Щоб ЛД прослужив довго, йому необхідні стабільні параметри напруги живлення та/або струму. Саме ці завдання покладаються на спеціальну схему – драйвер лазерного діода. Всі лазерні діоди рекомендується живити стабілізованим струмом, хоча деякі з них (зокрема, червоні 650нм з дисководів) поводяться досить стабільно і при живленні стабільною напругою. Ви запитаєте, навіщо використовувати якісь стабілізатори напруги, якщо можна просто стабілізувати струм? Справа в тому, що стабілізатори струму трохи складніші за стабілізатори напруги. Наприклад, через наявність «датчика струму» (про нього йдеться трохи нижче). Також при відсутності навантаження та захисту по перевищенню напруги (що знову-таки веде до ускладнення), на виході такого драйвера напруга може досягати великих значень (У ідеального стабілізатора струму при відсутності навантаження напруга піднялася б до нескінченності. Але повітря має деяке опір, рано чи пізно виник би високовольтний розряд і продовжив би горіти, а на практиці нічого ідеального не існує, і раніше виникнення пробою повітря трапляється вихід схеми з ладу, або у разі неможливості підняття напруги вище вхідної, як у випадку лінійних схем, воно зупиняється певному рівні. Але навіть у цьому випадку діод не можна підключати до драйвера, що працює). З основної виконуваної функції випливає необхідність застосування т.зв. "датчика струму". Як правило, ним є включений у розрив між лазерним діодом та загальним проводом низькоомний резистор. Підтримуючи напругу у ньому, схема підтримує струм. Таке рішення має деякі недоліки - зазвичай мінус живлення діода виявляється «відірваний» від мінусу живлення схеми. Другий недолік - втрати потужності на струмовимірювальному резистори. У результаті вищевикладеного зазвичай знаходять компроміс між стабілізацією струму та напруги.
Класифікація за принципом роботи
Тепер розглянемо два основні типи драйверів при класифікації за принципом роботи – імпульсні та лінійні. На вхід лінійним подається завжди більша напруга, ніж потрібно діоду. Різниця напруг тут гаситиметься на силовому елементі — транзисторі — виділятиметься у вигляді тепла (теплова потужність, що виділяється, — різниця вхідної та вихідної напруг помножена на струм у ланцюгу). Природно, струм на діоді буде зменшуватися при падінні вхідної напруги нижче значення, рівного сумі напруги на ЛД, мінімальним падінням на транзисторі і струмовимірювальному резисторі, якщо це стабілізатор струму. Це стосується й лінійних інтегральних мікросхем-стабілізаторів. Для польових транзисторів мінімальне падіння становить десяті і соті частки вольта, для біполярних може досягати одиниць вольт, зазвичай близько 0.7в. ККД лінійних драйверів малий і зазвичай його не вимірюють. Імпульсний драйвер лазерного діода окремий випадокімпульсного перетворювача напруги. Вони перетворюють одну напругу на іншу (є як підвищують, так знижувальні і понижувально-підвищують перетворювачі), тобто. вхідна потужність приблизно дорівнює вихідний: втрати енергії тепло в них малі — тепло виділяється через неідеальність компонентів, тобто. падіння напруги на напівпровідникових переходах силових ключів та діодів.
