Hilfe Berechnung / Dimensionierung Spannungsgesteuerte Stromquelle

[Thor_]

Hallo zusammen

Ich möchte mir, zur Steuerung einer Laserdiode, gerne eine spannungsgesteuerte Stromquelle aufbauen.
Jedoch habe ich damit keine Erfahrung. Im Internet findet man zwar viele Threads die sich mit dem Thema beschäftigen, ich konnte jedoch keine A-Z Anleitung findet die sich mit dem Auswählen und Dimensionieren der Bauteile usw. beschäftigt.

Was ich brauche ist eine Stromquelle die ich von 0-450mA steuern kann.
Steuern möchte ich das Ganze mit einem ATmega (entweder 8 oder 32). Das heisst es stehen vom Mikrocontroller her 20mA und 5V zur Steuerung der Stromquelle zur Verfügung.
Dabei wäre es natürlich am schönsten, den ganzen Bereich von 0-5V zur Steuerung zu nutzen.

Froh wäre ich nun um Hilfe, wie ich dabei vorgehen muss. Zum Punkt A (eine Spannung von 0-5V aus dem ATmega zu kriegen) habe ich folgendes Recherchiert:
Ich kann eine PWM ausgeben die ich mit einem RC-Glied glätte. Dazu dieser Link: http://all-about-embedded.blogspot.ch/2012/08/dac-using-atmega-16.html
Zusammenfassung:

PWM-Frequenz: 50 Hz, R=1kOhm, C=3.2 uF

Damit wäre also, in der Theorie, mal der Teil eine Spannung von 0-5V ausgeben zu können erledigt. (Hoffe ich ;):(:p)

Nun der knifflige Teil:
In diesem Thread (http://www.mikrocontroller.net/topic/97885) wird eine spannungsgesteuerte Stromquelle von 0-500 mA vorgestellt.
Verwendet werden soll ein Operationsverstärker OPA251, wobei als Alternative ein TS912 vorgeschlagen wird.

Leider verstehe ich den Schaltplan nicht so ganz:
-Wozu dient P1 (10k) und V21?
-Sind VF1 und VF2 wirklich Stromanschlüsse (laut Wikipedia schaltzeichen-referenz müssten es welche sein))

Vielleicht könnt ihr mir ja ein bisschen in die richtige Richtung helfen...:(

Grüsse
Thor_

[malthy]

Moin!

Du kannst Dir die Funktion der Schlatung (ich paste das Bild mal hier rein) so vorstellen, dass der Operationsverstärker mit Hilfe des Transistors die Spannung am Shunt so einstellt, dass sie der Spannung am nichtinvertierenden Eingang des OpAmps (+) entspricht. Wenn also bei 5 V Steuerspannung 450 mA über den Shunt fließen soll, dann müsste der Shunt R = U/I = 5 V/ 450 mA = 11.1 Ohm groß sein. Für die halbe Steuerspannug fließt dann folglich auch der halber Strom, oder allgemein, 0 ... 5 V werden linear in 0 ... 450 mA "übersetzt". Die Last befindet sich über dem Steuertransistor, und da der Strom der über den Shunt fließt (abgesehen vom relativ geringen Basisstrom von T1), nur über die Last seinen Weg nehmen kann, ist der Shuntstrom eben (nahezu) so groß wie der Laststrom.

Das Poti (P1) ist ein Spannungsteiler, der die Steuerspannung liefert und somit den Laststrom einstellt. Hier würdest Du Deine Steuerspannung einspeisen. VF1 und VF2 sind - denke ich mal - nur Testpunkte, wie gesagt, die Schaltung sorgt dafür dass VF1 = VF2.

29331
Quelle: http://www.mikrocontroller.net/topic/97885

Ich kenne mich nicht mit Laserdioden aus, es ist natürlich möglich, dass etwas dagegen spricht, eine Laserdiode auf diese einfache Art zu betreiben. Dazu kann vielleicht jemand anderes noch etwas sagen. Für normale Leutdioden funktioniert diese Methode.

Vielleicht wäre es auch eine Möglichkeit, die Laserdiode direkt mittels einer PWM zu pulsen, und so die Leistung zu steuern?

