Смарт ТВ 

Универсальный драйвер для лазерных диодов dragonfly. Что такое драйвер и что нужно для питания Лазерного Диода. Читать в первую очередь. Методика проверки микросхемы драйвера лазера

Чтобы ЛД прослужил долго, ему необходимы стабильные параметры питающего напряжения и/или тока. Именно эти задачи возлагаются на специальную схему — драйвер лазерного диода. Все лазерные диоды рекомендуется питать стабилизированным током, хотя некоторые из них (В частности, красные 650нм из дисководов) ведут себя достаточно стабильно и при питании стабильным напряжением. Вы спросите, зачем применять какие-то стабилизаторы напряжения, если можно просто стабилизировать ток? Дело в том, что стабилизаторы тока немного сложнее стабализаторов напряжения. Например, из-за наличия «датчика тока»(о нем речь пойдет чуть ниже). Также при отстутствии нагрузки и защит по превышению напряжения(что опять-таки ведет к усложнению), на выходе такого драйвера напряжение может достигать больших значений (У идеального стабилизатора тока при отстутствии нагрузки напряжение поднялось бы до бесконечности. Но т.к. воздух имеет некоторое сопротивление, рано или поздно возник бы высоковольтный разряд и продолжил бы гореть, а на практике ничего идеального не существует, и раньше возникновения пробоя воздуха случается выход схемы из строя, или в случае невозможности поднятия напряжения выше входного, как в случае линейных схем, оно останавливается на определенном уровне. Но даже в этом случае диод нельзя подключать к работающему драйверу). Из основной выполняемой функции вытекает необходимость применения т.н. «датчика тока». Как правило, им является включенный в разрыв между лазерным диодом и общим проводом низкоомный резистор. Поддерживая напряжение на нем, схема поддерживает ток. Такое решение обладает некоторыми недостатками — обычно минус питания диода оказывается «оторван» от минуса питания схемы. Второй недостаток — потери мощности на токоизмерительном резисторе. В следствии вышеизложенного обычно находят компромисс между стабилизацией тока и напряжения.

Классификация по принципу работы

Теперь рассмотрим два основных типа драйверов при классификации по принципу работы — импульсные и линейные. На вход линейным подается всегда большее напряжение, чем нужно диоду. Разница напряжений тут будет гаситься на силовом элементе — транзиcторе — будет выделяться в виде тепла (Выделяемая тепловая мощность — разница входного и выходного напряжений умноженная на ток в цепи). Естественно, ток на диоде будет уменьшаться при падении входного напряжения ниже значения, равного сумме напряжений на ЛД, минимальномм падением на транзисторе и токоизмерительном резисторе, если это стабилизатор тока. Это касается и линейных интегральных микросхем-стабилизаторов. Для полевых транзисторов минимальное падение составляет десятые и сотые доли вольта, для биполярных — может достигать единиц вольт, обычно около 0.7в. КПД линейных драйверов мал и обычно его не измеряют. Импульсный драйвер лазерного диода — частный случай импульсного преобразователя напряжения. Они преобразуют одно напряжение в другое(есть как повышающие,так понижающие и понижающе-повышающие преобразователи), т.е. входная мощность примерно равна выходной: потери энергии в тепло в них малы — тепло выделяется из-за неидеальности компонентов, т.е. падения напряжения на полупроводниковых переходах силовых ключей и диодов.

Импульсные драйверы

Как же работает импульсный драйвер? Посмотрим на упрощенную схему повышающего преобразователя:

Про операционный усилитель и принцип его работы можно прочесть . Напряжение на резисторе R будет равно напряжению Vin, следовательно, ток, протекающий через ЛД, транзистор и токоизмерительный резистор будет равен отношению Vin к R при достаточном напряжении питания Vcc. Если подавать стабильное напряжение на Vin, то, следовательно ток в нагрузке тоже будет стабилен даже при изменении Vcc. Для этой цели обычно применяют либо слаботочный стабилизатор напряжения, либо стабилитрон, либо специальный источник опорного напряжения. Пример полноценной схемы: http://radiohlam.ru/raznoe/driver_svetodiodov_ou.htm

Пара слов о КПД

Как уже было сказано, КПД линейных драйверов мал и обычно его не измеряют. Рассмотрим измерение КПД импульсного драйвера. Все выглядит очень просто — измерить потребляемые и выходные токи и напряжения, посчитать КПД. Однако, как показывает практика, многие ошибаются уже на этом этапе. Самая частая ошибка новичков — измеряют ток и напряжение поочередно, не придавая значения тому факту, что при измерении тока мультиметром получаются ощутимые потери на проводах и на шунте, обладающих относительно большим сопротивлением. Это вносит значительную погрешность и в ток, и в напряжение (это происходит потому, что на входе драйвера напряжение будет меньше, чем до прибора, или на драйвере при неподключенном в разрыв цепи прибора, а т.к. драйвер импульсный, ток тоже будет отличаться).

