Beschreibung

Titel

Energieversorgungseinheit zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines Verbrauchers

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinheit zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines Verbrauchers, insbesondere eines Halbleiter-Diodenlasers, mit einer Stromquelle und einer hiervon gespeisten Energieversorgungseinrichtung.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit zur elektrischen Energieversorgung mindestens eines Verbrauchers.

Aus der EP 1 225 668 A2 ist bereits eine gattungsgemäße Energieversorgungseinheit bekannt, bei der eine Zwischenkreisspannung von etwa 400V zur Versorgung entfernt angeordneter Lasermodule erzeugt wird, die eine Begrenzung des Stroms auf entsprechenden Versorgungsleitungen des Zwischenkreises auf verhältnismäßig niedrige Werte ermöglicht, so dass eine entsprechende Verlustleistung in den Versorgungsleitungen verringert wird. Die Erzeugung der hohen Zwischenkreisspannung erfordert eine aufwendige Stromversorgungsschaltung sowie die Vorsehung der entsprechenden Versorgungsleitungen zu den einzelnen Lasermodulen, die zudem noch jeweils über eine lokale Stromversorgungseinheit verfügen müssen, um die hohe Zwischenkreisspannung auf für den Betrieb von Diodenlasern geeignete Werte umzusetzen.

Offenbarung der Erfindung

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieversorgungseinheit und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein flexibler und störsicherer Betrieb der Verbraucher gewährleistet ist, und dass gleichzeitig ein einfacher und verlustarmer Aufbau gegeben ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Energieversorgungseinheit der eingangs genannten Art erfmdungsgemäß dadurch gelöst, dass die Energieversorgungseinrichtung in unmittelbarer räumlicher Nähe der Stromquelle angeordnet ist. Dadurch ergibt sich vorteilhaft die Möglichkeit, eine sehr niederohmige und niederinduktive elektrische Verbindung zwischen der Stromquelle und der Energieversorgungseinrichtung zu schaffen, die eine geringe elektrische Verlustleistung bedingt und auch pulsartige Stromentnahmen mit hohen Frequenzanteilen ermöglicht, wie sie beispielsweise bei als Halbleiter-Diodenlaser ausgebildeten Verbrauchern auftreten können. Besonders vorteilhaft kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips auf das Vorsehen eines separaten Zwischenkreises und den damit einhergehenden schaltungstechnischen Aufwand verzichtet werden.

Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit zufolge dann, wenn die Energieversorgungseinrichtung und/oder ein sie aufnehmendes Gehäuse direkt an der Stromquelle bzw. deren Gehäuse angeordnet ist.

Das Gehäuse der Energieversorgungseinrichtung kann ferner vorteilhaft lösbar mit dem Gehäuse der Stromquelle verbindbar sein, um einen einfachen Austausch von Komponenten zu ermöglichen. Die Verbindung der Gehäuse kann beispielsweise durch Rast- und/oder Schnappverbindungen, aber auch durch Schraubverbindungen und dergleichen erfolgen.

Besonders vorteilhaft ist die Stromquelle als Batterie ausgebildet, beispielsweise als Bleiakkumulator, und mindestens eine Eingangsklemme der Energieversorgungseinrichtung ist direkt verbindbar mit einem Endpol der Batterie. Neben einer besonders hohen (Impuls-) Strombelastbarkeit aufgrund der niederinduktiven elektrischen Verbindung ergibt sich für diese Erfindungsvariante ferner der Vorteil eines mobilen Einsatzes bzw. vielfältiger Möglichkeiten zur Anordnung der Energieversorgungseinheit im Bereich von zu versorgenden Verbrauchern.

Ganz besonders vorteilhaft können einer weiteren Erfindungsvariante zufolge zwei Eingangsklemmen der Energieversorgungseinrichtung so relativ zueinander angeordnet und ausgebildet sein, dass die Energieversorgungseinrichtung mit ihren Eingangsklemmen auf die Endpole der Batterie aufsteckbar ist, so dass sich eine besonders einfache Handhabung der Komponenten ergibt und eine sehr kleinbauende Anordnung möglich ist.

