Stromtreiber für Laserdiode

Hmm. Kein Wort zu noise im Datenblatt. Das ist bei der eigentlich angepeilten Anwendung für Motoren auch nicht wirklich relevant...

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Hallo Jörg,

Kleine Schluddigkeit beim Übertragen vom Melbourne-Schaltplan nach ascii: Im Original ist an dieser Stelle ein Wert mit Sternchen eingetragen, der darauf hindeutet, dass der tatsächlich verbaute Wetrt an die Diode angepasst wird.

ok, danke für den Hinweis. War auch nur ein Gedanke.

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Hallo Jörg,

Na gut. Meinen Möglichkeiten angemessen werde ich trotzdem erstmal den Weg des geringsten Widerstands gehen.

Das Rauschen sollte von DC rauf bis in den 100 MHZ-Bereich möglichst klein sein. Selbst wenn der Detektor auf der anderen Seite bei weitem nicht so schnell ist --- Die Diode selber macht es mit und Atome orientieren sich an der Linienbreite des Lichts.

DC mit kleiner, sinusförmiger Modulation. Die Laserdiode setzt das im Licht in eine parallele Frequenz- und Amplituden-Modulation um. Als Modulationsfrequenz sollte 100kHz bis ein paar MHz erlaubt sein. Ich hatte eigentlich vor, diese Modulatiosgeschichten unabhängig von der Endstufe zu halten. Dann kann ich vor der Einkopplung der Modulation noch Tiefpässe, Induktivitäten und ähnliches unterbringen.

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Hallo Kai-Martin,

Dann seid aber vorsichtig, wenn Ihr die Diode auf Betriebstemperatur habt und dann mal eben aus- und wieder einschaltet.

Das ist DC :-)

Wenn das linear werden soll, muesste man aber stromsteuern. Und immer fein vom Spitzenwert wegbleiben.

Ok. Der Blick ins Datenblatt war also nicht wirklich angemessen. Also arbeitet der OP mit einer Verstärkung von etwa 1.5 Das erklärt die Stabilitätsprobleme, die wohl mit den 2.7pF bekämpft werden sollen.

Das sollte so sein. Wenn man in den Bereich kommt, bei dem die Strom-Spannungskennlinie der Diode ernsthaft abknickt, hat man sie zerstört.

Jupp. Sowas kenne ich unter dem Namen "StromklauFET" :^) So eine Modulationsmöglichkeit wird noch dazukommen. Aber ich wollte erstmal nur den DC-Treiber richtig verstehen.

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Hallo!

Kai-Martin Knaak schrieb:

Ah, noch ein ECDL-Selbstbauer...

Für soetwas benutzen wir die Stromklau-FET-Schaltung, wie sie auch von Toptica in ihren Lasern verwendet wird: Iin | .-. | | | | 5R6 10p '-' || | .---||--. .-------o | || | | | | | | .-. | ___ | ___ |-+ | | 5R6 ---o-|___|-o-------o-----o-|___|-- '-' - V | | | ^ - | | Laserdiode | | | | | === === === === ===

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05

Ein FET zweigt einen Teil des Stromes ab und leitet ihn an der Diode vorbei. Das hat den Vorteil, daß man damit auch bei widrigster Ansteuerung (Fehler in der Laserlock-Schaltung) die Diode nicht zerschießt. Die ganze Sache ist schnell genug, um damit unseren Selbstbau-Diodenlaser gegen einen zweiten phasenzulocken...

Für höhere Modulationsfrequenzen im zig-MHz-Bereich (z.B. für Pound-Drever-Locks) wird einfach ein Minicircuits-Bias-Tee.

Erzähl mir später mal von deinen Laserdiodentreiber-Erfahrungen. Ich bin da sehr interessiert. Momentan benutzen wir einfach einen Thorlabs-ITC102 OEM-Treibermodul, da das auch die Temperatursteuerung mit drauf hat.

Gruß, Jürgen

Hallo Kai-Martin,

Die 2.7pF sehen eher ein bischen nach "hingebastelt" aus.

Dabei muss man jedoch das HF-Verhalten des dicken FET beruecksichtigen. Wenn der zuviel Cds hat, dann wird es nichts mit 100MHz. Das ist einer der Gruende, warum ich im HF Bereich gern Bipolar-Transistoren nehme.

Cds ---> drain capacity?

Das erklärt wahrscheinlich, warum die Australier den StromklauFET nur zum Kurzschließen der Diode im Fehlerfall verwenden. Die Modulation bei Radiofrequenzen besorgt eine AC-Kopplung. Die Verbindung zum LeistungsFET wird mit einer fetten 100uH Induktivität für hohe Frequenzen geblockt.

