Отчего перегорает лазерный диод?

[Xey]

Приводят такие причины перегорания:

Цитата:

Если нужно запустить лазерный диод на столе, от лабораторного БП — следует включить последовательно с ним балластное сопротивление на 10-100 Ом (в зависимости от рабочего тока излучателя), а параллельно диоду — малоиндуктивный конденсатор на 0,01 мкФ. Удобно также ввести в эту цепь резистор на 1 или 10 Ом для измерения тока, протекающего в цепи. При этом недопустимо подключать эту схему к уже включенному блоку питания. Сначала следует вывести напряжение в ноль, а затем плавно, контролируя ток в цепи и выходное излучение, поднять напряжение сначала до порога генерации, а затем до достижения нужной выходной мощности. Выключаем в обратном порядке. При этом нужно убедиться в том, что регуляторы ЛБП не дают "шорохов" при регулировании. В этом смысле лучше подходят цифровые программируемые ЛБП, но и их надо проверять на наличие "иголок" при переходе на следующий уровень напряжения.

https://habr.com/ru/post/589009/

Почему дребезг контакта, шорохи порошкового резистора и "иголки" выводят из строя лазерный диод, который можно модулировать гигагерцами?

[Dmitriy40]

Потому что на выходе практически любого БП (и лабораторные не исключение) стоят достаточно большие конденсаторы, которые в момент разрыва цепи заряжаются до установленного напряжения, а в момент появления контакта разряжаются в диод. И если энергии в конденсаторе хватит, то диод сгорит. Не только лазерный, но и обычный, в том числе маломощные светодиоды так "удобно сжигать" (особенно малоквалифицированному персоналу). Особенно это относится к линейным БП, у которых конденсаторы на выходе от десятков до тысяч мкФ, у высокочастотных импульсных БП конденсаторы могут быть и единицы мкФ и энергии в них может не хватать для сжигания светодиодов (про лазерные не уверен, скорее всё же сгорят). Потому мощные светодиоды могут и не сгореть, маломощные же (лазерные кстати обычно маломощные) сгорят.
Речь про именно самый последний конденсатор, ближе всего к выходному разъёму (нагрузке), после всех фильтров и индуктивностей (которые сгладят бросок тока).

Второй причиной может стать скорость срабатывания ограничения тока в БП, она не мгновенная и в момент появления контакта с нагрузкой ток может и превысить установленный номинальный/безопасный для диода. Превысить в разы. И этого обычно достаточно для перегорания диода (и лазерного и свето).

Ну а модуляция диода происходит не превышая его рабочие режимы (с учётом скважности).

-- 23.11.2021, 14:38 --

А, да, про "шорохи" регулирующих элементов. В момент "шороха" контакт в регулирующем элементе пропадает и часто БП "видит" что установлено максимально возможное напряжение (или ток) (вот такова схемотехника БП, не подумали разработчики о безопасности использования) — ну и пытается его выдать, пока контакт в регулирующем элементе снова не появится. Если бы эти "шорохи" были микросекундного диапазона то не страшно, выходными конденсаторами это погасилось бы, но "шорохи" бывают и миллисекундного диапазона, и десятки мс, столько конденсаторы (даже вкупе с индуктивностями) уже не погасят и импульс тока или напряжения легко пройдёт на выход/нагрузку. Маломощные лазерные диоды и светодиоды приборы нежные, это не резистор и не лампа накаливания, они такого не переживут. Не всегда 100% сгорит, но достаточно часто чтобы помнить об этом.

-- 23.11.2021, 14:46 --

Про иголки заявление странное, похоже это именно пробой статикой, не током. Но субмикросекундным иголкам высокого напряжения обычно неоткуда взяться, так что защита кондёром 0.01мкФ спорна (но уж точно и не мешает). Конечно если не касаться оголённых проводов к нагрузке.

[Vladimir-80]

Dmitriy40 в сообщении #1540247 писал(а):

на выходе практически любого БП (и лабораторные не исключение) стоят достаточно большие конденсаторы, которые в момент разрыва цепи заряжаются до установленного напряжения, а в момент появления контакта разряжаются в диод.

Ну и пусть себе разряжаются - если заряжены до рабочего напряжения и не выше. Токоограничительный резистор же есть.

[Dmitriy40]

Vladimir-80 в сообщении #1540250 писал(а):

Ну и пусть себе разряжаются - если заряжены до рабочего напряжения и не выше. Токоограничительный резистор же есть.

