DE19840511A1 - Energieversorgungs-Steuervorrichtung für eine Laserdiode - Google Patents
Energieversorgungs-Steuervorrichtung für eine LaserdiodeInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungs-
Steuervorrichtung zur Steuerung einer Stromzufuhr zu einer
Laserdiode in einem Halbleiterlaser. Die Laseroszillation des
Halbleiterlasers geschieht durch Zufuhr von Strom zu einem
p-n-Übergang. Insbesondere ist die Erfindung anwendbar auf
eine Festkörperlaser-Vorrichtung oder dergleichen, welche ein
Festkörperlasermedium durch einen Laserstrahl erregt, wie ein
YAG-Laserstab, um so aus dem Festkörperlasermedium einen
Laserstrahl auszustrahlen.
Fig. 12 zeigt eine Gesamtschaltung einer konventionellen
Energieversorgungs-Steuervorrichtung für Laserdioden.
In Fig. 12 besteht eine Energiequelle 1 aus einer
Konstantspannungsquelle, wie einer Gleichspannungsversorgung
usw. Ein Strom-Steuerschaltelement 2 ist mit der
Energiequelle 1 verbunden, um so einen Schaltvorgang durch
ein äußeres Signal, d. h. ein Ausgabebefehlssignal PL,
durchzuführen. Die Energiequelle 1 ist mit einer
Reihenschaltung des Schaltelementes 2 und einer in
Sperrichtung geschalteten bzw. angeschlossenen Diode 3
verbunden. Eine Induktivität 4 ist mit einem Verbindungspunkt
"a" verbunden, an welchem das Schaltelement 2 und die Diode 3
miteinander in Reihe geschaltet sind. Der andere Anschluß der
Induktivität 4 ist an einem Verbindungspunkt "b" mit einer
Anodenseiten von Laserdioden LD1-LDn, welche in Reihe
geschaltet sind, verbunden. Andererseits ist die
Kathodenseite der Laserdioden LD1-LDn an einem
Verbindungspunkt "c" mit einem Verbindungspunkt zwischen der
Energiequelle 1 und der Diode 3 verbunden. Den Laserdioden
LD1-LDn wird durch Schaltsteuerung des Schaltelementes 2 über
die Induktivität 4 Energie zugeführt.
Die Laserdioden LD1-LDn geben jeweils Laserstrahlen aus an
ein Festkörperlasermedium bzw. Stab 5. Laserstrahlen werden
angeregt und oszillieren zwischen einem Reflektionsspiegel 7
(100% Reflektionsgrad) und einem halbdurchlässigen Spiegel
6, so daß ein Laserstrahl 8 aus dem halbdurchlässigen Spiegel
6 austritt. Um den Laserdioden LD1-LDn Strom zuzuführen,
erfaßt ein Stromdetektor 9 den Strom der Induktivität 4. Dann
wird eine Ausgabe des Detektors 9 in einen Fehlerkomparator
10 zurückgeführt und mit einem Befehlswert ITH eines
Befehlsgebers 11 verglichen. Das Schaltelement 2 führt eine
Schaltsteuerung gemäß des Vergleichsresultates durch, um so
einen Strom zuzuführen, der den gleichen Wert hat wie der
Befehlswert ITH. Das Befehlswertsignal ITH wird von einem
Analogtor 12 ein- und ausgeschaltet, welches durch ein
Ausgabeantriebssignal PL betrieben wird. Folglich wird der
den Laserdioden LD1-LDn zugeführte Strom so an/aus-gesteuert,
daß den Laserdioden LD1-LDn ein als Befehlswert ITH gesetzter
Konstantstrom zugeführt wird.
Fig. 13a-13c zeigen Signalformen und ein Zeitdiagramm,
welche den Betrieb der Steuervorrichtung der Fig. 12
erklären.
Fig. 13a zeigt eine Signalform des Antriebssignals PL zum
Ein- und Ausschalten des Analogtors 12. Fig. 12b zeigt eine
Signalform eines Laserdioden-Eingangsstroms I, der ein den
Laserdioden LD1-LDn zugeführter Strom ist. Fig. 13c ist eine
Signalform einer Laserdioden-Anlegespannung V, welche eine an
die Laserdioden LD1-LDn angelegte Spannung ist.
Wenn das Signal PL zum Zeitpunkt T1 eingeschaltet wird,
schaltet das Schaltelement 2 ein. Dann nimmt der Strom I
durch den Induktivitätswert der Induktivität 4 mit einer
festen Zeitkonstante zu. Wenn der Strom I der Induktivität 4
zum Zeitpunkt T2 den Befehlswert ITH erreicht, wird das
Schaltelement 2 an/aus-gesteuert, um den Strom I auf diesem
konstanten Wert zu halten. Hierbei wird die Ausgabe des
Detektors 9 in den Komparator 10 eingegeben und mit dem
Befehlswert ITH verglichen, so daß der Strom mit dem gleichen
Wert wie der Befehlswert ITH durch die Schaltsteuerung
zugeführt wird. Wenn zum Zeitpunkt T3 das Signal PL
ausgeschaltet wird, schaltet das Schaltelement 2 ab. Dann
fängt der Strom I der Induktivität 4 an, mit fester
Zeitkonstante abzunehmen. Da die Induktivität 4 Energie
speichert, was von dem Induktivitätswert und dem Stromwert
bestimmt wird, ist der Strom I erst zum Zeitpunkt T4
abgeschaltet. Der Induktivitätswert der Induktivität 4
speichert die Energie zwischen den Zeiten T1 und T2 während
der Strom I zunimmt. Daher, im Fall, daß der
Induktivitätswert groß ist, dauert dies lange. Insbesondere,
wenn zwischen den Zeitpunkten T5-T6 ein schmaler Puls
ausgegeben wird, kann der Strom I kein Rechtecksignal bilden,
wie durch das Ausgabestrom-Signal III zwischen den
Zeitpunkten T5-T7 gezeigt.
Die konventionelle Steuervorrichtung kann nämlich keinen
Eingabestrom eines Rechtecksignals den Laserdioden LD1-LDn
ansprechend auf eine kurze Pulsbreite zuführen. Somit hat der
Ausgabestrom eine langsame Ansprechgeschwindigkeit, und es
ist unmöglich, eine korrekte Pulsstrom-Signalform auszugeben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Energiequellen-Steuervorrichtung für eine Laserdiode zu
schaffen, welche bei der Stromzufuhr zu einer Laserdiode
schnell anspricht.
Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung umfaßt eine
Energieversorgungs-Steuervorrichtung für eine Laserdiode eine
Laserdiode. Eine Konstantstromquelle-Schaltung liefert einen
konstanten Strom zur Laserdiode. Ein Schaltelement ist
parallel zwischen einer Anode und einer Kathode der
Laserdiode angeschlossen. Eine Kurzschluß-Schaltung ist
vorgesehen, um einen Durchlaß-Spannungsabfall des
Schaltelementes niedriger einzustellen als einen Durchlaß-
Spannungsabfall der Laserdiode. Die Kurzschluß-Schaltung
schaltet das Schaltelement so ein, daß die Anode und Kathode
der Laserdiode kurzgeschlossen werden, wenn ein Laserausgabe-
Befehlssignal, welches dazu dient, die Laserdiode einen
Laserstrahl ausstrahlen zu lassen, aus ist. Die Kurzschluß
schaltung schaltet das Schaltelement aus, um die Laserdiode
dazu zu bringen, den Laserstrahl auszustrahlen, wenn das
Laserausgabe-Befehlssignal an ist.
Mit solchen Merkmalen kann die Stromveränderung (di/dt), die
in der Induktivität ist, im wesentlichen ignoriert werden, so
daß ebenfalls der Einfluß aufgrund des Induktivitätswertes
ignoriert werden kann. Somit können Konstantstrompulse mit
steilem Anstieg und Abfall zugeführt werden. Folglich zeigt
der der Laserdiode zugeführte Strom ein schnelles Ansprechen.
Darüber hinaus wird keine Umkehrspannung an die Laserdiode
angelegt. Daher ist es möglich, eine Steuervorrichtung zu
schaffen, welche durch Energieversorgung-
Spannungsveränderungen nur wenig beeinflußt wird.
Die Konstantstromquelle-Schaltung kann ein Stromsteuer-
Schaltelement und eine Diode enthalten, welche in Reihe
geschaltet sind. Eine Gleichspannungs-Energieversorgung ist
parallel mit dem Stromsteuer-Schaltelement und der Diode
verbunden. Eine Induktivität hat ein Ende, welches mit einem
Verbindungspunkt zwischen dem Stromsteuer-Schaltelement und
der Diode verbunden ist. Die Gleichspannungs-Stromquelle und
das andere Ende der Induktivität sind mit der Laserdiode
verbunden. Das Stromsteuer-Schaltelement führt eine An/Aus-Steuerung
so durch, daß ein Stromwert der Induktivität gleich
einem Befehlswert ist, wodurch der Laserdiode oder dem
Kurzschluß ein vorbestimmter Strom zugeführt wird. Mit diesen
Merkmalen glättet die Induktivität den Strom, welcher durch
die An/Aus-Signale des Stromsteuer-Schaltelementes erzeugt
wird. Somit hat der Strom eine geringe Welligkeit. Folglich
ist die Schaltung bei geringen Kosten leicht zu
konfigurieren.
