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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Laserbauteils
sowie eine entsprechende Ansteueranordnung.
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Lasersysteme
verwenden als Pumpquellen oder als direkte Strahlerzeuger Laserdioden.
Hochleistungslaserdioden lassen sich bis weit in den MHz-Bereich
modulieren und auch überpulsen, d. h. im Pulsbetrieb kann
eine Diode auch mit einem vielfachen Diodenstrom gepulst werden.
Hierzu sind besondere Stromtreiber notwendig, welche die Laserdiode
ansteuern.
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Eine
Laserdiode sendet ab dem Schwellstrom Licht aus, welches proportional
mit dem Diodenstrom ansteigt. Über dem Nennstrom darf die
Diode gepulst betrieben werden, wobei ein maximaler Pulsstrom nicht überschritten
werden darf. Dieser maximale Pulsstrom hängt von der Pulsdauer
und der Wiederholrate der Pulse ab. Aufgrund des differentiellen
Widerstands der Laserdiode fällt im gepulsten Betrieb mehr
Spannung an der Diode ab, welche durch geeignete Maßnahmen
vorgehalten werden muss.
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In
der
US 5,444,728 sind
Schaltungen beschrieben, bei denen eine Laserdiode über
mehrere parallel geschaltete Pfade für unterschiedliche
Betriebsarten angesteuert werden kann. Es gibt eine Stromquelle,
die die Laserdiode in einem sogenannten cw-Betrieb (kontinuierlicher
Betrieb) hält. Mit einer Schalteranordnung wird die Laserdiode
zwischen diesem cw-Betrieb und leistungsstarken Pulsen umgeschaltet.
Die Schalteranordnung schaltet für die Dauer der Pulse
einen weiteren Spannungswandler zu. Der Strom der Stromquelle wird
nicht geregelt, sondern fest eingestellt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Ansteueranordnung
bereit zu stellen, mit denen bei einem hohen Wirkungsgrad schnelle
Anstiegsflanken und Überpulsen eines Laserbauteils erreicht
werden können.
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Gelöst
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zur Ansteuerung eines Laserbauteils, bei dem eine mit der Laserleistung
in Beziehung stehende Ist-Größe erfasst wird,
ein erstes an eine erste Spannungsquelle angeschlossenes Stellglied
in Abhängigkeit der erfassten Ist-Größe
zur Regelung auf eine vorgegebene Soll-Größe angesteuert
wird und ein zweites an eine zweite Spannungsquelle angeschlossenes
Stellglied für einen Boostbetrieb angesteuert wird.
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Dabei
wird das erste Stellglied über einen Regler angesteuert.
Der Regler versucht, mit einer von ihm erzeugten Stellgröße
den Ist-Wert gemäß dem Soll-Wert zu fahren. Beispielsweise
erfolgt eine Regelung auf den Strom durch das Laserbauteil oder die
Laserleistung. Es versteht sich, dass der Strom durch das Laserbauteil, beispielsweise
der Diodenstrom, wenn es sich um eine Laserdiode handelt, in Beziehung
zu der Laserleistung steht. Wird eine Soll-Größe
vorgegeben, zu deren Erreichen die Spannung der ersten Spannungsquelle
nicht ausreicht, so kann das zweite Stellglied aktiviert werden, um
dem Laserbauteil eine höhere Spannung zur Verfügung
zu stellen. Die zweite Spannungsquelle liefert somit die notwendige
Stellreserve für einen Pulsbetrieb bzw. einen schnellen
Stromanstieg. Durch das Hinzuschalten der zweiten Spannungsquelle
wird also eine „Boosterfunktion” realisiert.
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Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn das erste und zweite Stellglied durch
denselben Regler angesteuert werden. Je nachdem, ob die Stellglieder in
Reihe oder parallel geschaltet sind, können sie mit demselben
oder unterschiedlichen Ansteuersignalen angesteuert werden.
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Um
Störungen zu vermeiden ist es vorteilhaft, wenn die erste
und zweite Spannungsquelle entkoppelt werden. Die Entkopplung kann
beispielsweise über eine Diode erfolgen, die zwischen die
erste Spannungsquelle und das erste Stellglied geschaltet ist.
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Gemäß einer
Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Stellglieder derart
angesteuert werden, dass das zweite Stellglied erst leitend wird,
wenn das erste Stellglied bereits leitend ist. Das zweite Stellglied
wird also nur aktiviert, wenn die Versorgungsspannung der ersten
Spannungsquelle nicht ausreicht, um den gewünschten Soll-Wert
zu erreichen. Es erfolgt also eine sequentielle Ansteuerung des
ersten und zweiten Stellglieds. Vorzugsweise wird das zweite Stellglied
erst leitend, wenn das erste Stellglied nahezu vollständig
leitend ist.
