CN101569236B - 用于使发光二极管的至少一个串联电路运行的触发装置和方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种用于发光二极管的至少一个串联电路的显示装置，它具有一个电压调节单元，用于调节发光二极管的所述至少一个串联电路的工作电压，其特征在于，对于发光二极管的每个串联电路都没有一个电流调节单元，用于调节流过发光二极管的各自串联电路的电流；而且电流调节单元与电压调节单元连接起来用于将电流调节信号传送至电压调节单元。

Description

用于使发光二极管的至少一个串联电路运行的触发装置和方法

技术背景

发明基于按照独立权利要求的类型的一种触发装置或一种方法。由DE 198 41 270 A1已经公开了一种用于产生一个通过至少一个发光二极管的恒定电流的控制电路。控制电路包含有一个电路布置用于产生一个与规定的供电电压不同的电压，此电压加在待驱动的发光二极管上。流过发光二极管的电流由一个电流检测装置检测。加在电路装置输出端处的电压根据流过发光二极管的电流的大小来选择。

发明内容

发明的优点

具有权利要求1的特征的按照本发明的触发装置与此相比的优点在于：一方面实现了高的工作可靠性，而另一方面使损失功率最小化。这些优点如下来达到：不仅调节发光二极管的工作电压，而且也调节流过发光二极管的电流。通过电流调节首先可以阻止由于电流过大而破坏发光二极管。若电压未料到地强烈升高或者产生电压波动或在其它型式的电压发生装置中的干扰，那么通过调节电流直接地和及时地限制这流过发光二极管的电流，以阻止因为电流过大而造成发光二极管的破坏。通过调节电流还可以持久地使电压适配，直至准确地使所需要的电流能够流过串联连接的发光二极管。这导致了一个接近最小可能损失功率的工作点。此外在生产整个发光装置时发光二极管的加工公差不必或可以容易地进行补偿，从而简化了这样的装置的加工。

除了当发光二极管的一个串联电路连接于按照本发明的触发装置时才产生的优点之外，当发光二极管的多个串联电路并行地与按权利要求1所述触发装置联结时，就形成其他优点。由于与制造有关的公差，发光二极管具有略为不同的特性曲线，因此在确定的所加的电压时取决于这所应用的发光二极管的特性曲线则产生不同的电流。就发光二极管的多个串联电路而言可以使不利情况下的这些误差分别相加，因此例如对于二个不利地相互并连的链这二个链中的一个列还并不点亮，而另一个链则由于电流太大而已经破坏了。按照本发明每个串联电路都被分配一个电流调节单元，通过这单元可以分别限制通过串联电路的电流，从而避免损坏发光二极管的串联电路。但同时可以使工作电压提高，使所有连接于按照本发明的触发装置上的发光二极管链获得一种这样的工作电压，以至于可以使一个足够用于发光的电流流过发光二极管。因此一方面可以在多个并行连接于触发装置的发光二极管的串联电路时使所有的发光二极管都点亮，而另一方面却不会由于电流过大而破坏这些串联连接电路。通过将一个电流调节信号从电流调节单元输送至电压调节单元，那么通过这种反馈可以使电流调节与电压调节以可以简单地实现的方式连系起来，以便确保使必要的电流流过发光二极管的所有串联电路。通过将电流调节至必要的值就使发光二极管的串联电路在一个所希望的工作点上运行。因此使发光二极管的光学参数保持稳定。此外通过适当快速地调节电流可靠地避免了发光二极管的破坏。通过将供电电压调节至正好必要的值此外也可以使电流调节装置的，也使电压发生装置的损失功率减化。

具有并列的方法权利要求的特征的按照本发明的方法用于使发光二极管的至少一个串联电路运行，这种方法具有相应的优点。

通过在从属权利要求中所述的措施可以对在独立权利要求中所述的触发装置和所述的方法实现有利的扩展和改进。有利的是将发光二极管的所有串联电路的电流调节信号加到电压调节单元的一个输入端上。因此可以简单地通过只监测电压调节单元的一个输入端，通过考虑这配属于要求有最高的工作电压的发光二极管的串联电路的电流调节信号使所有的串联电路通过选择最高的，必要的工作电压而发光。另一方面必须使工作电压不是选得任意地高，而是可以匹配于正是要求最高工作电压的那个串联电路，因此可以用一个触发装置使发光二极管的多个串联电路节能并且可靠地运行。

此外有利的是：电压调节单元具有一个调高器，从而可以使发光二极管的工作电压选择得大于一个供电输入电压。因此可以设有发光二极管的也是这样大的串联电路，它们要求的工作电压大于供电电压，后者用于使触发装置运行。

在一种具有二个调节级的电压调节单元设计方案中可以实现特别方便的调节，在此设计方案中，当电流调节信号大，而流过发光二极管的串联电路的电流小的时候，使一个由分压器所规定的电压取决于电流调节信号而发生变形。用于使得在分压器中间的电位发生变化的调节级优选这样地设计，使它可以至少在其特性曲线的一个部分里实现发光二极管的至少一个串联电路的工作电压的改变，其与电流调节信号的大小成比例。对于这种调节来说这第二调节级尤其是具有一个有线性化电阻的场效应晶体管，该晶体管因此表现出加强的线性特征而且还并不干扰电流调节信号。电流调节信号的另一种转换是可以实现的，只要这样并不干扰电流调节回路的功能的话。