Імпульсні драйвери
Як працює імпульсний драйвер? Подивимося на спрощену схему перетворювача, що підвищує:
Про операційний посилювачта принцип його роботи можна прочитати. Напруга на резисторі R дорівнюватиме напрузі Vin, отже, струм, що протікає через ЛД, транзистор і струмовимірювальний резистор дорівнюватиме відношенню Vin до R при достатній напрузі живлення Vcc. Якщо подавати стабільну напругу на Vin, то струм у навантаженні теж буде стабільний навіть при зміні Vcc. Для цієї мети зазвичай застосовують або слаботочний стабілізатор напруги, або стабілітрон, або спеціальне джерело опорної напруги. Приклад повноцінної схеми: http://radiohlam.ru/raznoe/driver_svetodiodov_ou.htm
Пари слів про ККД
Як було сказано, ККД лінійних драйверів малий і його не вимірюють. Розглянемо вимір ККД імпульсного драйвера. Все виглядає дуже просто — виміряти споживані та вихідні струми та напруги, порахувати ККД. Однак, як показує практика, багато хто помиляється вже на цьому етапі. Сама часта помилкановачків - вимірюють струм і напруга по черзі, не надаючи значення тому факту, що при вимірюванні струму мультиметром виходять відчутні втрати на дротах і на шунті, що мають відносно великий опір. Це вносить значну похибку і в струм, і в напругу (це відбувається тому, що на вході драйвера напруга буде меншою, ніж до приладу, або на драйвері при непідключеному в розрив ланцюга приладу, а драйвер імпульсний струм теж буде відрізнятися ).
Отже, щоб правильно виміряти параметри драйвера, потрібно підключити його до джерела живлення через низькоомний резистор близько 0.1Ом, такий же резистор включити послідовно з діодом. Далі слід усе це включити і заміряти напругу на вході драйвера (після резистора), напруга на резисторі, напруга на діоді, напруга на резисторі послідовно з діодом.
Pin = Uin * Ures / R,
де Uin - напруга на вході драйвера, Ures - падіння напруги на резисторі, R - опір резистора. Вся напруга у вольтах, опір - в Омах. Тепер знайдемо вихідну потужність:
Pout = (Uld + Ures) * Ures / R,
де Uld-напруга на лазерному діоді, Ures - падіння напруги на резисторі, включеному послідовно з ЛД, R - опір цього резистора. Тепер знайдемо ККД:
ККД = (Pout / Pin) * 100%
Вимірювання струму через діод
Повернемося до вимірювання струму через діод. Якщо він живиться від стабілізатора струму, достатньо включити у розрив ланцюга між діодом та драйвером амперметр. Якщо ж драйвер стабілізує напругу - то тут про струм можна судити лише побічно, саме в цьому полягає ще одна часта помилка.
Потрібно включити в розрив ланцюга резистор якнайменшого опору, поміряти падіння напруги на ньому і розділити на його опір, але струм буде занижений. Чим менше взяти опір резистора – тим точніше результат. Точно можна виміряти струм, запам'ятавши напругу на ніжках діода, запитавши діод від стабілізатора або обмежувача струму і дивитися на струм у ланцюгу, при якому буде те саме падіння напруги на діоді.
У цьому пості я опишу, як збирав фіолетову лазерну указку з мотлоху, що знайшовся під рукою. Для цього мені знадобився: фіолетовий лазерний діод, коліматор для зведення пучка світла, деталі драйвера, корпус для лазера, джерело живлення, гарний паяльник, прямі руки і бажання творити.
Тих, хто зацікавився і охочих поколупатися в електроніці - прошу під кат.
Потрапив мені під руку вбитий Blu-ray різак. Викинути було шкода, а що з нього можна зробити – я не знав. Через півроку натрапив на відеоролик, у якому було показано таку саморобну «іграшку». Тут і блюрей у нагоді!
У системі читання-запису приводу використовується лазерний діод. Виглядає він у більшості випадків так:
Або так.
Для живлення «червоного» діода потрібні 3-3.05 вольт, і від 10-15 до 1500-2500 міліампер залежно від його потужності.
А ось діод "фіолетовий" вимагає аж 4.5-4.9 вольт, тому живити через резистор від літієвого акумуляторане вийде. Доведеться зробити драйвер.
Так як у мене був позитивний досвід із мікросхемою ZXSC400, то я без роздумів її і вибрав. Ця мікросхема є драйвером для потужних світлодіодів. Даташить. З обв'язкою у вигляді транзистора, діода та індуктивності я мудрувати не став – усі з даташиту.