Das Stromsteuer-Schaltelement kann im voraus eingeschaltet
werden, wenn das Laserausgabe-Befehlssignal aus ist, so daß
der Stromwert der Induktivität gleich dem Befehlswert ist,
wonach das Laserausgabe-Befehlssignal eingeschaltet wird. Das
Stromsteuer-Schaltelement wird abgeschaltet, nachdem das
Laserausgabe-Befehlssignal abgeschaltet wird. Mit diesen
Merkmalen zeigt der Strom, welcher der Laserdiode zugeführt
wird, einen sehr steilen Anstieg und Abfall. Es ist möglich,
Konstantstrompulse zu erhalten, welche ansprechend auf das
Laserausgabe-Befehlssignal ein schnelles Ansprechen zeigen.
Folglich kann aus der Laserdiode eine Laserausgabe zur
gewünschten Zeit erhalten werden.
Eine in Sperrichtung geschaltete Diode und/oder ein
Widerstand können parallel zur Laserdiode geschaltet sein, an
einer Position in der Nähe der Laserdiode. Mit diesen
Merkmalen zeigt der Konstantstrom, welcher der Laserdiode
zugeführt wird, einen sehr steilen Anstieg und Abfall. Somit
wird verhindert, daß eine Umkehrspannung bzw. Sperrspannung
angelegt wird aufgrund des oszillierenden Stroms, der durch
die Eigeninduktivität der Zuführungsdrähte in der Schaltung,
der Kapazität des Schaltelementes oder der Laserdiode, der
Streukapazität zwischen den Zuführungsdrähten usw. erzeugt
wird. Folglich kann die Schaltung kaum beschädigt werden.
Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Laserdioden in Reihe
geschaltet sein. Dann sind die Diode und/oder der Widerstand
parallel mit jeder Laserdiode verbunden. Die Widerstände
haben den gleichen Widerstandswert. In diesem Fall gleichen
die Widerstände Spannungen zwischen den Laserdioden während
einer Aus-Zeit aus, indem sie die Spannungen durch den
gleichen Widerstandswert teilen. Folglich wird verhindert,
daß sich die Spannung an einer bestimmten Laserdiode
konzentriert. Darüber hinaus verhindert der Widerstand eine
Oszillation des Oszillationsstroms.
Die Energieversorgungsspannung der
Konstantenergieversorgungs-Schaltung kann ungefähr zweimal so
groß sein wie der Gesamtwert des Durchlaßspannungsabfalls der
Laserdiode. Mit diesem Merkmal wird der Stromanstieg und
Stromabfall der Induktivität im wesentlichen gleich, wenn das
Stromsteuer-Schaltelement ein- und ausgeschaltet wird. Somit
wird ein Mittelwert des Stroms, welcher durch das
Stromsteuer-Schaltelement und die Laserdiode fließt, gleich.
Folglich wird der Strom gemittelt, und eine Energieversorgung
hoher Leistung kann mit geringen Kosten hergestellt werden.
Ein Festkörperlasermedium kann durch die Laserstrahlausgabe
aus der Laserdiode angeregt werden, um dadurch einen
Laserstrahl zu erzeugen. Mit diesem Merkmal wird die
Ausgabestrom-Signalform nicht durch die Gleichstromschwankung
beeinflußt. Somit ist es möglich, der Laserdiode einen
ausreichend stabilen Pulsstrom zuzuführen, selbst wenn die
Spannung schwankt, sogar, wenn die Quellenspannung nur durch
Gleichrichten eines kommerziellen Wechselstroms erhalten
wird. Dann regt der Ausgabelaser das Festkörperlasermedium,
wie einen YAG-Laserstab an, um dadurch die Laseroszillation
zu bewirken. Folglich kann ein Laserstrahl mit hoher
Effizienz ausgegeben werden. Darüber hinaus ist es möglich,
einen Laserstrahl zu erzeugen, welcher von dem schnell
ansprechenden Pulsstrom gepulst wird. Ein solcher Laserstrahl
hat gute Eigenschaften für eine Laserbearbeitung.
Gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung umfaßt eine
Energieversorgungs-Steuervorrichtung für eine Laserdiode eine
Laserdiode. Ein Schaltelement ist parallel zwischen einer
Anode und einer Kathode der Laserdiode angeschlossen. Eine
Treiberschaltung treibt die Laserdiode. Ein Kühler wird durch
Zusammenbau von Metallplatten hergestellt. Die Laserdiode,
das Schaltelement und die Treiberschaltung sind auf dem
Kühler montiert.
Mit diesen Merkmalen können elektrische Teile, die leicht
erwärmt werden, direkt und kompakt auf dem Kühler montiert
werden. Sonst, wenn eine gedruckte Platte bzw. Leiterplatte
verwendet wird, können solche elektrischen Teile durch die
gedruckte Platte auf dem Kühler kompakt montiert werden.
Daher ist es möglich, eine konstante thermische Bedingung für
die elektrischen Teile zu schaffen. Folglich verändert sich
die angelegte Spannung nicht, und die An/Aus-Steuerung kann
mit gutem Ansprechen durchgeführt werden.
Der Kühler kann eine Elektrode definieren. Ein jeweiliges
Ende der Laserdiode und des Schaltelementes ist elektrisch
und mechanisch mit dem Kühler verbunden. Eine weitere
Elektrode ist zwischen der Laserdiode und dem Schaltelement
angeordnet. Die andere Elektrode ist von dem Kühler isoliert.
Das jeweils andere Ende der Laserdiode und des
Schaltelementes ist elektrisch mit der anderen Elektrode
verbunden. Durch diese Merkmale wird die Verdrahtungslänge
von der Elektrode zur Laserdiode und zum Schaltelement kurz.
Somit kann der Wert der Selbstinduktivität verringert werden.
Eine Antriebssteuerschaltung ist auf dem Kühler angeordnet,
um das Schaltelement und die Laserdiode anzutreiben und zu
steuern. Mit diesem Merkmal kann eine Leistungsmodul klein
und kompakt gemacht werden, was die Handhabung erleichtert.
Ein Kühlrohr kann vorgesehen sein, in welchem Kühlwasser
zirkuliert. Das Kühlwasser fließt in dem Kühlrohr, um den
Kühler zu kühlen. Mit diesem Merkmal wird die Kühleffizienz
verbessert.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der
folgenden Beschreibung hervor, wobei auf die begleitenden
Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen bevorzugte
Ausführungen der Erfindung gezeigt werden.
Fig. 1 ist ein Schaltbild, welches eine Gesamtschaltung
einer Energieversorgungs-Steuervorrichtung für eine
Laserdiode gemäß einer ersten Ausführung der
Erfindung zeigt.
Fig. 2a-2e
zeigen ein Zeitdiagramm und Signalformen, um den
Betrieb der Steuervorrichtung gemäß der ersten
Ausführung der Erfindung zu erklären.
Fig. 3 ist ein Schaltbild, welches eine Hauptschaltung auf
einer Laserdiodenseite einer Energieversorgungs
steuervorrichtung für Laserdioden gemäß einer
zweiten Ausführung der Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist ein Schaltbild, welches eine Hauptschaltung an
einer Laserdiodenseite einer Energieversorgungs
steuervorrichtung für Laserdioden nach einer
dritten Ausführung der Erfindung zeigt.
Fig. 5 ist eine Seitenansicht, welche ein Laserdiodenmodul
zeigt, auf dem elektrische Teile montiert sind, zur
Verwendung in einer Energieversorgungs
steuervorrichtung gemäß einer vierten Ausführung
der Erfindung.
Fig. 6 ist eine Planansicht, welche das Laserdiodenmodul
der Fig. 5 zeigt.
Fig. 7 ist eine Perspektivansicht, welche ein spezifisches
Schaltelement zeigt, das in einer
Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach einer
fünften Ausführung der Erfindung verwendet wird.
Fig. 8 ist eine Planansicht, welche ein Laserdiodenmodul
zeigt, auf dem elektrische Teile montiert sind zur
Verwendung in einer Energieversorgungs-
Steuervorrichtung nach einer fünften Ausführung der
Erfindung.
Fig. 9 ist eine Planansicht, welche ein Laserdiodenmodul
zeigt, auf dem elektrische Teile montiert sind zur
Verwendung in einer Energieversorgungs
steuervorrichtung nach der sechsten Ausführung der
Erfindung.
Fig. 10 ist eine Planansicht, welche ein Laserdiodenmodul
zeigt, auf dem elektrische Teile montiert sind, zur
Verwendung in einer Energieversorgungs-
Steuervorrichtung nach einer siebten
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X
der Fig. 10.
