DE102006036167A1

DE102006036167A1 - Schaltungsanordnung zum gepulsten Ansteuern einer Laserdiodenanordnung

Info

Publication number: DE102006036167A1
Application number: DE200610036167
Authority: DE
Inventors: Hubert Adamietz; Volker Krause
Original assignee: Laserline Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb Von Diodenlasern GmbH
Current assignee: Laserline Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb Von Diodenlasern GmbH
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-08-02
Also published as: DE102006036167B4

Abstract

Bei einer Ansteuerschaltung zur Ansteuerung einer wenigstens eine Laserdiode aufweisenden Laserdiodenanordnung mit Stromimpulsen ist die Laserdiodenanordnung in einem wenigstens einen steuerbaren Schalter aufweisenden Entladestromkreis eines Kondensators angeordnet, in dessen eine Gleichspannungsquelle einschließenden Ladestromkreis zumindest eine Induktivität derart angeordnet ist, dass diese zusammen mit dem Kondensator zumindest während der Dauer des Stromimpulses als Serienresonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz wirkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Eine Laserdiodenanordnung im Sinne der Erfindung ist im einfachsten Fall eine Laserdiode, bevorzugt aber eine Anordnung von mehreren Laserdioden oder Laserdiodenbarren, vorzugsweise eine Anordnung in der Weise, dass diese Laserdioden oder Laserdiodenbarren elektrisch in Serie liegen. Laserdiodenbarren im Sinne der Erfindung sind Halbleiter-Laserchips, die jeweils eine Vielzahl von Laserdioden oder Emittern bilden.
Moderne Halbleiter-Laserchips ermöglichen die Realisierung von gepulsten direkten Hochleistungslasern, beispielsweise für die Materialbearbeitung. Hierbei ist es notwendig, für bestimmte Anwendungen hochenergetische, aber sehr kurze Laserimpulse (ca. 0,2 – 2 μms) zu generieren, d.h. die jeweilige Laserdiodenanordnung mit sehr kurzen Stromimpulsen hoher Stromstärke anzusteuern. Es ist dabei insbesondere auch erforderlich, dass die entsprechende Ansteuerschaltung in der Lage ist, Stromimpulse mit sehr großer Amplitude und mit sehr steilen Anstiegs- und Abfallflanken bei hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen. So werden z.B. bei Verwendung von Laserbarren mit einer Vielzahl von Emittern auf einem gemeinsamen Halbleiterchip mit 10mm × 0,6 mm × 3 mm Stromimpulse der Größenordnung von 1 – 3 kA mit einer Pulslänge von 0,2 – 2 μ/sec benötigt.
Probleme hierbei bereiten u.a. die Induktivitäten, die u.a. von Induktivitäten der Anschlussleitungen, aber auch von Induktivitäten in der Ansteuerschaltung bzw. der für das Schalten der Stromimpulse verwendeten elektronischen Schalter (insbesondere Schalttransistoren) gebildet werden. Diese unvermeidbaren Induktivitäten stehen den gewünschten steilen Anstiegs- und Abfallflanken der die Laserdiodenanordnung ansteuernden Stromimpulse entgegen. Bei den bekannten Ansteuerschaltungen wird versucht, diese Nachteile durch entsprechend hohe Spannungen der verwendeten Gleichspannungsversorgung oder Gleichspannungsquelle zu beheben. Grundsätzlich sind zwei Verfahrensweisen für den Betrieb von Hochleistungshalbleiterlasern bekannt, nämlich:
Ansteuerschaltung mit Längs-Schalter
Der als Schalter verwendete Schalttransistor ist bei dieser Art der Ansteuerschaltung in Serie mit einer Gleichspannungsquelle mit relativ hoher Spannung und dem Laser geschaltet. In der Praxis kann es notwendig sein, dass die Spannung der Gleichspannungsquelle zur Erzielung von Stromimpulsen mit steilen Anstiegs- und Abfallflanken sehr viel höher gewählt werden muss als die Spannung, die letztlich für den Betrieb der Laserdiodenanordnung notwendig ist. Der Transistor wird dann so gesteuert, dass er nur während der Pulsphase, d.h. während des Stromimpulses an die Laserdiodenanordnung leitet. Um die Stromhöhe im eingeschwungenen Zustand zu begrenzen, wird entweder der Schalttransistor geregelt geöffnet oder aber in den Schaltkreis wird ein Begrenzungswiderstand eingefügt.
Nachteilig hierbei ist u.a., dass die relativ hohe Spannung der Gleichspannungsquelle, die (Spannung) für die Überwindung der Induktivitäten, d.h. für die Erzielung der steilen Anstiegs- und Abfallflanken benötigt wird, hohe Wärmeverluste am Schalttransistor verursacht. Ansteuerschaltungen bzw. Pulsquellen dieser Art weisen deshalb entweder schlechte Stromanstiegszeiten, d.h. keine steilen Anstiegs- und Abfallflanken des jeweiligen Stormimpulses, oder aber einen relativ kleinen Wirkungsgrad auf.
