CW Laser Steuerung

CW und Q-switched, ordentlicher Ir, sichtbarer oder UV Rums der Spaß macht, sowie Materialbearbeitung mit diesen Lasern.
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LDFAP
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CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » Sa 31 Okt, 2015 12:48 pm

Hallo ich bin so zugsagen der "neue" in euren Forum, und habe schon mal ne Frage.

Kurz zu mir, ich (21.01.1987) arbeite mit CNC-Anlagen schon eine weile und besitze privat auch eine kleine Maschine und will diese von "Gravurbetieb" umrüsten.

Meine Vorstellung dabei ist mit einen 45W 808nm Dpss Laser (Coherent FAP 800) das Material nicht nur zu gravieren sondern auch im letzten Arbeitsschritt gleich auszuschneiden.

Das Problem was ich daran sehe ist das dieser Laser laut meinen Recherchen ein CW Laser ist und ich bisher nur mit gepulsten gearbeitet habe. Nun die Frage: wie kann man die Laserleistung bei einen CW Laser regeln?

Welche Optionen gibt es?

Gruß

LDFAP
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von Sheep » Di 03 Nov, 2015 2:18 pm

Hallo "Neuer" :wink:

Grundsätzlich ist das vom Treiber abhängig und nicht von der Diode.
Reine Neugier -> Was kostet diese Diode mit passendem Treiber?

Gruss Sheep
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » Di 03 Nov, 2015 3:45 pm

... du mußt den Strom durch die Diode modulieren.

Bei meinen ersten 'selbstgestrickten' Hochstrom-Treibern habe ich einen Konstantstrom-Treiber mit mehreren parallelen LM317 und/oder LM338 mit bis zu 9 Ampere Gesamtstrom aufgebaut, bei dem ich den Strom über einen MOSFET auf die Diode geschaltet habe. Den MOSFET habe ich über einen schnellen Optokoppler von einem Arduino aus mit bis zu etwa 50kHz schalten/modulieren können - dabei habe ich einfach den eingestellten Konstantstrom (in vorwählbaren Stufen von 0.5A bis 9A) AN- und AUS-geschaltet. Der vorgewählte Strom war dabei die Maximalleistung, über das PWM-Verhältnis bzw. die Puls-Länge habe ich dann die 'Effektivleistung' stufenlos von 0 bis 100% dieser Maximalleistung regeln können.

Zuletzt habe ich mir stufenlos regelbare Stromregler mit einem OP-Amp aufgebaut, der den Strom direkt über den MOSFET und einen Sense-Widerstand im Diodenkreis regelt - hier komme ich je nach Aufbau auf mehrere *zig Ampere Strom und moduliere mit bis zu knapp 1MHz, wobei die 'Obergrenze' vor Allem vom Strom und der Belastbarkeit des Versorgungs-Netzteils abhängt ...

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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » Di 03 Nov, 2015 8:20 pm

VDX hat geschrieben: Zuletzt habe ich mir stufenlos regelbare Stromregler mit einem OP-Amp aufgebaut, der den Strom direkt über den MOSFET und einen Sense-Widerstand im Diodenkreis regelt - hier komme ich je nach Aufbau auf mehrere *zig Ampere Strom und moduliere mit bis zu knapp 1MHz, wobei die 'Obergrenze' vor Allem vom Strom und der Belastbarkeit des Versorgungs-Netzteils abhängt ...
Viktor
Hallo Viktor, das ist genau das was ich brauche, es wäre sehr schön wenn ca 20 - max 60A möglich sind.
wobei ich schon mit max. 2,2V 18 A zufrieden bin.

Als Versorgungs-Netzteil dachte ich an ein Labornetzteil.

Dein Stromregler mit OP-Amp... wieviel Amp liefert der maximal?

Ist es möglich einen Schaltplan zu bekommen?

Gruß LDFAP (Manuel)
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » Di 03 Nov, 2015 8:23 pm

Sheep hat geschrieben:Hallo "Neuer" :wink:

Grundsätzlich ist das vom Treiber abhängig und nicht von der Diode.
Reine Neugier -> Was kostet diese Diode mit passendem Treiber?

Gruss Sheep
Die Diode gebraucht ca 200-300 Euro 45W Glasfasergekoppelt 808nm

Treiber ist ja mein Problem das ich einen brauche und ich steuermöglichkeiten suche.

2,2W mit Treiber (TTL) bei Ebay ca 200Euro
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » Di 03 Nov, 2015 9:52 pm

Hi Manuel,

den OP-Amp-Schaltplan gebe ich nicht raus, da ich damit auch kommerzielle Module betreibe :?

