BG3009U1 - Устройство за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер - Google Patents

Abstract

Устройство за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер реализира енергийно ефективно захранване и управление на един или повече лазерни диоди, захранвани чрез подходящ адаптер от електрическата мрежа или външни акумулаторни батерии. Устройството позволява високоскоростно модулиране на яркостта на управляваните лазерни диоди посредством аналогов сигнал, като се постига скорост на модулация до 500 КНz.

Description

Област на техниката

Настоящият полезен модел се отнася най-общо до устройство за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер. По-специално, полезният модел се отнася до устройство за електронно управление с голяма степен на ефективност, което захранва един или повече полупроводникови лазерни диоди, като регулира тока през тях с голяма точност в зависимост от входен аналогов сигнал, който може да се изменя с висока честота.

Предшестващо състояние на техниката

Разработката на нови лазерни източници на базата на полупроводникови материали - т.нар. лазерни диоди - набира все по-голяма популярност. За разлика от класическите лазери, базирани на кристали (напр. рубин), или газове (напр. СО₂), лазерните диоди имат значително по-малки размери (напр. корпус, наподобяващ транзистор с диаметър 9 щщ) и по-добра ефективност. Съществуват различни видове лазери, базирани на полупроводникови диоди - директни, т.нар. DPSS (англ. Diode-Pumped Solid-State) диоди, при които се комбинира най-често мощен инфрачервен лазерен диод с подходящ кристал, напр. YAG (англ. Yttrium w Aluminium Garnet) за 532 nm зелена лазерна светлина, и др. В зависимост от вида на лазерния диод, светлината може да бъде ултравиолетова (под 400 nm дължина на вълната), виолетова (405 nm дължина на вълната), синя (450 nm дължина на вълната), зелена (520 nm дължина на вълната), червена (638 nm дължина на вълната) или инфрачервена (808 nm дължина на вълната). Мощността на диода е в пряка зависимост от захранващия ток, който може да варира в широк диапазон - от 10 mA до 5 А. Лазерният диод има свойства, сходни с тези на светодиодите и обикновените полупроводникови диоди, което означава, че за да протича ток, трябва да съществува пад на напрежение върху диода, по-голям от определена стойност, която зависи както от вида на диода, така и от големината на тока - обикновено падът на напрежение е в интервала 1.5 V до 6.5 V. Подобно на много от останалите полупроводникови елементи, лазерните диоди са податливи на електростатично напрежение, поради което честа практика е вграждането в лазерния диод на ценеров диод или друг полупроводников елемент, който предпазва лазерния диод от излагане на прекадено високо статично напрежение. За разлика от повечето светодиоди и полупроводникови диоди, лазерните диоди се характеризират с относително малки максимално допустими стойности на „обратно напрежение“ - често между 2 V и 6 V, което означава, че те са особено податливи на изгаряне при случайно обръщане на поляритета на захранващото ги напрежение.

Подобно на светодиодите, лазерните диоди са източник на светлина (кохерентна лазерна светлина), чийто интензитет се регулира чрез промяна на тока, преминаващ през диода. Тъй като захранващите източници (батерии или мрежови адаптери) обикновено имат константно или близко до константното напрежение, но нямат функции за регулиране на тока, се използват допълнителни електронни компоненти, които извършват необходимата регулация.

Най-простият метод за регулиране на тока през лазерния диод е чрез резистор, свързан последователно между източника на напрежение и лазерния диод. Този метод е прост и евтин, но за да бъде ефективен, се налага внимателен подбор и съгласуване на параметрите на захранването и лазерния диод. Необходимо е захранващото напрежение да е максимално близко до работното напрежение на лазерния диод при желания ток. Това на практика е трудно постижимо и поражда необходимост от фина настройка на стойността на резистора (напр. чрез използване на реостат или тример). При такова решение е необходимо внимателно да се пресметне максимално отделяната в резистора мощност и да се използват резистори, съобразени с нея, което често води до нужда от допълнително охлаждане чрез радиатор или вентилатор и ненужно големи размери. Допълнителен проблем е, че някои източници на захранващо напрежение не позволяват точен подбор на стойността на напрежението. Класически пример в това отношение са батериите - напр. 2 литиеви батерии, свързани последователно, имат напрежение, вариращо от 6 V до 8.4 V в зависимост от степента на зареждане. Адаптерите, захранвани от електрическата мрежа, по правило предоставят едно фиксирано изходно напрежение или набор от фиксирани изходни напрежения - напр. 9 V, 12 V, 24 V и др. В такъв случай, резисторът трябва да

