O Diodo LASER

 Estas informações foram obtidas de uma série de sites, e o devido crédito é dado aos seus autores. É uma leitura muito interessante e muito informativa, e foi corrigida e aperfeiçoada ligeiramente durante a transferência. O único item que precisa ser discutido é a medição da corrente através de TP2 no circuito inferior. Um foto-diodo não PRODUZ corrente ou voltagem.

Nota:  780nm é infravermelho e 650nm é a saída visível (vermelha) .
  

A introdução foi oferecida por:
 Samuel M. Goldwasser
E-Mail: sam@stdavids.picker.com

Como eu uso um diodo laser visível?

A resposta rápida é: ser muito cuidadoso – por duas razões:
(Eu estou assumindo o uso de um típico diodo laser visível de 5 mW)

1. Você pode destruir facilmente o diodo laser típico por sobrecarga de corrente instantânea, descarga estática, testando com um multímetro (VOM – Volt – Ohm – miliampere) ou apenas por observá-los da maneira errada.
2. Toda vez que você estiver trabalhando com a luz de um laser você precisa tomar cuidado com respeito à exposição dos seus olhos ao raio. Isso é particularmente importante caso você observe o raio diretamente pois isso pode resultar em danos imediatos a sua retina.

Muitos diodos laser são encontrados em um invólucro que possui um foto diodo como sensor. Isso provê um feedback do diodo laser evitando que ele seja superacionado. 
O diagrama abaixo mostra como o laser e o foto diodo são conectados. Os diodos laser são disponíveis em duas formas: saída de luz visível ou invisível. A saída invisível é chamada de Infravermelho(IR). Na Maioria dos diodos IR um terminal é conectado ao foto diodo e preso ao invólucro. O invólucro por sua vez é ligado ao NEGATIVO da alimentação. Na MAIORIA dos diodos laser visíveis, o invólucro é ligado ao POSITIVO!

A corrente típica para um diodo laser é de 30 - 100 mA a 1,7 – 2,5v. Entretanto, a curva de força é extremamente não-linear. Há um ‘lasing threshold’ (limite mais baixo de excitação para um laser funcionar como tal), abaixo do qual não há uma saída coerente (embora possa haver emissão do tipo de um LED). Para um diodo graduado como típico a uma corrente de 85mA, esse limite pode ser de 75mA. Essa é uma razão porque muitas aplicações de diodos laser incluem um sensor óptico para regular a potência do raio. Você pode destruir facilmente um diodo laser excedendo a corrente segura, mesmo que por um breve instante. É crítico para a vida de um diodo laser que, sob nenhuma circunstância, você exceda o limite seguro de corrente, mesmo que por um microssegundo.
Diodos laser também são muito sensíveis à eletricidade estática, sendo assim, tome as precauções necessárias. Também, não tente testá-los com um multímetro tipo VOM, pois na escala baixa de ohms ele pode fornecer muita corrente.
É possível acionar diodos laser com uma fonte DC e um resistor, mas, a menos que você saiba precisamente o valor necessário, você pode exceder facilmente esses valores.
Você pode identificar o diodo laser e o foto diodo, porque a voltagem não inversa no foto diodo irá cair aproximadamente 0,7v ao invés dos 1,7 – 2,5 do diodo laser. Assim, para o teste abaixo, se você tiver uma queda nessa voltagem abaixo de um volt, você está em um dos terminais do foto diodo. Se a sua voltagem for além dos 3v, você tem uma polaridade reversa. CUIDADO: Alguns diodos laser possuem uma especificação de voltagem reversa muito baixa e serão destruídos por uma voltagem reversa pequena. Verifique essa informação nas especificações do diodo.
Uma abordagem que funciona para testar é usar uma fonte de alimentação de 0-10VDC com, digamos, um resistor de 100 ohm em série com o diodo, e ir aumentando a corrente até que você obtenha o facho de laser. Entretanto, você ainda não terá idéia de quando você está no limite seguro de corrente sem um medidor de potência óptico.
Para uma aplicação real, você deve usar a resposta óptica para regular a potência do facho. Você também precisará de um dissipador de calor se o diodo laser já não for montado com um.
O facho bruto de um típico diodo laser tem formato de cunha – 10x30 graus de divergência típica. Você precisará de uma lente convexa com pequena distância focal para produzir um raio alinhado.
O circuito abaixo é uma fonte de alimentação constante regulada para um laser visível CW (Continuous WAVE – onda continua, ou continuous ON), mas não se aplica diretamente a sua configuração de diodo laser e foto diodo (as polaridades podem ser diferentes). Três reguladores terminais podem ser usados em modo de corrente constante à medida que você garante que não haverá sobrecarga, etc. Isso é realmente importante!

