BG3009U1

BG3009U1 - Electronic control device with analogue modulation of a semiconductor laser

Info

Publication number: BG3009U1
Application number: BG4043U
Authority: BG
Inventors: Румен Андреев; Валериев Илчев Светозар; Златолилия Илчева; Димов Андреев Румен; Светозар Илчев; Михайлов Иванов Стоян; Стоян Иванов; Симанова Илчева Златолилия
Original assignee: Институт По Информационни И Комуникационни Технологии - Бан
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2018-10-15

Abstract

The electronic control device with analogue modulation of a semiconductor laser realizes energy-efficient power supply and control of one or more laser diodes, powered by a suitable AC adapter or external rechargeable batteries. The device allows for high-speed modulation of the brightness of the controlled laser diodes by means of an analogue signal, achieving a modulation speed of up to 500 KHz.

Description

Област на техникатаField of technology

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.This utility model generally relates to an electronic control device with analog modulation of a semiconductor laser. In particular, the utility model refers to a high-efficiency electronic control device that supplies one or more semiconductor laser diodes by regulating the current through them with high accuracy depending on an analog input signal that can be varied with high frequency.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

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.The development of new laser sources based on semiconductor materials - the so-called. laser diodes - is gaining popularity. Unlike conventional lasers based on crystals (eg ruby) or gases (eg CO ₂ ), laser diodes have significantly smaller dimensions (eg a housing resembling a transistor with a diameter of 9 μm) and better efficiency. There are different types of lasers based on semiconductor diodes - direct, so-called. DPSS (Diode-Pumped Solid-State) diodes, which most often combine a powerful infrared laser diode with a suitable crystal, e.g. YAG (English Yttrium w Aluminum Garnet) for 532 nm green laser light, etc. Depending on the type of laser diode, the light can be ultraviolet (below 400 nm wavelength), violet (405 nm wavelength), blue (450 nm wavelength), green (520 nm wavelength), red (638 nm wavelength) or infrared (808 nm wavelength). The power of the diode is directly dependent on the supply current, which can vary in a wide range - from 10 mA to 5 A. The laser diode has properties similar to those of LEDs and ordinary semiconductor diodes, which means that to flow current, there must be a voltage drop across the diode greater than a certain value, which depends on both the type of diode and the magnitude of the current - usually the voltage drop is in the range 1.5 V to 6.5 V. Like many other semiconductors elements, laser diodes are susceptible to electrostatic voltage, which is why it is common practice to incorporate a zener diode or other semiconductor element into the laser diode that protects the laser diode from exposure to excessive static voltage. Unlike most LEDs and semiconductor diodes, laser diodes are characterized by relatively small maximum allowable values of "reverse voltage" - often between 2 V and 6 V, which means that they are particularly susceptible to burning when accidentally reversing the polarity of the power supply. tension them.

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.Like LEDs, laser diodes are a source of light (coherent laser light), the intensity of which is regulated by changing the current flowing through the diode. Because power supplies (batteries or mains adapters) usually have a constant or near constant voltage, but do not have current regulation functions, additional electronic components are used to perform the necessary regulation.

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 даThe simplest method of regulating the current through the laser diode is through a resistor connected in series between the voltage source and the laser diode. This method is simple and inexpensive, but in order to be effective, it is necessary to carefully select and coordinate the parameters of the power supply and the laser diode. It is necessary that the supply voltage is as close as possible to the operating voltage of the laser diode at the desired current. This is difficult to achieve in practice and necessitates fine-tuning the value of the resistor (eg by using a rheostat or trimmer). With such a solution, it is necessary to carefully calculate the maximum power output in the resistor and to use resistors tailored to it, which often leads to the need for additional cooling by radiator or fan and unnecessarily large dimensions. An additional problem is that some supply voltage sources do not allow accurate selection of the voltage value. A classic example in this regard are the batteries - e.g. 2 lithium batteries connected in series have a voltage ranging from 6 V to 8.4 V depending on the charge level. Power adapters typically provide a fixed output voltage or a set of fixed output voltages - e.g. 9 V, 12 V, 24 V and others. In this case, the resistor should

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.7950 Descriptions to utility registration certificates № 11.1 / 15.11.2018 take the excess voltage drop and dissipate the corresponding energy in the form of heat, and depending on the combination between the power supply and the laser diode, this energy can acquire values exceeding 10 W. Another disadvantage of this solution is that it is difficult to integrate external control by analog modulation of the magnitude of the current through the diode.

