DE4127421A1 - Sicherheitsschaltung und verfahren fuer laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitsschutter für Lasersysteme, insbesondere für medizinische Anwendungen, wie z. B. Laser-Scalpelle, die bei Abweichung der eingestellten Laserleistung schnell, sicher und vor allem rechtzeitig abschalten, so daß der mit dem Laser behandelte Patient nicht gefährdet ist. Dies ist auch die technische Aufgabenstellung der Erfindung. Zu diesem Zweck weist das Lasersystem eine zusätzliche Unterstützung elektronisch beschleunigter Abschaltfunktionen auf, die wegen ihrer gegebenen Unzuverlässigkeit im Prinzip keinen absolut zuverlässigen Schutz bieten; mit vorliegender Erfindung jedoch absolut zuverlässiger Schutz dadurch gegeben ist, daß diese beschleunigten Abschaltfunktionen über die gesamte Betriebsdauer des Lasersystems einem kontinuierlichen Selbsttest unterzogen sind sowie daß bei Fehlererkennung des Selbsttestes die Systemabschaltung sofort eingeleitet ist. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung betrifft dieser Selbsttest eine kontinuierliche Meßschwingung des Leistungsregelkreises, mit geringer Amplitude, die die Lasererzeugung nicht störend beeinflußt, jedoch sämtliche im Regelkreis des Lasers vorhandenen elektronischen und mechanischen Regelungs- und Abschaltkomponenten, insbesondere die Einhaltung ihrer Dynamischen Spezifikationen, einschließlich der Shuttermechanik (Schließmechanik) des Laserstrahles überwacht.

Dadurch ist, zum Unterschied im Vergleich mit nach dem Stand der Technik arbeitenden Lösungen, das Gesamtsystem bestehend aus:

• a) Laserstrahlerzeugung mit Leistungsmessung, erforderlichenfalls einschließlich Netzteil,
• b) Regelung der Laserleistung,
• c) Schließfunktion des Shutters (einschließlich mechanisch),
• d) gegebenenfalls Halbleiterelemente zum beschleunigten Schließen des Shutters, dito Notabschaltfunktion des Netzteiles,

ständig während der Operation bzw. Laserstrahlerzeugung selbstgetestet und bei Versagen einer beliebigen Komponente des Laser-Regelkreises und -Erzeugersystems das System schnellstens abgeschaltet, bevor die Laserleistung hochgehen kann. Diese Systemabschaltung ist insbesondere auch dann vorgenommen, wenn die vom System abgegebene Laserleistung zwar korrekt ist, aber über die Periodendauer der Selbsttestmeßschwingung dynamisch festgestellt ist, daß die minimal vorgegebenen Abschaltzeiten des Systems nicht mehr gewährleistet sind, was die sofortige Selbstabschaltung zur Folge hat.

In weiterbildenden Maßnahmen der Erfindung ist noch zusätzlich zur Auslösung der Schließfunktion des Shutters eine elektronische Schnellabschaltung des Netzteiles vorgesehen als auch die Miteinbeziehung der Sollwertvorgabe in den ständigen Selbsttest der Laserleistung.

Für den Fall, daß bevorzugt verwendete Halbleiterelemente zum beschleunigten Schließen des Shutters defekt sind, ist gewährleistet, daß bei Unterbrechung oder Kurzschluß entsprechender Halbleiterelementestrompfade der Shutter durch vorgespannte Federkraft oder sein Eigengewicht sicher schließt.

Genannte technische Aufgabe ist grundsätzlich dadurch gelöst, daß durch geringfügige Modulation des Regelkreises, welche sich durch den Unterschied von IST-Wert und SOLL-Wert des Regelkreises bemerkbar macht, der Regelgkreis in eine geringfügige Schwingung versetzt ist, wobei diese Schwingung für die eigentliche Laserregelung ausgesiebt sein kann, und durch IST-SOLL- WERT-Vergleich diese Kleinsignalschwingung des Regelkreises in eine Großsignalschwingung umgesetzt ist, die bei Ansprechen der durch bevorzugten IST-SOLL-WERT- Vergleich vorgenommenen Sicherheitsschaltung aussetzt, und deren Aussetzen das Ansprechen und/oder Abfallen der Sicherheitsfunktionen des Systems (z. B. Shutter, Relais, Netzteilabschaltung) bewirkt. Weiters wird in diesem Zusammenhang auf den kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 verwiesen.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante ist hierbei, die erfindungsgemäße Modulation des Regelkreises über den IST-Wert-Pfad des Regelkreises vorzunehmen und mit einer eigenen Komparatorschaltung durch IST-SOLL-WERT-Vergleich die Kleinsignalmodulation der Meßschwingung in eine Großsignalschwingung umzusetzen, deren Vorhandensein als unmittelbare Haltebedingung für die Bereitstellung der Abschaltfunktion des Lasersystems verwendet ist, wobei diese Abschaltfunktion eine unmittelbare Folge des Aussetzens dieser Großsignalschwingung ist.

Anstelle einer eigens vorgesehenen Komparatorschaltung könnte natürlich im Prinzip auch die Laserregelung unmittelbar verwendet sein. Bei Verwendung einer besonderen Komparatorschaltung ist in weiterer Option der Erfindung die Modulation des Regelkreises für den Leistungsregler ausgesiebt.

Weiters ist noch zusätzlich die Möglichkeit vorgesehen, mit Schalttransistoren des Schaltnetzteiles für die Laserversorgung kurzzeitige Austastimpulse des Netzteils zu erzeugen, welche nachfolgend beschriebene geringfügige Amplitudenmodulation der Laserleistung zum Zwecke der erfindungsgemäßen Selbsttestschwingung bewirken, wobei sowohl die Schalttransistoren des Netzteils kurzzeitig voll abgeschaltet sind als auch die Leistungstransistoren für die zusätzliche Beschleunigung des Shutterschließvorganges während des Selbsttestes stets mit Großsignalansteuerung arbeiten. In einem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel betrifft die Auslösung des Shutterschließvorganges eine Stromabschaltung, wobei für den Selbsttest des Schließvorganges diese Abschaltung stets, wenn auch nur kurzzeitig, bis zur totalen Sperrphase der betreffenden Transistoren vorgenommen ist.

Die Miteinbeziehung von Leistungshalbleitern in den Selbsttest zur Sicherheitsabschaltung bei vernachlässigbar geringer Variation der erzeugten Laserleitung, jedoch bei voller Durchsteuerung von an der Erzeugung des Lasers bzw. zur Abschaltung des Lasers entsprechend verwendeten Leistungstransistoren gewährleistet optimale Streßbedingungen für den Selbsttest, insbesondere für bevorzugte Beschleunigungsfunktionen der Abschaltung für Netzteil und Shutter. In besonder perfektionierter Ausführung weist also vorliegende Anwendung an einem medizinischen Operationslaser ein bevorzugtes Verfahren zum ständigen Selbsttest mit einer geringfügig amplitudenmodulierten Schwingung auf, deren Aussetzen innerhalb des Regelkreises unmittelbar zum Schließen des Shutters führt, wobei als weiterführender Schritt der Erfindung die Schwingungserzeugung zum Zwecke des erfindungsgemäßen Selbsttests durch vollständiges Sperren der Leistungsschalttransistoren des Netzteils über so kurze Zeitintervalle erfolgt, daß der Sperrvorgang zwar ausreichend ist, um ein völliges Sperren des Schalttransistors zu bewirken, jedoch nur eine geringfügige, vernachlässigbare Leistungsvariation bzw. Amplitudenmodulation der Laserleistung bewirkt ist. Da Leistungstransistoren in der Größenordnung, wie sie für Lasernetzteile heute verwendet werden, in der Regel durch mechanische Vibration nach einer bestimmten Anzahl von Schaltspielen zerstört werden und dies in der Regel zu jedem Zeitpunkt auftreten kann, ist es zweckmäßig, auch den Schaltvorgang der Leistungstransistoren selbst frequenzmäßig zu überwachen, was mit vorliegender Erfindung ebenfalls realisiert werden kann. Dies betrifft vor allem das vorgesehene Aussetzen der Selbsttestschwingung nicht nur bei Abweichen der Laser IST-Wertleistung von der SOLL- Wertleistung, sondern vor allem auch bei schwindender Amplitude der genannten Selbsttestschwingungsmodulation im ISTWERT-Pfad des Regelkreises, beispielsweise verursacht durch Nachlassen der Grenzfrequenz der Leistungstransistoren bei spannungsmäßiger Großsignalansteuerung von der Steuerseite her mit entsprechender Großänderung des Überganges von Durchlaß zu Sperrwiderstand, bzw. umgekehrt.