FONTE DE CORRENTE CONSTANTE PARA LASER

COMO O CIRCUITO FUNCIONA
Se o símbolo do foto diodo no diagrama acima for substituído pelo de uma foto célula, a operação do circuito será mais fácil de ser compreendida. Quando o circuito é ligado pela primeira vez, a voltagem através do capacitor de 10µ na base do BD 139 é zero e o transistor não é acionado. O BC 328-25 tem seu emissor fixado em 2.5v e a base é levada até a grade de 0v através de um potenciômetro de 10k. Neste momento o diodo laser não está aceso e assim a célula solar dentro da cabeça não está produzindo tensão e o BC 328 é ligado. Isso faz o capacitor acima mencionado começar a se carregar. 
Quando o eletrolítico se carrega além de 0,65v o BD 139 começa a ser acionado. Isso ilumina o laser e a célula solar começa a gerar voltagem. A saída de voltagem da célula solar é tal que a voltagem na base do BC 238 aumenta e isso desliga o transistor. A ação desse componente diodo/célula-solar (dispositivo produtor de voltagem) é difícil de compreender assim nós iramos explicá-la de outra maneira. O dispositivo é exatamente como uma pequena bateria colocada na grade de 9v, com seu negativo na grade. Isso significa que o terminal positivo irá tornar a grade de 9v MAIS ALTA e essa voltagem está aumentando na base do transistor BC 238. O potenciômetro de 10k está atuando como um divisor de voltagem e assim a base do BC 238 está vendo uma voltagem que aumenta quando o dispositivo na cabeça do laser detecta luminosidade. 
O BC 328 é ligeiramente desativado e isso desativa ligeiramente o BD 139. O resultado final é que o diodo laser é desativado ligeiramente também. É assim que a saída do laser é controlada precisamente, mesmo que a voltagem na alimentação possa se alterar.   

Diodos Laser em CD Players

Esses são emissores de infravermelho, normalmente de 780 nm. Há uma emissão vermelha ligeiramente visível. Isso pode ser uma saída espúria de força muito baixa na parte vermelha do espectro ou a resposta dos seus olhos para o IR aparecendo vermelho, cerca de 10000 mais fraca do que o raio real. O raio IR principal é invisível. Tome cuidado. Um raio direto de 5mW é potencialmente perigoso para seus olhos.
Lasers ópticos de leitores de CD emitem cerca de 0,3 – 1 mW nas lentes objetivas, embora os diodos sejam capazes de entregar até 4 ou 5 mW dependendo do tipo. Se você poupou os componentes ópticos eles podem ser úteis na geração de um facho convergente.
O conjunto óptico típico consiste de lentes convergentes, retícula de defração (para ter os três raios em um canhão de três cabeçotes), polarizador, prisma ou espelho, lente de foco (objetiva). Com a lente objetiva removida, você pode ter um facho principal mais ou menos concentrado, e dois fachos laterais mais fracos. Misture e combine o conjunto óptico de acordo com suas necessidades (se você conseguir separá-lo de forma não destrutiva) CUIDADO: Um facho concentrado de 5 mW é perigoso especialmente porque ele é invisível. No momento que você nota que tem algum problema, já será tarde demais. As bobinas ao redor do captador são usadas como servo-controle para foco e ‘tracking’ posicionando as lentes menos do que um µm da posição ótima do facho de retorno.

As correntes típicas estão na faixa de 30-100 mA a 1,7 – 2,5 V. Entretanto, a curva de força é extremamente não linear.Typical currents are in the 30-100 mA range at 1.7-2.5 V. Existe um ‘lasing threshold’ abaixo do qual não há emissão. Para um diodo especificado para 40 mA a corrente limite será de 30 mA. Essa é uma das razões pelas quais os diodos laser incluem um sensor óptico (um foto diodo embutido no mesmo case do emissor laser) para regular a potencia do raio. Você pode destruir facilmente um diodo laser excedendo a corrente segura, mesmo que por um breve instante. É vital para um diodo laser que, sob nenhuma circunstância, você exceda o limite seguro de corrente, nem que seja por um microssegundo!

