Interesse an einem "Forumsprojekt Laserdiodenmodul mit Treiber"?

... nach mehreren entsprechenden Anfragen habe ich ein "ultimatives" Anschluß-Interface designt, daß mit wenigen Anpassungen (praktisch nur die Vorwiderstände und Voreinstellungen in der Firmware des darauf sitzenden Arduinos) an praktisch alle mir bisher bekannten CNC-Steuerungen oder sonstige Lasersteuerungen oder auch Analoge Leistungssteuerung angepaßt werden kann. Momentan stelle ich die "effektive Leistung" (0-100%, Gravieren oder Schneiden) über ein Trimpoti und Reset-Puls ein.

Im Prinzip ist das Anschluß-Interface eine Abwandlung meines kommerziellen "intelligenten" Laserdiodentreibers mit Optokopplern, so daß ich diese Schaltung vorerst nicht freigeben werde, sondern nur nach den jeweiligen Vorgaben vorprogrammiert zusammen mit dem jeweiligen Treiber.

Das Interface hat diverse Eingänge für Takt (X- und/oder Y-Takt oder eine einzelne Taktquelle), Freigabe und Analog-Eingangsspannung, gibt TTL/PWM und/oder eine Analogspannung an den Treiber weiter und schleift gleich die Betriebsspannung für den Treiber mit durch.

Die digitalen I/O-Pins können (mit Vorwiderständen) wahlweise an 3.3V, 5V bis 24V angepaßt werden, die Analogspannung gebe ich momentan entweder direkt durch oder generiere sie per PWM ... da gäbe es zur Not aber auch noch de Option, das mit einem Linear-Optokoppler zu puffern, um die Eingänge auch noch zu schützen.

Bevor ich davon die erste Serie bestelle, könnt ihr evtl. auch noch Vorschläge machen, falls jemand doch noch eine andere Anschluß-Option hat, die ich mit dem Teil noch nicht drin habe - hier die Eingangs- (15Pol-SubD-Buchse) und Ausgans-Pins (Schraubklemmen):

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Viktor
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... hier mal ein paar IR-Dioden mit "kurzer" Faser (die "Restfasern" haben bei "explodierten" Faserlasern meist irgendwas zwischen 100 bis 300mm, manchmal auch kürzer):



Die mit der ganz kurzen Faser nehme ich für einen anderen Aufbau, wo eine größere Linse ohne Ferrule und Gewindehülse direkt davor in einem anderen Gehäuse positioniert wird.

Die in der Mitte ist grenzwertig - da kann ich die Faser nicht mehr einrollen (wie bei der oberen), sondern muß die gerade lassen, was dann den Abstand im Gehäuse definiert.

Bei einer längeren Faser kann ich die einrollen, so daß sie freier positioniert werden kann -- meist baue ich das in ein kleines Profilgehäuse ein, was dann zusammen mit dem Treiber auf die Z-Achse montiert wird ... das Netzteil und das Interface können dann fest an der Anlage montiert werden und mit Kabel über Schleppkette zur Z-Achse verbunden werden.

Erst bei deutlich längeren "Rest"-Fasern lohnt sich ein "Einpacken" in einen Panzerschlauch und die Trenung zwischen Diode+Kühlung und Optikkopf, so wie bei dem Bild:



1-mal bearbeitet. Zuletzt am 04.01.18 17:18.

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Viktor
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... so langsam kommt die Routine rein - inzwischen traue ich mich sogar schon, zwei Fasern gleichzeitig einzukleben



Oben klebe ich das Faserende in die PEEK-"Ferrule" ein, unten eine Faser schon mit Ferrule in die Gewindehülse.


Das spart auch 2K-Kleber, weil ich immer eine Mindestmenge anrühren muß, egal wie wenig ich davon brauche

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Viktor
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Bei der dünnen Faser hätte ich ja schon Angst die beim rein schieben in die Hülse abzubrechen. Du scheinst da ja ein Händchen für zu haben.