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.The regulation of the current through the laser diode can be realized through a combination of resistors, capacitors, transistors and an integrated circuit - operational amplifier, and depending on the design can be added a source of reference voltage. This solution and in particular the operational amplifier used allows the precise regulation of the current through the laser diode, regardless of the specific value of the supply voltage. The larger number of electronic elements determines a higher price, requiring the development and production of a printed circuit board on which the elements are soldered. This solution allows current control by means of analog modulation, which is most often connected to the positive input of the operational amplifier. The speed of modulation depends on the component used for current regulation - most often a bipolar transistor or MOSFET-transistor. The disadvantage of this solution is its inefficiency. Like the resistor from the previous solution, the transistor must dissipate similar power - in some cases more than 10 W. Transistors often have housings with good thermal conductivity unlike most cheap resistors on the market, which makes them more suitable for dissipating excess. power, but this drawback remains.

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.Another approach to powering a laser diode consists of a linear voltage regulator and supporting elements, including a sensor element - most often a resistor. Compared to the previous solution with an operational amplifier, the integration of analog modulation is more difficult and requires the addition of additional electronic elements, as the modulation speed is limited. This solution is also inefficient, as the excess power in this case is dissipated by the linear regulator.

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.The solutions described above require a voltage source greater than the voltage drop across the diode as the operating current flows through it. More efficient power supply of the laser diode is realized by a pulse voltage regulator (increasing or decreasing) and additional electronic elements that regulate the amount of current through the diode. This solution is associated with relatively small energy losses, and the supply voltage source may be a value greater than or less than the voltage drop across the diode. The power dissipated by the electronic elements drops sharply to values of a few percent of the power consumed by the laser diode. The disadvantage is the higher price due to the pulse regulator and the more complex development of the printed circuit board. If the design is not good enough, short current peaks through the diode can occur, which can damage it.

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.In the above solutions we can summarize the presence of functional units such as: protection unit, one or more power supply units, analog modulation unit and electronic control unit. In order to achieve better indicators, it is necessary to make a precise selection of their constituent elements, so that it is possible to work together to achieve maximum effect and neutralize their shortcomings.

Техническа същност на полезния моделTechnical essence of the utility model

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 наThis utility model is an electronic control device with analog modulation of a semiconductor laser. In one embodiment, the electronic control device with analog modulation includes the following functional units: protection unit, power supply unit of the laser diode with input voltage from 9 volts to 28 volts, power supply unit of the other electronic elements with input voltage from 9 volts to 28 volts, block for analog modulation and block for electronic regulation. In one embodiment, the power supply unit of the laser diode includes a pulse regulator with a voltage divider, which includes a variable resistance - a trimmer to regulate the voltage supplied to the laser diode with an accuracy of 0.05 V and achieve operating temperatures of the electronic control device below 50 ° C and energy transfer efficiency to the laser diode in the range 8 (H90%. As well as realization of protection against overheating of the laser diode by switching off the laser diode at a temperature above 45 ° C. In one embodiment, the power supply unit of

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.7951 Descriptions to utility registration certificates № 11.1 / 15.11.2018 the remaining electronic elements include both linear and pulse voltage regulator to achieve a filtered voltage with a noise amplitude of less than 3 mV and a modulation rate of up to 500 KHz. In one embodiment, the analog modulation unit includes two voltage dividers with adjacent filters, in which a variable resistance is included - a trimmer and which are connected to the input and output of a buffer implemented by an operational amplifier, for simultaneous factory setting of the maximum current through the laser diode and user adjustment via potentiometer. In one embodiment, the electronic control unit includes a group of variable number resistors for adjusting the magnitude of the current.

