DE3617588C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaser-Treiberschaltung mit einem photoelektrischen Bauteil zur photoelektrischen Umwandlung eines von einem Halbleiterlaser ausgesandten Laserstrahls.

In vielen Anwendungsfällen von photoelektrischen Bauteilen sind diese innerhalb einer Regelanordnung wirksam. Bei einem Defekt des photoelektrischen Bauteils gerät die Regelanordnung außer Funktion. Ein derartiger Anwendungsfall ist insbesondere eine Halbleiterlaser-Treiberschaltung, die eine automatische Ausgangs­ lichtstabilisierung aufweist, mit der die Intensität des von dem Halbleiterlaser ausgesandten Laserstrahls detektiert und der Trei­ berstrom für den Halbleiterlaser geregelt wird, um eine konstante Laserausgangsleistung zu erhalten.

Ein Halbleiterlaser hat eine nichtlineare Laserleistungscharak­ teristik in Abhängigkeit von dem Treiberstrom (oder der Treiber­ spannung) und ist von der Umgebungstemperatur abhängig. Um eine konstante Laserausgangsleistung zu erhalten, wird ein Halbleiter­ laser von einer Treiberschaltung gesteuert, die eine automatische Ausgangsstabilisierung beinhaltet. Ein Laserstrahl, der von der Rückseite des Halbleiterlasers ausgesandt wird, wird beispielsweise durch eine PIN-Photodiode detektiert. Eine geschlossene Rückkop­ pelungsschleife verwertet die detektierte Lichtmenge und verur­ sacht eine konstante Ausgangsleistung des Halbleiterlasers.

Wenn jedoch die Photodiode selbst außer Funktion gerät, kann eine normale Rückkoppelungsregelung nicht erhalten werden, wodurch die Stabilisierung der Laserausgangsleistung unmöglich wird. Wenn der Halbleiterlaser als Aufnehmer eines optischen Aufnahme-/Wiedergabe­ geräts verwendet wird, können einwandfreie Aufnahmen und Wieder­ gaben von Signalen nicht erhalten werden.

Wenn die normale Rückkoppelungsregelung nicht wirksam ist, fließt ein übergroßer Treiberstrom durch den Halbleiterlaser, wodurch die Gefahr der Beschädigung oder des Ausfalls des Halbleiterlasers resultiert.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Halbleiterlaser-Trei­ berschaltung mit einer automatischen Leistungsstabilisierung eine kompliziert aufgebaute Schaltungsanordnung ist und daß es daher bei einer durch die eine Verschlechterung oder den Ausfall einer Photodiode erzeugten Störung lange Zeit dauert, bis der Fehler gefunden ist. Die durchschnittliche Reparaturzeit, die als Indika­ tor für die Zuverlässigkeit eines Geräts angesehen wird, wird dadurch verlängert.

Aus Nührnann "Das Hobbylabor für den Profi-Bastler", München (1980), Seite 68 bis 70 und "Funktechnik 28" (1973), Seite 239 bis 240 sind Diodenprüfgeräte zur Feststellung der Polarität oder auch der Funktion der Dioden bekannt. Hierzu werden Vorspannungen an die Dioden gegeben und der Wert der Spannung an den Anschlußklemmen der Dioden gemessen. In Nührmann ist dabei ein Gerät beschrieben, mit dem eine Versorgungsspannung für die Dioden erzeugt wird und das Ergebnis der Prüfung mittels Leuchtdioden anzeigbar ist. In dem Aufsatz in "Funktechnik" ist eine Schaltung zur einfachen Umschaltung der Polarität der an die Dioden anlegbaren Vorspannung beschrieben. Beide Prüfschaltungen sind daher für externe Dioden gedacht, die Prüfung speziell von photoelektrischen Bauteilen ist nicht erwähnt.