Für niedrige Modulationsfrequenzen wird eine etwas obskure OP-Schaltung verwendet, bei der Pin3 als Ausgang genutzt wird. Sehr merkwürdig. Werde mal im H&H danach fahnden. Vielleicht finde ich es als "current sink".

Die ganze Schaltung kommt aus dem Physiker-Umfeld und soll auch dort ihre Anwendung finden (Quantenoptik). Daher die Dir vermutlich etwas hemdsärmlig vorkommende Vorgehensweise.

Bipolare sind mir wegen der Basis-Ströme immer etwas suspekt...

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Bei 12V Versorgung hat man bald Probleme mit Verlustleistung bei Linearregler.

Man könnte erstmal per Spannungsregler auf z.B. 5,0V heruntersetzen. Den kann man diskret aufbauen. Die REF-02 ist eine Referenzspannungsquelle 5V, solche ICs rauschen meist wenig bzw. es gibt sogar low-noise-Varianten. Variable Referenz ( mit Poti steuerbar ) könnte auch nützlich sein.

Der TS912 ist sicher nicht low-noise, aber hat ja nur G=1. Er wird benötigt, damit man den Fet mit 7V noch aussteuern kann. Die Diode parallel wird benötigt, damit der Elko im power-down entladen wird. Die 1k am OP dienen in diesem Fall als Schutz, weil der Pin dann +0,8V über Versorgung liegen würde.

Man kann den Fet auch durch diskreten Darlington mit BD239 in TO220 ersetzen, aber viel Nutzen sehe ich nicht, ausser daß man nun low-noise bipolar-OP nehmen könnte. Der TO220 macht nur Stromverstärkung 50, man braucht am Eingang also 20mA. Nur ein LM358 ( 20 - 40mA Typ ) kann sowas direkt liefern, wie hier dargestellt hat man typisch 2. Transistor. Der 470 Ohm Widerstand ist für Darlington im Linearbetrieb nützlich.

Ballast, d.h. Verheizen von Verlustleistung, kann auch ein Widerstand machen, aber eine Kette von Dioden ist stromunabhängiger.

Die eigentliche Stromquelle ist unten eingezeichnet. Der Shunt sind 4x 1 Ohm-Widerstände, weil man bei denen sonst bald über 250mW käme. Darlington wie oben. Man hat einen Strommeßfehler, weil der 20mA Strom der in die Basis des BD240 geht ja nicht durch die Last geht. Sollte hier aber nicht stören.

Ich vermute der Strom wird durch ein Poti eingestellt das iregendwo in Frontplatte ist: paßt so für verdrillte 2-Draht-Zuleitung, wenn Drahtbruch ist Strom runtergeregelt. Der OP kann hier low-noise bipolar sein, Eingang liegt wegen des 5V-Reglers schön in der Mitte und auch der Ausgang bei 3V noch recht handelsüblich.

Nicht berücksichtigt:

Der BD240 verheizt hier immer noch 2,7 Watt, unter

Zusatzschaltungen zum Schutz des BD240 bezüglich Überstrom ( foldback ) ( bei Kurzschluß ) oder Temperaturfühler wären auch sinnvoll.

MfG JRD

Ja. Drei viertel der Schaltung bestehen aus Sicherheitsmaßnahmen. Im Betrieb mal eben das Kabel zwischen Treiber-Elektronik und Diode zu ziehen und wieder anzustecken, hat gute Chancen das gute Stück zu killen. Darf man eben nicht machen.

Es muss nicht linear sein. Die Radiofrequenzen werden für Lock-in-Geschichten gebraucht. Da reicht es, wenn es irgendwie moduliert.

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Du meinst, ein einfacher 7810 wäre überfordert? Ich hätte jetzt darauf vertraut, dass zum Beispiel KA7810A ausdrücklich für 1A Dauerstrom spezifiziert ist.

Hmm. Je niedriger die Versorgungsspannung, um so kleiner müssen die Referenz-Widerstände sein, um so kleiner ist die Spannung die das Fehlersignal der Regelung darstellt.

Es gibt übrigens das Konzept, dass die Versorgungsspannung mit Poti interaktiv so eingestellt wird, dass die Laserdiode selbst bei voll offenem FET nur den spezifizierten Maximal-Strom bekommt. Die Einstellung erfolgt natürlich mit einem Last-Widerstand statt der wertvollen Diode. Auf diese Weise können irgendwelche Spannungsspitzen in der Treiberschaltung, oder ein versehentlich zu weit hoch gedrehtes Control-Signal nicht die Laserdiode töten. Es ist natürlich bei der ersten Inbetriebnahme etwas umständlich. Aber beim normalen Laserbetrieb kommt es mir einigermaßen narrensicher vor.

Klingt plausibel.