Итак, чтобы правильно измерить параметры драйвера, нужно подключить его к источнику питания через низкоомный резистор, порядка 0.1Ом, такой же резистор включить последовательно с диодом. Далее следует все это включить и замерить напряжение на входе драйвера(после резистора), напряжение на резисторе, напряжение на диоде, напряжение на резисторе последовательно с диодом.Теперь найдем потребляемую драйвером мощность:
Pin=Uin * Ures/R,
где Uin- напряжение на входе драйвера, Ures — падение напряжения на резисторе, R — сопротивление резистора. Все напряжения в вольтах, сопротивление — в Омах. Теперь найдем выходную мощность:
Pout= (Uld + Ures)*Ures/R,
где Uld- напряжение на лазерном диоде, Ures — падение напряжения на резисторе, включенном последовательно с ЛД, R — сопротивление этого резистора. Теперь найдем КПД:
КПД= (Pout/Pin)*100%

Измерение тока через диод

Вернемся к измерению тока через диод. Если он питается от стабилизатора тока, достаточно включить в разрыв цепи между диодом и драйвером амперметр. Если же драйвер стабилизирует напряжение — то тут о токе можно судить лишь косвенно, именнов этом заключаетсяеще одначастая ошибка.
Нужно включить в разрыв цепи резистор как можно меньшего сопротивления, померить падение напряжения на нем и разделить на его сопротивление, но ток будет слегка занижен. Чем меньше взять сопротивление резистора — тем точнее результат. Точно можно измерить ток запомнив напряжение на ножках диода, запитав диод от стабилизатора или ограничителя тока и смотреть на ток в цепи, при котором будет то самое падение напряжения на диоде.

Сегодня во многих приборах бытового и любого другого плана используются лазерные диоды (полупроводники) для создания целенаправленного луча. И самым важным моментом в самостоятельной сборке лазерной установки является подключение диода.

Лазерный диод

Из этой статьи вы узнаете обо всем, что нужно для качественного подключения лазерного диода.

Особенности полупроводника и его подсоединения

От led диода лазерная модель отличается очень маленькой площадью кристалла. В связи с чем наблюдается значительная концентрация мощности, что приводит к кратковременному превышению значения тока в переходе. Из-за этого такой диод может легко перегореть. Поэтому, чтобы лазерный диод прослужил как можно дольше, необходима специальная схема – драйвер.

Обратите внимание! Любой диод лазерного типа необходимо питать стабилизированным током. Хоте некоторые разновидности, дающие красный свет, ведут себя достаточно стабильно, даже если имеют не стабильное питание.

Красный лазерный диод

Но, даже если используют драйвер, диод нельзя подключать к нему. Здесь необходим еще «датчик тока». В его роли часто выступает общий провод низкоомного резистора, который включается в разрыв между этими деталями. В результате схема имеет один существенный недостаток — минус питания оказывается «оторван» от минуса, имеющегося в питании схемы. Кроме этого данная схема имеет еще один минус — на токоизмерительном резисторе происходит потеря мощности.
Собираясь подключить лазерный диод, необходимо понимать, к какому драйверу его следует подключать.

Классификация драйверов

На данный момент существует два основных типа драйверов, которые можно подключить к нашему полупроводнику:

  • импульсный драйвер. Представляет собой частный случай преобразователя напряжения импульсного характера. Он может быть как понижающим, так и повышающим. У них входная мощность приблизительно равна выходной. При этом имеется незначительное преобразование энергии в тепло. Упрощенная схема импульсного драйвера имеет следующий вид;

Упрощенная схема импульсного драйвера

  • линейный драйвер. На такой драйвер схема обычно подает больше напряжения, чем требует полупроводник. Для его гашения необходим транзистор, который лишнюю энергию будет выделять с теплом. Такой драйвер имеет небольшой КПД, в связи с чем его используют крайне редко.

Обратите внимание! При использовании линейных микросхем-стабилизаторов интегрального плана при падении входного напряжения на диоде ток будет уменьшаться.

Схема линейного драйвера

В связи с тем, что питание любого лазерного диода может осуществляться через два разных типа драйверов, то схема подключения будет различаться.

Особенности соединения

Схема, которая будет использоваться для питания лазерного диода, может содержать в себе не только драйвер и «датчик тока», но и источник питания – аккумулятор или батарею.

Вариант схемы подключения

Обычно аккумулятор/батарея в таком случае должны иметь напряжение в 9 В. Кроме них в схему обязательно должны входить лазерный модуль и токоограничивающий резистор.

Обратите внимание! Чтобы не тратиться на диод, его можно извлечь из DVD привода. При этом это должен быть именно компьютерное устройство, а не стандартный проигрыватель.

Компьютерный DVD-привод

Лазерный полупроводник имеет три вывода (ноги), два из которых размещены по бокам, а один – посредине. Средний выход следует подключать к минусовой клемме выбранного источника питания. Положительную клемму нужно подсоединять к левой или правой «ноге». Выбор левой или правой стороны зависит от производителя полупроводника. Поэтому нужно определить, какой именно вывод будет: «+» и «-». Для этого на полупроводник следует подать питание. Здесь отлично справятся две батарейки, каждая по 1,5 вольт, а также резистор в 5 Ом.
Минусовый вывод у источника питания следует подключить к центральному минусовому выводу, определенного у диода. При этом плюсовая сторона должна подсоединяться к каждой из двух оставшихся клемм полупроводника поочередно. Таким образом его можно подключать и к микроконтроллеру.
Питание для лазерного диода можно осуществить с помощью 2-3 пальчиковых батареек. Но при желании в схему можно включить и аккумулятор от мобильного телефона. В таком случае необходимо помнить, что понадобиться еще дополнительный ограничительный резистор на 20 Ом.