In "ntz 31" (1978), Seite 579 bis 580 ist eine Laser-Treiberschal­ tung beschrieben, deren Ausgangsleistung mit Hilfe einer Referenz­ lichtphotodiode gesteuert wird. Eine offenbarte Prüfschaltung beruht darauf, die optischen Bauteile dieses Regelkreises durch einen Simulator zu ersetzen. Die Prüfschaltung dient daher ledig­ lich zur Prüfung der Funktion der nicht-photoelektrisch arbeitenden Bauteile, wie Verstärker, Kondensator und Schutzschaltungen. Ein Test der Referenzlichtphotodiode ist bei dieser Entgegenhaltung nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterlaser- Treiberschaltung anzugeben, durch die die Nachteile durch Ausfälle des photoelektrischen Bauteils vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Halbleiterlaser-Trei­ berschaltung durch folgende Merkmale gelöst:

• - eine Vorspannungsschaltung, die an das photoelektrische Bau­ teil angeschlossen ist,
• - eine Meßschaltung zur Messung der Spannung an den Anschluß­ klemmen des photoelektrischen Bauteils als Indikator für die Funktion des photoelektrischen Bauteils
• - und eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Treibersignals für den Halbleiterlaser entsprechend dem Ausgangssignal der Meßschaltung derart, daß die Funktion des Halbleiterlasers unterbunden wird, wenn ein Defekt des photoelektrischen Bau­ teils festgestellt ist.

Die erfindungsgemäße Halbleiterlaser-Treiberschaltung erlaubt somit eine Überprüfung des photoelektrischen Bauteils dadurch, daß die­ ses eine Vorspannung erhält, wobei die gemessene Klemmenspannung als Indikator für die Funktionsfähigkeit des photoelektrischen Bauteils ausgenutzt wird. Bei einer Photodiode wird eine Vorwärts- Vorspannung zu Prüfzwecken auf die Photodiode geleitet und die an der Photodiode abfallende Spannung gemessen. Wird dabei ein Defekt des photoelektrischen Bauteils festgestellt, unterbindet die Steu­ ereinrichtung die Funktion des Halbleiterlasers.

Vorzugsweise ist eine Bewertungsschaltung für die Funktion des photoelektrischen Bauteils vorgesehen, die das Ausgangssignal der Meßschaltung bewertet. Diese Bewertungsschaltung erzeugt vorzugs­ weise ein erstes Signal, wenn das Ausgangssignal des photoelek­ trischen Bauteils innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt und ein zweites Signal, wenn das Ausgangssignal außerhalb dieses Be­ reiches liegt.

Es ist zweckmäßig, die Halbleiterlaser-Treiberschaltung so aus­ zulegen, daß bei ihrem Einschalten zunächst die Vorspannung zur Prüfung der Funktion des photoelektrischen Bauteils auf dieses gelangt und daß das Treibersignal für den Halbleiterlaser erst wirksam geschaltet wird, wenn die Prüfung des photoelektrischen Bauteils dessen einwandfreie Funktion ergeben hat.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs­ form einer Halbleiterlaser-Treiberschaltung

Fig. 2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Halbleiterlaser-Treiberschaltung

Fig. 3A bis 3E Wellenformdiagramme zur Erläuterung der Funk­ tion des in Fig. 2 dargestellten Ausführungs­ beispiels.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Treiberstrom für einen Halbleiterlaser 1 von einer Trei­ berschaltung 11 gesteuert. Ein von dem Halbleiterlaser 1 ausgesandter Laserstrahl wird von einer PIN-Photodiode 2 de­ tektiert. Eine Vorwärts-Vorspannungsquelle 4 oder eine Rück­ wärts-Vorspannungsquelle 5 werden über einen Vorspannungs­ schalter 3 mit der Photodiode 2 verbunden. Eine Prüfschal­ tung 6 vergleicht die über die Photodiode 2 abgefallene Spannung mit einer Referenzspannung, um festzustellen, ob die Photodiode 2 normal arbeitet oder nicht. Ein Ausgangs­ signal 61 der Prüfschaltung 6 gelangt auf eine (nicht darge­ stellte) Alarmanordnung und ferner auf einen Steuereingang des Vorspannungsschalters 3. In der Zeichnung ist nicht dar­ gestellt, daß ein von der Photodiode 2 photoelektrisch ge­ wandeltes Signal auf eine automatische Ausgangsleistungs­ stabilisierung gelangt, durch die die Ausgangsleistung des Halbleiterlasers 1 stabilisiert wird.