7950 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.1/15.11.2018 поеме излишния пад на напрежение и да разсее съответната енергия под формата на топлина, като в зависимост от комбинацията между захранването и лазерния диод, тази енергия може да придобие стойности, надвишаваща 10 W. Друг недостатък на това решение е, че то трудно позволява интегриране на външно управление чрез аналогова модулация на големината на тока през диода.

Регулирането на тока през лазерния диод може да се реализира чрез комбинация от съпротивления, кондензатори, транзистори и интегрална схема - операционен усилвател, като в зависимост от дизайна може да се добави и източник на опорно напрежение. Това решение и в частност използваният операционен усилвател позволява точното регулиране на тока през лазерния диод, независимо от конкретната стойност на захранващото напрежение. По-големият брой електронни елементи обуславят по-висока цена, като се налага разработка и производство на печатна платка, върху която са запоени елементите. Това решение позволява управление на тока посредством аналогова модулация, която най-често се свързва към положителния вход на операционния усилвател. Скоростта на модулация зависи от използвания за регулиране на тока компонент - най-често биполярен транзистор или MOSFET-транзистор. Недостатък на това решение е неговата неефективност. Подобно на резистора от предходното решение, транзисторът трябва да разсее сходна по размер мощност - в някои случаи повече от 10 W. Транзисторите често имат корпуси с добра топлопроводимост за разлика от повечето евтини резистори на пазара, което ги прави по-подходящи за разсейване на излишна мощност, но този недостатък остава налице.

Друг подход за захранването на лазерен диод се състои от линеен регулатор на напрежение и поддържащи елементи, между които и сензорен елемент - най-често резистор. В сравнение с предходното решение с операционен усилвател, интегрирането на аналогова модулация е по-трудно и налага добавянето на допълнителни електронни елементи, като скоростта на модулация е ограничена. Това решение също е неефективно, като излишната мощност в този случай се разсейва от линейния регулатор.

Гореописаните решения се нуждаят от източник на напрежение, по-голямо от пада на напрежение върху диода при протичането на работния ток през него. По-ефективно захранване на лазерен диод се реализира чрез импулсен регулатор на напрежение (повишаващ или понижаващ) и допълнителни електронни елементи, които регулират големината на тока през диода. Това решение е свързано със сравнително малки загуби на енергия, като източникът на захранващо напрежение може да бъде със стойност по-голяма или по-малка от пада на напрежение върху диода. Мощността, разсейвана от електронните елементи, пада рязко до стойности от няколко процента от мощността, консумирана от лазерния диод. Недостатък е по-високата цена вследствие на импулсния регулатор и по-сложната разработка на печатната платка. При недостатъчно добър дизайн могат да се получат кратки пикове на тока през диода, които да го повредят.

При гореописаните решения можем да обобщим наличието на функционални блокове като: предпазващ блок, един или няколко захранващи блока, блок за аналогова модулация и блок за електронно регулиране. За постигане на по-добри показатели е необходимо да се направи прецизен подбор на изграждащите ги елементи, така че да е възможно да работят съвместно за постигане на максимален ефект и неутрализиране на недостатъците им.

Техническа същност на полезния модел

Настоящият полезен модел представлява устройство за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер. При едно изпълнение, устройството за електронно управление с аналогова модулация включва следните функционални блокове: предпазващ блок, захранващ блок на лазерния диод с входно напрежение от 9 волта до 28 волта, захранващ блок на останалите електронни елементи с входно напрежение от 9 волта до 28 волта, блок за аналогова модулация и блок за електронно регулиране. При едно изпълнение, захранващият блок на лазерния диод включва импулсен регулатор с делител на напрежение, в който участва променливо съпротивление - тример за регулиране на подаваното към лазерния диод напрежение с точност от 0,05 V и постигане на работни температури на устройството за електронно управление под 50°С и ефективност на предаване на енергия към лазерния диод в диапазона 8(Н90%. както и реализиране на защита от прегряване на лазерния диод чрез изключване на лазерния диод при температура над 45°С. При едно изпълнение, захранващият блок на