Diodos laser também são extremamente sensíveis à eletricidade estática, assim, tome as precauções necessárias. Também, não tente testá-los com um VOM que pode fornecer muita corrente na escala de baixa resistência. É possível acionar diodos laser com uma fonte DC e um resistor, mas, a menos que você saiba precisamente o valor necessário, você pode exceder facilmente esses valores.
Você pode identificar o diodo laser e o foto diodo, porque a voltagem não inversa no foto diodo irá cair aproximadamente 0,7v ao invés dos 1,7 – 2,5 do diodo laser. Assim, para o teste abaixo, se você tiver uma queda nessa voltagem abaixo de um volt, você está em um dos terminais do foto diodo.

Uma abordagem que funciona para testar é usar uma fonte de alimentação de 0-10VDC com, digamos, um resistor de 100 ohm em série com o diodo, e ir aumentando a corrente até que você obtenha o facho de laser. Use um detector de IR para isso! Se você tiver a polaridade invertida, a voltagem através do diodo irá acima de 3 volts. Isso não parece danificar os diodos encontrados nos leitores de CD. Então, desligue a alimentação e inverta os terminais. Isso não vai danificar o diodo também.
Para uma aplicação real, você deve usar a resposta óptica para regular a potência do facho. Você também precisará de um dissipador de calor se o diodo laser já não for montado com um. Diodos laser de leitores de CD são projetados para operação contínua. Você pode usar um regulador de três terminais tipo LM317 por tanto tempo quanto você possa assegurar que a corrente não excederá o ponto limite.

O que vem a seguir foi tirado do site Le Magicien:

CIRCUITO DO CHAVEIRO LASER

Esta é uma simples descrição do chaveiro Laser que se vende por 5 dólares ou algo assim.

O circuito básico para alimentar um diodo laser é mostrado abaixo na figura 1.

Os canhões laser mais comuns têm dois semicondutores: um LD (diodo laser) e um PD (foto diodo).
O diodo laser será polarizado diretamente e seu cátodo (LDC) irá se conectar a um transistor e/ou rede para regular a corrente do LD baseado na corrente do foto diodo (rede de resposta).
O foto diodo será polarizado inversamente, seu anodo (PDA) vai alimentar um regulador e assim o controle vai dar um sinal de resposta para o acionador do LD.   
O retorno é óptico com parte do facho de laser retornando para encontrar a junção do foto diodo, como mostrado na figura 2.

Como mostrado na Fig. 2, o cabeçote com diodo laser tem três terminais denominados: LDC (Cátodo do diodo laser), PDA (Anodo do Foto diodo) e COM+ (Terminal positivo comum).
Dentro do cabeçote, há o diodo laser e um foto diodo usado para regular a corrente no diodo laser através de um laço de resposta externo.

O cabeçote laser e as conexões dos pinos

O esquema para o chaveiro laser é mostrado na fig. 4:

Abaixo um anúncio para um chaveiro laser de 5 mW e alguns módulos de laser visível da Information Unlimited. Os chaveiros laser de 1mW podem ser encontrados em ‘lojas populares’ por cerca de 5 dólares. 

    3 Volts – Alto Brilho

          LM630P - 3mw@630nm 10.5x32mm.................$34.95

LM650P10 - 10mw@650nm 25x51mm.............$99.95

  LM650P30 - 30mw@650nm 23x51mm...........$249.95

ALIMENTAÇÃO DO DIODO LASER
Uma alimentação muito simples para testar um diodo laser pode ser feita conectando-se um resistor entre a saída de um regulador ajustável LM317 e o laser, e levando o terminal comum ou ‘adj’ como mostrado abaixo. A corrente de saída é determinada pelo valor do resistor. 

Ele funciona assim: Nenhuma corrente “sai” do terminal de ‘ajuste”. Ele é uma linha de sensor. Funciona meramente como a linha de referência de 0v para o regulador. O único efeito colateral é que a corrente puxada pelo regulador flui através da linha de ajuste e é de aproximadamente 10 mA. Mas na nossa discussão, isso é ignorado. 
A voltagem entre o terminal de saída e ‘adj’ é fixa em 1,2v (para este tipo de regulador).O resistor de 18R no circuito é chamado de resistor de queda de voltagem. Ele é projetado para produzir uma tensão através de si de acordo com a corrente que flui. Se for de 18R a corrente será 1,2 / 18 = 66 mA. Se o resistor é de 10R a corrente necessária para tremor 1,2 V no resistor é 1,2 /10 = 120 mA. Se escolhermos 15R, a corrente será de 1,2/15 = 80mA.
O diodo laser no exemplo acima requer uma corrente entre 70 e 100 mA. Você pode escolher 15 ou 18R para o resistor de queda. Use estes exemplos para determinar o valor do resistor necessário para o seu laser em particular.

