DD243147A5

DD243147A5 - Verfahren und schaltungsanordnung zur bestimmung und regelung der temperatur von laserdioden

Info

Publication number: DD243147A5
Application number: DD28701486A
Authority: DD
Inventors: Tamas Sziranyi
Original assignee: Videoton Elektronikai Vallalat,Hu
Priority date: 1985-02-19
Filing date: 1986-02-13
Publication date: 1987-02-18
Also published as: BG46010A3; HUT39871A; PL258005A1; DE3603548A1; SU1530104A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden, insbesondere von in Zeilendruckern verwendeten Laserdioden, wobei die Laserdioden im Impulsbetrieb betrieben werden. Das Wesen des erfindungsgemaessen Verfahrens besteht darin, dass in dem Zeitintervall der Aussetzung der Laserausstrahlung ein gegenueber dem Laserschwellenstrom geringerer konstanter Grundstrom ueber die Laserdiode geleitet wird. In diesem Zeitintervall wird mindestens einmal die Spannung der Laserdiode abgetastet und danach der abgetastete Wert gespeichert und ausgewertet. In Abhaengigkeit von dem erhaltenen Resultat wird der die Laserdiode speisende Strom gesteuert. Das Wesen der erfindungsgemaessen Schaltungsanordnung besteht darin, dass die Anschluesse der Laserdiode (1) ueber einen Spannungsfolger (3) mit grossem Eingangswiderstand an eine Abtast- und Halteeinheit angeschlossen sind, deren Ausgang an eine Auswerteeinheit (5) gefuehrt ist, waehrend ein Ausgang der Auswerteeinheit (5) mit einem Steuereingang der Stromquelle (2) und/oder einer Heiz- und Kuehl-Einheit (8) verbunden ist. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung und Regelung derTemperaturvon Halbleiterlaserdioden, insbesondere von in Laser-Xerographischen Druckern verwendeten GaAsAI/P-Laserdioden, wobei die Laserdiode impulsartig betrieben wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Wie aus der Fachliteratur bekannt ist, hängt die Lebensdauer der Laserdioden im wesentlichen von der Temperatur des aktiven Bereiches, also des Diodenüberganges der Laserdiode ab. Wie Joanne S. Manning bereits in 7. Appl. Phys. 5/25 Ausgabe 1981, Mai feststellte, verringert sich die Lebensdauer der Laserdiode bei Überwärmung des Diodenüberganges mit der Erhöhung der Temperatur exponentiell. Bei Unterkühlung des Überganges zerstört dagegen die sich erhöhende Laserausstrahlungsleistung den Laser und führt zum Abbruch des Laserbetriebes. In der Praxis wurden zahlreiche Lösungen entwickelt, die zur Verhinderung der obigen Erscheinungen dienen. So wurde zum Beispiel vorgeschlagen, die Laserdioden nur bis zur Hälfte oder bis zu zwei Dritteln ihrer maximalen Ausstrahlungsleistung zu betreiben. (Hitachi laser diode application manuell HLP 1000-3000.) Diese Lösung führt zu einer Verringerung der Leistungsausnutzung und einer Erhöhung des Kostenaufwandes derzu-verwendenden Laserdiode.

Das Überschreiten der maximalen Ausstrahlungsleistung kann durch eine unmittelbare Messung der abgegebenen Strahlungsleistung verhindert werden (GB-PS 2045516 und 2054949). Hierbei wird die abgegebene Strahlungsleistung mittels Photodioden gemessen, wobei die Photodiode über eine Steuerschaltung die abgegebene Strahlungsleistung in zugelassenen Grenzen hält.

Diese Lösung ist zur Verwendung bei einem schnellen impulsartigen Betrieb der Laserdiode nicht geeignet und liefert keine eindeutige Information über die Temperatur der Laserdiode, erhöht jedoch die Kompliziertheit und die Kosten der Konstruktion. Eine ähnliche Lösungsmöglichkeit stellt die Temperaturmessung mittels eines Thermistors dar. Ein Beispiel dafür bilden Dioden, bei denen mittels eines Thermistors jedoch nur die Außentemperatur des Gehäuses der Laserdiode gemessen werden kann. Vorteilhafter ist die in den Laserdioden vom Typ TXBD 8500 der Firma Telefunken oder der Firma Canon verwendete Lösung, bei der der Thermistor an der Wärmesenke der Laserdiode angeordnet ist und somit von außen die Temperatur des Laserchips mißt. Die Verwendung des Thermistors erhöht jedoch bei der Montage die Kompliziertheit der Konstruktion sowie den Kostenaufwand, darüber hinaus sind zwei Anschlüsse erforderlich.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Thermistor die Temperatur des Diodenüberganges ungenau und nur mit einer Zeitverzögerung mißt.

