DE19723835A1 - Elektrische Schutzschaltung für eine Reihenschaltung einer Anzahl von Laserdioden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für eine Reihenschaltung einer Anzahl von Laserdioden.

Eine elektrische Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Laserdioden oder Laserbarren (Laser bars) dient beispielsweise als Pumpquelle für einen Hochleistungsfestkörperlaser oder um mittels eines sogenannten Stackings, d. h. einer Zusammenschaltung mehrerer Laserbarren oder Einzelemittern, die Ausgangsleistung einer Anzahl von Laserdioden in der Materialbearbeitung direkt zu verwenden. Eine solche Reihenschaltung kann dabei typischerweise bis zu 100 Laserdioden umfassen.

Bei dem Betrieb einer solchen Reihenschaltung von Laserdioden kann es unab­ hängig von dem eingesetzten Versorgungsnetzteil, d. h. nur durch Änderungen der von der Reihenschaltung der Laserdioden gebildeten Last des Netzteils, auf­ grund der Vielzahl der Kontaktstellen und des hohen Betriebsstromes, der im Normalfall bis zu 100 A beträgt zu Störungen kommen, in deren Folge Überspan­ nungen oder Überströme auftreten, die zur Zerstörung der Laserdioden führen können.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schutzschaltung für eine Reihenschaltung einer Anzahl von Laserdioden anzugeben, mittels derer die Zerstörung der Laserdioden bei Auftreten einer Überspannung oder eines Überstromes unabhängig von dem eingesetzten Versorgungsnetzteil vermieden wird.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine elektrische Schutzschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, daß beim Betrieb einer Reihen­ schaltung von Laserdioden im wesentlichen zwei Arten von Fehlern oder Störun­ gen, d. h. zwei Arten von unzulässigen Betriebszuständen, auftreten können, die durch eine unzulässige Änderung der von der durch die Reihenschaltung der La­ serdioden gebildeten Last hervorgerufen sind, und bei denen durch eine geeig­ nete Schutzschaltung das Auftreten einer Überspannung oder eines Überstromes verhindert werden muß. Diese zwei Arten von Störungen oder Lastwechseln sind im wesentlichen auf einen Stromabriß durch Kontaktunterbrechung mit einem an­ schließenden undefinierten Wiederherstellen des Kontaktes bzw. auf einen Strom­ anstieg durch einen Kurzschluß in einem Teil der in Reihe geschalteten Laser­ dioden zurückzuführen.

Beim Stromabriß handelt es sich um eine kurzfristige Stromunterbrechung infolge eines Kontaktproblems. Durch die Vielzahl der in Reihe geschalteten Laserdioden liegt eine Vielzahl von Kontaktstellen vor, beispielsweise Lötstellen, Wirebonds oder mechanische Kontaktelemente wie Kontaktbleche oder Kontaktfedern, über die ein hoher Strom geführt werden muß, der bis zu 100 A betragen kann. Ther­ mische oder mechanische Einflüsse oder im Laufe des Betriebs auftretende Korrosionserscheinungen können dazu führen, daß ein Kontakt kurzfristig geöff­ net wird und zu einer kurzfristigen Stromunterbrechung führt. Ein solcher Strom­ abriß bewirkt auf der Ausgangsseite des Netzteiles einen kurzfristigen Anstieg der Ausgangsspannung und kann beim undefinierten Wiederherstellen des elektri­ schen Kontaktes an den Laserdioden eine unzulässig hohe Stromspitze zur Folge haben.

Ein Stromanstieg durch einen Lastwechsel tritt auf, wenn beispielsweise in einer Laserdiode oder in mehreren Laserdioden ein Kurzschluß auftritt oder wenn eine Laserdiode oder mehrere Laserdioden durch einen parallelen Nebenschluß, beispielsweise über Halteelemente oder Kühler, überbrückt werden.

Da gemäß der Erfindung eine Detektionseinrichtung zum Erkennen eines unzu­ lässigen Betriebszustandes sowie ein an einen Ausgang der Detektionseinrich­ tung angeschlossener Steuerschaltkreis für einen parallel oder seriell den Laser­ dioden zugeschalteten steuerbaren Schutzschalter vorgesehen ist, kann beim Auftreten eines Fehlers der über die Laserdioden fließende Strom auf den für die Laserdioden zulässigen Maximalwert begrenzt und somit beherrscht werden.

Vorzugsweise umfaßt die Detektionseinrichtung eine Schaltung zum Erkennen eines unzulässigen Stromanstiegs.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Detektions­ einrichtung eine Schaltung zum Erkennen einer Stromunterbrechung.

Werden in der Detektionseinrichtung sowohl die Schaltung zum Erkennen eines Stromanstiegs als auch die Schaltung zum Erkennen einer Stromunterbrechung verwendet, so können beide vorstehend genannten Arten von unzulässigen Be­ triebszuständen festgestellt und durch entsprechendes Ansteuern des schnellen Schutzschalters in ihrer Schadenswirkung begrenzt werden.