Ansteuerschaltung mit Querschalter
Bei dieser Art der Ansteuerschaltung liegt der Schalttransistor parallel zur Laserdiodenanordnung und der so gebildete Dipol (Parallelschaltung) wird durch eine Stromquelle (eingeprägter Strom) versorgt. Die Stromquelle besteht dabei aus einer relativ großen Induktivität, angeschlossen an eine Spannungsversorgung, z.B. Abwärtswandler (step down converter).
Während der Pulspause ist der Schaltkondensator leitend, sodass der Strom der Stromquelle durch die Induktivität fließt. Während des Stromimpulses wird der Transistor gesperrt, sodass die in der Induktivität vorhandene magnetische Energie zu einem Spannungsimpuls an der Laserdiodenanordnung und damit zu einem Stromimpuls durch die Laserdiodenanordnung führt. Nachteilig hierbei ist aber, dass die Induktivität insbesondere auch während der Impulspause ständig von einem hohen Strom, der dem Pulsstrom entspricht, durchflossen wird. Hierdurch entstehen relativ hohe Verluste nicht nur in der Induktivität, sondern auch in dem Schalttransistor und in der Versorgung. Bei einem Impulsstrom von 1kA und einem Spannungsabfall am Schalttransistor von 1V sowie einem D-Cycle von 10% entstehen beispielsweise Verluste in der Größenordnung von 900W.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur impulsförmigen Ansteuerung von Laserdiodenanordnungen aufzuzeigen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine Ansteuerung mit Stromimpulsen großer Amplitude und steilen Flanken trotz vorhandener Induktivitäten ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der jeweilige Stromimpuls durch Entladen eines Kondensators erzeugt wird. Dieser bildet zumindest während der Erzeugung des Stromimpulses bzw. während der hierfür erfolgenden Entladung des Kondensators zusammen mit vorhandenen, nicht vermeidbaren Induktivitäten einen Serienresonanzkreis, dessen Frequenz so gewählt ist, dass die halbe Wellenlänge dieser Resonanzfrequenz gleich oder etwa gleich der Breite des gewünschten Stromimpulses ist. Letzteres wird beispielsweise durch Anpassung des Kondensators erreicht, dessen Kapazität allerdings auch so gewählt ist, dass durch das Entladen des Kondensators der erforderliche Stromimpuls erzeugt werden kann.
Eine Besonderheit der Erfindung besteht auch darin, dass Mittel vorgesehen sind, die es ermöglichen, die nach der Beendigung des Stromimpulses in der Induktivität gespeicherte magnetische Energie für das Wiederaufladen bzw. Umladen des Kondensators zu nutzen, sodass die Energieverluste in der Ansteuerschaltung minimiert und diese daher im Vergleich zu bekannten Ansteuerschaltungen einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad bei Stromimpulsen mit sehr hoher Amplitude und steilen Flanken aufweist.
Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1, 3, 5, 7, 9, 11 und 13 unterschiedliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung; 2, 4, 6, 8, 10, 12 und 14 zugehörige Strom/Spannungs-Zeitdiagramme.
In den Figuren ist 1 jeweils eine Laserdiodenanordnung, die aus einer Vielzahl von elektrisch in Serie liegenden Laserdioden gebildet ist, und 2 eine Gleichspannungsquelle, mit der die Laserdiodenanordnung gepulst, d.h. mit Stromimpulsen großer Amplitude und großer Impulsdauer betrieben wird. Die Laserdiodenanordnung 1 sowie auch die Gleichspannungsquelle 2 sind jeweils mit einem Pol mit der Schaltungsmasse verbunden.
Zur impulsförmigen Ansteuerung der Laserdiodenanordnung 1 dient bei der Ausführungsform der 1 eine Ansteuerschaltung 3, deren positiver Anschluss 4 über eine Induktivität 5, die im Wesentlichen von der Induktivität einer Verbindungsleitung sowie auch von schaltungsinternen Induktivitäten gebildet ist, mit dem positiven Anschluss der Gleichspannungsquelle 2 verbunden ist.
Die Ansteuerschaltung 3 umfasst im Wesentlichen folgende Elemente:

• Einen Kondensator 6, der parallel zum Eingang der Ansteuerschaltung 3 liegt, d.h. zwischen dem positiven Anschluss 4 und der Schaltungsmasse,
• einen elektrisch oder elektronisch betätigbaren Schalter 7, der beispielsweise von einem Halbleiterbauelement, z.B. Transistor gebildet ist,
• einer parallel zu dem Schalter 7 angeordneten Diode 8, sowie
• eine zwischen dem positiven Anschluss 9 und der Schaltungsmasse angeordnete und damit parallel zu der Laserdiodenanordnung vorgesehene Diode 10.

