Vorstellung + Frage zur Beschaltung von Modulationseingängen

[jd]

Hallo Gemeinde!

Ja ich lese schon eine Weile mit, habe mich bisher aber nicht ans Licht der Öffentlichkeit getraut.
Momentan bin ich Abiturient, also so gut wie fertig und strebe dann einen naturwissenschaftlichen Studiengang an. Zum Lasern bin ich über die Spektroskopie in Physik und Chemie gekommen.
Momentan verfolge ich ein Selbstbauprojekt bei dem ich einiges an Hilfe nötig habe und hoffe natürlich, dass ihr mich etwas unterstützt. Vielleicht weckt es ja auch euer Interesse.
Ich bin wahrlich kein Elektrofachmann und mir ist klar, dass ihr vermutlich meine Schaltung in der Luft zerfetzen werdet, was auch euer gutes Recht ist bei so viel geballter Inkompetenz, die in mir zu finden ist.

Mein Problem ist, dass ich zwei analoge Modulationseingänge habe und diese gerne regeln möchte. Ich möchte einmal die Eingänge beider Treiber gemeinsam von 0-5V regeln und beide Dioden damit gleichmäßig Dimmen. Dann möchte ich noch die Balance zwischen beiden regeln, also zwischen "Diode 1 bei 100% und Diode 2 bei 0%", "Diode 1 und 2 bei 100%" und "Diode 1 bei 0% und Diode 2 bei 100%" stufenlos regeln.
Zudem möchte ich mit drei Tastern jeweils die Zustände
Diode 1 | 1/0
Diode 2 | 1/0
Diode 1 und 2 | 1/0 (mittels Relais)
erreichen.

Dazu habe ich mir folgendes Prinzip ausgedacht. Als Eingangsspannung stehen mir 5 V zu Verfügung. Ich hab das nur mal schnell hingezeichnet, ohne Anspruch auf absolute Korrektheit.




Kann das vom Prinzip her funktionieren? Habt ihr andere Vorschläge?
Mir ist aufgrund mangelnder Elektronikkenntnisse die Dimensionierung der einzelnen Komponenten nicht klar, wäre nett wenn ihr mir da auf die Sprünge helfen könntet.

Viele Dank im Voraus!

Jan-David

[contact23]

Hallo,

Herzlich willkommen!

Leider kenne ich mich mit Elektronik auch nicht so gut aus, aber wenn du erklären kannst, was du damit vor hast, oder für was das gut sein soll, dann kann ich dir vielleicht mit einer Lösung helfen. Vielleicht kann man das ganze software-mäßig machen. welche SW hast du oder hast du vor dir zu kaufen? Oder hat das projekt überhaupt was mit einem Projektor zu tun?

Grüße Matthias

[jd]

Danke fürs Willkommenheißen und die schnelle Antwort!

Nein das Projekt hat leider nichts mit einem Projektor zu tun, sonst wäre die softwareseitige Lösung sicherlich die beste.
Es geht um einen kompakten RGY-Laserpointer (obwohl ich das auch nicht mehr Pointer nennen würde, da es doch etwas größer ist). Das heißt es muss auch nichts gescannt werden o.ä.. Die Idee brennt mir jetzt schon länger auf den Nägeln, ich hatte nur nicht das Material dafür. Jetzt konnte ich allerdings zwei Blogdrives ergattern (ja ich weiß, das das nicht so perfekt ist), die ich nach NEX's "Spannungsspitzendämpferschaltung" modifiziert habe.

Der Pointer soll mir z.B. als Quelle für Referenzwellenlängen in meinem hochauflösenden Spektroskop dienen, das als nächstes in Planung ist. Hatte gerade eine Facharbeit über Sternspektroskopie und das Thema lässt mich nicht mehr los.


Grüße,
Jan-David

[nohoe]

Hallo

Wenn die Wellenlänge des emittierten Laserlicht von Belang ist,
denke an eine genaue Temperatur Einstellung der Diode oder des DPSS
Laser, da die Wellenlänge sich mit der Temparatur ändert.

