen des charakteristischen I2T-Wertes eine ausreichend schnelle Abschaltung bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit unmöglich machen

Beispiel PTC: Diese Schaltelemente sind bauartbedingt so träge, das eine Abschaltung selbst bei stark überhöhter Leistung zu spät erfolgt, so dass die zulässige Ausgangsleistung kurzzeitig überschritten wird, zudem erfordern die hohen Toleranzen sowie die Temperaturabhängigkeit eine extrem konservative Auslegung

Beispiel Stromregelung: Dadurch kann zwar das Auftreten einer stark erhöhten Ausgangsleistung vermieden werden, allerdings kann der Mittelwert immer noch unzulässig hoch werden, zudem können präzise Stromregler zusätzliche Verluste verursachen.

Beispiel Monitordiode: Durch eine separate Monitordiode kann die emittierte optische Leistung direkt gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden. Diese Monitordioden sind aber nicht in allen Technologien leicht integrierbar (VCSEL, LEDs) und müssen zudem kalibriert werden.

Durch die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung sollen wenigsten drei unterschiedliche Fehlerfälle abgedeckt werden:
Erstens, Ausfall der Modulation, Konstantlicht mit hoher Leistung (s. 4a–c): Aufgrund einer Störung könnte die Lichtquelle wird nicht mehr hochfrequent moduliert werden, sondern beispielsweise konstant eingeschaltet sein. Dadurch kann die optische Leistung über längere Zeit einen Wert annehmen, der über der regelmäßig auftretenden und tolerierten Spitzenleistung liegt. Bei einer solchen Leistung, die im normalen Betrieb nur einige Nanosekunden anliegt, wird der zulässige Grenzwert schon nach einigen Mikrosekunden überschritten, so dass die Abschaltung oder Begrenzung sehr schnell erfolgen muss.

Ursache für einen solchen Ausfall der Modulation können hier Hardwaredefekte oder eine falsche Konfiguration des Lichtlaufzeitsensors sein.

Zweitens, zu hohe Ausgangsleistung (s. 4a, c): Die Ausgangsleistung ist zu hoch, obwohl die Beleuchtung ansonsten normal funktioniert. Ursache könnte hier eine sehr ungünstige Toleranzlage oder eine defekte Spannungsversorgung sein.

Drittens, zu lange Einschaltzeit (s. 5a, 5b): Die Beleuchtung funktioniert korrekt, wird aber zu lange eingeschaltet. Ursache könnte hier eine falsche Konfiguration oder ein Versagen der Steuerungslogik sein.

Durch eine geeignete Dimensionierung der in 6 dargestellten Sicherheitsschaltung 200 können die vorgenannten Fehlerfälle zuverlässig erkannt und abgeschaltet oder limitiert werden.

Besonders die zuverlässige Erkennung des dritten Fehlerfalls (zu lange Einschaltzeit) erfordert eine spezielle Abstimmung, da die zulässige Leistung, die abgestrahlt werden darf, stark von vorgegebenen Parametern, beispielsweise von der Messrate und der Messzeit sowie auch von der Einbausituation abhängt.

In einer Ausgestaltung gemäß 7 ist es vorgehen, die Sicherheitsschaltung 200 zwischen der Spannungsquelle 130 auf der einen Seite und die Treiberschaltung mit Zwischenkreis auf der anderen Seite anzuordnen. In dieser Ausgestaltung ist es notwendig, dass nicht nur die zweite Auslöseschaltung 2 für den zweiten und dritten Fehlerfall (zu hoher mittlerer Strom) mit einem Tiefpass ausgerüstet werden, sondern auch die Auslöseschaltung 1 für den ersten Fehlerfall (Ausfall der Modulation, Konstantlicht mit zu hohen Leistungen), da es ansonsten bei der ersten Auslöseschaltung 1 zur Fehlauslösung bei einem erstmaligen Laden des Kondensators im Zwischenkreises kommt. Die Abstimmung der Abschaltzeiten für die erste Auslöseschaltung 1 kann zudem die Dimensionierung des Zwischenkreises einschränken.