Die von dem Schalter 7 und der Diode 8 gebildete Parallelschaltung liegt in Serie zwischen den beiden Anschlüssen 4 und 9, von denen der Anschluss 4 den Eingang und der Anschluss 9 den Ausgang der Ansteuerschaltung 3 bilden. Weiterhin ist die den Schalter 7 überbrückende Diode 8 so gepolt, dass sie für einen Stromfluss von dem Anschluss 9 an den Anschluss 4 öffnet und für einen Stromfluss in entgegengesetzter Richtung sperrt. Die Diode 10 ist entgegen der Polung der Dioden der Laserdiodenanordnung 1 gepolt, und zwar derart, dass sie für einen Stromfluss von der Schaltungsmasse an den Anschluss 9 öffnet. Die Spannungsquelle 2 und die Induktivität 5 bilden bei dieser Ausführungsform den Ladestromkreis des Kondensators 6. Die Parallelschaltung von Schalter und Diode 8 und die in Serie hiermit angeordnete Laserdiodenanordndung 1 bilden den Entladestromkreis dieser Ausführung Die Induktivität 5 und der Kondensator 6 bilden einen Serien-Resonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz FR so gewählt ist, dass die halbe Periode oder Wellenlänge dieser Frequenz gleich oder etwa gleich der Impulsdauer des für die Ansteuerung der Laserdioden der Laserdiodenanordnung 1 dienenden Stromimpulses i_Id ist.
In der 1 sind weiterhin mit den Pfeilen U₀ die Spannung der Spannungsquelle 2, U_c die am Kondensator zwischen dem Anschluss 4 und der Schaltungsmasse anliegende Spannung, i_s der Strom zwischen den Anschlüssen 4 und 10 und damit über den Schalter 7 bzw. die Diode 8 und i_Id der Laserdiodenstrom bezeichnet, und zwar in einer Flussrichtung von dem Anschluss 9 an die Schaltungsmasse.
In der 2 ist der zeitliche Verlauf dieser elektrischen Größen wiedergegeben, und zwar in Abhängigkeit von der Schließzeit t_s des im Ruhezustand offenen Schalters 7. Wie aus den Diagrammen in 2 hervorgeht, wird mit der Ansteuerschaltung 3 eine Kompensation der nicht zu vermeidenden Induktivität 5 in der Anschlussleitung zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und der Ansteuerschaltung 3 erreicht.
Zur Erzeugung eines pulsförmigen Stromes i_Id durch die Laserdiodenanordnung 1, d.h. zum pulsförmigen Aktivieren dieser Laserdiodenanordnung wird der Schalter 5 entsprechend dem Diagramm ts pulsförmig geschlossen, und zwar mit einer Impulsdauer, die etwas größer ist als die halbe Periodendauer t1 – t2. Durch das Schließen des Schalters 7 wird der Kondensator 6 zunächst entladen, so dass der Strom i_s der Resonanzfrequenz FR entsprechend in einer ersten Halbperiode t1 – t2 dieser Resonanzfrequenz FR zunächst sinusförmig ansteigt, dann seinen Scheitelwert erreicht und anschließend wieder abfällt. Zum Zeitpunkt t2, d.h. etwa am Ende der ersten Halbperiode der Resonanzfrequenz FR weist der Strom i_s einen Nulldurchgang auf und anschließend einen sinusförmigen Verlauf in umgekehrter Richtung, sodass er nach Erreichen eines negativen Scheitelwerts wieder gegen Null hin abnimmt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schalter 7 wieder geöffnet, da die Schließdauer t_s des Schalters 7 gleich oder nur geringfügig größer als die halbe Periode der Resonanzfrequenz FR gewählt ist. Die negative Phase des Stromes i_s ist durch die Polung der Dioden 8 und 10 möglich. Aus dem Verlauf des Stromes i_s ergibt sich zum einen der pulsförmige Strom i_Id durch die Dioden der Laserdiodenanordnung 1, d.h. dieser Strom ist gleich der positiven Phase des Stromes i_s. Aus dem Verlauf des Stromes i_s ergibt sich auch, dass der in der Halbperiode t2 – t3 negative Strom i_s zum Aufladen bzw. Umladen des Kondensators 6 beiträgt, die entsprechende Energie also nicht verloren geht und der Kondensator 6 zum Zeitpunkt t3, d.h. nach dem Ablauf einer vollen Periode der Resonanzfrequenz FR wieder die volle Spannung u_c aufweist, so dass die Ansteuerschaltung 3 für die Erzeugung eines weiteren Stromimpulses i_Id bereit steht.
Die an den Kondensator 6 durch den Strom i_s in der Halbperiode t2 – t3 zurückgeführte Energie entspricht der ursprünglichen, d.h. vor dem Aktivieren des Schalters 7 im Kondensator 6 gespeicherten Energie abzüglich der an die Laserdiodenanordnung 1 abgegebenen Energie sowie weiterer Verluste innerhalb der Ansteuerschaltung 3 und der Laserdiodenanordnung 1. Diese Verluste sind aber im Vergleich zu der an die Laserdiodenanordnung 1 abgegebenen Energie klein, zumal sie lediglich während der Impulsphase der Laserdiodenanordnung 1 entstehen und Spannungsabfälle an den verwendeten Bauteilen, insbesondere am Schalter 7 und an den Dioden 8 und 10 klein gehalten werden können. Weiterhin ist bei dieser Schaltungsanordnung auch der Strom durch die Induktivität 5 gering, so dass in der Praxis die Verluste an dieser Induktivität sowie in der Gleichspannungsquelle 2 klein sind.
