Konstantstrom Lasertreiber

[MaxZ]

Hallo zusammen,


Basierend auf VDX' simplen LM338 Lasertreiber habe ich mich dran gemacht, meine eigene Version davon zu basteln (warum steht hier). Das Ergebnis möchte ich euch natürlich nicht vorenthalten.

Edit 13.03.22: Aktualisierte v1.1 angehängt. Details weiter unten. Dieser Post beschreibt nach wie vor die ursprüngliche v1.0
Edit 14.03.22: Aktualisierte v1.2 angehängt. Details ab hier. Veraltete v1.1 in diesem Post entfernt.

Features:

• 9V-24V Eingangsspannung, geeignet für Dioden bis zu 6V, 0-3A Strom, einstellbar in 0,1A Schritten.
• Vorgeschalteter Schaltregler. Die Platine wird mit 12V versorgt. Bis auf die <4V müsste der Linearregler einiges verheizen. Daher ein Schaltregler, der auf 8V regelt (fix). Wollte ohnehin mal so einen verwenden.
• 65mm x 30mm Platine
• Alu PCB. War zu billig* um es nicht mal zu versuchen. Außerdem wollte ich so sicherstellen keine thermischen Probleme zu bekommen oder große Kühlkörper zu brauchen.
  • Hat den Nachteil dass es ein einlagiges Layout werden musste. Scheinbar kann man auch mehrlagige, einseitige Layouts auf Alu PCBs bei PCBWay fertigen lassen aber dazu konnte ich nicht viele Infos finden.
• Alle Unterlagen im Anhang
  • KiCad Dateien
  • Gerber Dateien
  • Oszi-Screenshots
  • Interactive BOM (Super praktisch für die Bestückung!)
  • Bonus: Sicht auf meine frisch eingerichtete Elektronik-Ecke. Sind aktuell die einzigen 10% meiner Werkstatt die aufgeräumt und halbwegs eingerichtet sind

Wie auf dem Layout zu sehen ist, hatte ich im Footprint vom Schaltregler zwei Pins vertauscht... Sorgt immerhin für einen angemessenen Frickel-Faktor Apropos: dem Frickel Faktor zuliebe (und ganz bestimmt nicht aus Unachtsamkeit heraus) hab ich vergessen die passende Diode für den Schaltregler zu bestellen, und die Pinouts von zwei der Steckern passen auch nicht... Der aufmerksame Beobachter findet noch zwei weitere gefrickelte Stellen

Btw. Die Alu Platine ist wirklich gut im Abführen der Wärme... Ist nur doof wenn man löten will Ein Heizbett habe ich (noch) nicht, aber mit Heißluft ging es recht gut. Allerdings fehlt mir noch gescheites Flussmittel fürs Heißluftlöten. Vielleicht habt ihr ja eine Empfehlung?

Vom falschen Pinout mal abgesehen scheint die Schaltung soweit zu funktionieren. Was ich jedoch nicht verstehe, ist warum der Ausgangsstrom zu Beginn diesen s-förmigen Verlauf hat. Noch weniger verstehe ich, warum die PWM-Frequenz diesen Verlauf beeinflusst, nicht aber die Pulsweite. Und nochmals weniger verstehe ich, warum bei sehr niedrigen Pulsweiten die Stromkurve zwischen zwei Formen hin und her springt
Was ich geprüft habe (siehe Oszi Bilder):

• Die eingehenden 12V sind (ausreichend) stabil
• Die 8V vom Schaltregler sind gleichermaßen stabil
• Der Ausgangsstrom ist auf 1,5A eingestellt (alle Steckbrücken bis auf die 1,6A Steckbrücke gesetzt)
• Als Last dienen zwei niederinduktive 1 Ohm 3W Widerstände in Reihe genutzt. Der Spannungsabfall über einen von beiden ergibt das Stromsignal auf dem Oszilloskop gemessen.
• Wird nur ein einzelner 1 Ohm Widerstand verwendet, sieht das Signal besser aus. Bei niedrigerem Strom ebenfalls.

Meine beste Hypothese ist, dass der LM338 besser funktioniert wenn über ihn eine höhere Spannung abfällt. Das passt jedenfalls zum letzten Punkt. Lt. Datenblatt soll man 3V vorsehen, das ist im gegebenen Testzenario aber gegeben (8V - 1,5A*2Ohm = 5V).
Dieser Verlauf ist sicherlich besser als Überschwinger aber es erscheint mir trotzdem nicht richtig...