Diese zusätzliche Stromabschaltung der Leistungstransistoren des Netzteiles erfolgt jedoch nur über sehr kurze Dauer entsprechend zu erzeugender Modulation der Laserleistung zum Zwecke genannter Selbsttestschwingung des Regelkreises und ist in ihrer Sperrzeit (vgl. tsp der Modulationsaustastung von Signal GA in Impulsdiagramm zu Schaltung Fig. C) so bemessen, daß bei Nachlassen der Schaltzeit betreffender Leistungstransistoren des Netzteiles die Selbsttestschwingung des IST-Wertpfades am Vergleichskomparator soweit amplitudenmäßig absinkt, daß der Komparatorausgang der Selbsttestschwingung nicht mehr folgt, die Sicherheitsabschaltung des Lasersystems also gewährleistet ist. Das gleiche Verfahren ist auch für das Miteinbeziehen des dynamischen Testes für die beschleunigte Selbstabschaltung durch den Shutter des Lasersystems vorgenommen. Hierbei schwingt der geöffnete Shutter innerhalb seiner Öffnungsstellung (in Fig. 5b im Bereich von LEME1) um die maximalen Eckwerte der Schwingung (oberer bzw. unterer Wendepunkt), wobei diese Schwingung durch Großsignalansteuerung der Leistungstransistoren des Shutters mit einer Frequenz erzeugt ist, bei der der Shutter durch seine Tiefpaßwirkung nur einen kleinen Amplitudenhub aufweist, der so gering ist, daß er den durchgelassenen Laserstrahl nicht oder zumindest wesentlich beeinträchtigt (vgl. auch Beschreibung zu Fig. 5b). Diese Shutterschwingung moduliert dann unmittelbar an der Schließgrenze den Laserstrahl, wobei dann eine Auskopplung über die Laserleistungsmessung erfolgt, oder die Shutterschwingung ist unmittelbar transformatorisch ausgekoppelt. Diese ausgekoppelte Shutterschwingung speist dann wiederum die Einkopplung der Meßsignalschwingung in den ISTWERT-Pfad des Regelkreises unmittelbar oder synchronisiert zumindest die Meßsignalschwingung. Schalten die Leistungstransistoren des Shutterstromkreises den Shutterstrom daher zu langsam ab, wird die Frequenz der Meßsignalschwingung verstimmt und der Shutterstrom durch bevorzugte Resonanzkreisausbildung soweit reduziert, daß der Shutter schließt, d. h. die Selbstabschaltung des Systems ist wiederum gegeben. Der gleiche Effekt tritt auf, wenn die erforderliche Stromeinprägung des Shutterstromkreises für die Soll-Schwingfrequenz des geöffneten Shutters zum Erreichen der vorgesehenen Umkehrpunkte seiner Schwingung (vgl. oberer, unterer Wendepunkt in Fig. 5a) mangels entsprechender Beschleunigung nicht ausreicht, was sowohl elektrische als auch mechanische Ursachen haben kann. Für sämtliche Fälle, in denen sich die Frequenz der Meßsignalschwingung, über welche dann die Speisung des Shutters entsprechend bevorzugtem Komparatorvergleich vorgenommen ist, abweichend von der Mittenfrequenz einer bevorzugt passiven Resonanzkreisschaltung oder Filterschaltung, in die die Shutterspule als frequenzbestimmende Induktivität mit einbezogen ist, sich ändert, ist der Strom durch diese Frequenzänderung bedämpft und es schließt der Shutter.

Für beschriebene Anwendung am Netzteil, ist zur Erzeugung der Modulation der Selbsttestschwingung die bevorzugte Großsignalansteuerung der Leistungshalbleiter vorzugsweise so vorgenommen, daß mit der Frequenz der Selbsttestschwingung ein retriggerbarer monostabiler Multivibrator (DMST in Fig. C) angestoßen ist, dessen Ausgang über eine Koinzidenzfunktion (GA) den Ansteuereingang eines betreffenden Leistungshalbleiterschalters des Netzteiles bei aktivierter, also angestoßener Monozeit des Multivibrators, für einen durch die Schaltsignale des Schaltnetzteiles vorgenommenen Schaltvorgang der Leistungshalbleiter freigibt, bzw. bei abgelaufener Monozeit des Multivibrators, entsprechenden Schaltvorgang derart sperrt, daß die Ausgangsleistung des Schaltnetzteiles abgeschaltet ist. In optimaler Erweiterung kann dann zur schnelleren Abschaltung zusätzlich zu den seriell wirkenden Schalttransistoren des Netzteiles, welche die Ausgangsspannungen des Netzteiles erzeugen, auch noch ein Parallelschaltelement am Ausgang angeordnet sein kann, das komplementär zu den Schalttransistoren des Netzteiles mit genanntem Monosignal angesteuert ist, d. h., daß bei abgelaufener Monozeit das Parallelhalbleiterelement am Ausgang leitend ist und bei aktivierter Monozeit entsprechend gesperrt ist. Wird nun die retriggerbare Monozeit etwas größer gemacht als die Periodenzeit seiner Anstoßfrequenz, dann schaltet daß Netzteil nur dann ab, wenn die Anstoßfrequenz aussetzt. Modifiziert man diese Schaltung derart, daß die Periodendauer der Anstoßfrequenz des Monostabilen nur geringfügig länger ist als die Monozeit (Q in Fig. C) für das Abfallen des Ausgangs des Monostabilen, dann entstehen entsprechend kurze Impulse über den Ausgang des Mono an genannter Koinzidenzfunktion (GA) für die Leistungshalbleiteransteuerung, die wiederum die gewünschte Modulation der Netzteilausgangsspannung für die Leistungsmodulation des Lasers zu Erzeugung der erfindungsgemäßen Selbsttestschwingung des Regelkreises bewirken, wobei in weiterer bevorzugter Ausbildungsvariante genannte retriggerbare monostabile Schaltung als von einem Oszillatortakt (Speisetakt in Fig. 5C) gesteuerter digitaler Zeiterzeuger ausgebildet ist und von diesem Oszillatortakt auch die Ableitung der Schaltsignale des Schaltnetzteiles vorgenommen ist, z. B. digitaler Zeiterzeuger mit digitaler Puls-Pausenmodulation. Diese Ausführung erfüllt den Zweck, daß die mit der monostabilen Schaltung erzeugten kurzen Sperrimpulse der Leistungstransistoren mit einer definierten Phasenlage zu den Ansteuersignalen der Leistungstransistoren erzeugt werden können. In weiterer Ausführungsvariante ist die bevorzugte digitale Schaltung Bestandteil einer Signalprozessorschaltung, die dann auch zugleich die Leistungsregelung des Netzteiles bei Ausgabe der Steuersignale für die Ansteuerung der Leistungshalbleiter des Netzteiles vornimmt. Diese Signalprozessorschaltung ist dann bevorzugt noch um eine weitere Sicherheitsfunktion erweitert, die dann zu Fig. 10b noch beschrieben ist.

Auf diese Weise ist die bevorzugte monostabile Schaltung in den Selbsttestschwingungsvorgang des Regelkreises mit einbezogen, wobei bei Ausfall der monostabilen Schaltung derart, daß die Koinzidenzfunktion der Leistungstransistoransteuerung nicht mehr wirkt, zwar die Abschaltung des Netzteiles nicht mehr bei Aussetzen der Selbsttestschwingung unmittelbar erfolgt, jedoch die eigentliche Schutzschaltung der Erfindung wegen des Aussetzens der Selbsttestschwingung anspricht, d. h. erstens den Shutter schnellstens schließt und zweitens den Laser bzw. dessen Netzteilversorgung über das Systemrelais sofort abschaltet.

Das Systemrelais unterbricht durch seine mechanische Kontaktausgestaltung sowie Beschaltung seinen Erregerstromkreis zusätzlich bei seinem Ansprechen, wodurch eine selbsttätige Wiedereinschaltung vermieden ist, so wie dies auch bei allen NOT-AUS-Beschaltungen in der Elektrotechnik üblich ist (Wiedereinschaltung nur durch kurzzeitige Betätigung einer Überbrückung des eigenen Abschaltkontaktes des Systemrelais). Weiters wird mit dem Systemrelais auch die Störanzeige geschaltet. In nachfolgender Beschreibung wird anhand von Fig. A zunächst ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung weiter beschrieben, danach folgt die Beschreibung weiterer Ausführungsvarianten der Erfindung.

Zu Fig. A: Die Laserleistung wird entweder unmittelbar über die elektrische Leistung des Netzgerätes (MESP) und/oder über die Leistungsmessung (Sensor), z. B. am Lasereingang eines Glasfaserkabels und/oder am Ausgang des Glasfaserkabels, zum Zwecke der Selbsttestschwingung geringfügig amplitudenmoduliert. Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Modulation zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Selbsttestschwingung aus periodisch aufeinanderfolgend plazierten und über mehreren Einspeisequellen erzeugten Einzelimpulsen zum Zwecke der Miteinbeziehung mehrerer Sensoren in den Selbsttest des Regelkreises wird zu späterem Zeitpunkt noch erläutert (vgl. dazu Fig. 10) und ermöglicht vor allem die Miteinbeziehung einer beliebigen Anzahl von weiteren Auslösekriterien für die Sicherheitsfunktion der erfindungsgemäßen Verwendung einer Oszillatorschwingungserzeugung für die Selbsttestfunktion.