Mit einer Spannung U₀ von 220 Volt, mit einer Kapazität des Kondensators 6 von 1 uF mit einem Induktivitätswert für die Induktivität 5 von 30 nH und einer Laserdiodenanordnung mit insgesamt zwölf in Serie geschalteten Laserdiodenbarren lassen sich beispielsweise Impulsspitzenströme in der Größenordnung von 950 Ampere bei einer Impulslänge von 540 ns erreichen, und zwar bei einem Wirkungsgrad von etwa 60 – 75%.
Die 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die wiederum die Laserdiodenanordnung 1, die die Gleichspannung U₀ liefernde Gleichspannungsquelle 2 sowie eine Ansteuerschaltung 3a aufweist, die mit ihrem positiven Anschluss 4 über die Induktivität 5 mit dem positiven Anschluss der Gleichspannungsquelle 2 und mit ihrem positiven Anschluss 9 mit dem positiven Pol der Laserdiodenanordnung 1 verbunden ist.
Die Ansteuerschaltung 3a unterscheidet sich von der Ansteuerschaltung 3 zunächst dadurch, dass die Dioden 8 und 10 entfallen und anstelle hiervon zwei Dioden 11 und 12 vorgesehen sind, von denen die Diode 11 in der Verbindung zwischen dem Anschluss 4 und dem positiven Anschluss des Kondensators 6 und die Diode 12 in Serie mit dem Schalter 7 liegt. Die Diode 11 ist so gepolt, dass sie für einen Stromfluss vom Anschluss 4 an den Kondensator 6 öffnet und in umgekehrter Richtung sperrt. Die Diode 12 ist so gepolt, dass sie bei geschlossenem Schalter 7 einen Stromfluss von dem Anschluss 6.2 des Kondensators 6 an den Anschluss 9 ermöglicht, in umgekehrter Richtung aber sperrt.
Von der Schaltungsanordnung der 1 unterscheidet sich die Schaltungsanordnung der 3 auch dadurch, dass die Induktivität 5 der Schaltungsanordnung der 3 einen kleineren Wert aufweist, als die entsprechende Induktivität 5 der Schaltungsanordnung der 1.
Der Kondensator 6 und die Induktivität 5 sind wiederum so gewählt, dass sie einen Serienresonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz FR bilden, deren halbe Periode gleich der Dauer t1 – t2 des für die impulsförmige Ansteuerung der Laserdiodenanordnung 1 dienenden Stromimpulses ist.
In der 3 sind mit den Pfeilen U_o die Spannung der Gleichspannungsquelle 2, u_c die Spannung am Kondensator 6, u_t die Spannung zwischen dem Anschluss 4 und der Schaltungsmasse, i_s der Strom am Anschluss 9 sowie i_Id der Strom durch die Laserdiodenanordnung angegeben, wobei der Strom i_Id gleich dem Strom i_s ist.
In der 4 sind die Zeitdiagramme der die vorgenannten elektrischen Größen wiedergegeben, und zwar in Abhängigkeit von der impulsförmigen Einschaltzeit t_s des Schalters 7.
Wie in der 4 dargestellt ist, steigt der Strom i_s und damit der Strom i_Id nach dem Schließen des Schalters 7 zum Zeitpunkt t1 entsprechend der Resonanzfrequenz FR des Serienresonanzkreises aus der Induktivität 5 und dem Kondensator 6 zunächst sinusförmig an, erreicht einen positiven Scheitelwert und dann am Zeitpunkt t2 den Wert Null. Die negative Halbwelle des Stromes i_s kann sich wegen der Diode 12 und des dann geschlossenen Schalters 7 nicht ausbilden.
Durch die Entladung des Kondensators 6 bei geschlossenem Schalter fallen zunächst die Spannungen u_c und u_t analog zu dem sinusförmigen Verlauf des Stromes i_s ab und erreichen einen negativen Wert zum Zeitpunkt, an dem der Strom i_s den positiven Scheitelwert erreicht hat. Am Ende der halben Periode der Resonanzfrequenz FR, d.h. zum Zeitpunkt t2 erfolgt ein stetiges Aufladen des Kondensators 6, so dass die Spannung u_c stetig ansteigt und schließlich den ursprünglichen Wert wieder erreicht. Die in der Induktivität 5 gespeicherte magnetische Energie bewirkt eine überhöhte Spannung u_t. Nach Ablauf der Umlade-Periode (t2 – t3), d.h. zum Zeitpunkt t3, hat die Spannung u_c wiederum ihren maximalen Wert erreicht und ist gleich der Spannung u_t, so dass durch die dann sperrende Diode 11 ein weiterer Resonanzeffekt verhindert ist. Durch die Überhöhung der Spannung wird die in der Induktivität 5 gespeicherte Energie für das Umladen des Kondensators 6 genutzt.
Die 5 zeigt eine Schaltungsanordnung, die wiederum die mit ihrem negativen Anschluss mit der Schaltungsmasse verbundene Laserdiodenanordnung 1 und die mit ihrem negativen Anschluss mit der Schaltungsmasse verbundene Gleichspannungsquelle 2 zur Erzeugung der Gleichspannung U₀ sowie eine Ansteuerschaltung 3b aufweist. Diese unterscheidet sich von der Ansteuerschaltung 3a im wesentlichen nur dadurch, dass an die Induktivität 5 eine weitere Induktivität 5.1 magnetisch angekoppelt ist, die in Serie mit einer Diode 13 parallel zur Gleichspannungsquelle 2 liegt. Die Diode 13 ist so gepolt, dass ein Stromfluss von der Induktivität 5.1 an den positiven Anschluss der Gleichspannungsquelle 2 möglich ist.