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.The safety unit is connected to the mains adapter or batteries. It consists of a fuse, a bidirectional transil or a pair of zener diodes and a MOSFET transistor or a Schottky diode. The fuse is connected in series immediately after the input voltage connector, and its role is to interrupt the supply voltage in the event of a short circuit or an unusually high current flow through the electronic control device. The bidirectional transil or the pair of zener diodes is connected after the fuse in parallel to the supply lines and protects the electronic control device from the occurrence of input overvoltages. If this happens, they limit the input supply voltage to a maximum of about 28 volts, in which case they dissipate the rest of the power and cause a large current to flow through them. If this lasts more than milliseconds, then the fuse breaks the power supply circuit. The MOSFET transistor or the Schottky diode is connected in series after the transil or zener diodes in the supply circuit of the electronic control device. Their role is to provide protection against reversing the polarity of the supply voltage, which would lead to damage to both power supplies and the laser diode. It is important that the voltage drop across these elements is as low as possible. Therefore, it is preferable to use a MOSFET transistor (internal resistance of the order of 0.05 ohms, which corresponds to a voltage drop of up to 0.05 V at a supply current of 1 A) or a Schottky diode (voltage drop between 0.5 V and 0.7 V). MOSFET transistors are more efficient in terms of energy losses (0.05 W) than Schottky diodes, but at supply voltages above 20 V they must be used in combination with a resistor and a zener diode to protect their control input. ..gate ”) from overvoltage. When using a Schottky diode, a supply voltage of up to 30 volts does not require the use of additional elements.

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 1206The power supply unit of the laser diode with input voltage from 9 volts to 28 volts consists of a pulse voltage regulator - integrated circuit in a standardized housing, inductance, semiconductor Schottky diode, capacitors, resistors regulating the output voltage and operating mode of the regulator, and circuit for emergency switching off of the output voltage to the laser diode in case of special situations - e.g. Diode housing operating temperature greater than 45 ° C. The unit is powered by the protection unit and provides the supply voltage of the laser diode or a series of laser diodes connected in series to the electronic control device. A step-down pulse regulator is used - the supply voltage must be higher than the voltage drop across the laser diode. Maintaining a supply voltage of up to 28 volts allows the series connection of e.g. up to 4 blue laser diodes with an operating voltage of 5.5 volts, which allows for high optical power control with one electronic control device. The required additional components consist of several input capacitors for smoothing the input voltage, several output capacitors to maintain a constant output voltage, a starting capacitor, a sufficiently powerful output inductor, a Schottky diode and a compensating circuit of capacitors and resistors. The operating frequency of the pulse regulator is over 450 KHz, which allows the use of a smaller inductor and higher energy efficiency, but can have an impact on other important parameters - e.g. tolerance in the accuracy of the regulated current. The capacitors used are multilayer ceramic capacitors with sizes from 0603 to 1210 (size 0603 corresponds to a length of 0.06 inches and a width of 0.03 inches). The input capacitors usually have a total capacity of about 20 uF, and the output capacitors - 50 iE Sizes 0603 to 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.7952 Descriptions to certificates for registration of utility models № 11.1 / 15.11.2018 have the used SMD resistors (SMD elements - elements for surface mounting on a printed circuit board). The output inductor is typically up to about 33 inH in order to maintain an output current of at least a few amperes (e.g., 10 inH for an output current of up to 5 A). For better heat dissipation, the pulse controller has direct contact with the PCB ground. Heat losses are about 10% to 20% of the power consumed by the laser diode - ie. the efficiency of energy transmission to the laser diode is in the range of 80 to 90%. The starting capacitor with values from 10 nF to 22 nF ensures smooth starting of the pulse regulator. The compensating circuit of capacitors and resistors is set according to the manufacturer's instructions depending on the operating frequency, output current and the inductor used, and its main purpose is to ensure the reliable operation of the pulse regulator. The output voltage of the pulse regulator is determined by a resistor divider, as one of the resistors is a variable resistance - a trimmer. It allows flexible adjustment of the voltage to the laser diode depending on the operating voltage of the diode model used. Usually the output voltage is set to be about 2-3 volts higher than the operating voltage of the diode. This allows the normal operation of the laser diode and changes the current flowing through it through analog modulation, while limiting the energy losses dissipated by the electronic control unit - the normal operating temperatures of the electronic control device are kept below 50 ° C. In this way, the power supply of the laser diode supports diodes with different wavelengths and from different manufacturers as well as different combinations of several series-connected diodes, providing maximum energy efficiency and maximum flexibility in the choice of diodes. The circuit for emergency shutdown of the output voltage offers a connection to an external microcontroller, which turns on or off the pulse voltage regulator depending on different conditions - e.g. laser diode temperature measured by a thermistor. The connection to the microcontroller is made through an optocoupler element - e.g. optocoupler. With the help of a jumper the possibility for emergency shutdown of the output voltage can be deactivated.