Edit: Kann mich nicht mehr daran erinnern ob du das mal geschrieben hast aber, wie kommt es eig. zur "Explosion" der Fasern? Brechen die im Betrieb irgendwann einmal und der an der Bruchstelle "austretende" Strahl sorgt für die Explosion oder was passiert?

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 05.01.18 04:24.

... hatte wohl schon immer ein "Faible" für Mikro- und Nanotechnik - meine dünnsten "Mikro-Drähte", die ich manuell auf Sensoren aufgeklebt oder (mit eben solchen 9Watt-IR-Dioden) hartgelötet habe, waren 10µm und 1µm dick aus Platin ... die dünnsten mit selbstentwickleten "teleoperierten" Milrogreifern positionierten Nano-nailheads waren an der 50µm langen Spitze nur noch so um die 10 Nanometer dick ... da sind diese 105µm dicken Fasern (125µm mit Polymer-Umhüllung im Klebebereich) ja "so dick wie Baumstämme"

Bei den älteren CW-Faserlasern ist gegenüber den gepulsten kein "Faraday-Isolator" im Optikkopf (der zurückreflektiertes Licht um 90° versetzt seitlich auf ein Target umlenkt), so daß sie bei spiegelnden Materialien (oder auch stärker spiegelnden Schmelztropfen) gelegentlich zuviel Leistung wieder in die Faser reinbekommen, was nochmal verstärkt wird und dann den Einkoppelstellen der Pumpdioden zu viel für das Glas wird, so daß es da richtig wegbrennt!

2 Seiten zurück hatte ich schonmal Bilder von solchen "explodierten" Faserlasern gepostet - [forums.reprap.org]

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Viktor
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... inzwischen bin ich auch mit den "Internas" der defekten Faserlaser (aus denen ich die IR-Laserdioden extrahiere) etwas weitergekommen.

Einige der defekten Geräte (die "explodierten") sind wirklich nur noch zum Ausschlachten der Dioden gut ... bei anderen ist "nur die Elektronik" defekt - die Dioden und auch die Einkopplung in die Resonator-Faser sind noch intakt.

Zumindest bei einem Typ der CW-Faserlaser habe ich es hinbekommen, den mit meiner eigenen Elektronik zum "Leuchten" zu überreden ... die Leistung im Bereich von 0.4 bis 1A (max. bei meinem stromregelbaren Netzteil) kommt auch ungefähr hin ... für die maximale Leistung brauche ich da aber auch nur 9A, also passen die "Forumsprojekt-Treiber" auch dafür

Wenn ich wieder etwas Zeit habe, teste ich, was an Maximalleistung und Wellenlänge vorne rauskommt - wenn es die 130Watt und 1070nm des orignal "Faserlasers" sind, dann habe ich den praktisch wieder hinbekommen! - der Vorteil davon ist einmal die viel höhere Leistung (130Watt statt 9 oder 25 Watt der einzelnen Dioden) ... und außerdem die viel bessere Fokussierbarkeit (0.1mm in 30mm Abstand bei den Dioden, 0.03mm in 100mm Abstand beim Faserlaser!)

Schaumema!

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Viktor
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... weil ich vorhin noch einen der explodierten Faserlaser "ausgeräumt" habe - hier ein Bild von den "typischen" 9Watt-Dioden mit abgebrannter Faser:



Aus defekten Teilen mit noch intaktem Pump-Aufbau konnte ich auch welche mit der kompletten Faserlänge von bis zu etwa 1.4m rausholen ... jetzt schaue ich erstmal, ob ich solche nicht evtl. doch wieder als "Faserlaser" zum Laufen kriege

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Viktor
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... gestern Nacht habe ich eins der "EWMS"-Interfaces zusammengelötet ... wurde dann aber schon zu spät zum Testen - mache ich am WE ...

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Viktor
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... die letzten Wochen konnte ich nicht viel machen - Auslandsreise, mehrere Projektabschlüsse und auch privat absolut "Land unter"

Jetzt ist aber eines der Projekte "rein zufällig" auch auf dem Laserdiodentreiber und dem "EWMS"-Interface aufgebaut, so daß ich wenigstens das weitertreiben kann

Es geht hierbei um Laser-Löten und Laser-Hartlöten (der Unterschied liegt in der Schmelztemperatur der Lote bei unter 450°C bzw. darüber).