Друковану плату для драйвера лазера я виготовив відомим багатьом радіоаматорам ЛУТ-ом (Лазерно-прасна технологія). Для цього необхідний лазерний принтер. Схема намальована у програмі SprintLayout5 та надрукована на плівці для подальшого перекладу малюнка на текстоліт. Плівку можна використовувати практично будь-яку, щоб не застрягла в принтері і на ній якісно надрукувалося. Цілком підходить плівка від пластикових папок-конвертів.
Якщо ж немає плівки, не треба засмучуватися! Позичаємо у подруги або дружини жіночий глянсовий журнал, вирізаємо звідти найцікавішу сторінку та підганяємо її під розмір А4. Потім друкуємо.
На фото нижче можна побачити плівку з нанесеним тонером у формі розведення схеми і підготовлений до перенесення тонера шматочок текстоліту. Наступним кроком буде підготовка текстоліту. Найкраще брати шматочок, в два рази більше нашої схеми, щоб було зручніше притиснути до поверхні під час наступного кроку. Мідну поверхню необхідно зашкурити та знежирити.
Тепер потрібно перенести малюнок. Знаходимо в шафі праску, вмикаємо її. Поки він розігрівається, кладемо шматочок паперу із схемою на текстоліт.
Як тільки праска нагріється, потрібно акуратно пропрасувати плівку через папір.
У цьому відео дуже наочно показаний процес.
Коли вона прилипне до текстоліту, можна вимикати праску і переходити до наступного кроку.
Після перенесення тонера за допомогою звичайної праски ця справа виглядає так:
Якщо деякі доріжки не перенеслися, або не дуже добре перенеслися, їх можна поправити CD-маркером і гострою голкою. Бажано використовувати збільшувальне скло, доріжки досить дрібні, лише 0.4 мм. Плата готова до травлення.
Травити будемо хлорним залізом. 150 рублів за баночку, вистачає надовго.
Розводимо розчин, кидаємо туди нашу заготівлю, «помішуємо» плату і чекаємо на результат.
Не забуваймо контролювати процес. Акуратно витягуємо плату пінцетом (його теж краще купити, цим ми позбавимо себе зайвого мату та «соплів» припою на майбутній платі при паянні).
Ну ось, плата витравилася!
Акуратно зачищаємо дрібною шкіркою, наносимо флюс, залуджуємо. Ось що виходить після обслуговування.
на контактні майданчикиприпою можна нанести трохи більше, ніж скрізь, щоб паяти деталі зручніше було, і без наносу припою додатково.
Збирати драйвер за цією схемою. Зверніть увагу: R1 - 18 міліОм, а не мегаОм!
При пайці найкраще використовувати паяльник із тонким жалом, для зручності можна скористатися збільшувальним склом, адже деталі досить дрібні. При цьому паянні використовується флюс ЛТІ-120.
Отже, плата практично спаяна.
Дріт впаюється на місце резистора на 0.028 Ом, так як такий резистор ми навряд чи знайдемо. Можна впаяти паралельно 3-4 SMD-перемички (виглядають як резистори, але з написом 0), на них близько 0.1 ом реального опору.
Але таких не виявилося, тому я використав звичайний мідний дріт аналогічного опору. Точно не вимірював – лише підрахунки якогось онлайн-калькулятора.
Тестуємо.
Напруга виставлено лише 4.5 вольт, тому світить не дуже яскраво.
Зрозуміло, виглядає плата брудно до змивки флюсу. Змивати можна простим спиртом.
Тепер варто написати і про коліматора. Справа в тому, що лазерний діод сам собою світить не тонким променем. Якщо увімкнути його без оптики, то світитиме він як звичайний світлодіод із розбіжністю в 50-70 градусів. Для того, щоб створити промінь, потрібна оптика і сам коліматор.