Gruß
Norbert

[jd]

Ja das ist natürlich ein Problem, aber zum Glück sieht man die Wellenlänge auch noch an gewissen Absorptionslinien. Der Laser dient praktisch nur dazu den Bereich "abzustecken".

[karsten]

Ich hab zwar noch nicht wirklich verstanden was du da vorhast, aber die Schaltung hat offensichtlich ein paar Fehler. Angefangen bei dem Poti für Dimmung, was die Versorgungsspannung kurzschießt, wenn man es in Richtung A dreht bis hin zu mehrere belastete Spannungsteiler, die das ganze nichtlinear machen.
Drehe ich bei der Schaltung das Balancepoti Richtung +10V geht Diode 1 aus, aber an Diode 2 stehen 10V am Modulationseingang an, da die Z-Diode unwirksam ist.

Beschreib doch mal bitte genau, was die Schaltung machen soll, dann kann ich mal sehen, wie man das realisieren kann. Soweit wie ich das verstanden habe, möchtest du beide Laser über einen Poti gemeinsam Dimmen können und über ein 2. Poti die "Gesamt-Leistung" auf die beiden Laser verteilen können, wobei bei Mittelstellung des Potis beide Laser zu 100% leuchten sollen. Also eine solche Kennlinie:

[jd]

Juhu ein Sachverständiger.

Das mit dem Poti ist vollkommen richtig, das muss natürlich anders angeschlossen sein. Ich habe die Schaltung nochmal überarbeitet, s.o.



Anscheinend scheinst Du ganz genau verstanden zu haben was mein Ziel ist und die Kennlinie ist genau zutreffend.

Für Vorschläge zur Realisierung wäre ich überaus dankbar!

Viele Grüße,

Jan-David

[Dr. Burne]

Hi,


also DPSS sind durch den Nd:YAG ziemlich frequenzstabil, wobei das noch Längen von einem HeNe oder gar stabilisierten HeNe-Laser entfernt ist.
Breich bei ca. +/-0,1nm

Jedoch ist eine rote Laserdiode in höchstem Maße Temperaturabhängig, was z.B. eine Modulation per PCAOM ohne sehr feine Temperaturstabilisierung unmöglich macht.
Bereich ca. +/-3nm jenach Diode von der Produktion abweichend
und zwischen 10 und 40°C auch noch mehrere nm Drift, wobei dabei Sprünge auftreten


Gruß Stefan

[jd]

Dann muss man sich wohl oder übel auf den DPSS allein verlassen.
Danke für die Info.

[karsten]

Vom Prinzip würde die Schaltung nun gehen, um das ganze einigermaßen linear zu bekommen müssten die Potis aber sehr niederohmig im Vergleich zum nachfolgenden Schaltungsteil sein. Das Problem ließe sich aber mit einem OP jeweils nach den Potis beheben.

Aufpassen solltest du aber mit dem Potential der Ausgänge. Hier liegen zwischen den beiden Anschlusspins zwar nur bis ca. 5 V an, bezogen auf Masse liegen hier aber bis 10V an. Und wenn durch eine gemeinsame Versorgungspannung der Laser Pin 2 des Modulationseingangs verbunden ist, dann geht die Schaltung in Rauch auf. Für die Anwendung wären wohl 3 galvanisch getrennte Spannungsversorgungen notwendig. Alternativ könnte man das Ganze auch "sauber" mittels OPs realisieren (sprich Differenzverstärker an den Ausgängen), ist aber etwas mehr Aufwand.

Ein anderes Problem dürfte für die Anwendung sein, dass DPSS-Laser nicht gerade Linear arbeiten, d.h. bei 50% Ansteuereung kommen nicht 50% raus. Im unteren Modulationsbereich kommt bei den meisten DPSS garnichts raus, und erst ab einer gewissen Spannung fängt er dann langsam an zu lasern, wobei der größte Leistungszuwachs erst im oberen Drittel ereicht wird. Kommt natürlich auf die Qualität (Preis) des Lasers drauf an.

