DE3603548A1

DE3603548A1 - Verfahren zur bestimmung und regelung der temperatur von laserdioden und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3603548A1
Application number: DE19863603548
Authority: DE
Inventors: Tamás Dr. Budapest Szirányi
Original assignee: VIDEOTON ELEKT VALLALAT
Current assignee: VIDEOTON ELEKT VALLALAT
Priority date: 1985-02-19
Filing date: 1986-02-05
Publication date: 1986-10-02
Also published as: PL258005A1; BG46010A3; HUT39871A; SU1530104A3; DD243147A5

Description

Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur
von Laserdioden und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Haibleiterlaserdioden, insbesondere von in Laser-Xerographischen Druckern verwendeten GaAsA1/P-Laserdioden, wobei die Laserdiode impulsartig betrieben wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Wie aus der Fachliteratur bekannt ist, hängt die Lebensdauer der Laserdioden im wesentlichen von Temperatur des aktiven Bereiches, des Diodenüberganges der Laserdiode ab. Wie 3wanne S. Manning bereits in 7.
Appl.Phys. 52/5 Ausgabe 1981, Mai feststellte, verringert sich die Lebensdauer der Laserdiode bei Obererwärmung des Diodenüberganges mit Erhöhung der Temperatur exponentiell. Bei Unterkühlung des Überganges dagegen zerstört die sich erhöhende Laserausstrahlungsleistung den Laser und führt zum Abbruch des Laserbetriebes. In der Praxis wurden zahlreiche Lösungen entwickelt, die zur Verhinderung des Auftauchens der obigen Probleme dienen. So schlägt zum Beispiel die Firma Hitachi vor, die Laserdioden nur bis zu Hälfte oder bis zu zwei Dritteln ihrer maximalen Ausstrahlungsleistung zu betrieben (Hitachi laser diode application manuell HLP 1000-3000). Diese Lösung führt zu einer Verringerung der Leistungsausnutzung und einer Erhöhung des Kostenaufwandes der zu verwendenden Laserdiode.
Das Überschreiten der maximalen Ausstrahlungsleistung kann durch die unmittelbare Messung der abgegebenen Strahlungsleistung verhindert werden.
Diese Möglichkeit nutzen die Lösungen der GB 2 045 516 und der GB 2 054 949, bei denen die abgegebene Strahlungsleistung mittels Photodioden gemessen wird, wobei die Photodiode über eine Steuerschaltung die abgegebene Strahlungsleistung in zugelassenen Grenzen hält.
Diese Lösung ist zur Verwendung bei einem schnellen impulsartigen Betrieb der Laserdiode nicht geeignet und gibt keine eindeutige Information über die Temperatur der Laserdiode, erhöht jedoch die Kompliziertheit und die Kosten der Konstruktion. Eine ähnliche Lösungsmöglichkeit stellt die Temperaturmessung mittels Thermistor dar. Ein Beispiel dafür bilden die Dioden der Firma RCA, SCW, LCW, bei denen mittels Thermistor jedoch nur die Außentemperatur des Gehäuses der Laserdiode gemessen werden kann. Eine vorteilhafte Lösung ist die in den Laserdioden TXBD 8500 der Firma Telefunken oder der Firma Canon verwendete Lösung, bei der der Thermistor an der Wärmesenke der Laserdiode angeordnet ist und somit von außen die Temperatur des Laserchips mißt. Die Verwendung des Thermistors erhöht jedoch bei der Montage die Kompliziertheit der Konstruktion, sowie den Kostenaufwand, darüber hinaus sind zwei Anschlüsse erforderlich.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Thermistor die Temperatur des Diodenüberganges ungenau und mit einer Zeitverzögerung mißt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausarbeitung eines Verfahrens und einer Schaltungsanordnung, zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden, welche von den obenerwähnten Mängeln frei sind, d.h.
keinen gesonderten Thermistor und keine komplizierte Haltekonstruktion beanspruchen, zur unmittelbaren Bestimmung und Regelung der Temperatur des Diodenüberganges von Laserdioden geeignet sind, dadurch die Anwendung von Laserdioden mit geringerem Kostenaufwand und die Ausnutzung der maximalen A usstrahlungsleistung ermöglichen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Spannung der Laserdiode bei konstantem Strom von der Temperatur des Diodenüberganges der Chipdiode abhängt, und zwar sich in Abhängigkeit vom Typ der Diode um -2 bis -5 mV/OC ändert.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden entwickelt, bei welchem die Laserdiode im Impulsbetrieb betrieben wird und gemäß der Erfindung während der Aussetzdauer der Laserausstrahlung durch die Laserdiode ein ge- gen über dem zur Laserausstrahlung erforderlichen minimalen Strom geringerer, konstanter Strom geleitet wird, währenddessen mindestens einmal die Spannung der Laserdiode abgetastet wird, der abgetastete Wert gespeichert und ausgewertet wird, der erhaltene Wert gegebenenfalls angezeigt wird, und in Abhängigkeit von dem erhaltenen Resultat der die Laserdiode speisende Strom gesteuert wird.