Die Dateinamen enthalten alle Infos zu den gemessenen Signalen. In manchen Bildern sind die Einstellungen vom aktuellen PWM Signal auch auf dem Screenshot sichtbar (Menü rechts).

SCR14b 2Ohm 10kHz 20%, M1 Output Current, R1=M1 SCR11

SCR16b 2Ohm 5kHz 10%, M1 Output Current, R1=M1 SCR11

SCR19 2Ohm 5kHz 20%, C2 PWM In, C4 MOSFET Out, M1 Output Current

SCR20 2Ohm 5kHz 20%, C2 PWM In, C4 Opto Out, M1 Output Current

SCR21 2Ohm 5kHz 20%, C2 PWM In, C4 MOSFET Gate, M1 Output Current

SCR22 2Ohm 5kHz 20%, C2 PWM In, C4 +12V, M1 Output Current

SCR23 2Ohm 5kHz 20%, C2 PWM In, C4 8V Prereg, M1 Output Current

SCR25 1Ohm 10kHz 3%, C1 Shunt+, C2 PWM In, C3 Shunt-, C4 Not Conn., M1 Output Current

SCR26 1Ohm 10kHz 4%, C1 Shunt+, C2 PWM In, C3 Shunt-, C4 Not Conn., M1 Output Current

SCR27 1Ohm 10kHz 10%, C1 Shunt+, C2 PWM In, C3 Shunt-, C4 Not Conn., M1 Output Current

Eine Version ohne LM338 (mit OpAmp) ist auch schon in Arbeit. Sobald sie ausgereift ist, werd ich sie natürlich auch vorstellen


Viele Grüße,
Max

[Thunderbolt]

Sind das Drahtwiderstände? könnte es sein, dass die Induktivität die kurvenform beeinflusst?
evtl. mal 'n bündel metallfilm widerstände verwenden?

[MaxZ]

Ich weiss nicht wie genau sie aufgebaut sind aber ich hatte sie gemessen und die Induktivität liegt irgendwo bei ein paar nH. Daher hatte ich sie auch als „niederinduktiv“ beschrieben.

Liebe Grüße,
Max

[VDX]

... auch interessant! -- wieviel Strom können die kleinen Widerstände mit Kontaktkühlung ab?

Viktor

[Norbi]

Wie dick ist denn das Kupfer auf so einem Alu-PCB?
Aber naja das Leiterbahnchen da am LM338 Ausgang ist ja gut durch das Alu gekühlt :p

[VDX]

... die Typen die wir hatten, gabs (soweit ich mich erinnere) mit 35µm und 70µm ...

Viktor

[MaxZ]

@Norbi: 35um. Glaub 70um war auch ne Option bei PCBWay, aber viel, viel teurer. Alle Strompfade sind 0,5mm breit. Das ergibt knapp 10mOhm/cm oder (bei 3A) 90mW/cm. Sollte insgesamt also <0,4W verteilt über die halbe Platine beitragen. Erwartungsgemäß waren keine Bahnen im Wärmebild zu sehen; alles einheitlich.

@VDX: Im Schaltplan ist die erforderliche/verwendete Leistungsklasse vermerkt. Geht von 1/4W bis hin zu 2* 1W. Auf einer normalen Platine würde man die Leistungsgrenze wohl nicht gänzlich ausreizen, zumal wenn sie so nahe aneinander sitzen. Aber da sie hier quasi auf einen Kühlkörper gelötet sind, habe ich keine Probleme erwartet. Vielleicht hätte man sogar z.T. kleinere Widerstände nehmen können, aber das setzt voraus, dass diese keine Hotspots im Inneren bekommen. Darauf wollte ich mich nicht einlassen.
Jeden einzelnen Strompfad (also jede Steckposition des Jumpers) konnte ich problemlos voll belasten; d.h. die Widerstände sind wie erwartet gut gekühlt. Unter Volllast dürfte sich daran wenig ändern, nur würde die Platine insgesamt wohl deutlich wärmer werden und vielleicht sogar Kühlung brauchen (auf dem Lasercutter wird die Platine ja auf ein Aluprofil montiert; das sollte schon einiges wegschaffen).
Wie gesagt habe ich noch keinen Test bei Vollast gemacht, aber bei 1,5A (@3V und 50% PWM Tastgrad => ~5W Verlustleistung auf der Platine) erwärmt sich die Platine sehr gleichmäßig auf 40-50°C; das Aluminium sorgt sichtlich für eine gute Wärmeabfuhr von den Hotspots. Die Gehäuse vom Schaltregler, dem LM338 und einem der Widerstände waren ca. 10°C wärmer. Der winzige IRLML0030 MOSFET, der den Laserstrom schaltet, erwärmt sich dagegen nicht sichtbar. Sehr erfreulich.
Kann ein paar Wärmebildaufnahmen machen bei Interesse.