Ein Vorteil der Ansteuerschaltung 3a besteht auch darin, dass der Schalter 7 nicht bipolar ausgebildet sein muss, d.h. keine Diode parallel zum Schalter 7 erforderlich ist, und dass die Zeitdauer des Schließens des Schalters 7 relativ unkritisch ist, d.h. der Schalter 7 kann auch nach dem Zeitpunkt t2 geschlossen werden, bevor die Spannung u_c wieder einen positiven Wert annimmt.
Mit den Pfeilen sind in der 5 wiederum die Spannung U_o der Spannungsquelle 2, die Spannung u_c des Kondensators 6 und der Strom i_s über den Schalter 7 sowie der Strom i_Id durch die Laserdiodenanordnung 1 wiedergegeben, wobei der Strom i_s und i_Id identisch sind.
In der 6 sind die zeitlichen Verläufe dieser elektrischen Größe wiedergegeben, und zwar in Abhängigkeit von dem Einschalten t_s des Schalters 7. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Kondensator 6 so auf die von den Induktivitäten 5 und 5.1 gebildete Gesamtinduktivität abgestimmt, dass sich ein Serienresonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz FR ergibt, deren halbe Periode gleich der Dauer des jeweils gewünschten Stromimpulses an der Laserdiodenanordnung 1 ist. Nach dem Schließen des Schalters 7 zum Zeitpunkt t1 erfolgt entsprechend der Resonanzfrequenz FR ein sinusförmiges Ansteigen der Ströme i_s und i_Id. Nach dem Erreichen eines Scheitelwertes fallen diese Ströme wieder ab und erreichen zum Zeitpunkt t2 den Wert Null. Wegen der Diode 12 und wegen des geöffneten Schalters 7 kann sich die negative Halbperiode des Stromes i_s nicht ausbilden. Die Spannung u_c am Kondensator 6 fällt zunächst dem Verlauf des Stromes entsprechend ab, weist zum Zeitpunkt des Schwellwertes des Stromes einen Nulldurchgang auf und steigt dann stetig an, wobei die in der Induktivität 5 gespeicherte magnetische Energie über die angekoppelte Induktivität 5.1 und die Diode 13 an die Gleichspannungsquelle zurückgegeben wird. Am Ende der Rückladeperiode, d.h. zum Zeitpunkt t3 weist der Kondensator 6 wiederum seine maximale Spannung u_c auf. Da die Induktivität 5 bei dieser Ausführungsform relativ groß ist, dauert der Rückladevorgang für den Kondensator 6 relativ lang.
Die 7 zeigt eine Schaltungsanordnung, die sich von der Schaltungsanordnung der 3 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die Diode 11 entfallen ist, d.h. der positive Anschluss des Kondensators 6 wiederum unmittelbar den Anschluss 4 der Steuerschaltung 3c bildet, und dass die Ansteuerschaltung 3c parallel zu dem Kondensator 6 eine Serienschaltung aufweist, die aus der Diode 14, einen weiteren, mit dem Schalter 7 synchronisierten Schalter 7.1 und einer Induktivität 15 besteht. Der Schalter 7.1 ist im Ruhezustand geöffnet. Die Diode 14 ist dabei so gepolt, dass sie bei geschlossenem Schalter 7.1 für einen Stromfluss von der Induktivität 15 an den positiven Anschluss 6.2 des Kondensators 6 öffnet und für einen Stromfluss in entgegen gesetzter Richtung sperrt.
In der 7 sind mit den dortigen Pfeilen die Spannung u_c am Kondensator 6, der Strom i_s über den Schalter 7, der mit dem Strom i_s identische Strom i_Id durch die Laserdiodenanordnung 1 sowie der Strom i_s1 über den geschlossenen Schalter 7.1.
Die 8 zeigt den zeitlichen Verlauf der vorgenannten elektrischen Größen in Abhängigkeit von dem Fließen t_s des Schalters 7 und dem Schließen t_s1 des Schalters 7.1.
Nach dem Schließen des Schalters 7 und bei zunächst geöffnetem Schalter 7.1 erfolgt wiederum ein sinusförmiger Anstieg des Stromes i_s bzw. i_Id entsprechend der Resonanzfrequenz FR des von der Induktivität 5 und dem Kondensator 6 gebildeten Serienresonanzkreises. Wegen der Diode 12 und des dann geöffneten Schalters 7 wird der negative Verlauf des sinusförmigen Stromes i_s in der nächsten Halbperiode unterdrückt. Durch das Schließen des Schalters 7.1 ist aber ein sinusförmiger, negativer Stromfluss i_s1 durch die Induktivität 15 möglich und dadurch die Rück- bzw. Umladung des Kondensators 6 während der Zeitdauer t3 – t4 des geschlossenen Schalters 7.1, so dass die Spannung u_c vom Zeitpunkt t4 wieder ihren maximalen Wert erreicht hat. Die Induktivität 15 bildet zusammen mit dem Kondensator 6 einen Parallelresonanzkreis dessen Resonanzfrequenz gleich der Resonanzfrequenz FR ist.