Подсоединение к сети 220 В

Полупроводник можно запитать от 220 В. Но здесь необходимо создать дополнительную защиту от высокочастотных всплесков напряжения.

Вариант схемы питания диода от сети в 220 В

Такая схема должна включать в себя следующие элементы:

  • стабилизатор напряжения;
  • токоограничивающий резистор
  • конденсатор;
  • лазерный диод.

Сопротивление и стабилизатор будут образовывать блок, который сможет препятствовать токовым выбросам. Для предотвращения всплесков напряжения необходим стабилитрон. Конденсатор будет препятствовать появлению высокочастотных всплесков. Если такая схема была правильно собрана, то стабильная работа полупроводника будет гарантирована.

Пошаговая инструкция подсоединения

Самым удобным в плане создания лазерной установки своими руками будет красный полупроводник, имеющий выходную мощность примерно в 200 милливатт.

Обратите внимание! Именно таким полупроводником оснащен любой компьютерный DVD-проигрыватель. Это значительно упрощает поиск источника света.

Подключение выглядит следующим образом:

  • для подключения необходимо использовать один полупроводник. Их обязательно нужно проверить на работоспособность (достаточно просто подключить к батарейке);
  • выбираем более яркую модель. При проверке инфракрасного светодиода (при взятии его из компьютерного проигрывателя), он будет светить слабым красным свечением. Помните, что его

ЗАПРЕЩАЕТСЯ направлять в глаза, иначе можно полностью лишиться зрения;

Проверка диода

  • далее лазер устанавливаем на самодельный радиатор. Чтобы это сделать, нужно просверлить в алюминиевой пластине (толщина примерно 4 мм) отверстие с таким диаметром, чтобы диод входил в него достаточно туго;
  • между лазером и радиатором необходимо нанести небольшой слой термопласты;
  • далее берем проволочный керамический резистор, имеющий сопротивление 20 Ом с мощностью в 5 Вт и соблюдая полярность подключаем его к схеме. Через него нужно подключить лазер и источник питания (мобильный аккумулятор или батарейку);
  • сам лазер следует зашунтовать с помощью керамического конденсатора, имеющего любую емкость;
  • далее отворачивая устройство от себя, следует подключить его к сети питания. В результате должен включить красный луч.

Красный луч от самодельного устройства

После этого его можно сфокусировать при помощи двояковыпуклой линзы. Сфокусируйте его на несколько секунд в одной точке на бумаге, которая поглощает красный спектр. Лазер на ней оставит красный свет.
Как видите, получилось работающее устройство, которое подключено к сети в 220 В. Используя различные схемы и варианты подключения, можно создать разные приспособления, вплоть до карманной лазерной указки.

Заключение

Подключая лазерный диод, необходимо помнить о безопасном обращении с ним, а также знать нюансы, которые присутствуют в его работе. После этого останется только подобрать понравившуюся схему и подключить полупроводник. Главное помните, что все контакты должны быть хорошо запаяны, иначе деталь может перегореть в процессе работы.


Расчет люменов на одного квадратного метра под разные помещения

В этом посте я опишу, как собирал фиолетовую лазерную указку из хлама, нашедшегося под рукой. Для этого мне потребовался: фиолетовый лазерный диод, коллиматор для сведения пучка света, детали драйвера, корпус для лазера, источник питания, хороший паяльник, прямые руки, и желание творить.

Заинтересовавшихся и желающих поковыряться в электронике - прошу под кат.

Попался мне под руку убитый Blu-ray резак. Выбросить было жалко, а что из него можно сделать - я не знал. Спустя полгода наткнулся на видеоролик, в котором была показана такая самодельная «игрушка». Тут и блюрей пригодился!

В системе чтения-записи привода используется лазерный диод. Выглядит он в большинстве случаев так:

Или вот так.

Для питания «красного» диода необходимы 3-3.05 вольт, и от 10-15 до 1500-2500 миллиампер в зависимости от его мощности.
А вот диод «фиолетовый» требует аж 4.5-4.9 вольт, поэтому питать через резистор от литиевого аккумулятора не получится. Придется сделать драйвер.

Так как у меня был положительный опыт с микросхемой ZXSC400, то я без раздумий ее и выбрал. Эта микросхема представляет собой драйвер для мощных светодиодов. Даташит . С обвязкой в виде транзистора, диода и индуктивности я мудрить не стал - все из даташита.

Печатную плату для драйвера лазера я изготовил известным многим радиолюбителям ЛУТ-ом (Лазерно-утюжная технология). Для этого необходим лазерный принтер. Схема нарисована в программе SprintLayout5 и напечатана на пленке для дальнейшего перевода рисунка на текстолит. Пленку можно использовать практически любую, лишь бы не застряла в принтере и на ней качественно напечаталось. Вполне подходит пленка от пластиковых папок-конвертов.

