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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ursache und Wirkung bei Laserdioden


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Autor: Aleks (Gast)
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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.

Autor: Stefanus F. (Firma: Äppel) (stefanus)
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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.

Autor: Hp M. (nachtmix)
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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.

: Bearbeitet durch User
Autor: U. M. (oeletronika)
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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

: Bearbeitet durch User
Autor: nachtmix (Gast)
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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 ;-)

Autor: floppy disk (Gast)
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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.

Autor: Wolfgang (Gast)
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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

Autor: Olaf (Gast)
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> 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

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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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.

Autor: LaserUser (Gast)
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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.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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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

Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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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.

Autor: Aleks (Gast)
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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.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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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!

Autor: Aleks (Gast)
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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 :)

Autor: Aleks (Gast)
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Wir haben hier OSRAM VCSEL da im 2L Package.
Die haben leider keine MPD Anschlüsse.

Autor: U. M. (oeletronika)
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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

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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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.

Autor: Aleks (Gast)
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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.

Autor: U. M. (oeletronika)
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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

Autor: klatyvwfsa (Gast)
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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.

Autor: klatyvwfsa (Gast)
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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.

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