Это когда он есть. В самом БП его обычно нету (в смысле есть, но не между выходным кондёром и клеммами подключения нагрузки). О чём и речь в цитате с хабра, что его надо ставить и тогда сгорать не будут.

И ещё, Вы никогда не знаете реальное номинальное напряжение светодиода или лазерного диода, оно зависит от температуры, от тока, от технологического разброса на производстве, а отличие даже в 0.1В при сопротивлении проводов до диода в 0.1Ом (которые вместе с ESR кондёра только и будут токоограничивающим элементом) даст пиковый ток в 1А, его легко отдаст любой электролит, чего (при достаточной энергии в импульсе с выходного кондёра) вполне достаточно для сгорания маломощных светодиодов и лазерных диодов. Если хотите точно прикинуть, то берите разницу между максимальным и минимальным номинальным напряжением для диода (если можете, то для заданной температуры), считайте сколько джоулей отдаст выходной кондёр при разряде между ними и сравнивайте с максимально допустимой энергией импульса для диода. Если заметно меньше допустимой для диода - скорее всего не сгорит.

Ситуация из жизни: берём линейный лабораторный БП с ограничением тока, выставляем честные 10мА (даже вдвое меньше номинального), номинальное напряжение скажем 1.9В (для маломощного красного светодиода), пачку гарантированно рабочих светодиодов даже одной партии, каждый подключаем к клеммам настроенного ЛБП и отбраковываем те что не горят (а лишь вспыхивают один раз ). В брак попадает от 0% до 100%, совершенно непредсказуемо. Напомню, гарантированно рабочих (до такой "проверки"). Любимое издевательство опытных инженеров над новичками ... С импульсными БП проходит реже, у них кондёры на выходе меньше и энергии импульса с него уже не хватает сжечь светодиод.
Замечу что особенно забавно когда два практически одинаковых ЛБП рядом на столе при одинаковых настройках (по суперточным приборам) один сжигает светодиоды, второй нет. Вот новички шизуются не понимая что происходит ... А дело в выходной ёмкости, у первого значительно больше чем у второго. ЛБП могут даже называться одинаково, только производитель разный. Или даже один, но разной партии (годов выпуска) ...

-- 23.11.2021, 16:33 --

Пожалуй поправлюсь:

Dmitriy40 в сообщении #1540247 писал(а):

Второй причиной может стать скорость срабатывания ограничения тока в БП, она не мгновенная и в момент появления контакта с нагрузкой ток может и превысить установленный номинальный/безопасный для диода. Превысить в разы. И этого обычно достаточно для перегорания диода (и лазерного и свето).

Для нормально спроектированного БП это редкость, номинал выходного кондёра (и вообще выходной фильтр) как раз и рассчитан так чтобы поглощать все возможные всплески за время срабатывания петель обратных связей, удерживая выходные параметры в пределах нормированных допусков.
Но непредсказуемость дребезга контактов (подключения нагрузки) может привести к некоторому подобию резонанса (попасть в такт колебаниям управляющих воздействий из-за ООС) и привести к заметному превышению выходных параметров над установленными, на временах порядка нескольких задержек ООС (типичные времена в единицы-десятки-сотни микросекунд). Плюс индуктивные выбросы при резком падении тока если выходной фильтр на индуктивностях. Хватит ли этого для сгорания диодов вопрос отдельный.
Конечно это сильно реже первой причины (с выходным кондёром), но тоже случается.

[EUgeneUS]

Dmitriy40 в сообщении #1540247 писал(а):

Про иголки заявление странное, похоже это именно пробой статикой, не током.

Автор статьи на хабре, в числе прочего, описывает COD — Catastrophic optical damage.
Суть явления, если кратко:
1. При возникновении даже небольшого дефекта на зеркалах оптического резонатора, далее разрушение зеркала происходит лавинообразно, катастрофически. Даже при номинальном питании.
2. А дефект может возникнуть даже при кратковременном превышении оптической мощности.

[Dmitriy40]

EUgeneUS
Спасибо, хабровскую статью я поленился смотреть, отвечал про лазерные диоды и БП, а оптическое разрушение характерно скорее для больших мощностей или энергий.

[Xey]

Dmitriy40 в сообщении #1540254 писал(а):

отвечал про лазерные диоды и БП

Автор статьи на хабре, упоминает недостатки источников тока на операционных усилителях (примерно как и Вы):

Цитата:

Но на самом деле выход ОУ — это источник напряжения. И источником тока его делает активная работа ОУ. Как только ОУ не успевает — источник тока перестает быть таковым. В частности, когда эту схему включают, на фронте может образоваться выброс, и это будет выброс напряжения. Соответствующий ему бросок тока на нелинейной нагрузке окажется значительно выше, не говоря уже о выбросе излучаемой лазером мощности.