Das Relais ist eigentlich überflüssig - ein 2poliger Taster würde es auch tun.

[jd]

Vielen Dank schonmal für die ausführliche Antwort.

Wie meinst Du ließe sich das Problem mit OPs beheben? Ich bin leider nicht so bewandert auf dem Gebiet.

Der Modulationseingang ist differentiell ausgelegt, nimmt also keinen Bezug zur Gesamtmasse, daher wird mir der Treiber wohl eher nicht um die Ohren fliegen.

Wie ich schon sagte bin ich kein Elektrofachmann, daher weiß ich nicht wie man sowas "sauber" aufbauen könnte. Könntest Du mir das vielleicht anhand eines Schaltbildes auf Anfängerniveau erläutern?

Bzgl. Linearität:
Du meinst das ganze sähe dann etwa so aus?



Das ist eigentlich kein so großes Problem. Auf optimale Linearität kommt es mir nicht so sehr an, dann müsste ich eben feinfühliger am Poti drehen.

Ein zweipoliger Taster/Schließer ist mir jedoch noch nie über den Weg gelaufen... Alternativ wäre natürlich ein zweipoliger Kippschalter mit Tastfunktion das bevorzugte Mittel. So ein Drucktaster wäre mir aber lieber. Gibts sowas irgendwo?

Grüße,
Jan-David

[karsten]

Wenn der Laser tatsächlich einen differentiellen Eingang hat, der auch 10V gegenüber Masse verträgt (der OP im Lasertreiber könnte es übel nehmen, wenn die Eingangsspannung oberhalb seiner Versorgungsspannung liegt), sollte die obige Schaltung prinzipiell funktionieren. Vorausgesetzt Poti2 (Balance) ist deutlich größer Poti 1 (Dimmung) und R1 bzw. R2 deutlich größer als P2, also Pi*Daumen ca. 470 Ohm für P1, 4,7k für P2 und für R1 bzw. R2 47k.

Eine "saubere" aber wesentlich aufwendigere Lösung könnte wie folgt aussehen (siehe Anhang). Die Ausgänge arbeiten massebezogen und sind niederohmig, außerdem sollte die Schaltung einigermaßen linear arbeiten. Allerdings bin ich mir nicht sicher, ob der angegebene OP-Typ das schafft, da er hier Rail-to-Rail betrieben wird und womöglich auch noch asymmetrisch versorgt wird. Mit symetrischer Versorgung (z.B. über DC-DC-Wandler mit +/- 9V) sollte es aber gehen.

Kurze Erklärung zur Schaltung: Poti 1 dient der globalen Dimmung, Poti 2 der Balance. IC1a ist ein einfacher Spannungsfolger, der dafür sorgt, dass die nachfolgende Z-Diode den Spannungsteiler nicht zu sehr belastet. IC1b dreht das Ausgangssignal von P2 um, also aus 5V werden 0V und umgekehrt. Die nachfolgenden Z-Dioden begrenzen das Signal auf 2,4V und die nachgeschalteten OPs verstärken um Faktor 2. R13 und R14 sollen nur für ein sicheres Abschalten sorgen (offene Eingänge können zu unkontrolliertem verhalten führen).

EDIT: Schaltung funktioniert so nicht. Wenn die Dimmung verstellt wird verschiebt sich die Balance. Die Dimmung darf erst nach den Z-Dioden erfolgen! MIST!

Mit den 2poligen Tasten hast du nicht ganz unrecht, die sind relativ selten, zumindest in den kleineren Bauformen (z.B. reichelt UNIMEC 15502). Die häufig im Maschinenbau anzutreffenden Schalterserien haben aber auch 2polige Tasten. Sparen tut man hier allerdings nicht, da die Taster ähnlich teuer oder teuerer sind wie die Relaislösung.

[jd]

Dein Vorschlag klingt natürlich wesentlich professioneller.