7951 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.1/15.11.2018 останалите електронни елементи включва едновременно линеен и импулсен регулатор на напрежение за постигане на филтрирано напрежение с амплитуда на шум по-малка от 3 mV и скорост на модулация до 500 KHz. При едно изпълнение, блокът за аналогова модулация включва два делителя на напрежение с прилежащи филтри, в които е включено променливо съпротивление - тример и които са свързани към входа и изхода на буфер, реализиран чрез операционен усилвател, за едновременно реализиране на фабрична настройка на максималния ток през лазерния диод и потребителска настройка чрез потенциометър. При едно изпълнение, блокът за електронно регулиране включва група от променлив брой съпротивления за регулиране големината на тока.

Предпазващият блок е свързан към захранващия мрежов адаптер или батерии. Той се състои от предпазител, бидирекционален трансил или двойка ценерови диоди и MOSFET-транзистор или шотки диод. Предпазителят е последователно свързан веднага след входния конектор на захранващото напрежение, като неговата роля е да прекъсне захранващото напрежение в случай на късо съединение или протичане на ток с нехарактерно голяма стойност през устройството за електронно управление. Бидирекционалният трансил или двойката ценерови диоди са свързани след предпазителя паралелно на захранващите линии и предпазват устройството за електронно управление от поява на пренапрежения на входа. Ако това се случи, те ограничават захранващото напрежение на входа до максимална стойност от около 28 волта, като в такъв случай те разсейват остатъка от мощността и причиняват протичане на голям ток през себе си. Ако това продължи повече от милисекунди, тогава предпазителят прекъсва захранващата верига. MOSFET-транзисторът или шотки-диодът са свързани последователно след трансила или ценеровите диоди в захранващата верига на устройството за електронно управление. Тяхната роля е да осигурят защита срещу обръщане на поляритета на захранващото напрежение, което би довело до повреда на двата захранващи блока и на лазерния диод. Важно е падът на напрежение върху тези елементи да е колкото се може по-нисък. Затова се предпочита използването на MOSFETтранзистор (вътрешно съпротивление от порядъка на 0.05 ома, което съответства на пад на напрежение до 0.05 V при захранващ ток от 1 А) или на шотки-диод (пад на напрежение между 0.5 V и 0.7 V). MOSFET-транзисторите са по-ефективни по отношение на енергийните загуби (0.05 W) в сравнение с шотки-диодите, но при захранващи напрежения над 20 V се налага използването им в комбинация със съпротивление и ценеров диод, които да предпазват управляващия им вход (англ. ..gate”) от пренапрежение. При използване на шотки-диод, захранващо напрежение до 30 волта не налага използване на допълнителни елементи.

Захранващият блок на лазерния диод с входно напрежение от 9 волта до 28 волта се състои от импулсен регулатор на напрежение - интегрална схема в стандартизиран корпус, индуктивност, полупроводников шотки-диод, кондензатори, съпротивления, регулиращи изходното напрежение и работния режим на регулатора, и верига за аварийно изключване на изходното напрежение към лазерния диод при възникване на особени ситуации - напр. работна температура на корпуса на диода, по-голяма от 45°С. Блокът се захранва от предпазващия блок и осигурява захранващото напрежение на лазерния диод или серия от лазерни диоди, свързани последователно към устройството за електронно управление. Използва се понижаващ импулсен регулатор - захранващото напрежение трябва да бъде по-високо от пада на напрежение върху лазерния диод. Поддържането на захранващо напрежение до 28 волта позволява последователното свързване на напр. до 4 сини лазерни диода с работно напрежение от 5.5 волта, което дава възможност за управление на голяма оптична мощност с едно устройство за електронно управление. Необходимите допълнителни компоненти се състоят от няколко входни кондензатора за изглаждане на входното напрежение, няколко изходни кондензатора за поддържане на константно изходно напрежение, стартиращ кондензатор, достатъчно мощен изходен индуктор, шотки-диод и компенсираща верига от кондензатори и съпротивления. Работната честота на импулсния регулатор е над 450 KHz, което позволява използването на по-малък по размери индуктор и по-висока енергийна ефективност, но може да има влияние върху други важни параметри - напр. толеранса в точността на регулирания ток. Използваните кондензатори са многослойни керамични кондензатори с размери от 0603 до 1210 (размер 0603 съответства на дължина 0.06 инча и ширина 0.03 инча). Входните кондензатори обикновено са с общ капацитет от порядъка на около 20 uF, а изходните кондензатори - 50 иЕ Размери 0603 до 1206

