¿Por qué una fuente de alimentación de laboratorio no es adecuada para controlar un diodo láser directamente?

La sección "No es una opción" dice:

Es importante que los láseres de diodo siempre tengan un controlador regulado en la operación de control automático de corriente o de control automático de potencia. Una fuente de alimentación de laboratorio estándar no es adecuada para controlarlos directamente.

Ha hecho referencia a la segunda oración que establece que "una fuente de alimentación de laboratorio no es adecuada". La oración anterior dice que una fuente de alimentación con control de corriente automático es adecuada, pero insinúa que no es ideal.

Figura 1. Un extracto de la hoja de datos U-LD-650543A elegida al azar que muestra las curvas de potencia versus corriente directa a varias temperaturas.

Podemos ver que, para este diodo láser, a corriente constante, digamos 15 mA, la potencia de salida caerá de aproximadamente 2,5 mW a 1 mW a medida que la temperatura aumente de 25 °C a 40 °C. Esto protegerá el diodo a expensas de la variación en la potencia de salida a medida que varía la temperatura, por lo que al menos salvará el láser, pero es posible que su aplicación no funcione de manera confiable.

En resumen, una fuente de alimentación de laboratorio de tensión limitada no podría proteger el láser, una fuente de alimentación de corriente limitada lo protegerá pero no proporcionará una potencia constante y una PSU de potencia regulada proporcionará un rendimiento óptimo.

Su artículo vinculado continúa diciendo (en "Buscando poder constante"):

El control de potencia automático emplea un diodo monitor integrado en el paquete láser para la retroalimentación. Los láseres con diodos monitores integrados están disponibles en tres configuraciones, todas con el terminal común conectado a su carcasa, que a menudo está conectada eléctricamente a tierra. La salida de un diodo monitor integrado no es adecuada para la calibración. A una potencia de salida determinada, la corriente del monitor puede variar en un factor de 10 de un láser a otro.

Entonces, la mejor manera de controlar el láser es monitorear la salida de potencia óptica usando un fotodiodo incorporado. Hay tres arreglos comunes.

Figura 2. Tres arreglos de diodos de monitoreo diferentes. LD = diodo láser. MD = diodo de monitoreo. Fuente: conducción de láseres de diodo: un procedimiento sencillo (enlace de OP).

El esquema de la Figura 2 muestra cada uno de los tres arreglos. Tenga en cuenta que en cada caso, el LD tiene polarización directa y el MD tiene polarización inversa, como es normal en las aplicaciones de fotodiodos. El voltaje a través del MD aumentará con el aumento de los niveles de luz incidente. El amplificador operacional monitorea este voltaje y, a medida que aumenta (lo que indica un aumento de la potencia del láser), reducirá el impulso al transistor LD. El circuito se estabilizará en el nivel de potencia de salida diseñado.

Las tres opciones que se muestran son:

1. Tipo P: el ánodo MD y el cátodo LD comparten el terminal común. El terminal común del paquete está conectado al riel inferior de un suministro de un solo riel.
2. Tipo N: el cátodo MD y el ánodo LD comparten el terminal común. El terminal común del paquete está conectado al riel superior de un suministro de un solo riel.
3. Tipo M (mixto): los cátodos comparten un terminal común. Esta opción requiere un suministro de riel dividido.

El punto importante aquí es que el MD se utiliza para regular la potencia del LD.

Figura 3. El pinout U-LD-650543A.

El pinout de mi diodo láser elegido al azar muestra que es de tipo N. Observe una diferencia en la terminología: PD, fotodiodo, versus MD, diodo de monitoreo, en la Figura 2.

respuesta corta

La resistencia del diodo láser es altamente no lineal con varios modos de fuga térmica. Es por eso que se le recomienda no usar un limitador de corriente constante simple hasta que comprenda por qué no.

Debe usar un diodo de retroalimentación óptica (PD) interno con regulación de potencia fija inversa ESL baja. O diseñe uno que funcione (advertencia) o controle la temperatura del láser con un diodo directo unido (no está bien más lento... advertencia pero está bien para los LED)

¿como funciona? (para que entiendas por qué)

Considere un diodo láser con un umbral directo de < 1 V y una corriente directa nominal de, digamos, 1,2 con una resistencia diferencial inversamente relacionada con la potencia nominal. Una cavidad óptica es una forma de retroalimentación positiva con pérdidas y cuando se alcanza el umbral de excitación para "lasing" pasa de un LED a un modo resonante LASER ("amplificación de luz por emisión estimulada de radiación")

La corriente de láser ahora salta a aproximadamente 10 veces si se regula, así como una potencia un poco más que esto y aún así, tiene una resistencia diferencial positiva que es un coeficiente de temperatura positivo (PTC) de R vs Temp. lo que lleva a más potencia y fuga térmica. Si la temperatura de la unión aumenta en milisegundos debido a la mala resistencia del disipador térmico y al suministro de corriente suficiente a algún voltaje, tiene un diodo láser quemado.