Коліматор замовлений з китаю. Він містить ще й слабкий червоний діод, але він мені не був потрібен. Старий діод можна вибити звичайним болтом М6.
Розкручуємо коліматор, викручуємо лінзу та задню частину, відпоюємо драйвер від діода. Кріплення, що залишилося, затискаємо в лещата. Вибити діод можна, вдаривши по ньому.
Діод вибитий.
Тепер потрібно запресувати новий фіолетовий діод.
Але на ноги діоду натискати не можна, а інакше запресовувати незручно.
Що ж робити?
Задня частина коліматора чудово підходить для цього.
Вставляємо новий діод ніжками в отвір задньої частини циліндра, і затискаємо в лещата.
Плавно закручуємо лещата, доки діод повністю не запресується в коліматор.
Отже, драйвер та коліматор зібрані.
Тепер закріплюємо коліматор в голову нашого лазера, і припаяємо діод до виходів драйвера за допомогою проводків, або прямо до плати драйвера.
Як корпус я вирішив використати простий ліхтарик із господарського магазину за сто рублів.
Виглядає він так:
Усі залозки для лазера та коліматор.
На прищіпку для зручності кріплення начеплений магнітик.
Залишилося лише вставити пристрій лазера в корпус та закрутити.
Sprint layout 5, файли розведення друкованої платив
- Це вдосконалена схема захисту лазерного діода від кидків напруги. Дорогі напівпровідникові лазери не мають стійкості до швидким стрибкамнапруги чи струму. Для зниження ризику їх пошкодження використовуються стандартні схеми обмеження на польових транзисторах р-n переходом. Саме вони без напруги закорочують лазер, захищаючи його від таких кидків (Малюнок 1).
Коли на негативній шині живлення з'являється напруга, польовий транзисторзакривається. Схема ефективна захисту малопотужних лазерних діодів, але погано підходить для діодів зі струмом споживання понад 150 мА. Ця межа обумовлена значенням максимального струмупольового транзистора. Якщо в аварійному режимі виникає необхідність обмеження струму лазерного діода, вибраний польовий транзистор може не впоратися із цим завданням. Щоправда, існують і сильноточні польові транзистори з р-n переходом, проте вони суттєво дорожчі, і їх важко знайти у продажу.
Схема на малюнку 2 дозволяє уникнути цих недоліків. Вона схожа на стандартну схему із польовим транзистором. Але доповнено біполярним транзистором, Що шунтує більшу частину негативних струмів, коли польовий транзистор відкритий. Резистор R2 фіксує потенціал затвора транзистора Qb a R3 забезпечує швидке вимкнення транзистора Q2. Діод 1 N914 приймає він будь-які позитивні кидки струму. RC-ланцюжок встановлює
достатньо низьку швидкістьвідгуку, згладжуючи переходи від відкритого стану до закритого.
Я вирішив його переосмислити та доповнити. Основна ідея – встановити лазер не замість, а разом з екструдером та змусити все це працювати без перестановок заліза, створення окремого координатного столу та без модифікацій оригінальної прошивки принтера.
У цій частині опишу все залізо, необхідне для подібної модифікації, нюанси вибору, встановлення та налаштування, але насамперед:
Лазерний діод
Почну з найдорожчого компонента. Опустимо безліч параметрів, наведених у датасіті і звернемо увагу лише на деякі:
Потужність. Самий головний параметр. Чим більша потужність - тим швидше можна різати/випалювати. тим більше глибина різання за прохід та інше. Для себе я вирішив, що менше 1,6Вт розглядати не варто, бо завжди має бути запас, і чим більше – тим краще.
Довжина хвилі. Для саморобних різаків найчастіше використовуються лазери з довжиною хвилі 445-450нм. Їх повно лінз, та його свічення перебуває у видимому спектрі. Від вибору кольору залежить те, як добре лазер різатиме матеріали певних кольорів. Наприклад, синій лазер не дуже добре справляється із синім оргсклом та іншими синіми поверхнями, т.к. його випромінювання не поглинається матеріалом.
