DD243147A5 - METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR DETERMINING AND REGULATING THE TEMPERATURE OF LASER DIODES - Google Patents
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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. 1The invention relates to a method and circuit arrangement for determining and regulating the temperature of laser diodes, in particular of laser diodes used in line printers, wherein the laser diodes are operated in the pulse mode. The essence of the method according to the invention is that in the time interval of the exposure of the laser emission, a lower constant background current is conducted via the laser diode than the laser threshold current. In this time interval, the voltage of the laser diode is scanned at least once and then the sampled value is stored and evaluated. Depending on the result obtained, the current supplying the laser diode is controlled. The essence of the inventive circuit arrangement is that the connections of the laser diode (1) are connected via a voltage follower (3) with high input resistance to a sample and hold unit whose output is passed to an evaluation unit (5), while an output of the evaluation (5) is connected to a control input of the power source (2) and / or a heating and cooling unit (8). Fig. 1
Description
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.The invention relates to a method and a circuit arrangement for determining and regulating the temperature of semiconductor laser diodes, in particular of GaAsAI / P laser diodes used in laser xerographic printers, wherein the laser diode is operated in pulses.
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.As is known from the specialist literature, the life of the laser diode depends essentially on the temperature of the active region, ie the diode junction of the laser diode. As Joanne S. Manning already in 7. Appl. Phys. 5/25 Edition 1981, May, the lifetime of the laser diode decreases exponentially as the diode junction overheats as the temperature increases. When subcooling the transition, however, the increasing laser radiation power destroys the laser and leads to the termination of laser operation. In practice, numerous solutions have been developed which serve to prevent the above phenomena. For example, it has been proposed to operate the laser diodes only up to half or up to two-thirds of their maximum radiated power. (Hitachi laser diode application manual HLP 1000-3000.) This solution leads to a reduction in power utilization and an increase in the cost of the laser diode to be used.
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.The exceeding of the maximum radiation power can be prevented by an immediate measurement of the emitted radiation power (GB-PS 2045516 and 2054949). In this case, the emitted radiation power is measured by means of photodiodes, wherein the photodiode holds the emitted radiation power within permitted limits via a control circuit.
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.This solution is not suitable for use in fast pulsed operation of the laser diode and does not provide clear information about the temperature of the laser diode, but adds to the complexity and cost of the design. A similar solution is the temperature measurement by means of a thermistor. An example of this are diodes, in which by means of a thermistor, however, only the outside temperature of the housing of the laser diode can be measured. More advantageous is the solution used in the laser diodes of type TXBD 8500 from Telefunken or Canon, in which the thermistor is arranged on the heat sink of the laser diode and thus measures the temperature of the laser chip from the outside. However, the use of the thermistor increases the complexity of the construction and the cost of assembly, in addition, two connections are required.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Thermistor die Temperatur des Diodenüberganges ungenau und nur mit einer Zeitverzögerung mißt.Another disadvantage is that the thermistor measures the temperature of the diode junction inaccurate and only with a time delay.
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.The object of the invention is to provide a method and corresponding circuit arrangement for determining and regulating the temperature of laser diodes, which is free from the abovementioned shortages, i. does not require a separate thermistor and complex support structure and is suitable for directly determining and controlling the diode junction temperature of laser diodes, thereby enabling the use of lower cost laser diodes and extending the maximum radiated power.
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.The invention is based on the finding that the voltage of the laser diode at constant current depends on the temperature of the diode junction of the chip diode, changing by -2 to -5 mV / ° C depending on the type of diode.
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.To achieve the object, a method for determining and regulating the temperature of laser diodes has been developed in which the laser diode is operated in pulsed operation, wherein according to the invention during the exposure time of the laser emission by the laser diode compared to the required for the laser emission minimum current lesser, more constant Electricity is passed. In this case, the voltage of the laser diode is scanned at least once within this time interval. The sampled value is stored and evaluated, the obtained value optionally displayed, and depending on the result obtained, the current supplying the laser diode is controlled. It is advantageous if the operation of the laser diode controlling logic signals are used to control the scanning. It is furthermore advantageous if the signals controlling the sampling are delayed by 200 to 300 nsec after exposure of the laser emission.
