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Die Erfindung betrifft eine Betriebsregelschaltung mit
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einem Stromregler zur Erzeugung eines Steuerstromes, der die Strahlungsleistung
einer Strahlungsdiode nach Signalen steuert und dessen zeitlicher Mittelwert größer
als der Schwellstrom der Strahlungsdiode ist, bestehend aus einem Konstantstromregler,
einem den Steuerstrom der Strahlungsdiode liefernden Leistungstreiber und einem
optisch gekoppelten Leistungsregler, der ein Rückkopplungssignal für eine Regelschleife
liefert.
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Derartige Regelschaltungen zur Aussteuerung einer Laserstrahlungsdiode
mit Steuerstrom 1F auf Abgabe einer konstanten Strahlungsleistung PO sind bekannt
durch 'tRCA-Application No. 9 ZLM-5859", Seite 11, Herausgeber Radio Corp. of America.
Es wird damit bezweckt, einem Abfallen der temperaturabhängigen Kennlinie PO (IF)
infolge der mit zunehmender Aussteuerung der Laserstrahlungsdiode wachsenden Leistungsverluste
entgegenzuwirken.
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Erreicht wird dies einmal dadurch, daß der Steuerstrom 1F in Abhängigkeit
von der Strahlungsleistung geregelt wird, wobei mit dem Aufwand von nur einer Gleichstrom-Regelschleife
eine sogenannte Continuous-wave-Strahlung, das ist eine nichtmodulierte Strahlung,
erzeugt wird. Zum andern wird eine Konstantregelung der Strahlungsleistung in der
Weise durchgeführt, daß ein sogenannter Bias-Steuerstrom geregelt wird, das heißt,
es wird die Laserstrahlungsdiode mit einem Gleich-Vorstrom etwa bei der halben maximal
zulässigen Grenzstrahlleistung (1/2 Po max ausgesteuert, wobei der Arbeitspunkt
auf der Kennlinie Po(IF) entsprechend etwa in der Mitte des Aussteuerbereichs der
Strahlungsleistung eingestellt ist.
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Hier wird der Strahlungsdioden-Steuerstrom aus einem Wechselspannungs-Steuersignal
mit einem rechteckförmigen Strom erzeugt, der einem Grundgleichstrom überlagert
wird. Dem
Regler wird das Wechselspannungs-Steuersignal durch kapazitive
Kopplung eingegeben, und es ist daher nulliniensymmetrisch zuzuführen. Dadurch ist
die ubertragung einer großen Frequenzbandbreite bei der Umsetzung der Steuersignale
in Strahlungsleistungsimpulse, insbesondere tiefer Frequenzen einschließlich Frequenz
Null, erheblich beschnitten.
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Der Erfindung liegt die folgende Aufgabe zugrunde: Auch unterhalb
der für die optische Abstrahlung erforderlichen Stromschwelle IFS - das heißt im
Bereich der Lumineszenzstrahlung der Laserdiode, bei der die Strahlungsintensität
nicht mehr zum Betrieb der Photodiode ausreicht - soll auch bei kurzen Impulsen
( s 0,5 ms) die Stabilität des Systems gewährleistet sein.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich mit einem Stromregler und unter
Verwendung eines ablösenden Leistungsreglers, die die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale aufweisen.
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Durch die ablösende Regelschaltung wird erreicht, daß ständig eine
der beiden Regelschleifen im Eingriff ist. Die Stromregelschleife ist bei Vorwärts
strömen von Null ab im Ein-.
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griff.
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Eine Regelung, die aus nur einer Leistungsregelschleife besteht, ist
für die geforderten Pulsfrequenzen bis in den MEz-Bereich wegen des nichtlinearen
Zusammenhangs von Strahlungsleistung und Vorwärtsstrom der Laserdiode nicht stabil,
weil unterhalb des Schwellstromes IFS der Laserdiode (Fig. 2, Diagramm b) die Regelschaltung
kein Rückkopplungssignal von der in der Laserdiode integrierten Photodiode erhält.
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Weitere Ausbildungen der Erfindung betreffen ferner eine Einrichtung
mit
Uberwachungs- und Schutzfunktion für die Betriebsregelschaltung, mit welcher die
abgegebene Strahlungsleistung der Laserdiode überwacht wird und beim Erreichen einer
als höchst zulässig festzulegenden Leistung ein Schutzsignal oder Warnsignal oder
dgl. abgegeben wird.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, daß durch
die ablösende Regelschleife auch bei Vorwärtsströmen von Null die geschlossene Stromregelschleife
existiert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird gesehen in der Wirkung der Begrenzung
der Strahlungsleistung durch die Anwendung einer ablösenden Leistungsregelung, da
Begrenzung bei jedem einzelnen Leistungspuls, und sei dieser auch kürzer als 500
nsec, wenn ein entsprechend breites Frequenzband übertragen wird, zur Wirkung kommt.
Dadurch können die Steuersignale mit einem beliebigen Tastverhältnis übertragen
und in Strahlungsleistungsimpulse umgesetzt werden, und dadurch auch wird die Strahlungsleistung
temperaturunabhängig und stabil gesteuert.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt
und nachstehend beschrieben. Es zeigt Figur 1 als Schaltbild die Betriebsregelschaltung
gemäß der Erfindung; Figur 2 drei Zeitdiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise
der Betriebsregelschaltung nach Fig. 1.