In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind eine in Serie zu den Laserdioden geschaltete zusätzliche Induktivität und ein parallel zum Ausgang des Netzteiles geschalteter Pufferkondensator vorgesehen, welche den sicheren Betrieb der Laserdioden bis zum Ansprechen des Schutzschalters gewährleisten.

Insbesondere ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der zusätzlichen Induktivität ein dynamisches Ableitnetzwerk zum Ableiten der in dieser zusätz­ lichen Induktivität gespeicherten Energie vorgesehen, mit dem kurzfristig vor dem Ansprechen des Schutzschalters ein Überstrom oder eine Überspannung be­ grenzt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schutzschaltung gemäß der Erfindung in einem verallgemeinerten Prinzipschaltbild,

Fig. 2 und 3 jeweils in einem Blockschaltbild vorteilhaften Ausgestaltungen der Schutzschaltung gemäß der Erfindung, mit einem seriell bzw. parallel zu den Laserdioden geschalteten Schutzschalter.

Gemäß Fig. 1 sind an den Ausgang einer Gleichstromquelle oder eines Netzteils 2 eine Vielzahl in Reihe geschalteter Laserdioden 4 angeschlossen. Den Laser­ dioden 4 ist eine elektrische Detektionseinrichtung 6 zugeordnet, mit der ein zu einem unzulässigen Betriebszustand führender Lastwechsel erkannt wird. Diese Detektionseinrichtung 6 ist an einen Steuerschaltkreis 8 für einen steuerbaren Schutzschalter 10 angeschlossen, der bei Erkennen eines Überstromes oder einer Überspannung kurzgeschlossen wird und die Laserdioden 4 vor Überlastung schützt oder diese vom Netzteil 2 trennt.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß zu einer im Netzteil 2 seriell zum Ausgang geschal­ teten Induktivität Ls eine zusätzliche Induktivität Ld in Reihe mit den Laserdioden 4 geschaltet ist, von denen in der Figur nur fünf dargestellt sind. Parallel zum Aus­ gang des Netzteils 2 und parallel zu der Reihenschaltung der Laserdioden 4 ist ein Pufferkondensator Cp geschaltet. Sowohl die zusätzliche Induktivität Ld als auch der Pufferkondensator Cp dienen zur Begrenzung von Überspannungen und Überströmen, vor dem Ansprechen oder der Aktivierung des Schutzschalters 10.

Parallel zu den Laserdioden 4 ist der steuerbare Schutzschalter 10 in Serie mit einem Entladewiderstand Rd geschaltet. Im Ausführungsbeispiel ist der steuer­ bare Schutzschalter 10 als Kurzschlußschalter mit einem MOSFET als Schalttran­ sistor ausgeführt. Der Schutzschalter 10 ist an die Steuerschaltung 8 ange­ schlossen, die über gestrichelt eingezeichnete Steuerleitungen 60a, 60b mit der Detektionseinrichtung 6 verbunden ist.

Die Detektionseinrichtung 6 umfaßt einen ersten Schaltkreis 6a zum Erkennen eines durch einen unzulässigen Stromanstieg hervorgerufenen Lastwechsels so­ wie einen zweiten Schaltkreis 6b zum Erkennen eines durch einen Stromabriß d. h. eine Stromunterbrechung, hervorgerufenen unzulässigen Lastwechsels.

Der zusätzlichen Induktivität Ld ist außerdem ein dynamisches Ableitnetzwerk 12 zugeordnet, das vorzugsweise einen Kommutierungszweig mit einer Freilaufdiode enthält, und mit dem unabhängig vom Ansprechen des Schutzschalters 10 die in der zusätzlichen Induktivität Ld gespeicherte Energie abgeleitet wird. Außerdem kann das Ableitnetzwerk 12 zur Sicherheit gegen Überspannungsspitzen eine RCD-Kombination (Snubbernetzwerk) enthalten.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Schutzschaltung für die beiden ein­ gangs erwähnten Fehlerarten näher erläutert.

1) Lastwechsel durch Kurzschluß

Bei einem plötzlichen Kurzschluß oder Nebenschluß von einer öder mehreren der Laserdioden 4 bleibt die Betriebsspannung des Netzteiles 2 auch aufgrund des Pufferkondensators Cp kurzfristig konstant, so daß sich diese kurzfristig auf die übrigen wenigeren Laserdioden 4 verteilt. Dies führt zu unzulässigen Betriebs­ parametern in Strom und Spannung.

Durch den ersten Schaltkreis 6a der Detektionseinrichtung wird ein solcher Last­ wechsel erkannt und der Schutzschalter 10 betätigt. Hierzu umfaßt der erste Schaltkreis 6a beispielsweise ein Spannungsdifferenzierglied, mit dem eine unzu­ lässige Spannungsänderung über der zusätzlichen Induktivität Ld erfaßt wird. Überschreitet die von diesem Spannungsdifferenzierglied erzeugte Spannung einen vorgegebenen Sollwert, so wird ein Steuersignal über die Steuerleitung 62 an den Steuerschaltkreis 8 weitergeleitet, das ein Steuersignal zum Kurzschließen des Schutzschalters 10 bereitstellt. Bis zum Ansprechen des Schutzschalters 10 (wenige µs) begrenzt die geeignet dimensionierte zusätzliche Induktivität Ld den Stromanstieg.