Fig. 12 ist ein Schaltbild, welches eine Gesamtschaltung
einer konventionellen Energieversorgungs
steuervorrichtung für Laserdioden zeigt.
Fig. 13a-13d
zeigen Signalformen und ein Zeitdiagramm, welche
den Betrieb der Steuervorrichtung der Fig. 12
erklären.
Im folgenden werden mehrere Ausführungen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche Elemente
wie im konventionellen Fall der Fig. 12 und 13a-13c tragen
die gleichen Bezugszeichen. Darüber hinaus werden gleiche
Bezugszeichen durch die Beschreibung hindurch verwendet, um
gleiche Elemente zu bezeichnen.
Fig. 1 veranschaulicht eine Gesamtschaltung einer
Energieversorgungs-Steuervorrichtung für Laserdioden gemäß
einer ersten Ausführung der Erfindung.
In Fig. 1 kann das Stromsteuer-Schaltelement 2 ein MOSFET,
IGBT, SIT oder ein anderer Transistor sein. Das Schaltelement
2 ist mit einer positiven Seite der Energieversorgung 1
verbunden und führt aufgrund eines später beschriebenen
äußeren Antriebssignals ST und einer Ausgabe des
Stromdetektors 9 eine Schaltoperation durch. Die Diode 3
dient als Schwungrad für eine unten beschriebene Schaltung,
welche die Induktivität 4 und die Laserdioden LD1-LDn usw.
enthält. Sie kann eine einzige Laserdiode oder mehrere in
Reihe geschaltete Laserdioden haben. Ein Anschluß der
Induktivität 4 ist mit einem Verbindungspunkt A zwischen dem
Schaltelement 2 und der Diode 3 verbunden. Der andere
Anschluß der Induktivität ist mit der Anodenseite der
Laserdioden LD1-LDn verbunden. Der Ausgangsanschluß DA wird
durch einen Verbindungspunkt zwischen der Induktivität 4 und
der Anode der Laserdioden LD1-LDn definiert. Die
Kathodenseite der Laserdioden LD1-LDn ist mit einem
Verbindungspunkt B zwischen der Energieversorgung 1 und der
Diode 3 verbunden. Der Ausgangsanschluß DK wird durch einen
Verbindungspunkt zwischen der Kathode der Laserdiode LD1-LDn
und dem Verbindungspunkt B definiert. Die Ausgangsanschlüsse
DA und DK bilden Ausgangsanschlüsse einer
Konstantstromquellen-Schaltung 100. Die Anschlüsse DA und DK
sind mit den Laserdioden LD1-LDn jeweils durch einen
Anodenseitenzuführdraht 31 und eine Kathodenseiten-
Zuführungsdraht 32 verbunden.
Normalerweise werden Eigeninduktivitäten L31 und L32 auf den
Zuführungsdrähten 31 und 32 jeweils zwischen dem Anschluß DA
und den Laserdioden LD1-LDn und zwischen dem Anschluß DK und
den Laserdioden LD1-LDn erzeugt.
Ein Schaltelement TR1-TRn ist zwischen der Anode und Kathode
jeder der Laserdioden LD1, LD2-LDn angeschlossen. Das
Schaltelement TR1-TRn schaltet ein, um die jeweilige
Laserdiode LD1-LDn kurzzuschließen, wenn es an ist. Das
Schaltelement TR1-TRn kann aus Transistoren bestehen, wie
einem MOSFET, IGBT und SIT. Ein Widerstandswert oder ein
Durchlaßspannungsabfall des Schaltungselementes TR1-TRn ist
niedriger als 1,5-2,0 V, was eine Durchlaßspannung der
Laserdioden LD1-LDn ist. Im Fall, daß die Schaltelemente TR1-TRn
eingeschaltet werden, um die entsprechenden Laserdioden
LD1-LDn kurzzuschließen, fließt kein Strom durch die
Laserdioden LD1-LDn.
Um den Laserdioden LD1-LDn oder Schaltelementen TR1-TRn Strom
zuzuführen, erfaßt der Stromdetektor 9 den Strom der
Induktivität 4. Dann führt das Schaltelement 2 eine
Schaltsteuerung auf der Grundlage der Ausgabe aus dem
Komparator 10 durch, auf ähnliche Weise wie beim zuvor
erwähnten Stand der Technik. Somit hat der zugeführte Strom
einen Wert, der gleich dem Befehlswert ITH ist. Bei der
vorliegenden Ausführung wird das Analogtor 12 zum Ein- und
Ausschalten des Befehlswertsignals ITH durch ein
Antriebssignal ST betrieben. Das Analogtor 12 wird nämlich
durch das Antriebssignal ST ein/aus-gesteuert, welches den
Start und Stop des Laserstrahls 8 bestimmt. Somit wird das
Schaltelement durch die Ausgabe aus dem Komparator 10
ein/aus-gesteuert, um den Strom der Induktivität 4 und den
Befehlswert ITH gleich zu machen.
Die Konstantstromschaltung 100 bildet die oben erwähnte
Schaltung, welche so steuert, daß der Strom der Induktivität
4 gleich dem Befehlswert ITH ist. Die Schaltung 100 hat den
Anschluß DA am anderen Ende der Induktivität 4 und den
Anschluß DK auf der Kathodenseite der Energieversorgung 1.
Die Schaltung 100 besteht aus dem Komparator 10, dem
Schaltelement 2, der Induktivität 4 und dem Detektor 9. Ihr
Ausgabestrom wird den Dioden LD1-LDn oder Schaltelementen
TR1-TRn durch Drähte 31 und 32 zugeführt, aus den Anschlüssen
DA und DK.
Die Zeiten des Antriebssignals ST sind so berechnet, daß es
zumindest vor einem Anstieg eines Laserausgabe-Befehlssignals
PO ansteigt, und sogar vor einem Anstieg des Ausgabestroms
aus der Energieversorgung 1, was von der Zeitkonstante der
Induktivität 4 bestimmt wird. Das Signal PO definiert ein
Signal zur Ausgabe des Laserstrahls 8 aus den Laserdioden
LD1-LDn. Die Antriebssignale ST können nämlich nacheinander
erzeugt werden durch eine wiederholte Pulsfrequenz fester
Pulsbreite, wenn die Energie eingeschaltet wird. Sonst kann
ein Antriebssignal ST fester Pulsbreite ansteigen vor dem
Anstieg des Signals PO durch Verzögern des Signals PO. Im
übrigen sind andere Modifikationen möglich, so lange der
Induktivität 4 ein Strom des befohlenen Wertes ITH oder
dessen ungefährer Wert durch das Antriebssignal ST vor dem
Befehlssignal PO bzw. dessen Anstieg zugeführt wird.
Zusätzlich muß das Antriebssignal ST nach einem Abfall des
Befehlssignals PO enden.
Eine UND-Schaltung 21 erzeugt ein logisches Produkt des
Befehlssignals PO und des Antriebssignals ST, um die
Schaltelemente TR1-TRn durch Invertierschaltungen IN1-INn und
Treiberschaltungen DR1-DRn zu betreiben. Das bedeutet, wenn
sowohl das Signal ST als auch das Signal PO erzeugt wird, ein
Ausgang der UND-Schaltung 21 "H" wird. Das Ausgangssignal
wird durch die Invertierschaltungen IN1-INn invertiert und
von den Antriebsschaltungen DR1-DRn verstärkt. Somit werden
die Schaltelemente TR1-TRn abgeschaltet. Wenn das Signal ST
oder das Signal BO nicht erzeugt wird, wird der Ausgang der
UND-Schaltung 21 zu "L" und von den Invertierschaltungen IN1-INn
invertiert, so daß die Treiberschaltungen DR1-DRn die
Schaltelemente TR1-TRn einschalten.
Die UND-Schaltung 21, Invertierschaltungen IN1-INn, und
Treiberschaltungen DR1-DRn bilden eine
Signalverarbeitungsschaltung 150 der vorliegenden Ausführung
zur Steuerung des Betriebs der Laserdioden LD1-LDn.
Wie oben erwähnt, wenn die Schaltelemente TR1-TRn
abgeschaltet sind, wird der Ausgabestrom aus der Schaltung
100 den Laserdioden LD1-LDn zugeführt. Andererseits, wenn die
Schaltelemente TR1-TRn eingeschaltet sind, wird der
Ausgangsstrom den Schaltelementen TR1-TRn zugeführt. Der
Strom wird jedoch nicht den Laserdioden LD1-LDn zugeführt.
Somit ist es möglich, den in den Laserdioden LD1-LDn
fließenden Strom mit hoher Geschwindigkeit zu schalten,
obwohl der Strom aus der Schaltung 100 konstant ist.
Die Laserdioden LD1-LDn arbeiten für sich genommen auf die
gleiche Weise wie im Stand der Technik. Es wird bevorzugt,
über die Zahl der Laserdioden LD1-LDn in Abhängigkeit von
einer gewünschten Laserausgangsleitung zu entscheiden. Obwohl
es ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wird,
können sperrgeschaltete Dioden D1-Dn und Widerstände R1-Rn
jeweils parallel zu den Laserdioden LD1-LDn geschaltet sein.