Die Sollwertvorgabe der Laserleistung erfolgt z. B. durch analoges Potentiometer oder auch digital. Um bei der Sollwertvorgabe bereits Einstellfehler zu vermeiden, wenn eine evtl. vorgesehene digitale alphanumerische Anzeige defekt sein sollte, sind zwei identische Anzeigen (AZ1, AZ2) vorgesehen, die bilddeckend zu einer gemeinsamen Anzeige gemischt sind (Fig. B) und wahlweise als Optionen, die auch gleichermaßen zur Anwendung kommen können, folgende Varianten vorgesehen sind: Beide Anzeigen werden in einem langsamen, mit dem Auge erkennbaren Multiplextakt aufeinanderfolgend lückenlos alternierend umgeschaltet, so daß ein Fehler in der Anzeige durch ständige Veränderung dieser Anzeige bei gleichbleibendem Sollwert von der Bedienperson bemerkt wird. Die zweite Variante ist, zwei verschiedenfarbige Anzeigen zu verwenden, so daß die Mischfarbe bei gleichzeitig aufleuchtenden Anzeigen zur Anwendung kommt und bei Ausfall einer Anzeige das entsprechende Bildelement in einer auffallenden Farbe leuchtet, die der Einzelfarbe des betreffenden Anzeigensegments entspricht. Weiters kann der eingestellte Sollwert selbst, einschließlich Einstellelement (z. B. Tandempotentiometer) zweifach erzeugt werden und der erzeugte Sollwert gemultiplext an die erfindungsgemäße Schaltung weitergeleitet werden. Stimmen die beiden erzeugten Sollwerte nicht überein, dann entsteht an bevorzugter Komparaterschaltung ebenfalls zumindest ein zeitweises Aussetzen der Wechselspannung für das Aufrechterhalten des geöffneten Shutters, wodurch der Shutter abfällt bzw. schließt. Das Multiplexen der Sollwerte geschieht dann mit einer Frequenz, die garantiert außerhalb der Serienresonanz des nachfolgend beschriebenen Sicherheitsresonanzkreises liegt.

Fig. B zeigt eine entsprechende Anordnung mit Umschalttakt der Anzeigen (Anzeigen AZ1, AZ2 mit MUX-Select 1,2), wobei als Bildmischer ein Strahlteiler (z. B. Mattscheibe MTS) verwendet ist.

Wie in Fig. A als optionales Beispiel einer digitalen SOLLWERT-Vorgabe weiters dargestellt, ist eine nach D/A-Umsetzung des Sollwertes (über Spannungsteiler) vorgenommene analoge Modulationsspannungabzweigung (MESP) vorgesehen, die der Vorgabe einer entsprechenden Amplitudenmodulation der Laserleistung entspricht. Die bevorzugte Modulation mittels monostabiler Austastung der Ansteuersignale für die Schalttransistoren ist bereits voranstehend erläutert worden und ersetzt dann in diesem Falle den Modulator, bzw. ist über die Modulationsleitung (MESP) die Steuerung bevorzugter Austast-Modulation vorgenommen. In vorzugsweiser Weiterbildung ist diese Modulationsleitung derart digitalisiert, daß die am Ausgang beschriebener Komparatorfunktion auftretende Frequenz einerseits zu jedem eingestellten Sollwert konstant ist und andererseits die bevorzugte Variante der vorangehend beschriebenen Miteinbeziehung der Shutterschwingung zur Synchronisation der Frequenz der Speiseschwingung in den Sicherheitsschaltkreisen eine Aufrechterhaltung der Schwingung bei einwandfrei funktionierendem System ermöglicht. Wie aus vorangehender Erläuterung hervorgeht, ist eine Frequenzabweichung der Selbsttestschwingung auch gegeben, wenn der Shutter mit zu fester Kopplung schwingt, da die Selbsttestschwingfrequenz durch die bevorzugte Synchronisation sich dann erhöhen würde, was ebenfalls eine Strombedämpfung in den auf die Selbsttestfrequenz abgestimmten Sicherheitskreisen zur Folge hat, und somit die Selbstabschaltung des Systems auch in diesem Fall gewährleistet wäre. Die Digitalisierung der Modulation für die Erzeugung der Selbsttestschwingung ist weiterhin bevorzugt durch den gleichen Signalprozessor vorgenommen, wie für die Leistungsregelung des Lasernetzteiles, wodurch sich im Falle eines Absturzes des Signalprozessors ein unmittelbares Aussetzen der Selbsttestschwingung ergibt und somit eine Systemabschaltung garantiert ist. Für diese Variante ist es dann von besonderem Vorteil, daß die bevorzugte Komparatorschaltung vom eigentlichen Regelkreis ausgelagert ist.

Der eingezeichnete Sicherheitstiefpaß (Si-Tiefpaß) als alternative Zusatzoption vor dem SOLL-Werteingang der Laserregelung sorgt dafür, daß dieser Wert auf keinen Fall eine identisch modulierte Signalform annehmen kann, wie der IST-Wert. IST-Wert-Eingang weist ebenfalls einen Tiefpaß auf (GSG-Tiefpaß), der die Regelschwingungserzeugung zum Zwecke des Selbsttestes für die eigentliche Laserregelung ausfiltert. Mit einer analogen Komparatorschaltung (COMP-PW) werden dann der vorgegebene Sollwert und der mit der Selbsttestschwingung modulierte Istwert der Laserleitung verglichen (vgl. dazu Fig. 10a), wobei der Komparatorausgang in beiden Aussteuerrichtungen mit voller Amplitude schwingt, entsprechend der geringfügigen Selbsttestschwingung am IST-Wert-Eingang des Komparators, vorausgesetzt der IST-Wert der Laserleistung entspricht dem SOLL-Wert der Laserleistung innerhalb des Bereiches der Schwingamplitude der Selbsttestschwingung, so daß eine ständige Variation von ±-Abweichungen am Komparatoreingang mit der Frequenz der Selbsttestschwingung erfolgt. Der Ausgang des Komparators ist ein Leistungsausgang, evtl. gepuffert durch entsprechende Schalt-Leistungstransistoren (nicht eingezeichnet) und hört auf zu schwingen, wenn

• a) der Mittelwert dieser Schwingung, welche dem IST-Wert überlagert ist, sich entsprechend verschiebt. Um dies zu unterstützen, kann die Komparatorschaltung eine entsprechende frequenzabhängige Eingangsbeschaltung aufweisen bzw. entsprechende Filtercharakteristik,
• b) die Selbsttestregelschwingung zu klein ist, wobei zu diesem Zweck die Komparatorschaltung mit einer entsprechenden Hysteresis (z. B. durch zu diesem Zweck üblichen Gegenkopplungswiderstand) versehen ist,
• c) SOLL- und IST-Wert entsprechend voneinander abweichen.

Aus Sicherheitsgründen ist in weiterer bevorzugter Ausbildung der Leistungsausgang der genannten Komparatorschaltung in einen Schwingkreis geschaltet, bevorzugt einem Serienschwingkreis, dessen Induktivität aus einer Vielzahl von Induktivitäten besteht, die unmittelbare Sicherheitsfunktionen der elektromechanischen Sicherheits-Schaltelemente des Systems bilden, wobei die Kapazität des Serienresonanzkreises ebenfalls eine Sicherheitsfunktion zum Schutze von eventuellen Kurzschlüssen in den Induktivitäten ist, und daher auch aus mehreren in Serie geschalteten Kondensatoren bestehen kann, wobei bei Defekt eines dieser Kondensatoren sich die Resonanzfrequenz des Serienschaltkreises entsprechend ändert und dadurch der Strom im Kreis soweit reduziert wird, daß alle durch die Induktivitäten des Serienresonanzkreises geschalteten elektromechanischen Sicherheitselemente, insbesondere die Induktivität des elektromagnetisch betätigten Shutters, weiters der entsprechenden Sicherheitsrelais, durch diese Stromverminderung den Sicherheitsschaltvorgang einleiten. Um die technischen Vorteile der Erfindung in bevorzugter Weiterbildung noch besser nutzen zu können, ist der Shutter folgendermaßen bevorzugt weitergebildet:

