Ansteuerungselektronik für Pulslaserdioden
Leistung wo sie gebraucht wird
Winfried Reeb, Laser Components GmbH, Olching
In der tragbaren optoelektronischen Messtechnik werden Laserquellen immer kleiner und erschwinglicher, z. B. in den Bereichen Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung, Laserscanner, Medizin- und Militärtechnik. Für Hochleistungslaserdioden oder gepulste Laserdioden - das Herzstück des Strahlers - ist eine geeignete Ansteuerungselektronik erforderlich, um eine optimale Leistung zu erzielen.
Es hätte eine erfolgreiche Produktpräsentation werden sollen. Als der große potenzielle Kunde den Knopf des Laserentfernungsmessers drückte, wurde jedoch keine Messung vorgenommen, und das Display blieb dunkel. Wie sich herausstellte, hatte ein zu hoher Strom die Laserdiode zerstört. Dieser Fall hinterließ einen enttäuschten Kunden - und eine verlorene Geschäftsmöglichkeit. In anderen Fällen, zum Beispiel in der Sicherheits- oder Medizintechnik, können falsche Schaltungen weitaus gravierendere Folgen haben!
FUNKTIONSPRINZIP DER LICHTLAUFZEITMESSUNG
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Optische Sensoren zur Entfernungsmessung von einigen Metern bis hin zu Kilometern arbeiten in der Regel nach dem Time-of-Flight (TOF)-Prinzip. Das Funktionsprinzip ist einfach: Es wird ein zeitlich modulierter Lichtimpuls ausgesendet, der durch die Sendeoptik scharf gebündelt wird. Aus der Ankunftszeit des reflektierten Lichts lässt sich die Flugzeit Dt bestimmen. 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 Brechungsgrad des umgebenden Mediums, n, verringert die Lichtgeschwindigkeit.
Aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit (ca. 3-108 m/s) liegt die Herausforderung 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 1,5 cm zu messen, müsste man 100 ps auflösen. Für die Entfernungsmessung mit Meter- oder sogar Zentimeterauflösung sind daher Züge aus sehr kurzen Lichtimpulsen erforderlich. Je nach der zu messenden Entfernung und der verwendeten Optik reicht die erforderliche optische Spitzenleistung von einigen Watt bis zu mehr als 100 W für spezielle Ceilometer, die bei der Messung von Wolkenhöhen eingesetzt werden. Leistungsstarke gepulste Laserdioden (PLDs), die im nahen Infrarot (NIR) bei 905 nm emittieren, haben sich für diese Art von Anwendungen als Standard auf dem Markt durchgesetzt. Um solche Spitzenleistungen zu erzeugen, sind jedoch Ströme von bis zu 50 A erforderlich.
PULSLASERDIODEN
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Die Ausgangsleistung von Laserdioden kann in erster Linie über die angelegte Betriebsspannung eingestellt werden, aus der sich bei einem bestimmten Widerstand der Betriebsstrom ergibt. Bei NIR-Einzelemitter-PLDs liegt der Wirkungsgrad typischerweise bei 1 W/A. Epitaktisch gewachsene gepulste Laserdioden mit drei Laserdioden in einem Chip (multi junction PLDs) erreichen bei gleichem Strom wesentlich höhere Werte von 2,5 bis 2,8 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. Für kürzere Pulse versprechen die Hersteller, dass die PLDs mit bis zu 4fach erhöhten Strömen übersteuert werden können. Das Tastverhältnis (d.h. der Quotient aus "Ein"- und "Aus"-Zeiten) liegt im Bereich von 0,04 bis 0,1% und begrenzt damit die Arbeitsfrequenz von 10 ns-Pulsen auf 40 bzw. 100 kHz. Im "Burst-Mode" sind jedoch Impulsfolgen im MHz-Bereich möglich.
TREIBER FÜR LASERDIODEN
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Da die Pulsbreiten im ns-Bereich liegen und die optischen Spitzenleistungen Ströme von mehreren Ampere erfordern, müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um solch hohe Ströme in so kurzen Zeitintervallen zuverlässig zu schalten. Gleichzeitig soll der Formfaktor der gesamten Schaltung sowie der integrierten Komponenten klein genug sein, um miniaturisierte und leichte Laserentfernungsmesser für Jäger, Sportler oder Golfer herstellen zu können. Besonders bei höheren Spannungen oder Strömen, bei denen die Größe der Bauteile zunimmt, kann dies zu einer Herausforderung werden.
Beim Design einer kompakten Pulslaserschaltung oder eines kompletten Pulslasermoduls (PLM) kommt es daher vor allem auf die Kombination von Pulsleistung, Pulsdauer und Wiederholfrequenz an - und auf steile Pulsflanken.