7952 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.1/15.11.2018 имат и използваните SMD съпротивления (SMD елементи - елементи за повърхностен монтаж върху печатна платка). Изходният индуктор е обикновено със стойности до около 33 иН с цел поддържане на изходен ток от поне няколко ампера (напр. 10 иН за изходен ток до 5 А). За по-добро отвеждане на топлина, импулсният регулатор има пряк контакт с масата на печатната платка. Топлинните загуби са около 10% до 20% от консумираната от лазерния диод мощност - т.е. ефективността на предаването на енергия към лазерния диод е в диапазона от 80 до 90%. Стартиращият кондензатор със стойности от 10 nF до 22 nF осигурява плавно стартиране на импулсния регулатор. Компенсиращата верига от кондензатори и съпротивления се задава по указания от производителя в зависимост от работната честота, изходния ток и използвания индуктор, като нейната основна цел е осигуряване на надеждното функциониране на импулсния регулатор. Изходното напрежение на импулсния регулатор се определя чрез делител от съпротивления, като едното от съпротивленията е променливо съпротивление - тример. Той позволява гъвкаво регулиране на напрежението към лазерния диод в зависимост от работното напрежение на използвания модел диод. Обикновено изходното напрежение се настройва да бъде около 2-3 волта по-високо от работното напрежение на диода. Това позволява нормалното функциониране на лазерния диод и промяна на протичащия през него ток чрез аналогова модулация, като в същото време ограничава енергийните загуби, разсейвани от блока за електронно регулиране - обичайните работни температури на устройството за електронно управление се задържат под 50°С. По този начин захранващият блок на лазерния диод поддържа диоди с различни дължини на вълната и от различни производители както и различни комбинации от няколко последователно свързани диода, като осигурява максимална енергийна ефективност и максимална гъвкавост при избора на диоди. Веригата за аварийно изключване на изходното напрежение предлага връзка към външен микроконтролер, който включва или изключва импулсния регулатор на напрежение в зависимост от различни условия - напр. температура на лазерния диод, измерена чрез термистор. Връзката към микроконтролера се осъществява чрез опторазвързващ елемент - напр. оптокоплер. Чрез джъмпер възможността за аварийно изключване на изходното напрежение може да се деактивира.

Захранващият блок на електронните елементи също е свързан към предпазния блок и се захранва с входно напрежение от 9 волта до 28 волта. Той се състои от линеен регулатор на напрежение с поддържащите го входни и изходни кондензатори и импулсен безиндукторен регулатор на напрежение с нисък шум с поддържащите го входни и изходни кондензатори, предназначен за захранване на операционни усилватели. Линейният регулатор има за цел да предостави на блока за аналогова модулация и блока за електронно регулиране положително захранващо напрежение със стойност 5 волта, изчистено от шумове. Използваните входни кондензатори са керамични - поне два броя със стойности на по-големия около 10 nF, а на по-малкия - около 100 nF. Изходните кондензатори също са керамични - поне два броя със стойности на по-големия около 22 nF, а на по-малкия - около 100 nF. Импулсният безиндукторен регулатор е предназначен за захранване на блока за електронно регулиране и предоставя максимално стабилно регулирано напрежение. Поддържащите входни и изходни кондензатори са керамични в диапазона 10 до 22 nF.

Блокът за аналогова модулация приема входен аналогов модулиращ сигнал и след филтриране, буфериране и скалиране го предава към блока за електронно регулиране. Входът на аналоговата модулация е защитен с подходящ 5-волтов трансил и може да бъде снабден с керамичен филтриращ кондензатор с капацитет от порядъка на 10 pF до 200 pF в зависимост от модулацията. След това сигналът преминава през резисторен делител, в който може да бъде включен и тример или потенциометър за гъвкаво регулиране на амплитудата на сигнала. След това може да бъде поставен още един керамичен филтриращ кондензатор с капацитет от 10 pF до 200 pF и сигналът преминава през буфериране, реализирано чрез операционен усилвател. Изходът от буфера (операционния усилвател) преминава през втори резисторен делител, в който също може да бъде включен тример или потенциометър за гъвкаво регулиране на амплитудата на сигнала. При нужда може да се постави още един керамичен филтриращ кондензатор с капацитет от 10 pF до 200 pF и сигналът се предава към блока за електронно регулиране. Двата резисторни делителя определят заедно максималния ток, който може да бъде подаден чрез блока за електронно регулиране към лазерния диод. Единият резисторен делител би могъл да се използва за