Den 'vorwählbaren' Konstantstrom-Treiber mit den LM317/LM338 kann ich dir geben - hier definiere ich pro LM317 je 1A und mit den LM338 habe ich je 2A bis 2.5A pro Chip Dauerbelastbarkeit, die ich mit Jumpern oder Schaltern beliebig als Maximalstrom zusammenschalten kann - meine letzten beiden KSK-Treiber hatte ich mit 2x LM317 und 3x LM338 mit Schaltern für einstellbare Ströme von 0.5A / 1A / 1.5A / ... bis 9A aufgebaut -- die IPG-Dioden haben eine fast lineare 1:1-Kennlinie von Strom zur Ausgangsleistung, so daß damit dann 0.5W / 1W /1.5W / ... bis 9W einstellbar waren
Über die 'Modulation' mit einem den Strom durchschaltenden MOSFET kann ich dann eine gemittelte Leistung von Min. (Pulszeit 1µs, Pause 200µs bis unendlich) bis Max. (CW bzw. dauer-AN) ausgeben.

Wenn du mehr Strom benötigst, kannst du praktisch beliebig viele von den LM's parallel schalten oder zu Gruppen zusammenfassen, die du noch mit einem MOSFET schalten kannst - die von mir verwendeten MOSFET's (IRF1404) sind zwar bis zu über 160A Schaltstrom spezifiziert, wenn ich die mit über 40A schalte und mit fast CW laufen lasse, werden die aber doch schon richtig heiß :roll:

Wenn du das Teil mit voller Leistung betreibst, fällt also einiges an Wärme an, was du durch einen großen Kühler abführen mußt - ich schaffe bis zu 30A noch mit großen KüKö's und Luftkühlung, bei Dauerbelastung oder darüber fange ich dann zusätzlich mit Peltiers und/oder Wasserkühlung an :freak:

Viktor
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » Mi 04 Nov, 2015 5:46 am

Das ist verständlich, der Schaltplan mit den mehreren LM338 ist auch ok, an Wasserkühlung denke ich schon länger weil ich keine Lüfterschlitze extra in das Steuerungsgehäuse machen will. Extern dann der Wärmetauscher.
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » Mi 04 Nov, 2015 2:27 pm

Hi Manuel,

... anbei der Schaltplan und Layout des 5xLM-Treibers - wenn statt des LM317 der (pin- und funktionskompatible) LM338 rein soll, dann entsprechend für 2A die Werte für Shunt-und Koppel-Widerstände halbieren -- 1.2Ohm -> 0.6Ohm, 0.22Ohm -> 0.1Ohm.

Du kannst mit anderen Werten für den Shunt auch andere Ströme einstellen ...

Viktor
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » Do 05 Nov, 2015 8:35 pm

Hallo Viktor, ich danke dir für die Eagle-Datein, bevor ich mich aan die Arbeit mache habe ich noch kurtz eine Frage.
Für wieviel Volt Ausgangsspannung ist die Schaltung konzipiert? laut Datenblatt verträgt die Diode max. 2,2V

Manuel
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » Do 05 Nov, 2015 8:41 pm

Hi Manuel,

ich betreibe die mit 7V bis 12V - die Spannung ist hier weniger interessant, über die LM's wird ein konstanter Strom eingeregelt, das definiert dann über URI die Spannung an der Diode, damit sie zum Strom paßt :wink:

Viktor
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » Do 05 Nov, 2015 8:45 pm

Ok, hab blos Angst um diese [zensiert] teure Diode, hab 0 bock die zu grillen nur weil zuviel anliegt
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » Fr 06 Nov, 2015 4:37 pm

Hallo Viktor,
eine Idee um auch aufwärtskompatibel zu bleiben was den Strom angeht, wäre dann ein IRLB3034PbF mit den Mosfet-Treiber MCP1401 in die Schaltung zu Integrieren.

Was ganz gut klappen würde das die Betriebsspannung so oder so bei 7-12V liegt.

Der IRLB3034PbF ist da schon n schöner "Monster-Fet" da kann man denke mal bei 18 A auch n kleinen KüKö nehmen. Und bei Höheren Strömen ne Wasserkühlung.

