DE3216312A1

DE3216312A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb von pulslaserdioden

Info

Publication number: DE3216312A1
Application number: DE19823216312
Authority: DE
Inventors: Johann F. Dipl.-Phys. 2000 Hamburg Hipp
Original assignee: Hipp johann F dipl-Phys
Current assignee: Hipp johann F dipl-Phys
Priority date: 1982-05-03
Filing date: 1982-05-03
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE3216312C2

Description

Schaltungsanordnung zum Betrieb von Pulslaserdioden
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung,mit der Pulslaserdioden und zugehörige Stromschaltelemente einfach., mit hohem elektrischem Wirkungsgrad und eigensicher betrieben werden können und ein kompakter modularer Aufbau von Spannungsaufbereitung,Strompulser und Laserdiode mit wenigen Bauelementen ermöglicht wird.
Derartige gepulst betriebene Laser werden z.-B. in Geräten verwendetqmit denen Uber große Entfernungen Informationen mittels Lichtpulsen durch die Atmosphäre gesendet werdü wie bei Laserkommunikationsgeräten zur SprachtiLertragung oder bei elektrooptischen Entfernungsmessern,bei denen die Lichtlaufzeit von einzelnen Lichtpulsen zu einem entfernt stehendem Gegenstand und zurück gemessen und daraus auf die Entfernung geschlossen wird.Diese Gerate sind vielfach batteriebetrieben,sodaß Strom sparende eiektro.nische Auslegung der Geräte von großer Bedeutung ist.
Zum Betrieb von Pulslaserdioden sind Strompulse bis zu 100 Ampere in sehr kurzen Zeiten (Nanosekundenbereich) zu schalten.
Die dafUr nötige elektrische Ladung wird in Kondensatoren oder kapazitiven Speichernetzwerken gespeich.ert.die Uber schnelle Schaltelemente mit der Laserdiode als -Lastwiderstand entladen werden.Bisher wurde die zur Ladung der von densatoren erforderliche Spannung mittels elektrischen Spannungswandlern auf den erforderlichen Wert gebracht und die Speicherkondensatoren Uber Begrenzungswiderständesdie im durchgeschaltetem Zustand der Stromschaltelemente eine zu starke Belastung der Quelle bzw eine Zerstörung des Stromschaltelementes verhindern,geladen. Insbesondere bei Avalanchetransistoren als Schaltelemente sind einige 100 Volt erforderlich, sodaß selbst bei guter Auslegung Wirkungs -gradverluste von 25-30% bei Erzeugung dieser Spannung unvermeidlich sind.Außerdem fließt ein in seiner Grdlje.
vom- Zufiihrungswiderstand zum Speicherkondensator abhän--giger Strom für die unvermeidliche'Speicberzeit unmittelbar nach dem Schaltvorgang durch das Schaltelement.Da ZuSUhrungswiderstand und Speicherkondensator diemalmale Pulsfolgefreauenz bestimmen (abgesehen von den Grenzdaten der Laserdiode) ist dieser Verlust umso grdßer,Je höher die maximale Pulsfolge gewählt wird.
Insbesondere bei batterieversorgten Geräten fUhren die genannten Verluste zu einer unnötigen Verkürzung der Betriebsdauer und Gefährdung der Bauelemente.Zusätzlich muß der Spannungswandler entsprechend größer dimensioniert werden.Verluste treten auch auf,wenn die Laserdiode nicht gepulst wird,da allein die Bereitstellung der. hohen Spannung nur mit Verlust möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundeqeine elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen'bei der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten,bei der insbesondere nur diejenige Leistung die zum Pulsen der Laserdiode direkt verbraucht werden muß der Quelle entnommen und alle sonstigen Verluste weitgehen< vermieden werden.Weiterhin sollen Pulser und Spannungswandler mit möglichst wenig Bauelementen und geringem Aufwand in einer modularen Form ermöglicht und die Gefährdung der Schaltelemente herabgesetzt werden.
Eine weitere Aufgabe ist die Vermeidung einer relativ niederohmigen Hochspannungsquelle zur Verbesserung der gerätetechnischen Sicherheit.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb von gepulsten Laserdioden wird davon ausgegangen,daß keine konstante Spannungsquelle den Speicherkondensator stetig geladen hält bzw nach dem' Schaltvorgang neu lädt,sondern die erforderliche Ladungsmenge unmittelbar pulsartig erzeugt wird und nach Erreichen der nötigen Spannung am Speicherkondensator das Stromschaltelement gezündet wird.
Ein mittels Umschalten eines Flipflops gestarteter Strom pulsl(entnommen aus der stets vorhandenen Geräteversorgung in der der gepulst betriebene Laser zum Einsatz kommt), wird mit einem Trensformator in einen Hochspannungsimpuls transformiert.D ieser Hochspannungsimpuls wird zum Laden des Speicherkondensators benutzt und in dem Moment auf der Primärseite abgeschaltet, in dem die nötige Spannung fUr das Schaltelement zum Schalten des Stromes durch die Laserdiode erreicht wrd. Gleichzeitig wird das Schaltelement gezündet. Damit ist gewährleistet,daß die Nachladung in den Speicherkondensator in dem Moment gestoppt wird, in dem die Spannung ausreichend ist.
Nach dem Schaltvorgang ist der Speicherkondensator schlagartig entladen und verbleibt bis zum neu gestarteten Primärpuls in diesem Zustand.
Zusammengefaßt ergeben sich bei der Anwendung der.erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung folgende Vorteile: eine konstante Versorgungsspannung erforderlich;deshalb besonders fUr Batteriebetrieb geeignet.
Geringe Zahl von Bauelementen und dadurch kostengünstige platzsparende Bauweise als Lasermodul mit integrierter Impulshochspannungsversorgung ermöglicht.
Weitgehende Sicherheit gege.n Zerstörung von relativ empfindlichen Stromschaltelementen wie z.B. im zweiten Durchbruch betriebene Transistoren(Avalancheeffekt).
Vermeidung einer konstanten Hochspannungserzeugung, dadurch erhöhte gerätetechnische Sicherhelt.
Einfachste Anwendbarkeit durch nur drei Anschlüsse des erfindungsgemäß gebauten Lasermoduls.
Im Folgendem wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein..
AusfUhrungsbeispiel für. eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Pulslaserdioden nach der Erfindung näher beschrieben.
Figur 1 zeigt. in schematischer Darstellung eine AusfUhrungsform der Schaltungsanordnung zum Betrieb von Pulslaserdioden mit einem Ävalanchetransistor als Stromschålter.
Figur 2 zeigt die gleiche schemati.sche Darstellung einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Betrieb von Pulslaserdioden mit einem Thyristor als Stromschaltelement.
Zunächst wird,wenn der Laser gezündet werden soll und dafür ein entsprechendes logisches Signal 7 geschaltet wird, mit diesem Signal ein Flipflop 1 gesetzt,das eine Darlingtontransistoranordnung 2 durchschaltet und die Versorgungsspannung über die Primärwicklung 3 eines Transformators 4-an Masse Echaltet.An der S undärwicklung 5 entsteht ein dem eZicklungsverhaltnis entsprechender Spannungspuls mit dem iiber eine Diode 6 der Speicherkondensator16 geladen wird.
-Gleichzeitig wird mit dem logisch inversem Ausgangssignal zdes Flipflop 9 ,das zuvor in einer nicht aktiven Lage gehalten wurde,frei geschaltet.
Der Spannungssnrung am Ladekondensator 16 wird mittels einer passend. zum Stromschaltelement nötigen Schaltspannung gewahlten Serie von -Zenerdioden 10 begrenzt.
Die unterste Zenerdiode 11 hat eine Zenerspannung,die dem High-Pegel der verwendeten logischen Bauelemente entspricht und liefert bei Erreichen der Grenzspannung der Zenerdiodenserie- ein positivgehendes Signal 12 mit dem das zweite Flipflop 9 gesetzt wird.Der Ausgang dieses Flipflops 13 bewirktbstromverstärkt mittels eines Transistors 14,die Zindung des Stromschalters 15 für die Laserdiode 19 und andererseits die Abschaltung der Darlingtontransistoranordnung 2 über die Leitung 17 dadurch,daß das erste Flipflop 1 in seine Ausgangslage, zurückgeschaltet wird.Damit wird in dem Moment,ln dem das Stromschaltelement geziindet wird,die Ladungszutuhr zum Speicherkondensator 16 gestoppt.Die Beschaltung zur Erzielung der funktionsgerechten Anfangsbedingung, der Flipflops ist Stand der Technik und nicht gesondert dargestellt.
Der dargestellte Stromschalter 15 ist ein im zweiten Durchbruch betr.iebener Transistor,bei dem der Avalancheeffekt zum schnellen Schalten des Strompulses.durch die Laserdiode 19 genutzt wird.
Ineiner anderen Ausführungsform wird.als schnelles Schaltelement ein schneller Thyristor 18 benut:z't.Die'erfin c'ungsgemäße Schaltungsanordnung bleibt dabei erhalt.en.Es ist lediglich ein funktionaler Austausch des Schalttransistors 15 mit einem Thyristor 18 vorzunehmen und die Schaltspannung durch die Zenerdiodenserie 10 entsprechend neu anzupassen.

