Ansteuerungselektronik für Pulslaserdioden
Laserquellen für tragbare optoelektronische Messtechnik werden immer kleiner und günstiger. Das betrifft zum Beispiel Anwendungen wie die Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung, Laserscanner oder Medizin- und Militärtechnik. Das Herzstück jedes Emitters ist die Laserdiode. Doch um bei Hochleistungslaserdioden oder gepulsten Laserdioden optimale Leistung zu erzielen, benötigt man eine geeignete Ansteuerungselektronik.
Laufzeitmessung
Funktionsprinzip
Es hätte eine erfolgreiche Produktpräsentation werden sollen. Der potenzielle Kunde drückte den Knopf des Laserentfernungsmessers – doch nichts geschah! Es wurde keine Messung vorgenommen, und das Display blieb dunkel. Wie sich herausstellte, hatte ein zu hoher Strom die Laserdiode zerstört. Das Ergebnis: ein enttäuschter Kunde und eine verlorene Geschäftsmöglichkeit. In anderen Situationen können falsche Schaltungen weitaus gravierendere Folgen haben. Man denke nur an die Sicherheits- oder Medizintechnik!
Mit optischen Sensoren lassen sich Entfernungen von einigen Metern bis hin zu vielen Kilometern messen. Sie arbeiten in der Regel nach der Time-of-Flight-(TOF)-Methode. Das Grundprinzip ist einfach: Es wird ein zeitlich modulierter Lichtimpuls ausgesendet, der durch die Sendeoptik scharf gebündelt wird. Trifft dieses Licht auf ein Hindernis, wird es reflektiert und vom Detektor erfasst. Der dazwischen verstrichene Zeitraum ist die Flugzeit Δt. Mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit c lässt sich die Entfernung l berechnen. Da das Licht die Strecke zweimal durchläuft, muss das Ergebnis durch zwei geteilt werden. Der Brechungsindex n des umgebenden Mediums verringert die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Medium.
Da nichts schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit (ca. 3·108 m/s), liegt die Herausforderung bei diesem Verfahren in den extrem kurzen Zeitintervallen. Für die doppelte Entfernung von 1,5 m beträgt die Flugzeit 10 ns, bei 15 cm nur noch 1 ns. Um eine Strecke von 1,5 cm zu messen, müsste man 100 ps auflösen. Für die Entfernungsmessung mit Meter- oder sogar Zentimeterauflösung sind daher Abfolgen von sehr kurzen Lichtimpulsen erforderlich. Standardmäßig werden für die meisten Anwendungen leistungsstarke Impulslaserdioden (PLDs) verwendet, die im nahen Infrarot (NIR) bei 905 nm emittieren. Die optische Spitzenleistung richtet sich dabei nach der zu messenden Entfernung und der verwendeten Optik. Das beginnt bei einigen Watt und bei mehr als 100 W für spezielle Ceilometer zur Messung von Wolkenhöhen. Um solche Spitzenleistungen zu erzeugen, sind jedoch Ströme von bis zu 50 A erforderlich.
Impulslaserdioden
Die Ausgangsleistung von Laserdioden wird in erster Linie über die angelegte Betriebsspannung eingestellt. Daraus ergibt sich bei einem bestimmten Widerstand der Betriebsstrom. Der Wirkungsgrad von NIR-Einzelemitter-PLDs liegt dabei typischerweise bei 1 W/A. Epitaktisch gewachsene PLDs mit drei Einzeldioden in einem Chip (Multi-Junction PLDs) erreichen bei gleichem Strom wesentlich höhere Werte von 3 bis 3,5 W/A. Die Vorspannung am Laserdiodenchip (ohne Berücksichtigung von Induktivitäten) ist mit wenigen Volt sehr gering (Abbildung 1). Diese Spezifikationen sind in den Datenblättern der Laserdioden angegeben und beziehen sich in der Regel auf Pulsdauern von 100–200 ns. Die Hersteller versprechen, dass die PLDs bei kürzeren Pulsen mit bis zu vierfach höheren Strömen übersteuert werden können. Das Tastverhältnis, also der Anteil der Einschaltzeit an der gesamten Periodendauer, liegt im Bereich von 0,04 bis 0,1 %. Dadurch ist die Arbeitsfrequenz von 10-ns-Pulsen auf 40 bzw. 100 kHz begrenzt. Im „Burst-Mode“ sind jedoch Impulsfolgen im MHz-Bereich möglich.