7953 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.1/15.11.2018 задаване на фабрично ограничение на тока към диода, в зависимост от техническите му характеристики. Другият резисторен делител би могъл да се използва за задаване на допълнително ограничение на тока от ползвателя на лазера в рамките на фабрично наложеното ограничение - напр. чрез потенциометър, монтиран на контролния панел на лазера.

Аналоговата модулация е променлив сигнал с амплитуда в диапазона 0 волта (съответства на изключен лазерен диод, подаван ток 0 ампера) до 5 волта (съответства на лазерен диод светещ с пълна мощност и максимална стойност на тока). Чрез резисторните делители горната граница на този диапазон може да се намали на 3.3 волта или дори по-малко в зависимост от външното устройство, което генерира сигнала. В такъв случай би трябвало да се промени и защитният трансил на входа на аналоговата модулация за осигуряване на адекватна защита. При подходящ подбор на компонентите може да се постигне модулация с честота до 500 килохерца. Тази скорост позволява прожектиране на 2D или 3D (напр. посредством специални водни екрани) лазерни анимации и също така е важна за приложения в научната сфера. Външният източник на модулацията може да бъде USB-устройство, свързано към компютър, или самостоятелен специализиран микроконтролер. Поддържа се пълна съвместимост с ILDA стандарта и съществуващите на пазара устройства за генериране и управление на лазерни ефекти.

Също така, блокът за аналогова модулация позволява чрез джъмпер да се изключи аналоговото управление на тока през диода и чрез резисторните делители да се настрои подаване на константен ток с определена големина към лазерния диод.

Блокът за електронно регулиране регулира тока през лазерния диод в зависимост от сигнала и настройките на блока за аналогова модулация. Този блок се състои от операционен усилвател, транзистор, регулиращ тока, група от едно или повече съпротивления за измерване на протичащия ток и електронни елементи за защита на лазерния диод. Положителният вход на операционния усилвател е свързан с изходния сигнал от блока за аналогова модулация. Отрицателният вход на операционния усилвател е свързан към „сорс“-извода на транзистора и единия край на групата от съпротивления за измерване на тока през лазерния диод. Изходът на операционния усилвател е свързан към ..gatc ’-извода на транзистора. Транзисторът, регулиращ тока, е MOSFET-транзистор (възможно е използването и на биполярен транзистор) и той разсейва излишната мощност, породена от разликата в напрежението, подавано от захранващия блок на лазерния диод и работното напрежение на диода. Този транзистор се нуждае от адекватно охлаждане чрез подходящ радиатор, вентилатор или пелтие елемент. ..Gatc ’-терминалът на транзистора може да бъде свързан към земя през филтриращ кондензатор с капацитет от 10 pF до 200 pF и високоомово съпротивление със стойност 10-20 килоома за изчистване на пикове в модулацията на тока и нулиране на тока при отсъствие на напрежение в захранващия блок на електронните елементи. Групата от съпротивления, измерващи тока, протичащ през лазерния диод, са с размер от порядъка на напр. 2512 и техният брой (от 1 до 7) и стойността на съпротивлението им (обикновено около 1 ом) са изчислени така, че да не разсейват прекалено много енергия. Електронните елементи за защита на лазерния диод се състоят от трансил, съпротивление и кондензатор. Трансилът и кондензаторът имат за цел потискането на случайни пикове в напрежението върху лазерния диод, а съпротивлението има за цел да предотврати натрупването на заряд и електростатично напрежение върху диодните изводи.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 е блок схема на устройство за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер.

Фигура 2 представя техническа реализация на лазер с участие на устройството за електронно управление от Фиг. 1.

Примери за изпълнение на полезния модел

Полезният модел представлява устройство за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер. На фиг. 1 е показана блок схема на едно изпълнение на това устройство.

