Как подключить лазерный диод, схема. Собираем карманный лазер

По сравнению со светом обычных светодиодов лазерный свет имеет высокую концентрацию, он имеет более узкий угол обзора. Для подключения лазерного диода к электронной цепи понадобится специальная схема, называемая драйвером лазерного диода. В данном материале будет показано, как самостоятельно собрать простой драйвер лазерного диода на основе LM317.

Драйвер лазерного диода – это схема, которая используется для ограничения тока и затем подачи его на лазерный диод, чтобы он работал должным образом. Если мы напрямую подключим его к источнику питания, из-за потребности в большем токе он может не заработать или даже привести к некоторым повреждениям цепи.

Если ток будет небольшим, лазерный светодиод не будет работать из-за отсутствия достаточной мощности для включения. Таким образом, необходима схема драйвера для обеспечения правильного значения тока, при котором лазерный диод перейдет в рабочее состояние. Простому светодиоду нужен только резистор для ограничения тока, но в случае с лазерным диодом нам нужна правильная схема для ограничения и регулирования тока. Для регулирования мощности в цепи драйвера лазерного диода можно использовать LM317.

Трехвыводная микросхема LM317 представляет собой стабилизатор напряжения. На своем выходе он может выдавать от 1.25 до 37 вольт. Внешний вид LM317 с подписанными выводами представлен на изображении ниже.

LM317 является регулируемым стабилизатором, иными словами можно изменять значение напряжения на выходе в зависимости от потребностей, используя два внешних резистора, подключенных к линии регулировки (Adjust). Эти два резистора работают как цепь делителя напряжения, используемая для увеличения или уменьшения выходного напряжения. LM317 обеспечивает ограничение тока и защиту от тепловой перегрузки.

Схема драйвера лазерного диода на основе стабилизатора напряжения LM317 показана на рисунке ниже.

Ее довольно быстро можно собрать на макетной плате.

Работает схема следующим образом. Когда батарея начинает подавать напряжение, оно сначала протекает через керамический конденсатор (0.1 мкФ). Этот конденсатор используется для фильтрации высокочастотного шума от нашего источника постоянного тока и обеспечивает входной сигнал для LM317. Потенциометр (10 КОм) и резистор (330 Ом), подключенные к линии регулировки, используются в качестве схемы ограничения напряжения. Выходное напряжение полностью зависит от значения этого резистора и потенциометра. Выходное напряжение стабилизатора попадает на фильтр второго конденсатора (1 мкФ). Этот конденсатор ведет себя как балансировщик мощности для фильтрации флуктуирующих сигналов. В итоге можно регулировать интенсивность лазерного излучения, вращая ручку потенциометра.

Чтобы ЛД прослужил долго, ему необходимы стабильные параметры питающего напряжения и/или тока. Именно эти задачи возлагаются на специальную схему — драйвер лазерного диода. Все лазерные диоды рекомендуется питать стабилизированным током, хотя некоторые из них (В частности, красные 650нм из дисководов) ведут себя достаточно стабильно и при питании стабильным напряжением. Вы спросите, зачем применять какие-то стабилизаторы напряжения, если можно просто стабилизировать ток? Дело в том, что стабилизаторы тока немного сложнее стабализаторов напряжения. Например, из-за наличия «датчика тока»(о нем речь пойдет чуть ниже). Также при отстутствии нагрузки и защит по превышению напряжения(что опять-таки ведет к усложнению), на выходе такого драйвера напряжение может достигать больших значений (У идеального стабилизатора тока при отстутствии нагрузки напряжение поднялось бы до бесконечности. Но т.к. воздух имеет некоторое сопротивление, рано или поздно возник бы высоковольтный разряд и продолжил бы гореть, а на практике ничего идеального не существует, и раньше возникновения пробоя воздуха случается выход схемы из строя, или в случае невозможности поднятия напряжения выше входного, как в случае линейных схем, оно останавливается на определенном уровне. Но даже в этом случае диод нельзя подключать к работающему драйверу). Из основной выполняемой функции вытекает необходимость применения т.н. «датчика тока». Как правило, им является включенный в разрыв между лазерным диодом и общим проводом низкоомный резистор. Поддерживая напряжение на нем, схема поддерживает ток. Такое решение обладает некоторыми недостатками — обычно минус питания диода оказывается «оторван» от минуса питания схемы. Второй недостаток — потери мощности на токоизмерительном резисторе. В следствии вышеизложенного обычно находят компромисс между стабилизацией тока и напряжения.