Sonst kann die in Sperrichtung geschaltete Diode D1-Dn oder
der Widerstand R1-Rn parallel mit jeder der Laserdioden LD1-LDn
geschaltet sein. Solche in Sperrichtung geschaltete
Dioden D1-Dn und Widerstände R1-Rn dienen als Schwungrad (fly
wheel). Daher können die Diode D1-Dn oder der Widerstand R1-Rn
allein abhängig von der Größe der elektromotorischen Kraft
in Sperrichtung (Umkehrrichtung) verwendet werden.
Die Fig. 2a-2e zeigen ein Zeitdiagramm und Signalformen, um
einen Betrieb der Steuervorrichtung nach der ersten
Ausführung der Erfindung zu erklären.
Fig. 2a zeigt eine Signalform des Antriebssignals ST. Fig. 2b
zeigt eine Signalform eines Ausgangsstroms aus der
Energieversorgung. Fig. 2c zeigt eine Signalform des
Befehlssignals PO. Fig. 2d zeigt eine Signalform eines den
Laserdioden LD1-LDn zugeführten Stroms. Fig. 2e zeigt eine
Signalform eines elektrischen Potentials der negativen Seite
der Energieversorgung und des Anschlusses DA.
Das in Fig. 2a gezeigte Antriebssignal ST wird zum Zeitpunkt
t1 eingeschaltet ("H") und zum Zeitpunkt t6 ausgeschaltet
("L"). Wenn es keine Laserausgabe gibt, ist das Befehlssignal
PO zum Zeitpunkt tl ausgeschaltet ("L"), wie in Fig. 2c
gezeigt. Somit ist der Ausgang der UND-Schaltung 21 auf "L"
und die Schaltelemente TR1-TRn sind eingeschaltet. Da die
Schaltelemente TR1-TRn eingeschaltet sind, fließt der Strom
aus der Schaltung 100 durch die Schaltelemente TR1-TRn.
Hierbei fließt kein Strom durch die Laserdioden LD1-LDn,
welche einen größeren Durchlaßspannungsabfall haben.
Wenn das Antriebssignal SD auf H zugeht, schaltet das
Analogtor 12 ein. Dann schaltet das Schaltelement 2 durch den
Komparator 10 ein. Dadurch nimmt der Strom mit der
Zeitkonstante der Induktivität 4 zu, wie durch eine
ansteigende Signalform I21 des Ausgangsstroms aus der
Energiequelle 1 in Fig. 2b gezeigt. Wenn der Stromwert den
Befehlswert ITH erreicht, beginnt das Schaltelement 2 mit der
Wiederholung des Ein- und Ausschaltens, um den Strom auf dem
festen Befehlswert ITH zu halten, wie durch die Signalform
I22 gezeigt. Hierbei fließt ein Strom festen Pegels durch die
Schaltelemente TR1-TRn. Es fließt kein Strom durch die
Laserdioden LD1-LDn bis das Befehlssignal PO auf "H" geht.
Die Spannung des Anschlusses DA ist nur der Spannungsabfall
der Schaltelemente TR1-TRn. Wie in Fig. 2e gezeigt, ist der
Spannungsabfall proportional zur ansteigenden Signalform I21
und dem folgenden Befehlswert ITH.
Wenn im Zeitpunkt T2 das Signal PO zu "H" wird, wie in Fig. 2c
gezeigt, schalten die Schaltelemente TR1-TRn aus, und es
fließt kein Strom durch sie hindurch. Dann fließt der Strom
durch die Laserdioden LD1-LDn. Hierbei, obwohl der Stromfluß
durch die Schaltelemente TR1-TRn schnell auf die Laserdioden
LD1-LDn geschaltet wird, ist der von der Stromschaltung I
angelegte Stromwert konstant. Eine Stromschaltgeschwindigkeit
wird durch eine Abschaltzeit der Schaltelemente TR1-TRn
bestimmt. Die gibt keine Veränderung des durch die
Induktivität 4 fließenden Stroms (di/dt) oder diese kann im
wesentlichen ignoriert werden, so daß der Induktivitätswert
der Induktivität 4 keinen Einfluß hat. Daher, wie durch die
Laserdioden-Eingangsstromsignalform 131 in Fig. 2d gezeigt,
nimmt der Strom sehr schnell zu. Insbesondere besteht kein
Einfluß der Eigeninduktivitäten L31, L32 der Zuführungsdrähte
31, 32. Hierbei ist die Spannung des Anschlusses DA annähernd
die gleiche wie der Durchlaßspannungsabfall der Laserdioden
LD1-LDn, und höher als der Durchlaßspannungsabfall der
Schaltelemente TR1-TRn. Während dieses Stromschaltens wird an
die Laserdiode LD1-LDn nur eine positive Spannung angelegt,
und es wird an sie keine negative Spannung angelegt. Daher
ist es möglich, die Laserdioden LD1-LDn sicher und schnell zu
betreiben, da die Laserdioden empfindlich sind auf negative
Spannung und durch diese beschädigt werden könnten.
Wenn das Signal PO zum Zeitpunkt t3 auf "L" schaltet, werden
die Schaltelemente TR1-TRn eingeschaltet. Dann wird der Strom
aus der Schaltung 100 den Schaltelementen TR1-TRn zugeführt,
während ein Fluß durch die Laserdioden LD1-LDn aufhört. Zu
diesem Zeitpunkt kann der Stromfluß von den Laserdioden LD1-LDn
mit hoher Geschwindigkeit auf die Schaltelemente TR1-TRn
verändert werden, so daß der Strom konstant gehalten wird.
Eine Schaltgeschwindigkeit wird hierbei durch die
Einschaltzeit der Schaltelemente TR1-TRn bestimmt. Dann wird
die Spannung am Anschluß DA gleich dem
Durchlaßspannungsabfall der Schaltelemente TR1-TRn. Während
dieses Stromschaltens wird nur eine positive Spannung an die
Laserdiode LD1-LDn angelegt, so daß diese sicher und schnell
betrieben werden.
Wie oben erwähnt, gibt es in der Induktivität 4 beim Schalten
des Stroms zwischen den Laserdioden LD1-LDn und den
Schaltelementen TR1-TRn keine Stromveränderung. Daher hat der
Induktivitätswert der Induktivität 4 keinen Einfluß, so daß
der Stromanstieg und Stromabfall sehr schnell ist, wie in
Fig. 2d gezeigt. Somit, selbst wenn das Signal PO eine
schmale Breite zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 hat, kann
den Laserdioden LD1-LDn ein korrekter Pulsstrom zugeführt
werden.
Wenn das Signal ST zum Zeitpunkt t6 ausgeschaltet wird,
schaltet das Schaltelement 2 ab. Dann zirkuliert der Strom
der Induktivität 4 durch die Induktivität 4, die
Schaltelemente TR1-TRn und die Diode 3, wodurch er allmählich
abnimmt, wie durch eine Signalform I23 in Fig. 2b gezeigt.
Der abnehmend Strom der Induktivität 4 hat keinen Einfluß auf
die Laserdioden LD1-LDn.
Das Schaltelement TR1-TRn definiert eine Kurzschluß-Schaltung
der vorliegenden Ausführung, welche die Laserdioden LD1-LDn
kurzschließt, wenn es kein Signal PO gibt, während die
Laserdioden LD1-LDn betrieben werden, wenn es ein Signal PO
gibt.
Wie oben beschrieben, arbeitet die Steuervorrichtung der
vorliegenden Ausführung im Grunde genommen wie folgt. Als
erstes schaltet sie das Signal ST auf "H" und schaltet das
Signal PO an und aus, nachdem der Strom der Induktivität 4
den Befehlswert ITH erreicht. Dann schaltet sie das Signal ST
auf "L" nach dem Abschalten des Signals PO. Daher kann den
Laserdioden LD1-LDn stets ein Eingangsstrom als Pulssignal
zugeführt werden, welcher schnell ansteigt und abfällt und
einen Spitzenwert hat, der gleich dem Befehlswert ITH ist.