Eine besonders große Stabilität der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit ergibt sich einer weiteren Erfindungsvariante zufolge dadurch, dass die Energieversorgungseinrichtung durch das Verbinden mit und/oder das Aufstecken auf die Endpole der Batterie zusätzlich zu der elektrischen Kontaktierung zwischen den Eingangsklemmen und den Endpolen auch mechanisch an der Batterie

fixierbar ist. Hierzu können die Eingangsklemmen der Energieversorgungseinrichtung beispielsweise als Schraubklemmen ausgebildet sein.

Das dieser Erfindungsvariante zugrundeliegende Prinzip kann auch umgesetzt werden, wenn z.B. nur eine von zwei Eingangsklemmen der Energieversorgungseinrichtung auf einen entsprechenden Endpol der Batterie aufgesteckt und/oder mit diesem verschraubt wird. Der elektrische Kontakt zu dem zweiten Endpol der Batterie kann dann in gewohnter Weise über ein niederohmiges und niederinduktives Kabel und/oder eine Stromschiene hergestellt werden.

Eine ganz besonders klein bauende Energieversorgungseinheit ergibt sich erfindungsgemäß dann, wenn die Energieversorgungseinrichtung in die Stromquelle bzw. deren Gehäuse integriert ist.

Eine elektrisch sehr effiziente Energieversorgung von Verbrauchern ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, dass die Energieversorgungseinrichtung einen geschalteten induktiven Stromregler aufweist, der insbesondere keinen Speicherkondensator aufweist. Der geschaltete induktive Stromregler besitzt einen besonders einfachen Aufbau und kann aufgrund seines Arbeitsprinzips ideal mit als Batterie ausgebildeten Stromquellen zusammenarbeiten, wodurch sich die Einführung von Zwischenkreisen und dergleichen erübrigt. Bei entsprechender Ansteuerung kann der erfindungsgemäße Stromregler unterschiedlichste Ströme, insbesondere auch Pulsströme, an die Verbraucher liefern und ist somit für viele verschiedene Anwendungsfälle geeignet. Aufgrund der erfindungsgemäß niederohmigen und niederinduktiven Verbindung zu der Batterie ist vorteilhaft auch die Entnahme hochfrequenter Ströme mit großer Amplitude durch den Stromregler möglich, ohne dass ein Speicherkondensator erforderlich ist.

Eine weitere sehr vorteilhafte Erfindungsvariante sieht vor, dass die Energieversorgungseinrichtung mindestens einen, vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgebildeten, Ausgangsschalter zur wahlweisen Verbindung eines der Energieversorgungseinrichtung zugeordneten Verbrauchers mit einem ein Bezugspotential aufweisenden Schaltungsknoten aufweist, so dass wahlweise unterschiedliche Verbraucher ansteuerbar bzw. versorgbar sind.

Besonders vorteilhaft ist ferner die erfindungsgemäße Integration mindestens eines Halbleiter- Diodenlasers in die Energieversorgungseinrichtung, die die energie- und bauteileffiziente Bereitstellung von Laserlicht unter Verwendung eines einzigen Versorgungssystems ermöglicht. Diese Variante der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit eignet sich insbesondere zur Kombination mit laserbasierten Zündeinrichtungen von Stationärmotoren oder Brennkraftmaschinen von