Es ist vorteilhaft, wenn zur Steuerung der Abtastung den Betrieb der Laserdiode steuernde Logiksignale verwendet werden. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die die Abtastung steuernden Signale nach der Aussetzung der Laserausstrahlung um 200-300 nsec verzögert werden.
Gemäß der Erfindung wurde weiterhin zur Durchführung des Verfahrens eine Schaltungsanordnung ausgebildet, welche mit einer die Laserdiode speisenden Stromquelle, einer Logikeinheit und gegebenenfalls einer Heiz-Kühl-Einheit versehen ist. Gemäß der Erfindung sind die Anschlüsse der Laserdiode über einen Spannungsfolger mit großem Eingangswiderstand an eine Abtast-und Halteeinheit (sample and hold circuit) angeschlossen. Der Ausgang der Abtast- und Halteeinheit ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, während ein Ausgang der Auswerteeinheit mit einem Steuereingang der die Laserdiode speisenden Stromquelle und/oder der Heiz-Kühl-Efnheit verbunden ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Stromquelle durch einen steuerbaren Stromgenerator mit einer Genauigkeit von + 0,1 mA gebildet. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuereingang der Abtast- und Halteeinheit über eine Verzögerungseinheit mit einer die Laserdiode steuernden Logikeinheit verbunden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit eine Anzeigeeinheit enthält.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 ein allgemeines Blockschema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungsanordnung zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden und Fig. 2 einen Ausschnitt eines anhand der Erfindung aufgebauten Laserdruckers.
In Fig. 1 ist ein Blockschema einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung veranschaulicht.
Eine Laserdiode 1 wird von einer Stromquelle 2 gespeist. Die Stromquelle 2 ist als steuerbarer Stromgenerator mit einer Genauigkeit von + 0,1 mA ausgebildet.
Die Anschlüsse der Laserdiode 1 sind an einen mit großem Eingangswiderstand ausgebildeten Spannungsfolger 3 geführt. Ein Ausgang des Spannungsfolgers 3 ist mit einer Abtast- und Halteeinheit 4 verbunden, deren Ausgang an einen Eingang einer Auswerteinheit 5 angeschlossen ist. Ein Ausgang der Auswerteeinheit 5 ist mit Steuereingängen der die Laserdiode 1 speisenden Stromquelle 2 und einer Heiz-Kühl-Einheit 8 verbunden. Ein Steuereingang der Abtast- und Halteeinheit 4 ist über eine Verzögerungseinheit 6 an eine Logikeinheit 7 - die auf bekannte Weise als eine bei den handelsüblichen Laserdrucken übliche Logikeinheit ausgebildet sein kann - geführt.
Ein weiterer Ausgang der Logik einheit 7 ist mit einem weiteren Steuereingang der Stromquelle 2 verbunden. Die Eingänge der Logikeinheit 7 sind an weitere Einheiten eines Zeilendruckers (in der Zeichnung nicht dargestellt) angeschlossen.
Der Laserbetriebsstrom beträgt in Abhängigkeit vom Typ der Laserdiode 50-200 mA, die Modulationstiefe (zur Ein- und Ausschaltung der Laserstrahlung) beträgt im allgemeinen 10-30 %.
Gemäß der Erfindung fließt auch außerhalb des Laserbetriebszustandes der Laserdiode über die Laserdiode ein Grundstrom, dessen Wert gerade unter dem Laserschwellenstrom liegt und vom Typ der jeweiligen Laserdiode 1 abhängt.
Die Genauigkeit der verwendeten Stromquelle 1 beträgt sowohl in Hinsicht auf den G?undstrom als auch in Hinsicht auf den Laserbetriebsstrom + 0,1 mA. Die Verwendung des Crundstromes verbessert die Schalteigenschaften der Laserdiode 1, und trägt darüber hinaus dazu bei, die Temperatur der Laserdiode 1 zu stabilisieren, da dadurch die durch den Strom, welcher durch die Laserdiode fließt, hervorgerufene joule-Wärme einen annähernd konstanten Wert annimmt. Die jeweilige Spannung der Laserdiode 1 erscheint über den mit einem großen Eingangswiderstand ausgebildeten Spannungsfolger 3 an der Abtast- und Halteeinheit 4. Der mit einem großen Eingangswiderstand ausgebildete Spannungsfolger 3 dient dazu, die Einwirkung der Abtast- und Halteeinheit 4 auf die Funktion der Laserdiode 1 zu verhindern.