Nachtrag: Wenn ich so darüber nachdenke, es wäre vielleicht klüger gewesen, den MOSFET parallel zum Ausgang zu schalten. Somit würde der LM338 dauerhaft im CC Betrieb bleiben. Würde jedoch auch zu mehr Verlusten führen…


Liebe Grüße,
Max

[VDX]

... wenn ich Bedenken wegen zuviel Strom habe, dann löte ich einen dicken Kupferdraht entlang der Leiterbahn -- bei meinen "regelbaren" Treibern habe ich 2 oder 4 MOSFETS parallel - die habe ich dann bis 10A oder 20A ausprobiert ... brauche für die großen Laserdioden 35A, will das bei Gelegenheit auch mal austesten - sonst eben 6x parallel

Viktor

[Bastl_r]

Mein verdacht für den S-förmigen Stromverlauf wäre auch der LM338.
Beim Einschalten des Mosfet erkennt man einen steile Flanke wrauf der LM den weiteren Verlauf erst einmal zu begrenzen beginnt. Wenns dann nicht ganz so steil weitergeht macht er wieder weiter auf.

[VDX]

... ja, diese "Stufe" beim ersten Durchsschalten ist bei den LM's typisch - schaust du mal hier -- ich habe hier 5 LM338 geschaltet und kann jeden einzelnen an "seiner" Schaltstufe erkennen:

viewtopic.php?t=64120&start=66


Ab dem 2. oder 3. Puls in kurzer Abfolge wird das "sauber" ...

Viktor

[Norbi]

Hm ich bemerke gerade dass ich Leiterbahnen wohl immer etwas überdimensioniert habe :p Hätte ich wohl selber mal die Mühe investieren sollen das mal nachzurechnen.......

Nachtrag: Wenn ich so darüber nachdenke, es wäre vielleicht klüger gewesen, den MOSFET parallel zum Ausgang zu schalten.

Vielleicht könnte man auch den Widerstand am Ausgang schalten. Müsste man den Mosfet nur vor die Verbindung zum Adjustment Pin vom LM setzen und einen Widerstand parallel zum Mosfet dass der LM immer irgendwie 1mA Durchlässt. Bräuchte man nur einen Treiberbaustein oder mehr Spannung zum Ansteuern dass der Potentialhub nicht so schlimm ist.

[MaxZ]

@VDX: Bei den 5-10kHz mit denen ich getestet habe, sind alle Pulse gleichermaßen betroffen. Aber gut zu wissen dass es vom LM338 kommt.

@Norbi:Ich kann das Programm Saturn PCB Toolkit sehr empfehlen. Ist gratis und kann so ziemlich alles berechnen was mit Platinen zu tun hat.

Ich hatte irgendwo gelesen (finds grat nicht mehr), dass der LM338 mit 10mA min. belastet werden müsste, weil er sonst nicht ordentlich regeln kann. Daher habe ich im Schaltplan einen 560R Widerstand von LASER_POS zu GND hinzugefügt. Dieser sorgt dafür, dass der LM338 - unabhängig vom PWM Signal - immer mit 10mA (oder halt mehr) belastet wird. Der Effekt ist sehr deutlich; dieser lahme S-Verlauf ist weg, dafür scheint es jedoch einen kräftigen Überschwinger zu geben. Ich hatte zuerst auf einen Messfehler getippt, aber ein Verändern der Masseschleifen von den Tastköpfen (zusammendrücken, auseinander drücken, ...) hat keinerlei Einfluss auf den Signalverlauf.
Die Form des Überschwingers bleibt auch gleich wenn man den Widerstand von 500R hin zu 5k variiert.

SCR28 0.83A+10mA, 2Ohm, 10kHz 6%, C2 PWM In, M1 Output Current

SCR29 1.50A+10mA, 2Ohm, 10kHz 6%, C2 PWM In, M1 Output Current

Ich frage mich, ob das hiermit zu tun hat (Zitat aus dem TI Datenblatt):

Although the LM138 is stable with no output capacitors, like any feedback circuit, certain values of external capacitance can cause excessive ringing. This occurs with values between 500 pF and 5000 pF. A 1 μF solid tantalum (or 25 μF aluminum electrolytic) on the output swamps this effect and insures stability.

Und wenn ja, ob es Abhilfe gibt.

