Hallo,
ich trete gerade etwas auf der Stelle und bräuchte bitte eine Denkhilfe.
Es geht um die Ursache/Wirkung einer Laserdiode.
Für mich stellt es sich aktuell so dar:
- wie auch immer wird die Diode angeschaltet (durch einen Treiber oder
FET)
- die Kathode wird z.B. gegen Masse (über einen Widerstand) geschaltet
und Strom kann fließen.
- durch den Stromfluss (je nachdem wie hoch der ist, begrenzt durch den
Reihenwiderstand), fällt eine bestimmte Spannung an der LED an.
- die Diode (LED, Laser what ever), kann den Strom also nicht begrenzen
- Ursache für den Spannungsabfall über der Diode ist der Strom und die
Höhe des Stroms (in der Regel bedeutet höherer Strom = höhere Spannung)
Wenn man also eine Diode dimensioniert geht man von den
"Ziel-/Wunschstrom" aus, daraus ergibt sich eine Spannung und danach
kann man dann alles weitere dimensionieren.
Sehe ich das erstmal falsch, oder ist es so korrekt?
Ich hatte nur gerade eine Diskussion mit Kommilitonen, wie rum man so
etwas angeht.
Hintergrund ist ein Wunschstrom und wie man nun die Spannung an der
Anode der Diode dimensionieren muss, damit der Wunschstrom fließen kann.
Vielen Dank!
A.
Aleks schrieb:> Sehe ich das erstmal falsch, oder ist es so korrekt?
Bis dahin ist alles Ok.
Du findest im Datenblatt ein Diagramm, aus dem hervor geht, welche
Spannung typischerweise bei welchem Strom abfällt. In der Realität kann
es ein bisschen mehr oder weniger sein. Die extreme sind in der Regel
tabellarisch angegeben.
Stefanus F. schrieb:> Du findest im Datenblatt ein Diagramm, aus dem hervor geht, welche> Spannung typischerweise bei welchem Strom abfällt.
Und es gibt einfache Schaltungen -Stromquellen-, bei denen der Strom
weitestgehend unabhängig von der Spannung an der Last (der Laserdiode)
ist.
Man muß nur dafür sorgen, dass die zur Verfügung stehende Speisespannung
um einiges höher ist als die Spannung an der Last.
P.S.:
Aleks schrieb:> Hintergrund ist ein Wunschstrom und wie man nun die Spannung an der> Anode der Diode dimensionieren muss, damit der Wunschstrom fließen kann.
Schau dir mal das Datenblatt des LM317 an!
Bei den Schaltbeispielen findest du auch eine Schaltung für solch eine
Sttromquelle.
Hallo,
> Aleks schrieb:> - durch den Stromfluss (je nachdem wie hoch der ist, begrenzt durch den> Reihenwiderstand), fällt eine bestimmte Spannung an der LED an.> - die Diode (LED, Laser what ever), kann den Strom also nicht begrenzen> - Ursache für den Spannungsabfall über der Diode ist der Strom und die> Höhe des Stroms (in der Regel bedeutet höherer Strom = höhere Spannung)
Hier gilt die Kennline einer DIODE. Ist ja auch eine Laser-DIODE
> Wenn man also eine Diode dimensioniert geht man von den> "Ziel-/Wunschstrom" aus, daraus ergibt sich eine Spannung und danach> kann man dann alles weitere dimensionieren.
Das wird bei Laserdioden so nicht gut klappen.
Im Gegensatz zu normalen LED, bei denen über einen weiten Bereich die
abgestrahlte Leitung halbwegs linear zum Strom ist, hat eine Laserdiode
eine starkt nichtlineare Kennline f(I)=P_strahlung.
Ist der Strom etwas zu klein, lasert die Diode kaum.
Ist der etwas zu groß, stirbt die Laserdiode schnell.
-> siehe Datenblatt: "Threshold voltage"
Dazu kommt, dass die Kennline der LD stark temperaturabhängig ist.
-> siehe Bild 2 im Link
https://studylibde.com/doc/2425149/laserdioden-verstehen-und-sicher-ansteuern---ic-haus
Ein gleicher Strom, der bei hohen Temp. kaum Lichtleistung zur Folge
hat, kann bei niedriger Temp. zur Zerstörung wegen zu hoher
Lichtleistung führen.