Wie wäre es mit einem Stereopoti zur Dimmung nach den Z-Dioden?

Wie findet man raus, ob der angegebene OP geeignet ist?
Man kann sozusagen nicht mit der Versorgungsspannung von 5V direkt arbeiten, sondern müsste "hochtransformieren", damit der OP arbeiten kann, seh ich das richtig? Gibt es nicht auch spezielle Rail-to-Rail OPs?

Einen zweipoligen Taster habe ich jetzt beim großen C ausfindig gemacht Art. Nr.: 704369 - 62

Ich meine daran sollte es letztendlich nicht scheitern. Vielleicht ist ein Kippschalter mit Ein - Aus - (Ein) Funktion auch gar nicht schlecht wenn ichs mir recht überlege.

Viellen Dank, dass Du mir so unter die Arme greifst.

[karsten]

Stereopoti ist eine gute Idee - damit lässt sich die Schaltung deutlich vereinfachen.

[jd]

Ahhh natürlich! Damit das Signal zu invertieren ist natürlich der Clou! Ich hatte erst nur an Poti 2 gedacht. Da haben wir uns ja die Klinke in die Hand gegeben.

Reicht die Versorgungsspannung von 5V für diesen Op aus?

EDIT

Ich habs mir jetzt selbst mal rausgezeichnet und ein kleines Platinchen designed an das dann Eingänge und Ausgänge, Potis und Schalter angeschlossen werden können. Sieht doch ganz nett aus.

Siehe unten, neue Version...

[jan]

Reicht die Versorgungsspannung von 5V für diesen Op aus?

Nein. Empfehlung: OP295 (Analog Devices); auf jeden Fall für Single supply und rail to rail.

[karsten]

Hatte gestern kein Zugriff auf die entsprechenden Unterlagen, weshalb ich erstmal den Feld-Wald-und-Wiesen-OP TL072 eingezeichnet hatte, obwohl ich im Hinterkopf hatte, dass der eher ungeeignet sein dürfte. Für den Zweck sollte aber der LM358 gehen. Deutlich besser ist aber der von JAN vorgeschlagene OPA, der dürfte auch noch um den Nullpunkt linear arbeiten und temperaturstabiler sein. Dafür kostet er aber auch das 37fache (9,xcent zu 3,44Euro).

[jd]

Danke!

Wäre der TS912 auch zu gebrauchen (1,05€)?


Grüße,
Jan-David

[jd]

Hallo.

Mein Frage von oben steht noch aus.
Wäre nett, wenn ihr die noch beantworten könntet.
Außerdem wüsste ich gerne etwas über die Dimensionierung der Widerstände. Zumindest die Vorwiderstände der Z-Dioden müssen ja angepasst werden. Was würdet ihr vorschlagen?

Viele Grüße und ein schönes Wochenende!

[karsten]

Auf den ersten Blick, sollte der TS912 auch gehen.

Vorschlag für Dimensionierung der Widerstände hatte ich ja schon gemacht.

[jd]

Danke!
Das Problem ist nur, dass ich schlecht 10K-Ohm Widerstände als Vorwiderstand für die Z-Dioden nehmen kann. Ich meine da müssten bei 500mW Z-Dioden und einem Diodenmaximalstrom von 150mA (Datenblatt) so um die 27 Ohm hin, allerdings hängt das auch stark vom Strom der Lastschaltung ab und genau da haperts bei mir. Wie bekomm ich den raus?
Ansonsten sind die 1k Potis und die 10k Spannungsteiler laut meiner bescheidenen Ansicht ja in Ordnung, oder sollte R1 vielleicht größer gewählt werden?

Viele Grüße,

Jan-David

[karsten]

Hatte heute Mittag keine Zeit für eine ausführliche Beschreibung, werde dass aber jetzt nachholen, da hier noch einiges an Klärungsbedarf zu sein scheint.