Die Funktion des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiels ist wie folgt: Wenn eine Spannungsquelle angeschaltet wird, wird der Vorspannungsschalter 3 so geschaltet, daß die Vorwärts-Vorspannungsquelle 4 mit der Photodiode 2 verbunden ist. Demgemäß gelangt ein Vorspannungsstrom auf die Photo­ diode 2. Zu diesem Zeitpunkt liefert die Treiberschaltung 11 noch keinen Treiberstrom für den Halbleiterlaser 1. Durch den Vorwärts-Vorspannungsstrom wird über der Photodiode 2 ein Vorwärts-Spannungsabfall erzeugt. Dieser Spannungsabfall liegt zwischen 0,5 und 2.0 V, wenn die Photodiode 2 in Ord­ nung ist. Die Prüfschaltung 6 vergleicht den Vorwärts-Span­ nungsabfall mit dem genannten Referenz-Spannungsbereich. Wenn der Vorwärts-Spannungsabfall außerhalb dieses Bereichs liegt, bewertet die Schaltung 6 die Photodiode 2 als anomal und erzeugt ein "0"-Signal als Prüfsignal 61. Wenn ein Prüf­ signal 61 mit einem "0"-Pegel erzeugt wird, wird die Funktion der Treiberschaltung 11 unterbunden und die (nicht darge­ stellte) Alarmanordnung erzeugt einen Alarm, der anzeigt, daß die Photodiode 2 nicht in Ordnung ist. Die Unterbindung der Funktion der Treiberschaltung 11 bedeutet, daß kein Trei­ berstrom auf den Halbleiterlaser 1 gelangt.

Wenn der Vorwärts-Spannungsabfall über der Photodiode 2 in dem Bereich zwischen 0,5 und 2,0 V liegt, erzeugt die Prüf­ schaltung 6 ein "1"-Signal als Prüfsignal 61. Durch das "1"-Signal als Prüfsignal 61 wird die Funktion der Treiber­ schaltung 11 gestartet, wodurch die intensitätsmodulierte Oszillation des Halbleiterlasers 1 entsprechend einem extern angelegten Modulationssignal (nicht dargestellt) verursacht wird. Der Schalter 3 wird umgeschaltet und verbindet nun die Rückwärts-Vorspannungsquelle 5 mit der Photodiode 2. Die Photodiode 2 liefert somit ein photoelektrisches Wandler­ signal entsprechend der empfangenen Lichtmenge an die Aus­ gangsleistung-Regelschaltung (nicht dargestellt). Auf diese Weise wird der Halbleiterlaser 1 so geregelt, daß seine Aus­ gangsleistung stabilisiert ist.