Классификация по принципу работы

Теперь рассмотрим два основных типа драйверов при классификации по принципу работы — импульсные и линейные. На вход линейным подается всегда большее напряжение, чем нужно диоду. Разница напряжений тут будет гаситься на силовом элементе — транзиcторе — будет выделяться в виде тепла (Выделяемая тепловая мощность — разница входного и выходного напряжений умноженная на ток в цепи). Естественно, ток на диоде будет уменьшаться при падении входного напряжения ниже значения, равного сумме напряжений на ЛД, минимальномм падением на транзисторе и токоизмерительном резисторе, если это стабилизатор тока. Это касается и линейных интегральных микросхем-стабилизаторов. Для полевых транзисторов минимальное падение составляет десятые и сотые доли вольта, для биполярных — может достигать единиц вольт, обычно около 0.7в. КПД линейных драйверов мал и обычно его не измеряют. Импульсный драйвер лазерного диода — частный случай импульсного преобразователя напряжения. Они преобразуют одно напряжение в другое(есть как повышающие,так понижающие и понижающе-повышающие преобразователи), т.е. входная мощность примерно равна выходной: потери энергии в тепло в них малы — тепло выделяется из-за неидеальности компонентов, т.е. падения напряжения на полупроводниковых переходах силовых ключей и диодов.

Импульсные драйверы

Как же работает импульсный драйвер? Посмотрим на упрощенную схему повышающего преобразователя:

Про операционный усилитель и принцип его работы можно прочесть . Напряжение на резисторе R будет равно напряжению Vin, следовательно, ток, протекающий через ЛД, транзистор и токоизмерительный резистор будет равен отношению Vin к R при достаточном напряжении питания Vcc. Если подавать стабильное напряжение на Vin, то, следовательно ток в нагрузке тоже будет стабилен даже при изменении Vcc. Для этой цели обычно применяют либо слаботочный стабилизатор напряжения, либо стабилитрон, либо специальный источник опорного напряжения. Пример полноценной схемы: http://radiohlam.ru/raznoe/driver_svetodiodov_ou.htm

Пара слов о КПД

Как уже было сказано, КПД линейных драйверов мал и обычно его не измеряют. Рассмотрим измерение КПД импульсного драйвера. Все выглядит очень просто — измерить потребляемые и выходные токи и напряжения, посчитать КПД. Однако, как показывает практика, многие ошибаются уже на этом этапе. Самая частая ошибка новичков — измеряют ток и напряжение поочередно, не придавая значения тому факту, что при измерении тока мультиметром получаются ощутимые потери на проводах и на шунте, обладающих относительно большим сопротивлением. Это вносит значительную погрешность и в ток, и в напряжение (это происходит потому, что на входе драйвера напряжение будет меньше, чем до прибора, или на драйвере при неподключенном в разрыв цепи прибора, а т.к. драйвер импульсный, ток тоже будет отличаться).

Итак, чтобы правильно измерить параметры драйвера, нужно подключить его к источнику питания через низкоомный резистор, порядка 0.1Ом, такой же резистор включить последовательно с диодом. Далее следует все это включить и замерить напряжение на входе драйвера(после резистора), напряжение на резисторе, напряжение на диоде, напряжение на резисторе последовательно с диодом.Теперь найдем потребляемую драйвером мощность:
Pin=Uin * Ures/R,
где Uin- напряжение на входе драйвера, Ures — падение напряжения на резисторе, R — сопротивление резистора. Все напряжения в вольтах, сопротивление — в Омах. Теперь найдем выходную мощность:
Pout= (Uld + Ures)*Ures/R,
где Uld- напряжение на лазерном диоде, Ures — падение напряжения на резисторе, включенном последовательно с ЛД, R — сопротивление этого резистора. Теперь найдем КПД:
КПД= (Pout/Pin)*100%

Измерение тока через диод

Вернемся к измерению тока через диод. Если он питается от стабилизатора тока, достаточно включить в разрыв цепи между диодом и драйвером амперметр. Если же драйвер стабилизирует напряжение — то тут о токе можно судить лишь косвенно, именнов этом заключаетсяеще одначастая ошибка.
Нужно включить в разрыв цепи резистор как можно меньшего сопротивления, померить падение напряжения на нем и разделить на его сопротивление, но ток будет слегка занижен. Чем меньше взять сопротивление резистора — тем точнее результат. Точно можно измерить ток запомнив напряжение на ножках диода, запитав диод от стабилизатора или ограничителя тока и смотреть на ток в цепи, при котором будет то самое падение напряжения на диоде.

Some cookies are required for secure log-ins but others are optional for functional activities. Our data collection is used to improve our products and services. We recommend you accept our cookies to ensure you’re receiving the best performance and functionality our site can provide. For additional information you may view the . Read more about our .