Claims

Patentansprüche 1. Elektronische Schaltungsanordnung zum Betrieb von pulslaserdioden' gekennzeichnet durch die Umsetzung eines Laserstartsignals in einen primären Strompuls der mittels eines Transformators in einen Hochspannungspuls übertragen wird,der gleichgerichtet über eine Diode .6 einen Speicherkondensator 16 bis zu einem bestimmten Spannungswert lädt,bei Erreichen dieses Spannungswertes der primäre Strompuls abgeschaltet wird und gleichzeitig.ein schnelles weiteres Stromschaltelement 15 oder 18 gezündet wird und der Speicherkondensator durch dieses schnelle Stromschaltelement zur Erzeugung eines Lichtpulses über die Laserdiode entladen wird.
2.Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet -daß die Erzeugung des primären Strompülses aus einem Startsignal durch Setzen eines Flipflop 1 bewirkt wird,dessen Ausgangssignal zum Autsteuern eines 'S-t;romverstärkers, der die Versorgungsspannung Uber die Prim'xrwicklung eines Transformators als Last gegen Masse schaltet.
3.Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet-'daß di.e Begrenzung der auflaufenden Spannung.am Speicherkondensator 16 dadurch geschieht,daß die Spannung mittels in Serie geschalteter Zenerdioden 10 deren unterste'Zenerdiode 11 eine Durchbruchspannung in der Größenordnung des logischen l-Pegels eines Flipflops 9 aufweist,welches durch das an dieser Zenerdiode bei Erreichen der Grenzspannung entstehenden positiven Spannungssignals getriggert wird und mit dessen Ausgangs signal zugleich die Abschaltung des primären Strompulses und das Triggern des schnellen Stromschalters 15,18 zur Erzeugung des Lichtpulses bewirkt wird.