• a) als besondere Option ist der Shutter als Tauchspule ausgeführt, damit erstens sich eine besonders kurze Reaktionszeit für den Schließvorgang ergibt,
• b) die in den Serienschaltkreis geschaltete Gesamtinduktivität des Shutters ergibt sich aus der Serienschaltung von Tauchspule (LM in Fig. A) und einer Erregerspule (Lerr) des Tauchspulen-Magnetkreises. Dadurch ist gewährleistet, daß die Kraftwirkung des Erregerfeldes auf die Tauchspule, auch wenn der Strom im Serienresonanzkreis ein Wechselstrom ist, stets die gleiche Richtung aufweist, mit stets gleicher Kraftwirkung in Öffnungsrichtung des Shutters und mit doppelter Frequenz (da Produkt aus Induktion und Strom stets positiv),
• c) zur optionalen Beschleunigung des Shutterschließvorganges ist ein zweites elektromagnetisches Feld vorgesehen, z. B. in vorliegendem Ausführungsbeispiel so, daß Erregerfeld und Tauchspule eine zweite Wicklung aufweisen, die z. B. ebenfalls eine Filterbeschaltung aufweisen kann und mit Wechselstrom gespeist ist, oder der Einfachheit halber von einem Gleichstrom durchflossen ist (Ugl in Fig. A), der so gerichtet ist, daß er bei Reduzierung oder Ausfall des Stromes im Serienresonanzkreis ein hohes elektromagnetisches Beschleunigungsmoment bewirkt. Nach Schließen des Shutters (herausgeschobene Tauchspule) sowie Abfallen der Sicherheitsrelais (W1, W2) ist der Kreis soweit verstimmt (entsprechend der Dimensionierung der Güte des Serienresonanzkreises), daß, auch wenn die Rechteckspannung am Komparatorausgang wieder auftreten sollte, der Strom im Kreis entsprechend begrenzt ist, so daß das Gegenfeld (Ugl) reduziert werden muß, um den Schalter elektronisch zum Öffnen zu bringen. Dies erfolgt z. B. mittels Schaltschloß (oder Taste), das selbstfedernd wieder zurückspringt und nach Abziehen der Tauchspule den vollen Strom für das Gegenfeld (in Schließrichtung) bringt, wobei als weitere Option mit entsprechender Kontaktfunktion zum Zwecke des Öffnens des Shutters das Schließfeld in ein Öffnungsfeld kurzzeitig umgepolt werden kann. Weiters ist bevorzugt zusätzlich zum Tauchspulenshutter einen weiteren Shutter vorzusehen, der die standardgemäße Systemsteuerung vornimmt, wobei der Tauchspulenshutter nur die Sicherheitsfunktion übernimmt.
• d) wie aus Fig. A zu ersehen, ist genannte Komparatorschaltung in weiters bevorzugter optionaler Ausführung aus Sicherheitsgründen ein zweites Mal vorgesehen, wobei das Aussetzen der Rechteckschwingung bei einer Schaltung genügt, um den Strom im Serienresonanzkreis so zu bedämpfen, daß erstens die Tauchspule des Shutters durch das Gegenfeld beschleunigt abfällt und zweitens die ebenfalls in den Serienresonanzkreis geschalteten Spulen des Sicherheitsrelais stromlos werden, wodurch die Sicherheitskontakte KSIREL und KSYSTEM öffnen, wobei diese Kontakte beim Anlaufen des Systems zum Öffnen des Shutters wieder durch manuelle Kontakte überbrückt werden müssen, z. B. weitere Kontakte der Taste zum Reduzieren des Gegenfeldes (Ugl).

In einer weiteren Option ist die Frequenz der Selbsttestregelschwingung bzw. des erläuterten Serienresonanzkreises so gewählt, daß die Tauchspule noch geringfügige Schwingungen macht (bei ständig voller Durchsteuerung der Leistungstransistoren am Ausgang der Komparatorschaltung), und daß zwischen den Eckwerten der Hublängen dieser Schwingung angepaßt an die maximale Sollwert- Amplitude dieser Schwingung eine Abtastung dieser Tauchspulenschwingung erfolgt (z. B. durch elektromagnetische Feldspulen oder durch optische Fotozellen- Abtastung), und diese derart abgetastete Schwingung als Erregerschwingung zur genannten Modulation der Laserleistung im Netzteil bzw. alternativ dazu zur Modulationsschwingungseinkopplung über die Sensorauskopplung der abgetasteten Leistung in den Regelkreis mit eingespeist wird. Durch diese bevorzugte Maßnahme ist der Frequenzgang aller am Regelungsvorgang der Laserleistung beteiligten Bauelemente einschließlich der Schließfunktion des Shutters in den erfindungsgemäßen Selbsttest mit einbezogen. Für das Ausführungsbeispiel des retriggerbaren monostabilen Multivibrators, bei dem die Zeitdifferenz von Monozeit und seiner Triggerpause zwischen den Anstoßintervallen als Sperrimpuls zur Erzeugung der gewünschten Selbsttestschwingung des Netzteiles hergenommen ist, die dann letzten Endes über die IST-Wertmessung der Laserleistung abgegriffen ist und über beschriebene Komparatorschaltung an dessen Ausgang wiederum die Einspeisung in genannten Serienresonanzkreis mit den Shutterspulen und dem Sicherheitsrelais vornimmt, kann anstelle des direkten Anstoßens des beschriebenen monostabilen Multivibrators (mit den Eckwertdekodierungen der Shutterschwingung) auch ein frei laufender Oszillator dies tun, der wiederum mit den Eckwerten der Shutterschwingung synchronisiert ist, wobei zweckmäßigerweise die Abweichung der frei laufenden Oszillatorfrequenz von der mit der Shutterschwingung synchronisierten Frequenz so bemessen ist, daß der Serienresonanzstrom des Sicherheitskreises bei noch nicht synchronisiertem, frei laufendem Oszillator in der Anlaufphase den Shutter erst öffnen kann, wenn das Gegenfeld über entsprechende Anlauftaste oder beschriebenen Schlüsselschalter entsprechend geschwächt wird (Verminderung von von Ugl) bzw. gegebenenfalls auch umgepolt wird, wobei danach die Synchronisation greifen muß, wenn der Schwingvorgang des Shutters in Ordnung ist, ansonsten ist der Shutter bei Erhöhung des zum Erregerstrom des Serienresonanzkreises vorhandenen Gleichstrom-Gegenfeldes (UGL) wieder im Abfallen (Anlaufselbsttest). Der Shutter kann natürlich jederzeit auch im Betrieb durch Computersteuerung geschlossen werden, wenn dieses Gegenfeld entsprechend noch erhöht wird. Jedoch sind dies spezifische Systemvariationen, die beliebig variiert werden können, wobei die Sicherheitsfunktion der Schaltung erhalten bleibt, wie z. B. bei folgender ebenfalls bevorzugter Variante: Um die Öffnung des Sicherheits-Shutters bei zunächst abgeschaltetem Netzteil bereits zu ermöglichen, wobei der Laserstrahl z. B. durch einen weiteren einfachen Shutter beim Anlaufen des Netzteils noch blockiert ist, ist folgende bevorzugte Maßnahme hilfreich: Die aus einer Serienschaltung von jeweils gleichen Kondensatoren bestehende Serienresonanzkapazität (Cs) wird mit Kontakten einer Anlauftaste oder eines Anlaufrelais überbrückt, so daß die Shutterspule zunächst von Gleichstrom durchfloßen ist und öffnet. Erst wenn über das hochgelaufene Netzteil die Selbsttestschwingung moduliert ist, wird die Serienkapazität entsprechend freigegeben. Als Kontakte für die Überbrückung der Serienkapazität kann z. B. auch der geschlossene Zustand des Zusatzshutters durch entsprechende Kontaktbeschaltung des Shutters unmittelbar hergenommen werden, oder ein entspr. Relais ansteuern. Weiters ist der Shutter natürlich durch vorgespannte Federkraft rückgestellt, wenn z. B. ein totaler Spannungsausfall bei der Sicherheitsschaltung auftreten sollte, oder durch sein Gewicht, falls die Rückstellfeder gebrochen sein sollte. Zu beachten ist, daß Ausgangswiderstand der Komparatoren, von denen zwei unabhängige Systeme in Beispiel nach Fig. A auf einen gemeinsamen Sicherheitsresonanzkreis geschaltet sind, oder auch nur ein einziger vorhanden ist, die Güte des Kreises mitbestimmt, und somit die Nachschwingdauer bis zum Abfallen des Shutters bzw. der Sicherheitsrelais, wenn der Resonanzstrom absinkt.

Es ist evident, daß der Modulationsgrad genannter Selbsttestschwingung so gering gehalten sein soll, daß er auf keinen Fall das Laserwerkzeug (in vorliegendem Fall Laser-Hitzescalpell) beeinträchtigt. Weiters kann in einer vereinfachten Version die elektrische Ausgangsleistung des Netzteils als Maß für die Laserleistung gemessen werden.

Als weitere Alternative ist nachfolgend eine Ausführung beschrieben, bei der anstelle der direkten Modulation der Laserleistung im Netzteil diese Modulation erst am Sensoreingang des Laserstrahlleistungsmessers erfolgt, ohne die Laserleistung im Hitzescalpell zu beeinflussen, wobei dann natürlich der Selbsttest der Schalttransistoren nach vorangehend beschriebener Weise nicht in die erfindungsgemäße Selbsttestschwingung mit einbezogen ist. Weiters sind noch Ausführungsbeispiele des Shutters selbst im nachfolgenden Teil der Beschreibung im Detail beschrieben.

Als Alternative für das gezeigte Beispiel mit dem Serienschwingkreis kann natürlich jede Art von Filterschaltung, insbesondere ein versteilertes Filter, für die gezeigte Sicherheitsschaltung verwendet sein, wobei stets darauf geachtet ist, daß ein Gleichstromfluß zu den Induktivitäten der elektromagnetisch betätigten Sicherheitselemente durch Serienschaltung eines, oder noch besser mehrerer (z. B. gleicher) Kondensatoren unterbunden ist, damit jede Art von Fehleinspeisung in die Sicherheitselemente grundsätzlich vermieden ist; auch die Miteinbeziehung einer durch besondere Maßnahmen eigens für diesen Zweck erhöhten Wickelkapazität als Resonanzfrequenz bestimmende Kapazität gibt ein zusätzliches Maß an Sicherheit.