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Vorzugsweise
wird das zweite Stellglied erst angesteuert, wenn die Stellreserven
des ersten Stellglieds ausgeschöpft sind. Durch das Verwenden
einer zweiten Spannungsquelle kann der Wirkungsgrad erhöht
werden, da zum Überpulsen oder zur schnellen Modulation
die Spannung der ersten Spannungsquelle nicht erhöht werden
muss.
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In
den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Ansteueranordnung
zur Ansteuerung eines Laserbauteils, insbesondere zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, und ein erstes
mit einer ersten Spannungsquelle verbundenes Stellglied und ein
zweites mit einer zweiten Spannungsquelle verbundenes Stellglied
vorgesehen sind, und eine Messeinrichtung zur Messung einer mit
der Laserleistung in Beziehung stehenden Größe
vorgesehen ist, die mit einem Regler in Verbindung steht, der zumindest
das erste Stellglied ansteuert. Die Stellglieder können
beispielsweise als Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren,
ausgebildet sein.
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Ohne
die zweite Spannungsquelle und das zweite Stellglied stellt die
Ansteueranordnung einen Linearregler dar. Über das erste
Stellglied kann der gewünschte Strom durch das Laserbauteil,
beispielsweise der Diodenstrom, wenn es sich um eine Laserdiode
handelt, eingestellt werden. Insbesondere kann das Laserbauteil
frei moduliert werden (sogenanntes Pulsforming). Die Spannung der
ersten Spannungsquelle wird dabei vorzugsweise so gewählt,
dass gerade noch maximaler Diodenstrom gefahren werden kann. Damit
kann die Verlustspannung und damit die Verlustleistung am ersten
Stellglied reduziert werden, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt.
Wenn die Laserdiode überpulst werden soll, müsste
jedoch die Spannung der Spannungsquelle erhöht werden.
Ebenso ist bei schneller Modulation eine erhöhte Spannung
notwendig, um den Stromfluss durch die Leitungsinduktivität,
die in Serie zum Laserbauteil angeordnet ist, zu erzwingen. Dadurch
würde sich jedoch der Wirkungsgrad erheblich verschlechtern.
Wird nun erfindungsgemäß eine zweite Spannungsquelle
mit einem zweiten Stellglied vorgesehen, so ist es nicht notwendig,
die Spannung der ersten Spannungsquelle zu erhöhen, sondern kann
für einen Boostbetrieb, also zum Erzeugen schneller Anstiegsflanken
oder beim Überpulsen, die zweite Spannungsquelle zugeschaltet
werden.
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Damit
die Zuschaltung zum richtigen Zeitpunkt erfolgt, ist es vorteilhaft,
wenn der Regler auch das zweite Stellglied ansteuert.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn eine Entkoppeleinrichtung zur Entkopplung
der ersten und zweiten Spannungsquelle vorgesehen ist. Die Entkoppeleinrichtung
kann beispielsweise als Diode ausgebildet sein, die mit ihrer Kathode
an das erste Stellglied angeschlossen ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass
das erste und zweite Stellglied an einem Knotenpunkt miteinander
verbunden sind. Der Knotenpunkt kann dabei auf der dem Laserbauteil
abgewandten Seite des ersten Stellglieds vorgesehen sein. In diesem
Fall wird die Spannung der zweiten Spannungsquelle über
das erste und zweite Stellglied dem Laserbauteil zur Verfügung
gestellt. Alternativ kann der Knotenpunkt auf dem Laserbauteil zugewandte
Seite des ersten Stellglieds vorgesehen sein. Die Spannung der zweiten
Spannungsquelle kann dem Laserbauteil somit nur über das
zweite Stellglied zur Verfügung gestellt werden.
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Die
Stellglieder können in Reihe geschaltet sein. Dies hat
den Vorteil, dass sie quasi mit demselben Ansteuersignal des Reglers
angesteuert werden können.
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Alternativ
können die Stellglieder parallel geschaltet sein. Auch
bei dieser Variante werden beide Stellglieder vorzugsweise durch
denselben Regler angesteuert, jedoch mit unterschiedlichen Ansteuersignalen.
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Vorteilhafterweise
stellt die zweite Spannungsquelle eine höhere Spannung
zur Verfügung als die erste Spannungsquelle. Die zweite
Spannungsquelle kann somit nur für einen sogenannten Boostbetrieb
zugeschaltet werden.
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Wenn
die benötigte Boosterspannung viel höher ist als
die Spannung der ersten Spannungsquelle, kann sich aus Verlustleistungsgründen
auch eine mehrstufige Boosterschaltung anbieten. Dies bedeutet,
dass mehrere Spannungsquellen und jeweils zugeordnete Stellglieder
vorgesehen werden. Die Stellglieder können dabei in einer
Serienschaltung oder in einer Parallelschaltung an das Laserbauteil
angeschlossen sein. Vorzugsweise werden alle Stellglieder von demselben
Regler angesteuert.