По мне, так лучшим вариантом блока питания будет простейшая схема с источником напряжения (20 вольт) и балластным сопротивлением (1 килоом), она всегда "успеет". Автор статьи пишет об этом:

Цитата:

Если нужно запустить лазерный диод на столе, от лабораторного БП — следует включить последовательно с ним балластное сопротивление на 10-100 Ом (в зависимости от рабочего тока излучателя), а параллельно диоду — малоиндуктивный конденсатор на 0,01 мкФ.

Непонятны вот эти предостережения

Цитата:

При этом недопустимо подключать эту схему к уже включенному блоку питания. Сначала следует вывести напряжение в ноль, а затем плавно, контролируя ток в цепи и выходное излучение, поднять напряжение сначала до порога генерации, а затем до достижения нужной выходной мощности. Выключаем в обратном порядке. При этом нужно убедиться в том, что регуляторы ЛБП не дают "шорохов" при регулировании.

Про шорохи встречал много раз, рекомендуют не порошковое, а проволочное переменное сопротивление.

Иголки это видимо возможные выбросы ЦАП при формировании выходного напряжения.

[Dmitriy40]

Xey
Про "шорохи" я уже сказал. В грамотно спроектированном БП они не опасны даже когда есть (потому что никогда не увеличивают установки параметров). Hint: почти все типовые схемы включения что ОУ, что "кренок" (микросхемных стабилизаторов) в этом плане неграмотны.
Порядок включения и выключения связан с дребезгом контактов подключения нагрузки, тоже объяснил.
20В/1кОм перебор, при этом резистор нужен минимум 0.5Вт (а лучше 1-2Вт), вполне достаточно превышения номинального напряжения на вольт-два и резистора в десятки Ом (буквально какой будет под рукой).
В скорости срабатывания ООС как причине я уже сам усомнился, хотя и привёл её, но в грамотно спроектированном БП она учтена.

Собственно для маломощных свето- и лазерных диодов основная причина в выходной ёмкости и фактическом отсутствии токоограничивающего резистора между ней и диодом (десятые-сотые доли Ома проводов и клемм таковыми не являются), думаю она покрывает 98% случаев. Для мощных (примерно от ватта и более) — тепловой перегрев, и не сразу при включении, а позже, когда поток тепла достигнет поверхности съёма и пойдёт вверх температура радиатора, при ограничении тока в БП их сжечь трудно, субмиллисекундные всплески они "прощают". А оптическое разрушение я бы отнёс к мощностям выше десятков ватт, про них можно забыть, в руки любителей они не попадают, как и например электронные микроскопы.

[EUgeneUS]

Dmitriy40 в сообщении #1540350 писал(а):

А оптическое разрушение я бы отнёс к мощностям выше десятков ватт, про них можно забыть, в руки любителей они не попадают, как и например электронные микроскопы.

Автор статьи на хабре, напротив, указывает, что "оптическая катастрофа" более характерна для маломощных диодов.

Это вполне понятно. Вероятность возникновения дефектов на зеркале зависит не от общей мощности, а от плотности мощности на зеркале. И даже у лазерного диода с небольшой мощностью плотность мощности может оказаться весьма высокой.

Пара цитат из статьи на хабре, болд мой.

Цитата:

Важно то, что для возникновения зародыша достаточно превышения мощности на несколько наносекунд. И раз начавшись, COD будет развиваться, даже если превышение допустимой мощности излучения не будет продолжаться, при номинальной и даже пониженной мощности.

Конечно, существуют и другие сценарии гибели лазерного диода — как в виде постепенной деградации, так и катастрофической — связанные с образованием скоплений дислокаций, так называемых "темных нитей" в толще активной зоны, с термодиффузионным "размытием" гетеропереходов, с термическим разрушением активной зоны протекающим через нее током. Но во многих случаях именно COD является лимитирующим фактором, определяющим "точку выхода из строя". Не в последнюю очередь это связано со скоростью его развития: кратковременный, наносекундной длительности, запредельный бросок излучаемой мощности может быть обусловлен переходными процессами при включении или выключении, и даже слабым разрядом статического электричества. Из-за этого лазерные диоды, особенно маломощные, являются одними из наиболее подверженных статическому электричеству компонентов.