Treiber für Laserdioden
Abbildung 2: PLD circuit for the power output stage using an avalanche transistor
Da die Pulsbreiten im Nanosekunden-Bereich liegen und optische Spitzenleistungen Ströme von mehreren Ampere erfordern, muss sichergestellt sein, dass solch hohe Ströme in so kurzen Zeitintervallen zuverlässig geschaltet werden. Gleichzeitig muss der Formfaktor der gesamten Schaltung und der integrierten Komponenten möglichst klein sein, sodass leichte, handliche Laserentfernungsmesser für Jäger, Sportler oder Golfer hergestellt werden können. Das kann schnell zu einer Herausforderung werden, da bei höheren Spannungen oder Strömen meist auch die Größe der Bauteile zunimmt.
Entscheidend beim Design einer kompakten Pulslaserschaltung oder eines kompletten Pulslasermoduls (PLM) ist daher vor allem die Kombination von Pulsleistung, Pulsdauer und Wiederholfrequenz – sowie steile Pulskanten.
Im einfachsten Fall wird ein Laserpuls durch Ein- und Ausschalten der Betriebsspannung ausgelöst. Bei aktiviertem Schalter fließt dann eine definierte Menge Strom von der Energiequelle zur Laserdiode, die eine bestimmte Laserleistung erzeugt. Dieser Schalter kann zum Beispiel ein Transistor sein oder eine Logikschaltung. Um die Leistungsendstufe anzusteuern, in der die PLD integriert ist, muss jedoch ein Treiber als Schnittstelle zwischengeschaltet werden. Je nach erforderlicher Anstiegszeit und Pulsbreite werden in der Leistungsendstufe entweder MOSFETs (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor), Avalanche- oder GaN-Transistoren verwendet. Abbildung 2 zeigt eine typische PLD-Schaltung für eine Leistungsendstufe mit einem Avalanche-Transistor.
Das Design der Schaltung richtet sich nach der verwendeten PLD. Es hängt unter anderem vom maximalen Strom ab, der bei Spitzenleistungen durch die PLD fließen darf, sowie von der maximal zulässigen mittleren Leistung Pave unterhalb der Zerstörungsschwelle. Pave wird als Produkt berechnet:
Pave = P0 · tw · prr
wobei P0 die Spitzenleistung, tw die Impulsbreite und frr die Wiederholfrequenz ist. Der Kondensator C2 dient als Speicher für den Impulsstrom Ip und wird während des Zeitintervalls zwischen zwei Impulsen über den Widerstand R3 geladen. Der Avalanche-Transistor erzeugt dann den Impuls, indem er diesen Kondensator vollständig entlädt. Die Dauer des durch die PLD fließenden Impulsstroms wird durch die Versorgungsspannung Vcc und die Kapazität von C2 bestimmt.
Die Kapazität des Ladekondensators lässt sich wie folgt näherungsweise berechnen:
C · V = IP · tw
Eine höhere Kapazität des Kondensators führt auch zu einem höheren Impulsstrom IP und einer größeren Impulsbreite tw. Wird eine höhere Versorgungsspannung VCC angelegt, steigt die Amplitude des Stromimpulses. In der Praxis wird gleichzeitig die Impulsbreite leicht reduziert, da der Durchlasswiderstand des Transistors sinkt.
Induktivität, Kapazität und Anstiegszeit
Um kurze Impulsdauern zu erzielen, müssen parasitäre Induktivitäten in der Schaltung auf ein Minimum reduziert werden. Das lässt sich durch den Einsatz von verlustarmen HF-Kondensatoren erreichen. Neben der Eigeninduktivität des Gehäuses ist zu beachten, dass jeder unnötige Zentimeter Anschlussdraht eine zusätzliche Induktivität von etwa 8 nH verursacht.
Das bedeutet, dass z. B. ein Stromanstieg Δi/Δt von 20 A / 10 ns eine transiente Spannung L⋅ Δi/Δt von 16 V pro cm Drahtlänge erzeugt. Das ist wichtig, weil sich die Anstiegszeit bei einer gegebenen Versorgungsspannung erheblich verschlechtert, wenn große Induktivitäten vorhanden sind. Ein Näherungswert für die Anstiegszeit lässt sich wie folgt errechnen:
In Abbildung 3 sind die Induktivitäten der verschiedenen Gehäuse aufgeführt. Wenn eine PLD-Schaltung eine maximale Versorgungsspannung von z. B. 100 V liefern kann, ergeben sich folgende Anstiegszeiten:
Da unnötige Stromleitungen auf ein Minimum reduziert werden müssen, ist es auch besonders wichtig, die Stifte der Laserdiode so kurz wie möglich zu schneiden. Ein falscher Anschluss mit zu langen Stiften oder Drähten kann, wie oben beschrieben, zu einer erhöhten Anstiegszeit führen.