Kraftfahrzeugen, bei denen das Laserlicht beispielsweise zum optischen Pumpen von Festkörperlasern

verwendet wird. Das erzeugte Laserlicht kann erfindungsgemäß ohne wesentliche Verluste - im Vergleich zu ohmschen Leitungsverlusten bei herkömmlichen elektrischen Kabelverbindungen und dergleichen - und insbesondere auch ohne die Erzeugung von Störabstrahlungen, wie sie bei der übertragung von hochfrequenten Strömen über elektrische Kabelverbindungen auftritt, über Lichtleiter an die Verbraucher übertragen werden. Gleichzeitig können die Halbleiter-Diodenlaser zusammen mit den weiteren Komponenten der erfrndungsgemäßen Energieversorgungseinheit entfernt von einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnet werden, so dass sie nicht denselben Vibrationen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind wie die Verbraucher des erfindungsgemäß erzeugten Laserlichts, bei denen es sich beispielsweise um Festkörperlaser aufweisende Laserzündkerzen handeln kann.

Eine weitestgehend autarke Einrichtung wie z.B. eine Pumplichtquelle wird erfindungsgemäß dadurch gebildet, dass ein entsprechendes Steuergerät zur Steuerung der Energieversorgungseinrichtung in die Energieversorgungseinheit integriert wird.

Sehr vorteilhaft ist auch die erfindungsgemäße Vorsehung mindestens eines optischen Anschlusses, der insbesondere zur optischen Verbindung eines/des Halbleiter-Diodenlasers und/oder eines/des

Steuergeräts mit einer externen Vorrichtung, insbesondere einer laserbasierten Zündeinrichtung und/oder weiteren Steuergeräten verwendbar ist. Der optische Anschluss kann vorteilhaft direkt in ein Gehäuse der Energieversorgungseinrichtung bzw. der Energieversorgungseinheit integriert sein. Auf diese Weise kann mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit z.B. Pumplicht an einen entfernt angeordneten Verbraucher wie z.B. eine Lasereinrichtung geliefert werden, ohne dass - wie bei herkömmlichen Lasersystemen - elektrische Zuleitungen zur Versorgung des Halbleiter- Diodenlasers vorgesehen werden müssen, welche insbesondere im Hinblick auf damit einhergehende ohmsche Verluste und Störabstrahlungen der mitunter hochfrequenten Ströme in den Zuleitungen nachteilig sind.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit gemäß Patentanspruch 14 angegeben.

Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Ausgangsschalter so mit einem Halbleiterschalter des induktiven Stromreglers synchronisiert wird, dass ein Zustandswechsel des Ausgangsschalters von einem hochohmigen in einen niederohmigen Zustand oder umgekehrt erst dann durchgeführt wird, wenn der Ausgangsstrom einen vorgebbaren

Schwellwert unterschreitet, wodurch vorteilhaft ohmsche Verluste in dem Ausgangsschalter vermieden werden.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen laserbasierten Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine,

Figur 2 eine Lasereinrichtung der Zündeinrichtung aus Figur 1 zur Erzeugung eines

Laserimpulses,

Figur 3 eine vereinfachte Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen

Energieversorgungseinrichtung der Zündeinrichtung aus Figur 1,

Figur 4 den zeitlichen Verlauf verschiedener Betriebsgrößen der erfindungsgemäßen

Energieversorgungseinrichtung aus Figur 3, und

Figur 5a + 5b zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit.

Ausführungsformen der Erfindung

Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.

In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise in Form eines Laserimpulses von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden

Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über

eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.

Die Brennkraftmaschine 10 kann alternativ auch als Saugmotor ausbildet sein. Der Kraftstoff wird dabei in das Saugrohr eingespritzt oder eingeblasen und in den Zylinder gesaugt. Nach Verdichtung wird das Gemisch zum Zündzeitpunkt am Zündpunkt ZP durch die Zündeinrichtung 27 gezündet.

Die Lasereinrichtung 26 weist gemäß Figur 2 einen laseraktiven Festkörper 44 sowie eine passive Güteschaltung 46 auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator bilden. Eine in Figur 2 nicht abgebildete Fokussieroptik dient zur Fokussierung eines von der Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserstrahls beziehungsweise Laserimpulses 24 auf einen in Figur 1 schematisch dargestellten Zündpunkt ZP, der in dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 angeordnet ist.