Sowas habe ich in den letzten 15 Jahren schon ein paarmal gemacht - jetzt, da ich das nun schonmal da habe, nochmal mit den aktuellen Teilen aufgebaut

Der eigentliche Aufbau und auch die Ergebnisse sind noch "unter Verschluß", ein paar gundlegende Infos kann ich aber rausgeben.

Hier der elektrische Aufbau und die Verkabelung mit Netzteil (unter dem 30Watt-Laserdiodenmodul) -> "EWMS"-Interface mit Taster (im Projekt mit Fußschalter) -> 5xLM338-Treiber -> 30Watt-Laserdiodenmodul:



Die Puls-Ansteuerung hierbei erfolgt mit einem Fuß- oder Hand-Schalter (im Bild der Handschalter), das wird später aber auch von einer Steuerung aus gemacht.


Wegen der "langsamen" manuellen Ansteuerung und dem Prellen der Schalter habe ich das für den Test auf 10 Millisekunden Pulsdauer und 50 Millisekunden (Entprell-) Pause eingestellt - mit einer prellfreien Ansteuerung geht das auch mit einer Aufllösung von 5 Mikrosekunden mit dem Arduino Pro Nano Clone.

Hier eine manuelle Sequenz mit 1x, 2x, 3x und 4x Tasten und im Detail die schnellste Pulsfolge, die ich mit diesem Aufbau manuell hinbekomme:



*** EDIT ***
... k.A., warum der jetzt die Bilder nicht mehr sauber einbindet - nict anders, als sonst ... evtl. Datenbank-Fehler

*** EDIT2 ***
... kaum droht man, schon klappts

3-mal bearbeitet. Zuletzt am 09.02.18 05:44.

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Viktor
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Moin Viktor.
Mit einem Optokoppler als Schalter und einem Schmittrigger hast Du kein Prellen.

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Liebe Grüße aus Kaltenkirchen.
Frithjof
Meine Seite
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... der verwendete (vogegebene) Fußschalter prellt aber schon deutlich, weswegen ich auch einen ähnlich aufgebauten (prellenden) Handschalter als direkten Vergleich für die Vorversuche genommen habe.

Normal schalte ich mit induktiven Schaltern ganz ohne Prellen mit Schaltzeilen und -Auflösungen von bis zu 100kHz bzw. 10 Mikroseunden ... und bei Optokopplern geht das bis zu 2MHz bzw. 500ns "Auflösung" mit den normalen Teilen und ArdinoDue ... bzw. bis zu 50MHz mit DSP's

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Viktor
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... konnte wieder etwas weitermachen - hier Bilder von einem "offenen" Test-Aufbau, um die Verbindung der einzelnen Komponenten besser sehen zu können.

- die Komplett-Anlage:




- das Lasermodul mit EWMS-Interface oben, 0.5A-8.6A-Treiber rechts, Laserdiode auf Alugehäuse links (Absaugung Mitte Unten):




- die Leistungssteuerung mit Trimmpoti und Reset-Taster:




Von der Steuerung brauchts hier nur noch die "Freigabe" (bzw. Laser-AN / -AUS) und entweder ein einzelndes Puls-Signal, oder die X- und Y-Takte der Motor-Endstufen, um die Laserpulse mit vorher per Trimpoti (+Reset) definierter Pulslänge auszugeben.

Ich probiere heute Abend und morgen Nachmittag noch was aus -- dann kommen evtl. auch schon die ersten Beispiele vom Gravieren und Schneiden von dunklem Plexiglas ...

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Viktor
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... Daheim konnte ich die letzte Zeit nicht mehr viel machen, dafür hat's für eine "proffessionelle" Version des EWMS-Interface+Treibers für die Firma gereicht - ich teste diese die nächsten Tage aus und stelle dann auch die technischen Daten (bzw. Grenzwerte) auf - sollten die gleichen sein, wie bei meiner eigenen Variante ohne Treiber ...