Weiters ist auch klar, daß anstelle des bevorzugten Tauchspulenshutters jede andere Art von Shutter prinzipiell verwendet sein kann, nur eignet sich der bevorzugte Tauchspulenshutter besonders für erfindungsgemäße Anwendung.

Fig. C veranschaulicht die beschriebene Ausführungsvariante mit dem digitalen monostabilen Timer, wobei:
DMST . . . digitaler retriggerbarer monostabiler Timer, dessen Zeitablauf aus einem höher frequenten Erzeugertakt durch Teiler erzeugt ist (EZT Erzeuger- bzw. -Speisetakt, Q Ausgang, IN Eingang mit Stromabgriff des Serienresonanzkreises gespeist, vgl. Signal SYNC),
PCM . . . Mit NT-SOLL digital modulierter Pulsdauer/Pulspausengenerator zur Ansteuerung der Leistungstransistoren im Netzteil (ebenfalls mit Erzeugertakt EZT und gemeinsamen Reset mit DMST durch den nicht dargestellten Taktgenerator),
GA . . . Austastgatter, dessen Ausgang ON den Stromfluß des Schaltnetzteiles bewirkt, wobei Zeitdifferenz von Ausgang Q von DMST und Eingang von DMST, wegen zwischenzeitlichem Abfallen des Ausgangs Q der Stromfluß des Schaltnetzteiles so lange unterbunden ist, bis DMST mit der Frequenz des Serienresonanzkreises (induktiv ausgekoppelt und gepuffert mit BUFFER) erneut angestoßen ist.

Weitere bevorzugte Schaltungsmerkmale in Fig. A sind:
Si . . . Sicherung als Bestandteil des Serienkreises in den Sicherheitskreisen. Weiters optional und in Fig. A nicht eingezeichnet: ein Serienwiderstand zur Einstellung der Güte bzw. des max. Stromes im Resonanzfall des Schwingkreises, wobei die zulässige max. Spannungsüberhöhung an Cs und LM mit Lerr durch diesen Widerstand eingestellt ist. Weiters kann eine spannungsfeste Serieninduktivität zur Herabsetzung der Spannungsüberhöhung an den Nutzinduktivitäten (Tauchspule LM und Erregerspule Lerr) erforderlichenfalls zur Anwendung kommen. Diese Induktivität setzt dann gegebenenfalls auch die Resonanzfrequenz des Kreises herab. RGL stellt Gleichstrom des Schließfeldes ein. Weiters ist die Tauchspule so bemessen, daß die Induktivität der Spule beim Schließen durch das Herausschieben der Spule aus dem magnetischen Kreis wesentlich reduziert wird, wodurch die Resonanzfrequenz des Kreises sich nach oben verstimmt. Da in der Regel im Gefahrenfall die Schwingung entweder aussetzt oder die Selbsttestschwingfrequenz sich senkt, wird der Abstand der Frequenz im Shutterspulenkreis zur Resonanzfrequenz des Kreises während des Schließvorganges vergrößert, was den Schließvorgang beschleunigt, weiters ist die Selbstinduktionsspannung der Tauchspulenbewegung durch den Serienresonanzkreis ebenfalls bedämpft, wodurch der Shutter schnell abfällt. Neben der Ausbildungsmöglichkeit einer festen Zusatzwicklung des Erregerfeldes kann die Tauchspulenwicklung eine weitere Wicklung aufweisen, die der Einspeisung des Schließfeldes entspricht, oder das Schließfeld kann auch unmittelbar galvanisch in die Tauchspulenwicklung eingespeist sein. Weiters ist im Serienresonanzkreis genannter Induktivitäten auch noch ein Systemrelais (SIREL, Fig. 9) unterzubringen, daß zusammen mit dem Schließvorgang des Shutters ebenfalls strombedämpft ist und daher abfällt, wobei dieses Systemrelais dann beliebige Sicherheitsfunktionen mit­ schalten kann. Fig. 9 zeigt, wie zwei solche Kreise (W1, W2) bzw. Sicherheitsrelais in getrennte, doppelt vorhandene erfindungsgemäße Sicherheitsschaltungen eingebunden werden können.

In vorzugsweiser Weiterbildung sind noch weitere bevorzugte Varianten für die Schließfeldeinprägung des bevorzugten Tauchspulenshutters vorgesehen, wobei die Ausführung des Shutters als Tauspulenshutter hierbei wieder eine optionale Weiterbildung ist, und das Prinzip auch an jedem beliebigem Shutter angewendet werden kann.

Hierbei ist zusätzlich oder anstelle der Gleichspannungsversorgung des Schließfeldes eine impulsweise Schließfeldeinprägung vorgesehen, die mit einem Steuersignal gesteuert ist (STgl). Vgl. dazu weiters Direkteinspeisung des Schließfeldes in Serieninduktivitäten (LM + Lerr in Fig. A), wobei Cs eine Gleichspannungentkopplung zum Speisekreis des Serienschwingkreises darstellt. Diese dynamische Schließfeldeinprägung ist mit einer Bereichslängenkodierung der Tauschspulenshutterschwingung eingeschaltet (vgl. Fig. 5b, insbesondere Fenster-Komparatorfunktion CPM) und mit einer Integratorfunktion, welche die aus dem Sicherheitskreis ausgekoppelte Selbsttestschwindung integriert, wieder abgeschaltet. Diese Integratorfunktion erzeugt die Abschaltung der dynamischen Schließfeldeinprägung unmittelbar durch das Vorhandensein der Selbsttestschwingung, wobei jeweils zu Beginn der Schwingung des Tauchspulenshutters in Schließrichtung diese Integratorfunktion rückgestellt ist. Bei Versagen des Integratorstromkreises fehlt dann zwar unter Umständen das dynamische Schließfeld, jedoch erreicht dann die Tauchspulenschwingung nicht mehr ihre Sollschwingfrequenz und wird daher die elektronische Rückkopplung der Tauchspulenschwingung zum Zwecke der Einspeisung als Selbsttestschwingung in den ISTWERT-Pfad des Überwachungskreises nicht mehr aufrechterhalten können. Bevorzugte dynamische Einprägung eines Schließfeldes in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Selbsttest, ob diese dynamischen Schließeigenschaften auch gegeben sind, ermöglichen die Garantie für schnellstes Schließen des Shutters im Notfall oder zumindest langsames Schließen, wenn dieser Notfall noch nicht eingetreten ist, jedoch der Shutter die dynamischen Schließeigenschaften nicht mehr aufweist. Weiters können natürlich im Prinzip auch mehrere Sicherheitssysteme mit mehreren solchen Shuttern, die im Lichtgang des Laserstrahles hintereinander geschaltet sind, vorhanden sein.

Eine weitere bevorzugte Variante ist, auf das Schließfeld gänzlich zu verzichten und den Schließvorgang ausschließlich durch Federkraft zu erzeugen, gegen die die Tauchspule durch ihren Resonanzstrom eine Gegenkraft aufbringen muß. Um die Hitze abzuführen, ist die Tauchspule in diesem Falle von einem Ventilatorluftstrom, der vorzugsweise in Schließrichtung der Tauchspule (also von oben nach unten) im Zentrum der Spule diese durchbläst, durchströmt, wobei die Tauchspule einen Strömungswiderstand, der gegebenenfalls durch Strömungswiderstandsformgebung im Inneren der Tauchspule noch mitbestimmt ist, darstellt. Dadurch wird die Tauchspulenschwingung in Schließrichtung zusätzlich noch beschleunigt. Diese zusätzliche Beschleunigung wird die Ruhelage der Tauchspule während ihrer Schwingung um ihre Umkehrpunkte (im geöffneten Zustand) beeinflussen, bzw. bei durch Längenkodierung festgelegten Umkehrpunkten, die Schwingfrequenz, bzw. auch Phasenlage, beeinflussen, die wiederum über die Rückkopplungsschaltung des Lasersystemüberwachungskreises (Einspeisung ISTWERT- Pfad) die Selbsttestfrequenz mitbestimmt, wodurch bei Ausfall des Ventilatorluftstromes die Selbsttestfrequenz sich ebenfalls ändert, der Resonanzstrom in den Sicherheitskreisen also abfällt und dadurch der Shutter selbsttätig schließt. Durch diese Maßnahme ist der Ventilatorluftstrom also in die Selbstüberwachungsfunktion mit einbezogen.