Если же нет пленки, не нужно расстраиваться! Одалживаем у подруги или жены женский глянцевый журнал, вырезаем оттуда самую неинтересную страницу и подгоняем ее под размер А4. Затем печатаем.

На фото ниже можно увидеть пленку с нанесенным тонером в форме разводки схемы, и подготовленный к переносу тонера кусочек текстолита. Следующим шагом будет подготовка текстолита. Лучше всего брать кусочек, раза в два больше нашей схемы, чтобы было удобнее прижать к поверхности во время следующего шага. Медную поверхность необходимо зашкурить и обезжирить.
Теперь нужно перенести «рисунок». Находим в шкафу утюг, включаем его. Пока он разогревается, кладем кусочек бумаги со схемой на текстолит.

Как только утюг нагреется, нужно аккуратно прогладить пленку через бумагу.

В этом видео весьма наглядно показан процесс.

Когда она «прилипнет» к текстолиту, можно выключать утюг и переходить к следующему шагу.

После переноса тонера с помощью обычного утюга это дело выглядит так:

Если некоторые дорожки не перенеслись, либо перенеслись не очень хорошо, их можно поправить CD-маркером и острой иголкой. Желательно использовать увеличительное стекло, дорожки довольно мелкие, всего 0.4 мм. Плата готова к травлению.

Травить будем хлорным железом. 150 рублей за баночку, хватает надолго.

Разводим раствор, кидаем туда нашу заготовку, «помешиваем» плату и ждем результата.

Не забываем контролировать процесс. Аккуратно вытаскиваем плату пинцетом (его тоже лучше купить, этим мы избавим себя от лишнего мата и «соплей» припоя на будущей плате при пайке).

Ну вот, плата вытравилась!

Аккуратно зачищаем мелкой шкуркой, наносим флюс, залуживаем. Вот, что получается после облуживания.

На контактные площадки припоя можно нанести чуть больше чем везде, чтобы паять детали удобнее было, и без наноса припоя дополнительно.

Собирать драйвер будем по этой схеме. Обратите внимание: R1 - 18 миллиОм , а не мегаОм !

При пайке лучше всего использовать паяльник с тонким жалом, для удобства можно воспользоваться увеличительным стеклом, ведь детали достаточно мелкие. При этой пайке используется флюс ЛТИ-120.

Итак, плата практически спаяна.





Проволочка впаивается на место резистора на 0.028 Ом, так как такой резистор мы вряд ли найдем. Можно впаять параллельно 3-4 SMD-перемычки (выглядят как резисторы, но с надписью 0), на них около 0.1 ом реального сопротивления.

Но таких не оказалось, поэтому я использовал обычную медную проволоку аналогичного сопротивления. Точно не измерял - лишь подсчеты какого-то онлайн-калькулятора.

Тестируем.

Напряжение выставлено всего 4.5 вольт, поэтому светит не очень ярко.

Разумеется, выглядит плата грязновато до смывки флюса. Смывать можно простым спиртом.

Теперь стоит написать и об коллиматоре. Дело в том, что лазерный диод сам по себе светит не тонким лучом. Если включить его без оптики, то светить он будет как обычный светодиод с расходимостью в 50-70 градусов. Для того, что бы создать луч, нужна оптика и сам коллиматор.

Коллиматор заказан из китая . Он содержит в себе еще и слабый красный диод, но он мне не был нужен. Старый диод можно выбить обычным болтом М6.

Раскручиваем коллиматор, выкручиваем линзу и заднюю часть, отпаиваем драйвер от диода. Оставшееся крепление зажимаем в тиски. Выбить диод можно, ударив по нему.
Диод выбит.



Теперь нужно запрессовать новый фиолетовый диод.
Но на ноги диоду нажимать нельзя, а по-другому запрессовывать неудобно.
Что же делать?
Задняя часть коллиматора прекрасно подходит для этого.
Вставляем новый диод ножками в отверстие в задней части цилиндра, и зажимаем в тиски.
Плавно закручиваем тиски, пока диод полностью не запрессуется в коллиматор.



Итак, драйвер и коллиматор собраны.
Теперь закрепляем коллиматор в «голову» нашего лазера, и припаяем диод к выходам драйвера с помощью проводков, либо прямо к плате драйвера.

В качестве корпуса я решил использовать простой фонарик из хозяйственного магазина за сто рублей.
Выглядит он так:

Все железки для лазера и коллиматор.

На прищепку для удобства крепления нацеплен магнитик.
Осталось лишь вставить устройство лазера в корпус и закрутить.



Sprint layout 5, файлы разводки печатной платы в

По сравнению со светом обычных светодиодов лазерный свет имеет высокую концентрацию, он имеет более узкий угол обзора. Для подключения лазерного диода к электронной цепи понадобится специальная схема, называемая драйвером лазерного диода. В данном материале будет показано, как самостоятельно собрать простой драйвер лазерного диода на основе LM317.



Драйвер лазерного диода – это схема, которая используется для ограничения тока и затем подачи его на лазерный диод, чтобы он работал должным образом. Если мы напрямую подключим его к источнику питания, из-за потребности в большем токе он может не заработать или даже привести к некоторым повреждениям цепи.