Die vorstehend im Zusammenhang mit den 1 – 8 beschriebenen Schaltungsanordnungen liefern jeweils Stromimpulse i_Id für die Ansteuerung der Laserdiodenanordnung 1 mit einer Impulsbreite, die durch die Induktivitäten und dabei insbesondere durch die Induktivität 5 sowie durch den Kondensator 6 bzw. durch die von diesen Größen bestimmte Resonanzfrequenz FR vorgegeben ist. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Impulsbreite durch Änderung beispielsweise des Kondensators 6 zu verändern. Allerdings sind mit den hierbei möglichen Änderungen Grenzen gesetzt.
Die 9 und 10 zeigen eine Schaltungsanordnung, die eine schrittweise Änderung der Impulsbreite des Stromes i_s bzw. des Stromes i_Id der Laserdiodenanordnung.
Um dies zu ermöglichen, besteht die Schaltungsanordnung aus insgesamt drei Ansteuerschaltungen 3d, 3d1 und 3d2, von denen die Ansteuerschaltung 3d identisch mit der Ansteuerschaltung 3c der 7 und 8 ist und die Ansteuerschaltungen 3d1 und 3d2 sich von der Ansteuerschaltung 3c lediglich dadurch unterscheiden, dass beispielsweise durch Erhöhung der Kapazität des Kondensators 6 die Resonanzfrequenz FR der Ansteuerschaltung 3d größer ist als die Resonanzfrequenz FR1 der Ansteuerschaltung 3d1 und die Resonanzfrequenz FR2 der Ansteuerschaltung 3d2 größer ist als die Resonanzfrequenz FR1 der Ansteuerschaltung 3d1. Hierbei gilt z.B. FR = 2 × FR1 und FR1 = 2 × FR2.
In der 9 sind mit den dortigen Pfeilen wiederum die Gleichspannungen U₀, U₀₁, U₀₂ der Gleichspannungsquellen 2, 2.1 bzw. 2.2 angegeben, wobei sämtliche Gleichspannungen bei dieser Ausführungsform gleiche Größe aufweisen und dementsprechend die Gleichspannungswellen 2, 2.1 und 2.2 auch eine gemeinsame Quelle sein kann. Weiterhin sind der 9 mit den Pfeilen angegeben die Spannungen u_c am Kondensator 6 der Ansteuerschaltung 3, u_c, die Spannung am Kondensator 6 der Ansteuerschaltung 3d1, die Spannung u_c2 am Kondensator 6 der Ansteuerschaltung 3d2, die Ströme i_s der Ansteuerschaltung 3, i_s1 der Ansteuerschaltung 3d1 und ist der Ansteuerschaltung 3d2. Diese Ströme sind dann jeweils gleich dem Strom i_Id der Laserdiodenanordnung 1.
In der 10 sind wiederum der zeitliche Verlauf der vorgenannten elektrischen Größen sowie auch das Schließen der Schalter 7 der verschiedenen Ansteuerschaltungen mit t_s für die Ansteuerschaltung d, t_s1 für die Ansteuerschaltung 2d1 und t_s2 für die Ansteuerschaltung 3d2 wiedergegeben.
Die Schalter 7 sind im Ruhezustand geöffnet. Die Schließdauer dieser Schalter entspricht jeweils in etwa der halben Periodendauer der jeweiligen Resonanzfrequenz FR. Zur Erzielung von Stromimpulsen i_s, i_s1, i_s2 ist und damit von Stromimpulsen i_Id unterschiedlicher Länge werden wahlweise die Ansteuerschaltungen 3d – 3d2 durch Schließen des zugehörigen Schalters 7 aktiviert, sodass drei unterschiedlich lange Stromimpulse möglich sind. Durch Addieren der drei unterschiedlichen Stromimpulse ist ein vierter Stromimpuls möglich, und zwar dadurch, dass die Schalter 7 phasenverschoben geschlossen werden, und zwar der Schalter 7 der Ansteuerschaltung 3d1 etwa beim Scheitelwert des Stromes i_s und der Schalter 7 der Ansteuerschaltung 3d2 etwa am Scheitelwert des Stromes i_s1.
Mit der Schaltungsanordnung der 9 sind somit vier unterschiedliche Impulslängen möglich.
Die 11 zeigt als weitere Ausführungsform eine Schaltungsanordnung mit drei Ansteuerschaltungen 3e, 3e1 und 3e2, die mit ihren Ausgängen parallel zur Laserdiodenanordnung eingeschaltet sind.
Die Ansteuerschaltung 2e entspricht dabei der Ansteuerschaltung 3b. Die Ansteuerschaltungen 3e1 und 3e2 unterscheiden sich von der Ansteuerschaltung 3b wiederum dadurch, dass die Ansteuerschaltung 3e1 eine im Vergleich zur Ansteuerschaltung 3e niedrigere Resonanzfrequenz FR1 und die Ansteuerschaltung 3e2 eine gegenüber der Ansteuerschaltung 2e1 niedrigere Resonanzfrequenz FR2 aufweisen. Die Ansteuerung der im Uhrzustand wiederum geöffnete Schalter 7 erfolgt wiederum in der gleichen Weise, wie dies für die Schaltungsanordnung der 9 und 10 beschrieben wurde. Auch die zeitlichen Verläufe der Stromimpulse i_s, i_s1, i_s2 entsprechend der Schaltungsanordnung der 9 und 10.