Um ein Wiedereinschalten nach einmaligem Auslösen zu verhindern, kann der Auslösemechanismus des Schalters impulsgesteuert ausgeführt werden. Alternativ kann in einer anderen Ausführungsform das Ausganssignal der Auslösemechanismen auf den Eingang gekoppelt werden, um durch eine geeignete Kopplung eine Selbsthaltung im ausgelösten Zustand zu erreichen (Latch).

In einer weiteren Ausgestaltung gemäß 8 ist es vorgesehen, die Sicherheitsschaltung zwischen dem Zwischenkreis und der Beleuchtung (Laser/LED-Treiber) anzuordnen. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass erste Auslöseschaltung 1 hier keine Filterung benötigt, so dass die schwierige Abstimmung im Hinblick auf den Zwischenkreis entfällt und sich keine Einschränkungen für den Zwischenkreis ergeben.

In einer Ausgestaltung gemäß 9 kann die Auslöseschaltung 1 für den ersten Fehlerfall (Ausfall Modulation) durch eine limitierende Konstantstromquelle bzw. durch einen Strombegrenzer ersetzt werden. In diesem Fall wird der Fehlerfall nicht durch Abschaltung, sondern durch Begrenzung auf ungefährliche Werte abgesichert.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zum einen die Sicherheitsschaltung schaltungstechnisch günstig vor dem Zwischenkreis angeordnet werden kann und zum anderen es zu keinen Einschränkungen bei der Dimensionierung des Zwischenkreises kommt.

Je nach Dimensionierung des Strombegrenzers kann auch ein dauerhafter Betrieb unter Konstantstrombedingungen unterbunden werden, indem beispielsweise eine zusätzliche Abschaltung nach einer definierten Zeit hinzugefügt wird.

10 zeigt beispielhaft eine Schaltung zum modulierten Betreiben einer Beleuchtung 12 mit einer möglichen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung 200, wie sie prinzipiell in 9 vorgeschlagen ist. Über eine Spannungsquelle 130 wird eine Versorgungsspannung UV für den Betrieb einer Lichtquelle 12 zur Verfügung gestellt und der zur Lichtquelle 12 fließende Strom IB mittels einer Strommessschaltung 105 erfasst. Ein Modulator 30 stellt ein Modulationssignal M0 für den Lichtlaufzeitsensor 22 und der Beleuchtung bzw. Lichtquelle 12 bereit. Zur Durchführung der Phasenmessung ist ein Phasenschieber 35 vorgesehen, der die Phasenlage des Modulationssignals M0 für die Lichtquelle 12 in geeigneter Weise verschiebt. Gleichwirkend kann selbstverständlich auch die Phasenlage des Sensors 22 verschoben werden. Mit diesem variablen Modulationssignal MV wird im dargestellten Fall ein Schalter S im Strompfad der Lichtquelle 12 geschaltet. Parallel zur Lichtquelle 12 und dem Schalter S ist ein Kondensator C1 vorgesehen.

Wie bereits in 9 erwähnt ist, die erste Auslöseschaltung 1 als Strombegrenzer 140 ausbildet und im Strompfad der Beleuchtung 12 angeordnet. Der Strombegrenzer 140 ist so ausgestaltet, dass der Strom IB maximal auf die Höhe des Stromlimit Ilimit ansteigen und nicht übersteigen kann. Ferner ist der Strombegrenzer 140 vorzugsweise derart ausgestaltet, dass bei einem Strom, der länger als eine Limit-Abschaltzeit tmax_limit am Stromlimit Ilimit anliegt, wie in 4d bereits dargestellt, die Stromzufuhr unterbrochen wird. Ggf. kann diese Abschaltzeit tmax_limit auch durch eine weitere Schaltung überwacht werden.

Die zweite Auslöseschaltung 2 ist als Komparator 120 mit einem vorgeschalteten Tiefpass TP2 ausgebildet. Ausgehend von einem über eine Strommessschaltung 105 bereitgestellten Stromsignal S(IB) ist der Tiefpass TP2 so dimensioniert, dass am Komparator 120 ein mittleres Stromsignal S() anliegt, das einem mittleren Strom zur Beleuchtung 12 entspricht. Übersteigt das mittlere Stromsignal S() einen Grenzwert des Komparators 120, erzeugt der Komparator 120 ein Ausschaltsignal und leitet dieses an einen Eingang EN der Strombegrenzung 140 weiter. Liegt an diesem Eingang EN ein Ausschaltsignal an, wird die Stromzufuhr in Richtung Beleuchtung 12 unterbrochen.