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens nebst entsprechender Schaltungsanordnung zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden, die von den obenerwähnten Mangeln frei ist, d.h. keinen gesonderten Thermistor und keine komplizierte Haltekonstruktion erfordert, und das zur unmittelbaren Bestimmung und Regelung der Temperatur des Diodenüberganges von Laserdioden geeignet ist, wodurch der Einsatz von Laserdioden mit geringerem Kostenaufwand und die Ausdehnung der maximalen Ausstrahlungsleistung ermöglicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung beruhtauf der Erkenntnis, daß die Spannung der Laserdiode bei konstantem Strom von der Temperatur des Diodenüberganges der Chipdiode abhängt, wobei sie sich je nach dem Typ der Diode um -2 bis -5mV/°C ändert.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden entwickelt, bei welchem die Laserdiode im Impulsbetrieb betrieben wird, wobei gemäß der Erfindung während der Aussetzdauer der Laserausstrahlung durch die Laserdiode ein gegenüber dem zur Laserausstrahlung erforderlichen minimalen Strom geringerer, konstanter Strom geleitet wird. Hierbei wird innerhalb dieses Zeitintervalls mindestens einmal die Spannung der Laserdiode abgetastet. Der abgetastete Wert wird gespeichert und ausgewertet, der erhaltene Wert gegebenenfalls angezeigt, und in Abhängigkeit vom erhaltenen Resultat wird der die Laserdiode speisende Strom gesteuert. Es ist vorteilhaft, wenn zur Steuerung der Abtastung den Betrieb der Laserdiode steuernde Logiksignale verwendet werden. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die die Abtastung steuernden Signale nach der Aussetzung der Laserausstrahlung um 200 bis 300 nsec verzögert werden.

Weiterhin wurde zur Durchführung des Verfahrens eine Schaltungsanordnung entwickelt, die mit einer die Laserdiode speisenden Stromquelle, einer Logikeinheit und gegebenenfalls einer Heiz- und Kühl-Einheit versehen ist. Gemäß der Erfindung sind die Anschlüsse der Laserdiode über einen Spannungsfolger mit großem Eingangswiderstand an eine Abtast- und Halteeinheit (sample and hold circuit) angeschlossen. Der Ausgang der Abtast- und Halteeinheit ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, während ein Ausgang der Auswerteeinheit mit einem Steuereingang der die Laserdiode speisenden Stromquelle und/oder der Heiz- und Kühl-Einheit verbunden ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Stromquelle durch einen steuerbaren Stromgenerator mit einer Genauigkeit von ±0,1 mA gebildet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuereingang der Abtast- und Halteeinheit über eine Verzögerungseinheit mit einer die Laserdiode steuernden Logikeinheit verbunden.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit eine Anzeigeeinheit enthält.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: ein allgemeines Blockschema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungsanordnung zur Bestimmung und

Regelung der Temperatur von Laserdioden

Fig.2: einen Ausschnitt eines mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aufgebauten Laserdruckes.

In Fig. 1 ist ein Blockschema einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt.

Eine Laserdiode 1 wird von einer Stromquelle 2 gespeist. Die Stromquelle 2 ist als steuerbarer Stromgenerator mit einer Genauigkeit von ±0,1 mA ausgebildet.

Die Anschlüsse der Laserdiode 1 sind an einen mit großem Eingangswiderstand ausgebildeten Spannungsfolger 3 geführt. Ein Ausgang desSpannungsfolgers3ist mit einer Abtast-und Halteeinheit 4 verbunden, deren Ausgang an einen Eingang einer Auswerteeinheit 5 angeschlossen ist. Ein Ausgang der Auswerteeinheit 5 ist mit den Steuereingängen der die Laserdiode 1 speisenden Stromquelle 2 und einer Heiz- und Kühl-Einheit 8 verbunden. Ein Steuereingang der Abtast- und Halteeinheit 4 ist über eine Verzögerungseinheit 6 an eine Logikeinheit 7—die in bekannter Weise als eine bei den handelsüblichen Laserdruckern übliche Logikeinheit ausgebildet sein kann — angeschlossen.

Ein weiterer Ausgang der Logikeinheit 7 ist mit einem weiteren Steuereingang der Stromquelle 2 verbunden. Die Eingänge der Logikeinheit 7 sind an weitere Einheiten eines Zeilendruckers (nicht dargestellt) angeschlossen.

Der Laserbetriebsstrom beträgt je nach dem.Typ der Laserdiode 50 bis 20OmA, die Modulationstiefe (zur Ein- und Ausschaltung der Laserstrahlung) beträgt im allgemeinen 10 bis 30%.

Gemäß der Erfindung fließt auch außerhalb des Laserbetriebszustandes der Laserdiode über die Laserdiode ein Grundstrom, dessen Wert gerade unter dem Laserschwellenstrom liegt und vom Typ der jeweiligen Laserdiode 1 abhängt.

Die Genauigkeit der verwendeten Stromquelle 1 beträgt sowohl in Hinsicht auf den Grundstrom als auch in Hinsicht auf den Laserbetriebsstrom ±0,1 mA. Die Verwendung des Grundstromes verbessert die Schalteigenschaften der Laserdiode 1,und trägt darüber hinaus dazu bei, die Temperatur der Laserdiode 1 zu stabilisieren, da dadurch die durch den Strom, welcher durch die Laserdiode fließt, hervorgerufene Joule-Wärme einen annähernd konstanten Wert annimmt. Die jeweilige Spannung der Laserdiode 1 erscheint über den mit einem großen Eingangswiderstand ausgebildeten Spannungsfolger 3 an der Abtast-und Halteeinheit 4. Der mit einem großen Eingangswiderstand ausgebildete Spannungsfolger 3 dient dazu, eine Einwirkung der Abtast-und Halteeinheit 4 auf die Funktion der Laserdiode 1 zu verhindern.