Finalmente, as seguintes informações foram tiradas do website de John Yurek, K3PGP@qsl.net

Polarizando e Modulando Diodos Laser

- Com Segurança ! -

Após vários infortúnios, tentando configurar reguladores de retorno de diodos laser, eu decide que deve existir um modo melhor! O seguinte circuito é resultado da minha experimentação. Este regulador foi usado para CW, MCW, FM, SSB, BPSK e vídeo sem dificuldade. Desde que eu comecei a usar este circuito eu não perdi um único diodo laser sequer. Ele tem sido usado com diodos laser desde 5 até 500 mW.

Esta é uma configuração para Infravermelho de 780nm. Veja abaixo a discussão sobre TP2.

O circuito permite o acionamento ‘suave’ do diodo laser através do resistor de 10 ohm e do capacitor de 100 µf na entrada do regulador 7805. Um diodo 1N4007 é fornecido para prevenir polaridade invertida. O diodo foi conectado através da fonte de alimentação ao invés de em série com uma linha para eliminar a queda de voltagem associada com diodos em série. O resistor de 10 ohm vai limitar a corrente e prevenir qualquer dano sob condições de polaridade invertida. Nenhum fusível é necessário.

A corrente no diodo laser é aplicada por R1. Valores típicos são de  39 a 47 ohms para diodos de 5 mW e 22 ohms para diodos de 30 mw. Para ficar seguro, comece com um resistor MAIOR e vá experimentando com valores menores sistematicamente. É recomendado que você vá alimentando os 12v GRADUALMENTE através de uma fonte variável de bancada quando estiver ajustando o circuito, enquanto mede TP1 com um voltímetro e nota quando as leituras de corrente se nivelam. (use um voltímetro alimentado a bateria para isso já que nenhum terminal de teste está potencialmente aterrado!) Após passar dos 8 volts você vai notar que não importa quanto mais a voltagem aumenta, a corrente NÃO vai aumentar. A voltagem máxima, com segurança é aproximadamente 35vdc. Em MOMENTO ALGUM você deve permitir que a corrente exceda Iop como especificado pelo fabricante. Se você atingir Iop antes do limite do circuito, aumente o valor de R1!.

NOTA: 1 volt = 100 ma, significando que, se você está ajustando o seu diodo laser para 60 mA o circuito deve ser ajustado para que você leia 0,600v através de R1 quando o circuito está em plena limitação.
Se você tiver a folha de especificações do fabricante e lm está especificada, você pode medir a corrente através de TP2. 1 volt – 1 mA. Alguns fabricantes voltam o foto diodo para +5vdc. Veja a discussão abaixo. 
O diodo zener de 5,1 volts através da saída do regulador de voltagem 7805 é uma precaução de segurança no caso do 7805 falhar. O zener vai limitar a voltagem a um nível seguro. O resistor de 10 ohm na entrada em série com a linha de 12 volts vai limitar a corrente. Isso também é uma precaução contra quaisquer picos no acionamento.
O circuito acima parece ter sido um pouco superdimensionado. Entretanto, parece funcionar bem e, como eu estou usando ele atualmente com alguns diodos laser que custam tanto quanto 300 dólares a unidade eu me sinto mais seguro com a proteção extra oferecida pelo circuito.
O modulador de derivação foi tentado após estourar alguns pares de diodos com um modulador experimental em série. Foi descoberto muito tarde que se o regulador em série fosse sobre-alimentado ele iria estourar o diodo laser mesmo que a linha de 12vdc estivesse desligada! Eu estava usando um transistor NPN para o transistor de passagem em série e a sobre-alimentação ocorreu na base e veio pelo emissor que estava conectado diretamente ao diodo laser!