Darüber hinaus, selbst wenn die Anschlüsse DA, DK von den
Laserdioden LD1-LDn weit entfernt sind, haben die
Eigeninduktivitäten L31 und L32 der Zuführungsdrähte 31 und
32 keinen Einfluß, und ein schnelles Ansprechen des Stroms
wird erzielt. Daher ist die Steuervorrichtung der
vorliegenden Ausführung selbst bei einem Hochleistungs-
Laseroszillator wirksam, nämlich in dem Fall, daß der Abstand
zwischen den Anschlüssen DA und DK und den Laserdioden LD1-LDn
groß ist und der Eingangsstrom der Laserdioden LD1-LDn
groß ist. Darüber hinaus widersteht die Steuervorrichtung dem
Einfluß von Energiequellen-Spannungsschwankungen, während sie
bei der Zuführung von Strom zu den Laserdioden LD1-LDn ein
schnelles Ansprechen zeigt. Ferner, da Konstantstrompulse mit
hohem Ansprechen erhältlich sind, ansprechend auf das
Befehlssignal PO, kann eine korrekte Laserausgangsleistung
aus den Laserdioden LD1-LDn1 erhalten werden. Zusätzlich
glättet die Induktivität 4 den von dem Schaltelement 2
erzeugten Konstantstrom, so daß der Konstantstrom eine
geringe Welligkeit hat. Folglich ist die
Konstantenergieversorgungsschaltung der vorliegenden
Ausführung einfach und kostengünstiger als eine
konventionelle Konstantenergieversorgungsschaltung zur
Steuerung eines Stroms auf einen konstanten Pegel.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer Hauptschaltung auf einer
Laserdiodenseite einer Energieversorgungssteuervorrichtung
für Laserdioden gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
Bei dieser Ausführung sind halb so viele Schaltelemente wie
Laserdioden LD1-LDn vorgesehen. Andererseits zeigt Fig. 4 ein
Schaltbild einer Hauptschaltung auf einer Laserdiodenseite
einer Energieversorgungs-Steuervorrichtung für Laserdioden
gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung. Bei dieser
Ausführung ist ein einziges Schaltelement vorgesehen für die
Laserdioden LD1-LDn.
Während bei der ersten Ausführung ein Schaltelement mit jeder
der Laserdioden verbunden ist, kann die Zahl der
Schaltelemente verringert werden. Ein Schaltelement kann
nämlich parallel zu zwei oder mehr Laserdioden geschaltet
werden. In einem solchen Fall werden mehrere Laserdioden
kurzgeschlossen bzw. zusammen betrieben entsprechend dem An- oder
Aus-Zustand eines entsprechenden Schaltelementes. Die
Fig. 3 und 4 zeigen solche Modifikationen. In Fig. 3 ist ein
Schaltelement TR1-TRn/2 parallel mit zwei Laserdioden LD1-LDn
verbunden. In Fig. 4 ist ein Schaltelement TR parallel mit
allen Laserdioden LD1-LDn geschaltet. In der Ausführung der
Fig. 4 kann die Vielzahl von Laserdioden LD1-LDn durch die
geringste Anzahl von Schaltelementen TR1 kurzgeschlossen
werden, so daß die Schaltung kostengünstig hergestellt werden
kann.
Darüber hinaus, insbesondere dort, wo mehrere Laserdioden
LD1-LDn in Reihe verbunden sind, wird eine Spannung an einem
Verbindungspunkt manchmal instabil, wenn eine Spannung in
Sperrichtung angelegt wird. Daher sind in beiden Ausführungen
eine Diode D1-Dn als Sperrspannungsverhinderungs-Diode und
ein Widerstand R1-Rn parallel als Paar mit jeder der
Laserdioden LD1-LDn geschaltet. Die Diode D1-Dn ist
vorzugsweise eine, welche eine niedrige Durchlaßspannung hat
und zu einem Hochgeschwindigkeitsschalten fähig ist, wie eine
Schottky-Diode. Der Widerstand R1-Rn ist vorzugsweise einer,
welcher einen niedrigen Widerstandswert von weniger als 100
Ω hat. Selbst wenn ein solcher Widerstand R1-Rn mit
niedrigem Widerstandswert verwendet wird, ist die
Durchlaßspannung der Laserdiode LD1-LDn ungefähr 2V, so daß
der Energieverbrauch gering ist und ignoriert werden kann.
In den zweiten und dritten Ausführungen nimmt der
Ausgangsstrom aus der Steuervorrichtung schnell zu und fällt
schnell ab. Folglich ist es möglich, daß ein oszillierender
Strom erzeugt wird, aufgrund einer Kapazität der Laserdioden
LD1-LDn oder einer Streukapazität der Verdrahtung oder
dergleichen. Daher ist die Diode D1-Dn umgekehrt an jede
Laserdiode LD1-LDn angeschlossen. Somit wird eine Spannung in
Sperrichtung verhindert und die Laserdioden LD1-LDn werden
vor Schaden geschützt. Die Widerstände R1-Rn haben den
gleichen Widerstandswert und gleichen die Spannung zwischen
den Laserdioden LD1-LDn aus, so daß eine
Spannungskonzentration an einer bestimmten Laserdiode LD1-LDn
verhindert wird. Wenn Strom durch die Laserdioden LD1-LDn
fließt, selbst wenn ein Widerstand mit niedrigem
Widerstandswert verwendet wird, ist der Energieverbrauch so
klein an der Laserdiode, daß er ignoriert werden kann.
Darüber hinaus dient er zur Verhinderung einer Oszillation
des Oszillationsstroms. Selbstverständlich werden die
gleichen Wirkungen erzielt, wenn sowohl die Dioden D1-Dn als
auch die Widerstände R1-Rn angeschlossen sind. Die Laserdiode
LD1-LDn und das Schaltelement TR1-TRn sind jedoch parallel
verbunden und werden in der Erfindung wechselweise verwendet.
Daher besteht kein Problem, da bei normaler Verwendung an sie
keine Sperrspannung angelegt wird, selbst wenn die Diode D1-Dn
oder der Widerstand R1-Rn verwendet werden. Ferner, selbst
wenn weder die Diode D1-Dn noch der Widerstand R1-Rn
verwendet werden, können die gleichen Wirkungen erzielt
werden.
Wenn die Spannung der Energieversorgung 1 im Verhältnis zur
Durchlaßspannung der in Serie geschalteten Laserdioden LD1-LDn
höher ist, wird die Anstiegsgeschwindigkeit schneller.
Eine solche Spannung hat jedoch nichts mit der
Abfallgeschwindigkeit zu tun. Andererseits wird eine
übermäßig hohe Spannung der Energieversorgung 1 nicht
bevorzugt, da diese den Schaltverlust des Schaltelementes 2
erhöht und das Rauschen verstärkt. Es ist vorzuziehen, daß
die Spannung der Energieversorgung 1 beinahe doppelt so groß
eingestellt wird wie der gesamte Durchlaßspannungsabfall der
Laserdioden LD1-LDn. In diesem Fall werden die Stromzunahme
und -abnahme der Induktivität 4 gleich, wenn das
Schaltelement 2 ein- und ausschaltet. Somit wird ein
Durchschnittsstrom, welcher durch das Schaltelement 2 und die
Diode 3 fließt, gleich, so daß der Strom gleichmäßig wird.
Daher ist es möglich, die Energieversorgung 1 mit einer hohen
Ausgangsleistung bei niedrigen Kosten herzustellen. Die
Quellenspannung muß nicht genau "doppelt" so groß sein wie
der Gesamt-Durchlaßspannungsabfall der Laserdioden LD1-LDn.
Es wurde durch die Erfinder bestätigt, daß kein negativer
Einfluß erzeugt wurde, wenn die Quellenspannung ungefähr 1,5
bis 3 mal so groß war.
Wie oben erwähnt, hat die Steuervorrichtung gemäß jeder
Ausführung eine optimale Gleichspannung. Die Veränderung bzw.
Schwankung der Gleichspannung hat jedoch keinen Einfluß auf
die Ausgabestrom-Signalform. Somit, selbst wenn eine Spannung
verwendet wird, die lediglich durch Gleichrichten der
kommerziellen Wechselspannung erzeugt wird, kann eine
ausreichend stabiler Pulsstrom den Laserdioden LD-Ln
zugeführt werden, unabhängig von der Schwankung der Spannung.
Darüber hinaus wird den Laserdioden LD1-LDn Strom aus den
Steuervorrichtungsversorgungen geliefert, um dadurch
Laserstrahlen auszusenden. Solche Laserstrahlen regen das
Festkörpermedium bzw. YAG-Laserstab an. Dann oszilliert das
Laserlicht zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln 6 und 7,
so daß ein Laserstrahl 8 mit hoher Effizienz ausgesendet
werden kann. Die Anregung des YAG-Lasers mit den Laserdioden
LD1-LDn ist sehr effektiv. Darüber hinaus ist es möglich, den
gepulsten Laserstrahl 8 zu erhalten, durch den Pulsstrom mit
schnellem Ansprechen als Ausgabestrom aus der
Steuervorrichtung.
Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht eines Laserdiodenmoduls, auf
dem elektrische Teile montiert sind, für die Verwendung in
einer Energieversorgungs-Steuervorrichtung gemäß einer
vierten Ausführung der Erfindung. Fig. 6 zeigte eine
Planansicht des Laserdiodenmoduls der Fig. 5.
In Fig. 5 ist ein Signalverbinder 51 eine elektrische
Verbindungseinrichtung zur Eingabe einer Ausgabe der UND-
Schaltung 21 und der Inverterschaltung IN1 aus der
Konstantstromschaltung 100. Eine Verstärkerschaltung 59 und
Transistoren 52 einer Treiberschaltung DR1 verstärken die
Ausgabe aus der Inverterleitung IN1. Dann wird die verstärkte
Ausgabe an das Schaltelement TR1 ausgegeben. Das Modul wird
auf den Fall angewendet, bei dem ein Schaltelement TR1 für
eine Laserdiode LD1 verwendet wird, wie in Fig. 1 gezeigt.
