Тема: Определение типа лазерного диода по экспериментальным ВАХ

[killatest]

Некоторое время назад я, в числе многих других, поддался магии звучания слов «ЧПУ», «лазер», «ардуино» и, не устояв перед искушением, стал обладателем некоего китайского девайса, который должен был воплотить мои творческие замыслы в виде подпалин на фанере. Это уже потом, получив вместо творческих мук вполне ощутимый гемор, я стал подробнее разбираться в вопросе и понял всю глубину своей наивности на том этапе. Но, что имеем – то имеем. Речь не об этом.
Так уж случилось, что мой первый лазерный модуль умер. Сгорел драйвер, перестал гореть лазерный диод. Печаль и уныние. Все-таки, лазерный модуль стоит приличного количества денег. Если с драйвером все было понятно – громкий щелчок и испорченный воздух не оставлял сомнений в том, что он сгорел, то произошедшее с лазерным диодом вызвало недоумение. Купив все у техже китайцев новый драйвер (правда теперь проверенной модели) и подключив его, увидел непонятное. Диод ток кушал, но не светил совсем. Я даже здесь на форуме, да и на других площадках тоже, интересовался что бы это могло значить. Однозначного ответа не нашлось.
Представьте мое удивление, когда недавно я его подключил к другому драйверу (надежда на авось неистребима) и он заработал! Потрясающе! Единственно, что я сделал за это время – это разобрал нафиг модуль, причем абсолютно бесцеремонно, вытащил диод на свет божий, лапал грязными руками, разглядывал его чрево, оттер его от пасты чтобы хоть какие-то опознавательные знаки на нем найти. И вот так вот он у меня валялся некоторое время. И тут – сюрприз! Да еще и такой приятный.
Вся эта моя история явилась предпосылкой к тому, о чем я решил написать ниже.
Побродив по разным форумам и иным площадкам, где страждущий народ обсуждает темы лазерных чпу-станков, я заметил, что одним из очень часто обсуждаемых вопросов является реальная мощность лазерных модулей. Даже возникло понятие «китайский Ватт». Производители порой просто от балды пишут мощность своих лазеров, а народ потом пытается разобраться, что он на самом деле купил. Вопрос усугубляется тем, что ни один из китайских продавцов никогда не указывает тип лазерного диода, который установлен в его модуле.

Чаще всего встречается два варианта.
1. В модуле установлен маломощный ЛД, но заявлена большая мощность, которой, естественно, нет.
2. В модуле установлен маломощный диод, но он работает на сверхнормативных токах, выдает приемлемую мощность, но живет недолго.

Варианта, что на модуле указано «5,5 Вт» и там реально 5,5Вт, в природе не наблюдается.
Итак, в первом варианте нас просто обманули. Во втором варианте нас тоже обманули, но так чтобы мы поверили, но в результате вообще остались ни с чем.
Итого вопроса на повестке два – какова мощность нашего лазера и какой тип ЛД установлен в нашем модуле.
Мощность лазера можно приблизительно оценить, зная ток, потребляемый ЛД. Практика показывает, что в большинстве своем в модули устанавливаются ЛД от NICHIA с рабочим напряжением в районе 4,3-4,8В и КПД на уровне до 30%. Поэтому найдя потребляемую мощность и умножив на 0.3 мы может оценить оптическую мощность диода. Ну или сокращая арифметические действия, просто грубо умножив питающий ток диода в амперах на 1,3 мы получим ориентировочную оптическую мощность нашего диода в Ваттах. То есть, если питающий ток 1А, то вероятно мощность находится на уровне 1,3Вт. При токе 2А, можно говорить о 2,5Вт. Это достаточно справедливо, если ЛД работает на типовых значениях токов.
Конечно, есть специальные приборы для измерения мощности лазерного излучения. Но, как говорят в сообществе, стоят они порядка 1000 американских рублей и конечно для разового замера никто их покупать не станет.
Но даже если мы оценили мощность нашего ЛД, остается вопрос в каком режиме он работает – в нормативном или ему ток задрали и он проживет совсем немножко?
Собственно, вернемся к истории счастливого воскрешения моего диода. Прям, как в стишке про зайчика: «принесли его домой, оказался он живой»  Вот только что мне с ним теперь делать? Ну, то есть понятно, что собрать снова модуль, вот только какой ток ему дать, чтобы снова не убить? Нужно как-то узнать тип диода. Но как?
В связи с этим зародилась идея использовать для этого вольт-амперные характеристики различных диодов для того, чтобы по тестовым измерениям режимов питания можно было сопоставить их с одной из ВАХ. К сожалению, если даташиты еще кое-как раскопать можно, то ВАХ на ЛД я найти не смог.
Ладно. Мы будем использовать экспериментальные ВАХ. Где мы из возьмем? У дружище Джордана с известного буржуйского лазерного форума. Он занимается продажей диодов на амазоне и ибее под ником DTR, делает реальные замеры мощности диодов и у него есть канал на ютубе. Уверен, что все интересующиеся лазерными диодами знают, о ком идет речь.

[killatest]

Итак, я прошелся по его ресурсам, забил в таблицы данные и построил на основе его экспериментальных данных ВАХ различных диодов. Что и представляю достопочтенной публике. На диаграмме показаны ВАХ основных типов мощных 9мм диодов.

1,4W NDB7675
1,6W NDB7875 (NDB7775)
3,5W NDB7A75
4,3W NUBM08
4,8W NUBM44

К сожалению, Джордан не удосужился снять замеры для диодов NUBM 05, 0,6 и 07 поэтому они на диаграмме отсутствуют. Это, конечно, жаль. Существуют еще два мощных диода – это N450 и N465. Замеры по ним есть. Но они очень близко ложатся по точкам NUBM44, причем второй имеет излучение 465нм, то есть голубой. Я их не стал приводить на диаграмме.
 


Теперь можно, сделав замеры питающего тока и напряжения и найдя на диаграмме какой именно кривой соответствует эта точка, определить тип используемого диода. Для точности желательно сделать хотя бы два замера при разных токах.
Я для своего диода сделал 2 замера. Получил пары значений: 1А - 3,70В и 1,5А – 3,88В. Первая точка попадает где-то посередине между NUBM08 и NUBM44. Вторая точка попадает аккурат на NUBM44. Ого! Не думал, что у меня такой крутой диод!
Как вы понимаете, представленные диаграммы - это результат интерполяции данных. То есть абсолютно точных попаданий в линию ожидать не нужно. Более того, известно, что экземпляры ЛД имеют достаточно большой разброс по характеристикам. Это тоже учитывайте. Но в моем случае попадание оказалось весьма наглядным.

На каждой кривой находятся два маркера. Черный – это типовое значение тока по даташиту, для которого установлено паспортное значение мощности диода. Красный – это максимально допустимый ток диода по даташиту. Теперь вы можете наглядно посмотреть какие диоды до каких токов можно «разгонять». Это для тех, кто захочет выжать из своего подопечного максимум.

Что нужно знать о «разгоне»? Главное – это сокращение срока жизни диода с высокой вероятностью его просто убить в процессе.
Наткнулся я как-то на обсуждение времени жизни ЛД на одном, ныне заброшенном форуме. Вот ссылка http://lasers.fonarevka.ru/showthread.php?t=172
Согласно изложенным подходам время жизни диодов при превышении номинального тока стремительно, по экспоненте, уменьшается. Дерну оттуда график для наглядности.



Хорошо видно, что «раскачав» наш NUBM44 с номинальных 3А до 4А, мы уменьшили срок его жизни в 15 раз!
Или другой пример. Есть модуль с NDB7775 (китаец раскололся и признался, что поставил в модуль. Вот что паяльник животворящий делает! ). Нормальный ток для него 1,2А, но реально установлено 1,47А. То есть срок жизни сокращен добрым продавцом раз в 7! Плюс к этому заметьте – сейчас вместо этих диодов идут NDB7875, то есть установленный диод либо из старых запасов, либо, что скорее всего, жутко БэУшный из старого отработанного барахла. Вот и представьте, сколько ему жить осталось.
Стоит учесть, что обсуждение срока жизни ЛД в той статье происходило 7 лет назад и касалось маломощных диодов из DVD. Уверен, что для мощных диодов, учитывая их режимы работы, все обстоит гораздо хуже.

[killatest]

На следующей диаграмме показаны экспериментальные ватт-амперные характеристики диодов. Значения черных и красных маркеров тоже, что и раньше – номинальный и максимальный токи. Из диаграммы (и из даташитов) видно, что лазерных диодов мощнее 4,8Вт в природе не существует. Тот же NUBM44 принято в интернет-кругах обозначать как «6W». Но это не нормативный параметр, а завышенный. По даташиту он 4,8Вт.
 