Hmm, das unterscheidet sich von der Schaltung der Australier, indem es einen Darlingten-Paar statt eines FETS verwendet und insgesamt deutlich kleinere Widerstände im Rückkoppel-Pfad des OP. Dass kleine Eingangswiderstände gut für das Spannungs-Rauschen sind und sich das wiederum über OP und Transistoren in ein niedriges Stromrauschen umsetzt, habe ich verstanden.

Etwas mysteriös kommt mir in Hinsicht Rsuschen der Unterschied zwischen FET und Bipolarem Transistor vor. Muss ich mir beim FET wirklich einen riesigen Widerstand an der Basis vorstellen, der entsprechend hohe Rausch-Spannungen abgibt?

Ich dachte mir, es wäre sinnvoll, Widerstände mit kleinem Temperaturkoefizienten auf ein einen großen Kühlkörper zu setzen. Eine Drift des Stroms im Stunden-Bereich, weil die Referenzwiderstände sich akklimatisieren wäre ärgelich.

Für die Stromanzeige wird es weg kalibriert. Der Strom muss auch nicht super genau gemessen werden.

Dazu muss ich mich noch schlau machen.

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Schlimmer: Ich habe beschlossen, damit auf die Dauer mein Geld zu verdienen. Also im wesentlichen Diodenlaser ohne große Kinderkrankheiten zu einem vernünftigen Preis. Auf der optomechanischen Seite bin ich mir sicher, einen "besseren" Laser bauen zu können, als es im Moment zu kaufen gibt. Da hilft die Erfahrung mit selbstentworfenen ECDLs für mein Heidelberg/Mainzer Projekt. Für die dazugehörigen Elektronik bin ich zwar nicht ganz ahnungslos, aber eben auch kein Experte.

^^^^^^^^^ Was mag der Grund für diese vier Dioden sein? Das scheint eine Art Spannungsbegrenzung für die Basis des Transistors zu sein.

Ich hatte mal mit einer Modulationsplatine von Toptica zu tun, die war deutlich komplizierter, z.B. mit schnellem OP. Den Grund dafür hatte ich nicht wirklich verstanden. Rein praktisch ergab sich das Problem, dass in der Schutzplatine des Lasers eine mittelgroße Kapazität die Modulationsbemühungen teilweise neutralisiert hat und vor allem eine fiese Phasenverschiebung bewirkt hat. Das war etwas störend, weil der Laser über diesen Eingang geregelt werden sollte. Ohne die Kapazität hat es dann halbwegs vernünftig funktioniert.

Jupp. Been there, done that :-)

Ich werde Schaltplan&Co öffentlich halten. Schließlich ist das meiste nicht neu erfunden, sondern ebenfalls aus öffentlich zugänglichen Quellen übernommen. Von der üblichen Geheimhaltung halte ich nicht viel.

:-) Mit dem OEM-Modul habe ich auch mal angefangen. Damals war der Hersteller allerdings noch eigenständig und hat unter dem Namen Profile verkauft. Der Treiber war so lange ok, wie ich nicht genau auf die Laserlinie geschaut habe. Es zeigte nämlich nicht zu vernachlässigende Störungen im Strom. Die Laserlinie verbreitete auf mehr als ein MHz. Die Lösung war dann die "ultra-low-noise" Version des höherwertigen Stromtreibers vom gleichen Hersteller. Bei Thorlabs heißt das jetzt LDC201U. Damit stand dann die Laserlinie erheblich stabiler und mit einerm Beat-Experiment ergab sich für einen Littmann-Aufbau eine Linienbreite von lediglich 50 kHz. Das ist verträglich mit dem theoretisch zu erwartenden Wert bei rauschfreiem Strom.

Nun, in diesen Bereich möchte ich mit meinem Lasertreiber auch hin ;-)

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Hallo Kai-Martin,

Drain-Source Kapazitaet. Drain-Gate spielt auch eine Rolle.

Dann kann man nur hoffen, dass dadurch die Regelschleife fuer den Betriebsstrom nicht instabil wird. Sonst bzzzzt ... $$$.

Die fliessen hier aber nur in die Versorgungsleitung. Allerdings sind HF-taugliche pnp Varianten selten und oft schwer beschaffbar.

Hallo Kai-Martin,

Dann muessen die Schaltungen fast narrensicher werden, sonst erstickt man in Garantieanspruechen.

Ja. Allerdings sieht das angesichts des FET dahinter etwas, ahem, amateurmaessig aus. Die Schwellen bei FETs streuen meist um mehr als 1V.

So etwas macht man i.d.R. mit einer gesteuerten Stromsenke.

Wahrscheinlich alles sehr teuer.

Im Laser Bereich ist es wichtig, sich einen Namen zu machen. Ausser ueber gute Preise geht das recht gut, wenn man ein Produkt anbietet, bei dem einem kein anderer Hersteller das Wasser reichen kann. Und wenn es nur fuer einen Nischenmarkt ist.