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Für
große Pulsströme kann es vorteilhaft sein, mehrere
erfindungsgemäße Ansteueranordnungen parallel
zu schalten. Durch die parallele Topologie können die Ströme
verteilt werden und die Induktivitäten verringert werden.
Dabei kann es vorteilhaft sein, einen übergeordneten Regler
vorzusehen, der die Regler der Ansteueranordnungen ansteuert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der
Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen,
und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können
je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination
bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den
Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform einer Ansteueranordnung mit zwei
in Serie geschalteten Stellgliedern;
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2 eine
alternative Ausführungsform einer Ansteueranordnung mit
zwei parallel geschalteten Stellgliedern;
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3 eine
Ausführungsform einer Ansteueranordnung mit insgesamt drei
in Serie geschalteten Stellgliedern;
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4 eine
Ausführungsform einer Ansteueranordnung mit insgesamt drei
parallel angeordneten Stellgliedern;
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5 eine
Ausführungsform mit mehreren parallel geschalteten Ansteueranordnungen.
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Die 1 zeigt
eine Schaltung 10 mit einem als Laserdiode ausgebildeten
Laserbauteil 11, welches durch eine Ansteueranordnung 12 angesteuert wird.
Die Ansteueranordnung 12 umfasst eine erste Spannungsquelle 13,
die über eine Entkoppeleinrichtung 14 an ein erstes
Stellglied 15 angeschlossen ist. Das erste Stellglied 15 ist
im Ausführungsbeispiel als Transistor ausgebildet, der
von einem Regler 16 angesteuert ist. Eine Messeinrichtung 17 misst
eine mit der Laserleistung des Laserbauteils 11 in Beziehung stehenden
Größe, beispielsweise einen Diodenstrom, wenn
das Laserbauteil wie im vorliegenden Fall als Laserdiode ausgebildet
ist.
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Die
gemessene Größe wird an den Regler 16 übergeben,
dem über die Schnittstelle 18 weiterhin ein Soll-Wert
zugeführt wird. Bei dem Soll-Wert kann es sich um einen
vorgegebenen Pumpstrom oder eine vorgegebene Laserleistung handeln.
Der Regler 16 kann beispielsweise einen PI-Regler umfassen oder
als solcher ausgebildet sein.
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Durch
Vergleich der durch die Messeinrichtung 17 gemessenen Ist-Größe
mit der durch die Schnittstelle 18 vorgegebenen Soll-Größe
wird eine Stellgröße ermittelt, durch die das
erste Stellglied 15 angesteuert wird. Insbesondere versucht
der Regler 16 mit der Stellgröße die
Ist-Größe gemäß der Soll-Größe
zu fahren. Im Ausführungsbeispiel erfolgt eine Regelung
auf den Diodenstrom.
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Durch
die bisher beschriebene Anordnung wird im Wesentlichen eine Linearregelung
realisiert. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten Stellglieds 15 kann
der in das Laserbauteil 11 geleitete Strom linear eingestellt
werden. Dies bedeutet, dass bis zu einer bestimmten Grenze die Laserleistung
frei moduliert werden kann. Soll das Laserbauteil 11 überpulst
werden oder soll eine schnelle Modulation durchgeführt
werden, muss wegen der Leitungsinduktivität 19 dem
Laserbauteil 11 eine größere Spannung
zur Verfügung gestellt werden, um einen Stromfluss durch
die Leitungsinduktivität 19 zu erzwingen. Dies
erfolgt, indem ein zweites Stellglied 20 ebenfalls über
den Regler 16 angesteuert wird. Das zweite Stellglied 20 ist
an eine zweite Spannungsquelle 21 angeschlossen, die eine
höhere Spannung zur Verfügung stellt, als die
erste Spannungsquelle 13.
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Die
erfindungsgemäße Ansteueranordnung 12 ermöglicht
eine Ansteuerung im „Mischbetrieb”. Insbesondere
ist ein sogenannter cw-Betrieb, ein Pulsbetrieb und die Realisierung
schneller Pulsanstiege bei gutem Wirkungsgrad möglich.
Dabei wird der cw-Anteil durch die erste Spannungsquelle 13 gespeist.
Eine schnelle Modulation und der Pulsbetrieb werden durch Zuschalten
der zweiten Spannungsquelle 21 – „gefahren”.