Deshalb werden Laserdioden sehr oft mit einer
Konstant-Leistungs-Regelung betrieben (engl. CPC-constant power
control).
> Ich hatte nur gerade eine Diskussion mit Kommilitonen, wie rum man so> etwas angeht.
Auf alle Fälle sind Dioden stromgesteuerte Bauelemente.
Bei Laserdioden ist das aber nochmal bisschen komplizierter.
> Hintergrund ist ein Wunschstrom und wie man nun die Spannung an der> Anode der Diode dimensionieren muss, damit der Wunschstrom fließen kann.
Entweder man steuert den Strom oder die Spannung. Beides gleichzeitg
wird kaum funktionieren.
Gruß Öletronika
U. M. schrieb:> Entweder man steuert den Strom oder die Spannung. Beides gleichzeitg> wird kaum funktionieren.
Wenn man etwas stabilisiert, dann meist die Ausgangsleistung.
Dazu ist bei vielen Lasern hinter dem eigentlichen Laserkristall eine
Photodiode eingebaut, die vom rückwärts gerichteten Laserlicht
beleuchtet wird.
Den Photostrom führt man einer Regelschaltung zu, wo er mit dem Sollwert
verglichen wird und den Strom durch die Laserdiode entsprechend
beeinflusst.
Man macht das, weil die Laserschwelle, also der Strom ab dem die
Lasertätigkeit einsetzt, stark positiv temperaturabhängig ist.
Oberhalb der Schwelle steigt der Wirkungsgrad stark an, und ohne
Regelung der Ausgangsleistung kann es dadurch passieren, das sich der
Laser bei guter Kühlung optisch selbst zerstört.
Ich habe das mit etwas Kältespray schon geschafft ;-)
Aleks schrieb:> Ursache für den Spannungsabfall über der Diode ist der Strom und die> Höhe des Stroms (in der Regel bedeutet höherer Strom = höhere Spannung)
Nur daß im Nenn- (alo Betriebs-) Bereich die Spannungsänderung über
relativ hohen Bereich der Stromänderung vergleichsweise gering ist bei
Dioden. Umgekehrt würden schon kleinste änderungen der
Versorgungsspannung sehr große Stromänderungen bewirken - was kein
Mensch will.
Daher ist die Regelgröße bei LEDs der Strom - vernünftigerweise.
Wenn dann die V_f bei steigender Temperatur absinkt, kann nicht durch
falsche Versorgung mit Spannungsquelle der Strom immer schneller immer
weiter steigen. Stattdessen sinkt sogar die umgesetzte Leistung bei
sinkender V_f und gleichbleibendem Strom ein wenig ab... wegen P=I*U.
(Ist zwar bzgl. "Gefahr" irrelevant, hilft aber evtl. zu verstehen.)
Bei Wahl eines passenden Kühlkonzepts ist man hier schon fertig - bei
LEDs.
(Gepulst kann sogar auch I_puls > I_max(dauer) gewählt werden.)
Aleks schrieb:> Hintergrund ist ein Wunschstrom und wie man nun die Spannung an der> Anode der Diode dimensionieren muss, damit der Wunschstrom fließen kann.
Das tut man bei Leucht-Dioden eben nicht - man regelt den Stromwert, und
die V_F ergibt sich (sie liegt bei Nennstrom in einem best.
Toleranzbereich, und variiert wie gesagt kaum - gute Sache).
Leider kenne ich mich mit Laserdioden nicht aus. Ich hatte auf die von
mir entdeckten bzw. vermuteten "gefährlichen Mißverständnisse bzgl.
(Leucht-) Dioden ganz allgemein" direkt eingehen wollen - um das zur
Sicherheit klarzustellen.
Antwort wäre also: "Bitte ausnahmsweise Strom als Ursache nehmen."
U. M. schrieb:> Auf alle Fälle sind Dioden stromgesteuerte Bauelemente.> Bei Laserdioden ist das aber nochmal bisschen komplizierter.