Если ток будет небольшим, лазерный светодиод не будет работать из-за отсутствия достаточной мощности для включения. Таким образом, необходима схема драйвера для обеспечения правильного значения тока, при котором лазерный диод перейдет в рабочее состояние. Простому светодиоду нужен только резистор для ограничения тока, но в случае с лазерным диодом нам нужна правильная схема для ограничения и регулирования тока. Для регулирования мощности в цепи драйвера лазерного диода можно использовать LM317.


Трехвыводная микросхема LM317 представляет собой стабилизатор напряжения. На своем выходе он может выдавать от 1.25 до 37 вольт. Внешний вид LM317 с подписанными выводами представлен на изображении ниже.



LM317 является регулируемым стабилизатором, иными словами можно изменять значение напряжения на выходе в зависимости от потребностей, используя два внешних резистора, подключенных к линии регулировки (Adjust). Эти два резистора работают как цепь делителя напряжения, используемая для увеличения или уменьшения выходного напряжения. LM317 обеспечивает ограничение тока и защиту от тепловой перегрузки.


Схема драйвера лазерного диода на основе стабилизатора напряжения LM317 показана на рисунке ниже.



Ее довольно быстро можно собрать на макетной плате.



Работает схема следующим образом. Когда батарея начинает подавать напряжение, оно сначала протекает через керамический конденсатор (0.1 мкФ). Этот конденсатор используется для фильтрации высокочастотного шума от нашего источника постоянного тока и обеспечивает входной сигнал для LM317. Потенциометр (10 КОм) и резистор (330 Ом), подключенные к линии регулировки, используются в качестве схемы ограничения напряжения. Выходное напряжение полностью зависит от значения этого резистора и потенциометра. Выходное напряжение стабилизатора попадает на фильтр второго конденсатора (1 мкФ). Этот конденсатор ведет себя как балансировщик мощности для фильтрации флуктуирующих сигналов. В итоге можно регулировать интенсивность лазерного излучения, вращая ручку потенциометра.

Микросхема драйвера лазера занимает в лазерном принтере одну из ключевых позиций, ведь именно к ее функциям относится включение/выключение лазера, стабилизация мощности лазерного луча, защита лазера от превышения тока. Другими словам, работающий блок лазера – это, в первую очередь, исправный и правильно функционирующий драйвер лазера. На сегодняшний день производителями элементной базы предлагается достаточное количество самых разнообразных драйверов лазера с разнообразными характеристиками. Но, несмотря на все многообразие предложений по драйверам лазера, производители лазерных принтеров в своих изделиях используют ограниченный набор микросхем для управления лазерным светодиодом. Получается, что всего несколько микросхем используется для производства подавляющего большинства современных лазерных принтеров разных моделей от всех мировых брэндов. Одним из таких базовых драйверов, который используется, чуть ли не в половине всех современных лазерных принтеров, является микросхема 65ALS543. Именно о ней и пойдет наш дальнейший разговор.

В рамках данной статьи мы не будем рассказывать об общих принципах функционирования блока лазера – это известно любому специалисту, мало-мальски знакомому с лазерной печатью. Мы сразу же переходим к обсуждению микросхемы драйвера лазера. Как мы уже отмечали, микросхем 65ALS543 используется очень широко в самых разных принтерах. Кроме того, анализ запросов, посылаемых сервисными специалистами в различные конференции и форумы, посвященных оргтехнике, говорит об интересе к этой микросхеме, а также о том, что имеется потребность в ее диагностировании. К сожалению, документации (так называемого, DataSheet"а) на данный драйвер лазера не существует (по крайне мере, к нему нет широкого доступа и скачать его через Internet невозможно). Мы постараемся устранить этот информационный пробел, рассказав об этой микросхеме то, что нам известно. Сразу же оговоримся, что мы также не имеем доступа к официальной информации об этом драйвере, поэтому расскажем только о своем практическом опыте, своих наблюдениях и поделимся всем, что удалось найти и узнать об этой микросхеме.

Драйвер лазера предназначен для управления лазерным светодиодом. Если выражаться точнее, то основными функциями драйвера лазера являются:

- включение и выключение лазера в соответствии с приходящими сигналами управления;

- контроль мощности светового потока лазера;

- регулировка и стабилизация тока лазера, т.е. стабилизация мощности излучения;

- ограничение тока лазера, т.е. защита лазера.

Лазерное излучение формируется лазерным светодиодом, на который в качестве питающего напряжения подается +5В. Это напряжение прикладывается к аноду светодиода, а его катод подключен непосредственно к одному из выводов микросхемы драйвера лазера. Поэтому для включения лазера этот вывод микросхемы переводится в "низкий" уровень, что обеспечивает создание падения напряжения на лазерном светодиоде, а значит, обеспечивает протекание тока через него. Таким образом, в составе микросхемы драйвера лазера имеется встроенный транзистор (рис.1), выполняющий функцию ключа, управляющего включением/выключением лазера, а также осуществляющего регулировку тока лазерного светодиода.

Рис.1

На лазерном светодиоде должно создаваться падение напряжения около 2.5В (обычно 2.2В), поэтому при включенном лазере, на выводе микросхемы, который обычно обозначается LD (Laser Diode), можно контролировать напряжение порядка 3В.