Die Ansteuerung des ersten und zweiten Stellglieds 15, 20 ist
einfach, da das Ansteuersignal im Prinzip das gleiche ist, was durch
die gestrichelte Linie 22 angedeutet ist. Ab einer bestimmten
Stellgröße ist das erste Stellglied 15 nahezu
vollständig leitend und das zweite Stellglied 20 wird
dann leitend.
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Die
Spannungen der ersten und zweiten Spannungsquellen 13, 21 werden
durch die Entkoppeleinrichtung 14 voneinander entkoppelt.
In der 1 ist weiterhin zu erkennen, dass die Stellglieder 15, 20 am
Knotenpunkt 23, der auf der im Laserbauteil 11 abgewandten
Seite des ersten Stellgliedes 15 vorgesehen ist, zusammengeschaltet
sind. Die Spannung der zweiten Spannungsquelle 21 wird dem
Laserbauteil 11 demnach über das erste und zweite
Stellglied 15, 20 zugeführt.
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Der
Unterschied der Ansteueranordnung 31 gemäß der 2 besteht
darin, dass das erste und zweite Stellglied 15, 20 nicht
in Reihe geschaltet sind sondern an dem Knotenpunkt 33 zusammengeschaltet
sind der auf der dem Laserbauteil 11 zugewandten Seite
des ersten Stellglieds 15 angeordnet ist. Durch die Schaltung 30 lässt
sich dieselbe Funktion realisieren wie durch die Schaltung 10.
Die Ansteuerung ist etwas aufwändiger, da eine parallele
Ansteuerung vorliegt. Das zweite Stellglied 20 sollte erst
leitend werden, wenn die Stellreserve des ersten Stellglieds 15 ausgeschöpft
ist.
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Die
Schaltung 40 der 3 unterscheidet sich
von der Schaltung 10 der 1 dadurch,
dass die Ansteueranordnung 41 eine dritte Spannungsquelle 42 mit
zugeordnetem drittem Stellglied 43 aufweist. Die dritte
Spannungsquelle 42 stellt noch eine höhere Spannung
zur Verfügung als die zweite Spannungsquelle 21.
Die drei Stellglieder 15, 20, 43 sind in
Serie geschaltet und durch den Regler 16 angesteuert. Durch
diese Maßnahme ist es möglich, eine höhere „Boosterspannung” zu
erzeugen. Die Ausgestaltung gemäß der 3 ist
vorteilhaft, um Verlustleistungen zu reduzieren.
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In
der 4 ist eine Schaltung 50 gezeigt, die
sich von der Schaltung 30 der 2 dadurch
unterscheidet, dass die Ansteueranordnung 51 ebenfalls
eine dritte Spannungsquelle 42 aufweist, die über
ihr zugeordnetes Stellglied 43 in einer Parallelschaltung
mit dem Laserbauteil 11 verbunden ist. Auch hier sind wiederum alle
drei Stellglieder 15, 20, 43 durch den
Regler 16 angesteuert. Es versteht sich, dass den Ausführungsformen
der 3 und 4 noch weitere Spannungsquellen
und zugeordnete Stellglieder hinzugefügt werden können,
um höhere Spannungen an das Laserbauteil 11 legen
zu können, und um dadurch steilere Flanken und ein besseres
Pulsverhalten erreichen zu können.
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Ausweislich
der 5 sind zwei Ansteueranordnungen 12 gemäß der 1 parallel
an das Laserbauteil 11 angeschlossen. Die Regler 16 sind
an einem übergeordneten Regler 55 angeschlossen, der
den Reglern 16 ihre Soll-Größen vorgibt.
Dem Regler 55 selbst wird ein Soll-Wert über die
Schnittstelle 56 vorgegeben. Dem Regler 55 wird
außerdem eine Ist-Größe zur Verfügung
gestellt, die in Beziehung mit der Laserleistung steht. Dies ist
durch die Verbindung der Messeinrichtung 57 mit dem Regler 55 angedeutet.
Es versteht sich, dass anstelle der Ansteueranordnungen 12 auch
die Ansteueranordnungen 31, 41 oder 51 parallel
geschaltet werden können. Es ist außerdem denkbar,
dass unterschiedliche Ansteueranordnungen 12, 31, 41, 51 parallel
an das Laserbauteil 11 angeschlossen werden. Weiterhin
ist es denkbar, dass mehr als zwei Ansteueranordnungen 12, 31, 41, 51 parallel
an das Laserbauteil 11 angeschlossen werden. Das Zusammenschalten von
mehreren Ansteueranordnungen 12, 31, 41, 51 hat
den Vorteil, dass die Ströme verteilt werden können
und die Induktivitäten verringert werden können. Beim
gezeigten Ausführungsbeispiel der 5 wird durch
die Regler 16 der Strom geregelt, während über
den Regler 55 auf die Laserleistung geregelt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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