Номінальний робочий струм. Зазвичай пропорційний потужності. Для 1,6Вт-діодів характерний струм 1,2А. У 3,5Вт номінальний струм 2,3А. Цей параметр є важливим при виборі драйвера. За більш точною інформацієюВарто потрібно подивитися дані,що містять конкретний лазерний діод.
Тип корпусу. Найбільш поширені – TO-5 (9мм), TO-18 (5,6мм – його іноді називають To-56). Впливає на вибір лазерного модуля.
Наведу кілька типових лазерних діодів:
Кріплення. Воно ж – радіатор. З обдуванням навіть для 3,5Вт-лазера такого радіатора достатньо, він гріється десь до 50 градусів.
Встановлення
Варіантів установки кріплення для лазера безліч. Тут стоїть далечінь волю інженерної думки і чогось придумати. Обов'язково передбачте вентилятор над лазером, він потрібен як для його охолодження, так і для того, щоб здувати дим робочої області. Про підключення та керування додатковими вентиляторами читайте .
Можна примотати стяжками, але краще зробити тверде болтове кріплення з перехідною пластиною, на зразок того, як це зробив я:
Універсального варіанта тут немає, але є кілька критичних моментів, які потрібно дотриматися:
1. Потрібно закріпити модуль якомога нижче, на рівні сопла, точніше, трохи вище за нього, залишивши місце для регулювання лінзи (близько 1см). Це пов'язано з фокусною відстанню - віддалити модуль Z ми можемо завжди, а ось наблизити буде проблемою, якщо регулювання не вистачить. Я про це не знав, і регулювання вистачило ледь-ледь.
2. Найкраще закріпити модуль співвісно з екструдером - тоді постраждає розмір робочого ходу лише з осей. І чим ближче до екструдера - тим менший "штраф".
З підключенням все просто, харчування на драйвер згідно з полярністю, підключення діода відповідно до полярності. Дотримуйтесь полярності, загалом. Керуючий TTL провід - до контакту D4, D5 або D6 у випадку, якщо у вас RAMPS. Покажу на прикладі, як це виглядає у мене (TTL-керування на D6):
Налаштування струму лазерного діода
Після того, як все встановлено та підключено, можна зайнятися налаштуванням струму. Для цього викрутіть лінзу у лазера та/або підкладіть під нього шматок кахельної плиткищоб він чогось не пропалив. Також потрібно включити у розрив "мінусового" дроту лазерного діода амперметр (див. схему вище). Можна тимчасово підключити мультиметр, а можна поставити окрему головку, як це зробив я. І не забудьте одягнути захисні окуляри. Алгоритм такий:
1. Вмикаємо принтер.
2. У Pronterface пишемо M42 P* S255 , де * - номер контакту, до якого підключений керуючий TTL дріт драйвера
3. Беремо викрутку та починаємо повільно обертати маленький підстроювальний резисторна платі драйвера, принагідно поглядаючи на показання амперметра. Якщо це драйвер, то струм до включення краще викрутити в 0 (проти годинникової стрілки до клацань), т.к. у ньому за умовчанням виставлено 2А, що може спалити 1,6 Вт-діод.
4. Виставляємо по амперметру номінальний струм свого діода та пишемо M42 P*S0 для його відключення. (* - див. вище)
5. Відключаємо мультиметр від ланцюга (опціонально).
Налаштування фокусу лазера
Тут все досить індивідуально. Фокус можна налаштовувати як перед кожною операцією різання, так і один раз, потім просто пересуваючи каретку Z в залежності від товщини оброблюваного матеріалу. Також є різні підходи до налаштування фокусу деталі: можна виставляти фокус по верху заготовки, а можна посередині. Я виставляю верхи, т.к. рідко що-небудь ріжу і мене не турбує розфокусування під час опускання променя в матеріал.