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.The power supply unit of the electronic elements is also connected to the safety unit and is supplied with an input voltage from 9 volts to 28 volts. It consists of a linear voltage regulator with its supporting input and output capacitors and a pulse non-inductor low-voltage voltage regulator with its supporting input and output capacitors, designed to power operational amplifiers. The linear regulator aims to provide the analog modulation unit and the electronic control unit with a positive supply voltage of 5 volts, free of noise. The input input capacitors used are ceramic - at least two with values of the larger about 10 nF and the smaller - about 100 nF. The output capacitors are also ceramic - at least two with values of the larger about 22 nF, and the smaller - about 100 nF. The pulse non-inductor regulator is designed to power the electronic control unit and provides maximum stable regulated voltage. The supporting input and output capacitors are ceramic in the range of 10 to 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 заThe analog modulation unit receives an input analog modulation signal and, after filtering, buffering and scaling, transmits it to the electronic control unit. The input of the analog modulation is protected by a suitable 5-volt transyl and can be equipped with a ceramic filter capacitor with a capacity in the range of 10 pF to 200 pF depending on the modulation. The signal then passes through a resistor divider, in which a trimmer or potentiometer can be included to flexibly adjust the signal amplitude. Then another ceramic filter capacitor with a capacity of 10 pF to 200 pF can be placed and the signal passes through buffering realized by an operational amplifier. The output of the buffer (operational amplifier) passes through a second resistor divider, which can also include a trimmer or potentiometer for flexible adjustment of the signal amplitude. If necessary, another ceramic filter capacitor with a capacity of 10 pF to 200 pF can be placed and the signal is transmitted to the electronic control unit. The two resistor dividers together determine the maximum current that can be supplied via the electronic control unit to the laser diode. One resistor divider could be used for

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.7953 Descriptions to utility registration certificates № 11.1 / 15.11.2018 setting the factory current limit to the diode, depending on its technical characteristics. The other resistor divider could be used to set an additional current limit by the laser user within the factory-set limit - e.g. via a potentiometer mounted on the laser control panel.

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.Analog modulation is a variable signal with an amplitude in the range of 0 volts (corresponds to a switched off laser diode, current supply 0 amperes) to 5 volts (corresponds to a laser diode illuminated at full power and maximum current value). Through resistor dividers, the upper limit of this range can be reduced to 3.3 volts or even less depending on the external device that generates the signal. In this case, the protective transil at the input of the analog modulation should also be changed to provide adequate protection. With proper selection of components, modulation with a frequency of up to 500 kilohertz can be achieved. This speed allows the projection of 2D or 3D (eg by means of special water screens) laser animations and is also important for scientific applications. The external modulation source can be a USB device connected to a computer or a stand-alone dedicated microcontroller. Full compatibility with the ILDA standard and existing devices for generating and controlling laser effects is maintained.

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.Also, the analog modulation unit allows to switch off the analog current control through the diode by means of a jumper and to adjust the supply of constant current of a certain size to the laser diode by means of the resistor dividers.