In weiterer Alternative kann die passive Filterselektion des bevorzugten Tauchspulenshutters weitergehend dadurch selektiver gemacht werden, daß anstelle der unmittelbaren Serienschaltung von Tauchspule (LM) und Erregerspule (Lerr) innerhalb eines Serienschwingkreises (mit Serienkapazitäten Cs) eine Bandfilterschaltung vorgenommen ist, bei der Erregerinduktivität und Tauchspuleninduktivität dann die Bandfilterkreisinduktivitäten sind, wobei die Stromrichtungen in beiden Induktivitäten wiederum so gewickelt sind, daß durch das Produkt von Erregerspuleninduktion und Tauchspulenstrom, die Tauchspule in Öffnungsrichtung bewegt ist, d. h. bei Aussetzen der Schwingung oder Frequenzänderung der Schwingung außerhalb der Durchlaßkurve des Bandfilters sofort schließt. Genaugenommen handelt es sich hierbei nicht um eine Standardbandfilterschaltung, da diese in der Regel hochohmig abgeschlossen sind, sondern um eine versteilerte Bandpaß-Filterschaltung mit niederohmigem Abschlußwiderstand, die ebenfalls standardisiert zahlreich zur Verfügung stehen. Eine weitere Variante betrifft einen Vorschlag, mit dem zusätzlich oder alternativ zur Filterkreisbeschaltung der Sicherheitskreise, deren Speisespannung unmittelbar über einen Leistungstrenntransformator (TF) erfolgt, der ebenfalls Bestandteil einer Filterschaltung ist und z. B. nur ein einfacher Hochpaß (CSGL, LSGL) sein kann (wenn nach oben Selbsttestschwingung frequenzmäßig tolerieren können soll) oder auch jede beliebige Filterschaltung sein kann, und primärseitig über einem Leistungsausgang genannter Komparatorvergleichschaltung mit der Selbsttestschwingung gespeist ist, sekundärseitig an einem Gleichrichter (VG) angeschlossen ist (UGL, CSP), der die Gleichspannungsspeisung zur Ansteuerung eines Shutters, z. B. auch als Shutter verwendeten Galvos, vornimmt. Beim Aussetzen der Selbsttestschwingung bricht die Gleichspannung zusammen und der Shutter schließt durch Eigengewicht oder Federkraft. Selbstverständlich ist diese Schaltung auch in Verbindung mit den vorangehend beschriebenen Komponenten nicht nur ersatzweise, sondern auch zusätzlich verwendbar. Um den Siebkondensator der Gleichspannung möglichst klein zu machen, dito den Leistungstrenntransformator (TF), ist in weiterer vorzugsweiser Ausbildung die Frequenz der Selbsttestschwingung höher gewählt als die Schwingfrequenz des Shutters, was insbesondere bei langsameren Klappenshuttern etc. gute Verwendbarkeit findet. Der erfindungsgemäße Selbsttestrückkopplungsschwingkreis schwingt also mit einer höheren Frequenz gegenüber der Shutterschwingung und ist weiters in seiner Rückkopplungsbedingung über die Shutterschwingung durch eine Modulationsschaltung zwecks bevorzugter Rückspeisung in den IST-Wert-Pfad angekoppelt, z. B. durch eine Ringmodulatorschaltung, bei der als Zeichenfrequenz (Modulationssignal) die ausgekoppelte Shutterschwingung verwendet ist. Weiters Varianten sind der Gebrauch eines Aussetzdetektors ähnlich verwendeter Modulationsschaltung für das Schaltnetzteil. Dieser Aussetzdetektor ist dann beispielsweise über eine weitere Filterschaltung gespeist, die auf die Selbsttestschwingung abgestimmt ist oder z. B. auf die Shutterschwingung abgestimmt ist, wenn die Selbsttestschwingung zu diesem Zweck mit einer dem verwendeten Modulationsprinzip entsprechenden Demodulatorschaltung demoduliert ist. Weiters kann eine additive Modulation anstelle des Ringmodulators zum Einsatz kommen, wobei als Modulationsgemisch dann wieder der Ausgang einer Komparatorschaltung verwendet ist. Schließlich besteht auch noch die Alternative die Modulationsfrequenz des IST-WERT-Pfades aus einer VCO-Schaltung zu erzeugen, die die Shutterschwingung entsprechend hoch setzt. In weiterer Ausgestaltungsvariante kann die Schwingungsaussteuerung des Shutters ebenfalls über eine Demodulatorschaltung erfolgen, die die höher frequente Selbsttestschwingung demoduliert.

Eine weitere bevorzugte Variante für die Ausgestaltung der passiven Filterschaltung der Sicherheitskreise ist die Verwendung von Nachbildungsinduktivitäten, die an den Serienschwingkreisinduktivitäten über elektronische Zuschaltung angeschlossen sind. Diese Nachbildungsinduktivität erfüllt den Zweck, daß in betreffend verwendeten magnetischen Kreisen ein Resonanzkreiswechselstrom eingeprägt werden kann, der sich innerhalb einer Spule als pulsierender Gleichstrom auswirkt, da zu jeder unerwünschten Halbwelle in einer Nutzinduktivität diese in der Nutzinduktivität zwar durch Halbleiterschalter gesperrt ist, jedoch in der Nachbildungsinduktivität durch geöffneten Halbleiterschalter weiterfließt und umgekehrt zu jeder Halbwelle, die in betreffender Nutzinduktivität (Tauchspule oder Erregerwicklung etc.) ihrer gewünschten Polarität entsprechend fließen soll, in der Nachbildungsinduktivität gesperrt ist, wobei die Umschaltung von Nutzinduktivität und Nachbildungsinduktivität jeweils zum Zeitpunkt des Nulldurchganges der Resonanzstromhalbwellen vorgenommen ist. Diese Schaltungsanwendung ermöglicht dann die Verwendung von Gleichstromerregung für den bevorzugten Tauchspulenshutter bzw. die Verwendung von Gleichstrom betriebenen Standardshuttern.

Die beschriebene Umschaltung zwischen Nutzinduktivitäten und Nachbildungsinduktivität erfolgt dann einfach durch für jeden Induktivitätsstrompfad vorgesehene serielle Halbleiterschalter, wobei die Nutzinduktivität mit in Serie geschaltetem Halbleiterschalter parallel zur Nachbildungsinduktivität mit in Serie liegendem Halbleiterschalter geschaltet ist und beide Halbleiterschalter jeweils in beschriebener Weise komplementär zueinander angesteuert sind.

Nachfolgen folgt zu den Figuren eine Kurzbeschreibung bevorzugter weiterer Ausführungsvarianten:

Fig. 10a veranschaulicht die Einspeisung an der Meßstelle der ISTWERT-Messung des Laserstrahles über Laserdiode als additive Lichtzumischung der Modulationsschwingung der Selbsttestschwingung GSG, wobei diese dann an bevorzugtem Testkomparator wieder auftritt und sich bei ISTWERT = SOLLWERT am Komparatorausgang als gepufferte Rechteckschwingung fortsetzen kann, bzw. wenn ISTWERT ungleich SOLLWERT, der Komparatorausgang wieder einen statischen Pegel einnimmt, d. h. die Schwingung aussetzt.

Fig. 10b veranschaulicht in vorzugsweiser Weiterbildung der Erfindung die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Selbsttestschwingung aus mehreren Einspeisequellen, die jeweils gesondert einem besonderen Test und somit einer besonderen Fehlerursache zugeordnet sind. Jede dieser Einspeisequellen ist in einem sequentiellen Zeitraster als Testimpuls definiert. Neben der weiters bevorzugten Möglichkeit diese Testimpulse aus einem Rechnerprogramm, insbesondere einem Signalprozessor, der bereits für die Regelung des Netzteiles verwendet ist, abzurufen, zeigt Fig. 10b die einfache Erzeugung des Zeitrasters mit einem Ringzähler (Counter-Decoder), der mit dem rückgekoppelten Shutterschwingungstakt unmittelbar oder frequenzmäßig hochgesetzt (z. B. über VCO) getaktet ist. Die Ausgänge des Zählers treten dann als 1 aus n dekodierte Impulse auf, die in entsprechend zyklischer Wiederholung getaktet sind, wobei zu jedem als Einspeisequelle verwendeten Impuls eine zeitmäßig plazierte Pause vorgesehen ist, die z. B. unmittelbar durch Koinzidenzverknüpfung mit der halben Taktperiode des Erregererzeugungstaktes vorgenommen ist, so daß sich insgesamt über die zeitliche Integration aller Zählerausgänge ein Impulsmuster ergibt, daß dem Taktsignal des Zählers entspricht. Jeder derart erzeugte Ausgangsimpuls des Zählers bewirkt eine Modulation im Bereich der Erzeugung des Laserstrahles, z. B. am Netzteil, oder wie zu Fig. 10b noch besonders herausgestellt, an der Sensorik zur Messung der Laserleistung, und zwar an zwei spezifischen Punkten: Gebersignaleinspeisung GSG-E addiert den erzeugten Impuls über eine Lichtmodulationsquelle (z. B. Laserdiode) an betreffendem Sensor, bzw. Meßdiode, zur Laserleistungsmessung. Diese Modulationseinspeisung erfolgt besonders bevorzugt über die Sensordiode durch Lichtmodulation, um die Sensordiode mitzutesten. Das gleiche ist für die zweite Einspeisequelle GSG-A an einem weiteren Sensor zur Laserleistungsmessung vorgenommen. Die beiden spezifischen Meß- und Modulationspunkte betreffen: Sensor-E für IST-Wert-Messung SSG-E mit einer Laserstrahlauskopplung vor dem Glasfaserkabel, also an der Einspeisestelle eines Glasfaserkabels bzw. an der Lasererzeugung, und weiters mit Sensor-A für IST-Wert-Messung SSG-A mit einer Laserstrahlauskopplung nach dem Glasfaserkabel, also an der Austrittsstelle des Glasfaserkabels bzw. am Laserscalpell. Es ist evident, daß im Prinzip beliebig viele solche Meßstellen längs eines Lichtleiters vorgenommen sein können, wobei der Selbsttest dann einen Ausfall betreffenden Leistungsmeßsensor beinhaltet. Zusammengefaßt ist diese Sensorik im "Erkennungsfeld-Sensorik" in den betreffenden Abbildungen der Zeichnungen.

