Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß sein?

    ... hab' etwas mit den MOSFET-Vorwiderständen und dem 220nF-Filterkondensator herumexperimentiert - so langsam komme ich wohl hin ;)


    Hier die Kurvenform bei Einzel-Pulsen:


    260 Ohm Vorwiderstand - mit und ohne 220nF.jpg



    Und so schaut das bei PWM aus:


    PWM_200_100 - ohne 220nF.jpg


    Wenn ich jetzt noch den Spike bei Puls-Begin loswerde, sieht das sehr gut aus!! - vor Allem, wenn man bedenkt, daß kommerzielle Treiber mit >30A nur 3 Millisekunden als kürzesten Puls hinbekommen 8)


    Das mit dem "Vor-Puls" bzw. Spike bei Puls-Begin hat noch was interessantes - wenn ich bei der PWM die Pulszeit und Pausenzeit halbiere, dann gibts keine Pausen mehr, aber der Dauer-Gesamtstrom geht auf über 50 Ampere!! ... obwohl die LM338 eigentlich weiterhin bei ihren jeweils 3.7A bleiben ?(


    Viktor

    Hi Victor,


    ich finde das eine spannende Challenge und habe mir gerade das Diagramm des ersten Puls ohne C angeschaut.
    Und das sind ja 5 LMs, die da schalten, oder sind es 10?
    Und die werden alle gleichzeitig durchgeschaltet, oder?


    Könntest dafür mal den Schaltplan posten wie das aussieht und das Platinenlayout?


    Denn mir gehen da ein paar Gedanken zur Ursache durch den Kopf.


    Mal angenommen die werden alle gleichzeitig eingeschaltet (wie werden die eingeschaltet?). Dann sieht es der Pulskurve danach aus, dass sie alle verschiedene Einschaltverzögerungen haben und zu verschiedenen Zeitpunkten zuschalten.
    Da wäre schon mal die Frage: warum schalten sie zu verschiedenen Zeiten zu. Also warum brauchen die tlw. mehrere 10ms um überhaupt zu beginnen?


    Da gingen mir verschiedene Theorien durch den Kopf.


    1) sie haben individuelle Parameter zur Reaktionszeit, also fallen hier verschieden aus, je nach Produktion oder was auch immer. Dann könnte man ihre Reaktion durch Selektion drastisch verbessern. 30 kaufen und die 10 besten raussuchen.


    2) sie bekommen den Start verschieden Schnell mit. Das könnte ein Thema von Platinenlayout sein. Induktivitäten, Kapazitäten. Assymetrie der Stromverteilung auf einer Platine bei hohen Strömen. Dann könnte man mal versuchen die eine Platine mit 5 LMs mit 5 möglichst perfekten Platinen à 1 LM zu ersetzen, nur zum Test. Möglicherweise verändert sich ihr verhalten drastisch, wenn sie sich nicht mehr gegenseitig beeinflussen.
    Alternativ mal eine Platinenvariante mit 3x so breiten Leitern machen und schauen, was passiert.




    Die LMs sind ja Regler, sie regeln ja gegen einen Zielwert. Und der Regelkreis wird vielleicht durch diese Konflikte gestört / verzögert.
    Was müsste denn passieren, damit sie langsamer reagieren.


    Sie sehen auf dem Shunt zuviel Strom und regeln nicht oder langsamer hoch. Oder?


    3) Induktivität der Shunts. Mal angenommen, die Shunts haben so eine hohe Induktivität, dass sie relativ träge auf den Stromanstieg reagieren.


    Am Ende sind die Spikes die Du siehst von Induktivitäten. Und mit dem Kondensator hast Du sie vom Ende zum Anfang des Pulses verschoben. Das müsste man eigentlich aus der Schaltung logisch begründen können, warum das so ist.


    Also meine Wette wäre, dass es das Platinenlayout ist, dass die Transientenantwort der LMs reduziert.


    Gerade noch eine der anderen Messkurven angeschaut, die wo der erste Puls 1x LM ist, der zweite 5x LM, der Dritte 10x LM.
    Da sieht man, dass gerade der erste LM sehr langsam reagiert, die weiteren dann schneller.
    Woher könnte das kommen. Was / wer muss da erst "aufgeladen" werden? Oder welche Induktivität muss da erst "in Schwung" kommen?
    Wie schaltest Du da eigentlich die LMs einzeln oder zusammen?