Wird Zeit, daß ich mit den Materialversuchen und Videos dazu weiterkomme

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Viktor
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VDX
... falls sich jemand den Treiber selber zusammenlöten will - hier nochmal ein Update der Schaltung mit dem Optokoppler als "dynamischem Vor-Filter":

[attachment 98985 LM-driver4-schematics.jpg]

Bitte entschuldigt, dass ich diese alte Diskussion wieder ausgrabe, aber ich habe zwei Fragen zu dem Treiber (den ich eventuell gerne in ähnlicher Form nachbauen würde). In jedem Falle freue ich mich aber sehr, dass VDX sich die Mühe macht der Allgemeinheit den Schaltplan zur Verfügung zu stellen!

Wenn man mit T1 den Strom unterbricht, sinkt die Spannung, die über R1 bis R5 abfällt auf Null und ADJ=OUT. Dann fangen doch die LM338er an die Spannung am Ausgang so weit zu steigern, bis ADJ=OUT+1.25V, was nicht erreicht wird und letztendlich dazu führt, dass er komplett "öffnet" (OUT~=IN). Sobald T1 wieder geschlossen wird liegt an der Diode kurzzeitig fast die IN-Spannung der LM338 an, die dann erstmal wieder runter regeln müssen. Führt das nicht zu einer Stromspitze bei jedem Einschalten, die der Diode schaden könnte? Wäre es da nicht besser mit T1 die ADJ gegen Erde oder besser -1.25V zu schalten, so dass die LM338 auf OUT=1.25V bzw. 0V regeln?

Die zweite Frage ist welchen Zweck die Widerstände R7-R11 haben.

Was haltet ihr denn von dieser abgeänderten Schaltung:


Q3 ist alleine dafür da das PWM-Signal zu invertieren, Q1&Q2 ziehen dann ADJ auf Erdpotential, so dass die LM338er die Ausgangsspannung an OUT auf 1.25V regeln. Der Kondensator C1 soll eine Einschaltverzögerung von wenigen Mikrosekunden bewirken.

Ich würde mich sehr über ein bisschen Kritik freuen.

... schau dir nochmal meine Schaltung an - ich greife nicht in den Adj-Kreis ein, damit es wirklich ein reiner Konstantsromregler ist!

Bei mir "hängen" die LM338 mit dem gesamten Regelkreis praktisch auf einem freien Potential (das könnten auch 100 oder 1000 Volt Vin sein) und regeln den Strom nur anhand des Shunt-Resistors.

Alles Schalten und Zusammenführen erfolgt unabhängig von der Regelung auf Vin oder Vout, ohne jede Wechselwirkung mit Adj ...

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Viktor
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Hallo VDX,

mir ist schon klar, dass da nichts in den ADJ-Kreis eingreift. Aber gerade das führt doch dazu, dass der LM338 komplett 'öffnet', wenn kein Strom fließt, da versucht wird die 1.25V-Differenz zwischen ADJ und OUT zu erreichen, oder habe ich einen Denkfehler? Wenn sozusagen der Widerstand der Last (über den MOSFET T1) beim schließen größer wird, versucht der LM338 den Strom durch erhöhen der Ausgangsspannung an OUT zu erhalten. Ich kann allerdings nicht einschätzen ob das überhaupt ein Problem oder vernachlässigbar ist.

... wenn der "Vout"-Kreis durch den abschaltenden MOSFET stromlos wird, sind die LM338 zwar "komplett auf", mangels Strom aber völlig inaktiv.

Wenn der MOSFET wieder leitend wird und der Strom zu fließen beginnt, setzt die Regelung aber schnell genug ein, so daß keine Spikes zu sehen sind - die Einschaltflanken sehen bei allen 5 LM338 absolut sauber aus, sind nur durch die Bauteil-Toleranzen verschieden schnell, so daß man leichte "Stufen" sieht, bis alle 5 komplett durchsteuern ... das sollte also kein Problem sein ...

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 08.12.18 16:43.

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Viktor
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VDX
das sollte also kein Problem sein ...

Super, danke! Das macht es dann natürlich viel einfacher

Noch eine andere Frage, wieso sind denn bei jedem LM338 zwei Widerstände in Reihe, bzw. wozu ist der zweite?