Zu Fig. 10c zeigt ein Impulsdiagramm zu Fig. 10b, wobei je nach Wahl der Anzahl von der Impulsanzahl einer zyklischen Periode beliebig viele Einspeisequellen zu einem geschlossenen Taktsignal integriert werden können, also einschließlich der Modulation des Netzteiles, die dann ebenfalls mit einem der Zählerausgänge vorgenommen ist (vgl. GSG-Power, entspricht MESP in Fig. A), dito kann über einen Zählerausgang auch die Synchronisation der Shutterschwingung erfolgen, die dann wiederum ausgekoppelt den Takt des Zählers erzeugt oder synchronisiert, usw. Weitere Alternativen sind: zwischen Rückführung des Erregererzeugungstaktes aus der Shutterschwingungsauskopplung und Takteinspeisung des Ringzählers (CK) beliebige Frequenzumsetzungen mittels VCO an der Einspeiseseite des Zählers sowie Teiler oder Hüllkurvendemodulator etc. an der Speiseseite der Shutterschwingung vorzunehmen.

Zu Fig. 11: Jeder der an der Testeinspeisung beteiligten Sensoren ist als ISTWERT beschriebener Komparatorschaltung zugeführt, wobei in vorliegendem Beispiel lediglich zwei solche Komparatorschaltungen erforderlich sind, eine für Sensor-E mit ISTWERT-SSG-E und eine für Sensor-A mit ISTWERT-SSG-A, und in beiden Schaltungen neben ihren unmittelbar zugeordneten Testimpulsen zu den Zeitintervallen GSG-E und GSG-A die Modulation des Netzteiles zum reservierten Zeitintervall GSG-Power enthalten ist. Die zeitliche Integration der einzelnen Testimpulseinspeisungen ist dann über einen Trenntrafo vorgenommen (T-SUM), der die Summe der an den Testkomparatoren auftretenden Impulse (COMP-E/A und COMP-Power) bildet, wobei dann jeder Komparator auch den vom Netzteil erzeugten Testimpuls GSGE-Power implizit enthält und daher GSGE-Power durch das Netzteil anteilsmäßig nur mit der halben Intensität moduliert ist. Sekundärseitig weist dann der Trenn- bzw. Summiertrafo einen auf die Taktfrequenz des Ringzählers (Counter-Decoder in Fig. 10b) abgestimmtes passives Filter auf z. B. einen Parallelschwingkreis oder ein Bandfilter, dem dann ein Buffer nachgeschaltet ist, der das Treibersignal für die beschriebene Shutteransteuerung plus Ansteuerung des Sicherheitsrelais liefert, wobei diese Sicherheitskreise wiederum in ein passives Filter geschaltet sein können.

In vorzugsweiser Erweiterung ist für die Integration eines Signalprozessors (DSP) noch folgende Sicherheitsmaßnahme zum Überwachen des Prozessors vorgesehen. Die Software des Prozessors enthält ein digitales Filters welches in den Wartezeiten bis zum neuen Erhalt eines aktualisierten Eingangswertes jeweils die eigentliche Betriebssoftware des DSP aufruft bzw. ausführt, die Filtersoftware also der zentrale Kern des DSP-Programmes ist.

Das digitale Filter ist dann auf die Frequenz der Selbsttestschwingung abgestimmt und detektiert, ob die Testbedingung erfüllt ist, parallel zu den bereits beschriebenen analogen Maßnahmen. Ist die Testbedingung erfüllt, dann gibt der Signalprozessor zu einem entsprechend reservierten Zeitpunkt GSG-DSP (dito GSG-E, GSG-A, GSG-Power) ein Einspeisesignal an eine weitere Einspeisewicklung des Summeriertrafos (T-SUM) ab (Wicklung nicht gezeichnet), und ist somit an der Erzeugung der Frequenz der Selbsttestschwingung mitbeteiligt, fehlt dem DSP die gefilterte Information, dann wird dieses Signal nicht mehr ausgegeben. Hierbei kann als weitere Sicherheit der DSP eine analoge Filterschaltung antreiben, der z. B. als retriggerbare Monostufe ausgeführt ist, die nach Abfallen den DSP in einen Interrupt versetzt, von dem er ohne Rückstellsignal nie mehr rauskommt, weiters kann der DSP zusätzlich auch die ausgegebene gefilterte Selbsttestschwingung über eine Treiberstufe einem analogen Leistungsfilter (z. B. weiteren Serienschwingkreis) zuführen, in dem dann wiederum ein weiteres Systemrelais geschaltet ist, dessen Arbeitskontakt in die Unterbrecherschleife aller an der Sicherheitsfunktion beteiligten Relais geschaltet sind.

Bevorzugte Ausführungsvarianten des Tauchspulenshutters veranschaulichen Fig. 2a, 2b, Fig. 1a, Fig. 3a, Fig. 3b, Fig. 5b, Fig. 6, Fig. 8.

Fig. 1a, 1b betreffen Varianten, bei denen die Tauchspule unmittelbar als Laserstrahlreflektor verwendet ist und zu diesem Zweck eine mit losen Windungen gewickelte Spule emailliert ist, wobei die Emailschicht einerseits den Hitzeschild und andererseits die Isolation zwischen den Spulenwindungen bewirkt. Diese Emaillierung ist eine ausgesprochene Billigversion neben der Möglichkeit der Verwendung eines Keramikzylinders als Spulenträger.

Fig. 1a veranschaulicht eine weitere Variante, bei der als Basismaterial die Ausbildung der Spulenanschlüsse der Tauchspule als geschlitzten (ISL) Kupferzylinder (CuZYL) mit Löchern, die durch die Emaillierung dann verschlossen sind, vorgenommen ist. SPW, Spulenwindungen aus Kupferdraht (Cu), SANO, SANU, oberer bzw. unterer Spulenanschluß.

Fig. 2a betrifft eine Variante, bei der ein Dauermagnet entsprechend bekannter Bauweise von Lautsprechern als magnetischer Kreis für die Tauschspule benutzt ist (von EI-Profil nur Teil des Steges dargestellt, in den die Tauchspule hineinreicht, wobei die Versorgungsspannung der Tauchspule z. B. eine aus der Resonanzkreisschwingung abgeleitete Gleichspannung ist, oder durch beschriebene Nachbildungsinduktivitätsschaltung ein Halbwellengleichstrom in der Tauchspule zur Anwendung kommt. Für unmittelbare Schaltung in den Resonanzkreis ist dann anstelle des Dauermagnetfeldes eine Erregerwicklung mit in den Filterkreis geschaltet, wie vorangehend beschrieben. EMZY . . . Emailzylinder von Tauchspule, O-SG . . . Loch für Laserstrahl, LEM1 . . . Meßspule für Längenabtastung der Tauchspule, wobei durch unterschiedliche Induktivitäten dieser Meßwindung unterschiedliche Hubstellungen abgetastet sind. Fig. 2a veranschaulicht auch die Benutzungsmöglichkeit eines Dämpfermagnetes am Fuße der Tauchspule.

Fig. 2b zeigt wie am Fuße des Tauchspulenshutters Dämpferfedern im Inneren der Tauchspule einrasten, wenn der Tauchspulenshutter mit hoher Beschleunigung schließt. Diese Federn verklemmen die Tauchspule mechanisch, wobei in Fig. 6 veranschaulicht ist, wie durch Einschieben von Servicestiften diese Federn von der Tauchspule wieder entriegelt werden können, für eine Variante, wo nach NOT-Ansprechen des Shutters eine unmittelbare Wiederbenutzung unerwünscht ist.

Fig. 3a zeigt eine Variante, bei der im Inneren der Tauchspule die Spulenanschlüsse über ein Speichenrad stabilisiert sind und weiters im Zentrum die Zuführungsdrähte der Spule bifilar gewickelt, als federnde Wicklung ausgebildet ist. Da, Di Durchmesser, LEME2 Hubabtastung des Tauchspulen-Shutters.

Fig. 3b zeigt einen Vorschlag, bei dem die Tauchspule nach Ansprechen durch ein Sicherheitsrelais KSHT2 kurzgeschlossen ist mit Selbsttestmöglichkeit des Relais-Kontaktes (zwischen Meßeinspeisetrafo und -auskopplung zu Bezugspotential Selbsttest-Option).

