Warum ist ein Labornetzteil nicht geeignet, um eine Laserdiode direkt anzusteuern?

Im Abschnitt „Keine Option“ heißt es:

Es ist wichtig, dass Diodenlaser immer einen geregelten Treiber haben, entweder im Betrieb mit automatischer Stromregelung oder automatischer Leistungsregelung. Ein Standard-Labornetzteil ist nicht geeignet, sie direkt anzutreiben.

Sie haben auf den zweiten Satz verwiesen, der besagt, dass "ein Labornetzteil nicht geeignet ist". Der vorangehende Satz besagt, dass ein Netzteil mit automatischer Stromregelung geeignet ist - deutet aber an, dass es nicht ideal ist.

Abbildung 1. Ein Auszug aus dem zufällig ausgewählten Datenblatt des U-LD-650543A , der die Kurven der Leistung gegenüber dem Durchlassstrom bei verschiedenen Temperaturen zeigt.

Wir können sehen, dass bei dieser Laserdiode bei konstantem Strom, sagen wir 15 mA, die Ausgangsleistung von etwa 2,5 mW auf 1 mW abfällt, wenn die Temperatur von 25 °C auf 40 °C steigt. Dies schützt die Diode auf Kosten von Schwankungen der Ausgangsleistung bei Temperaturschwankungen, sodass Sie zumindest den Laser sparen, aber Ihre Anwendung möglicherweise nicht zuverlässig funktioniert.

Kurz gesagt, ein spannungsbegrenztes Labornetzteil kann den Laser nicht schützen, ein strombegrenztes Netzteil schützt ihn, liefert aber keine konstante Leistung, und ein leistungsgeregeltes Netzteil liefert die optimale Leistung.

In Ihrem verlinkten Artikel heißt es weiter (unter "Suche nach konstanter Macht"):

Die automatische Leistungsregelung verwendet eine in das Lasergehäuse integrierte Monitordiode für Feedback. Laser mit integrierten Monitordioden sind in drei Konfigurationen erhältlich, alle mit dem gemeinsamen Anschluss, der mit ihrem Gehäuse verbunden ist, das häufig elektrisch mit Masse verbunden ist. Der Ausgang einer integrierten Monitordiode ist nicht zur Kalibrierung geeignet. Bei einer gegebenen Ausgangsleistung kann der Monitorstrom von Laser zu Laser um den Faktor 10 variieren.

Der beste Weg, den Laser zu steuern, besteht also darin, die optische Ausgangsleistung mit einer eingebauten Fotodiode zu überwachen. Es gibt drei gängige Anordnungen.

Abbildung 2. Drei verschiedene Überwachungsdiodenanordnungen. LD = Laserdiode. MD = Überwachungsdiode. Quelle: Fahren von Diodenlasern - Ein unkompliziertes Verfahren (Link des OP).

Das Schema von Fig. 2 zeigt jede der drei Anordnungen. Beachten Sie, dass in jedem Fall die LD in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und die MD in Sperrrichtung vorgespannt ist, wie es bei Fotodiodenanwendungen üblich ist. Die Spannung über der MD wird mit steigenden einfallenden Lichtstärken ansteigen. Der Operationsverstärker überwacht diese Spannung und wenn sie ansteigt (was auf eine zunehmende Laserleistung hinweist), reduziert er die Ansteuerung des LD-Transistors. Die Schaltung stabilisiert sich auf dem vorgesehenen Leistungsausgangspegel.

Die drei angezeigten Optionen sind:

1. P-Typ: Die MD-Anode und die LD-Kathode teilen sich den gemeinsamen Anschluss. Der gemeinsame Anschluss des Pakets ist mit der unteren Schiene einer Einschienenversorgung verbunden.
2. N-Typ: Die MD-Kathode und die LD-Anode teilen sich den gemeinsamen Anschluss. Der gemeinsame Anschluss des Pakets ist mit der oberen Schiene einer Einschienenversorgung verbunden.
3. M-Typ (gemischt): Die Kathoden teilen sich einen gemeinsamen Anschluss. Diese Option erfordert eine Split-Rail-Versorgung.

Der wichtige Punkt hier ist, dass der MD verwendet wird, um die Leistung zum LD zu regulieren.

Abbildung 3. Die Pinbelegung des U-LD-650543A.

Die Pinbelegung meiner zufällig ausgewählten Laserdiode zeigt, dass es sich um einen N-Typ handelt. Beachten Sie einen Unterschied in der Terminologie: PD, Fotodiode, versus MD, Überwachungsdiode, in Abbildung 2.

kurze Antwort

Der Widerstand der Laserdiode ist hochgradig nichtlinear mit mehreren Modi für thermisches Durchgehen. Aus diesem Grund wird empfohlen, keine einfachen Konstantstrombegrenzer zu verwenden, bis Sie verstehen, warum nicht.