Was Sagst du dazu?
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » Fr 06 Nov, 2015 6:31 pm

... ich nehme dafür lieber IRF1404 - mit einem RDSon von 0.004 Ohm gegen 1.7 Ohm bei dem IRLB3034PBF sind die viel besser für PWM-Modulation geeignet ... und ich schalte die direkt mit einem Arduino-Pin oder schnellen Optokoppler :wink:

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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von mR.Os » Sa 07 Nov, 2015 10:18 am

VDX hat geschrieben:... 1.7 Ohm bei dem IRLB3034PBF ...
Ich glaube da hast du das m übersehen. Es sind 1,7mOhm. Außerdem auch für Logic Level optimiert.
Wenn man ihn mit 5V schalten will ist er sogar ein gutes Stück besser geeignet als der IRF1404. Es dürfte sich in der Praxis je nach Strom aber alles nicht so viel nehmen.
Beste Grüße
Andreas

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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » Sa 07 Nov, 2015 11:08 am

Hallo mR.Os, denkst du das ich mit meiner Idee dann doch richtig liege?

Viktor die 0.22Ohm Widerstände sind sicherlich Hochleistungswiderstände (draht) ich denke was zwischen 2- 5 W ist das richtig?
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » Sa 07 Nov, 2015 6:55 pm

... uuups -- stimmt, hab' das kleine 'm' davor übersehen :? ... dann wären die etwas besser geeignet, als die IRF1404 :wink:

Zu den Widerständen - ja, ich habe 5Watt-Widerstände im 4-kantigen Keramikgehäuse verwendet, die bei Volllast auch gut warm werden.

Die 0.22 Ohm Widerstände habe ich bei den LM317 mit 1A Konstantstrom genommen - bei den LM338 mit 2A oder 2.5A habe ich 0.1 Ohm -- sie dienen eigentlich nur dem 'Ausgleich' der Bauteilbedingten Unterschiede bei einer Spannungsregler-Konfiguration ... können in der Anwendung als Konstantstromquelle auch weggelassen werden ...

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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von jojo » So 08 Nov, 2015 12:31 pm

Nur mal eine Bemerkung zu den MOSFETs:
Man sollte auch auf andere Dinge achten als nur niedrigsten RDSon und höchsten Drainstrom.
Den Fehler habe ich früher auch gemacht. Die "dicksten" Amperes und den niedrigsten Widerstand rausgesucht.
Und meine Motorsteuerung mit bis zu 50A Strom ist dann fast abgekocht. :shock:
Wenns so einfach wäre, warum bauen die dann nicht einfach nur eine Sorte MOSFETS?
Ich bin sicher dass es hier Fachleute gibt, die sich besser mit MOSFETs auskennen als ich. Allerdings wundert mich dann immer, warum da immer pauschal sogenannte "Monster-MOSFETs" für die Anwendungen rausgesucht werden.

Das Problem ist nur, dass diese 4mOhm im realen Betrieb ganz schnell viel höher sein können.
Achtet man nicht darauf, dass der MOSFET genügend Gatespannung bekommt, steigt der RDSon rapide an.

Wenn man gepulst (PWM oder auch Modulation beim Laser) fahren will, dann sind die Schaltzeiten entscheidend. In meinem Fall waren die für den Betrieb über (nur!) 20KHz PWM zu lang. Der MOSFET geht zu lange durch den Linearbereich über, in dem der RDSon aus dem Datenblatt keine Rolle spielt.
Diese unnötigen Amperes im Datenblatt (200A Spitze für eine 20A Laserdiode?) und der niedrige RDSon werden lediglich durch eine riesige Chipfläche realisiert. Und diese erzeugt eine riesen Gatekapazität, welche locker über 10 nF liegen kann.

Langsame Flanken oder im schlimmsten Fall der lineare Betrieb können für einen MOSFET tödlich sein. Es gibt da interessante Abhandlungen dazu. Geht ein MOSFET in den Linearbetrieb, dann leitet nicht die gesamte Chipfläche gleichmäßig. Es kann zu punktueller Überlastung kommen.
Dies nur am Rande, falls man sich mal wundert, warum ein 200A MOSFET schon bei viel weniger Amperes abgebrannt ist.

Deshalb sollte ein MOSFET immer so schnell wie möglich geschaltet werden, soweit die EMV-Anforderung das zulässt.
Das erreicht man entweder durch niedrige Gatekapazität und/oder durch eine hohe Gatespannung (maximal ca. 20V).
Logiklevel-MOSFETS haben immer schlechtere Werte bezüglich Gatekapazität bei gleichem RDSon als vergleichbare "normale" MOSFETS.

Im Falle meines Motortreibers war es so, dass eine Anhebung der Gatespannung von 12V auf 15V und das Auswählen eines anderen MOSFETS die Wärmeentwicklung drastisch reduziert hat. Jetzt nehme ich einen Typ mit maximal 75A (anstatt vorher 180A) und einem höherem RDSon. Dadurch dass die Flanken steiler geworden sind, ist die Verlustleistung gesunken, obwohl ich ein paar Watt mehr in den etwas höheren "theoretischen" RSDon investiert habe.
Damit konnte ich die Temperatur am Kühlkörper auf fast die Hälfte senken.