In diesem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind eine Vorwärts- und eine Rückwärts-Vorspannungsquelle 4 bzw. 5 für die Photodiode 2 vorgesehen und vor der Ansteuerung des Halbleiterlasers 1 wird über die Messung des Vorwärts-Span­ nungsabfalls nach Anwendung der Vorwärts-Vorspannung auf die Photodiode 2 eine Prüfung durchgeführt, ob die Photodiode 2 in Ordnung ist oder nicht. Wenn festgestellt worden ist, daß die Photodiode 2 nicht in Ordnung ist, unterbleibt die Funk­ tion des Halbleiterlasers 1. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Halbleiterlaser einen durch die Ausgangsleistungs­ regelung wegen des Ausfalls der Photodiode selbst nicht sta­ bilisierbaren Laserstrahl aussenden kann. Ferner wird die Gefahr vermieden, daß der Halbleiterlaser aufgrund eines übergroßen Treiberstroms beschädigt oder zerstört wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Fehler in der Photo­ diode selbst sofort lokalisierbar ist, wodurch die mittlere Reparaturzeit vermindert und die Handhabbarkeit des Gerätes verbessert wird.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform. Solche Teile, die die gleiche Funktion wie im ersten Ausfüh­ rungsbeispiel ausüben, sind mit gleichen Bezugsziffern ver­ sehen und nicht nochmals erläutert. Der Vorspannungsschalter 3 enthält npn Transistoren 31 und 34, einen pnp Transistor 35, eine Relaisspule 32, einen Relaisschalter 33 und Widerstände und Pegel-Klemmdioden. Auf die Photodiode 2 gelangt entweder die Spannung +V (Vorwärts-Vorspannung) oder eine Spannung von einer Rückwärts-Spannungsquelle 5 entsprechend dem Schaltzustand des pnp Transistors 35. Der Relaisschalter 33 verbindet entweder die +V-Anschlußklemme oder eine Masse­ klemme mit der Treiberschaltung 11 in Abhängigkeit von der Schaltfunktion der Relaisspule 32. Die Verbindung des Relais­ schalters 33 mit Masse entspricht der Unterbindung der Funk­ tion der Treiberschaltung 11.

Die Prüfschaltung 6 enthält einen Trennverstärker 62, Ver­ gleichsstufen 63 a und 63 b, Spannungsquellen 631 und 633 zur Lieferung von Referenzspannungen an die Vergleichsstufen 63 a und 63 b, ein ODER-Gatter 64, ein D-Flip-Flop 65 und ein UND-Gatter 66, das den Q-Ausgang des Flip-Flops 65 und ein Laser "Ein"-Befehlssignal erhält. Der Q-Ausgang des Flip- Flops 65 wird als Prüfsignal 61 auf die Basis des Transistors 31 des Vorspannungsschalters 3 geleitet. Das Prüfsignal 61 steuert das Schalten der Vorwärts-Vorspannung (+V) und der mit der Photodiode 2 verbundenen Rückwärts-Vorspannungsquelle 5 durch die Steuerung des Transistors 35 und das Umschalten zwischen der Spannungsquellenklemme +V und der Masseklemme für die Treiberschaltung 11 durch die Steuerung der Relais­ spule 32. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 66 wird als Signal 611 verwendet, um einen unnormalen Zustand der Photo­ diode 2 anzuzeigen. Das photoelektrische Wandlersignal von der Photodiode 2 wird durch eine Monitorschaltung 7 auf eine Ausgangsleistungsstabilisierungsschaltung (nicht dargestellt) geleitet. Die Monitorschaltung 7 detektiert die Spannung über dem Transistor R, der zwischen den pnp Transistor 35 und der Rückwärts-Vorspannungsquelle 5 geschaltet ist. Die Monitor­ schaltung 7 kann beispielsweise aus einem Differenzverstär­ ker bestehen. Auf die Treiberschaltung 11 wird ein Modula­ tionssignal 12 geleitet, daß die Modulation der Oszillation des Halbleiterlasers 1 bewirkt.

Die Funktion des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiels soll im folgenden anhand der Wellenformdiagramme der Fig. 3A bis 3E erläutert werden. In den Fig. 3A bis 3E stellen die durchgezogenen Linien den normalen Zustand der Photodiode 2 dar. Die in unterbrochenen Linien darge­ stellten Wellenformen werden erhalten, wenn die Photodiode einen den Schaltkreis unterbrechenden Fehler aufweist. Die strichpunktierte Linie charakterisiert einen kurzschließenden Fehler der Photodiode 2.