Die grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinrichtung 26 (Figur 2) ist folgende: Pumplicht 60, das der Lasereinrichtung 26 über die Lichtleitereinrichtung 28 von der Pumplichtquelle 30 (Figur 1) zugeführt wird, tritt durch den für eine Wellenlänge des Pumplichts 60 durchsichtigen

Einkoppelspiegel 42 in den laseraktiven Festkörper 44 ein. Dort wird das Pumplicht 60 absorbiert, was zu einer Besetzungsinversion führt. Die hohen Verluste der passiven Güteschaltung 46 verhindern zunächst eine Laser-Oszillation in der Lasereinrichtung 26. Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch auch die Strahlungsdichte in dem Inneren des durch den laseraktiven Festkörper 44 und die passive Güteschaltung 46 sowie die Spiegel 42, 48 gebildeten Resonators 62. Ab einer gewissen

Strahlungsdichte bleicht die passive Güteschaltung 46 beziehungsweise ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung 46 aus, so dass eine Laser-Oszillation in dem Resonator 62 zustande kommt.

Durch diesen an sich bekannten Mechanismus wird ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24 erzeugt, der durch den Auskoppelspiegel 48 hindurchtritt und durch die Fokussieroptik auf den in dem Brennraum 14 befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert wird.

Zur effizienten Erzeugung von Pump licht 60 bzw. zur Versorgung der Pump lichtquelle 30 mit elektrischer Energie ist die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 1000 vorgesehen, die schematisch in Figur 5a abgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 1000 fasst vorteilhaft eine als Gleichstromquelle dienende Batterie 90 und eine Energieversorgungseinrichtung 100 durch eine direkte räumliche

Nebeneinanderanordnung dieser Komponenten zu einer baulichen Einheit zusammen. Bei der Batterie 90 handelt es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie, die in einem die Brennkraftmaschine 10 aus Figur 1 aufweisenden Kraftfahrzeug zur Versorgung elektrischer Verbraucher vorgesehen ist. Die Energieversorgungseinrichtung 100 dient erfindungsgemäß dazu, die von der Batterie 90 gelieferte elektrische Energie in eine Form umzuwandeln, wie sie von Halbleiter-Diodenlasern benötigt wird, die der Pumplichtquelle 30 (Figur 1) zur Erzeugung des Pumplichts 60 zugeordnet sind.

Die erfindungsgemäße direkte räumliche Nebeneinanderanordnung der Komponenten 90, 100 wird beispielsweise dadurch realisiert, dass deren Gehäuse 90', 100', vorzugsweise lösbar, miteinander verbunden sind (Figur 5a). Alternativ ist jedoch auch eine Integration der Energieversorgungseinrichtung 100 in die Batterie 90 bzw. ihr Gehäuse 90' möglich.

Die erfindungsgemäße direkte räumliche Nebeneinanderanordnung der Komponenten 90, 100 bietet den Vorteil, dass eine niederohmige und niederinduktive elektrische Verbindung von der Batterie 90 zu der Energieversorgungseinrichtung 100 besteht, die eine effiziente Versorgung von Verbrauchern ermöglicht. Insbesondere der niederinduktive Aufbau ermöglicht die effiziente Entnahme auch hochfrequenter Ströme durch die Verbraucher, wie dies beispielsweise bei den Halbleiter-Diodenlasern erforderlich ist.

Bei der in Figur 5a abgebildeten Ausführungsform der Erfindung ist die

Energieversorgungseinrichtung 100 vorteilhaft direkt aufgesteckt auf Endpole 91, 92 der Batterie 90, sodass neben einer guten elektrischen Verbindung gleichzeitig auch eine mechanische Verbindung gegeben ist, die eine sicherere Anbringung der Energieversorgungseinrichtung 100 an der Batterie 90 ermöglicht. Hierzu können die nicht abgebildeten Eingangsklemmen der

Energieversorgungseinrichtung 100 beispielsweise als Schraubklemmen ausgebildet sein, die zunächst über die Endpole 91, 92 gesteckt und dann mit diesen verschraubt werden.