The cookies we use can be categorized as follows:

Strictly Necessary Cookies: These are cookies that are required for the operation of analog.com or specific functionality offered. They either serve the sole purpose of carrying out network transmissions or are strictly necessary to provide an online service explicitly requested by you. Analytics/Performance Cookies: These cookies allow us to carry out web analytics or other forms of audience measuring such as recognizing and counting the number of visitors and seeing how visitors move around our website. This helps us to improve the way the website works, for example, by ensuring that users are easily finding what they are looking for. Functionality Cookies: These cookies are used to recognize you when you return to our website. This enables us to personalize our content for you, greet you by name and remember your preferences (for example, your choice of language or region). Loss of the information in these cookies may make our services less functional, but would not prevent the website from working. Targeting/Profiling Cookies: These cookies record your visit to our website and/or your use of the services, the pages you have visited and the links you have followed. We will use this information to make the website and the advertising displayed on it more relevant to your interests. We may also share this information with third parties for this purpose.

29-12-2013

Tai-Shan Liao, Тайвань

При чрезмерной мощности излучения даже кратковременное попадание в глаза луча лазерной указки может быть опасным для здоровья человека, как при прямом воздействии, так и при отражении от окружающих предметов. По этой причине в большинстве стран устанавливаются нормы безопасных уровней лазерного излучения, регламентирующие максимально допустимую мощность. В статье описывается драйвер лазерного диода, способный работать даже от 1.5-вольтовой батарейки, разряженной до напряжения 1 В. Драйвер снабжен надежной защитой на сдвоенном транзисторе, сводящей к минимуму вероятность выхода интенсивности излучения за установленные пределы.

На Рисунке 1 транзисторы Q 1 , Q 2 и Q 3 образуют составной элемент с отрицательным сопротивлением, значение которого приближенно выражается формулой

Током лазерного диода управляют транзисторы Q 5 и Q 6 . Встроенный фотодиод через транзистор Q 4 передает сигнал отрицательной обратной связи на базы Q 5 и Q 6 , стабилизируя интенсивность лазерного излучения. Пара транзисторов Q 5 и Q 6 включена последовательно в целях повышения безопасности. При пробое одного из транзисторов второй продолжит поддерживать излучение на безопасном уровне. Вероятность одновременного выхода из строя двух транзисторов несоизмеримо меньше, чем одного.

Замечание редактора EDN

Из-за разброса параметров лазера и фотодиода для установки необходимого уровня ограничения интенсивности излучения сопротивление резистора R 7 , возможно, придется подбирать.

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться .

• Неаккуратно публикует материал первоисточник. Транзисторы накиданы в рисунке как попало, на преднамеренную ошибку конечно не тянет, ибо разобраться не сложно.
• Q6 изображен npn, Q5 -ни как. В довесок транзистор 2N2907 на схеме, то прямой, то обратный....
• Спасибо всем, кто обратил внимание на ошибку. Исправлено
• Особо отметил бы тактичность Рафаила. Все мы люди, ошибаемся... Не ошибается, тот, кто ничего не делает. Просто еще свежи в памяти поучения по поводу одной недавней опечатки. Там нас "припечатали" по полной. Ну прям, ощущаешь себя опять в детском саде ("кто разбил чашку?") :) Поменьше снобизма, ребят, он еще никого не красил. Еще раз спасибо Рафаилу.
• Что-то я не понял - какой смысл так-уж беспокоиться о пробое транзисторов в цепи питания диода? С тем-же успехом излучение превысит нормы и при обрыве к-э в Q4, например, или в цепи фотодиода и R3. Все эти цепи не защищены и не дублированы. Вообще, не логичнее-ли встроить защиту по току потребления всей схемы?

1. Небольшое вступление.

Давным давно, на сайте лазерорг, была выложена интересная схемка драйвера питания синего лазерного диода. Выложил ее пользователь под ником ArtDen . За основу взят чип tps61030 от компании техас инструментс. (стоит около 150-250руб). На первый взгляд схема подкупает своей простотой, небольшим количеством обвески. Но это не совсем так. Одному Богу известно сколько этих чипо в было спалено. В итоге, после сбора, не все умудрялись стабильно запустить драйвер, как правило выгорала микросхема, а иногда даже и ЛД диоды отправлялись на тот свет.

2. Характеристики драйвера

Внимание! Этот драйвер нельзя включать без нагрузки или некачественно (без пайки) подключать к нагрузке! Такое включение убивает микросхему!

1.Диапазон входного напряжения зависит от ЛД (445 нм) для сини это 1.8...5В, для фиолета (405нм) - 1.8...5.5В.
2.Напряжение на выходе 5 вольт.
3.При запитке синего лд 1ватт ток на выходе 1.3а. (Снимали до 2а.) Ток регулируется резистором R2.
4.Ток потребляния 3-4а.
5.КПД 72-80%

3. Схема и детали

На рисунке 1 можем наблюдать схему драйвера. Большинство деталей можно легко найти на старых платах, а некоторые необходимо будет купить. Схема очень нежная, уж очень любит дохнуть. В ваших интересах не жечь микросхемы попусту, ибо чипы не дешевые.