Wenn die Spannungsquelle angeschaltet wird, nimmt der Q-Ausgang des Flip-Flops 65 den Pegel "0" an und das Prüf­ signal 61 wird "0". Demzufolge ist die Basisvorspannung des Transistors 31 "0", und die Transistoren 34 und 35 werden eingeschaltet. Daraus resultiert, daß die Photodiode 2 in Vorwärtsrichtung durch den Transistor 35 vorgespannt ist, wie dies in Fig. 3A dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Relaisspule 32 nicht stromdurchflossen, so daß der Relaisschalter 33 die Massenklemme NC mit der Treiberschal­ tung 11 verbindet und so die Funktion der Treiberschaltung 11 unterbindet. Der Vorwärts-Spannungsabfall über der Photo­ diode 2 ist 2 V oder höher, wenn die Photodiode 2 einen un­ terbrechenden Fehler aufweist, liegt in dem Bereich zwischen 0,5 und 2 V, wenn die Photodiode 2 normal arbeitet und ist 0,5 V oder niedriger, wenn die Photodiode einen kurzschlie­ ßenden Fehler aufweist. Demzufolge ist die Ausgangsspannung des Trennverstärkers 62 eine hohe Spannung, wenn die Photo­ diode 2 einen unterbrechenden Fehler aufweist, eine niedri­ ge Spannung, wenn die Photodiode 2 einen kurzschließenden Fehler aufweist und eine mittlere Spannung, wenn die Photo­ diode 2 normal arbeitet, vgl. Fig. 3B.

Die Vergleichsstufe 73 a vergleicht die Ausgangsspannung des Trennverstärkers 62 mit der Referenzspannung 631 (entspre­ chend 2 V) und liefert ein "1" Signal, wenn die Ausgangs­ spannung des Trennverstärkers 62 niedriger ist als die Re­ ferenzspannung 631. Die Vergleichsstufe 63 b vergleicht die Ausgangsspannung des Trennverstärkers 62 mit der Referenz­ spannung 632 (entsprechend 0,5 V). Wenn die Ausgangsspannung des Trennverstärkers über der Referenzspannung 631 liegt, erzeugt die Vergleichsstufe 63 b ein "1" Signal. Demzufolge steht am Ausgang des ODER-Gatters 64 ein "1" Signal, wenn die Photodiode 2 normal arbeitet. Ein Ausgangssignal "0" steht an, wenn die Photodiode einen den Stromkreis unter­ brechenden oder kurzschließenden Fehler aufweist, wie in Fig. 3C dargestellt ist.

Wenn das Laser "Ein" Befehlssignal 67 den Pegel "1" annimmt (Fig. 3D), befindet sich das Prüfsignal 61, das das Q-Aus­ gangssignal des Flip-Flops 65 ist,auf dem Pegel "1", wenn die Photodiode 2 normal arbeitet und auf dem Pegel "0", wenn die Photodiode 2 einen detektierten Fehler aufweist (vgl. Fig. 3E). Wenn das Prüfsignal 61 den Pegel "1" aufweist (d. h. wenn die Photodiode normal arbeitet), wird der Tran­ sistor 31 eingeschaltet und die Transistoren 34 und 35 wer­ den ausgeschaltet. Daraus resultiert, daß die Photodiode 2 rückwärts vorgespannt wird, wie in Fig. 3A dargestellt ist. Durch die Relaisspule 32 fließt Strom, so daß der Relais­ schalter 33 umgeschaltet wird und nun seine Klemme NO, die mit der Spannung +V verbunden ist, mit der Treiberschaltung 11 verbindet. Dadurch wird die Funktion der Treiberschaltung 11 gestartet und die durch das Modulationssignal 12 intensi­ tätsmodulierte Oszillation des Lasers 1 bewirkt. Die rück­ wärts vorgespannte Photodiode 2 gibt die ausgesandte Licht­ menge des Halbleiterlasers 1 wieder und eine Ausgangslei­ stungsregelung wird über die Monitorschaltung 7 bewirkt.