13 zeigt eine Schaltungsanordnung, die wiederum die Laserdiodenanordnung 1 sowie eine Ansteuerschaltung 3f aufweist, die bei dieser Ausführungsform allerdings von zwei unterschiedlichen Gleichspannungsquellen 2 und 2.3 betrieben wird. Von denen die Gleichspannungsquelle 2 größere Gleichspannung U₀ und die Gleichspannungsquelle 2.3 eine reduzierte Gleichspannung U₀₃ liefern.
Wie ein Vergleich der 13 mit der 1 zeigt, besteht die Ansteuerschaltung 3f im Wesentlichen aus zwei Schaltungen 3f1 und 3f2, von denen die Schaltung 3f1 identisch mit der Ansteuerschaltung 3 ausgeführt ist, ebenso auch die Schaltung 3f2, allerdings mit dem Unterschied, dass die Induktivität 5 sowie der Kondensator 6 der Schaltung 3f2 derart aufeinander abgestimmt sind, dass die einen Serienresonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz FR3 bilden, die ein ganzzahliges Vielfaches (z.B. erste harmonische Oberwelle) der Resonanzfrequenz FR des von der Induktivität 5 und dem Kondensator 6 gebildeten Serienresonanzkreises ist. Beide Schalter 7 und 7.3 werden gleichzeitig betätigt. Hierdurch ergibt sich dann durch Überlagerung der beiden Ströme i_s und i_s3 ein die Laserdiodenanordnung 1 ansteuernder Strom i_Id, der einem Rechteck-Impuls stärker angenähert ist als der entsprechende Strom bei der Schaltungsanordnung der 1.
In der 13 sind mit den Pfeilen

U₀: die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 2,
u_c: die an dem Kondensator 6 anliegende Spannung,
i_s: der über die bipolare Schalteranordnung (bestehend aus dem Schalter 7 und der Diode 8) bzw. zwischen den Anschlüssen 4 und 9 fließende Strom,
i_Id: der durch die Laserdiodenanordnung 1 fließende Strom,
U₀₃: die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 2.3,
u_c3: die Spannung an dem Kondensator 6 der Schaltung 3f2 und
i_s3: der Strom über die bipolare Schalteranordnung (bestehend aus dem Schalter 7.3 und er Diode 8) bzw. zwischen den Anschlüssen 4 und 9 der Schaltung 3f2 angegeben.

Die Ansteuerschaltung 3f der 13 bestehend aus den beiden Schaltungen 3f1 und 3f2 kann den 9 und 11 entsprechend auch mehrfach vorgesehen sein, und zwar jeweils mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, sodass hierdurch bei der Möglichkeit einer stufenförmigen Änderung der Impulsbreite des Stromes i_Id der Laserdiodenanordnung der jeweilige Impuls eine an die Rechteckform angepasste Impulsform aufweist.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne das dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

1: Diodenlaseranordnung
2, 2.1, 2.2, 2.3: Gleichspannungsquelle
3, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f: Ansteuerschaltung
3d1, 3e1: Ansteuerschaltung
3d2, 3e2: Ansteuerschaltung
3f1, 3f2: Schaltkreis der Ansteuerschaltung 3f
4: Anschluss
5, 5.1: Induktivität
6: Kondensator
7: Schalter
8: Dioden
9: Anschluss
10, 11, 12, 13, 14: Diode
15: Induktivität

Claims

Ansteuerschaltung zur Ansteuerung einer wenigstens eine Laserdiode aufweisenden Laserdiodenanordnung (1) mit Stromimpulsen, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiodenanordnung (1) in einem wenigstens einen steuerbaren Schalter (7) aufweisenden Entladestromkreis einer Kondensatoranordnung (6) angeordnet ist, die von wenigstens einem Kondensator gebildet ist und in deren eine Gleichspannungsquelle (2, 2.1, 2.2, 2.3) einschließenden Ladestromkreis zumindest eine Induktivität (5) angeordnet ist, die zumindest Teil eines die Kondensatoranordnung (6) einschließenden Serienresonanzkreises mit einer Resonanzfrequenz (FR) ist, deren halbe Wellenlänge gleich der Impulsbreite des beim Schließen des Schalters (7) erzeugten Stromimpulses ist, und dass Mittel vorgesehen sind, um eine nach Beendigung des jeweiligen Stromimpulses in der Induktivität (5) vorhandene Energie für das Umladen bzw. erneute Laden der Kondensatoranordnung (6) zu nutzen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiodenanordnung von mehreren elektrisch in Serie liegenden Laserdioden oder Laserdiodenbarren gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Induktivität (5) eine Leitungsinduktivität der die Ansteuerschaltung mit der Gleichspannungsquelle (2, 2.1, 2.2, 2.3) verbindenden Leitung ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umladen von wenigstens zwei Dioden (8, 10) gebildet sind, von denen eine Diode (10) parallel zur Laserdiodenanordnung (1) aber umgekehrt zu dieser gepolt und die andere Diode (8) parallel zu dem Schalter (7) derart gepolt vorgesehen sind, dass sie während des jeweiligen Stromimpulses (i_Id) sperrt, für einen Stromfluss in umgekehrter Richtung aber öffnet.