Gruß
Malte

[Thor_]

Hallo Malthy und vielen Dank für deine Antwort.
Da es mir wichtig ist, das wirklich zu verstehen schlage ich vor, dass ich hier mal schreibe, wie ich mir die Funktionsweise inwzischen zusammenreime, und du gibts dann da deinen Senf dazu;)

T1: Der Transistor verstärkt den an seiner Basis anliegenden STROM (I).
Ohmsches Gesetz: I = U / R
Da R konstant ist (10 Ohm) führt eine Änderung der Spannung zu einem höheren Strom der zur Basis des Transistors fliest. (Richtig?)

Frage: Dann spielt hier ja auch die Verstärkungscharakteristik des Transistors eine Rolle!? Wir müssen einen Transistor mit einem linearen Anstieg (von Uin nach Uaus) haben? Haben alle Transistoren so einen linearen Anstieg?


Frage: Laut DB ist "Voltage Output Swing from Rail" max. 200mV. Was bedeutet das?

OPV: Der OPV vergleicht nun die an den Polen N und P anliegenden Spannung. Die Differenzspannung (P - N) wird dann um soviel verstärkt, wie das der Typ des OPV eben macht. (richtig soweit?). Beim OPA251 liegt der open loop gain bei 100dB, also Faktor 10'000'000'000. (Wow)
Wenn ich an dem P-Pol 5V anlege, wird er versuchen, den Transistor soviel Strom durchzulassen, dass an seinem N-Pol auch 5V anliegen.
Was mir nun aber definitiv nicht klar ist ist folgendes:

Wenn ich an V+ (oben an der Last) eine Spannung anlege, sagen wir einmal die kommt von einer Batterie.
und auch sonst wird die ganze Schaltung von max. 5V versorgt.
Dann ist die Spannung, die am Shunt abfällt doch von vorneherein klar?
Weil U ist konstant, R ist konstant

Ich weis nicht, ob ich klar machen kann wo mein Knüppel liegt - ich hoffe es. Und ich hoffe das ihn jemand lösen kann :( ich versuche es auch weiter, falls ich es schaffe lasse ich es euch wissen ;)

[malthy]

Hey,



Wenn ich an V+ (oben an der Last) eine Spannung anlege, sagen wir einmal die kommt von einer Batterie.
und auch sonst wird die ganze Schaltung von max. 5V versorgt.
Dann ist die Spannung, die am Shunt abfällt doch von vorneherein klar?
Weil U ist konstant, R ist konstant

Du hast ja noch den Transistor dazwischen. Den kannst Du Dir hier vereinfacht als steuerbaren Widerstand vorstellen, d. h. dass die OpAmp-Schaltung ihn so einstellt, dass die Spannung "unter" dem Transistor (am Shunt), der Steuerspannung entspricht. Der Spannungabfall am Transistor wird von diesem "verheizt".

[Siro]

Hallo Thor.
Vergiss mal den Widerstand R1, der ist nur als Schutz um den Basistrom des Transistors T1 zu begrenzen, wobei 10 Ohm echt wenig ist
Die Stromverstärkung ist hier vorerst auch unwichtig.

Das Prinzip ist wie malthy schon erklärte.
Am Plus Eingang des OP's wir eine Spannung eingestellt. Das wird hier über das Poti P1 gemacht.

Der OP versucht immer den Ausgang so einzustellen, das beide Eingänge zusammen wieder 0 Volt ergeben.
Das bedeutet, der OP öffnet den Transistor soweit, das an dem SHUNT, hier mit 2 Ohm, die gleiche Spannung wie am Plus Eingang des OP's anliegt.
Also liegt am Plus Eingang vom OP z.B 1 Volt an, dann wird am Shunt auch 1 Volt anliegen.
Damit das funktioniert muss der OP natürlich die Basis Emitterspannung von ca. 0,65V von T1 MEHR am Ausgang erzeugen.
Der Strom durch den Shunt ist dann die 1 Volt / 2 Ohm, also 500mA
Im Kollektorzweig, wo LOAD steht, hast Du einen konstanten Strom, der aber um den Basistrom geringer ist, als durch den Shunt.
Wobei sich der Basisstrom durch die Stromverstärkung des Transistors ergibt.
Der Widerstand R2 ist auch recht unerheblich. geht auch ohne oder mit 1K.
Normalerweise versucht man die Eingangsströme des OP's identisch zu halten.