Wenn das Prüfsignal 61 andererseits den "0"-Pegel annimmt (d. h. wenn die Photodiode 2 nicht in Ordnung ist), wird der Schalter 3 nicht umgeschaltet, so daß der Transistor 31 ausgeschaltet und die Transistoren 34 und 35 eingeschaltet bleiben. Die Photodiode 2 bleibt in Vorwärtsrichtung vorge­ spannt, wie dies Fig. 3A veranschaulicht. Die Treiberschal­ tung 11 bleibt mit Masse verbunden und kann somit Ihre Funk­ tion nicht aufnehmen. Gleichzeitig zeigt das Q-Ausgangssig­ nal "0"-Pegel-Ausgangssignal) des Flip-Flops 65 als Dioden­ störsignal 611 durch das UND-Gatter 66 die Störung der Diode an.

Demzufolge stellt das dargestellte zweite Ausführungsbei­ spiel eine höchst zuverlässige Laser-Treiberschaltung dar, die selbst überprüfen kann, ob die Photodiode in Ordnung ist oder nicht.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung und können in verschiedener Hinsicht modifiziert werden. So ist es beispielsweise möglich, andere photoelektrische Bau­ teile als PIN-Photodioden zu verwenden. Sie können beispiels­ weise durch andersartige Photodioden oder andere Photoelemen­ te, wie z. B. Kadmiumsulfidzellen ersetzt werden. Wenn Kadmiumsulfitelemente als photoelektrische Wandler verwendet werden, ist es nicht notwendig, zur Prüfung eine Vorwärts- Vorspannung auf den Wandler zu leiten. Da Kadmiumsulfid- Elemente auf Vorwärts- und Rückwärts-Vorspannungen gleich reagieren, ist es möglich, auf Kadmiumsulfidelemente auch eine Rückwärts-Vorspannung zur Prüfung zu leiten. Die Prüf­ schaltung oder Vorspannungsschalter können in Prozessorein­ heiten integriert werden, statt sie mit unabhängigen Elementen aufzubauen.

Claims (6)

1. Halbleiterlaser-Treiberschaltung mit einem photoelektri­ schen Bauteil (2) zur photoelektrischen Umwandlung eines von einem Halbleiterlaser (1) ausgesandten Laserstrahls, gekenn­ zeichnet durch
eine Vorspannungsschaltung, die an das photoelektrische Bauteil (2) angeschlossen ist,
eine Meßschaltung (6) zur Messung der Spannung an den An­ schlußklemmen des photoelektrischen Bauteils (2) als Indi­ kator für die Funktion des photoelektrischen Bauteils (2)
und eine Steuereinrichtung (11) zur Steuerung eines Treiber­ signals für den Halbleiterlaser (1) entsprechend dem Aus­ gangssignal der Meßschaltung (6) derart, daß die Funktion des Halbleiterlasers (1) unterbunden wird, wenn ein Defekt des photoelektrischen Bauteils (2) festgestellt ist.

2. Halbleiterlaser-Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das photoelektrische Bauteil eine Photodiode (2) mit einem pn-Übergang ist und daß zur Prüfung eine Vorwärtsvorspannung der Vorspannungsschaltung (4) an die Photodiode gelangt.

3. Halbleiterlaser-Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch eine Bewertungsschaltung (631, 632, 63 a, 63 b, 64) für die Funktion des photoelektrischen Bauteils (2).

4. Halbleiterlaser-Treiberschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsschaltung ein erstes Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des photoelektri­ schen Bauteils (2) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt und ein zweites Signal erzeugt, wenn das Ausgangssig­ nal außerhalb dieses Bereichs liegt.

5. Halbleiterlaser-Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodiode (2) eine PIN-Photodiode ist und daß die Steuereinrichtung eine Vor­ spannungsschaltung (4) für eine Vorwärtsspannung für die Prüfung und eine Vorspannungsschaltung (5) für die Rück­ wärtsvorspannung für den Normalbetrieb der PIN-Photodiode wirksam schaltet.

6. Halbleiterlaser-Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrem Einschalten zunächst die Vorspannung zur Prüfung der Funktion des photo­ elektrischen Bauteils (2) auf dieses gelangt und daß das Treibersignal für den Halbleiterlaser (1) erst wirksam geschaltet wird, wenn die Prüfung des photoelektrischen Bauteils (2) dessen einwandfreie Funktion ergeben hat.