Устройството за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер 100 се състои от следните функционални блокове: предпазващ блок 110, захранващ блок на лазерния диод 120, захранващ блок на останалите електронни елементи 130, блок за аналогова модулация 140 и блок

7954 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.1/15.11.2018 за електронно регулиране 150.

В този пример на реализация, устройството за електронно управление 100 е под формата на печатна платка с необходимите електронни елементи и конектори за свързване на захранване и лазерен диод. Предвидени са възможности за закрепване на охлаждащ радиатор към платката и/или подходящ пелтие елемент. Устройството за електронно управление поддържа източници на напрежение от 9 волта до 28 волта и осигурява ток през лазерния диод (или групата лазерни диоди) до 5 А. Поддържа се последователно свързване на няколко диода от един и същи вид, като основното ограничение е изходното напрежение на захранващия блок на лазерния диод 120 да бъде с 2 - 3 волта по-високо от сумата на работните напрежения на диодите.

Предпазващият блок 110 поддържа входно напрежение от 9 волта до 28 волта. Той включва предпазител 111 за защита на устройството 100 от протичане на прекадено голям ток. Предвидена е употреба на SMD-предпазители с размери 1206, 1812 или по-големи и стойности от 2 до 10 ампера (напр. ОМК 63, производител Schurter). Трансилът (напр. SMBJ28CA) или двойката ценерови диоди 112 защитават устройството 100 от моментни стойности на захранващото напрежение над 28 волта. MOSFET-транзисторът (напр. AP6681GMT или IRF7424) или използваният като негова алтернатива шотки-диод (напр. SS54) 113 защитават захранващите блокове 120 и 130 от случайно обръщане на поляритета на захранващото напрежение, което би довело до тяхната повреда както и до изгаряне на свързания лазерен диод.

Захранващият блок на лазерния диод 120 има за цел ефективно предоставяне на подходящо напрежение за работа на лазерния диод. Централен елемент е импулсният регулатор на напрежение 121 (напр. асинхронен импулсен регулатор на реномиран производител). Той се нуждае от входни многослойни керамични кондензатори 122 (размер 1206, напр. CL31A106KBHNNNE), изходни кондензатори 123 с размер 1206 или 1210 (напр. GRM31CR61E226KE15L), стартиращ кондензатор 124 (напр. CL10B104KBNC) и индуктивност и шотки диод 125 (напр. SRI1205 - 100М в комбинация с диод SS54). Резисторният делител 126 определя изходното напрежение. В този случай той е съставен от съпротивление с размер 0603 и стойност 13 килоома (напр. 0603SAF0133T50) и тример със стойност 10 килоома (напр. 3296W-1-103LF, производител Bourns), което позволява точност на регулиране на напрежението по-добра от 0,05 волта. Компенсиращата верига 127 е съставена от комбинация от два кондензатора и съпротивление с размери 0603 и със стойности, предложени от производителя на импулсния регулатор (съотв. напр. 200 pF, 10 nF и 13 К). Веригата за аварийно изключване 128 предлага възможност за активиране или деактивиране на импулсния регулатор от външен микроконтролер. По този начин лазерният диод може да бъде изключен напр. в случай на измерване на прекадено висока работна температура на диодния корпус (защита от прегряване). Опто-развързването на веригата за аварийно изключване в този пример на изпълнение се осъществява чрез оптокоплер - напр. EL817S. Чрез джъмпер може да бъде подадено напрежение от 5 волта от захранващия блок 130, чрез който импулсният регулатор е активен постоянно, независимо от наличието на външен микроконтролер.

Захранващият блок на електронните елементи 130 се състои от линеен регулатор на напрежение с поддържащите го кондензатори 131 и импулсен безиндукторен регулатор на напрежение с поддържащите го кондензатори 132. Линейният регулатор 130 би могъл да бъде напр. 7805 в комбинация с по два входни и два изходни кондензатора, като всяка двойка е съставена от кондензатор със стойност 10-20 uF (напр. CL31A106KBHNNNE) и кондензатор със стойност 100 nF (напр. CL10B104KBNC). Линейният регулатор е свързан с големи процентни загуби на енергия - особено при захранващо напрежение над 24 волта - но тъй като консумацията на електронните елементи не е голяма, в абсолютно отношение разсейваната енергия е до около 20 mW. Импулсният безиндукторен регулатор 132 се нуждае от няколко входни, изходни и работни керамични кондензатори, всеки от които е със стойност 10-22 uF (напр. CL31A106KBHNNNE).