Selbstverständlich ist das Modul auf das andere Paar aus
Schaltelement TR2-TRn und Laserdiode LD2-LDn auf die gleiche
Weise anwendbar. Der Verbinder 51 und die Treiberschaltung
DR1, welche sich leicht erwärmt, sind auf einer bedruckten
Platte 53 montiert. Die bedruckte Platte 53 besteht aus einem
thermisch leitfähigen Material und ist über einen
Isolatorsockel 54, wie einem Klebstoff oder dergleichen,
welcher ein elektrischer Isolator ist, an einem Kühler 60
angebracht und fixiert. Das Schaltelement TR1 ist auf dem
Kühler 60 durch einen Klebstoff 50 oder Lötzinn fixiert, so
daß sein Drain mit dem Kühler 60 elektrisch verbunden ist.
Ein Source des Schaltelementes TR1 ist mit einer Elektrode 57
verbunden, welche über einen Isolatorsockel 56 an dem Kühler
60 festgemacht ist. Ein Gate des Schaltelementes TR1 ist mit
den Transistoren 52 durch die bedruckte Platte 53 verbunden.
Der Kühler 60 besteht aus einem Gehäuse, welches durch den
Zusammenbau von Metallplatten hergestellt wird. Ein Kühlrohr
61 ist mit dem Kühler 60 verbunden bzw. läuft durch diesen
hindurch, um Kühlwasser zirkulieren zu lassen. Somit kühlt
das in dem Kühlrohr 61 zugeführte Kühlwasser den gesamten
Kühler 60. Der Kühler 60 ist mit dem Ausgangsanschluß DA der
Schaltung 100 verbunden, so daß dem Kühler 60 von der
Schaltung 100 ein positives elektrisches Potential gegeben
wird. Darüber hinaus ist das Drain des Schaltelementes
TR1 elektrisch und mechanisch mit dem Kühler 60 verbunden.
Andererseits ist das Source des Schaltelementes TR1 mit der
Elektrode 57 auf der negativen Elektrodenseite bzw. dem
Ausgangsangschluß DK verbunden, während es durch den Isolator
56 von dem Kühler 60 elektrisch getrennt ist. Die Anode der
Laserdiode LD1 ist über einen Klebstoff 58 oder Lötzinn auf
dem Kühler 60 fixiert, um so mit dem Kühler 60 elektrisch
verbunden zu sein. Andererseits ist die Kathode der
Laserdiode LD1 mit der Elektrode 57 verbunden. Die
Antriebsschaltung DR1 bildet in der vorliegenden Ausführung
einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung 150, welche die
Laserdiode LD1 antreibt und steuert.
In der obigen Ausführung sind die Laserdiode LD1, das
Schaltelement TR1 und die Treiberschaltung DR1 auf dem Kühler
60 montiert. Die elektrischen Teile, welche sich leicht
erwärmen, können nämlich direkt und kompakt auf dem Kühler 60
angeordnet werden. Sonst können sie kompakt auf dem Kühler 60
über die bedruckte Platte 53 montiert werden. Daher ist der
thermische Zustand solcher Teile konstant, so daß die An/Aus-
Steuerung ohne Schwankung der angelegten Spannung und mit
schnellem Ansprechen durchgeführt wird.
Ein Laserdiodenmodul 200A wird hergestellt durch Montieren
der Laserdiode LD1 und des Schaltelementes PR1 auf dem
gleichen Kühler 60. Bei dem Modul 200A fließt der Strom durch
eine Spannung zwischen der Elektrode 57 als der
Minuselektrode und dem Kühler 60 als der Pluselektrode. Somit
ist es möglich, die Konfiguration von dem Signalverbinder 51
zur Antriebssteuerschaltung kompakt zu machen, nämlich das
Schaltelement TR1 und die Laserdiode LD1.
Bei dieser Ausführung sind ein Ende der Laserdiode LD1 und
das Schaltelement TR1 elektrisch und mechanisch mit dem
Kühler 60 als einer positiven Elektrode verbunden. Die
Elektrode 57, welche von dem Kühler 60 isoliert ist, ist
zwischen ihnen angeordnet. Dann sind die anderen Enden der
Laserdiode LD1 und des Schaltelementes TR1 mit der Elektrode
57 verbunden. Daher wird die Verdrahtungslänge zwischen der
Elektrode 57, der Laserdiode LD1 und dem Schaltelement TR1
kurz, wodurch die Eigeninduktivität verringert wird.
Fig. 7 zeigt ein spezifisches Schaltelement, welches in einer
Energieversorgungs-Steuervorrichtung gemäß einer fünften
Ausführung der Erfindung verwendet wird. Fig. 8 zeigt eine
Planansicht eines Laserdiodenmoduls, auf welchem elektrische
Teile montiert sind, zur Verwendung in einer
Energieversorgungs-Steuervorrichtung gemäß der fünften
Ausführung der Erfindung.
In den Fig. 7 und 8 wird ein spezifisches Schaltelement TR1x
verwendet, während die Form einer gedruckten Platte in der
fünften Ausführung modifiziert ist. Während die vierte
Ausführung zwei gedruckte Platten 54 und 57 hat, hat die
fünfte Ausführung eine einzige gedruckte Platte. Im Detail
besteht die gedruckte Platte der fünften Ausführung aus einem
ersten gedruckten Abschnitt 53a, einem zweiten gedruckten
Abschnitt 53b und einem dritten gedruckten Abschnitt 53c. Der
erste gedruckte Abschnitt 53a ist auf der linken Seite des
Kühlers 60 angeordnet und trägt den Verbinder 51, die
Verstärkerschaltung 59 und Transistoren 52. Der zweite
gedruckte Abschnitt 53b erstreckt sich von dem ersten
gedruckten Abschnitt 53a und sein hauptsächlicher Teil ist
auf der rechten Seite des Kühlers 60 angeordnet, neben der
Laserdiode LD1. Der dritte gedruckte Abschnitt 53c erstreckt
sich von dem ersten gedruckten Abschnitt 53a zum Hauptteil
des zweiten gedruckten Abschnitts 53b. Ein Isolatorsockel 54x
der fünften Ausführung ist in der Gesamtheit zwischen der
gedruckten Platte 53a-53c und dem Kühler 60 angeordnet, um
diese elektrisch zu isolieren. Somit verbleibt ein Bereich,
in dem der Kühler frei liegt.
Das Schaltelement TR1x hat ein Gehäuse, welches mechanisch an
dem freigelegten Bereich des Kühlers 60 durch Löten
festgemacht ist. Somit ist das Drain des Schaltelementes TR1x
elektrisch mit dem Kühler 60 verbunden. Ein Gate des
Schaltelementes TR1x ist elektrisch mit dem Transistor 52
über ein leitfähiges Muster verbunden, welches auf dem
dritten gedruckten Abschnitt 53c gebildet ist. Ein Source des
Schaltelementes TR1x ist elektrisch mit dem zweiten
gedruckten Abschnitt 53d verbunden. Die Kathode der
Laserdiode LD1 ist elektrisch mit einem leitfähigen Muster
des zweiten gedruckten Abschnitts 52b durch Bonddrähte oder
dergleichen verbunden. Die Anode der Laserdiode LD1 ist auf
dem Kühler 60 fixiert, und so mit diesem über einen Klebstoff
58, Lötzinn oder dergleichen, elektrisch verbunden zu sein.
Somit sind das Drain des Schaltelementes TR1x und die Anode
der Laserdiode LD1 elektrisch mit der positiven Elektrode
verbunden, während das Source des Schaltelementes TR1x und
die Kathode der Laserdiode LD1 elektrisch mit der negativen
Elektrode verbunden sind.
Bei dieser Ausführung sind die Laserdioden LD1 und das
Schaltelement TR1x ebenfalls mechanisch mit dem Kühler 60
verbunden, so daß ihre Anoden über den Kühler 60 miteinander
elektrisch verbunden sind. Als Folge wird die
Verdrahtungslänge zwischen der Laserdiode LD1 und dem
Schaltelement TR1 kurz, wodurch die Eigeninduktivität
verringert wird.
Darüber hinaus sind die Laserdiode LD1, das Schaltelement
TR1x und die Treiberschaltung DR1 auf dem Kühler 60 montiert,
wie in der vierten Ausführung. Daher können die gleichen
vorteilhaften Wirkungen erzielt werden.
Ferner hat ein Laserdiodenmodul 200B der fünften Ausführung
insgesamt eine einfache Verdrahtung, so daß die
Herstellungskosten verringert werden.
Fig. 9 zeigt eine Planansicht eines Laserdiodenmoduls, auf
welchem elektrische Teile montiert sind, zur Verwendung in
der Energieversorgungs-Steuervorrichtung gemäß der fünften
Ausführung der Erfindung.