Erfindungsgemäß können die Endpole 91, 92 und die Energieversorgungseinrichtung 100 so ausgebildet sein, dass die Endpole 91, 92 bei angebrachter Energieversorgungseinrichtung 100 durch diese hindurch bzw. aus dieser herausragen, vgl. die Oberseite 100" der

Energieversorgungseinrichtung 100 in Figur 5a, so dass der Anschluss weiterer Verbraucher (nicht gezeigt) an die Endpole 91, 92 in an sich bekannter Weise nach wie vor möglich ist.

Zusätzlich oder alternativ zu der mechanischen Verbindung der Energieversorgungseinrichtung 100 an den Endpolen 91, 92 können auch - bevorzugt lösbare - mechanische Verbindungselemente (nicht gezeigt) zwischen den Gehäusen 90', 100' vorgesehen sein.

Ganz besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung 100 auch über darin integrierte Halbleiter-Diodenlaser (nicht gezeigt) verfugen, so dass die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 1000 gleichsam als Pumplichtquelle im Sinne der Komponente 30 aus Figur 1 einsetzbar ist. D.h., über entsprechende optische Anschlüsse 1020 (Figur 5a), die beispielsweise in einer Gehäusewand des Gehäuses 100' integriert sind, können optische Verbraucher wie z.B. die Lasereinrichtung 26 (Figur 2) mittels entsprechender Lichtleiter 28 direkt aus der Energieversorgungseinheit 1000 mit Laserlicht als Pump licht 60 versorgt werden.

Alle elektrischen Verbindungen, die u.U. große und teilweise hochfrequente Ströme führen, weisen bei der erfindungsgemäßen Konfiguration dementsprechend eine besonders geringe Länge auf, da sie in die Energieversorgungseinheit 1000 integriert sind, so dass ohmsche Verluste und Störabstrahlungen weitestgehend vermieden werden. Das Pump licht 60 kann durch die Lichtleiter 28 (Figur 1) ohne nennenswerte Dämpfung und insbesondere ohne Verursachung einer elektromagnetischen Störabstrahlung an die Verbraucher 26 übertragen werden.

Figur 5b zeigt eine alternative Ausbildung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 1000, bei der die Energieversorgungseinrichtung 100 mit einer Eingangsklemme direkt auf dem Endpol 92 (vgl. Figur 5a) der Batterie 90 angeordnet und daran befestigt ist. Die elektrische Verbindung zwischen der Energieversorgungseinrichtung 100 und dem anderen Endpol 91 ist wie in Figur 5b angedeutet durch ein niederohmiges und niederinduktives Kabel 91a bzw. eine Stromschiene (nicht gezeigt) realisiert.

Der optische Anschluss 1020 der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 1000 kann vorteilhaft auch für eine Datenkommunikation zwischen einem in die Energieversorgungseinheit 1000 integrierten Steuergerät (nicht gezeigt) und z.B. einem externen Steuergerät oder dergleichen verwendet werden.

Insgesamt ist durch die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 1000 ein effizientes laserbasiertes Zündsystem 27 realisierbar, bei dem die Pumplichtquelle 30 als Teil der Energieversorgungseinrichtung 100 ausgebildet ist.

Es sind auch solche Erfindungsvarianten denkbar, bei denen die Halbleiter-Diodenlaser oder sonstige Verbraucher nicht direkt in die Energieversorgungseinrichtung 100 integriert sind. Auch diese Erfindungsvarianten weisen den Vorteil einer niederohmigen und niederinduktiven elektrischen Verbindung mit der Batterie 90 bzw. generell einer Stromquelle auf. Generell kann die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 1000 zur effizienten und EMV-gerechten elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern jeglicher Art verwendet werden, wobei insbesondere auch die Versorgung von solchen Verbrauchern effizient möglich ist, deren Eingangsimpedanzen zeitlich stark

veränderlich sind und die demnach u.U. hochfrequente Ströme benötigen.