Viel Erfolg.
floppy disk schrieb:> Das tut man bei Leucht-Dioden eben nicht - man regelt den Stromwert, und> die V_F ergibt sich (sie liegt bei Nennstrom in einem best.> Toleranzbereich, und variiert wie gesagt kaum - gute Sache).
... es sei denn, die Laserdiode wird erwärmt oder erwärmt sich durch den
Strom selbst. Die V_f ist temperaturabhängig
> Ich hatte nur gerade eine Diskussion mit Kommilitonen, wie rum man so> etwas angeht.> Hintergrund ist ein Wunschstrom und wie man nun die Spannung an der> Anode der Diode dimensionieren muss, damit der Wunschstrom fließen kann.
Da du ja studierst solltest du bereits gelernt haben das man Spannungs
und Stromquellen an einem Arbeitspunkt ineinander umrechnen kann. Es ist
also vollkommen egal ob man eine Spannungs- oder eine Stromquelle
anlegt.
Das Problem ist nur das so eine Diode stark nichtlinear ist, extreme
Exemplarstreuungen aufweisst und alles noch sehr temperaturabhaengig ist
wenn man eine definierte Spannung anlegt. Und diese Spannung fuehrt dann
noch dazu das du in der Diode Leistung freisetzt welche dann wieder die
Temperatur aendert. Und deshalb legt man an eine Diode einen definierten
Strom an und die Spannung ergibt sich dann. Und bei Laserdioden ist
selbst das noch eher schlecht und ungenau, deshalb hat man da oft eine
Monitordiode drin welche die abgestrahlte Leistung misst und darauf kann
man dann regeln. Man kann auf diese Regelung verzichten und einfach nur
einen Strom anlegen. Allerdings ist dann die Helligkeit stark von
Temperatur, Alterung und Exemplar abhaengig.
Olaf
Ich glaube nicht, daß die bisherigen Antworten die Frage des TE richtig
verstehen. Ich glaube ihm geht es um die eher philosophische Frage, was
Ursache und was Folge ist. Und da ist ganz klar, daß die Spannung
Ursache ist und der Strom die Folge. Jede Stromquelle ist gleichzeitig
auch eine Spannungsquelle, denn ohne Spannung kein Strom (zumindest bei
DC und ohne daß Supraleiter im Spiel sind).
Nur hilft das beim praktischen Betrieb einer Laserdiode (oder auch nur
LED) überhaupt nicht. Wenn man da "einfach so" eine Spannung anlegt,
wird entweder nichts passieren oder der Strom wird größer sein als
erlaubt. Um den gewünschten Punkt auf der U/I Kennlinie zu treffen,
müßte man die Spannung sehr genau treffen und hätte dann immer noch das
Problem, daß die Kennlinie gar nicht statisch ist, sondern je nach
Exemplar und Temperatur mehr oder weniger abweicht.
Deswegen braucht man immer irgendeine Form der Strombegrenzung. Im
einfachsten Fall ist das ein Vorwiderstand. Oder - wenn man einen
bestimmten Strom sehr genau treffen will - eine aktive Stromregelung.
Letzteres ist das, was man technisch als (Konstant)Stromquelle
bezeichnet. Oder im Fall einer Laserdiode als Treiber.
Laserdioden kann man - muss man aber nicht - bei konstanter
Ausgangsleistung betreiben.
Ich benutze an meinem Arbeitsplatz Diodenlaser (d.h. Laserdioden mit
etwas Optik drumherum) von Toptica (https://www.toptica.com). Wir
betreiben diese immer bei konstantem Strom, also nicht konstanter
Leistung. Allerdings sitzt die Laserdiode hier in einem Metallblock,
dessen Temperatur mit einem Peltier-Element und einem Temperatursensor
konstant gehalten wird.
Will man auf eine solche Temperaturstabilisierung verzichten, ist
möglicherweise der Betrieb der Laserdiode bei konstanter Leistung (unter
Verwendung der meistens integrierten Fotodiode) geeigneter.
Aleks schrieb:> Es geht um die Ursache/Wirkung einer Laserdiode.
Elektrisch gesehen ist eine Laserdiode eine normale LED.