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.The electronic control unit regulates the current through the laser diode depending on the signal and the settings of the analog modulation unit. This unit consists of an operational amplifier, a current-regulating transistor, a group of one or more resistors for measuring the current flow, and electronic elements to protect the laser diode. The positive input of the operational amplifier is connected to the output signal from the analog modulation unit. The negative input of the operational amplifier is connected to the "source" terminal of the transistor and one end of the group of resistors for measuring the current through the laser diode. The output of the op amp is connected to the ..gatc '-out of the transistor. The current-regulating transistor is a MOSFET-transistor (it is also possible to use a bipolar transistor) and it dissipates the excess power caused by the difference in voltage supplied by the power supply of the laser diode and the operating voltage of the diode. This transistor needs adequate cooling through a suitable heatsink, fan or peltier element. The Gatc '-terminal of the transistor can be connected to ground via a filter capacitor with a capacity of 10 pF to 200 pF and a high-impedance resistor with a value of 10-20 kiloohms to clear peaks in current modulation and zero current in the absence of voltage in the power supply of the electronic elements. The group of resistors measuring the current flowing through the laser diode is of the order of e.g. 2512 and their number (from 1 to 7) and the value of their resistance (usually about 1 ohm) are calculated so as not to dissipate too much energy. The electronic protection elements of the laser diode consist of a transil, a resistor and a capacitor. The transil and capacitor aim to suppress random peaks in the voltage across the laser diode, and the resistor aims to prevent the build-up of charge and electrostatic voltage across the diode terminals.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

Фигура 1 е блок схема на устройство за електронно управление с аналогова модулация на полупроводников лазер.Figure 1 is a block diagram of an electronic control device with analog modulation of a semiconductor laser.

Фигура 2 представя техническа реализация на лазер с участие на устройството за електронно управление от Фиг. 1.Figure 2 shows a technical implementation of a laser involving the electronic control device of Figure 1. 1.

Примери за изпълнение на полезния моделExamples of implementation of the utility model

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.The utility model is an electronic control device with analog modulation of a semiconductor laser. In FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of this device.

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 блокThe electronic control device with analog modulation of a semiconductor laser 100 consists of the following functional blocks: a protection unit 110, a power supply unit for the laser diode 120, a power supply unit for the other electronic elements 130, an analog modulation unit 140 and a unit

7954 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.1/15.11.2018 за електронно регулиране 150.7954 Descriptions to certificates for registration of utility models № 11.1 / 15.11.2018 for electronic regulation 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.In this embodiment, the electronic control device 100 is in the form of a printed circuit board with the necessary electronic elements and connectors for connecting a power supply and a laser diode. Possibilities for attaching a cooling radiator to the board and / or a suitable peltier element are provided. The electronic control device supports voltage sources from 9 volts to 28 volts and provides current through the laser diode (or group of laser diodes) up to 5 A. Supports serial connection of several diodes of the same type, the main limitation being the output voltage of the power supply unit of the laser diode 120 should be 2 - 3 volts higher than the sum of the operating voltages of the diodes.

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.The safety unit 110 maintains an input voltage of 9 volts to 28 volts. It includes a fuse 111 to protect the device 100 from excessive current flow. The use of SMD fuses with dimensions 1206, 1812 or larger and values from 2 to 10 amps (eg OMK 63, manufacturer Schurter) is envisaged. The transyl (eg SMBJ28CA) or the pair of zener diodes 112 protects the device 100 from instantaneous supply voltage values above 28 volts. The MOSFET transistor (eg AP6681GMT or IRF7424) or the alternatively a Schottky diode (eg SS54) 113 protects the power supply units 120 and 130 from accidental reversal of the polarity of the supply voltage, which could lead to their damage and burnout. the connected laser diode.

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.The power supply unit of the laser diode 120 aims to efficiently provide a suitable voltage for the operation of the laser diode. The central element is the pulse voltage regulator 121 (eg asynchronous pulse regulator of a reputable manufacturer). It needs input multilayer ceramic capacitors 122 (size 1206, eg CL31A106KBHNNNE), output capacitors 123 with size 1206 or 1210 (eg GRM31CR61E226KE15L), starting capacitor 124 (eg CL10B104KBN20) and inductance. - 100M in combination with diode SS54). The resistor divider 126 determines the output voltage. In this case, it consists of a resistor with a size of 0603 and a value of 13 kilohms (eg 0603SAF0133T50) and a trimmer with a value of 10 kilohms (eg 3296W-1-103LF, manufacturer Bourns), which allows voltage regulation accuracy better than 0.05 volts. The compensating circuit 127 consists of a combination of two capacitors and a resistor with dimensions 0603 and values proposed by the pulse regulator manufacturer (eg 200 pF, 10 nF and 13 K, respectively). The emergency stop circuit 128 offers the ability to activate or deactivate the pulse controller from an external microcontroller. In this way the laser diode can be switched off e.g. in case of measurement of excessively high operating temperature of the diode housing (overheating protection). The opto-decoupling of the emergency shut-off circuit in this embodiment is carried out by means of an optocoupler - e.g. EL817S. A voltage of 5 volts can be supplied by a jumper from the power supply unit 130, through which the pulse regulator is constantly active, regardless of the presence of an external microcontroller.