Die Einstellung des Zeitpunktes der Abtastung wird anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausschnittes eines Laserdruckers veranschaulicht. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, gelangt die Laserstrahlung der Laserdiode 1 über einen Drehspiegel 9 bis zum Papier. In dem vom Zeilenraddetektor 10 bis zum Zeilenbeginn 11 anhaltenden Abstand erfolgt die Aussetzung des Laserbetriebes. Die Zeitdauer der Aussetzung des Zeilenlaufes beträgt im allgemeinen 1 bis 3 msec, vorzugsweise 1,7 msec. In dieser Zeitspanne wird die Abtastung mindestens einmal vorgenommen. Zur Steuerung dieser Abtastung werden die Signale der die Laserdiode 1 steuernden Logikeinheit 7 verwendet.

Zwischen der Logikeinheit 7 und der Abtast- und Halteeinheit 4 ist eine Verzögerungseinheit 6 vorgesehen. Dies ist erforderlich, um zu vermeiden, daß die Spannungsschwankungen, welche infolge der bei der Ein- und Ausschaltung des Laserbetriebes gegebenenfalls auftretenden Stromtransienten entstehen, die zur Bestimmung der Temperatur bei Grundstrom gemessenen Spannungspegel beeinflussen und somit zu Meßfehlern führen würden. Die Verzögerungszeit beträgt 200 bis 300 msec. Der Ausgang der Abtast- und Halteeinheit 4 ist an die Auswerteeinheit 5 angeschlossen, welche bei einer für die Laserdiode gefährlichen Temperatur durch Steuerung der Stromquelle 2 und der Heiz- und Kühl-Einheit 8 den Strom der Laserdiode 1 auf den Grundwert einstellt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Temperatur der Laserdiode ohne Verwendung eines Temperaturmeßelementes unmittelbar überwacht werden, somit kann bei Erreichen einer schädlich auf die Laserdiode einwirkenden Temperatur durch die Steuerung des Laserbetriebs abgeschaltet (auf den Pegel des Grundstromes) werden, wodurch die hochwertige Laserdiode vor einer schädlichen Überwärmung oder vor einer noch schädlicher wirkenden Laserleistungserhöhung bei Unterkühlung geschützt werden kann.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Temperatur des Laserbetriebsbereiches beim Einschalten (d. h. ohne Laserbetriebsstrom, beim Einstellen der Temperatur) ebenfalls unmittelbar meßbar ist, des weiteren ist die beim Ein- und Ausschalten und während des Betriebes erfolgende Temperaturänderung (in der Laserbetriebspause) im aktiven Bereich der Laserdiode genau überprüfbar.

Claims

Patentanspruch:

1. Verfahren zur Bestimmung und Regelung derTemperaturvon Laserdioden, insbesondere von in Zeilendruckern verwendeten Laserdioden, wobei die Laserdiode impulsartig mit aufeinander folgenden Laserausstrahlungs- und Aussetzungsperioden betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Zeitintervalls des Aussetzens der Laserausstrahlung über die Laserdiode ein konstanter Grundstrom, dessen Größe kleiner als die Größe des zur Laserausstrahlung erforderlichen minimalen Stromes gewählt ist, geleitet wird, daß in diesem Zeitintervall mindestens einmal die Spannung der Laserdiode abgetastet wird, und der abgetastete Wert gespeichert und ausgewertet wird, und daß sodann der erhaltene Wert gegebenenfalls angezeigt und in Abhängigkeit vom erhaltenen Resultat der die Laserdiode speisende Strom gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Abtastung die Steuersignale der Laserdiode verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung mit einer Verzögerung von 200 bis300nsec nach dem Aussetzen der Laserausstrahlung durchgeführt wird.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, welche eine Stromquelle zur Speisung der Laserdiode, eine Logikeinheit und gegebenenfalls eine Heiz- und Kühl-Einheit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der Laserdiode (1) über einen Spannungsfolger (3) mit großem Eingangswiderstand an eine Abtast- und Halteeinheit (4) angeschlossen sind, daß ein Ausgang der Abtast- und Halteeinheit (4) an eine Auswerteeinheit (5) geführt ist, und daß ein Ausgang der Auswerteeinheit (5) mit einem Steuereingang der die Laserdiode (1 !speisenden Stromquelle (2) und/oder der Heiz- und Kühl-Einheit (8) verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (2) zur Speisung der Laserdiode (1) durch einen steuerbaren Stromgenerator mit einer Geschwindigkeit von ±0,1 mA gebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuereingang der Abtast-und Halteeinheit (4) über eine Verzögerungseinheit (6) an die Logikeinheit (7) zur Steuerung der Laserdiode (1) geführt ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (5) eine Anzeigeeinheit enthält.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen