Sie sind hier : Startseite →  Hifi Wissen und Technik→  (2) Die Quellen / Geräte→  Der CD-, SACD-, DVD-Spieler→  Grundlagen aus der Praxis

Ein Fachmann hat es in 2003 mal genauer formuliert

In der Zeitschrift "Photonik" hat Dipl.-Ing. Malzahn aus Bodenheim bei Mainz im Jahr 2003 die Eckpunkte des Betriebs und der Dimensionierung von (unseren) Laser-Dioden umrissen. In diesem Artikel findet man ein paar wenige aber besonders wichtige Grenzen der Laser-Diode, die die CD-Player Entwickler - zumindest bei Philips und bei SONY - sicher auch gekannt haben "müssten" - auch bereits um 1982, als überall die ersten CD-Player entwickelt wurden. Indirekt betrifft es vor allem die begrenzte Lebensdauer der Laser-Dioden.

.

Grundlagen der Laserdiodenansteuerung
Laserdioden verstehen und sicher ansteuern

Bild 1: Laserdiode, schematisch
Bild 2: Ausgangsleistung als Funktion des Eingangsstroms für 2 verschiedene Diodentemperaturen
Strom-Leistungsklennlinie 1
Strom-Leistungsklennlinie 2

Uwe Malzahn, IC-Haus GmbH, Bodenheim im Jahr 2003

Die Grundregeln der Ansteuerung

Die Ansteuerung von Laserdioden ist kein „Hexenwerk“, wenn man sich dabei an ein paar Grundregeln hält, die sich im wesentlichen aus den Eigenschaften der Laserdiode ergeben.

Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Laserdiode mit ihren verschiedenen Halbleiterschichten. Die Kantenlänge beträgt nur einige 100µm. Das Laserlicht entsteht in der nur wenige nm (Nanometer) dicken „aktiven Zone“ und tritt an der halbverspiegelten Stirnfläche aus (Pfeil).

Die Spiegel an den Stirnflächen des „Laserwürfels“ sorgen für eine stehende Lichtwelle in der aktiven Zone (optischer Resonator nach Fabry-Perot). Dies ermöglicht erst die induzierte Emission und somit die „Lichtverstärkung“, den eigentlichen Laser-Effekt.

Unterhalb des Schwellstroms emittiert die Laserdiode lediglich LED-Licht (spontane Emission). Ab der Schwellstromstärke beginnt die Diode Laserlicht zu erzeugen. Oberhalb des Schwellstroms steigt die optische Ausgangsleistung sehr stark mit wachsendem Diodenstrom an (hoher differentieller Wirkungsgrad). Der Zusammenhang zwischen optischer Ausgangsleistung und Diodenstrom ist bis zur Maximalleistung (CW oder Pulsbetrieb) linear (Bild 2).

1 Vorsichtsmaßnahmen

Die vom Hersteller angegebene maximale Ausgangsleistung darf auf gar keinen Fall überschritten werden. Überstrom oder Überspannung, selbst für kurze Zeit, können eine Schädigung oder gar den Totalausfall der Laserdiode verursachen.

Die Einstellung der Ausgangsleistung muss auf jeden Fall mit Hilfe eines optischen Leistungsmessgerätes oder einer kalibrierten großflächigen Photodiode erfolgen.

Aufgrund der großen Toleranzen bzw. Exemplarstreuungen der Laserdioden reicht es nicht aus, den Laserstrom entsprechend den Angaben im Datenblatt des Herstellers einzustellen.

Schon bei kurzzeitiger Überlastung tritt meist eine Schädigung der Spiegel ein, erkennbar durch ein „fleckiges“ Strahlbild und eine deutlich gestiegene Stromaufnahme bei gleicher Ausgangsleistung.

Laserdioden sind ebenfalls extrem empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD = Electro-Static Discharge). Daher sind die von den Laserdiodenherstellern bei der Handhabung empfohlenen Erdungs-Armbänder und eine geerdete Arbeitsunterlage im Labor nicht übertrieben.