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).The power supply unit of the electronic elements 130 consists of a linear voltage regulator with its supporting capacitors 131 and a pulse non-inductor voltage regulator with its supporting capacitors 132. The linear regulator 130 could be e.g. 7805 in combination with two input and two output capacitors, each pair consisting of a capacitor with a value of 10-20 uF (eg CL31A106KBHNNNE) and a capacitor with a value of 100 nF (eg CL10B104KBNC). The linear regulator is associated with large percentage energy losses - especially at supply voltages above 24 volts - but since the consumption of electronic elements is not large, in absolute terms the dissipated energy is up to about 20 mW. The pulse non-inductor regulator 132 requires several input, output and operating ceramic capacitors, each with a value of 10-22 uF (eg 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 стойностиThe analog modulation unit 140 consists of a transil and a filter 141, a resistor divider and a second filter 142, a buffer with a resistor divider and a third filter 143 and has a jumper to deactivate the modulation 144. The transil 141 (eg SMBJ5.0A or SMAJ5.0A ) protects the modulation input from signals with an amplitude greater than 5 volts. The filter can be a capacitor with dimensions 0603 and values

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.7955 Descriptions of utility model registration certificates № 11.1 / 15.11.2018 from 10 pF to 200 pF (eg CL10C220JBNC). The resistor divider in this example is implemented by a trimmer with a nominal value of 10 kiloohms (e.g. 3296W-1-103LF, manufacturer Bourns), and the second filter, which like 141 consists of a capacitor) can be left unsoldered. Buffer 143 consists of an operational amplifier, with a large selection of suitable operational amplifiers. Typically, one half of a dual operational amplifier such as the LM358, MCP602 or other suitable is used. The resistor divider and filter are identical to the divider and filter 142. The two resistor dividers in combination determine the maximum value of the current that the electronic control unit 150 supplies to the laser diode. One divider can be used to set a factory limit of the maximum current depending on the type of diodes used - e.g. by means of a trimmer soldered to the printed circuit board. The other divisor can be used e.g. for a restriction set by the user of the laser within the factory-defined range - e.g. via a potentiometer displayed on the laser control panel. The modulation deactivation jumper supplies a voltage of 5 volts to the analog modulation input from the power supply unit 130, which causes the electronic control unit of the laser diode 150 to supply maximum current to the diode - depending on the settings of the two resistor dividers.

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.The electronic control unit 150 consists of an operational amplifier 151, a transistor 152, a group of resistances for measuring current 153 and electronic elements for protection of the laser diode 154. The operational amplifier 151 is most often the second half of a dual operational amplifier such as LM358, MCP6022 or another suitable (the first half is used in buffer 143) depending on the required speed and accuracy. The transistor 152 in this exemplary embodiment is a MOSFET transistor (e.g., IRF540NS). It operates mostly in a semi-open state and is the electronic element that dissipates the excess energy generated by the difference in the output voltage of the power supply unit 120 and the operating voltage of the laser diode. It is therefore desirable (but not always necessary if the output voltage is set correctly through the divider 126) to attach a suitable heatsink or peltier element to the back of the printed circuit board that is in direct physical contact with the transistor housing. The group of resistors 153 aims to measure the current flowing through the laser diode and the control transistor 152. Their value is of the order of 1 ohm, and the group consists of 1 to 7 resistors (eg CRCW25121R00JNTHBC) with a size of the order of 2512, which share the dissipated power. In this way, the feedback required by the operational amplifier 151 to regulate the current through the laser diode is achieved. The number of soldered resistors can be different and is determined depending on the intended maximum amount of current supplied to the laser diode, with the aim of achieving optimal feedback and the most accurate regulation of the current through the diode. The electronic protection elements of the laser diode 154 are a transil, a capacitor and a resistor. The purpose of the transil and capacitor is to protect the laser diode from peaks in the voltage drop across the diode terminals or electrostatic electricity, and it should be noted that most diodes have a built-in protection element in their housing for this purpose. The resistance (with a value of 10 to 20 kiloohms, eg 0603SAF0133T50) aims to prevent the accumulation of electric charge on the terminals of the laser diode.