Блокът за аналогова модулация 140 се състои от трансил и филтър 141, резисторен делител и втори филтър 142, буфер с резисторен делител и трети филтър 143 и разполага с джъмпер за деактивиране на модулацията 144. Трансилът 141 (напр. SMBJ5.0A или SMAJ5.0A) предпазва входа на модулацията от сигнали с амплитуда над 5 волта. Филтърът може да бъде кондензатор с размери 0603 и стойности

7955 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.1/15.11.2018 от 10 pF do 200 pF (напр. CL10C220JBNC). Резисторният делител в този пример е реализиран чрез тример с номинална стойност от 10 килоома (напр. 3296W-1-103LF, производител Bourns), като вторият филтър, който по подобие на 141 се състои от кондензатор) може да бъде оставен незапоен. Буферът 143 се състои от операционен усилвател, като има голям избор на подходящи операционни усилватели. Обикновено се използва едната половина на двоен операционен усилвател като LM358, МСР602 или друг подходящ. Резисторният делител и филтър са идентични на делителя и филтъра 142. Двата резисторни делителя в комбинация определят максималната стойност на тока, който блока за електронно регулиране 150 подава към лазерния диод. Единият делител може да се използва за задаване на фабрично ограничение на максималния ток в зависимост от типа на използваните диоди - напр. чрез тример, запоен на печатната платка. Другият делител може да се използва напр. за ограничение, задавано от ползвателя на лазера в рамките на фабрично определения диапазон - напр. чрез потенциометър, изведен на контролния панел на лазера. Джъмперът за деактивиране на модулацията подава на входа на аналоговата модулация напрежение от 5 волта от захранващия блок 130, което кара блока за електронно регулиране на лазерния диод 150 да подаде максимален ток към диода - в зависимост от настройките на двата резисторни делителя.

Блокът за електронно регулиране 150 се състои от операционен усилвател 151, транзистор 152, група от съпротивления за измерване на тока 153 и електронни елементи за защита на лазерния диод 154. Операционният усилвател 151 най-често е втората половина на двоен операционен усилвател като LM358, МСР6022 или друг подходящ (първата половина се използва в буфера 143) в зависимост от необходимата скорост и точност. Транзисторът 152 в тази примерна реализация е MOSFET-транзистор (напр. IRF540NS). Той работи в повечето време в полуотворено състояние и е електронният елемент, който разсейва излишната енергия, породена от разликата в изходното напрежение на захранващия блок 120 и работното напрежение на лазерния диод. Поради това е желателно (но при правилна настройка на изходното напрежение чрез делителя 126 не винаги наложително) прикрепването на подходящ радиатор или пелтие елемент към гърба на печатната платка, които да са в пряк физически контакт с корпуса на транзистора. Групата от съпротивления 153 има за цел да измерва токът, преминаващ през лазерния диод и регулиращия транзистор 152. Тяхната стойност е от порядъка на 1 ом, като групата се състои от 1 до 7 съпротивления (напр. CRCW25121R00JNTHBC) с размер от порядъка на 2512, които си поделят разсейваната мощност. По този начин се постига обратната връзка, необходима на операционния усилвател 151 за регулацията на тока през лазерния диод. Броят на запоените съпротивления може да бъде различен и се определя в зависимост от предвидената максимална големина на тока, който се подава към лазерния диод, като целта е постигане на оптимална обратна връзка и максимално точна регулация на тока през диода. Електронните елементи за защита на лазерния диод 154 са трансил, кондензатор и съпротивление. Трансилът и кондензаторът имат за цел да предпазят лазерния диод от пикове в пада на напрежение върху изводите на диода или електростатично електричество, като трябва да се отбележи, че повечето диоди имат вграден в корпуса си защитен елемент с такова предназначение. Съпротивлението (със стойност от 10 до 20 килоома, напр. 0603SAF0133T50) има за цел да предотврати натрупването на електрически заряд върху изводите на лазерния диод.

Използваните конектори са терминални клеми със стъпка 5.0 или 3.5 mm, както и рейки с растер 2.54 mm за връзка с външен микроконтролер или свързване на джъмпер.