Величина тока, протекающего через светодиод, определяет мощность светового потока, т.е. определяет яркость лазерного луча. Для обеспечения контроля этой мощности и стабилизации излучения имеется датчик светового потока - фотодетектор. Этот фотодетектор представляет собой фотодиод, который устанавливается с тыльной стороны лазерного светодиода. Так как светодиод обеспечивает излучение и в обратную сторону, то и мощность "прямого" и "обратного" световых потоков прямо пропорциональны. Фотодетектор и лазер расположены в корпусе "лазерной пушки", т.е. представляют собой монолитную структуру. Сигнал от фотодетектора подается на вход микросхемы драйвера лазера, и этот контакт называется PD (Photo Detector) (рис.2).

Рис.2

Контакт PD соединен с внутренним компаратором драйвера лазера, и его напряжение сравнивается с внутренним опорным напряжением (Vref), что позволяет оценить мощность светового потока лазера.

Общая блок-схема драйвера лазера 65ALS543 представлена на рис.3.

Рис.3

Но это мы описали работу драйвера лазера лишь в общих чертах, чтобы понять его базовые принципы функционирования. Теперь попробуем разобраться в некоторых деталях, которые позволят нам более осознанно подходить к процессу диагностирования драйвера лазера.

Выходной каскад

Эквивалентная схема выходного каскада драйвера лазера представлена на рис.4.

Рис.4

Выходной каскад современных драйверов лазера строится по схеме токового зеркала. Такое исполнение позволяет обеспечить очень точную подстройку тока лазера, позволяет иметь линейную зависимость выходного тока от входного управляющего тока, позволяет обеспечить высокую термостабильность схемы (что, кстати, очень важно для лазера, т.к. его параметры находятся в сильной и прямой зависимости от температуры).

Величина тока лазерного светодиода (ILD) определяется как сумма токов ISWO и IBIAS, т.е. ILD=ISWO+IBIAS. Ток ISWO задается токовым зеркалом, и этот ток, в свою очередь, пропорционален управляющему току ISW и он больше тока ISW в кратное количество раз (однако эта кратность для 65ALS543 нам неизвестна). Свою очередь, величина тока ISW определяется двумя основными параметрами:

- величиной сигнала от фотодетектора PD, т.е. зависит от выходной мощности лазера;

- максимальной допустимой величиной тока лазера (ISWI).

Максимально допустимая величина тока лазера ISWI задается внешним резистором RS, подключаемым к конт.1. Увеличение номинала резистора RS приводит к уменьшению тока лазера.

Вторым током, напрямую влияющим на ток лазера, является ток смещения IBIAS, величина которого задается управляющим напряжением VB и внешним резистором RB. Напряжение VB может формироваться разными способами: оно может быть сформировано внутренними источниками опорных напряжений самого драйвера лазера, или может формироваться внешними схемами, что дает возможность гибкого управления лазером. В практически схемах современных принтеров (на примере принтеров HP и Canon) ток IBIAS не используется, т.е. он равен нулю и не оказывает влияния на ток лазера. В случае, когда ток IBIAS не используется, контакты VB (конт.4) и RB (конт.3) должны оставаться свободными, т.е. должны «висеть в воздухе» и никуда не должны подключаться.

Среди внешних элементов выходного каскада драйвера лазера, отметим два.

Во-первых, это нагрузочный резистор, обозначенный на рис.4 как RL. Этот резистор подключается между минусом токового зеркала и питающим напряжением лазерного светодиода +5V. Величина тока, протекающего через этот резистор, пропорциональна току ISW, т.е. пропорциональна тока лазера. Наличие этого резистора позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на микросхеме драйвера лазера. Номинал этого резистора рассчитывается, исходя из величины предельного допустимого тока лазера, величины питающего напряжения и величины напряжения на выходе токового зеркала. Характеристики драйвера 65ALS543 доподлинно неизвестны, но исходя из номинала резистора RL, используемого в большинстве практических схем, можно говорить, что максимальная величина тока лазера составляет около 100 мА. При этом номинал резистора RL равен примерно 20 Ом. Все эти цифры получены в результате анализа параметров аналогичных микросхем драйвера лазера.

Во-вторых, необходимо обратить внимание на демпфирующую цепь (снаббер), состоящую из резистора Rd и конденсатора Cd. Данная цепь обеспечивает подавление всплесков напряжения при переключении светодиода. Это позволяет обеспечить защиту как лазерного светодиода, так внутренних транзисторов драйвера лазера от пробоев, хотя в первую очередь введение демпферной цепи призвано повысить качество изображения. Подавление демпферной цепью всплесков напряжения на лазерном светодиоде, приводит также и к устранению случайных световых импульсов лазерного светодиода, что оказывается чрезвычайно важным при формировании изображения с высокой разрешающей способностью. Параметры элементов Rd и Cd определяются, в первую очередь, рабочей частотой лазера, т.е. скоростью печати и разрешающей способностью принтера.

Управление драйвером

Прежде чем говорить о методах управления драйвером лазера, напомним общие принципы формирования изображения, которые являются наиболее важными для понимания функционирования драйвера лазера.