    ... ich "schalte" bei den letzten Versuchen die 10x LM's, indem ich sie über den Lastwiderstand per MOSFET auf GND durchschalte.


    Diese Schaltung hatte ich mal für ein Forumsprojekt aufgebaut und als OS freigegeben, daher noch die kleineren Sense-Widerstände und kleinerem Einzel- und Gesamtstrom ... aktuell habe ich über alle LM's als Sense 0.33 Ohm drin (für 3.7A pro LM):


    LaserDriver-VD4c_SCH.png



    Und hier die beiden Platinen-Seiten:


    Platine - beide Seiten.jpg


    Viktor

    ... der Anfangs-Spike bei den Pulsen scheint von der Induktivität des 0.1 Ohm Widerstands zu kommen - es ist ja im Prinzip ein aufgewickelter Draht.


    Hab' mal den Laser in Reihe zu dem Widerstand gehängt (ich brache ihn hier noch als Shunt zum Messen - normal ohne geht das bis max) -- mit dem Spannungsabfall am Widerstand komme ich mit den 17 Volt der Versorgung nicht mehr auf die vollen 37 Ampere, sondern nur noch 27A - aber die Kurevenform ist "perfekt"!


    PWM 200_100us mit Laser.jpg



    Mit den "nur" 27A komme ich auf eine CW-Leistung von 150 Ampere und bei eeiner 2:1 PWM auf eine mittlere Leistung von etwas über 100 Watt (statt der 200 CW im Voll-Betrieb oder den bis zu 300 Watt Pulsend) ... das macht aber auch schon ganz schön "BUMMS" ;(


    Linse-Laser.jpg


    Ich lade gerade ein Video von den Tests bei Vimeho hoch und poste das nachher, wenn es freigegeben ist ...


    Viktor

    ... diesmal haben sie's schneller freigegeben - hier mit PWM 200:100 Mikrosekunden AN/AUS:


    https://vimeo.com/328648709



    Mit der Fliese habe ich noch keine allzugroßen Sorgen um die Linse - das ist praktisch nur etwas "rundkörniger Sand", der auf die Linse sprüht und keine Kratzer macht und sich auch nicht einbrennt ... bei der Edelstahl-Platte würde ich das ohne Preßluft zum Weghalten aber nicht mehr riskieren ;(


    Hier die Linse nach den PWM-Versuchen:


    Linse1.jpg


    - und hier kurz drübergewischt:


    Linse2.jpg


    Viktor

    Als erstes könnte man mal den Schalt-MOSFET überprüfen.



    Der hat ja eine Gate-Kapazität und die muss von dem Schalttransistor geladen werden.
    Und der ist ja nur ein BC547 mit einem Widerstand von 1k zu VCC.
    D.h. einerseits kann der BC547 nur 100mA, andererseits geht bei 15 Volt (welche Spannung hattest Du?) auch nur 15mA durch.


    Der MOSFET IRF1404 hat eine gesamte Gate-Kapazität von 130-200nC
    https://www.infineon.com/dgdl/…2533600a4015355dae92618b0


    Wenn die mit 15mA geladen werden, dann dauert das Q = I x t oder t = Q/I = (200 x 10^-9) C / 0.015 A = 0.133 Millisekunden = 13,33 Microsekunden.


    Wieviel ist Deine Verzögerung beim ersten Puls? 300uS?
    Das würde es noch nicht ganz erklären. Aber vielleicht ist der Strom durch den Bipo auch niedriger als die 15mA?
    Und dann ist da noch der 3.3k Entladewiderstand am Gate, der zieht ja auch noch Strom ab.


    Ich würde da probehalber mal einen echten MOSFET-Gate-Treiber einsetzen und dann kucken, was passiert.
    Oder mal den Kollektorwiderstand des BC547 auf 100 Ohm setzen.
    Oder 100 Ohm und einen BC337 (1A) nehmen.