Figur 3 zeigt schaltungstechnische Details einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung 100, der ausgangsseitig vorliegend zwei Halbleiter-Diodenlaser 200a, 200b als Verbraucher zugeordnet sind, wie sie beispielsweise zur Realisierung der Pumplichtquelle 30 (Figur 1) verwendbar sind.

Wie bereits beschrieben, können die Halbleiter-Diodenlaser 200a, 200b direkt integriert sein in die Energieversorgungseinrichtung 100 bzw. deren Gehäuse 100' (Figur 5a, 5b), so dass die Energieversorgungseinheit 1000 das von den Halbleiter-Diodenlasern 200a, 200b erzeugte Laserlicht an den optischen Anschlüssen 1020 einer Lichtleitereinrichtung 28 bereitstellen kann.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung 100 (Figur 3) verfügt über einen geschalteten induktiven Stromregler 100a, der im wesentlichen aus einer Serienschaltung eines Halbleiterschalters Sl, eines induktiven Elements Ll, und eines Messwiderstandes RS besteht, und aus der Diode Dl, über die in an sich bekannter Weise ein Strom iDl weiterfließen kann, nachdem der Halbleiterschalters Sl von seinem niederohmigen Zustand in seinen hochohmigen Zustand versetzt worden ist.

Eingangsseitig ist der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung 100 an dem

Schaltungsknoten 140 eine vorliegend als Batterie ausgebildete Gleichstromquelle 90 zugeordnet, die auch hochfrequente Ströme großer Amplitude an den Stromregler 100a liefern kann, weswegen die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft völlig ohne Kondensatoren auskommt und daher kostengünstig ist und gleichzeitig eine große Betriebssicherheit aufweist. Insbesondere erfordert die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung 100 im Gegensatz zu konventionellen (Impuls-) Stromversorgungen keine Elektrolyt-Kondensatoren, deren Lebensdauer vergleichsweise gering ist.

Ausgangsseitig ist der Schaltungsknoten 150 der Energieversorgungseinrichtung 100 direkt mit den Halbleiter-Diodenlasern 200a, 200b verbunden, deren jeweils zweiter Anschluss 151a, 151b über die Ausgangsschalter 140a, 140b, unter Ansteuerung durch die Ansteuereinrichtung 100b mit dem vorliegend als Massepotential GND ausgebildeten Bezugspotential an dem Schaltungsknoten 160 verbunden werden kann, um einen Stromfluss des Ausgangsstroms il von dem Schaltungsknotenpunkt 150 zu dem Schaltungsknotenpunkt 160 durch den betreffenden Verbraucher 200a, 200b zu ermöglichen.

Die Ansteuerung der Ausgangsschalter 140a, 140b erfolgt über die in Figur 3 als USZl, USZN beschriebenen Signalpfade und ist vorteilhaft so mit der Ansteuerung des Halbleiterschalter Sl

synchronisiert, dass ein Zustandswechsel des betreffenden Ausgangsschalters 140a, 140b von einem hochohmigen in einen niederohmigen Zustand oder umgekehrt erst dann durchgeführt wird, wenn der Ausgangsstrom il einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet, so dass Schaltverluste in den Ausgangsschaltern 140a, 140b vermieden werden.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung 100 ist nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben.