Налаштовується так:
1. Заганяємо всі осі в home (G28).
2. Піднімаємо каретку. Величина підняття залежить від товщини листа, що обробляється. Я не припускав на своєму принтері обробляти нічого товщі 6мм (за фанерою випалювати), тому підняв каретку трохи вище – на 8мм. Команда для підняття - G1 Z8, ну або просто потикайте стрілочки в Pronterface.
3. Кладемо заготівлю, закріплюємо канцелярськими затискачаминаводимо лазер на неї.
4. Включаємо лазер. Багато потужності на цьому етапі не потрібно, має бути чітко видно точку. M42 P* S1
5. Крутимо лінзу доти, доки промінь не сфокусується в маленьку точку. Якщо не вистачає регулювання - підніміть каретку ще десь на 5-10мм, і знову покрутіть лінзу.
Разом складання, підключення та налаштування завершено. У наступній статті буде посібник з підготовчих команд та огляд софту для роботи з лазером.
29-12-2013
Tai-Shan Liao, Тайвань
При надмірній потужності випромінювання навіть короткочасне потрапляння у вічі променя лазерної указкиможе бути небезпечним для здоров'я людини як при прямому впливі, так і при відображенні від навколишніх предметів. З цієї причини у більшості країн встановлюються норми безпечних рівнів лазерного випромінювання, що регламентують максимально допустиму потужність. У статті описується драйвер лазерного діода, здатний працювати навіть від 1.5-вольтової батареї, розрядженої до напруги 1 В. Драйвер забезпечений надійним захистомна здвоєному транзисторі, що зводить до мінімуму можливість виходу інтенсивності випромінювання за встановлені межі.
На малюнку 1 транзистори Q 1 Q 2 і Q 3 утворюють складовий елементз негативним опором, значення якого приблизно виражається формулою
Струменем лазерного діода керують транзистори Q 5 і Q 6 . Вбудований фотодіод через транзистор Q 4 передає сигнал негативною зворотнього зв'язкуна бази Q 5 і Q 6 стабілізуючи інтенсивність лазерного випромінювання. Пара транзисторів Q 5 і Q 6 включена послідовно з метою підвищення безпеки. При проби одного з транзисторів другий продовжить підтримувати випромінювання на безпечному рівні. Імовірність одночасного виходу з ладу двох транзисторів незрівнянно менша, ніж одного.
Зауваження редактора EDN
Через розкидання параметрів лазера та фотодіода для встановлення необхідного рівняобмеження інтенсивності випромінювання опір резистора R 7 можливо, доведеться підбирати.
Для коментування матеріалів із сайту та отримання повного доступудо нашого форуму Вам необхідно зареєструватися. |
- Неакуратно публікує матеріал першоджерело. Транзистори накидані в малюнку абияк, на навмисну помилку звичайно не тягне, бо розібратися не складно.
- Q6 зображений npn, Q5 -ні як. На додачу транзистор 2N2907 на схемі, то прямий, то зворотний.
- Дякую всім, хто звернув увагу на помилку. Виправлено
- Особливо відзначив би тактовність Рафаїла. Усі ми люди, помиляємось... Не помиляється той, хто нічого не робить. Просто ще свіжі в пам'яті повчання з приводу однієї недавньої друкарської помилки. Там нас "припечатали" на повну. Ну прямо, відчуваєш себе знову в дитячому садку("Хто розбив чашку?") :) Поменше снобізму, хлопців, він ще нікого не фарбував. Ще раз дякую Рафаїлу.
- Щось я не зрозумів - який сенс так-то турбуватися про проби транзисторів у ланцюгу живлення діода? З тим-таки успіхом випромінювання перевищить норми і при обриві до-е Q4, наприклад, або в ланцюзі фотодіода і R3. Всі ці ланцюги не захищені та не дубльовані. Взагалі, чи не логічніше вбудувати захист за струмом споживання всієї схеми?