Изначально мой интересе распространялся на 9мм диоды. Просто потому что у меня был именно таковой. Но раз пошла такая пьянка, посмотрим также ВАХ распространенных 5,6мм диодов. Это диоды M140 type A, M140 type M от NICHIA и PLTB450B от OSRAM.
Для диодов М140 я даташитов не нашел, поэтому номинальных и максимальных токов не знаю.
 



Мощностные характеристики диодов достаточно близки.
 


Вот такой подход к определению типа ЛД по параметрам питания наших лазерных диодов. Предлагаю заинтересованным лицам опробовать его на своих «подопечных» и отписаться, насколько он справедлив – что работает, что не работает.
Если кто располагает даташитами на диоды М-140 (М), М-140 (А), N450, N465 при возможности прошу поделиться или дать ссылку.
Если кто увидит данные экспериментальных замеров по NUBM 05, 06, 07 – пишите, дополню диаграмму. На 07 точно был, но картинки с замерами на фотохостинге сейчас не доступны. Но они могли сохраниться где-то на других ресурсах.
Всем удачи!

[Gall]

Спасибо! Я в тексте выделил жирным пояснения к графику, а то сам долго их искал, и думаю, что я не одинок.

Вообще можно заметить, что номинальный ток лазера дается производителем просто по его сроку службы. Есть некий запланированный ресурс, производитель пишет ток для этого ресурса, какой уж получился, ну и мощность какая получится. А если дать больше, то лазер стоит так мало, что его никто не захочет покупать.

Прошу обратить внимание: ВАХ нарисованы в нестандартных осях. Обычно по оси ординат рисуют ток. В случае с лазерами такой переворот оправдан, но, пожалуйста, будьте внимательны и не удивляйтесь отличию кривой от классической экспоненты диода. Она не отличается, она просто нарисована на боку.

По уму надо бы переснять ВАХ для разных экземпляров диодов. Наверняка они отличаются. Нормальную статистическую обработку результатов сделать, на коэффициент Стьюдента помножить, погрешность указать.

[killatest]

Я в тексте выделил жирным пояснения к графику, а то сам долго их искал, и думаю, что я не одинок.
.......................
По уму надо бы переснять ВАХ для разных экземпляров диодов.

Спасибо! Каюсь, текста много, постараюсь исправиться.
По ВАХ разных диодов - это было бы просто отлично, да где ж их взять-то? Повезло, что Джордан занимается тем, чем занимается.

Кстати, забыл в тексте написать, что мой NDB7775 (он же NDB7875) при напряжении 4,71В имеет ток 1,47А, что тоже неплохо легло на кривую.

[Gall]

Много текста - это наоборот, хорошо. Сейчас взяли моду писать все в два слова, в результате информации днем с огнем не сыщешь. Правильно будет - писать так же, но легенду подрисовывать на график в уголке: красная точка значит то-то, черная то-то.

С разными диодами - вот именно, где ж взять. Ну разве что снимать. А когда из интернета берешь, тут проблема: люди обычно не умеют правильно пользоваться измерительными приборами, даже своими собственными. В том смысле, что подключить и показания снять - могут, а вот правильно обработать результат и посчитать погрешности - уже нет. А ведь даже просто многократные измерения одного и того же могут давать слегка разные результаты. Когда смотришь на такие вот картинки из интернета, всегда думаешь: а насколько можно им верить? Правильно ли автор все сделал? Работа-то любительская, а любители от ученых отличаются тем, что обычно не знают, какие детали эксперимента важны для достоверности, а какие - не очень. Ученые - не просто знают, а отдельно подчеркивают в статье, что да, важны такие-то источники ошибок, они учтены так-то и так-то. Но даже любительская работа - это очень и очень ценно. Вообще сейчас есть острый дефицит подобранных в одном месте справочных данных, так что спасибо огромное, что трудитесь их собирать воедино.

[killatest]

Ок, с диаграммами сделаю выводы. От легенды я отказался согнательно, хотя в Экзеле она на диаграмме идет по умолчанию Но пять оригинальных кривых, хотя и невидимых, пять интнрполированный, пять маркеров по номинальнм и пять по максимальным токам (просто маркер на кривой методами экзела делаются как отдельный "график" состоящий из одной точки, поэтому каждый такой "график" указывается в легенде). Но легенда из 20 строк... ну ее нафик. Так что следующий раз просто вручную напишу легенду.