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.The connectors used are terminal terminals with a step of 5.0 or 3.5 mm, as well as rails with a raster of 2.54 mm for connection to an external microcontroller or connection of a jumper.

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-In FIG. 2 shows an exemplary technical implementation of a stationary laser 200 using the proposed electronic control device 230. The mains adapter 210 generates a constant constant voltage with a value in the range of 9-28 volts from the mains, which is usually with a voltage of 110V-240V depending on geographical region. The adapter is connected via a mechanical switch 220 with wires 250 to the input of the electronic control device 230. The laser diode 240 is connected to wires 260 to the output of the electronic control device 230. The analog modulation 270 is performed by a signal supplied from an external source. It ranges from 0 volts (extinguished laser diode) to 5 volts (full power laser diode), allowing a change in the upper limit of the range (eg 3.3 volts) by appropriate adjustment of the trimmers in the analog unit. modulation and the use of another protection transyl in the analog modulation unit. Fashion

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.7956 Descriptions to utility registration certificates № 11.1 / 15.11.2018 The current flow through the laser diode depending on the voltage applied to the input of the analog modulation is ideally linear. With proper selection of components, a modulation frequency of up to 500 kilohertz is achieved.

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.The emergency shutdown of the electronic control device is performed by a signal supplied by an external microcontroller 280. The purpose is to provide the possibility to switch off the laser diodes at e.g. reaching a critical operating temperature measured by a suitable sensor, e.g. thermistor. The external microcontroller must activate an optocoupler (eg EL817S) that is part of the power supply of the laser diode.

Приложение на полезния моделApplication of the utility model

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.The proposed utility model is used mainly in the construction of single-color or full-color stationary lasers operating on mains voltage or external batteries. These lasers are used to create entertainment effects (eg in discos or light shows outdoors), for engraving wood, plastic and cardboard, for advertising purposes, to direct moving objects in space, and more. The analog modulation for controlling the brightness of the laser diodes allows the projection of full-color laser animations, which can be generated by means of a USB device connected to a computer or by a separate specialized microcontroller. It is fully compliant with the ILDA (International Laser Display Association) Standard Projector specification and existing laser effect generation and control devices. The ILDA Standard Projector specification defines the signals needed to control a standard laser projector, their voltage levels and the connector used to connect the laser projector to the laser effects generation and control devices that are often connected to a personal computer. Regarding the electronic control of laser diodes, the signal amplitude of each color channel is important - from 0 to 5 volts. Color lasers usually have a total of three electronic control devices - one for the red, green and blue color channels. Each of the electronic control devices receives a signal for analog modulation via a central board, which receives, buffers, converts and transmits ILDA signals to the various components of the laser projector.

Производството на устройството за електронно управление се осъществява чрез обичайните за електронни изделия производствени стъпки и процеси.The production of the electronic control device is carried out through the usual production steps and processes for electronic products.

Claims

An electronic control device with analog modulation of a laser diode semiconductor laser (100), comprising:

a safety unit (110);

a laser diode power supply unit with an input voltage of 9 ^ 28 V (120);

a power supply unit for the remaining electronic elements with an input voltage of 9 ^ 28 V (130); analog modulation unit (140); and an electronic control unit (150), characterized in that:

the power supply unit of the laser diode (120) includes a pulse regulator (121) with a voltage divider in which a variable resistance - a trimmer - participates;

the power supply unit of the remaining electronic elements (130) includes both a linear and a pulse voltage regulator (121);

the analog modulation unit (140) includes two voltage dividers with adjacent filters (142 and 143) in which a variable resistance - a trimmer is included and which are connected to the input and output of a buffer realized by an operational amplifier; and the electronic control unit (150) includes a group of variable number of resistors (153).