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 08.12.18 17:26.

... die "krummen Werte" im Adj-Kreis sind die Shunt-Widerstände, mit denen der Konstantstrom definiert wird ... die 0.1-Ohm-Widerstände dahinter sind ehere "Angst-Widerstände", die eventuelle Unterschiede der einzelnen Stromstufen ausgleichen sollten.

Die stammen noch aus einer Vorgängerschaltung, bei der die LM's als Spannungsregler konfiguriert waren und wo das auch sinnvoll war - in der Konfiguration als Stromregler dürften sie keine ausgleichende Funktion mehr haben und können durch Drahtbrücken ersetzt werden - hab' das bei den letzten paar Treibern auch so gemacht, ohne einen Unterschied gesehen zu haben ...

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Viktor
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... hier nochmal ein Update des Schaltplans ohne die 0.1-Ohm-Widerstände:

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VDX
... hab' den Treiber ausprobiert - ein Nachteil bei den LM317/LM338 als KSQ ist, daß sie je nach Strom-Einstellung zwischen 70µs (bei 2.6A) bis 150µs (bei 600mA) Zeit brauchen, bis sie voll durchschalten.

Vielen Dank für das Überarbeiten!

Kommt die Einschaltdauer eventuell von dem 10k Widerstand R14? Der IRF1404 braucht ca. 150nC am Gate (falls ich das Datenblatt nicht falsch interpretiere), was je nach Eingangsspannung ne weile zum Laden braucht. Bei 12V wären das rund 130us. Im Datenblatt des LM338 glaube ich in den Graphen zu sehen, dass er nur etwa 10us zum schalten braucht. Eventuell würde es etwas bringen den 10k Widerstand durch 1k oder 470 zu ersetzen, dann müsste man allerdings unbedingt prüfen ob die LM338 dann nicht überschwingen oder so. Meine LM338 und Widerstände kommen leider erst im neuen Jahr, daher kann ich es noch nicht testen.

Kann es sein, dass der 3.3kOhm Widerstand R6 ein Fehler ist? Das wäre mit den 10kOhm R14 ein Spannungsteiler der 1/3*Vin am Gate des IRF1404 erzeugt. Wenn der Treiber mit Vin < 12V betrieben wird, öffnet er eventuell nicht mehr richtig. Oder täusche ich mich? Ich denke man kann ihn einfach weglassen oder 1MOhm einbauen.

2-mal bearbeitet. Zuletzt am 08.12.18 20:18.

... ja da war evtl. noch irgendwas mit den Vorwiderständen - muß ich mal nachschauen, hab' momentan aber keine Zeit ... wird etwas dauern ...

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Viktor
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... irgendwie ist aus dem "Forums-Diodentreiber-Projekt" die Luft raus

Nachdem ich über die letzten 2 Jahre an die 10 Dioden mit Treibern an verschiedene Leute abgegeben habe (noch nicht aus der hiesigen Liste) und praktisch überhaupt keine Rückmeldung bekommen habe, kann ich mich auch selber kaum noch aufraffen, mich da wieder/weiter intensiv mit zu beschäftigen

Stattdessen treibe ich meine eigenen "Entwicklungen" weiter - hab' mir ein paar kräftigere IR-Laserdioden mit bis zu 200Watt@976nm CW aus einer 0.2mm-Faser oder bis zu 500Watt@808nm als PWM (da dürfte auch eine 200Watt-Diode drin sein) aus einer 0.4mm-Faser besorgt ...

Und baue gerade Peltier-Kühlungen mit entsprechenden Kühl-Leistungen und Stromtreiber mit bis zu 40A bei 12V dafür auf.

Als nächstes werde ich wohl eher Versuche zum Aufschmelzen von Metalldraht und/oder Schneiden von dickeren Blechen machen, als die 0.4mm Messing und 0.5mm Stahl mit meinem 20Watt-Markierlaser ...