Mientras tanto, el voltaje de umbral de unión podría tener una característica PTC o NTC según el tipo. Considere un coeficiente de temperatura negativo (NTC). Esto se define por el efecto Schockley y depende de la química, los gradientes de temperatura en la unión y otras cosas como el factor de idealidad del diodo. Digamos que reduce el voltaje de umbral de saturación del diodo Vt, 100mV por cada 100'C de aumento en la corriente o -1mV/'C. Supongo que sabe que todos los diodos basados ​​​​en el factor de idealidad tienen una constante Vt vs log (If) y cuando esa pendiente comienza a caer (en una cantidad definida) comienza a saturarse y operar solo como un LED tenue y el tamaño de el chip (que es un factor en la clasificación de potencia) controla la resistencia diferencial a granel de la interfaz de cristal/electrodo (similar a ESR pero no del todo) Esta es la parte que también tiene el PTC mientras que el diodo de cristal tiene el NTC. Entonces, si tenía una corriente de fuente de voltaje limitada y la serie R una caída en Vf o Vt, la serie R ahora tiene más caída de voltaje para aumentar la corriente, lo que resulta en una posible fuga térmica con la resistencia a granel también aumentando.

Entonces, ¿cuál es la mejor práctica?

Entonces, si tiene un diodo pequeño con polarización inversa para captar un reflejo interno y una salida adicional para este sensor, puede detectar la corriente de emisión de luz * R = Voltaje en xxx mV para usar como retroalimentación para una regulación de corriente ESL baja y estricta de su láser .

Luego, calcula su resistencia térmica Caso a Ambiente para garantizar que el aumento de la temperatura de la unión se minimice en el diseño porque los diodos láser pueden durar 1000 horas al máximo en el rango de 1 ~ 10 W porque la Ley Arhennius en Química dice que la tasa de envejecimiento del material se duplica aproximadamente cada 10 grado 'C. Por lo tanto, desea mantenerlo lo más frío posible con métodos de disipador de calor similares a los de la CPU. De lo contrario, tiene un puntero desechable de corta duración.

Ahora solo mencionaré que si la temperatura de la unión Tj aumenta demasiado rápido para que su sistema de control responda o demasiado caliente, un salto de modo de frecuencia puede reducir la eficacia y ahora su nivel de fotodiodo de retroalimentación cae y su retroalimentación intenta generar aún más corriente y puf otro diodo láser quemado (a menos que detecte/regule lo anterior intencionalmente).

Si está familiarizado con los osciladores de retroalimentación positiva o cómo la retroalimentación negativa con demasiado retraso da como resultado controles inestables o sobreimpulsos, entonces apreciará la siguiente broma .

El acrónimo LOSER, por "oscilación de luz por emisión estimulada de radiación", habría sido más correcto.

Si lee los detalles finos en ese sitio web, afirma que la retroalimentación y la regulación de la temperatura son más importantes que la regulación actual.

Para una corriente limitada dada, el diodo láser se calienta y puede tener cambios sutiles en las longitudes de onda que provocan un aumento en la temperatura del diodo.

Una fuente de alimentación de sobremesa tiene regulación de corriente y voltaje, pero no puede detectar la temperatura del diodo láser y hacer retroceder la corriente si el diodo láser se calienta. Se supone que la fuente de alimentación tiene una CC bien filtrada con abundante fuente de corriente.

Necesita un suministro de láser de buena fe que incluya detección de temperatura del láser para que pueda reducir la corriente de accionamiento permitida. Una fuente de alimentación de sobremesa convencional hará que el láser funcione, pero el láser puede quemarse en cuestión de minutos.

Una cita de ese sitio, más su URL.

Un factor que a menudo se pasa por alto en el manejo de los láseres de diodo es la influencia de la temperatura en la relación entre la potencia de salida óptica y la corriente de funcionamiento. Mientras que el umbral de corriente aumenta con la temperatura, la potencia de salida óptica y la eficiencia diferencial disminuyen. Por lo tanto, el circuito controlador debe tener una característica de seguridad que asegure que un aumento significativo de la temperatura no destruya el láser.

Enlace al artículo sobre láser