Zu den Z-Dioden: Der Spannungsteiler bestehend aus Z-Diode und Vorwiderstand wird durch den OP nicht belastet, da der OP einen Eingangswiderstand im Megaohmbereich haben dürfte. Damit muss der Vorwiderstand nur dafür sorgen, dass bei der max. Spannung am Spannungsteiler der Strom durch den die Z-Diode nicht zu groß wird. Bei max. 5V fallen am Vorwiderstand 2,6V ab und an der Z-Diode 2,4V. Da die Z-Diode max. 500mW Verlustleistung verkraftet, darf der Strom nicht größer als 0,5W / 2,4V = 208mA werden. Da wir keinen Laststrom haben, erfüllt jeder Vorwiderstand der größer 2,6V / 208mA = 12,5 Ohm diese Bedingung. Allerdings würden wir damit unnötig viel Strom in Wärme umsetzen und der Widerstand müsste etwas dicker sein, da er über ein halbes Watt wärme produzieren würde.

Da wir dank des OPs keinen Laststrom berücksichtigen müssen, kann der Vorwiderstand nahezu beliebig hoch werden. Er muss nur deutlich unterhalb des Eingangswiderstands des OPs liegen (sonst gilt die Annahme des unbelasteten Spannungsteilers nicht mehr). Außerdem würde die Z-Diode irgendwann auch nicht mehr ideal arbeiten, weil irgendwann der Leckstrom eine Rolle spielen würde. 10k halte ich für einen guten Kompromiss.

Der Wert für das vordere Poti ist auch unkritisch, aus den folgenden Gründen. Ist die Spannung am Abgriff unter 2,4V fließt kein nennenswerter Strom, da die Z-Diode sperrt und durch den OP auch kein Strom fliest. Es handelt sich um einen unbelasteten Spannungsteiler und der arbeitet linear. Oberhalb von 2,4V wird die Z-Diode langsam Leitfähig und begrenzt die Spannung auf 2,4V. Alles oberhalb von 2,4V fällt am Vorwiderstand und am Poti ab. Jetzt fliest zwar Strom, und der Spannungsteiler wird belastet womit dieser nicht mehr linear arbeitet, aber das ist egal, da die Z-Diode jetzt die Ausgangsspannung bestimmt. Also spielt für die Dimensionierung des Potis nur seine Belastbarkeit eine Rolle. Wenn wir 1k nehmen fließen im unbelastenen Fall 5mA durch das Poti, womit die Leistung bei 25mW liegt. Der Laststrom verursacht durch die Z-Diode kann bei 10k für den Vorwiderstand max. 2,6V/10k=0,26mA werden, also vernachlässigbar.

Das Widerstandspäärchen am OP legt nur die Verstärkung fest, in diesem Fall ist der Verstärkungsfaktor 2 (Verstärkung = 1 + Widerstandsverhältnis). Hier gilt einfach nur, dass der OP nicht zu stark belastet werden soll. Zu hochohmig ist aber auch nicht gut, da der OP dann unruhig wird. 10k sollten gehen.

Der nachfolgende Spannungsteiler mittels Poti ist mit 1k gewählt damit der Ausgang noch einigermaßen niederohmig ist. Wenn er hochohmiger wäre, könnte die Last durch den Modulationseingang des Lasers zu groß werden und das Verhalten nichtlinear werden. Ist das Poti zu niederohmig, schafft es der OP nicht mehr den Strom zu treiben (bei 1k wären das bis zu 5mA unter der Annahme dass der Modulationseingang hochohmig ist und der Strom in den Modulationseingang damit zu vernachlässigen ist). Das sollte der OP schaffen - kannst aber ja wenn du sicher sein willst nochmal einen Blick in das Datenblatt werfen.

Soweit der Ausflug in die Grundlagen des ohmischen Gesetz. Hoffe, dass es jetzt etwas klarer ist und ich nicht irgendwelchen Blödsinn erzählt habe.

Was für Laser hast du eigentlich vorgesehen?

[jd]

Vielen Dank für die ausführliche Antwort!
Mir ist jetzt einiges klarer.