Ich dachte an die ganze Schaltung die von 12V auf 2V 1A leitet und dabei 10 Watt verheizt. An sich fast Job für Schaltregler, aber der ist eben nicht rausscharm.

Weniger Rauschen geht meist in Richtung weniger ohmscher Widerstand und niederige Temperatur und weniger Bandbreite.

Es gibt sein 1973 das Standardwerk Motchenbacher, Fitchen "Low-Noise Electronic Design" Bei

Von den Application Notes der Hersteller ist AN519 von Harris gut:

Die Anforderungen an den OP steigen. Andererseits ist es für Stabilität des OP in Composite-Schaltung mit folgendem Transistor für Stabilität oft günstig wenn er verstärken muß. Bei unity-gain wäre er leichter instabil. Der Spannungsregler hat den Nebeneffekt, daß man in den Eingangsbereich üblicher Bipolar-OPs kommt. Man kann natürlich JFet-Ops wie TL081, LF356 nehmen die Eingangsbereich an positiver Versorgung haben, dass sind aber nicht typische low-noise Typen.

Wie ja schon von Joerg angemerkt: der Fet ist kapazitiv. Ein P-Fet bei 5V Versorgung bräuchte auch negative Versorgungsspannung damit man seine 7V zusammenbekommt. Der andere Punkt ist, daß Bipolartransistoren in Schleife weniger zu Instabilität neigen als Fets. Das wäre die Ugs vs Id Kennlinie eines idealen, nichtexistenten "linear-Fets":

| / | / | / |/ -------

Strom würde also linear mit der Spannung steigen. Das ist Realität und Traum der "Schalt-Fet-Hersteller":

| ------ 4,5V || || || -------

Kommt sofort möglichst steil und bei 4,5V kann er beliebig viele Ampere und wird dann als logic-Level Fet verkauft. Betont nichtlineare Bauteile vereinfachen Linearschaltungen nicht.

Manche Hochlastwiderstände sind Drahtwiderstände die etwas induktiv sind und deshalb als Emitterwiderstände gefürchtet.

Da kann ich auch keine Hoffungen machen: wenn die Watt auf der Leiterplatte verheizt werden hat man Thermospannungen und damit Effekte die wie sehr tieffrequentes Rauschen aussehen. Würde man allerdings z.B. einen Lüfter einbauen kann das noch schlimmer werden.

Foldback ist schlicht, daß ein anderer OP den Stromwiderstand auf Überstrom überwacht und bei Überschreitung den Haupt-OP zwangsweise rückregelt. Das Problem ist, daß man, wenn man es zu "digital" baut, man beim Auslösen dauerndes Hin- und Herschalten zwischen beiden Betriebszuständen hat.

MfG JRD

Hallo Kai-Martin,

Haengt von der Impedanz der Ansteuerung (Quelle) ab. In HF Anwendungen wie z.B. Front-Ends von Ultraschallgeraeten entscheiden wir uns zwischen FET und Bipolar meist aufgrund von kaufmaennischen Gesichtspunkten. Preis, Beschaffbarkeit, 2nd Sources usw.

Jupp. Damals etwa 2000DM, jetzt 935EUR Wenn es das Problem löst, werden in der Wissenschaft Apothekenpreise bezahlt.

Ich gebe zu, das ist mein Ziel... Habe lange genug mit dem aktuell erhältlichen gearbeitet, um die Ecken zu kennen, bei denen mit vernünftigem Aufwand echte Verbesserungen mölich sind.

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Zur Klarstellung: Das gilt nicht für den elektronischen Bereich. Da möchte ich "nur" so gut werden, wie die Profile-Geräte.

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Moin!

Da hab ich auch noch einen:

Winfield Hill, 27 Feb. 1997, sci.electronics.design

| But for laser diodes, I'd consider an opamp with a darlington | bipolar power transistor, rather than any FET. [...] | The customary way to get component redundancy in current | sources is to place two current-limiting circuits in series. | One will always be saturated. | Again I warn, stay away from FETs for such an application, | because the saturated pass-element's control circuit will be | sitting at full drive and supply an overcurrent until it slews | down to the proper level when called upon. This may take only | a few microseconds, but ...

Also: Wird die Verbindung zur Diode kurzzeitig unterbrochen, oder spricht eine Überstrom-Schutzschaltung in Serie an, dreht der Opamp voll auf. Treibt er einen Bipolartransistor mit genügend kleinem Basisvorwiderstand, geht der Opamp-Ausgang in die Strombegrenzung. Treibt er einen FET, geht der Opamp-Ausgang in die Spannungssättigung. Aus letzterer kommt er langsamer wieder raus.

Gruß, Michael.