Im einfachsten Fall kann ein Laserpuls durch Ein- und Ausschalten der Betriebsspannung ausgelöst werden. Dabei schickt die Stromversorgung beim Auslösen des Schalters einen bestimmten Strom durch die Laserdiode, wodurch eine bestimmte Leistung abgestrahlt wird. In technischen Anwendungen kann dieser Schalter z.B. ein Transistor oder eine Logikschaltung sein. Es ist jedoch notwendig, einen Treiber als Schnittstelle zu verwenden, damit das Schalten in der gleichen Leistungsendstufe erfolgt, in die der PLD integriert ist. Je nach erforderlicher Anstiegszeit und Pulsbreite werden entweder Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Avalanche-Transistoren verwendet. Abbildung 2 zeigt eine typische PLD-Schaltung für eine Leistungsendstufe mit einem Avalanche-Transistor.
GRAFIK
Abbildung 2:
PLD-Schaltung für die Leistungsendstufe unter Verwendung eines Avalanche-Transistors
Die vorgesehene gepulste Laserdiode beeinflusst die Schaltung in hohem Maße.
Die Schaltungsauslegung wird bestimmt durch den maximalen Strom, der bei Spitzenleistungen durch die PLD fließen darf, sowie durch die maximal zulässige mittlere Leistung Pave unterhalb der Zerstörungsschwelle. Pave wird als Produkt berechnet:
Pave = P0 · tw · prr
wobei Po die Spitzenleistung, tw die Impulsbreite und prr die Wiederholfrequenz ist.Der Kondensator C2 dient als Speicher für den Impulsstrom IP und wird während des relativ langen 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 den PLD fließenden Impulsstroms wird durch die Versorgungsspannung VCC und die Kapazität C2 bestimmt.
Eine einfache Annäherung an die Kapazität des Ladekondensators kann wie folgt berechnet werden:
C · V = IP · tw
Eine Vergrößerung der Kapazität des Kondensators führt zu einer Erhöhung des Impulsstroms IP und der Impulsbreite tw. Wird eine höhere Versorgungsspannung VCC angelegt, erhöht sich die Amplitude des Stromimpulses. In der Praxis wird gleichzeitig die Impulsbreite leicht reduziert, da der Durchlasswiderstand des Transistors verringert wird
INDUKTIVITÄT, KAPAZITÄT UND ANSTIEGSZEIT
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Um kurze Impulsbreiten zu erreichen, ist es wichtig, die parasitären Induktivitäten in der Schaltung so gering wie möglich zu halten. Aus diesem Grund sollten verlustarme HF-Kondensatoren verwendet werden. Zusätzlich zur Eigeninduktivität des Laserdiodengehäuses ist zu bedenken, dass jeder überflüssige cm an Stiftlänge eine zusätzliche Induktivität von etwa 8 nH verursacht. Das bedeutet, dass z. B. ein Stromanstieg di/dt von 20 A/10 ns eine transiente Spannung Ldi/dt von 16 V pro cm Drahtlänge erzeugt. Dies ist wichtig, weil sich die Anstiegszeit bei einer gegebenen Versorgungsspannung erheblich verschlechtert, wenn große Induktivitäten vorhanden sind. Die Anstiegszeit kann wie folgt approximiert werden:
wobei Lstray die Induktivität [nH] der Laserdiode, IPeak der Pulsspitzenstrom [A] und Vmax [V] die maximal verfügbare Versorgungsspannung des Laserdiodentreibers ist.
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
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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 bedenken, dass der Transistor den Betriebsstrom des PLD unbeschadet überstehen muss. Dieser Strom muss aber nicht permanent zwischen Source und Drain fließen, sondern in ns-Pulsen. Weitere Anforderungen an den Transistor sind eine möglichst kurze Verzögerungs-, Anstiegs- und Abfallzeit, was die Auswahl der in Frage kommenden Transistoren stark einschränkt. Kurze Verzögerungszeiten stehen im Gegensatz zu einem großen 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 ns zu schalten. Dabei entstehen Pulse mit Anstiegs- und Abfallzeiten von mehreren ns. Der Vorteil dieser preiswerten und sehr kleinen Transistoren ist, dass bereits mit einer maximalen Ladespannung von 60 V sehr wohlgeformte Rechteckpulse realisiert werden können (Abbildung 5).
Avalanche-Transistoren sind optimal für die Erzeugung sehr kurzer und starker Pulse geeignet. Es sind Anstiegszeiten von <1 ns und Spitzenströme von >100 A möglich. Ein besonderer Hersteller von Avalanche-Transistoren für gepulste Laserschaltungen ist DIODES Inc. (ehemals Zetex). Wie aus dem Datenblatt z. B. des ZTX415 hervorgeht, 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 können 60 A (bei 20 ns) oder mehr für kürzere Pulse erreichen. Wenn diese hohen Ströme und Spannungen mit mehreren 10 oder 100 kHz geschaltet werden sollen, ist bei der Auslegung 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
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Bei der Laser-Entfernungsmessung mittels Lichtlaufzeit sind preiswerte gepulste Laserdioden zum Standard geworden. Damit die Sensoren klein und tragbar bleiben und eine geeignete Auflösung erreichen, werden besondere Anforderungen an die Schaltung gestellt. So verursachen z.B. die Anschlussdrähte parasitäre Induktivitäten und müssen daher möglichst kurz gehalten werden, um mit Leistungs-MOSFETs oder Avalanche-Transistoren schnelle und präzise Laserpulse zu erzeugen.
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REFERENZEN
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[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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