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Eine Betriebsregelschaltung nach Fig. 1 enthält einen Stromregler
1, eine Laserstrahlungsdiode LD und einen ablösenden Leistungsregler 2 bekannter
Art. Einem Eingang El des Stromreglers sind digitale Gleichspannungssignale, digitale
Steuersignale USt, dargestellt, die im Diagramm a) der Fig. 2,
die
in Bezug auf die Spannungsnullinie 0 unsymmetrisch sind, zugeführt. Mittels des
Stromreglers 1 werden Gleichstromimpulse, die den Steuerstrom IFs dargestellt im
Diagramm b) der Fig. 2, für die Laserstrahlungsdiode LD bilden, übertragungsgetreu
nach den Steuersignalen U5t erzeugt. Der Steuerstrom 1F fließt im Ausgangsstromkreis
des Stromreglers in einer Transistorstufe, in welcher der betreffende Transistor
mit der Diode LD und einem Stromshunt 15 in Reihe liegen. In der Laserstrahlungsdiode
wird der Steuerstrom 1F in Strahlungsleistung P umgesetzt, die gleichzeitig mit
den Gleichstromimpulsen des Steuerstromes abgegeben werden, wobei die Leistungsimpulshöhe
der Impulshöhe des Steuerstromes proportional ist, sofern letztere größer ist als
der im Diagramm b) gezeigte Schwellstromwert IFS.
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Der Stromregler 1 enthält zwei Transistorstufen 13, 14 in Darlingtonschaltungmit
den Transistoren U13 und T14. Dieser Teil des Stromreglers wirkt wie ein Spannungs-Strom-Wandler
und zugleich den Steuerstrom erzeugender Verstärker. Angesteuert wird die Basis
des Transistors T13 mit Spannungssignalen. Der Darlingtonschaltung ist ein Differenzverstärker
10 mit zwei Transistoren T11, T12, deren Basis die zwei Eingänge El, E2 bilden,
vorgeordnet. Die Emitter der Transistoren sind miteinander und über eine gemeinsame
Konstantstromstufe K der mit diesen Transistoren gebildeten Stufen 11 und 12 an
eine gesonderte negative Betriebsgleichspannung angeschlossen. Durch die Stufe E
wird die Summe der Gleichströme in den Transistorstufen 11, 12 konstant gehalten.
Der Differenzverstärker bewirkt einen Soll-Ist-Vergleich der Pulshöhen der Steuersignale
U5t, die dem Eingang El zugeführt werden, mit der Impulshöhe von dem Steuerstrom
proportionalen Spannungssignalen, die über dem Stromshunt 15 bestehen und über einen
Widerstand 17 dem zweiten Eingang E2 von 10 zugeführt sind. Mit der Basis des Transistors
T13 ist der Kollektor
des Transistors 12 (Ausgang A des Differenzverstärkers)
galvanisch verbunden, wodurch der Differenzverstärker gleichstromgekoppelt vorgeordnet
ist.
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Der ablösende Leistungsregler 2 besteht aus einem gleichstromgekoppelten
Videoverstärker 20 mit einem ersten el und einem zweiten Eingang e2 und einem Ausgang
a, der über eine Ablösediode 21 mit der Basis des Transistors T13, dem Eingang der
Darlingtonschaltung, verbunden ist und zugleich mit dem Ausgang A des Differenzverstärkers
10. Dem Eingang e1 wird eine der Strahlungsleistung Po proportionale Gleichspannung
(Meßspannung Um) zugeführt, die an einem Widerstand 23 durch einen Photomeßstrom
Im einer Photodiode 22 gebildet wird, die die von der Diode LD abgegebene Strahlungsleistung
empfängt.
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Dem Eingang e2 wird eine veränderbare Gleichspannung (Referenzspannung
Uref) die durch den Kondensator 25 entkoppelt ist, zugeführt, die von einem Stellpotentiometer
24, angeschlossen an einer gesonderten stabilisierten Betriebsspannung, abgenommen
ist. Mit der Spannung Uref wird ein gewünschter oberer Grenzwert P0,, der Strahlungsleistung
fest vorgegeben, bei der die Betriebsleistung durch den ablösenden Leistungsregler
2 begrenzt wird.
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Die begrenzende Wirkung des Reglers tritt immer dann ein, wenn die
Meßspannung Um der Höhe nach die Referenzspannung erreicht, so daß der Ausgang a
ein Potential annimmt, bei dem die Diode 21 stromleitend wird und vom Ausgang A
des Differenzverstärkers 10 ein Strom abgeleitet wird. An der Basis des Transistors
T13 wird dadurch das von den Steuersignalen USt übertragene Steuerpotential verringert
und über den Steuerstrom IF auch die Strahlungsleistung Po verringert.
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Bei diesem Begrenzungsvorgang besteht ein den Steuerstrom
erzeugender
Teil des Stromreglers gegenwirkend einziehender Regelkreis des Leistungsreglers.
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Eine Leistungsregelschleife allein, bei der lediglich die abgestrahlte
Leistung in Abhängigkeit von der Steuerspannung Ust geregelt würde, wäre nicht stabil,
weil unterhalb IFS keine Rückmeldung gegeben wäre. Erst durch eine Stromregelung
mit-ablösender Leistungsregelung sind auch Strahlungsleistungsimpulse mit kurzer
Anstiegs- und Abfall zeit stabil steuerbar.
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