Для сканирования поверхности фотобарабана лазерным лучом предназначено вращающееся многогранное сканирующее зеркало (Polygon Mirror), которое представляет собой металлическую призму с хорошо отполированными гранями. В различных моделях лазерных принтеров это зеркало имеет разное количество граней – от 2 до 6. Каждая грань этого зеркала формирует одну строку изображения на фотобарабане.

Во время формирования строки лазер включается и выключается драйвером лазера по командам либо от микроконтроллера принтера, либо от микропроцессора обработки данных (от форматера). При включении лазера соответствующий участок фотобарабана засвечивается, и впоследствии этот участок должен быть черным. Таким образом, управление лазером должно осуществляться только в те моменты времени, когда сканирующее зеркало занимает положение, при котором отраженный луч будет попадать на фотобарабан, т.е. работа лазера должна четко синхронизироваться с положением вращающегося зеркала. Для такой синхронизации в блоке сканер/лазера предусмотрен датчик оптической синхронизации (BEAM или SOS). Этот датчик является фотодетектором, реагирующим на световой поток. Датчик BEAM (SOS) расположен так, что попадающий на него световой поток лазера соответствует началу строки, т.е. сигнал от этого датчика разрешает формирование строки изображения.

Микросхема управляется четырьмя сигналами, приходящими от микроконтроллера механизмов и от форматера. Эти сигналы называются CNT0, CNT1, VDO, #VDO (знак # обозначает, что сигнал активен "низким" уровнем). Сигналы CNT0, CNT1 формируются микроконтроллером механизмов и являются сигналами для "служебного" управления лазером. А сигналы VDO и #VDO генерируются микросхемой форматера и являются данными для управления лазером. Эти сигналы формируются в соответствии с данными из ОЗУ принтера – так называемого буфера печати. На рис.5 в качестве примера представлена блок-схема, поясняющая взаимодействие элементов принтера при управлении лазером.

Рис.5

Представленная блок- схема соответствует принтеру HP LaserJet 1100. Представленный вариант схемотехники является традиционным, которого и придерживается большинство производителей лазерных принтеров, хотя нельзя утверждать, что такое построение единственно возможное. В большинстве современных принтеров используется логика с питанием 3.3 В, поэтому все эти сигналы имеют уровни до 3.3 В.

При управлении лазером можно выделить несколько периодов:

1) Определение начала строки и контроль мощности светового потока.

2) Формирование полей на краях листа (рис.6).

3) Формирование строки.

Рис.6

Для синхронизации работы лазера с положением вращающегося зеркала Polygon Mirror вводится период поиска и определения начала строки. Для этого лазер включается на достаточно продолжительный период времени до тех пор, пока датчик BEAM/SOS не выдаст импульс низкого уровня, что соответствует такому положению зеркала, при котором луч лазера приходится на начало строки, точнее сказать, - через определенный момент времени после этого импульса лазер займет позицию в начале строки (эта временная задержка рассчитывается при проектировании принтера и учитывает скорость вращения зеркала и временные задержки электронных схем). На этом этапе лазер включен и через него протекает фиксированный ток, задаваемый микросхемой драйвера лазера, и поэтому этот период можно использовать и для определения мощности светового потока с помощью фотодетектора PD. Сигнал от PD подается на драйвер лазера, который проводит процедуру автоматической подстройки мощности лазера (APC).

После того, как датчик BEAM/SOS сформировал импульс начальной позиции зеркала, лазер выключается на фиксированный период времени для формирования белого поля с левого края. Далее лазер начинает включаться и выключаться, формируя строку изображения в соответствии с сигналами VDO и #VDO. После того, как все точки строки будут сформированы, лазер выключается для формирования белого поля с правого края. Через определенный период времени после этого луч снова генерируется для поиска начала следующей строки. Временная последовательность управления лазером при формировании изображения представлена на рис.7.

Рис.7

Микросхема драйвера лазера обеспечивает четыре режима работы, определяемые состоянием сигналов CNT0 и CNT1, которые формируются микроконтроллером принтера:

1. Режим сброса (Reset).

2. Режим автоматического управления мощностью лазера (APC).

3. Маскируемый режим (Masking).

4. Немаскируемый режим (Unmasking).

Соответствие режимов и состояний сигналов CNT0 и CNT1 приводится в таблице 1.

Таблица 1.

Состояние сигналов управления

Режим

CNT 1

CNT 0

RESET

Unmasking

Masking

В режиме сброса (Reset) лазер полностью выключен и никак не управляется. В этот режим лазер переводится в те моменты времени, когда принтер не печатает и находится в состоянии ожидания, а также в моменты передачи данных на принтер от ПК.

В немаскируемом режиме (Unmasking) лазер разрешен для работы, и он управляется сигналами VDO и #VDO. Этот режим соответствует формированию строки изображения при распечатке данных из оперативной памяти принтера, т.е. в этот режим лазер периодически переводится в момент печати. Мощность лазерного светодиода в этом режиме определяется значением, полученным на этапе APC. Сигналы VDO и #VDO – это дифференциальные сигналы, что повышает помехоустойчивость схемы и предотвращает случайные ошибки при управлении лазером, обусловленные высокочастотными помехами. Эти сигналы поступают на вход внутреннего дифференциального усилителя, который формирует на своем выходе цифровой дискретный сигнал, разрешающий или запрещающий включение лазера. Начальное смещение сигналов VDO и #VDO составляет примерно 1.2 и 1.8 В соответственно. Для включения лазера сигнал VDO должен быть установлен в "высокий" уровень, а сигнал #VDO – в низкий, причем это должно происходить одновременно. В результате, чтобы лазер мог включаться форматером принтера, необходимо такое соотношение сигналов CNT0, CNT1, VDO и #VDO, которое представлено на рис.8.

