Asservissement de la puissance d'une diode Laser 405nm

Comment asservir précisément la luminosité d'une diode laser.

Cet article est la suite logique de celui décrivant le photo-traceur laser .
Pour cette usage, la puissance de la diode laser doit être maîtrisée afin de lui assurer une bonne durée de vie, et de garantir un flashage du film suffisant pour que les pastilles et les pistes accrochent bien au support de cuivre, sans déborder sur les objets avoisinants.


Attention : La manipulation d'une diode laser peut comporter un danger. Selon la puissance et la longueur d’onde d’émission du laser, celui-ci peut représenter un réel danger pour la vue et provoquer des brûlures irréparables de la rétine. Le faisceau laser est dangereux dans l'axe, mais également en réflexion (sur une surface métallique par exemple). La rétine est irrémédiablement endommagée BIEN AVANT que le réflexe pupillaire n'ai pu intervenir. Les lunettes tintées "de protection" n'offrent qu'une protection limitée contre une diffusion du faisceau (si puissance faible, quelques mW), mais PAS contre une réflexion. Les plus dangereux sont les lasers infra-rouge ou ultra-violet dont le rayon est invisible. Cet article n’est donc présenté qu’à titre d’information.

D'autre part je décris ici ce que JE fais, cette étude est en cours, je ne garantis pas la stabilité du montage ni la longévité de la diode laser. Je verrai à l'usage et je vous tiendrai au courant de dysfonctionnements éventuels et des solutions envisagées. Si je grille ma diode, c'est mon affaire. Si vous grillez la votre... surtout que ce n'est pas donné ces petites bestioles !

1 Les données du problème à résoudre :

Voici comme nous l'avions déjà vu, la courbe de luminosité d'une diode laser en fonction du courant qui la traverse : une simple droite ! On pourrait en conclure qu'il est donc très simple de gérer la luminosité en réglant le courant.

Et bien ce n'est pas si simple justement. On constate déjà que la courbe monte très vite. Donc faut être précis. On remarque également que la courbe ne passe pas par zéro.
Pour des intensités inférieures à un valeur de seuil (threshold current) la luminosité reste très faible (en fait la diode fonctionne alors comme une simple LED, dans un régime qui n'est pas laser, la lumière émise n'est pas cohérente (photons pas tous en phase) et surtout la source apparente n'est pas ponctuelle donc la tache de focalisation reste relativement grande). Il n'y a pas mise en oscillation de la cavité résonante au sein du semi-conducteur et l'émission des photons n'est pas stimulée.

A partir de la valeur de seuil, l'effet laser se déclenche et la luminosité augmente très rapidement avec le courant. Il y a bien entendu une valeur de courant à ne pas dépasser qui correspond à une puissance maximale admissible (P= U x I) mais ce n'est pas la seule limitation. Avant d'atteindre cette limite, la luminosité devient suffisante pour détériorer le miroir semi transparent de sortie du cristal (en fait il s'agit simplement d'une surface polie). Si cette valeur est atteinte, même pendant un temps très bref, la diode laser se transforme définitivement en une simple LED !

Il faut également savoir que la valeur du courant de seuil dépend de la température (toute la courbe translate horizontalement). Donc si on impose un courant fixe, la luminosité variera d'un jour à l'autre, d'un instant à l'autre même, lors de l'échauffement normal de la puce en fonctionnement, et pourra très facilement dépasser la valeur maximale autorisée.

C'est la raison pour laquelle les fabricants ajoutent une photo-diode ("PD") dans le boîtier reliée à la troisième patte. Le courant qui traverse cette photo-diode (correctement alimentée) est fonction de la luminosité de la diode laser (LD). C'est cette information qui va nous servir à piloter précisément le courant dans la LD.

2 Le schéma du driver :

Je vais maintenant vous expliquer le fonctionnement en détail.


3 L'étage générateur de courant constant : LM317

Le LM317 est un régulateur de tension ajustable, qui connecté de cette façon devient un générateur de courant constant. Il adapte en permanence sa conduction afin que le courant qui passe dans la résistance de 22 ohms produise une tension de 1,25V aux bornes de cette résistance. Ce courant est donc égal à 1,25/22 = 57mA. Ce courant alimente la diode laser et est bien inférieur au maximum indiqué sur son datasheet (70mA). La régulation qu'on se propose de faire tournera quant à elle autour de 40mA. L'idée est de dériver une partie de ce courant dans un circuit qu'on va placer en parallèle sur la diode. Nous verrons cela au paragraphe suivant.

Le LM317 est alimenté en amont par un transistor MOSFET canal P (IRF9Z24 ) en tout ou rien (0V ou 12 V). Un transistor NPN (BC548) en montage émetteur commun permet d'utiliser une commande en 5V référencée à la masse, issue d'un microprocesseur (par exemple l'ATmega2560 d'un Arduino).

4 Le shunt de courant : 2N5551

Si l'on dérive une partie du courant constant de 57mA dans un shunt en parallèle sur la LD, ce sera ça en moins dans le courant qui traverse cette diode. C'est le rôle du transistor NPN 2N5551, choisi pour avoir un courant de collecteur max assez élevé (600mA). Ce transistor est lui même câblé en générateur de courant (montage classique : c'est un suiveur de tension sur sa résistance d’émetteur sur laquelle on trouve donc la tension de base - Vbe, donc un courant d'émetteur connu, le courant de collecteur étant pratiquement égal à celui d'émetteur vu le bêta), donc constant.

Reste maintenant à asservir ce courant et par conséquent le courant dans la diode à la luminosité du faisceau. C'est là que la photodiode entre en jeu.

5 Le générateur de tension négative pour alimenter la photodiode

Le problème de la photodiode (sur ce modèle) est qu'elle est connectée en interne en cathode commune avec la LD, or une photodiode doit être alimentée en inverse (pas dans le sens passant donc). Elle est bloquée dans l'obscurité (courant d'obscurité très faible) et laisse passer un courant (inverse) qui est fonction de l'illumination de la jonction ( ce n'est donc pas une photopile mais un générateur de courant constant (encore un, décidément !) à la condition d'être alimentée par une tension appliquée par une résistance. La chute de tension dans cette résistance permet de connaître la valeur de ce courant, mais ce n'est pas de cette façon que nous ferons l'acquisition de cette information).

Il nous faut donc alimenter cette photodiode avec une tension négative. Elle est obtenue par un classique circuit CMOS 40106 (six inverseurs à hystérésis ). Le premier est utilisé en oscillateur, les cinq autres sont câblé en parallèle afin de délivrer un courant appréciable. Une paire de diodes Schottky associées à deux condensateurs permettent d'obtenir la tension négative désirée (environ -VDD à vide). C'est un grand classique, je ne m'étendrai pas d'avantage sur cet étage.

6 L'optocoupleur

Nous voulons maintenant connaître la valeur du courant qui traverse la photodiode et traiter cette information par un amplificateur opérationnel qui la comparera à une valeur de consigne, et chose importante, sera alimenté en [0 +12V] et non pas en [-11V + 12V] afin de ne pas "tirer" sur la faible alimentation -11V que nous venons de voir. Si nous nous contentons d'alimenter la photodiode par une résistance connectée au 11V, nous obtiendrons une tension négative non référencée à la masse mais au -11V, dont la valeur n'est pas garantie. Nous pouvons utiliser un montage différentiel, mais traiter des tensions négatives par un ampli op alimenté en positif, ce n'est pas top. On se retrouve avec des problèmes de mode commun, bref j'ai voulu éviter ça.

La solution retenue passe par l'utilisation d'un optocoupleur, sa LED en série avec le courant à mesurer, et son phototransistor exploité côté positif du montage. La dynamique de la bestiole est bonne, sa linéarité aussi.

7 Asservissement du courant : la boucle de rétroaction

Nous avons vu que le transistor 2N5551 permet de faire varier le courant dans la diode laser. Il doit le faire de façon à c que la luminosité de la diode soit proportionnelle à une valeur de consigne.

Cette valeur de consigne est fournie par un microcontrôleur sous la forme d'un signal logique carré, d'amplitude 5V, en modulation PWM. (Modulation de largeur d'impulsion ou plus exactement en % de rapport cyclique). Un simple filtre passe bas constitué d'une résistance (R1) et d'un condensateur (C2) permet d'obtenir un signal analogique qui peut varier entre 0 et +5 V, disponible aux bornes de C2.

Le premier étage U1A de l'ampli OP (TL082) nous fournit une tension analogique qui varie entre 0 et +12V. (Un peu moins, le TL082 ne permet pas d'atteindre les niveaux de l'alim, on perd 1,4V "en haut" et "en bas").

Le second étage U1B du TL082 ferme la boucle de rétroaction : Il compare la tension fournie par la sortie du photocoupleur (collecteur du transistor de l'optocoupleur alimenté par la résistance R9 de 10k) à la tension analogique de consigne dont nous venons de parler.

Sens de l'action : Si la luminosité de la diode laser augmente, alors :
  • sa photodiode interne est davantage illuminée, elle conduit davantage
  • le courant dans la LED de l'optocoupleur augmente
  • le phototransistor de l'optocoupleur conduit davantage, la tension sur son collecteur diminue
  • cette tension qui diminue est appliquée sur l'entrée inverseuse de l'ampli OP , la tension sortie de l'ampli AUGMENTE
  • cette augmentation de la tension de sortie de U1B est recopiée sur la résistance d'émetteur du transistor suiveur de tension 2N5551, ses courants d'émetteur et de collecteur augmentent.
  • Le courant de collecteur du 2N551 qui augmente venant se retrancher au courant qui alimente la diode laser, ce dernier diminue, et la luminosité du laser également.
Il s'agit donc bien d'une boucle de rétroaction négative, la seule chose qui fait varier la luminosité du laser c'est la valeur de la consigne.

ROLE DE D2 : La diode zéner placée à la sortie de l'amplificateur opérationnel U1B sert à s'affranchir du palier bas de la tension de sortie de cet ampli, qui ne peut pas descendre au dessous de 1,4V comme nous l'avons dit plus haut, ce qui empêcherait de pouvoir totalement annuler le courant (bloquer) du 2N5551, et limiterait grandement la dynamique de l'asservissement. Se situant dans la boucle, ses variations propres sont sans importance.

8 Le circuit imprimé


Ce circuit imprimé a été réalisé par... devinez quoi... par la machine à phototracer décrite sur ce site, machine qui ensuite utilisera CE circuit !!!

Voilà qui aurait plu à Issac Asimov ! Va d'ailleurs falloir que je la surveille cette machine, histoire de vérifier qu'elle respecte bien les trois lois ;)

9 Le circuit percé :

10 La platine terminée, fonctionnelle :

-Pffouu, mais c'est une usine à gaz !
-Oui en effet on peut se contenter d'un simple LM317 en cms + une résistance, ce qui tient dans le boîtier cylindrique du laser. Mais celui que j'ai réalisé permet de régler la luminosité du faisceau précisément, avec un signal généré par le microcontrôleur, ce qui est nécessaire pour la photo-plotteuse . Et rien n'empêche de le réaliser lui aussi en cms ce qui le rendra beaucoup plus petit. Je ne l'ai pas fait parce qu'il me manquait certains composants en cms.

-Mais ça existe tout fait intégré dans un boîtier smd à huit pattes...
-Heu, c'est fort probable !

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