Ich hoffe das ist richtig erklärt.
Siro

[edit] Ich würde mit einer Pulsbreite steuern, wenn sowieso ein Controller vorhanden ist.
Dann berechnest Du den Vorwiderstand für den maximalen Strom schaltest deine Diode in Reihe.
Über einen Transistor schaltest Du nur den Strom ein und aus. Siehe Pulsbreitensteuerung PWM.

450mA ist aber ganz schön für eine Laserdiode.....Bitte Laservorschriften beachten

[Peter(TOO)]

Hallo Siro,

[edit] Ich würde mit einer Pulsbreite steuern, wenn sowieso ein Controller vorhanden ist.
Dann berechnest Du den Vorwiderstand für den maximalen Strom schaltest deine Diode in Reihe.
Über einen Transistor schaltest Du nur den Strom ein und aus. Siehe Pulsbreitensteuerung PWM.

Das kommt ganz darauf an, was er mit dem Laser machen will!

Wenn er mit dem Laser einen Strich zeichnet, z.B. Ablenkung mit einem Polygonspiegel, kann er mit PWM einen gestrichelte Linie erhalten. Dann ändert sich nicht die Helligkeit der Linie, sondern die länge der Teilstriche.

MfG Peter(TOO)

[malthy]

Das kommt ganz darauf an, was er mit dem Laser machen will!

Ich denke mal das Ganze steht im Zusammenhang mit diesem Thread (https://www.roboternetz.de/community/threads/66099-suche-IC-f%C3%BCr-Konstantstromquelle-%28Lasertreiber%29-Strom-%C3%BCber-Spannung-w%C3%A4hlbar), demnach möchte Thor_ einen Lasercutter/gravierer bauen. Wenn sich eine PWM also grundsätzlich zur Leistungssteuerung von Laserdioden eignet, wäre das vermutlich auch bei seiner Anwendung eine bessere Wahl als der andiskutierte Lineartreiber. Aber dazu müsste er selbst etwas sagen :-)

Gruß
Malte

[Peter(TOO)]

Hallo Malte,

Ich denke mal das Ganze steht im Zusammenhang mit diesem Thread (https://www.roboternetz.de/community/threads/66099-suche-IC-f%C3%BCr-Konstantstromquelle-%28Lasertreiber%29-Strom-%C3%BCber-Spannung-w%C3%A4hlbar), demnach möchte Thor_ einen Lasercutter/gravierer bauen. Wenn sich eine PWM also grundsätzlich zur Leistungssteuerung von Laserdioden eignet, wäre das vermutlich auch bei seiner Anwendung eine bessere Wahl als der andiskutierte Lineartreiber. Aber dazu müsste er selbst etwas sagen :-)

Die PWM-Frequenz muss einfach relativ hoch im Verhältnis zur Verschiebung des Lichtpunktes sein.
Andenfalls hat man mehr ein Oszilloskop für die PWM-Frequenz gebaut.

Ist immer das selbe Problem, Anfragen für ein Detail, aber keine Angaben zum Kontext :-(

Als Fachmann kommt man da ins Schleudern, als Halbwissender nicht.

MfG Peter(TOO)

[malthy]

Moin Peter!

Ich verstehe weder etwas von Lasern noch vom Laserschneiden (weniger als Halbwissen also ;-)). Ich hatte es aber kurz überschlagen: die chinesischen Hobby Laserengraver fahren bis 10 mm/ sec (keine Ahnung ob das realistisch ist oder nur noch für Butterbrotpaier funktionieren würde). Wenn man den Laser mit "nur" 10 kHz pulsen würde (ich habe wesentlich höhere Anstiegszeiten von Laserdioden im Hinterkopf, das kann aber falsch sein), käme man demnach auf 1 µm Vorschub pro PWM-Periode. Das hielt ich - vor allem auch angesichts der Spotgröße bei einem Hobbysystem - für absolut akzeptabel.

Gruß
Malte

[Peter(TOO)]

Hallo Malte,

So geht's natürlich.
Ich habe aber auch schon Systeme gesehen, welche mit einem Polygonspiegel aus einem alten Laserdrucker arbeiten, da sieht es u.U. wieder anders aus.