In einem Ausführungsbeispiel mit 20 Laserdioden, einem durch Kurzschluß oder Überbrückung von 10 Laserdioden hervorgerufenen Lastwechsel einem zuläs­ sigen Betriebsstrom von 40 A, einer Laserdiodenimpedanz von 0,05 Ω (entspricht einer Betriebsspannung von 40 V für gesamte Reihenschaltung), einem differen­ tiellen Widerstand von 0,01 Ω sowie einem maximalen Überstrom von 10 A für die Dauer von 10 µs ergibt sich eine maximal erlaubte Überspannung pro Laserdiode von 0,01 Ω.10 A = 0,1 V und somit für die gesamte Reihenschaltung von 2 V. Wenn der Schutzschalter 6 innerhalb von 5 µs schaltet, muß die zusätzliche Induk­ tivität Ld bei einem Lastwechsel von 10 Laserdioden wenigstens 20 V (5 µs/10 A) = 10 µH betragen, um den Ausgangsstrom auf 10 A über den zulässigen Betriebsstrom von 40 A zu begrenzen.

2) Lastwechsel durch Stromabriß

Bei Netzteilen ohne oder mit kleinem Pufferkondensator Cp erzeugt die Hauptin­ duktivität Ls bei Stromabriß eine unzulässig hohe Spannung am Ausgang. Bei Netzteilen mit einem Pufferkondensator führt insbesondere eine Stromregelung zu einer weiteren Nachladung des Kondensators und damit zu einer kurzfristigen Spannungsüberhöhung am Ausgang. Ein undefiniertes Wiederzuschalten der Laserdioden 4 während der Spannungsüberhöhung hat dann unzulässige Be­ triebsparameter zur Folge.

Mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung wird ein solcher Stromabriß mit Hilfe des zweiten Schaltkreises 6b der Detektionseinrichtung 6 sicher erkannt. Der zweite Schaltkreis 6b umfaßt einen Strommeßaufnehmer, sowie eine Vergleichs­ einrichtung, die den gemessenen Strom mit einem vorgegebenen Mindestwert vergleicht. Wird dieser Mindeststrom unterschritten, wird über die Steuerleitung 64 ein Steuersignal an die Steuerschaltung 8 weitergeleitet, die den Schutzschalter 10 (im Ausführungsbeispiel als Kurzschlußschalter realisiert) aktiviert und die La­ serdioden innerhalb von wenigen µs kurzschließt. Bis zum Ansprechen des Schutzschalters 10 wird die vom Versorgungsnetzteil 2 nachgeschobene Energie in den Pufferkondensator Cp abgeleitet, der bei geeigneter Dimensionierung be­ wirkt, daß auch bei Wiederherstellung der elektrischen Verbindung im Ausgangs­ kreis die maximal zulässige Überspannung nicht überschritten wird.

Im vorstehend angegebenen Dimensionierungsbeispiel muß der Pufferkonden­ sator Cp die Änderung der Ausgangsspannung auf 2 V begrenzen. Bei dem ange­ gebenen zulässigen Betriebsstrom von 40 A muß die Kapazität des Pufferkonden­ sators Cp wenigstens 40 A . (5 µs/2 V) = 100 µF betragen. Dabei kann die Ableitung der in Ld gespeicherten Energie in das Ableitnetzwerk 12 erfolgen, welches zum Beispiel aus einen Kommutierungszweig mit Freilaufdiode und einem RCD-Netz­ werk zum Schutz gegen Überspannungsspitzen bestehen kann.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist ein in mit einem in Serie zu den Laser­ dioden 4 liegender schneller Schutzschalter 10 vorgesehen. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel dient der Schutzschalter 10 zum Trennen der Reihenschaltung der Laserdioden 4 vom Netzteil 2. Die Dimensionierung des übrigen Netzwerkes ist dieselbe wie in der Konfiguration gemäß Fig. 2.

Claims (6)

1. Schutzschaltung für eine Reihenschaltung einer Anzahl von Laserdioden (4), mit einer Detektionseinrichtung (6) zum Erkennen eines unzulässigen Betriebszustandes dieser Reihenschaltung und mit einem an einen Ausgang der Detektionseinrichtung (6) angeschlossenen Steuerschaltkreis (8) für einen parallel oder seriell den Laserdioden zugeschalteten steuerbaren Schutzschalter (10), zum Schützen der Laserdioden (4) vor einer Überspannung und/oder einem Überstrom.

2 Schutzschaltung nach Anspruch 1, bei der die Detektionseinrichtung (6) einen ersten Schaltkreis (6a) zum Erkennen eines Stromanstiegs umfaßt.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Detektionsein­ richtung (6) einen zweiten Schaltkreis (6b) zum Erkennen einer Stromunterbrechung umfaßt.

4 Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer in Serie zu den Laserdioden (4) geschalteten zusätzlichen Induktivität (Ld).

5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem der zusätzlichen Induktivität (Ld) zugeordneten Ableitnetzwerk (12).

6. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem parallel zu den Laserdioden (4) geschalteten Pufferkondensator (Cp).