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoranordnung (6) in Serie mit der Induktivität (5) parallel zur Spannungsquelle (2) liegt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Umladung dadurch gebildet sind, dass im Ladestromkreis der Kondensatoranordnung (6) in Serie der Induktivität (5) eine erste Diode (11) vorgesehen ist, die derart gepolt ist, dass sie über die Induktivität einen Ladestrom aus der Gleichspannungsquelle (2) an die Kondensatoranordnung (6) zulässt, und dass im Entladestromkreis in Serie mit dem Schalter (7) eine zweite Diode (12) vorgesehen ist, die so gepolt ist, dass sie das Entladen der Kondensatoranordnung zur Erzeugung des die Laserdiodenanordnung (1) ansteuernden Stromimpulses ermöglicht, für einen Stromfluss in umgekehrter Richtung aber sperrt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umladen dadurch gebildet sind, dass an die wenigstens eine Induktivität (5) im Ladestromkreis eine weitere Induktivität (5.1) magnetisch gekoppelt ist, über die nach Beendigung des jeweiligen Stromimpulses (i_Id) ein Rückführen von Energie an die Spannungsquelle (2, 2.1, 2.2) bzw. an den Ladestromkreis in die Kondensatoranordnung (6) erfolgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Induktivität (5.1) in Serie mit einer Diode (13) parallel zur Spannungsquelle (2, 2.1, 2.2) liegt, und dass diese Diode (13) so gepolt ist, dass ein Stromfluss in die Spannungsquelle (2, 2.1, 2.2) bzw. über den Ladestromkreis in die Kondensatoranordnung (6) möglich ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ladestromkreis in Serie mit der wenigstens einen Induktivität (5) sowie im Entladestromkreis in Serie mit dem Schalter (7) jeweils wenigstens eine das Laden bzw. Entladen der Kondensatoranordnung (6) ermöglichende, für einen Stromfluss in umgekehrter Richtung sperrende Diode (11, 12) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umladen durch eine weitere Induktivität (15) gebildet sind, die nach Beendigung des Stromimpulses (i_Id) derart wirksam wird, dass die weitere Induktivität (15) zusammen mit der Kondensatoranordnung (6) einen Parallelresonanzkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz in etwa gleich der Resonanzfrequenz (FR) des von der Kondensatoranordnung (6) und der während des Umladens der Kondensatoranordnung (6) wirksamen Induktivität (5) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Induktivität (15) in Serie mit einem weiteren Schalter (7.1) sowie bevorzugt in Serie mit einer Diode (14) parallel zu der Kondensatoranordnung (6) angeordnet ist, und dass der weitere Schalter (7.1) synchron mit dem Schalter (7) im Entladestromkreis, aber gegenüber diesem Schalter (7) zeitlich verzögert geschlossen wird, und zwar nach Beendigung des die Laserdiodenanordnung (1) ansteuernden Stromimpulses.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Laserdiodenanordnung (1) wenigstens zwei Ansteuerschaltungen (3d, 3d1, 3d2, 3e, 3e1, 3e2; 3f1, 3f2) vorgesehen sind, und zwar derart, dass die Laserdiodenanordnung (1) jeweils im Entladestromkreis jeder Ansteuerschaltung liegt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest während des jeweiligen Stromimpulses wirksame Resonanzfrequenz (FR, FR1, FR2, FR3) der Ansteuerschaltungen (3d, 3d1, 3d2; 3e, 3e1, 3e2; 3f1, 3f2) unterschiedlich ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz einer Ansteuerschaltung (3d, 3d1; 3e, 3e1; 3f2) ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz wenigstens einer weiteren Ansteuerschaltung (3d1, 3d2; 3e1, 3e2; 3f1) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (7) im Entladestromkreis der wenigstens zwei Ansteuerschaltungen zeitgleich betätigbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (7) der wenigstens zwei Ansteuerschaltungen zeitlich versetzt betätigbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die während des jeweiligen Stromimpulses (i_Id) wirksame Induktivität (5) und die nach dem jeweiligen Stromimpuls (i_Id) bzw. während des Umladens der Kondensatoranordnung (6) wirksame Induktivität (5) gleich oder etwa gleich sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die während des jeweiligen Stromimpulses (i_Id) wirksame Induktivität (5) und die nach dem jeweiligen Stromimpuls (i_Id) bzw. während des Umladens der Kondensatoranordnung (6) wirksame Induktivität (5) zumindest zum Teil von der nicht vermeidbaren Induktivität wenigstens einer Anschluss- oder Verbindungsleitung und/oder von schaltungsinternen nicht vermeidbaren Induktivitäten gebildet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (7) und/oder der zusätzliche Schalter (7.1) der wenigstens einen Schalteranordnung ein elektronisch gesteuerter Schalter, beispielsweise ein Tyristor oder Transistor ist.