Рис.2 Печатка. Автор Squork


Рис. 4 Сама микросхема, точкой показана нога 1.

Плановые детали, по возможности, лучше купить новые, что благоприятно скажется на работе драйвера. Критичные детали - позиции 1;2;6;8 При установке диода позиция №2 РЕЗИСТОР 22кОм НЕ НУЖЕН !

Список деталей в магаине чип-дип и цена в рублях на февраль 2014г.

1	TPS61030PWP-ADJ, DC-DC преобразователь повышающий, вход 1.8-5.5В, выход 1.8-5.5В/1А HTSSOP-16	150.00
2	1N4148, Диод 150мА 100В DO-35	1.50
3	Кер. чип. конд. 0603 X7R 1мкФ 16В 10%, GRM188R71C105KA12D	1.80
4	Кер.ЧИП конд. 0.01 мкФ Y5V 50В+80-20%0402, GRM155F51H103Z	1.10
5	Кер.ЧИП конд. 2.2мкФ,X5R,10% 10В 0603, GRM188R61A225K	4.10
6	TECAP, 220 мкФ, 10 В, тип D, 10%, Конденсатор танталовый SMD	32.00
7	0.25Вт 1206 10 кОм, 1%, Чип резистор (SMD)	0.90
8	B82464G4682M, 6.8 мкГн, 4.3 А, 10х10, Катушка индуктивности SMD

Для большей надежности я ставил вот такой дроссель .

TSL1112S-6R8M4R6, 6.8 мкГн, 4.6/6.1А, Катушка индуктивности

24.00

Эксперименты с деталями могут привести к тому, что микросхема просто задымится, или будет работать не стабильно.

4. Причины нестабильной работы и перегорания.

Разберем причины из за которых чип выходит из строя. Для их выявления мне пришлось сжечь не одну микруху.

Ты будешь арать как сука, когда почуешь этот пренеприятный горелый запах! =)

1. Подключение без нагрузки - 100% дохлая микросхема. Автор, впервые выложивший эту схему, предупреждает об этом, все же я тоже проверил =) Если и вы рискнете так подключить, услышите этот звык "ПЫЩ", а микросхема испустит клуб дыма.
2. Дроссель ниже 4.a, или нонейм дроссель. Дроссель лучше купить и не рисковать. При нагрузке драйвера 1.5-2 ватта можно наблюдать как дроссель нагревается. Затем происходит насыщение дросселя, микросхема уходит в защиту и при последующем включение получаете ПЫЩ! Дроссель необходим не менее 4А по току.
3. Кривая пайка и тонкие длинные дорожки, иногда они убивают микросхему. Желательно покрывать дорожки тонким слоем припоя.
4. Нестабильный контакт по время замеров тока, или забытие выставить на мультиметре функцию замеров тока, получаете пункт 1. Если решились на замеры, тщательно проверяйте контакты. Тесты можно проводить с резистором 3-ома, дохлым синим лд.

По поводу умирание микры поговорили, теперь по поводу нестабильной работы. Иногда драйвер начинает пульсировать, нет стабилизации по току, диод мигает. Иной раз не выходит из софт старта, на выходе получаем малую мощность. А иной раз вообще не включается.

1. Нестабильная работа, диод меняет яркость гаснет и включается, нет стабилизации по току. Это происходит в следствии неправильной работы дросселя (скорее всего ваш дроссель ниже 4А), либо диод VD1 нонэйм не рассчитаный для данного устройства. Так же может быть, если ваш ЛД уже почти мертвый, при этом драйвер исправен.
2. Конденсаторы на выходе лучше танталовые иначе может вообще не включиться, или включиться но должной мощности на лазерном диоде не получите.
3. Кривая пайка так же может стать причиной нестабильной работы.

5. Подключение драйвера.

Как отмечалось выше драйвер потребляет ток 3-4а, для его питания необходим хороший li-ion аккумулятор, желательно не менее 2а/ч. Подключать драйвер только с нагрузкой. Если собираетесь запитывать сразу живой лд, необходимо поместить лд в охлаждающий коллиматор. На таких мощностях диод бует жутко греться.

Ну вот и все, никаких рассчетов, все должно работать сразу. Для питания лазерных диодов 2w. Для мощности 1.8 ватт R2 - 0.33ом, для мощности 2w - 0.25ом (при этом драйвер будет работать почти что на прееле, отдавая ток 2а, а микросхема будет нехило греться). Ниже представляю свои фото и видео лазера.

Рис. 6 Луч лазера. В моем варианте 1.7-1.8ватт (R2-0.33ома)

Небольшое видео процесса:
Прожигание 2 донышек от спичечного коробка, лучом свокусированным в бесконечность. Сокращения:
лд - лазерный диод
микра - микросхема