O MRF-510 ou 511 IgFet (disponíveis na Radio Shack) provêem uma linearidade muito boa quando usados neste circuito. Um resistor de 22 ohm em série com o terminal da fonte é usado para adicionar um toque de retorno negativo. Quando ajustada corretamente conforme monitorado através de TP1, a corrente não vai mudar muito, se tanto, quando indo de máxima potência para o corte total do raio. O que acontece é que o IgFet está  DERIVANDO a corrente para o terra e evitando que ela passe para o diodo laser. À medida que o IgFet puxa mais corrente o diodo laser recebe menos corrente resultando que a carga na alimentação permanece bastante constante. O resistor de 22 ohm pode precisar de um ligeiro ajuste para diferentes diodos laser. Ele prove um pouco de retorno negativo e ajuda a tornar o modulador mais linear. O circuito acima foi otimizado para um diodo laser de 780nm a 5 mw.

A entrada da modulação é acoplada em DC. Isso significa que você pode aplicar uma voltagem POSITIVA  e controlar a força do laser. Se sua meta é operação linear como AM, vídeo ou SSB, vc deve polarizar a entrada para ½ da força do laser, através de um resistor em série. Aplique a onda AC diretamente à entrada por um capacitor.

O 1N914 e a rede resistor/diodo foram acrescentados ao circuito de entrada do IgFet após um componente ter apresentado um curto por dreno, fazendo a corrente de acionamento ser aplicada diretamente ao diodo laser!

NOTA: A maioria dos diodos laser, tipicamente apresentam um terminal do diodo laser e do foto diodo presos ao case. Na MAIORIA dos diodos IR esse terminal é o terminal NEGATIVO. Na MAIORIA dos diodos laser visíveis o case é POSITIVO!

Se, no seu caso particular, o diodo laser for positivo você vai ter que ou isolá-lo do terra, ou melhor ainda, conectá-lo como acima e trocar o 7805 por um 7905 (regulador negativo de 5V) e inverter todos os capacitores, diodos etc. Eu sempre me sinto MUITO mais seguro com o corpo do diodo laser no potencial do terra!.
Várias pessoas construindo este circuito usaram o regulador de voltagem LM317 AJUSTÁVEL em substituição ao 7805 de voltagem fixa. Embora isso possa tornar o ajuste inicial mais fácil, é preciso apenas um potenciômetro sujo, ou que um resistor falhe para você sobrecarregar acidentalmente o diodo. Use EXTREMA cautela se você escolher ir por esse caminho!
Finalmente, I sugiro que você inclua o resistor de entrada de 10 ohm ao regulador e o diodo zener de 5,1 volts, protetor de falhas, na saída do regulador, o mesmo que eu usei com o 7805 acima. Isso vai prevenir quaisquer acidentes…

Mais comentários de John Yurek sobre o “foto-diodo”.
O componente no cabeçote do laser é um dispositivo produtor-de-voltagem. Chame o diodo do que você quiser, mas eu TESTEI e ele funciona muito bem. Agora ele está sendo duplicado por algumas pessoas e tem funcionado da mesma maneira para elas. A maioria está usando diodos laser de 780 nm retirados de leitores de CD com defeitos. Se existe ou não algum fato peculiar sobre esses dispositivos, não é sabido, pois eles não trazem marcas, mas eu encontrei um que NÃO produz voltagem. Isso poderia ser um fato único, mas eu também notei a mesma coisa nos meus diodos laser de 30 e 500 mW, só que nesses casos a voltagem vinda dos terminais do fotodiodo nivela-se à medida que se aproxima de 0,7v ou algo assim, então eu penso que esse é um foto diodo mais característico do que os normalmente utilizados em diodos laser. Se eu exponho o laser a uma fonte de luz forte (com o laser DESLIGADO) eu também vejo uma voltagem aparecendo nos pinos conectados ao foto diodo, embora a sensibilidade seja terrível, pois o foto diodo normalmente é montado atrás do diodo laser para justamente diminuir os efeitos da luminosidade externa aparecer no circuito regulador de voltagem. Eles parecem funcionar muito mais como uma célula solar. Células CDS, entretanto são diferentes já que produzem apenas uma mudança de resistência.
No meu circuito acima, o foto diodo foi simplesmente limitado a uma carga resistiva e não é realmente utilizado neste circuito. Ele normalmente seria ligado ao circuito regulador de força de feedback com uma rede de polarização resistiva. O fato do foto diodo no interior do diodo laser de 780 nm poder produzir mais de 0,7v indica para mim que provavelmente ele é feito de mais que uma junção, ligadas em série.

John - K3PGP

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