Fig. 8 veranschaulicht eine Variante mit Aufhängung der Tauchspule an einem Zentrierbügel (ZBG), unter dem der Laserstrahl durchscheint, und zwar knapp am unteren Öffnungsrand der Tauchspule. Eine Variante ist, anstelle daß der Strahlgang des Lasers mit der Spule selbst verschließbar ist, den Bügel mit einer Reflexionsfläche auszufüllen (z. B. Blech), welche zum Durchscheinen des Laserstrahles ein entsprechendes Loch aufweist, wobei die Tauchspule dann eine Standardtauchspule ist. LEME1 . . . Hublängenabtastung. LG2-Ring zur Befestigung der Zentrierfeder ZRG. Eine weitere bevorzugte Variante zur Abtastung der Hublänge ist die Induktivität der Zentrierfeder entsprechend ihrer momentanen Ausdehnung bei der Shutterschwingung zu messen, insbesondere durch Resonanz-Oszillator, und so die Shutterschwingung auszukoppeln. Weiters ist noch dargestellt, wie die Dämpferfedern in die Tauchspule von unten her eingreifen können.

Fig. 9 veranschaulicht bevorzugte Direktmodulation der Leistungsmessungsdiode (Sensor) mit Modulations-LED (Geberaktivierung GSG), wobei dieses Prinzip zum Sensor mittesten an allen physikalischen Prinzipien allgemeinster Art verwendet sein kann. Hierbei ist dann aus der Regelkreisschaltung eine Oszillatorschaltung für die Erzeugung der erfindungsgemäßen Selbsttestschwingung vorgenommen, die Eispeisung der Schwingung vom Ausgang der Komparatorvergleichsfunktion abgeleitet und die Einspeisung durch einen Geber (GSG) vorgenommen, der dem gleichen physikalischen Prinzip wie der Sensor (Sensor) entspricht, im vorliegendem Fall eben Licht, wobei dies z. B. auch ein Druck sein könnte, usw. z. B. der Gasdruck eines Lasers, eingebunden in das Selbsttestsystem nach Fig. 10b. Weiters ist eine Variante gezeigt, bei der die Modulationssignalabtrennung vom Sollwert durch Optokoppler erfolgt, die Shutteransteuerung nach Ansprechen durch ein weiteres Systemrelais blockiert ist und W1 . . . W2 . . . Wn Systemrelaisspulen in die Selbstüberwachung mit einbezogen werden können. CRT . . . Schutzkondensator für LD-Laserdiodenansteuerung.

Fig. 5a veranschaulicht den SOLL-ISTWERT-Vergleich, wenn die Schwingung der Selbsttestfrequenz (ISTWERT moduliert mit GSG) frequenzmäßig hochgesetzt ist zur Shutterschwingung (uHFC).

Fig. 5b veranschaulicht die Wegabtastung der Shutter- bzw. Tauchspulenbewegung zum Zwecke der Ableitung der Schwingfrequenz zur Einspeisung der Selbsttestschwingung, wobei im einfachsten Fall einfach eine Umpolung durch Flip-Flop-Dekodierung nach Fig. 13 erfolgt, weiters ein Phasenausgleich noch zwischengeschaltet sein kann (z. B. durch Frequenzgangbeschaltung bevorzugter Komparatorfunktion), und in besonders bevorzugter Weise für die Rückkopplung der Shutterschwingung in die Einspeisung der Selbsttestschwingung eine Phasenanpassung durch Signalprozessor vorgenommen ist, über den dann der DSP in bereits beschriebener Weise in die Selbstüberwachung mit einbezogen ist (als Alternative oder Ergänzung zu Variante nach Fig. 10b).

Fig. 4 zeigt eine Modulationsvariante der Testschwingung mit Einspeisung über Summierverstärker und nachgeschalteter Komparatorfunktion (COPM), wobei ANS . . . Schalter zum Umformen der Tauschspulenschwingung in eine Rechteckschwingung, R-ADD Einspeisung über SOLL-Wertvorgabe als Alternative oder Ergänzung zur ISTWERT-Pfad- Einspeisung, SUM, Summiertrafo entsprechend T-SUM Fig. 11. Weiters kann entsprechend Impulsdiagramm aus Fig. 4b dann die beschriebene Halbwellenspeisung unter Verwendung einer Ersatzinduktivität erfolgen.

Claims (10)

1. Sicherheitsschaltung für Lasersysteme, bzw. Sicherheitsschaltung und Verfahren für Laser, mit einem Regelkreis, der die Laserleistung regelt, beinhaltend eine gesonderte Überwachung der Laserleistung zum Zwecke der Auslösung von Schutzeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis eine Signaleinspeisung vorgesehen ist, die den Regelkreis in geringfügige Schwingung versetzt, die an einer IST-SOLL- WERT-Vergleichsschaltung eine Wechselspannung oder pulsierende Spannung erzeugt, deren Aussetzen die betreffende Schutzeinrichtung auslöst (z. B. Shutter, Relais, Netzteilabschaltung).

2. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte pulsierende Spannung bzw. Wechselspannung einen Filterkreis speist, der auf die Frequenz der geringfügigen Schwingung, die im regulären Betrieb des Regelkreises am Eingang der IST-SOLL-Wert-Vergleichsschaltung auftritt, abgestimmt ist und daß die Induktivität des Filterkreises oder auch mehrere Induktivitäten des Filterkreises die Induktivitäten der elektromagnetisch betätigten Sicherheitselemente (z. B. Shutter, Relais) sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder mit einem getakteten Netzteil für die Laserspeisung, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Signaleinspeisung durch Austastung der Schaltzustandssignale der Schalttransistoren erfolgt, wobei diese Austastung durch Zusammenwirken von genannter pulsierender Spannung und einem die pulsierende Spannung überwachenden Aussetzdetektor derart erfolgt, daß bei Aussetzen der pulsierenden Spannung die Schalttransistoren in einem statischen Zustand verbleiben, der die Ausgangsleistung des Netzteils auf Null abschaltet.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Aussetzdetektor eine retriggerbare monostabile Schaltung verwendet ist, die so bemessen ist, daß sie zwischen den einzelnen Triggerzeitpunkten mit der Frequenz der genannten pulsierenden Spannung einen kurzen Aussetzimpuls erzeugt, wobei der statische Zustand der monostabilen Schaltung im nicht getriggerten Zustand dem Abschaltzustand zum Zwecke der Leistungsabschaltung des Netzteils entspricht und der getriggerte Zustand der Schaltung der Freigabe der Ansteuersignale der Schalttransistoren des Netzteiles entspricht.

5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiten der Schaltung zu den Ansteuersignalen der Schalttransistoren des Netzteiles ein synchrone Phasenlage haben.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Lasershutter als Sicherheitselement, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasershutter in den Stromkreis genannter pulsierender Spannung der IST-SOLLWERT-Vergleichsschaltung geschaltet ist und während seiner Öffnung durch diese Spannung in Schwingungen versetzt ist, die der Frequenz der pulsierenden Spannung entsprechen (bzw. das doppelte ist, wie in Fig. A) und daß diese Schwingungen des geöffneten Shutters mit Sensor abgetastet (z. B. optisch oder induktiv) und der Signaleinspeisung, die den Regelkreis in genannte geringfügige Schwingung versetzt, als Synchronisationssignal oder unmittelbares Erregersignal wieder zugeführt ist.

7.Sicherheitsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Shutter eine Tauchspule in einem Tauchspulenkreis verwendet ist, daß der Tauchspulenerregerkreis eine elektromagnetische Feldspule aufweist, die vom gleichen Strom durchflossen ist, wie die Tauchspule selbst, wobei das Kraftfeld dieses Stromes die Tauchspule in Öffnungsrichtung des Shutters gegen eine Federkraft, welche den Shutter schließt, bewegt und daß ein weiteres elektromagnetisches Feld vorgesehen ist, welches den Shutter in Richtung seiner Federkraft in Schließrichtung bewegt (Ugl = in Fig. A).

8.Sicherheitsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleinspeisung, die den Regelkreis in genannte geringfügige Schwingung versetzt, an der ISTWERT-Erzeugung und/oder ISTWERT- Erfassung des Regelkreises vorgenommen ist.

9. Sicherheitsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine mehrfach vorgesehene Sollwerterzeugung von jeweils gleichen Sollwertquellen, welche mit einem gemeinsamen Bedienelement eingestellt sind, wobei ein Multiplexen dieser Sollwertquellen auf den Sollwerteingang des Regelkreises mit einer Frequenz erfolgt, die der Resonanzfrequenz in genanntem Filterkreis mit den Sicherheitselementen mit Sicherheit nicht entspricht, d. h. für den Fall ihres Auftretens in diesem Resonanzkreis den Strom im Filterkreis wesentlich verringert, zum Zwecke des Ansprechens der Sicherheitselemente.

10. Sicherheitsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine mehrfach vorgesehene Sollwertanzeige in Form von jeweils einer alphanumerischen Anzeige, die für jede vorgesehene Sollwertanzeige ein zu allen anderen Sollwertanzeigen identisches Bild deckungsgleich auf einem Bildmischer (z. B. Strahlteiler) anzeigt, wobei die Anzeigen mit verschiedenen Farben ausgestattet und einem Takt gemultiplext sind, der für das Auge noch gut sichtbar ist und/oder mit verschiedenen Farben am Bildmischer direkt gemischt sind.