Die Strombegrenzung 140 sichert somit zwei Maximalwerte ab, zum einen wird ein Überschreiten eines maximal zulässigen Stroms Imax dadurch abgesichert, indem der Strom IB aufgrund der Strombegrenzung maximal nur bis zum Stromlimit Ilimit steigen aber niemals dieses Limit überscheiten kann und zum anderen wird über den angeschlossenen Komparator 120 sichergestellt, dass ein mittlerer Maximalstrom nicht überschritten wird.

Die Strombegrenzung 140 dient somit sowohl den Schutz gegenüber hohen Pulsleistungen infolge möglicher Hardwaredefekte über eine Stromlimitierung und fungiert gleichzeitig auch als Leistungsschalter.

Ferner ist der Komparator 120 vorzugsweise mit einer Selbsthaltung ausgestaltet, so dass bei Ausgabe eines Ausschaltsignals dieses Signal gehalten wird. Die Selbsthaltung wird aus Sicherheitsgründen vorzugsweise erst bei einem Neustart des Geräts aufgehoben.

Der Tiefpass kann dabei so dimensioniert werden, dass abhängig von der Pulsfolgefrequenz im relevanten Bereich entweder eine Pulsenergielimitierung, eine Mittelwertlimitierung oder eine Mischform von beiden erfolgt, wodurch ein Schutz gegen alle unzulässigen Betriebspunkte gewährleistet wird.

11 zeigt ein Beispiel einer möglichen Ausgestaltung der Schaltung gemäß 10. Die Strommessung 105 ist hier beispielsweise mit einem Messwiderstand R1 im Strompfad zur Beleuchtung 12 ausgebildet, dessen strombedingter Spannungsabfall ΔUI_B über einen Differenzverstärker 110 erfasst wird und als Stromsignal S(IB) an den Komparator 120 über den Tiefpass TP2, der hier als RC-Glied, R2, C2 ausgebildet ist, weiter geleitet wird.

12 zeigt eine weitere Variante bei der im Unterschied zum Vorgehen gemäß 10 und 11 der Strom IB nicht durch einen Strombegrenzer 140 limitiert wird, sondern über einen Stromunterbrecher 145 eine Abschaltung bei einer Überschreitung von Grenzwerten vorgesehen ist.

Der Stromunterbrecher 145 unterbricht den Stromfluss zu Beleuchtung 12, sobald an einem Eingang des Stromunterbrechers 145 ein Abschaltsignal anliegt. Zur Erzeugen der Abschaltsignale sind zwei Auslöseschaltungen 1, 2 vorgesehen. Mit einer ersten Auslöseschaltung 1 bestehend aus einem Komparator 125 zur Überwachung des zur Beleuchtung 12 fließenden Stroms IB bzw. Stromsignals S(IB) und mit einer zweiten Auslöseschaltung 2 zur Überwachung des mittleren Stroms bzw. Stromsignals S(). Die zweite Auslöseschaltung 2 entspricht der in 10 und 11 gezeigten Schaltung, mit einem als RC-Glied R2, C2 ausgebildeten Tiefpass TP2 und einem Komparator 120 zur Überwachung Die Auslöseschaltungen 1, 2 geben jeweils ein Ausschaltsignal aus sobald eines der Stromsignal seinen jeweiligen Grenzwert überschreitet.

Die Ausgänge der beiden Komparatoren 120, 125 sind auf einen Oder-Vergleicher 150 geführt. Sobald ein Abschaltsignal eines Komparators 120, 125 am Vergleicher 150 anliegt, wird ein entsprechendes Abschaltsignal an den Stromunterbrechers 145 weitergegeben und die Stromzufuhr in Richtung Beleuchtung 12 unterbrochen.