Die sechste Ausführung verwendet drei Laserdiodenmodule 200A,
welche in Fig. 4 gezeigt sind. Drei Kühler 60-1, 60-2 und
60-3 der gleichen Konfiguration wie der Kühler 60 sind durch
Isolatorsockel 80-1 und 80-2 miteinander verbunden und
aneinander festgemacht. Der Isolatorsockel 80-1, 80-2 besteht
aus einem synthetischen Harz, synthetischem Gummi oder
dergleichen. Der Kühler 60-1 ist mit der positiven Elektrode
elektrisch verbunden. Die Elektrode 57, die auf dem Kühler
60-1 montiert ist, ist elektrisch mit dem Kühler 60-2 des
nächsten Moduls 200A durch Verdrahtung verbunden. Ähnlich ist
die Elektrode 57, welche auf dem Kühler 60-2 montiert ist,
elektrisch mit dem Kühler 60-3 verbunden. Die Elektrode 57,
welche auf dem Kühler 60-3 montiert ist, ist elektrisch mit
der negativen Elektrode verbunden. Somit sind die drei Module
200A zu einem Körper vereint, um ein Laserdiodenmodul 200C
der vorliegenden Ausführung zu definieren. Drei Laserdioden
LD1, LD2 und LD3 sind bei der sechsten Ausführung vorgesehen,
während die einzelne Laserdiode LD1 in der vierten oder
fünften Ausführung verwendet wird. Folglich ist die
Ausgangsleistung der Laserdioden LD1-LD3 dreimal so groß
wie die Ausgangsleistung der einzelnen Laserdiode LD1.
Während das Modul 200C der vorliegenden Ausführung drei
Module 200A der Fig. 4 verwendet, kann es modifiziert werden,
um zwei oder mehr Module 200A zu verwenden, je nach Wunsch.
Gemäß der vorliegenden Ausführung ist eine Standartisierung
möglich. Darüber hinaus ist eine große Laserausgangsleistung
nach Wunsch erhältlich mit einer kompakten Struktur. Das
Kühlrohr 61 ist von den Kühlern 60 elektrisch isoliert. Eine
Peripherie des Kühlrohres 61 kann von einem Isoliermaterial
umgeben sein. Sonst kann das Kühlrohr 61 selbst aus
Isoliermaterial bestehen. Somit sind die Kühler 60
voneinander elektrisch isoliert.
Bei der sechsten Ausführung sind die drei Laserdioden LD1-LD3
elektrisch in Reihe verbunden. Dementsprechend sind drei
Schaltelemente TR1-TR3 elektrisch zwischen den Anoden und
Kathoden der Laserdioden LD1-LD3 jeweils angeschlossen.
Darüber hinaus treiben drei Antriebsschaltungen DR1-DR3 der
gleichen Konfiguration jeweils die Laserdioden LD1-LD3.
Solche Laserdioden LD1-LD3, Schaltelemente TR1-TR3 und
Treiberschaltungen DR1-DR3 sind auf dem Kühler 60 montiert,
wie bei der vierten Ausführung. Daher können die gleichen
vorteilhaften Wirkungen erzielt werden.
Darüber hinaus wird die Verdrahtungslänge zwischen der
Laserdiode LD1-LD3 mit dem Schaltelement TR1-TR3 kurz,
wodurch die Eigeninduktivität verringert wird.
Fig. 10 zeigt ein Planansicht eines Laserdiodenmoduls, auf
dem elektrische Teile montiert sind, zur Verwendung in einer
Energieversorgungs-Steuervorrichtung gemäß einer siebten
Ausführung der Erfindung. Fig. 11 zeigt eine
Querschnittsansicht entlang der Linie X-X der Fig. 10.
In Fig. 10 wird das einzelne Schaltelement TR1 dazu
verwendet, die drei Laserdioden LD1-LD3 kurzzuschließen. Im
Detail sind vier gedruckte Platten 74, 75, 76 und 77 auf
einem Kühler 70 montiert, während sie von dem Kühler 70 und
voneinander durch einen Isolatorsockel 71 elektrisch isoliert
sind. Die gedruckte Platte 75 ist elektrisch mit der
positiven Elektrode verbunden, während die gedruckte Platte
74 elektrisch mit der negativen Elektrode verbunden ist. Der
Signalverbinder 51 und die Treiberschaltung DR1 sind auf der
gedruckten Platte 74 montiert. Das Drain des Schaltelementes
TR1 (TRn) ist thermisch mit dem Kühler 70 verbunden.
Beispielsweise ,ist das Drain mechanisch mit dem Kühler 70
durch Löten verbunden, um so Wärme zum Kühler 70 zu leiten.
Darüber hinaus ist das Drain mit der positiven Elektrode über
ein leitfähiges Muster auf der gedruckten Platte 75
elektrisch verbunden. Das Source des Schaltelementes TR1 ist
über einen Bonddraht und ein leitfähiges Muster der
gedruckten Platte 74 mit der negativen Elektrode elektrisch
verbunden. Das Gate des Schaltelementes TR1 ist über ein
leitfähiges Muster der gedruckten Platte 74 mit den
Transistoren 52 elektrisch verbunden. Die Laserdiode LD1 ist
durch die gedruckte Platte 75 auf dem Kühler 70 montiert. Die
Laserdiode LD2 ist durch die gedruckte Platte 76 auf dem
Kühler 70 montiert. Die Laserdiode LD3 ist durch die
gedruckte Platte 77 auf dem Kühler 70 montiert. Die gedruckte
Platte 75, 76, 77 hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so daß
die Laserdiode LD1, LD2, LD3 thermisch mit dem Kühler 70
gekoppelt ist. Die Anode der Laserdiode LD1 ist elektrisch
mit der positiven Elektrode verbunden, über ein leitfähiges
Muster der gedruckten Platte 75. Die Kathode der Laserdiode
LD1 ist über Drähte und leitfähige Muster der gedruckten
Plate 76 mit der Anode der Laserdiode LD2 elektrisch
verbunden. Die Kathode der Laserdiode LD2 ist über Drähte und
leitfähige Muster der gedruckten Platte 77 mit der Anode der
Laserdiode LD3 elektrisch verbunden. Die Kathode der
Laserdiode LD3 ist über Drähte und leitfähige Muster der
gedruckten Platte 74 mit der negativen Elektrode elektrisch
verbunden. Das Kühlrohr 61 läuft durch den Kühler 70. Im
Gegensatz zur sechsten Ausführung bedeckt kein
Isoliermaterial das Kühlrohr 61 in dieser Ausführung. Das
Kühlrohr 61 ist direkt mit dem Kühler 70 gekoppelt, um so die
Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Während in dieser
Ausführung ein Laserdiodenmodul 200D drei Laserdioden LD1-LD3
verwendet, kann es modifiziert werden, um zwei oder mehr
Laserdioden zu benutzen, je nach Wunsch.
Wie oben erwähnt, werden bei-dem Laserdiodenmodul 200D die
Laserdioden LD1-LD3, die Verstärkerschaltung 51, die
Transistoren 52 und das Schaltelement TR1 auf dem Kühler 70
montiert, welcher durch das Kühlrohr 61 gekühlt wird. Daher
kann der Kühler 70 die von diesen elektrischen Teilen
erzeugte Wärme effektiv absorbieren. Darüber hinaus, da diese
elektrischen Teile auf den leitfähigen Mustern der gedruckten
Platten 74-77 montiert sind, ist die Verdrahtung sehr
einfach und das Modul kann mit geringen Kosten hergestellt
werden. Ferner ist es möglich, aus der Vielzahl von
Laserdioden LD1-LD3 einen Laserstrahl mit großer
Ausgangsleistung zu erhalten, je nach Wunsch.
Zusätzlich ist eine Elektrode der Laserdioden LD1-LDn und des
Schaltelementes TR1 direkt auf jedes entsprechende leitfähige
Muster der gedruckten Platte 74, 75, 76, 77 gelötet. Darüber
hinaus ist die andere Elektrode mit dem benachbarten
leitfähigen Muster durch Drahtbondung oder dergleichen
verdrahtet. Daher wird die Verdrahtungslänge zwischen den
Laserdioden LD1-LD3 und Schaltelement TR1 kurz, wodurch die
Eigeninduktivität verringert wird.
In der vorliegenden Ausführung ist das Schaltelement TR1
zwischen der Anode und Kathode der Laserdioden LD-LD3
elektrisch angeschlossen. Die Treiberschaltung DR1 treibt die
Laserdioden LD1-LD3. Der Kühler 70 wird durch Zusammenbau
von Metallplatten hergestellt. Dann werden die Laserdioden
LD1-LD3, das Schaltelement TR1 und die Treiberschaltung DR1
auf dem Kühler 70 montiert, wie bei der vierten Ausführung.
Daher werden die gleichen vorteilhaften Wirkungen erzielt.
Das Schaltelement TR1-TRn und die Laserdiode LD1-LDn werden
von der Treiberschaltung TR1 als Antriebssteuerschaltung
welche auf dem Kühler 60, 70 montiert ist angetrieben und
gesteuert. Daher können sie kompakt und von kleiner Größe
sein, was ihre Handhabung erleichtert.