Aber dazu äussert sich der Frager ja nicht -(

MfG Peter(TOO)

[Thor_]

Hallo zusammen

Vielen Dank für die zahlreichen ANtworten und sorry, dass ich so lange für die lang ersehnte Antwort gebracuht habe;)
Das Grundprinzip der Schaltung habe ich erstmal verstanden - vielen Dank!

Ich werden den Laser direkt in die CNC-Fräse einsetzen, also ohne Umlenkspiegel direkt auf das zu bearbeitende Material leuchten.
Die CNC verfährt mit maximal 45mm/s / Achse

Die Leistungssteuerung über den Konstantstrom hielt ich für zielgerichteter, weil ich verschiedene Materialien mit sehr unterschiedlichen Leistungen bearbeiten möchte:

Auf der einen Seite Photoplatinen, da reichen so ab um die 90mW (muss man ausprobieren, aber das ist in etwa der Wert von dem die meisten reden).
Auf der anderen Seite möchte ich aber auch andere Materialien (Leder und Holz) gravieren, da darf man dann abhängig von gewünschter Tiefe und Verfahrgeschwindigkeit gerne mit den 450mW rangehen.

Die Frage ist jetzt, wie malthy angetönt hat, wie lange die Diode braucht, um ihre maximale Leistung abzugeben, leider finde ich aber nicht wirklich ein Datenblatt.
Man könnte es aber wohl mal zuerst mit PWM probieren

hm...:confused:

@Siro


450mA ist aber ganz schön für eine Laserdiode.....Bitte Laservorschriften beachten

Keine Angst, mach ich. Entsprechende Schutzausrüstung ist vorhanden und wird benutzt;)

[Peter(TOO)]

Hallo,

Ich werden den Laser direkt in die CNC-Fräse einsetzen, also ohne Umlenkspiegel direkt auf das zu bearbeitende Material leuchten.
Die CNC verfährt mit maximal 45mm/s / Achse

Die Frage ist jetzt, wie malthy angetönt hat, wie lange die Diode braucht, um ihre maximale Leistung abzugeben, leider finde ich aber nicht wirklich ein Datenblatt.
Man könnte es aber wohl mal zuerst mit PWM probieren

PWM ist einfacher und sollte in diesem Fall kein Problem machen.
Schon mit 1kHz kommst du bei 45mm/s auf 45nm, so klein bekommst du deinen Laserpunkt gar nicht.

Die Ansprechzeit der Diode sollte auch kein Problem sein, so lange du mit der PWM nicht im MHz-Bereich operieren willst.

MfG Peter(TOO)

[Unregistriert]

Verfahrgeschwindigkeit 45mm/s und PWM-Frequenz 1kHz ergeben 45µm/PWM-Zyklus (nicht 45nm)!
Ist jetzt ein wenig Oberlehrer, aber stimmen müssen die Werte schon ...

KK

[Peter(TOO)]

Hallo KK,

Verfahrgeschwindigkeit 45mm/s und PWM-Frequenz 1kHz ergeben 45µm/PWM-Zyklus (nicht 45nm)!
Ist jetzt ein wenig Oberlehrer, aber stimmen müssen die Werte schon ...
Nö, da habe ich mich verschrieben.
Und das sollte schon richtig gestellt werden!

MfG Peter(TOO)

[Besserwessi]

Laserdiode (vor allem die roten / IR) sind recht empfindlich und schnell. Da können schon kurze Überschwinger von ein paar ns Länge zum Ausfall führen. Die Einstellung des Stromes ist noch eher das einfachere Problem. Der 2. Punkt ist sicherzustellen das auch beim Einschalten und Ausschalten keine zu hohen Strome oder nennenswerte negative Spannungen auftreten. Wenn zwischen dem Treiber und der Diode eine Längere Leitung (so ab 20 cm) ist, muss man ggf. auf den Wellen widerstand und die Terminierung achten, sonst führen steile Flanken vom PWM zu kritischen Überschwingern.

Von daher würde ich PWM eher vermeiden, und eine saubere Analoge Stromregelung wählen. Knapp 500 mA und rund 5 V sind auch noch nicht so viel Leistung, das die Stromkosten aus dem Ruder laufen.

[H2R2]

Das geht auch statisch und gepulst mit einem integrierten Laserdiodentreiber, wie z.B. den iC-HG oder iC-HK/HKB: http://www.ichaus.de/keyword/Laser%20Diode%20and%20LED%20Drivers .