История разработки необычной мощной лазерной указки

Если вы надумали собрать сей лазерный девайс и ваши руки достаточно прямые, то вам сюда 🙂 Эта самодельная лазерная указка выбивается из общей картины «фонарик, оптика с готового лазерного модуля и резистор с батарейками». Статья громоздкая и осилит её только тот, кто действительно заинтересован в построении маленького, практичного и качественного девайса…

Хотите сделать универсальное, яркое, праздничное слайд шоу, в котором реализованы динамичные переходы между фотографиями? Посмотрите как это сделать: https://fastclip.ru/slajdshou-prazdnichnoe/

Началось всё с того, что у меня начал барахлить мой NEC AD-7170A. А у меня тогда как раз сильно чесались руки его вскрыть, чтоб извлечь оттуда одну маленькую, но ценную вещь… И обнаружил я там лазерный диод (далее просто «ЛД») с «открытым верхом». Меня это и порадовало и расстроило одновременно… Ведь мощность таких диодов больше, охлаждение гораздо лучше, корпус крупнее и добротнее да и нет проблем с разводами в луче из-за упавшей на стекло пылинки. С другой стороны, он совсем не защищён, чем это грозит сами догадываетесь… Тем не менее я понимал что повредить его не так уж и просто. Там используются стеклоподобные материалы и золото, которое не боится окислителей и т.п. Пальцами не лапать, не «хэкать» на него и этого достаточно. Судорожно защищать его от статики, как это делают многие, я не стал. С электроникой на «ты», и прекрасно понимаю, что если руки растут откуда надо, а паяльник человеческий и током не бьётся – боятся нечего. В кристалле нет тонких диэлектрических плёнок, как в полевиках, а собственная ёмкость ЛД не позволит проникнуть слабому статическому заряду. Ещё раз повторяю – слабому. Перед пайкой я обязательно касаюсь батареи.

Вы уж извините, но я не люблю загромождать текст лишними фотографиями и люблю много писать. Поэтому их будет по возможности меньше, а текста больше. Будут показаны только самые информативные и самые интересные моменты. Статья получится компактней и вам не придется беспокоится за трафик 🙂

После того, как я успешно извлёк ЛД, я решил посмотреть на его ВАХ (вольтамперная характеристика). Выяснилось, что она достаточно мягкая для использования даже не очень «честного» стабилизатора напряжения. Да. Именно напряжения. Я же вас предупредил, что эта система нестандартная? Дело в том, что мой мозг родил одну интересную теорию, которую я и хотел проверить на практике. Всем известно, что при понижении температуры КПД ЛД растёт. И если потребляемый ток останется на прежнем уровне – ЛД выйдет из строя из-за слишком высокой интенсивности излучения. По этой причине у людей указки чаще всего горят на морозе. Сам кристалл способен выдержать в несколько раз большие токи, но зеркала в резонаторе безвозвратно вышибает светом…

Вот вам ориентировочная характеристика температурной зависимости ЛД (не моего) при токе в 200мА:

• • при температуре 75 градусов выходная мощность около 110 мВт

• при температуре 20 градусов выходная мощность около 170 мВт

Ну как? Нехило прыгает, правда? Что же получается? Подать максимальный рабочий ток мы не можем, т.к. ЛД холодный и моментально повредится. А если мы подадим максимальный безопасный ток, то сразу же после включения мощность сильно просядет из-за температурного сопротивления кристалл-корпус. Затем разогреется сам радиатор и мощность ещё сильнее упадёт…

Для того, чтоб избежать этой проблемы – используют разные методы. Самый точный – обратная оптическая связь. В корпусе ЛД сидит фотодиод, который командует драйвером. Но в наших приводах этот фотоэлемент спрятан аж где-то в головке самого привода. И мы часто используем простую термокомпенсацию и плавный пуск. Но я решил пойти по более простому пути – подавать на ЛД не стабильный ток, а стабильное напряжение. В этом случае в качестве термокомпенсатора работает сам кристалл ЛД. Работает очень быстро и точно. Как так происходит? Не всем известно что при нагреве у полупроводников падает сопротивление или напряжение падения. Вот этим я и воспользовался. Диод нагревается – напряжение падения падает, ток растёт (т.к. напряжение источника стабильное), а излучаемая мощность остаётся на прежнем уровне из-за снижения КПД. Я не ожидал 100%-ной стабилизации. Ведь всё зависит от жесткости ВАХ ЛД на рабочем токе, а она тем жестче, чем выше ток. Но тем не менее результаты меня порадовали. Когда я подключил ЛД к источнику напряжения через 1 Ом, то после прогрева его яркость падала в два раза! Мерял обычным красным светодиодом, подключенным к мультиметру в режиме измерения напряжения. После того как я замерял напряжение падения на ЛД, в холодном состоянии и при номинальном токе (320мА), я выставил на стабилизаторе такое же и замкнул резистор. Как вы думаете, на сколько у меня упала яркость после прогрева? На четверть! Теоретически оптимальная жесткость ВАХ лежит где-то в пределах 400-500 мА, что является рабочим током ЛД из более скоростных приводов. Стоит попробовать, но и это лучше чем ничего.

Ну с термокомпенсацией разобрались. Следующий шаг – выбор схемы питания. Я остановился на LM2621. Довольно честный и компактный преобразователь. Некоторые говорят что он не способен понижать напряжение и его нельзя питать от двух пальчиковых батареек или одного Li-ion аккумулятора. Мол только два обычных аккумулятора и точка… Но это не так. Полистайте даташит. Там есть специальная схема включения с ещё одним дросселем и разделительным конденсатором. Вот на ней я и остановился, правда изменил немного:

КПД этой схемы (измеренное на практике) – 84…87%, в зависимости от заряда аккумулятора (2,5…4,2V). Максимальный ток не мерял, т.к. мне его мощности хватило с явным запасом. Стабильность выходного напряжения очень сильно зависит от ёмкости выходного сглаживающего конденсатора. С моими танталовыми 47мкФ, найденных на плате старого привода, разброс не более 0,01V. Точнее замерять не смог, т.к. у мультиметра не хватило разрядности. ВАХ ЛД при этом позволяла мне менять напряжение в пределах 0,05V без существенного изменения тока. Рабочее напряжение у меня получилось 3,12V. Все детали, кроме самой LM2621, я нашёл на различном комповом железе. Подстроечник с головки всё того же бедного привода (будет знать как сдыхать!). С него же и диод Шоттки. Дросселя с блоков питания. Их даже перематывать не обязательно. Остальные конденсаторы и резисторы наковырял на платах старого CD привода и видеокарты.

В будущем я попробую сделать какой-то линейный стабилизатор напряжения с практически нулевым остаточным напряжением падения на нём. Например на интегральном стабилизаторе PQ30RV2 или PQ30RV21. Это позволит существенно упростить схему. КПД немного пострадает, но оно того стоит. Да и аккумулятор будет разряжаться до безопасного уровня.

Теперь мне нужно подумать над корпусом… Пока что сделаю его с куска водопроводной трубы, из нержавейки. В качестве выключателя будет использоваться задняя крышка. Тоже из семейства водопроводных заглушек. Когда я её поверну до упора – аккумулятор нажмёт на кнопку и подключится к драйверу. А с другой стороны будет гайка с бронированной сантехнической трубки и я смогу ею регулировать фокус. Когда она закручена до упора – луч прямой. Звучит удобно. Всё равно эта резина воду портит… Отверстие в этой гайке закрою защитным стеклом. Пусть оно и жрёт часть мощности, но зато я не буду бояться за нежную пластиковую оптику. Стекло это вырежу из предметного стёклышка для микроскопа, а приклею на обычный строительный белый силикон. У него мёртвая хватка.

Начинку сделаю из «банок» — корпусов от конденсаторов. В одной банке сделаю полностью самостоятельный лазерный модуль с ЛД, драйвером, кнопкой, охлаждением и прижимающей аккумулятор пружинкой. А во второй банке расположу оптику и пружинку, упирающуюся в первый модуль. Сам оптический модуль будет упираться в переднюю крышку с окном. Модули можно будет менять как детали в конструкторе. Открывается широкое поле для экспериментов и фантазий… В общем хватит идей. Пора браться за работу:

Корпус получился грубым и некрасивым, но со своими обязанностями он справляется как положено. Так что тут я его не покажу, но вы увидите его ниже. Лазерный модуль меня полностью удовлетворил. А вот с оптическим пришлось повозится. Я попробовал линзы от китайской лазерки, головки привода и даже какую-то громадину от светодиодного фонарика. С линзами от лазерки и фонарика луч был с нехилой аурой, а линза от головки мне понравилась. Очень тонкий и качественный луч, но он слишком сильно расходится, а это удар ниже пояса 🙂 И тут мне стукнула в голову идея – использовать две качественные просветлённые длиннофокусные линзы, выковырянные с головок пары приводов. Благо у меня этого хлама полный шкаф… В оптике я не силён, но у меня получилось с первого раза собрать объектив (теперь это иначе не назвать), который меня полностью удовлетворил своими параметрами:

Спичка зажглась с 2,5м (так уж принято – оценивать мощность в спичках на метр) в то время, как все остальные варианты разрешали мне отойти максимум на 0,5…1м. Но и тут не без косяков… Есть какие-то специфические искажения с фокусом. Будто источник света не точечный, а виде немного вытянутой вдоль оси палочки. Но они не сильно заметны. Вот вам фото, на котором я освещаю облака:

Признаюсь. Это тип облаков, который низко стелиться. Тут где-то 300 метров всего (судя по размерам точки), а ночная температура увеличила размер капель до таких, что они очень эффективно возвращают свет моего лазера (наверное). Поэтому точка такая яркая и чёткая. Другими словами не летайте в небесах – я вас немного обманул 🙂

Кстати, про «спички на метр». На форумах читал баснословные цифры в 5 и более метров с обычной убогой оптикой от китайских модулей. Сначала думал, что что-то я сделал не так, но потом решил что лазерщикам доступны такие же слабости как и рыбакам… Но стёклышко своё мне всё же надо заменить на кварцевое. Без него заметно лучше жжет.