Gruß

Joachim
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » So 08 Nov, 2015 3:44 pm

Hi Joachim,

Danke - diese Schaltung war mein erster Prototyp zum testweisen Betrieb der 9A-Dioden, wo das (abgesehen von der Wärmeentwicklung, die ich mit dicken KüKös abgeführt habe), keine große Rolle spielte - die 5 LM's erzeugen deutlich mehr Wärme las der eine MOSFET :freak:

Meine jetzigen Treiber schalten nicht durch, sondern 'regeln' zwei von den MOSFET's im linearen Bereich, wo das viel kritischer ist ... hab's aber auch soweit im Griff :wink:

Viktor
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » So 08 Nov, 2015 7:01 pm

Wichtig für mich ist ja nur das die paar 18 A gut geschalten werden können, und das die Schaltung nach Möglichkeit mit wenigen "Handgriffen" auch für eine Laserdiode mit 50A "flott" gemacht werden kann.

Daher finde ich es genial das bei Viktor seiner Schaltung mittels Jumper ( ich werden Kodier-Dipschalter http://www.reichelt.de/Dip-Kodierschalt ... rtnr=NT+10 nehmen) ohne Aufwand die Ampere höher eingestellt werden können. Daher wollte ich auch ein Mosfet was auch mal 50A locker macht.

Die Abwärme werde ich über eine Wasserkühlung abführen gilt für die Schaltung und auch für den Laser.

Manuel
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » So 08 Nov, 2015 7:11 pm

Viktor, ich weis ich hab noch eine komische Frage aber lieber 3 mal fragen als dumm zu sterben :D
Die 1,2 Ohm Widerstände sind sicherlich 1/4 W ? oder doch schon für mehr Leistung ausgelegt?

Ich Frage deshalb weil ich zwar nach Schaltplan arbeiten kann, aber nun mal Metallverarbeitung als Fach habe.
Löten usw ist ja kein Problem nur die Rechnerei in der Elektronik ist für mich ein riesen Rätsel.

Manuel
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » So 08 Nov, 2015 8:36 pm

Hi Manuel,

nein, die sind auch 5W Draht - das sind die 'Shunt'-Widerstände, an denen bei vollem Strom die 1.25V abfallen, mit denen der LM seinen Ausgangsstrom nachregelt.

Die Formel zur Stromberechnung im KSK-Modus lautet: I = 1.25V / R
Daraus ergibt sich der benötigte Widerstand in Ohm als: R (in Ohm) = 1.25 (Volt) / Soll-Strom (in A)

Für mehr Strom pro LM nimmst du entsprechend kleinere Widerstände - für 2A bräuchtest du also 0.625 Ohm für die 1.25V 'Sollspannungsabfall', was ausreichend genau mit 0.6 Ohm geht ...

Viktor
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » So 17 Jan, 2016 1:56 pm

Eine Frage hätte ich noch bevor ich die Komponenten bestelle, die Kondensatoren sind das Bipolare?
Also Folie oder Keramik Kondensatoren? welche Nennspannung sollten diese haben?

Gruß

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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von Dr. Burne » So 17 Jan, 2016 5:20 pm

Hi,

du kannst unipolare Tantalkondensatoren verwenden, sind zwar teurer aber haben ihre Vorteile.
Generell gibts die aber nur bis 35V, darüber wieder normale Elektrolytkondensatoren.

Generell gilt, dass du noch etwas Luft nach oben haben solltest bei der maximalen Spannung,
z.B. bei 5V sind 6,3V üblich oder bei 12V dann 16V.

Bei sehr hohen Temperaturen (>85°C) verringert sich die maximal zulässige Betriebsspannung allerdings deutlich.
Bild So sind Chinakisten halt!

Wellenlängensammlung 405 445 457,9 465,8 472,7 476,5 488 496,5 501,7 514,5 520 528,7 532 543,4 632,8 640 658 780

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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » So 17 Jan, 2016 5:53 pm

... die Kondensatoren sind unkritisch, sie dienen nur der Unterdrückung eventueller 'Spikes' - da kannst du nehmen, was gerade zur Hand ist und die Spannung ab kann ...