2 Temperaturverhalten

Ein oft vernachlässigter aber entscheidender Effekt ist der Einfluss der Temperatur auf den Zusammenhang zwischen optischer Ausgangsleistung und Laserdiodenstrom (Bild 2). Mit steigender Temperatur erhöht sich der Schwellstrom. Die optische Ausgangsleistung und der differentielle Wirkungsgrad hingegen sinken. Eine geregelte Ansteuerschaltung sollte daher eine Begrenzung oder Sicherheitsabschaltung besitzen, da sonst eine Temperaturänderung über einen weiten Bereich zur Zerstörung der Laserdiode führen könnte.

3 Ansteuerung

Für Ansteuerschaltungen von Laserdioden braucht man sehr gut gesiebte Netzteile, die Störquellen wie induktive Lasten möglichst gut abblocken. Der Batteriebetrieb ist hier deutlich unkritischer. Einkopplungen können generell durch kurze Verbindungen speziell zwischen Laserdiode und Treiberschaltung verringert werden.

Wichtig ist, dass Laserdioden immer mit einem geregelten Treiber angesteuert werden; entweder im

  1. Konstantstrom- (ACC = Automatic Current Control) oder
  2. Konstantleistungsbetrieb (APC = Automatic Power Control).


Ein Standardlabornetzteil ist nicht dazu geeignet, Laserdioden direkt zu betreiben!

Integrierte Ansteuerschaltungen sind diskreten Lösungen vorzuziehen. Die erhältlichen Lasertreiber-ICs bieten eine große Funktionalität und eine Vielzahl von Schutzmechanismen für die Laserdiode und benötigen nur wenige zusätzliche Bauelemente. Die Arbeitspunkteinstellung ist meist ganz einfach über einen Trimmer möglich. [1]
.

3.1 ACC (Automatic Current Control) - Stromsteuerung

Die Wellenlänge von Laserdioden variiert mit der Temperatur. Bei einer typischen GaAlAs-Diode sind das etwa 0,25 nm/°C. Dabei steigt die Wellenlänge nur jeweils in kleinen Bereichen monoton mit der Temperatur an, dazwischen kommt es zu treppenartigen Sprüngen, den Moden-Sprüngen (Mode Hopping).

Im Konstantstrombetrieb mit präziser Temperaturregelung der Laserdiode erzielt man daher die beste Stabilität der optischen Ausgangsleistung. Wegen des oben beschriebenen Temperaturverhaltens ist der Konstantstrombetrieb ohne Temperaturregelung nicht zu empfehlen; die Ausgangsleistung wäre nicht konstant und könnte leicht den Grenzwert überschreiten.

3.2 APC (Automatic Power Control) - Leistungssteuerung

In Industrieapplikationen wie Lichtschranken oder Abstandssensoren, in denen die Umgebungstemperatur variiert, bevorzugt man der Einfachheit halber meist APC.

Typische Treiberschaltungen mit APC beinhalten außerdem einen weichen Anlauf und filtern Spannungsspitzen, Überspannung und andere Transienten heraus. [1] Die Leistungsregelung stellt auf einfache Weise eine konstante Ausgangsleistung sicher.

Ohne Temperaturregelung kann es jedoch nach wie vor zur Verschiebung der Wellenlänge und zu Modensprüngen kommen. Selbst in Applikationen, in denen dies unkritisch ist, muss auf ausreichende Wärmeabfuhr geachtet werden.

Ansonsten sinkt mit steigender Temperatur (z.B. Eigenerwärmung) der Wirkungsgrad der Laserdiode, was die Regelschaltung durch immer höheren Laserstrom ausgleicht, um die Ausgangsleistung konstant zu halten. Ohne eine Strombegrenzung oder Sicherheitsabschaltung droht hier sonst eine Schädigung oder Zerstörung der Laserdiode.

Die im Laserdiodengehäuse integrierte Monitordiode

Bild 3: Laserdiodenkonfigurationen für N-, P-, M-Typ-Dioden
Bild 4: Ansteuerprinzipien je nach Laserdiodenkonfiguration

Die für die APC benötigte Messgröße proportional zur optischen Ausgangsleistung liefert im allgemeinen eine im Laserdiodengehäuse integrierte Monitordiode (MD).