Цитата:

Не у всех лазерных диодов "живучесть" ограничивается выходной мощностью. Некоторые диодные лазеры обладают столь малой дифференциальной эффективностью (наклоном ампер-ваттной характеристики), что они не достигают порога COD раньше, чем выйдут из строя от перегрева слишком большим током. Таковы многие зеленые лазерные диоды на 520 нм, некоторые мощные синие лазерные диоды. В меньшей степени подвержены COD из-за большой площади зеркал резонатора и VCSEL лазеры. Но у большинства распространенных типов полупроводниковых лазеров именно выходная оптическая мощность ограничивает область безопасной работы в непрерывном режиме.

[Dmitriy40]

Хм, интересно, спасибо, похоже стоит статью таки почитать.
У меня нет данных чтобы с этим спорить. Надеялся что параметры оптических элементов с большим запасом перекрывают требуемые, но если это не так ... Тогда соотношение рисков надо пересмотреть, тот же дребезг контактов будет важнее чем я думал.
В опасные наносекундные импульсы статики по прежнему не верю (они до рабочего тела не дойдут, размажутся), а микросекундные не обладают достаточной мощностью (взял с потолка).

-- 24.11.2021, 18:47 --

(Всё же не удержусь прокомментировать)

EUgeneUS в сообщении #1540391 писал(а):

Вероятность возникновения дефектов на зеркале зависит не от общей мощности, а от плотности мощности на зеркале.

Не только: какой бы большой ни была мощность, если энергии в импульсе не хватает для ионизации атома, то ничего не произойдёт. Я уже год-два назад спорил с кем-то что в зависимости от соотношений мощности и энергии разрушение может произойти по разным сценариям, а может и вовсе не произойти. Там речь была про тепловой пробой, агитировали за гигаватты, сжигающие обычный электрический чайник за микросекунды, я же приводил 4 разных варианта происходящего, в одном или двух из которых гигаватты были, а чайник оставался рабочим. Причём примеры были с конкретными цифрами. Так что нет, одной мощности недостаточно.

[Xey]

Dmitriy40 в сообщении #1540350 писал(а):

Собственно для маломощных свето- и лазерных диодов основная причина в выходной ёмкости и фактическом отсутствии токоограничивающего резистора между ней и диодом (десятые-сотые доли Ома проводов и клемм таковыми не являются), думаю она покрывает 98% случаев.

Т.е. примерно так, если вместо батареек применен БП с емкостью?


Есть похожая схемка, только у нее параллельно диоду добавлена емкость. Эта емкость не нужна?

[zykov]

Ёмкость параллельно диоду нужна разве что только от каких то коротких высоких всплесков напряжения.
Актуально или нет - зависит от окружения. Могут ли например какие-то индуктивности при размыкании давать большие пики напряжение или нет.

[Dmitriy40]

Xey в сообщении #1540507 писал(а):

Т.е. примерно так, если вместо батареек применен БП с емкостью?

Да, так. С оговоркой про возможное оптическое разрушение, смотри выше. Ну и резистор не абы какой, а ограничивающий ток диода до номинального (при ограничении тока в БП можно и немного выше номинального, главное не в разы).

Xey в сообщении #1540507 писал(а):

Есть похожая схемка, только у нее параллельно диоду добавлена емкость. Эта емкость не нужна?

Кондёр порядка десятка нФ в параллель диоду я не вижу от чего реально будет спасать, тут особых иголок (субмикросекундных) быть не должно, это не цифровая схема, а от дребезга контактов его недостаточно (RC всего порядка микросекунды). Вот если поставить единицы мкФ, чтобы RC была под мс, это полезнее, фронт задавит, заодно и любой шум с БП (работу ООС) сгладит. Но при ограничении резистором (и в БП) тока до номинального на безопасности диода это мало скажется, скорее на качестве его питания.
Ну и совсем общий совет, на всякий случай: резистор ставить поближе к диоду, чтобы индуктивность проводов была до резистора, а не около диода.

[Xey]

Вот эта схема с ненужными (?) емкостями.

https://hsto.org/getpro/habr/post_image ... 96a7d7.jpg

[Dmitriy40]

Xey
Да, такая. Только резистор маловат, я бы поставил больше, тут же для белого светодиода (на лазерный сами пересчитайте) ток ограничивается до $(3.6\text{В}-2.8\text{В})/2\text{Ом}=0.4\text{А}$, если таков номинальный, то ОК, а для маломощных с 20мА это огромный перебор.
Ну и 200мкФ тоже немало так скажем, хотя для рабочего тока 0.3А как раз в тему (RC под мс).
Мне остаётся повторить что я не вижу большого смысла в C1. Но хуже точно не будет.