Zunächst wird ab dem Zeitpunkt tθ von der Steuereinrichtung 32 ein zylinderindividuelles Startsignal USGl an die Ansteuereinrichtung 100b abgegeben, das der Ansteuereinrichtung 100b anzeigt, dass der erste Diodenlaser 200a (Figur 3) zur Erzeugung von Pumplicht 60 für die Lasereinrichtung 26 eines ersten Zylinders 12 (Figur 1) zu aktivieren ist. Die Impulsdauer tl - tθ für das Startsignal USGl bis zu dem Zeitpunkt tl ist dabei so gewählt, dass innerhalb des Zeitraums tl - tθ die sichere Erzeugung eines Laserimpulses 24 durch die Lasereinrichtung 26 des Zylinders 12 gegeben ist. D.h., infolge der Beaufschlagung der Ansteuereinrichtung 100b mit dem Startsignal USGl wird die Energieversorgungseinrichtung 100 so zur Versorgung der Lasereinrichtung 26 des Zylinders 12 mit Pump licht 60 betrieben, dass der gewünschte Laserimpuls 24 erzeugt wird.

Hierzu wird der dem ersten Diodenlaser 200a zugeordnete Ausgangsschalter 140a über den Signalpfad USZl niederohmig gesteuert, während alle weiteren Ausgangsschalter 140b durch die ihnen zugeordneten Signalpfade USZN hochohmig gesteuert werden. Der entsprechende zeitliche Verlauf des Signals USZl ist aus Figur 4 ersichtlich. Durch die vorstehend beschriebene Ansteuerung ist sichergestellt, dass nur der erste Diodenlaser 200a durch den Ausgangsstrom il beaufschlagbar ist, nicht jedoch weitere Verbraucher 200b.

Nach einer vorgebbaren Verzögerungszeit δtl von z.B. ca. <= lOμs, die zur Vermeidung von Einschaltverlusten in dem Ausgangsschalter 140a dient, wird der Halbleiterschalters Sl des Stromreglers 100a mit dem ebenfalls in Figur 4 abgebildeten Spannungsverlauf USl beaufschlagt, um den Ausgangsstrom il zu erzeugen.

Die Spannung der Batterie 90 bewirkt dann ab dem Zeitpunkt tθl = tθ + δtl einen zunächst gemäß Figur 4 ansteigenden Ausgangsstrom il. Bei dem Erreichen einer vorgebbaren oberen Stromschwelle ilmax wird der Halbleiterschalters Sl durch die Ansteuereinrichtung 100b hochohmig geschaltet, so dass der Ausgangsstrom il als Diodenstrom idl über die Diode Dl weiterfließen kann, bis eine ebenfalls vorgebbare untere Stromschwelle ilmin erreicht wird. Dann wird der Halbleiterschalters Sl durch die Ansteuereinrichtung 100b wieder niederohmig geschaltet, und der Ausgangsstrom il steigt

erneut wie beschrieben an. Diese Ansteuerung setzt sich gemäß dem Signal USZl bis zu dem Zeitpunkt tl 1 fort.

Der Zeitpunkt tl 1 ist gegenüber dem von der Steuereinrichtung 32 zur Pumplichterzeugung vorgegebenen Ansteuerende tl (vgl. Signal USGl) um eine vorgebbare Verzögerungszeit δt2 verzögert. Dadurch werden Ausschaltverluste in dem Ausgangsschalter 140a vermieden. D.h., erst dann, wenn der Ausgangsstrom il nach dem Hochohmigschalten des Halbleiterschalters Sl zu dem Zeitpunkt tl unter eine vorgebbare Schwelle nahe 0 Ampere gefallen ist, wird auch der Ausgangsschalter 140a hochohmig geschaltet.

Die Regelung des Ausgangsstroms il auf den vorgebbaren Mittelwert ilmittel erfolgt durch eine Messung des Ausgangsstroms il über den Messwiderstand RS und die ihm zugeordnete

Messeinrichtung RS', die ein den Momentanwert des Ausgangsstroms il repräsentierendes Signal USS an die Ansteuereinrichtung 100b ausgibt. In Abhängigkeit des Signals USS und weiterer dem Fachmann bekannter Parameter steuert die Ansteuereinrichtung 100b den Halbleiterschalter Sl entsprechend hochohmig oder niederohmig, was bei einer Versorgung von Halbleiter-Diodenlasern 200a, 200b bevorzugt mit einer Frequenz von ca. 100 kHz bis ca. 2 MHz erfolgt.