    ... ach weißt du ... für die "kommerziellen Pulser" habe ich "richtige" MOSFET-Treiber und auch eine andere Stromregelung über OpAmps, mit denen ich bis zu 1 Mikrosekunde Pulszeiten ohne Überschwinger hinbekomme -- das kann ich aber nicht offen in den Foren zeigen :rolleyes:


    Diesen "10xLM338"-Pulser hatte ich aber schonmal für ein Forumsprojekt "feigegeben" und will damit auch andere ermutigen, sich mal an sowas dranzusetzen .. eventuell schaffen wir da auch was Sinnvolles á la RepRap-Projekt, was wir ebenfalls im kleinen Kreis ab 2006 vorgestellt hatten ... und nu schau mal, wie sich das mit den billigen "Kunststoff-3D-Druckern" entwickelt hat 8)


    Ich "spiele" mit den Teilen noch etwas rum und probiere ein paar andere "unübliche" Optimierungen aus, weil ich da mit den "Mega-Pulsen" und "Über-Powern" (50A Dauerstrom bei nur 10x 3.7A durch sie LM's) bei einigen Einstellungen noch ein paar interessante Sachen gesehen habe :D



    ***
    Ansonsten - einer hat schon angefragt, wie die Fliese das mitgemacht hat:


    Fliese-Loch.jpg


    Die Tiefe ist irgendwo bei 4mm - würde also noch etwas mehr Leistung oder Zeit und Preßluft (oder Sauerstoff) brauchen, um da schneller durchzuschneiden ...


    Viktor

    ... bin gerade wieder an was anderem dran - eine blaue 6Watt-Diode mit Prismen-Strahlformung und Beam-Expander für einen Galvoscanner.


    Die "Strahlform" in den Bildern sieht etwas undefiniert aus, das ist aber bei der Materialbearbeitung kein großes Problem, solange 90% der Leistung in einem sauberen Spot ankommen (siehe letztes Bild mit dem Brennfleck in 1m Abstand).


    Zuerst mal nur die Diode mit Prismen, ohne Beam-Expander - einmal bei 300mA noch als "LED" und mit 400mA, wo die meisten Moden schon angeschwungen sind:


    1 - 6W-Diode mit Prismen - Nahfeld.jpg


    - hier das "Fernfeld" in 1m Abstand:


    2 - 6W-Diode mit Prismen - Fernfeld 1m.jpg


    - und hier durch den Beam-Expander bei ebenfalls 300 und 400mA und mit Min- und Max-Einstellung im Fernfeld:


    3 - BeamExpander Nahfeld 300_400mA.jpg 4 - BeamExpander Fernfeld-1m-MinMax 300_400mA.jpg



    So schaut dann bei 1A (etwa 1.5Watt Leistung auf ca. 4x4mm) der "Brennfleck" in 1m Abstand aus:


    5 - Brennfleck 1m 3x3mm.jpg


    Viktor

    ... das Gehäuse ist aus gebogenem verzinktem Stahl, nich Alu ... und die "Spiegelungen" sind die jeweilige Übergänge an den inneren Oberflächen -- bzw. aufsummiert um die 0.5W Verluste, die man in Kauf nehmen nuß, um den stark unsymmetrischen Strahl der 6W-Dioden symmetrischer zu bekommen.


    Ohne Beam-Expander habe ich bei den langen Fokuslängen des Galvos (etwa 175mm) keinen "Spot", sondern eher ein Rechteck bzw. Oval mit um die 0.6 x 0.2mm ... nach der "Symmetrisierung" mit den Prismen wird das ohne Bem-Expander etwa 0.4 x 0.3mm bis 0.35 x 0.35mm, wenn "perfekt symmetrisch" ... mit Strahlaufweitung durch den Beam-Expander hoffe ich auf unter 0.2 x 0.2mm zu kommen - mein Ziel wären 0.1 x 0.1mm 8)


    Viktor

    Zitat von VDX

    mein Ziel wären 0.1 x 0.1mm 8)


    So wie ich dich kenne landest du schlussendlich eher bei 0.01mm... :D


    Immer Spannend bei euch mitzulesen. :thumbup:

    Gruß,

    Christian


    „Der größte Feind des Wissens ist nicht Unwissenheit, sondern die Illusion, wissend zu sein.“
    Stephen Hawking

    ... mit dem Faserlaser sind 0.005mm mit Beam-Expander über eine f-theta mit kleinerer Fokuslänge drin ... mit den Dioden käme ich auch damit bestenfalls auf 0.04mm :S


    Für "wirklich feines" (bis runter zu 0.001mm) bin ich noch am Überlegen, wie ich mit dem Nitromite das Verhalten eines Excimer-Lasers simuliert bekomme 8)


    Viktor

    ... zusammen mit dem Galvokopf schauts dann so aus - das montiere ich dann zum Testen an eine meiner CNC-Anlagen:


    Mit Galvoscanner.jpg



    In der späteren Anwendung ist der Galvokopf im Gehäuse auf einer mittig angeordneten Z-Achse montiert und darunter bewegt sich ein XY-Koordinatentisch mit etwa DIN-A3 Verfahrbereich.