Das heisst, sie wird typisch mit einer (Konstant-)Strom-
quelle betrieben und die Spannung über die LED ergibt sich.
Will man sie als Laser betreiben, muss man wissen, das sie
nur innerhalb eines bestimmten Strombereichs "lasert". Ist
der Strom zu klein, "lasert" sie nicht, sondern arbeitet
als normale LED. Ist der Strom zu gross, brennen die zum
"lasern" benötigten Spiegel durch, und sie arbeitet zukünf-
tig nur noch als LED. Um einen sicheren Laserbetrieb zu er-
reichen, benutzt man typischerweise eine spezielle Laser-
treiberschaltung, die zusätzlich die Helligkeit mit einer
im gleichen Gehäuse verbauten Fotodiode misst und damit
den Strom passend einstellt. Solche Schaltungen sollte man
problemlos im INet finden
Harald W. schrieb:> Ist der Strom zu klein, "lasert" sie nicht, sondern arbeitet> als normale LED. Ist der Strom zu gross, brennen die zum> "lasern" benötigten Spiegel durch, und sie arbeitet zukünftig> nur noch als LED.
Das eigentliche Problem bei Betrieb von Laserdioden mit höherer Leistung
ist, dass diese beiden Stromwerte eng beieinander liegen.
Wolfgang schrieb:> Das eigentliche Problem bei Betrieb von Laserdioden mit höherer Leistung> ist, dass diese beiden Stromwerte eng beieinander liegen.
Nein, das ist nicht das eigentliche Problem. Das Problem besteht darin,
dass dieser schmale Bereich über Exemplarstreuungen, Temperatur und
Alterung eben nicht an einer festen Stelle liegt, sondern entsprechend
wandert.
Hallo und 1000 Dank für die vielen Meldungen!
Ich denke ich habe es verstanden!
Noch eine Frage zu Laserdioden:
Wenn der Schwellstrom unterschritten ist, ist es quasi eine LED.
Über dem Schwellstrom lasert es dann.
Sieht man bei diesem Übergang eine deutliche Änderung in der forward
voltage?
Kann man also irgendwie mit einem ADC oder sowas ermitteln, wann der
VCSEL in den Laser-Bereich übergeht?
In allen Diagrammen sieht das alles ziemlich linear aus.
Nur die "emitted power" steigt natürlich merklich an.
Aber bekommt man es auch irgendwie ohne optische Messung raus?
Vielen Dank!
A.
Aleks schrieb:> Nur die "emitted power" steigt natürlich merklich an.> Aber bekommt man es auch irgendwie ohne optische Messung raus?
Dafür gibts ja die eingebaute Fotodiode. Irgendwie scheint es Dir
an wichtigen Grundkenntnissen zu fehlen. Deshalb noch mal der
Hinweis, das Laserlicht mit Leistungen über ein Milliwatt zu
irreperablen Augenschäden führen kann!
Harald W. schrieb:> Dafür gibts ja die eingebaute Fotodiode. Irgendwie scheint es Dir> an wichtigen Grundkenntnissen zu fehlen. Deshalb noch mal der> Hinweis, das Laserlicht mit Leistungen über ein Milliwatt zu> irreperablen Augenschäden führen kann!
Und wenn der VCSEL einfach nur ANODE und CATHODE hat und KEINE (!)
eingebaute Diode?
Wir messen im Labor nur mit Schutzbrille und haben auch einen Aufbau mit
7mm Pupillenblende, um die Laserklasse 1 zu messen. Da passe ich schon
auf :)
Hallo,
> Aleks schrieb:> Und wenn der VCSEL einfach nur ANODE und CATHODE hat und KEINE (!)> eingebaute Diode?
dann kann man z.B über einen Strahlteiler einen Monitorkanal "abspalten"
und diesen zur Regelung nutzen.
Gruß Öletronika
U. M. schrieb:>> Aleks schrieb:>> Und wenn der VCSEL einfach nur ANODE und CATHODE hat und KEINE (!)>> eingebaute Diode?> dann kann man z.B über einen Strahlteiler einen Monitorkanal "abspalten"> und diesen zur Regelung nutzen.Wenn man denn die optische Leistung regeln (konstant halten) möchte.