Laserdioden mit integrierter Monitordiode für APC gibt es in drei verschiedenen Anschlussvarianten (Bild 3). Der gemeinsamer Anschluss ist gleichzeitig mit dem Laserdiodengehäuse verbunden, welches, auch aus wärmetechnischen Gründen, meist elektrisch und thermisch leitend in das Gerätegehäuse (GND-Potenzial) eingebaut wird.

  • Anmerkung : Der Laie sieht an diesen System-Schaubildern, daß die Sende- Diode bereits im eigenen Gehäuse einen ganz kleinen Teil ihrer Sende- Energie zu der Monitor- Diode "rüber" leitet. Die Monitor- Diode bekommt also "hautnah" mit, mit welcher Gesamt-Sendeleistung aktuell gesendet wird und "wäre" damit das Maß aller Dinge (für die elektronische Regelung der Leistung).


Aber : Die eingebaute Monitordiode macht die externe Leistungsmessung nicht überflüssig: Durch Exemplarstreuungen kann der Monitordiodenstrom bei gleicher Ausgangsleistung um den Faktor 10 variieren.

Diese Konfigurationsvarianten müssen bei der Auswahl der Ansteuerschaltung berücksichtigt werden. Bild 4 zeigt die entsprechenden Ansteuerprinzipien, wenn das Laserdiodengehäuse auf GND liegen soll.

Die N-Typ-Diode benötigt dabei einen Ausgangstreiber aus einer negativen Versorgungsspannung und auch einen minusbezogenen Monitorstromeingang.

Die P-Typ-Diode benötigt entsprechend einen Ausgangstreiber aus einer positiven Versorgungsspannung mit einem plusbezogenen Monitoreingang.

Die M-Typ-Dioden benötigt eine duale Versorgung mit dem Treiberausgang aus Plus und einem minusbezogenen Monitor-Stromeingang. Streng genommen benötigt jede der drei Anschlussvarianten eine eigene optimierte Treiberkonfiguration. Einige Treiberbausteine erlauben aber, zwei oder durch einen zweiten komplementären Monitoreingang alle drei Diodenvarianten auch ohne duale Versorgungsspannung anzusteuern. Dabei gilt die Einschränkung, dass das Laserdiodengehäuse nicht in jedem Fall auf GND-Potenzial gelegt werden kann. [1]

4 Kühlung

In den meisten Anwendungen, speziell CW-Betrieb, ist ein Kühlkörper für die Laserdiode unerlässlich, um einen zu starken Anstieg der Chip-Temperatur und damit eine Schädigung oder Zerstörung der Laserdiode zu verhindern (s. o.). Generell verlängert eine niedrigere Betriebstemperatur die Lebenserwartung der Diode. Mit einer Reduzierung der Betriebstemperatur um etwa 10°C wird sich die Lebensdauer der Laserdiode - statistisch gesehen - verdoppeln.

5 Fehlerbehandlung

Selbst bei Ansteuerung der Laserdiode durch einen geeigneten integrierten Treiber ist stets auf einen sorgfältigen Aufbau zu achten. Ohne Sicherheitsabschaltung oder Strombegrenzung im Treiberbaustein kann eine Leitungsunterbrechung z.B. im Monitorpfad zur Zerstörung der Laserdiode durch Überstrom führen.

Beim Einsatz eines Trimmers zur Leistungs- oder Stromeinstellung sind bei der Schaltungsauslegung die möglichen Fehlerbilder des Trimmers zu berücksichtigen (kein Kontakt des Schleifers, Kurzschluss, etc.). Die Verbindung zwischen Treiber und Laserdiode darf auf keinen Fall über einen Schalter oder ein Relais unterbrochen werden. Zum schaltspitzenfreien Ein- und Ausschalten bzw. Pulsen der Laserdiode bieten die verschiedenen Treiberbausteine entsprechende Funktionalität [1].