Sie sollten eine interne optische Rückkopplungsdiode (PD) mit umgekehrt geklemmter Leistungsregelung mit niedrigem ESL verwenden. Oder entwerfen Sie eine, die funktioniert (Warnung) oder überwachen Sie die Lasertemperatur mit einer gebondeten Vorwärtsdiode (nicht OK langsamer ... Warnung, aber OK für LEDs)

wie funktioniert es? (damit man versteht warum)

Stellen Sie sich eine Laserdiode mit einer Durchlassschwelle von < 1 V und einem Nenndurchlassstrom von beispielsweise 1,2 mit einem Differenzwiderstand vor, der umgekehrt zur Nennleistung steht. Ein optischer Resonator ist eine Form der Mitkopplung mit Verlusten und verwandelt sich bei Erreichen der Anregungsschwelle für „Lasern“ von einer LED in einen resonanten LASER („Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“)

Der Laserstrom springt jetzt typischerweise auf etwa das 10-fache, wenn er reguliert wird, sowie etwas mehr Leistung und hat dennoch einen positiven Differenzwiderstand, der ein positiver Temperaturkoeffizient (PTC) von R vs Temp ist. was zu mehr Leistung und thermischem Durchgehen führt. Wenn die Sperrschichttemperatur aufgrund eines schlechten Kühlkörperwiderstands und einer ausreichenden Stromversorgung bei einer bestimmten Spannung in Millisekunden ansteigt, haben Sie eine durchgebrannte Laserdiode.

Die Übergangsschwellenspannung könnte je nach Typ eine PTC- oder NTC-Charakteristik haben. Betrachten Sie einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC). Dies wird durch den Schockley-Effekt definiert und hängt von der Chemie, den Temperaturgradienten in der Sperrschicht und anderen Dingen wie dem Idealitätsfaktor der Diode ab. Nehmen wir an, es reduziert die Diodensättigungsschwellenspannung Vt um 100 mV für jeden 100 ° C-Stromanstieg oder -1 mV / ° C. Ich gehe davon aus, dass Sie wissen, dass alle Dioden, die auf dem Idealitätsfaktor basieren, eine gewisse Konstante von Vt vs Der Chip (der ein Faktor für die Nennleistung ist) steuert den Bulk-Differentialwiderstand der Kristall / Elektroden-Schnittstelle (ähnlich wie ESR, aber nicht ganz). Dies ist der Teil, der auch den PTC hat, während die Kristalldiode den NTC hat. Wenn Sie also eine strombegrenzte Spannungsquelle und die Reihe R einen Abfall von Vf oder Vt hatten, hat die Reihe R jetzt einen größeren Spannungsabfall, um den Strom zu erhöhen, was zu einem möglichen thermischen Durchgehen führt, wobei auch der Volumenwiderstand zunimmt.

Was ist also die beste Vorgehensweise?

Wenn Sie also eine winzige Diode in Sperrrichtung vorgespannt haben, um eine interne Reflexion einzufangen, und einen zusätzlichen Anschluss für diesen Sensor haben, können Sie den Lichtemissionsstrom * R = Spannung in xxx mV erkennen, um ihn als Feedback für eine enge niedrige ESL-Stromregelung Ihres Lasers zu verwenden .

Dann berechnen Sie Ihren thermischen Widerstand zwischen Gehäuse und Umgebung, um sicherzustellen, dass der Anstieg der Sperrschichttemperatur im Design minimiert wird, da Laserdioden im Bereich von 1 bis 10 W maximal 1000 Stunden halten können, da das Arhennius-Gesetz in der Chemie besagt, dass sich die Alterungsrate des Materials etwa alle 10 verdoppelt Grad 'C. Sie möchten es also mit CPU-ähnlichen Kühlkörpermethoden so kühl wie möglich halten. Andernfalls haben Sie einen kurzlebigen Wegwerfzeiger.

Jetzt werde ich nur erwähnen, dass, wenn die Tj-Übergangstemperatur zu schnell ansteigt, als dass Ihr Steuersystem reagieren könnte, oder zu heiß, ein Frequenzmodussprung die Wirksamkeit verringern kann und jetzt der Pegel Ihrer Rückkopplungsfotodiode abfällt und Ihre Rückkopplung versucht, noch mehr Strom zu treiben und einen anderen zu puffen verbrannte Laserdiode (es sei denn, Sie erkennen/regulieren das Obige absichtlich.)

Wenn Sie mit positiven Feedback-Oszillatoren vertraut sind oder wissen, wie negatives Feedback zu zu viel Verzögerung zu instabilen Reglern oder Überschwingern führt, dann wissen Sie den nächsten Witz zu schätzen .

Korrekter wäre die Abkürzung LOSER für „Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation“.

Wenn Sie die feinen Details auf dieser Website lesen würden, heißt es, dass Temperaturrückmeldung und -regulierung wichtiger sind als die aktuelle Regulierung.

Bei einem gegebenen begrenzten Strom erwärmt sich die Laserdiode und kann subtile Wellenlängenverschiebungen aufweisen, die eine Erhöhung der Diodentemperatur verursachen.

Ein Tischnetzteil verfügt über eine Strom- und Spannungsregelung, kann jedoch die Temperatur der Laserdiode nicht erfassen und den Strom zurücksetzen, wenn die Laserdiode heiß wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Stromquelle ein gut gefilterter Gleichstrom mit viel Quellenstrom ist.

Sie benötigen eine echte Laserversorgung, die eine Temperaturerfassung des Lasers umfasst, damit der zulässige Treiberstrom reduziert werden kann. Ein herkömmliches Tischnetzteil bringt den Laser zum Laufen, aber der Laser kann innerhalb von Minuten verglühen.

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Ein oft übersehener Faktor im Umgang mit Diodenlasern ist der Einfluss der Temperatur auf das Verhältnis zwischen optischer Ausgangsleistung und Betriebsstrom. Während der Schwellenstrom mit der Temperatur ansteigt, nehmen die optische Ausgangsleistung und der differentielle Wirkungsgrad ab. Die Treiberschaltung sollte daher eine Sicherheitsfunktion aufweisen, die sicherstellt, dass eine signifikante Temperaturerhöhung den Laser nicht zerstört.

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