[Deutsche Version] [to English version]
Work in progress
Diese Seite beschreibt ein Design, das sich noch in Entwicklung befindet.
Zum Betrieb einer Laserdiode ist ein Diodentreiber notwendig, da Laserdioden genau wie LEDs auch mit einer Gleichstromquelle betrieben werden müssen.
Die gewünschten Spezifikationen des Lasertreibers sind folgende:
- Strombelastbarkeit: 80 A
- Arduino-kompatibler Microcontroller
- Fertigbar in Heimarbeit durch 2-lagige Platine und handlötbare Komponenten
Beim Lasertreiber wurde anfangs auf eine analoge Regelung gesetzt, dabei dient ein Mosfet (Metalloxid-Feldeffekt-Transistor) als Gleichstromquelle. Dies ist möglich da man einen Mosfet nicht nur als Schalter, sondern auch als variablen Widerstand betreiben kann. Die Charakteristik in dieser sogenannten Sättigungsregion führt dazu, dass der Strom relativ konstant bleibt, auch wenn man die darüber anliegende Spannung verändert. Dieser Konstantstrom ist über die Gate-Source-Spannung einstellbar, welche in diesem Fall über den Digital-Analog-Konverter- Ausgang des verwendeten Arduino Due und einem nachgeschalteten Verstärker eingestellt werden kann. Die Regelung selbst funktioniert rein analog durch die Eigenschaften der parallel geschalteten Strom-Mosfets:
Beim Einsatz dieser ersten Version des Lasertreibers gab es in der Praxis Probleme, da auf Basis der Analogregelung ein schwingungsfreier Betrieb schwierig zu erreichen war. Es wäre zwar möglich gewesen, das vorhandene Konzept auf eine bestimmte Stromstärke zu optimieren, sodass es nicht zu Schwingungen der Stromstärke kommt, ein Ändern der Laserleistung wäre dann aber nicht mehr möglich gewesen, die Lösung dann wenig flexibel.
Deswegen wurde beschlossen, ein anderes Konzept zu verfolgen: eine digitale Regelung auf Basis eines Mikrocontrollers. Dies ermöglicht es, verschiedene Regelfunktionen zu testen und diese im laufenden Betrieb je nach Anforderung des Lasersystems in Software zu ändern.
Weiterhin ist es mit dieser Lösung möglich, beliebige Pulsformen zu fahren, wohingegen mit der reinen Analoglösung nur Rechteckpulse möglich sind. Ein weiterer Vorteil ist es, dass man schnell verschiedene Regelalgorithmen implementieren und testen kann, bei der Analoglösung muss man jeweils eine neue Schaltung entwerfen und aufbauen.
Technisch gelöst wird dies durch ein Arduino-kompatibles Mikrocontrollerboard, dem Teensy 4.0, welches über einen Messwiderstand und einen Messverstärker den aktuell fließenden Strom misst, diesen Wert dann in Software verarbeitet und dementsprechend den sich im Leistungsstromkreis befindlichen Mosfet ansteuert, damit der Stromfluss bei Störungen gleich bleibt. Diese Datenverarbeitung soll durch die Auswahl der Mess- und Steuerelektronik und der Leistung des Mikrocontrollers in 2 µs abgeschlossen sein, sodass eine Regelfrequenz von 500 kHz möglich ist.
Der abgekündigte Strommessverstärker MAX9643 wurde durch eine zweistufige Verstärkerschaltung auf Basis des OPA2354 von Texas Instruments ersetzt.
Das Design dieser Lasertreiber-Schaltung wurde bereits simuliert, ein Demonstrator wurde aufgebaut. Die einzelnen Teile der Schaltung wurden erfolgreich getestet, die dazu nötigen Filter und Spannungsversorgungen müssen noch in der nächsten Iteration eingebaut werden.
Das Github Repository für den Lasertreiber ist hier zu finden: https://github.com/Laser4DIY/Laser-Driver-v2