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.Furthermore, a circuit arrangement has been developed to carry out the method, which is provided with a laser diode feeding power source, a logic unit and optionally a heating and cooling unit. According to the invention, the terminals of the laser diode are connected via a voltage follower with high input resistance to a sample and hold circuit. The output of the sample and hold unit is connected to an evaluation unit, while an output of the evaluation unit is connected to a control input of the laser diode feeding current source and / or the heating and cooling unit.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Stromquelle durch einen steuerbaren Stromgenerator mit einer Genauigkeit von ±0,1 mA gebildet.In an advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention, the current source is formed by a controllable current generator with an accuracy of ± 0.1 mA.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuereingang der Abtast- und Halteeinheit über eine Verzögerungseinheit mit einer die Laserdiode steuernden Logikeinheit verbunden.In a further advantageous embodiment of the invention, a control input of the sample and hold unit is connected via a delay unit to a logic unit controlling the laser diode.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit eine Anzeigeeinheit enthält.It is furthermore advantageous if the evaluation unit contains a display unit.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings. In the drawings show:
Fig. 1: ein allgemeines Blockschema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungsanordnung zur Bestimmung undFig. 1: a general block diagram of an inventively designed circuit arrangement for determining and
Regelung der Temperatur von LaserdiodenControl of the temperature of laser diodes
Fig.2: einen Ausschnitt eines mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aufgebauten Laserdruckes. 2 shows a detail of a constructed by means of the circuit arrangement according to the invention laser printing.
In Fig. 1 ist ein Blockschema einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt.In Fig. 1 is a block diagram of a preferred embodiment of the circuit arrangement according to the invention is shown.
Eine Laserdiode 1 wird von einer Stromquelle 2 gespeist. Die Stromquelle 2 ist als steuerbarer Stromgenerator mit einer Genauigkeit von ±0,1 mA ausgebildet.A laser diode 1 is fed by a current source 2. The current source 2 is designed as a controllable current generator with an accuracy of ± 0.1 mA.
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.The terminals of the laser diode 1 are guided to a trained with high input resistance voltage follower 3. An output of the voltage follower 3 is connected to a sample and hold unit 4 whose output is connected to an input of an evaluation unit 5. An output of the evaluation unit 5 is connected to the control inputs of the laser diode 1 feeding power source 2 and a heating and cooling unit 8. A control input of the sample and hold unit 4 is connected via a delay unit 6 to a logic unit 7 - which may be formed in a known manner as a usual in the conventional laser printer logic unit - connected.
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.Another output of the logic unit 7 is connected to a further control input of the power source 2. The inputs of the logic unit 7 are connected to other units of a line printer (not shown).
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%.Depending on the type of laser diode, the laser operating current is 50 to 20 mA, the modulation depth (for switching the laser radiation on and off) is generally 10 to 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.According to the invention, outside of the laser operating state of the laser diode flows through the laser diode, a base current whose value is just below the laser threshold current and depends on the type of the respective laser diode 1.
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.The accuracy of the current source 1 used is ± 0.1 mA, both with respect to the base current and with respect to the laser operating current. The use of the base current improves the switching characteristics of the laser diode 1, and also helps to stabilize the temperature of the laser diode 1, since thereby the Joule heat caused by the current flowing through the laser diode assumes an approximately constant value. The respective voltage of the laser diode 1 appears over the voltage follower 3, which is designed with a large input resistance, on the sample and hold unit 4. The voltage follower 3, which is designed with a large input resistance, serves to influence the operation of the laser diode 1 on the sample and hold unit 4 prevent.
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.The timing of the scanning is illustrated by the section of a laser printer shown in FIG. As can be seen from Fig. 2, the laser radiation of the laser diode 1 passes through a rotating mirror 9 to the paper. In the distance from the line wheel detector 10 to the beginning of the line 11, the suspension of the laser operation takes place. The period of exposure of the line scan is generally 1 to 3 msec, preferably 1.7 msec. During this period, sampling is performed at least once. To control this scanning, the signals of the laser diode 1 controlling logic unit 7 are used.
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.Between the logic unit 7 and the sample and hold unit 4, a delay unit 6 is provided. This is necessary in order to avoid that the voltage fluctuations, which arise as a result of the current transients which may occur during the switching on and off of the laser operation, influence the voltage level measured to determine the temperature at the base current and thus lead to measurement errors. The delay time is 200 to 300 msec. The output of the sample and hold unit 4 is connected to the evaluation unit 5, which adjusts the current of the laser diode 1 to the basic value at a dangerous for the laser diode temperature by controlling the power source 2 and the heating and cooling unit 8.
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.With the aid of the method according to the invention, the temperature of the laser diode can be monitored directly without the use of a Temperaturmeßelementes, thus on reaching a detrimental effect on the laser diode temperature by the control of the laser operation switched off (to the level of the base current), whereby the high-quality laser diode before harmful overheating or can be protected against even more detrimental laser power increase in hypothermia.
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.Another advantage of the method according to the invention is that the temperature of the laser operating range when switching on (ie without laser operating current, when setting the temperature) is also directly measurable, further is the taking place during switching on and off and during operation temperature change (in the laser break ) in the active region of the laser diode exactly verifiable.
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