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Viktor
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... irgendwie ist aus dem "Forums-Diodentreiber-Projekt" die Luft raus

Nachdem ich über die letzten 2 Jahre an die 10 Dioden mit Treibern an verschiedene Leute abgegeben habe (noch nicht aus der hiesigen Liste) und praktisch überhaupt keine Rückmeldung bekommen habe, kann ich mich auch selber kaum noch aufraffen, mich da wieder/weiter intensiv mit zu beschäftigen

Stattdessen treibe ich meine eigenen "Entwicklungen" weiter - hab' mir ein paar kräftigere IR-Laserdioden mit bis zu 200Watt@976nm CW aus einer 0.2mm-Faser oder bis zu 500Watt@808nm als PWM (da dürfte auch eine 200Watt-Diode drin sein) aus einer 0.4mm-Faser besorgt ...

Und baue gerade Peltier-Kühlungen mit entsprechenden Kühl-Leistungen und Stromtreiber mit bis zu 40A bei 12V dafür auf.

Als nächstes werde ich wohl eher Versuche zum Aufschmelzen von Metalldraht und/oder Schneiden von dickeren Blechen machen, als die 0.4mm Messing und 0.5mm Stahl mit meinem 20Watt-Markierlaser ...

Mit 200W und 976nm sollte man schon gut einen Metall Lasersinter bauen können. Fehlt nur noch die passende F-Theta linse.
Ich hatte das ganze auch mal vor vor ein paar jahren, da ist aber dann die Luft raus, nicht zuletzt wegen dem fehlenden Wissen, was die Scanner angeht.

... Galvoscanner dafür hatte ich mir auch schonmal herausgesucht - da müssen dann nur mit silber beschichtete Spiegel rein, was die Firmen normal für CO2-Laser machen.

Hab' damit und mit den 25Watt@975nm-Dioden was in Richtung Laserlöten gemacht - hier ein Video zu den ersten Tests: [vimeo.com]

Beim Löten war das größte Problem, zuerst mit geringerer Leistung das Flußmittel herauszudampfen und dann erst vor draufzuhalten ... sonst "zerplatzt" die Lotpaste.

Beim Pulver-Lasersintern mit Dioden ist dagegen eher der zu große Laserspot über den Fokusabstand das Problem - während mit einer kurzbrennweitigen Linse mit 40mm Fokusabstand ein Fokusdurchmesser in etwa dem Faserdurchmesser möglich ist (0.1mm bei einer 0.1mm-Faser ...) ist bei einem Fokusabstand von 176mm, wie bei dem Galvoscanner, der Spot-Durchemsser schon bei 2mm

Mit dem Faserlaser sieht es da anders aus - in 176mm habe ich immer noch knapp 0.04mm !!

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0,1 hört sich ja aber eigentlich schon brauchbar an. Vielleicht wäre es ja auch möglich, statt den scannern eine einfache XY gantry zu machen wie bei einem lasercutter, und dann zu rastern.
Dann würde man sich die teuren scanner sparen.
Ist zwar nicht ganz so schnell (obwohl die ULS Lasercutter bei uns schon knapp 1m/s schaffen), aber man hätte den vorteil dass man einen größeren bereich sintern könnte, ohne einen größeren fokusabstand zu benötigen

... fürs Hobby und preiswert würde ich bei Dioden auch eher auf eine kartesische XY(Z)-Anlage gehen, als auf einen Galvoscanner - damit ist eine deutlich höhere Auflösung auf Kosten der Bearbeitungszei möglich.

Wenn ich mich mal wieder intensiver mit der Entwicklung von SLS- und SLA-Systemen beschäftigen sollte - ich habe da vor Jahre mal zwei "andersartige" Scan- und Positioniersysteme entwickelt, die ohne die komplexen Abstreifer und mit nur einem konstant drehenden Polygon-Scanner zurechtkommen -- allerdings ist die Software da auch etwas "anders", so daß ich hier noch Zeit reinstecken müßte.

Das würde sich aber vermutlich auch noch für eine Firmen-Entwicklung eignen, da es als "echte Innovation" die bisherigen Patente (und auch einige technische Probleme) umgeht ... deswegen halte ich mich damit noch etwas bedeckt

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Viktor
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