    Für meine eigene Variante davon habe ich eine richtig stabile Movtec-XY-Anlage mit 500x500mm - hier ein Video von der, wie mein Jüngster mit der im jog-Mode etwas "rumspielt", nachdem wir sie nach dem Transport wieder zusammengeschraubt hatten:


    https://vimeo.com/251230543


    Viktor

    ... hab' mal "freihändig" den Fokus-Abstand ausgemessen - mit den 1064nm-Linsen für den Faserlaser sind das normal 176mm -- wegen der blauen Laserdioden habe ich Linsen für 532nm drin (für 445nm haben sie noch keine) ... damit sind das 158mm - also 20mm näher dran.


    Dann nochmal ohne Beam-Expander (=BE) -- da wird der Fokusabstand nochmal um 13mm kürzer ... und etwas mehr Leistung (einmal wegen weniger Verluste durch die BE-Optik, aber auch wegen kürzerem Fokusabstand => kleinerer Fokuspunkt und damit höhere Energiedichte).


    Muß dann mal schauen, wie das mit oder ohne BE später auf Schaumstoff geht (die eigentliche Anwendung) ... dann eventuell doch besser/kräftiger ohne BE?


    Viktor

    ... hab' mal zum Vergleich (eine "weiße 100Watt-LED" gibt bei 100Watt elektrisch 20Watt optisch aus) den Wirkungsgrad einer der 200W@976nm-Laserdioden "ausgemessen".


    Das Leistungsmeßgerät kann laut Handbuch als Dauerleistung nur 30W ab - also darunter bleiben.


    Diode ohne Fokussierlinse (=> "Quadrat-Strahl" mit 6x6mm) -- 10A-Netzteil auf 6A ... Netzteil zeigt 9V ... Leistungsmeßgerät zeigt 25 Watt


    Daraus folgt: -- elektrische Leistungsaufnahme = 9V x 6A = 54 Watt


    Bei einer optische Emission von 25 Watt ist das ein Wirkungsgrad von 46% !! - gar nicht mal so schlecht ;)


    Viktor

    ... was macht man, wenn mann einen 100 Milliohm-Meßwiderstand braucht (einen ohne Induktion bzw. keinen der normalen 5Watt-Widerstände mit Kupferdraht-Wicklung) ... aber nur welche mit 150 Milliohm als SMD-Bauteil auf alten, kaputten Treibern findet?


    Selbst ist der Mann! - 3x 0.15 Ohm Parallel => 0.05 Ohm ... 2x 0.05 Ohm in Serie ==> 0.1 Ohm!! ;)


    100 Milliohm-Messwiderstand.jpg


    Viktor

    ... "schummeln"? -- wieso? :whistling:


    Hier mal ein schneller Test mit der "automatischen Netzteil-Abschaltung" beim 10A-Netzteil.


    Links, an einem "gewendelten" 0.1-Ohm-Widerstand kommt das Netzteil auf etwa 18 Ampere, bevor es nach 1.4ms abschaltet ...


    Rechts, mit den "geschummelten" 0.1 Ohm, kommt es auf nur 17 Ampere, hält dafür aber etwas über 1.7ms durch (die "Puls-Energie" dürfte in etwa gleich sein).


    Der "geschummelte" dürfte also um etwa 5.55% größer sein, als der "gewendelte" ... welcher ist jetzt das genauere? :S


    Pulsform-Netzteil-Abschaltung.jpg


    Viktor

    Zitat von VDX

    Der "geschummelte" dürfte also um etwa 5.55% größer sein, als der "gewendelte" ... welcher ist jetzt das genauere? :S


    Ihr habt Sorgen .... :D


    Manche Löstelle hat ja schon mehr als 0,1 Ohm.... :whistling:

    Gruß,

    Christian


    „Der größte Feind des Wissens ist nicht Unwissenheit, sondern die Illusion, wissend zu sein.“
    Stephen Hawking