So nebenbei habe ich auch eine verbesserte Version der Platine erstellt, die die im ersten Post genannten Fehler der ersten Version korrigiert. Und das Layout sieht etwas hübscher aus Dateien im Anhang und auch im ersten Post angehängt. Ich habe u.a. auch den Platz geschafft für XH statt PH Sockel. Diese gibt's zwar nicht von JST selbst als vertikale SMD Sockel, jedoch durchaus auf Aliexpress. Als ich die erste Version entworfen hatte, wusste ich das noch nicht, daher die etwas kleineren PH Stecker (theoretisch. Praktisch habe ich einfach Kabel mit XH Sockel angelötet).
Im Rendering sind die THT Sockel zu sehen; ähnlich genug

Viele Grüße,
Max

[Norbi]

Ah vielen dank, muss ich mal ausprobieren wenn ich nächstes mal was mache.
Ich nehme mal an dass der massive Überschwinger daher kommt dass der Mosfet schneller einschaltet als der LM seinen Widerstand hochregelt.

Wenn dieser "Standby Widerstand" hinter dem Adj Pin ist werden da die 1,25V am Pin nicht erreicht, der LM338 versucht dann so verzweifelt so viel Strom durchzuschaufeln wie möglich und schaltet vollkommen auf Durchzug. Wenn der Mosfet dann eingeschaltet wird sind anfänglich Mosfet und auch der LM voll leitend bis der Spannungsregler runterregelt.

Bei meinem Treiber mit Opamp hatte ich auch ein paar Überschwinger gehabt, da habe ich einen Tiefpass aus einem Kondensator und ein Widerstand an den Eingang gepackt. Du könntest in der Schaltung als einfache Maßnahme einen massiven Gatewiderstand am Mosfet benutzen und evtl. noch einen Kondensator zwischen Gate und Source dass der schön gemächlich einschaltet.

Ist halt die Frage wie schnell der Laser moduliert werden soll. Ich hatte bei mir angepeilt dass 1kHz eigtl ausreicht und das dann so ausgelegt dass es ruhig 10µS dauern darf bis die 100% Leistung erreicht sind, bei 40A und einer 300€ Diode ist man etwas konservativer :p. Vielleicht reichen bei so kleinen Dioden auch 2,5µS, muss man mit den werten beim Teifpass mal ausprobieren.

Einen Kondensator am Ausgang würde das ganze auch noch ordentlich glätten. Ich habe den bei mir direkt an die Diode geschraubt wo der mit einer Schottkydiode noch ein wenig als ESD Schutz dient.

[VDX]

... was ziemlich heftige Störungen verursacht, sind diese kleinen DC-DC-Regler bzw. "Schaltnetzteile" mit um die 100kHz-Basisfrequenz -- ein damit aufgebautes 24V@10A-Modul, das mir vor Jahren ein Isel-Elektroniker designt hatte, ließ sich bis etwa 3.5A sehr gut regeln, aber auch mit ähnlichen "Einschwingern" ... darüber fing es dann aber an wie verrückt zu schwingen und hat einen "Wald" von Spikes mit bis +90A (und beim Ausschalten bis -40A!) produziert !!!

Schau mal, ob du das auch hast, wenn du den LM338-Regelkreis mit einer externen "linearen" Spannungsversorgung betreibst ...

Viktor

[MaxZ]

@Norbi: Die Erklärung macht durchaus Sinn; interessant nur dass es nicht zutrifft wenn keine 1-10mA im "Leerlauf" fließen. Intuitiv hätte ich erwartet, dass es dadurch noch schlimmer werden würde.

@VDX: Ich neige dazu den Buck auszuschließen. Zum Zeitpunkt des Überschwingers ist der nämlich gar nicht am Schalten und die generierten 8V (gemessen am Eingang vom LM338) sind ebenfalls sauber. Außerdem hätte ich in dem Fall erwartet, dass das Problem auch ohne den 560Ohm Widerstand auftritt.

SCR30 1.5A+10mA, 2Ohm, 10kHz 18%, C2 PWM In, C4 8V Prereg, Output Current

SCR31 1.5A+10mA, 2Ohm, 10kHz 18%, C2 PWM In, C4 Buck Switching, Output Current

Marco Reps hat in seinem Video einen interessanten punkt aufgeworfen, nämlich dass manche Laserdioden mit steilen Steomanstiegen nicht klar kommen. Das war mir gar nicht so bewusst. Insofern könnte man das schlechte Ansprechverhalten ohne Widerstand auch als Feature betrachten.


Liebe Grüße,
Max