Игрушка получилась интересная, но мне этого было мало и я решил устроить лазерное шоу. Сначала слепил простую конструкцию, которую вы видите на фото:

А вот что она творит:

Затем пошагал ещё дальше. Приклеил пару зеркал к гофрам динамиков и подал на них звук:

Не судите строго выбранный мною трек. С динамичными сценами мягкий гофр на пару с тяжелыми зеркалами не справлялся. Нужно было поискать что-то простое. Из-за высокой яркости луча мой фотик заснял и сильные переотражения в своём объективе. Он вообще ненавидит этот луч… На стене вместо 5мм точки – фотографирует жирнющее белое пятнище с кулак…

Блин. Аккумулятор сел. Я его с момента покупки так и не заряжал. Хватило всего на три дня 🙂 Пора бы задуматься о зарядном устройстве. Ведь Li-ion аккумуляторы очень требовательны к зарядному режиму… «Такс. Это сложное, а это некачественно питает… Придумал!» С этими мыслями я полез в свою железную помойку искать китайский адаптер. Мой богатый опыт приучил меня заряжать аккумуляторы так, чтоб они вообще не нагревались. После того как я нашёл этот БП, я вскрыл его и замерял ток короткого замыкания трансформатора – 1,2А. Маловато, но мне хватит. В итоге родилась вот такая простая, но качественно питающая схема зарядного устройства:

А вот и само устройство:

Ток ограничивается самим трансформатором до 0,35А. За счёт однополупериодной схемы выпрямления трансформатор не перегревается несмотря на свою китаёзность, а аккумулятор питается импульсным током, который им всем вы не представляете как нравится. При этом зарядка ограничивает напряжение до 4,2V. Полтора часа аккумулятор «быстро» заряжается до 70%, а затем ещё два часа впитывает оставшиеся 30% заряда. Всё как по даташиту, только лучше. Аккумулятор не греется вообще (правда его греет сам зарядник). Я ещё жив, а квартира не сгорела. Значит задача выполнена успешно. Более того у этой зарядки есть индикатор заряда. Светодиод загорается когда аккумулятор зарядится. Но главное – предельная простота зарядки благодаря нестандартному подходу к некоторым вещам. В общем и вам на первое время советую. Только не забывайте за символический радиатор для LM-ки и вентиляцию корпуса.

В общем поигрался и хватит. Пора двигаться дальше. Что это за убожеский кусок сантехнического лазерно-водопроводного изделия? Пора искать хорошего токаря. На столько хорошего, что расстояние в полторы тысячи километров помехой быть не может. Я даже знаю кого. Чертёж уже подготовлен, осталось им распугать всех знакомых, чтоб остался только он…

Испугались? Я тоже, но одного человека этот чертёж всего лишь озадачил. Есть один человек на форуме нашего сайта. Сидит под ником «Валерий» и прикидывается злючим админом. Только у него это очень плохо получается 🙂 Руки у него золотые во всех смыслах слова, кроме прямого. Мод компьютерного корпуса под робота «Wall-e» — его творение. Так вот, он согласился мне выточить этот корпус (скорее даже сам предложил), за что я ему премного благодарен. Вот что из этого получилось:

Шикарно? О да! Я сам не ожидал такой работы. Смотрится здорово. Я хотел чтоб мне сделали достойный корпус своему лазеру, а получилось наоборот. Теперь мне нужно искать достойный лазер этому корпусу :). Эксклюзив!.. Только с надписью «It is INFERION made» Валера немного перестарался. Тут его работы больше чем моей, а все свои заслуги на меня списал.

В задней крышке есть фиксатор на три положения:

1. 1. Блокировка – крышка не достаёт до кнопки, даже если на неё нажать.

1. 1. Рабочее положение – крышка работает как кнопка.

1. Фиксация – закручена почти до упора и кнопка постоянно нажата.

При этом угол между положениями всего 30°.

Ну, вот и финал. В дальнейшем я сделаю ещё ИК модуль и однолинзовый оптический модуль с 8мм лучом. Кстати сейчас моего лазера хватает на 2 часа беспрерывной работы от аккумулятора, ёмкостью 700мА/ч, а его габариты всего 25 на 105мм! При этом почти полный функционал и универсальность при относительной простоте конструкции.

Сейчас я жду посылку с этим корпусом. Правда там ещё и горстка светодиодов с ещё одним, не менее крутым корпусом к фонарику. Валерий оказался очень щедрым человеком, но это уже другая история. Когда-нибудь и фонарик вам покажу. В общем ждите обновлений статьи, как только я наделаю новых фотографий работы лазера под водой.

Надеюсь эта статья помогла вам сообразить некоторые моменты в этом нехитром деле – лазеростроении.

Ну и не забывайте, что лазер очень опасная игрушка, и запросто можно остаться без глаз, или испортить зрение кому-то из Ваших близких. Я очень серьёзно!

Источник: www.casemods.ru