6 Zusammenfassung

Für eine maximale Lebensdauer und stabilen Betrieb von Laserdioden benötigt man entweder eine Kombination aus Konstantstrom- und Temperaturregelung oder alternativ eine Leistungsregelung. Dabei ist stets zu beachten, dass jenseits des Schwellstromes schon kleine Stromerhöhungen erhebliche Ausgangsleistungserhöhungen bewirken und dabei sehr schnell der Grenzwert der optischen Ausgangsleistung überschritten werden kann. Kühlmaßnahmen sind sowohl im ACC- als auch im APC-Modus entscheidend für den stabilen Betrieb und für eine lange Lebensdauer der Laserdiode.

Über den Autor und unsere Fragen .......

Dipl.-Ing. Uwe Malzahn - iC-Haus GmbH - D-55294 Bodenheim

Dipl.-Ing. Uwe Malzahn studierte an der TU-Darmstadt Elektrotechnik, Fachrichtung Festkörperelektronik. 1991 trat er bei iC-Haus ein als ASiC-Entwickler und Designer von Mixed-Signal-Bipolar- und CMOS-ASiCs. Im ASSP-Vertrieb und -Marketing ist er seit 2000 auch für die Applikationsbetreuung, speziell von Laserdiodentreibern, zuständig.

Gesammelte und vor allem "unsortierte" Fragen (die sich stellenden Fragen werden fortlaufend erweitert) :
.

  1. Unterschied zwischen Laser-Rohr und Laser-Diode in den Feinheiten des Laser-Strahls insbesondere bezüglich der Streuung des Strahls
  2. Trägt eine grundsätzliche Strombegrenzung zur verbesserten (Über-)Lebensdauer bei ?
  3. Warum nimmt man nicht gleich eine doppelt so starke Laser-Diode wie benötigt und betreibt sie bei der Hälfte der Strahl-Leistung ?
  4. Wo werden beim CD-Spieler in der APC-ACC Steuerung die Grenzwerte gespeichert ?
  5. Wo tritt die Leistungsminderung bei der Alterung auf, an der Lichtquelle oder den beiden Spiegeln ?
  6. Wo findet man technische Daten über die 1985 verbauten Laser-Dioden samt Äquivalenz-Typen?
  7. Ist das Laser-Licht der laser-Diode bereits polarisiert  oder wird das erst später mit den Prismen gemacht ?
  8. Welche erschwinglichen Strahlungs-Energie- Meßgeräte gibt es noch ?
  9. Welche Parameter wurden bei der Montage der Laser-Diode in das Gehäuse des Strahlsystems benötigt bzw. beachtet ?
  10. Sind die Dioden-Gehäuse oder Bauformen standardisiert ?
  11. Ist der Streu-Winkel (oder Strahlungswinkel) einer Laserdiode für den Austausch / Ersatz ein Kriterium ?
  12. Wäre demnach der Abstand der Front-Fläche der Laser-Diode zur ersten Linse der Parallelisier-Optik in wichtiges Maß ?
  13. Wie groß ist die qualitative Streuung der Laser-Dioden- Qualitäten bezüglich Strom und Lichtleistung ?
  14. Gibt es Literatur über die (Massen-) Produktion bzw. Justage von Laser-Einheiten für CD-Laufwerke bzw. AUDIO-CD-Spieler oder auch Computer-CD/DVD- Laufwerke ?

.

- Werbung Dezent -
Zurück zur Startseite © 2007/2020 - Deutsches Hifi-Museum Wiesbaden - Copyright by Dipl. Ing. Gert Redlich - DSGVO - Privatsphäre - Zum Telefon der Redaktion - Zum Flohmarkt
Bitte einfach nur lächeln: Diese Seiten sind garantiert RDE / IPW zertifiziert und für Leser von 5 bis 108 Jahren freigegeben - kostenlos natürlich.

Privatsphäre : Auf unseren Seiten werden keine Informationen an google, twitter, facebook oder andere US-Konzerne weitergegeben.