Andererseits sollte es genügend Abstand zwischen den Strom, bei dem der
Lasereffekt einsetzt und dem maximal erlaubten Strom geben. In dem Fall
reicht eine Stromregelung auf einen beliebigen Wert dazwischen.
Die billigen Lasermodule vom Chinamann und die meisten Laserpointer
machen es auch so.
Der Schwellstrom liegt im Bereich von 1A.
Die VCSEL können maximal 20A.
Ziel sollte irgendwo zwischen 4 und 7A sein. Da habe ich genug Luft,
ohne dass ich explizit auf die Leistung regeln muss.
Es sind auch nur kurze Impulse im zweistelligen ns Bereich, wo
gefühlsmäßig so eine Regelung eh zu langsam wäre, wenn ich 5A in ca.
10ns erreiche.
Da muss es eine normale Common-Drain Schaltung tun, um den Strom
einzustellen.
Hallo,
> Aleks schrieb:> Der Schwellstrom liegt im Bereich von 1A.> Die VCSEL können maximal 20A.
du bist ein absoluter Komiker!
Erst fragst du völlig unspezifisch wie ein Student, der das erst mal was
von Lasern gehört hat.
Da handelt es sich nach edlichen Artikeln plötzlich um VCSEL.
Dann brauchen die plötzlich einige A Strom und am Ende geht es um
ns-Impulse. Nur nicht gleich mit den daten rausrücken. Lieber erstmal
paar dutzend Antworten abwarten und bisschen Rätzelraten spielen
Das sind natürlich alles völlig nebensächliche techn. Angaben, denn ob
es sich um eine billige LD für einen 1,50€-Pointer oder um VCSEL im
Bereich Laserklasse 3b und darüber handelt, spielt ja eh keine Rolle.
> Ziel sollte irgendwo zwischen 4 und 7A sein. Da habe ich genug Luft,> ohne dass ich explizit auf die Leistung regeln muss.
Und was fragst du dann danach?
> Es sind auch nur kurze Impulse im zweistelligen ns Bereich, wo> gefühlsmäßig so eine Regelung eh zu langsam wäre, wenn ich 5A in ca.> 10ns erreiche.
Da hast du falsche Gefühle. Auch für solche Anwendungen kann man auf
Leistung regeln. Nur geht das freilich nicht so einfach wie mit einer
direkt wirkenden anlogen Stromquellenschaltung im DC-Betrieb.
> Da muss es eine normale Common-Drain Schaltung tun, um den Strom> einzustellen.
Da dann mache es doch einfach so.
Diese LD habe ja auch eine gewissen thermische Trägheit und bei sehr
kurzen Impulsen und einem sehr kleinen Verhältnis Impus zu Pause ist
auch gar keine schnelle Regelung der Einzelimpulse nötig.
Gruß Öletronika
U. M. schrieb:> Auch für solche Anwendungen kann man auf Leistung regeln.Nötig aber ausschließlich, wenn der genaue Wert wichtig ist.
(Wegen Arbeitspunkt nahe des max. möglichen und/oder präziser
Vorgabe/Anforderung bei der jew. Anwendung.)
Hier scheinbar beides nicht der Fall, man ist sehr weit weg
von thermischen Grenzen (passende Kühlung vorausgesetzt), und
hat keine wirklichen Exaktheitsvorgaben. Man könnte wohl sogar
mit simplem Vorwiderstand an Konstantspannung arbeiten und
ganz einfach fast beliebig schnell schalten/kurz pulsen. Ein
Widerstand hat praktisch unbegrenzte "Regelgeschwindigkeit".
Wäre nützlich gewesen, mit "VCSEL / xA" früher rauszurücken.
klatyvwfsa schrieb:> hat keine wirklichen Exaktheitsvorgaben
Sollte es doch welche geben, die mit Speisespannung in
begrenzter Höhe (je höher, desto näher ja am Verhalten
einer KSQ, sofern die Toleranz in Absolutwerten gleich
bleibt) nicht erreicht werden kann, könnte man noch
die Spannung abh. v. d. Diodentemperatur nachregeln.
Immer noch weniger Aufwand als entspr. Stromregelung.