Während der vorstehend beschriebenen Ansteuerung emittiert der Halbleiter-Diodenlaser 200a Pumplicht 60, das über die Lichtleitereinrichtung 28 an den laseraktiven Festkörper 44 der Lasereinrichtung 26 geleitet wird, um den Laserimpuls 24 zu erzeugen.

Weitere Lasereinrichtungen (nicht gezeigt), die beispielsweise anderen Zylindern der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind, werden durch die weiteren Halbleiter-Diodenlaser 200b, .. versorgt, deren Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 32 durch entsprechende Signalisierung mittels der Signale USGN angetriggert wird.

Um die Halbleiter-Diodenlaser 200a, 200b vor negativen Spannungen zu schützen, ist ihnen jeweils eine antiparallel geschaltete und in Figur 3 nicht näher bezeichnete Diode zugeordnet.

Ein überstrom- Schutz der Halbleiter-Diodenlaser 200a, 200b kann erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch realisiert werden, dass der entsprechende Ausgangsschalter 140a, 140b im Fehlerfall, d.h. bei einem erkannten überstrom ilüber, hochohmig geschaltet wird. Dadurch ist der Halbleiter-Diodenlaser 200a, 200b insbesondere vor Fehlfunktionen im Bereich des Halbleiterschalters Sl bzw. dessen Ansteuerung USl geschützt.

Eine typische Auslegung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 1000 zur Realisierung einer Pumplichtquelle 30 für eine laserbasierte Zündeinrichtung 27 kann die folgenden Daten umfassen:

Ausgangsspannung der Batterie 90 von ca. 8V bis 30V, vorzugsweise ca. 12V oder 24 Volt, - Ausgangsstrom il von ca. 5OA bis 250A,

Halbleiterschalter Sl und Ausgangsschalter 140a, 140b: schnell schaltenden MOS-FETs mit einem niedrigen Drain-Source Widerstand im Einschaltzustand R _DS,Oπ von ca. 2mω bis lOmω,

Drossel Ll: Serienwiderstand von ca. lmω bis 5mω, Induktivität von ca. 0,5μH bis ca. lOμH Messwiderstand RS: Widerstand von ca. lmω - parallel zu den Verbrauchern angeordnete Schutzdioden mit niedriger Durchflussspannung, z.B. vom Schottky-Typ,

Diode Dl : schnell schaltende Diode mit geringer Speicherladung, z.B. vom Schottky-Typ

Bevorzugt eignet sich die Erfindung zur Energieversorgung von Halbleiter-Diodenlasern 200a, 200b bzw. bei Integration der Halbleiter-Diodenlaser 200a, 200b zur Bereitstellung von Pumplicht 60 für optisch zu pumpende Lasersysteme j eglicher Art.

Insbesondere kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Energieversorgung ein effizientes laserbasiertes Zündsystem für Großgasmotoren und andere Stationärmotoren aufgebaut werden. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Prinzips ist jedoch aufgrund der Integration der Komponenten auch für den Kraftfahrzeugbereich von Vorteil. Generell können alle v.a. impulsförmige Ströme aufnehmenden elektrischen Verbraucher vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 1000 versorgt werden.

Mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Pumplichtquelle 30 unter Verwendung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 1000 können Untersuchungen der Anmelderin zufolge sehr effizient z.B. Pumplichtimpulse von ca. 20μs bis zu 2ms Impulsdauer bei einer Systemlebensdauer von bis zu 20000h und mehr erzeugt werden. Durch den hohen Wirkungsgrad aufgrund der effizienten Auslegung der elektronischen Komponenten 100a ist die Erfindung kostengünstig einsetzbar und auch für die Versorgung von Motoren mit einer großen Zylinderzahl (>20) bei einigen tausend Upm einsetzbar.