Parasitäre Kapazitäten erhöhen ebenfalls die Verzögerungs-, Anstiegs- und Abfallzeiten. Abbildung 4 zeigt einige typische Beispiele für Pulsformen in Abhängigkeit von der Art des Anschlusses.
Avalanche-Transistor oder Leistungs-MOSFET
Die vom Benutzer gewünschten Pulsparameter – insbesondere Pulsform und Pulsbreite – bestimmen, ob die Schaltung einen Avalanche-Transistor oder einen Leistungs-MOSFET benötigt. Bei der Auswahl ist zu beachten, dass der Transistor den Betriebsstrom der Impulslaserdiode unbeschadet überstehen muss. Dieser Strom fließt jedoch nicht permanent zwischen Source (Eingang) und Drain (Ausgang), sondern nur in Nanosekundenpulsen. Weitere Anforderungen an den Transistor sind möglichst kurze Verzögerungs-, Anstiegs- und Abfallzeiten, was die Auswahl geeigneter Transistoren stark einschränkt. Kurze Verzögerungszeiten stehen dabei im Gegensatz zu einem hohen Drainstrom. Schließlich muss die Sperrspannung des Transistors zwingend größer sein als die Ladespannung des Kondensators (siehe C2 in Abbildung 2).
In der Praxis werden Leistungs-MOSFETs eingesetzt, um Stromimpulse von mehr als 100 A innerhalb von einigen zehn Nanosekunden zu schalten. Dabei entstehen Pulse mit Anstiegs- und Abfallzeiten von mehreren Nanosekunden. Mit diesen preiswerten und sehr kleinen Transistoren lassen sich bereits bei einer maximalen Ladespannung von 60 V sehr wohlgeformte Rechteckpulse erzeugen (Abbildung 5).
Avalanche-Transistoren eignen sich optimal für die Erzeugung sehr kurzer und starker Pulse mit Anstiegszeiten von < 1 ns und Spitzenströmen von > 100 A. Dazu ist jedoch eine hohe Spannung im dreistelligen Bereich erforderlich. Abbildung 6 zeigt die für den Avalanche-Betrieb erforderliche Mindestspannung bei verschiedenen Ansteuerströmen in Abhängigkeit von der Kapazität. Die im Diagramm angegebenen Ströme IB sind Dauerströme; gepulste Ströme bei kürzeren Pulsen können 60 A (bei 20 ns) oder mehr erreichen. Wenn diese hohen Ströme und Spannungen mit mehreren zehn oder hundert Kilohertz geschaltet werden sollen, ist beim Design der Stromversorgung Vorsicht geboten. Da nicht jeder Entwickler mit dem Schalten derartiger Ströme und Spannungen vertraut ist, werden auch fertig bestückte Treiberplatinen oder komplette Pulslasermodule angeboten.
Zusammenfassung
Preiswerte Impulslaserdioden sind heute Standardkomponenten für die Laser-Entfernungsmessung nach der Time-of-Flight-Methode geworden. Um auch mit kleinen, tragbaren Sensoren eine geeignete Auflösung zu erreichen, muss die Schaltung besondere Anforderungen erfüllen. So verursachen z. B. die Anschlussdrähte parasitäre Induktivitäten und müssen daher möglichst kurz gehalten werden, sodass mit Leistungs-MOSFETs oder Avalanche-Transistoren schnelle und präzise Laserpulse erzeugt werden können.
Referenzen
[1] A. Kilpela, Pulsed time-of-flight laser range finder techniques for fast, high precision measurement
applications, Department of Electrical and Information Engineering, University of Oulu, Finland
[2] S. Ch. Tischler, Die Entwicklung eines Pulslasermoduls, ser. no. 2458, Hochschule München,
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
[3] Acam mess electronic, Laserentfernungsmessung mit TDCs, Applikationsschrift Nr. 1
[4] PicoLAS, Application Note # 02: Impedance of Laser Diodes, Inductive Behaviour,
Application Note # 03: LD-Connections
[5] Zetex, The ZTX415 Avalanche Mode Transistor, Application Note 8, Issue 2, January 1996
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