Viktor
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von mR.Os » So 17 Jan, 2016 6:14 pm

Sorry das ich das hier okupiere, aber ich hab da Fragen:
Dr. Burne hat geschrieben:... du kannst unipolare Tantalkondensatoren verwenden, sind zwar teurer aber haben ihre Vorteile.
Generell gibts die aber nur bis 35V, darüber wieder normale Elektrolytkondensatoren.
Was sind den das für Vorteile? Der kleine ESR wird hier kaum was ausmachen bzw. macht hier aufgrund des Layouts (wenn man es genauso aufbaut) definitv nichts aus. Hast du dir auch die Schaltung angeschaut wo die Kondensatoren verbaut werden sollen? Hier hat ein Tantal definitv nur Nachteile (z.B. das sie gerne mal abbrennen) bzw. einfach keine nennenswerten Vorteile.
Dr. Burne hat geschrieben:Generell gilt, dass du noch etwas Luft nach oben haben solltest bei der maximalen Spannung,
z.B. bei 5V sind 6,3V üblich oder bei 12V dann 16V.

Bei sehr hohen Temperaturen (>85°C) verringert sich die maximal zulässige Betriebsspannung allerdings deutlich.
Es verringert sich bei hohen Temperaturen generell überhaupt nicht die Nennspannung. Es hat nur sehr viel mit der Lebensdauer zu tun. Die Temperatur hat in Zusammenhang mit der angelegten Gleichspannung nur auf den Leckstrom und die Lebensdauer einfluss.
Der Wechelstrom der fließt geht in die Temperatur mit ein - aber auch nur, weil er den Elko erwärmt und somit zum Austrocknen des flüssigen Elektrolytes beiträgt.
Die meistens Elkos (also welche, die nicht im letzten chinesischen Hinterhof gefertigt wurden) halten auch rund 20% kurzzeitige Überspannung aus ohne kaputt zu gehen.

Aber zum Thema: hier in der Schaltung ist es recht egal. Die 100nF machen hier eh eher nichts. Ich hätte aber an der Versorgung der LMs durchaus noch ein etwas größeren Elko spendiert.
Beste Grüße
Andreas

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VDX
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von VDX » So 17 Jan, 2016 6:39 pm

mR.Os hat geschrieben:...
Aber zum Thema: hier in der Schaltung ist es recht egal. Die 100nF machen hier eh eher nichts. Ich hätte aber an der Versorgung der LMs durchaus noch ein etwas größeren Elko spendiert.
... das Teil hängt bei mir an einem Eigenbau-Labornetzteil mit dicken Elkos direkt am Ausgang ... und bei denn kurzen Strippen von 20cm zum Treiber Board habe ich darauf verzichtet.

Und bei Bedarf klemme ich mir einfach welche mit in die Versorgungs-Klemmbuchsen mit rein ... der LM-Treiber war ja purer Test-/Prototypenbau, der nach erforgreichen Tests in Proffessionelle Treiber umgebaut wurde :wink:

Viktor
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von LDFAP » So 17 Jan, 2016 7:37 pm

Ich bin da ganz offen, nach Schaltplan löten geht, aber wie gesagt die Berechnungen... :cry:

Als Netzteil habe ich an sowas gedacht: http://www.reichelt.de/Schaltnetzteile- ... +RS+150+12 ....
da kann ich auch gleich den rest der CNC-Elektronik mit "dran hängen" und habe noch "luft" für eine kleine Spielerei.

Ok die Kondensatoren sollen also "Peaks" sag mal verschlucken. Was garantiert mir die Sicherheit für meine Laserdiode?
Bzw was kann ich noch machen damit nichts der teuren LD passiert?

Abgesehen von der Temperaturüberwachung (abschalten der Anlage bei Übertemperatur) und Wasserkühlung.
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Re: CW Laser Steuerung

Beitrag von Dr. Burne » Mo 18 Jan, 2016 2:37 am

Dass Kondensatoren abbrennen liegt oft daran, dass sie in nicht aktiv gekühlten Netzteilen durch Leckströme und Brummspannung noch zusätzlich heiß werden und dadurch die die spezifizierte Nennspannung von Tantalkondensatoren bei hohen Temperaturen von 16 auf bis zu 10V sinkt und dann 12V anliegen, was 20% dauerhafte Überspannung ist.

Austrocknen ist nicht die einzigste Folge hoher Temperaturen, gerade bei Tantals sinkt die maximal zulässige Spannung erheblich.


Nur von solchen betriebsbedingungen sind wir hier weit entfernt.

Bei 0,1uF kann man auch nen Folienkondensator nehmen.
Bild So sind Chinakisten halt!

Wellenlängensammlung 405 445 457,9 465,8 472,7 476,5 488 496,5 501,7 514,5 520 528,7 532 543,4 632,8 640 658 780

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