Während in der ersten bis siebten Ausführung vorzugsweise
mehrere Laserdioden verwendet werden, hängt die Zahl der
Laserdioden von, einer erforderlichen Ausgangsleistung des
Laserstrahls 8 ab. Die Zahl kann daher eins oder mehr sein,
je nach Wunsch.
Während die Konstantstromquelle 100 das Schaltelement 2 für
die Stromsteuerung verwendet, welches die Schaltsteuerung
durchführt, um den Laserdioden LD1-LDn einen konstanten Strom
zuzuführen, kann jede Konstantstromquelle verwendet werden.
Die Schaltung zur Erhaltung des Konstantstroms ist nicht auf
eine in den obigen Ausführungen gezeigte spezifische
Konfiguration beschränkt.
Die Laserdiode in jeder Ausführung erzeugt Laserlicht durch
Halbleiter in der Form von integrierten Dioden. Die
Laserdiode der Erfindung kann jedoch ausgewählt werden aus
allen Halbleitern, die Laserlicht erzeugen, und beinhaltet in
seiner Definition alle Halbleiter.
Die bevorzugten Ausführungen, welche hier beschrieben wurden,
dienen der Anschauung und sind nicht beschränkend. Der Umfang
der Erfindung wird in den angehängten Ansprüchen angegeben,
und alle Variationen, welche unter die Bedeutung der
Ansprüche fallen, sollen von diesen umfaßt sein.
Claims (10)
1. Energieversorgungs-Steuervorrichtung für eine
Laserdiode, umfassend:
eine Laserdiode (LD1-LDn);
eine Konstantstromquellen-Schaltung (100), welche der Laserdiode einen Konstantstrom zuführt;
ein Schaltelement (TR1-TRn, TR1x), welches parallel zwischen einer Anode und einer Kathode der Laserdiode angeschlossen ist; und
eine Kurzschluß-Schaltung, die einen Durchgangsspannungsabfall des Schaltelementes niedriger einstellt als einen Durchgangsspannungsabfall der Laserdiode, wobei die Kurzschlußschaltung das Schaltelement so einschaltet, daß die Anode und die Kathode der Laserdiode kurzgeschlossen wird, wenn kein Laserausgabe-Befehlssignal zur Bewirkung der Ausgabe eines Laserstrahls durch die Laserdiode empfangen wird, und die Kurzschluß-Schaltung das Schaltelement ausschaltet, so daß die Laserdiode den Laserstrahl ausgibt, wenn das Laserausgabe-Befehlssignal empfangen wird.
eine Laserdiode (LD1-LDn);
eine Konstantstromquellen-Schaltung (100), welche der Laserdiode einen Konstantstrom zuführt;
ein Schaltelement (TR1-TRn, TR1x), welches parallel zwischen einer Anode und einer Kathode der Laserdiode angeschlossen ist; und
eine Kurzschluß-Schaltung, die einen Durchgangsspannungsabfall des Schaltelementes niedriger einstellt als einen Durchgangsspannungsabfall der Laserdiode, wobei die Kurzschlußschaltung das Schaltelement so einschaltet, daß die Anode und die Kathode der Laserdiode kurzgeschlossen wird, wenn kein Laserausgabe-Befehlssignal zur Bewirkung der Ausgabe eines Laserstrahls durch die Laserdiode empfangen wird, und die Kurzschluß-Schaltung das Schaltelement ausschaltet, so daß die Laserdiode den Laserstrahl ausgibt, wenn das Laserausgabe-Befehlssignal empfangen wird.
2. Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquellen-
Schaltung enthält:
ein Stromsteuer-Schaltelement (2) und eine Diode (3), welche in Reihe geschaltet sind;
eine Gleichspannungsquelle (1), welche parallel zu dem Stromsteuer-Schaltelement und der Diode geschaltet ist; und
eine Induktivität (4), die ein Ende hat, welches mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Stromsteuer- Schaltelement und der Diode verbunden ist, wobei die Gleichstromquelle und das andere Ende der Induktivität mit der Laserdiode verbunden sind;
wobei das Stromsteuer-Schaltelement eine An/Aus- Steuerung durchführt, so daß ein Stromwert der Induktivität gleich einem Befehlswert (ITH) wird, wodurch ein vorbestimmter Strom der Laserdiode oder der Kurzschlußschaltung zugeführt wird.
ein Stromsteuer-Schaltelement (2) und eine Diode (3), welche in Reihe geschaltet sind;
eine Gleichspannungsquelle (1), welche parallel zu dem Stromsteuer-Schaltelement und der Diode geschaltet ist; und
eine Induktivität (4), die ein Ende hat, welches mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Stromsteuer- Schaltelement und der Diode verbunden ist, wobei die Gleichstromquelle und das andere Ende der Induktivität mit der Laserdiode verbunden sind;
wobei das Stromsteuer-Schaltelement eine An/Aus- Steuerung durchführt, so daß ein Stromwert der Induktivität gleich einem Befehlswert (ITH) wird, wodurch ein vorbestimmter Strom der Laserdiode oder der Kurzschlußschaltung zugeführt wird.
3. Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsteuer-
Schaltelement im voraus eingeschaltet wird, wenn kein
Laserausgabe-Befehlssignal (PO) empfangen wird, so daß
der Stromwert der Induktivität gleich dem Befehlswert
wird, danach das Laserausgabe-Befehlssignal
eingeschaltet wird, und das Stromsteuer-Schaltelement
abgeschaltet wird, nachdem das Laserausgabe-
Befehlssignal abgeschaltet wird.
4. Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine in Sperrichtung
geschaltete Diode (D1-Dn) und/oder ein Widerstand (R1-Rn)
parallel zur Laserdiode an einer Position in der
Nähe der Laserdiode geschaltet sind.
5. Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von
Laserdioden in Reihe geschaltet ist, die Diode und/oder
der Widerstand parallel jeder der Laserdioden geschaltet
ist, und die Widerstände den gleichen Widerstandswert
haben.
6. Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Energieversorgungsspannung der Konstant-
Energieversorgungsschaltung ungefähr doppelt so groß ist
wie der Gesamtwert des Durchlaßspannungsabfalls der
Laserdiode.
7. Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Festkörper-
Lasermedium (5) vorgesehen ist, welches durch den
Laserstrahl angeregt wird, der von der Laserdiode
ausgegeben wird, um dadurch einen Laserstrahl (8) zu
erzeugen.
8. Energieversorgungs-Steuervorrichtung für eine
Laserdiode, umfassend:
eine Laserdiode (LD1-LDn);
ein Schaltelement (TR1-TRn, TR1x), welches parallel zwischen einer Anode und einer Kathode der Laserdiode angeschlossen ist;
eine Treiberschaltung (DR1-DRn), welche die Laserdiode betreibt; und
einen Kühler (60, 60-1, 60-2, 60-3, 70), der durch Zusammenbau von Metallplatten hergestellt wird, wobei die Laserdiode, das Schaltelement und die Treiberschaltung auf dem Kühler montiert sind.
eine Laserdiode (LD1-LDn);
ein Schaltelement (TR1-TRn, TR1x), welches parallel zwischen einer Anode und einer Kathode der Laserdiode angeschlossen ist;
eine Treiberschaltung (DR1-DRn), welche die Laserdiode betreibt; und
einen Kühler (60, 60-1, 60-2, 60-3, 70), der durch Zusammenbau von Metallplatten hergestellt wird, wobei die Laserdiode, das Schaltelement und die Treiberschaltung auf dem Kühler montiert sind.
9. Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kühler eine Elektrode definiert;
die Laserdiode und das Schaltelement ein Ende haben, welches elektrisch und mechanisch mit dem Kühler verbunden ist; eine weitere Elektrode (57) zwischen der Laserdiode und dem Schaltelement angeordnet ist, wobei die andere Elektrode von dem Kühler isoliert ist;
die Laserdiode und das Schaltelement mit ihrem anderen Ende elektrisch mit der anderen Elektrode verbunden sind; und
eine Antriebssteuerschaltung (DR1-DRn) auf dem Kühler angeordnet ist, um das Schaltelement und die Laserdiode zu betreiben und zu steuern.
der Kühler eine Elektrode definiert;
die Laserdiode und das Schaltelement ein Ende haben, welches elektrisch und mechanisch mit dem Kühler verbunden ist; eine weitere Elektrode (57) zwischen der Laserdiode und dem Schaltelement angeordnet ist, wobei die andere Elektrode von dem Kühler isoliert ist;
die Laserdiode und das Schaltelement mit ihrem anderen Ende elektrisch mit der anderen Elektrode verbunden sind; und
eine Antriebssteuerschaltung (DR1-DRn) auf dem Kühler angeordnet ist, um das Schaltelement und die Laserdiode zu betreiben und zu steuern.
10. Energieversorgungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch ein Kühlrohr (61), durch welches
Kühlwasser zirkuliert, wobei das Kühlwasser in dem
Kühlrohr fließt, um den Kühler zu kühlen.
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