Allerdings glaube ich, dass auch noch zu beachten ist, dass eine Z-Diode auch einen Mindeststrom braucht um korrekt arbeiten zu können.
Ich möchte jetzt keinesfalls altklug daherreden, ich ziehe meine Infos auch nur aus dem Elektronik-Kompendium, wo so ein Spannungsstabilisierungsfall thematisiert wird.
Wir haben keinen Laststrom, das ist schonmal eine wertvolle Info von Dir.
Die 208mA Maximalstrom hatte ich auch ausgerechnet, komischerweise steht im Datenblatt 150mA... vllt. eine Vorsichtsmaßnahme.

Der Mindeststrom soll laut Faustregel 1/10 des Maximalstroms sein, daher 20,8mA. Wenn ich jezt einsetze erhalte ich logischerweise 125 Ohm als Maximalwiderstand, damit noch ein Strom von 20,8mA fließen kann.
So wie ich mir das denke könnte man jetzt einen Widerstand zwischen 12,5 und 125 Ohm wählen, es empfiehlt sich jedoch näher an den 125 Ohm zu bleiben, da sonst mehr Strom fließen würde und damit mehr Abwärme produziert würde.

Bitte korrigiere mich wenn ich mich irre.

Als Laser habe ich einfach zwei kleine Pointermodule, die ich an zwei Blogdrives betreibe. Minimierter Kostenaufwand

Viele Grüße,
Jan-David

[karsten]

Hast recht, der Mindeststrom ist unterschritten - ich hatte den niedriger in Errinnerung, was wahrscheinlich daran liegt, dass ich schon ewig nichts mehr in der Richtung gemacht habe, da ich vor vielen Jahren in die Softwareentwicklung gewechselt bin. Die Zenerspannung wird meist bei 5mA angegeben (Ausnahem sind so Exoten wie 1N4681, bei der 2,4V bei 50uA erreicht werden).

[jd]

Dann werd ichs mal mit nem 500 Ohm Widerstand versuchen.
Ich melde mich dann wieder.

Grüße,
Jan-David

[jd]

So, es ist vollbracht. Ich warte zwar noch auf den Kühlkörper für die rote Diode, aber das Innenleben konnte ich ja trotzdem schonmal abfotografieren. Man sieht auch die Lochrasterplatine für die obenstehende Schaltung bei den Potis. Der Platz im Gehäuse ist bis auf den letzten Millimeter ausgeschöpft, so nimmt das ganze Teil auch sehr kompakte Maße an.
Rot kann um die 100mW, grün 20mw. Allerdings habe ich nicht vor die auf dem Level zu betreiben. Der Laserklasse 4 Aufkleber schreckt jedoch schonmal ab.

Kommentare sind natürlich erwünscht.

[decix]

Aaah, da sind sie ja wieder meine beiden Ex-BlogDrives
Wie machst du das mit der Spannungsversorgung (3V -> 5V) ?
Wär ich auch dran interessiert...

[jd]

Genau, nach Umbau.

Das ist ein 4fach Batterieblock, ~4,8V, zaubern kann ich noch nicht.
Ansonsten ist das mit Step-Up Wandlern möglich, weiß aber nicht ob die genügend Strom liefern werden.
Beispiel:
http://www.strippenstrolch.de/1-4-11-st ... ndler.html

[jd]

Also...
ein paar Wochen später...
Das Kunststoffgehäuse ist zu instabil für Optik wie ich festgestellt habe, ich werde wohl auf Alu umsteigen.
Abgesehen davon funktionert alles wie gedacht. Optimale Linearität ist zwar nicht gegeben, aber für meine Zwecke vollkommen ok!
Die Schaltung arbeitet gut. Vielen Dank für eure Mithilfe!

Ach ja und noch was: Ich hab inzwischen mein Abitur bestanden und bin Preisträger beim Facharbeitspreis Physik!
http://www.dpg-physik.de/gliederung/rv/ ... index.html

Jetzt wird erstmal gefeiert.