Die Einstellung des Zeitpunktes der Abtastung wird anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausschnittes eines Laserdruckers veranschaulicht. Wie aus Fig.
2 ersichtlich ist, gelangt die Laserstrahlung der Laserdiode 1 über einen Drehspiegel 9 bis zum Papier. In dem vom Zeilenranddetektor 10 bis zum Zeilenbeginn 11 anhanitenden Abstand erfolgt die Aussetzung des Laserbetriebes. Die Zeitdauer der Aussetzung des Zeilenlaufes beträgt im allgemeinen 1-3 msec, meistens 1,7 msec. In dieser Zeitspanne wird die Abtastung mindestens einmal vorgenommen. Zur Steuerung dieser Abtastung werden die Signale der die Laserdiode 1 steuernden Logikeinheit 7 verwendet.
Zwischen der Logikeinheit 7 und der Abtast- und Halteeinheit 4 ist eine Verzögerungseinheit 6 eingefügt. Dieses ist deshalb erforderlich, um zu vermeiden, daß die Spannungsschwankungen, welche infolge der bei der Ein-und Ausschaltung des Laserbetriebes gegebenenfalls auftretenden Stromtransienten entstehen, die zur Bestimmung der Temperatur bei Grundstrom gemessenen Spannungspegel beeinflussen, und somit zu Meßfehletn führen würden. Die Verzögerungzeit beträgt 200-300 nsec. Der Ausgang der Abtast- und Halteeinheit 4 ist an die Auswerteeinheit 5 angeschlossen, welche bei einer für die Laserdiode gefährlichen Temperatur durch Steuerung der Stromquelle 2 und der Heiz-Kühl-Einheit 8 den Strom der Laserdiode 1 auf einen Grundwert einstellt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Temperatur der Laserdiode ohne Verwendung eines Temperaturmeßelementes unmittelbar überwacht werden, somit kann bei Erreichen einer schädlich auf die Laserdiode einwirkenden Temperatur durch die Steuerung des Laserbetriebs abgeschaltet (auf den Pegel des Grundstromes) werden, wodurch die hochwertige Laserdiode vor einer schädlichen Übererwärmung oder vor einer noch schädlicher wirkenden Laserleistungserhöhung bei Unterkühlung geschützt werden kann.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Temperatur des Laserbetriebsbereiches beim Einschalten (d.h. ohne Laserbetriebsstrom, bei Einstellen der Temperatur) ebenfalls unmittelbar meßbar ist, des weiteren ist die bei Ein- und Ausschalten und während des Betriebes erfolgende Temperaturänderung (in der Laserbetriebspause) im aktiven Bereich der Laserdiode genau überprüfbar.
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Claims

Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens PA TENTANSPRÜCHE Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden, insbesondere von in Zeilendruckern verwendeten Laserdioden, wobei die Laserdiode impulsartig mit einander folgenden Laserausstrahlungs- und Aussetzungsperioden betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zeitintervall der Aussetzung der Laserausstrahlung über die Laserdiode ein konstanter Grundstrom geleitet wird, dessen Größe kleiner als die Größe des zur Laserausstrahlung erforderlichen minimalen Stromes gewählt wird, in diesem Zeitintervall mindestens einmal die Spannung der Laserdiode abgetastet wird, der abgetastete Wert gespeichert und ausgewertet wird, danach gegebenfalls der erhaltene Wert angezeigt wird, und in Abhängigkeit von dem erhaltenen Resultat der die Laserdiode speisende Strom gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Abtasung die Steuersignale der Laserdiode verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung mit einer Verzögerung von 200-300 nsec nach der Aussetzung der Laserausstrahlung durchgeführt wird.
4. Schaltungsanordnung zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden, welche eine Stromquelle zur Speisung der Laserdiode, eine Logikeinheit und gegebenen falls eine Heiz-Kühl-Einheit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der Laserdiode (1) über einen Spannungsfolger (3) mit großem Eingangswiderstand an eine Abtast- und Halteeinheit (4) angeschlossen sind, ein Ausgang der Abtast- und Halteeinheit (4) an eine Auswerteeinheit (5) geführt ist, des weiteren ein Ausgang der Auswerteeinheit (5) mit einem Steuereingang der die Laserdiode (1) speisenden Stromquelle (2) und/oder der Heiz-Kühl-Einheit (8) verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (2) zur Speisung der Laserdiode (1) durch einen steuerbaren Stromgenerator mit einer Genauigkeit von + 0,1 mA gebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuereingang der Abtast- und Halteeinheit (4) über eine Verzögerungseinheit (6) an die Logikeinheit (7) zur Steuerung der Laserdiode (1) geführt ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (5) eine Anzeigeeinheit enthält.