По поводу достоверности измерений. Да, проблема есть. Но обнаучивать преднамеренно упрощенное представление материала, наверное ни к чему. Что касается непосредственно измерений, то думаю у Джордана они на хорошем уровне. Все таки человек этим занимается профессионально, ибо это его бизнес. Ну и судя по картинкам, там у него весьма недешевая аппаратура, а не наши китайские мультиметры
А вот то, что мы получаем дома в резельтате измерений - это вопрос. Впрочем, зря я так о китайских мультиметрах. Я тоже пользуюсь таким весьма дешевым прибором. И параллельные измерения дают отклонение льшь в сотых вольта (на данном диапазоне измерений). То есть СКО там уложится в 1%. Но это если говорить о случайной погрешности. Но вот кто даст гарантию, что в этих измерниях нет систематической? Может мой мультиметр завышает все значения на пару вольт? Конечно, вряд ли кто-то дома имеет возможность использовать поверенный прибор или имеет образцовый источник питания, чтобы проверить свой измерительный прибор. Поэтому простой совет - используйте пару разных приборов, сравните показания. Я, кстати свой сравнивал с весьма серьезным аппаратом - расхождения минимальны, что меня весьма удивило, зная разницу в стоимости приборов. А если нет разности, зачем платить больше
Так что, Gall все верно сказал (а когда он говорил неверно? )) - нужно серьезно относиться к измерениям.

Ну и вот такая еще информация интересная по лазерным диодам. В той ссылке, что я давал говоря о сокращении срока жизни ЛД при превешении тока, тоже обсуждался вопрос про изначально установленный ресурс ЛД. И вот Gall тоже это подтвердил. Почему я заострил на этом внимание? Мне как-то добрый китаец слил такую информацию, что "диоды NUBM05, 06, 07, 08 - это все одни и теже диоды на 3,8Вт. Просто 08 - это наиболее мощные из них". Сначала мне было это непонятно. Но в привязке к концепции выбора номинального тока в привызке к гарантируемому ресурсу ЛД, все встает на свои места.
Смотрите. Таких диодов, как NUBM05,06,07,08 - не существует! Все эти нубэмы - это не диоды, а диодные сборки. Мало кто на это обращает внимание. Но даже даташиты идут именно на сборки с указанием суммыной мощности всей сборки. Да и какой смысл одному производителю делать такой ассортимент близких по параметрам ЛД? Да еще зная, что разброс параметров обень значительный. Гораздо логичнее выпускать один тип диода, а потом ранжировать экземпляры по номинальному току и раскидывать по разным коробкам. Соответственно, в разные сборки попадают диоды примерно одних параметров. Поэтому и такая разница.
После этого мне еще больше захотелось найти замеры по 05, 06 и 07 диодам (ну будем их так называть) и сравнить их ВАХ с 08. По идее, если это диоды с одного конвейера, то ВАХ у них по крайней мена на малых токах должны быть весьма близки.
Но практически для нашего способа использования ЛД - в качестве выжигателей в ЧПУ-станках, это конечно имеет большое значение. И 08 диод это круче 07. Вот такая правда жизни о ЛД.

[Gall]

Если что, у тех ученых, кто работает под Windows, де факто стадарт на рисование графиков - "Origin". Большинство графиков в статьях нарисованы либо в нем, либо в матлабе, либо еще в чем-то подобном.

Приборы приборами, но знаете ли вы, что у мультиметра с 8.5 разрядами точность та же самая, что и у мультиметра с 6.5 разрядами, если пользоваться им как обычно, и разница появляется только при работе совместно с калибратором и в очень особых условиях? А мультиметр на 6.5 разрядов нуждается в ежегодной поверке и калибровке, потому что он уплывает, и через несколько лет уплывет до точности обычного китайского? Метрология такая метрология...

С лазерами штука ровно такая же, как с компьютерными процессорами: делают вейфер, потом режут вейфер. Технология тонкая, поэтому есть удачные и неудачные экземпляры. У фирмы Intel удачные назывались бы Core, а неудачные - Celeron. Здесь то же самое. Да даже у советских транзисторов так было, МП42А от МП42Б как раз и отличался тем, что получилось в результате. Так делали с 1960-х годов, и так делают сейчас все и всегда.

Отсюда, кстати, вырастает проблема китайской перемаркировки. Покупая детали у китайцев, можно нарваться на подделку. И самый распространенный способ подделки - перебивают маркировку. Например, я сталкивался с микросхемами аудиоусилителей якобы TDA7293, а на самом деле, вероятно, TDA7296. Которые отличаются только мощностью и допустимым напряжением питания. Понятно, что с одной маски делались, просто одни получились хорошо, а другие не очень. А переточить маркировку и продать дороже - это такое отдельное китайское развлечение.