Bevorzugt ist der erste Komparator 125 in der ersten Auslöseschaltung 1 so ausgebildet oder ausgesucht, dass eine systembedingte, inhärente Zeitkonstante des Komparators ausreichend kurz ist, um hohe Spitzenströme zuverlässig absichern zu können. Systembedingt ergibt sich vorteilhaft auch, dass sich die Abschaltzeit tmax mit zunehmender Stromstärke IB verkürzt. So ergibt sich vorteilhaft, dass bei sehr hohen Spitzenströmen, die Abschaltzeit tmax sehr kurz ist.

Weiterhin ist die Schaltung gemäß 11 dahingegen modifiziert, dass der Kondensator C1.1 der parallel zur Beleuchtung 12 und Schalter S angeordnet sehr klein gewählt wird, damit bei Inbetriebnahme aufgrund der fließenden Ladströme der zweite Komparator 125 nicht anspricht. Die sonst hier übliche hohe Kapazität wird in dieser Ausgestaltung unmittelbar an der Spannungsquelle 130 positioniert, hier mit C1.2 gekennzeichnet.

Wie im vorgenannten Beispiels sind beide Komparatoren 120, 125 mit einer Selbsthaltung ausgestaltet, so dass bei Ausgabe eines Ausschaltsignals dieses Signal gehalten wird.

13 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Schaltung gemäß 12, bei der über die Beleuchtung 12 und dem Schalter S wieder ein große Kapazität C1 angeordnet ist. Damit der Ladestrom nicht zum Auslösen des ersten Komparators 125 führt, ist diesem Komparator 125 ein erster Tiefpass TP1 in Form eines ersten RC-Glied R3, C3 vorgeschaltet. Dieses erste RC-Glied weist jedoch eine deutlich geringere Zeitkonstante als das zweite vor dem zweiten Komparator 120 geschaltete RC-Glied R2, C2 auf. Dieses erste RC-Glied R3, C3 ist so ausgelegt, dass der in Richtung Beleuchtungs-Kondensator C1 fließende Strom nicht zur automatischen Unterbrechung der Stromzufuhr führt. Die Zeitkonstante des ersten RC-Glieds R3, C3 muss jedoch kurz genug sein, um bei einem Überschreiten des maximalen Stroms Imax nach der Abschaltzeit tmax zur Abschaltung zu führen.

Auch hier sind die Komparatoren 120, 125 mit einer Selbsthaltung ausgestaltet.

Die vorgenannten Schaltungen sind selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausgestaltungen beschränkt. Insbesondere können die Strommessungen 105 oder auch die Tiefpässe in einer anderen Art und Weise realisiert werden. Beispielsweise sind als Tiefpässe auch so genannte ,switched capacitor filter' denkbar

Bezugszeichenliste

  • 1 erste Auslöseschaltung,
  • 2 zweite Auslöseschaltung,
  • 10 Beleuchtungsmodul
  • 12 Beleuchtung, Lichtquelle
  • 15 Strahlformungsoptik
  • 20 Lichtlaufzeitkamera,
  • 22 Lichtlaufzeitsensor
  • 25 Optik,
  • 27 Modulationssteuergerät,
  • 30 Modulator
  • 35 Phasenschieber
  • 38 Frequenzoszillator,
  • 100 Lichtlaufzeitkamerasystem
  • 105 Strommessschaltung,
  • 110 Differenzverstärker,
  • 120 erster Komparator
  • 125 zweiter Komparator,
  • 130 Spannungsquelle,
  • 140 Strombegrenzer,
  • 145 Stromunterbrecher,
  • 150 Vergleicher, Oder-Schaltung
  • 200 Sicherheitsschaltung
  • TP1 erster Tiefpassfilter,
  • TP2 zweiter Tiefpassfilter
  • IB Strom zur Beleuchtung,
  • mittlerer Strom zur Beleuchtung
  • Imax maximaler Strom, Stromgrenzwert,
  • IPeak_max maximaler Spitzenstrom,
  • Ilimit Stromlimit,
  • Grenzwert mittlerer Strom,
  • tmax Abschaltzeit, Zeitgrenzwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 19704496 A1 [0002, 0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • IEC 60825-1: 2014 [0056]