Рис.8

Режим APC используется для оценки мощности светового потока лазерного светодиода, т.е. режим APC можно считать периодом измерения В соответствии со значением мощности, полученным в этом режиме, настраивается величина тока лазерного светодиода на время формирования строки изображения. Таким образом, этот режим работы предшествует каждой строке изображения. В режиме APC лазер включен и через него течет фиксированный ток (см. выше). Мощность светового потока измеряется фотодетектором PD. Далее сигнал от PD используется схемой квантования, которая управляет величиной тока заряда конденсатора CH. Этот конденсатор является "запоминающим", т.е. напряжение на нем будет определять величину тока лазера в режиме Unmasking при формировании всей строки. Другими словами, конденсатор запоминает величину тока лазера для последующей строки изображения. Чем выше напряжение на конденсаторе СH, тем больше мощность светового потока лазера.

В маскируемом режиме лазер выключается, независимо от состояния сигналов VDO и #VDO. В то же самое время лазер не выключается полностью, как это происходит в режиме Reset. В режиме Masking через лазерный светодиод может протекать ток смещения IBIAS. Режим Masking используется для формирования белых полей по краям листа.

На рис.9 представлена временная диаграмма сигналов управления драйвера 65ALS543 для всех рассмотренных режимов работы.

Рис.9 Схема квантования

Схема квантования с запоминанием (а в англоязычной литературе схема Sample/Hold) очень тесно связана с режимом автоматической подстройки мощности лазера – режимом APC. А если быть более точным, то именно схемой квантования осуществляется измерение мощности светового потока лазера и осуществляется его коррекция. Работа схемы квантования состоит из двух этапов:

- Sample – период измерения;

- Hold – период удержания.

На этапе Sample схема квантования измеряет мощность светового потока лазера, определяет необходимость увеличения мощности лазера или, наоборот, снижения мощности, после чего полученный результат запоминается во внешней памяти, роль которой играет внешний конденсатор CH. Все это происходит в период APC, который соответствует моменту поиска начала строки изображения.

На этапе Hold осуществляется считывание записанной в конденсатор CH информации, которая используется для задания тока лазера, т.е. для управления величиной тока ISW. Таким образом, этап Hold соответствует периоду формирования строки изображения, т.е. соответствует периодам Unmasking и Masking. Соответствие основных периодов управления лазером этапам Sample и Hold отражено на рис.9.

Общий вид схемы квантования представлен на рис.10.

Рис.10

Одним из важнейших элементов схемы квантования является компаратор, который сравнивает сигнал, полученный от фотодетектора PD с некоторым опорным напряжением, которое условно назовем VR. Напряжение VR подается на один из контактов драйвера лазера (т.е. ему соответствует внешний вывод микросхемы), поэтому данное напряжение можно, в принципе регулировать, что, в итоге, будет приводить к изменению мощности лазера. Однако на практике производители предпочитают на контакт VR подавать опорное напряжение, сформированное внутренним высокостабилизированным и прецизионным источником опорного напряжения. Это позволяет обеспечить точность и неизменность результатов производимых измерений. Таким образом, величину VR можно считать неизменной. В 65ALS543 таким опорным напряжением является 1.4 В, устанавливаемое на конт.5.

На второй вход компаратора подается напряжение, которое мы условно назовем VM. Напряжение VM – это напряжение, прямо пропорциональное величине сигнала фотодетектора PD (VM и получают из напряжения PD). Но на величину сигнала PD оказывает еще влияние и резистивный делитель, подключенный к контакту RM, т.е. напряжение VM – это напряжение PD, уменьшенное на величину, определяемую внешним делителем. Для получения возможности регулировать параметры лазера, к контакту RM подключают переменный резистор. Установка этого резистора является заводской регулировкой, осуществляемой для подстройки каждого конкретного лазерного светодиода. В полевых условиях регулировка этого резистора осуществляться не должна (но практика говорит о том, что в некоторых случаях регулировка этого резистора является очень эффективным способом «оживить» лазерный принтер). Переменный резистор может быть один (как у большинства производителей), так их может быть и два (как у Canon и HP). Если используется два переменных резистора, то один из них является «грубой» регулировкой, а второй – точной подстройкой. Как показывает практика, вращение по часовой стрелке этих резисторов приводит к увеличению мощности лазера.

Итак, компаратор сравнивает два напряжения: VR и VM. Происходит это в период APC, т.е. когда через лазер протекает некоторый фиксированный ток.

Если напряжение VM>VR, то это говорит о значительной мощности сигнала от фотодетектора и необходимости уменьшить ток через лазер. В результате, на выходе компаратора формируется сигнал, который приводит к активизации цепи разряда конденсатора CH (рис.11).

Рис.11

Если напряжение VM