На фиг. 2 е показана една примерна техническа реализация на стационарен лазер 200, използващ предложеното устройство за електронно управление 230. Мрежовият адаптер 210 генерира постоянно константно напрежение със стойност в интервала 9-28 волта от електрическата мрежа, която обикновено е с напрежение 110V-240V в зависимост от географския регион. Адаптерът е свързан през механичен ключ 220 с проводници 250 към входа на устройството за електронно управление 230. Лазерният диод 240 е свързан с проводници 260 към изхода на устройството за електронно управление 230. Аналоговата модулация 270 се осъществява чрез сигнал, подаван от външен източник. Тя е в диапазона от 0 волта (загасен лазерен диод) до 5 волта (лазерен диод, светещ с пълна мощност), като се допуска промяна на горната граница на диапазона (напр. на 3.3 волта) чрез подходяща настройка на тримерите в блока за аналогова модулация и използването на друг защитен трансил в блока за аналогова модулация. Моду-

7956 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.1/15.11.2018 лирането на тока през лазерния диод в зависимост от напрежението, подавано на входа на аналоговата модулация, е в идеалния случай линейно. При подходящ подбор на компонентите се достига честота на модулацията до 500 килохерца.

Аварийното изключване на устройството за електронно управление се осъществява чрез сигнал, подаван от външен микроконтролер 280. Целта е да се осигури възможност за изключване на лазерните диоди при напр. достигане на критична работна температура, измерена чрез подходящ сензор, напр. термистор. Външният микроконтролер трябва да активира оптокоплер (напр. EL817S), който е част от захранващия блок на лазерния диод.

Приложение на полезния модел

Предложеният полезен модел намира приложение основно в конструирането на едноцветни или пълноцветни стационарни лазери, работещи с напрежение от електрическата мрежа или външни акумулаторни батерии. Тези лазери се използват за създаване на развлекателни ефекти (напр. в дискотеки или светлинни шоута на открито), за гравиране на дърво, пластмаса и картон, за рекламни цели, за насочване на движещи се обекти в пространството и др. Аналоговата модулация за управление на яркостта на лазерните диоди позволява прожектиране на пълноцветни лазерни анимации, които могат да се генерират посредством USB-устройство, свързано към компютър, или чрез самостоятелен специализиран микроконтролер. Поддържа се пълна съвместимост със спецификацията на ILDA (International Laser Display Association) Standard Projector и съществуващите на пазара устройства за генериране и управление на лазерни ефекти. Спецификацията на ILDA Standard Projector дефинира сигналите, необходими за управлението на един стандартен лазерен проектор, техните нива на напрежение и използвания конектор за връзка между лазерния проектор и устройствата за генериране и управление на лазерни ефекти, които много често са свързани с персонален компютър. По отношение на електронното управление на лазерните диоди е важна амплитудата на сигнала на всеки цветови канал - от 0 до 5 волта. При цветни лазери най-често има общо три устройства за електронно управление - по едно за червения, зеления и синия цветови канал. Всяко от устройствата за електронно управление получава сигнал за аналогова модулация чрез централна платка, която приема, буферира, конвертира и предава ILDA-сигналите към различните компоненти на лазерния проектор.

Производството на устройството за електронно управление се осъществява чрез обичайните за електронни изделия производствени стъпки и процеси.

Claims (1)

1. Претенции

   1. Устройство за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер с лазерен диод (100), включващо:

   предпазващ блок (110);

   захранващ блок на лазерния диод с входно напрежение 9^28 V (120);

   захранващ блок на останалите електронни елементи с входно напрежение 9^28 V (130); блок за аналогова модулация (140); и блок за електронно регулиране (150), характеризиращо се с това, че:

   захранващият блок на лазерния диод (120) включва импулсен регулатор (121) с делител на напрежение, в който участва променливо съпротивление - тример;

   захранващият блок на останалите електронни елементи (130) включва едновременно линеен и импулсен регулатор (121) на напрежение;

   блокът за аналогова модулация (140) включва два делителя на напрежение с прилежащи филтри (142 и 143), в които е включено променливо съпротивление - тример и които са свързани към входа и изхода на буфер, реализиран чрез операционен усилвател; и блокът за електронно регулиране (150) включва група от променлив брой съпротивления (153).