此外有利的是设有一个晶体管用于调节电流，例如一种双极型-或者场效应-晶体管，其中电流调节信号给到晶体管基极上并因此取决于电流调节信号的电压量值而引起电流调节。为了可靠地调整电流调节，优选设有一个比较电路用于将电流信号与一个参照电压相比较。

特别有利的是在汽车里应用一种本发明的显示装置，其中发光二极管有时也大量地尤其被应用于指针显示器、液晶显示器，但也用于汽车内部装置的照明。由于工作电压低、色彩几乎可以任意地选择而且工作时发热低，因此发光二极管可以被应用于汽车的各个不同位置上用于可靠地实现照明。

附图说明

发明的实施例表示于附图中并在以下加以详细说明。附图所示为：

图1：一种按照本发明的触发装置的第一实施例；

图2：一种按照本发明的触发装置的另一个实施例；

图3：一种电流调节单元的一个按照本发明的实施例；

图4：一种电压调节单元的一个按照本发明的实施例。

具体实施方式

按照本发明的用于使发光二极管的一个串联电路运行或者在发光二极管的多个串联电路同时平行运行时的触发装置可以应用于任意的照明目的。应用于汽车上尤其是有利的，这是因为按照本发明的触发装置可以实现一种可靠的并且同时经济的运行。尤其是对于汽车中测量数据的照明来说必需要始终保证触发装置的功能，以便司机能够读出相应的测量数据。按照本发明的触发装置为此例如可以装入在司机前面的一个所谓组合仪表里，在这仪表里装入有许多显示装置，例如象指针显示器或者液晶显示器。通过汽车的电网进行供电，供电电压在例如10至12V之间。为了使一个发光二极管能够发出相应的光，必须使所应用的半导体材料的能级距离被所加上的电压超过。能级距离对应于所发出的光子的能量。因此总计得出每个发光二极管所必需的工作电压在1.2V和4V之间。因此可以用汽车电路的电压只是使有限数量的串联的发光二极管可靠地运行。以下因此对本发明的实施例进行叙述，在其中更多数量的发光二极管也串联连接。为此所必需的电压大于所提供使用的汽车电网电压，用一种相应的电压产生单元准备提供这样的电压。但本发明也可以应用于较小的装置，在这些装置中需要低的电压，而且在这些装置中电压产生单元不必提高这必要的工作电压。另一方面尤其是对于应用在汽车之外时也可以将按照本发明的触发装置连接于供电电网并通过电压产生单元由电网电压产生一个所希望大小的工作-直流电压。本发明在以下按发光二极管的一个串联电路的运行为例加以说明，在这电路中用于使发光二极管工作的工作直流电压被升高。

在图1中表示了按照本发明的触发装置1的第一实施例。在触发装置1上连接了发光二极管3的一个串联电路2，其中发光二极管3以相应的数量在导通方向上串联连接。为使电路运行设有一个供电装置4，它提供供电电压。在汽车中这例如可以是汽车电路，或汽车蓄电池。供电电压加于一个电压调节单元5上，该单元输出一个工作电压用于使发光二极管3的串联电路2运行。这工作电压相对于地7被加到电压调节单元5的一个输出端6上。串联电路2在导通方向上运行并在电压调节单元5的输出端6处与电流调节单元8的一个输入端9相连接。电流调节单元8又与地连接，从而从电压调节单元5的输出端6经过串联电路2，经过电流调节单元8直至地使一个电流流过发光二极管3的串联电路2。通过串联电路使单个发光二极管上的电压降相加起来，因此为了发光，例如使所需电压为3.2V的共十个发光二极管发光的话就必须加上总电压为32V，以便使足够的电流流过发光二极管3。此外在电流调节单元8里通常有一个附加的电压降。

为了发光运行例如必需要电流为100mA。只要电流调节单元8没有测量到从其输入端9至地7的电流，就使电流调节单元8的电流调节通过电流调节信号而转换到从输入端9至地7导通。这个电流调节信号通过一个连接10也被继续输送至电压调节单元5。如果对应的与电流调节器转换到导通的对应的电流调节信号被电压调节单元5接收的话，那就使输出电压升高，这输出电压加在电压调节单元5的输出端6处。如果有一个电流开始流过发光二极管3并因此也流过电流调节单元8的话，那就使电流调节信号降低，因此并不阻止电流流过发光二极管2，但电流调节信号具有较低的电压。较小的电流调节信号被送至电压调节单元5，从而使得在输出端6被输出的工作电压保持恒定并且不继续升高了。如果由于其它原因电流继续升高，例如由于运行中的发热，那么电流调节单元8可以通过相应的降低电流调节信号来限制电流。

如果发光二极管3所需的电压由于其它原因而继续升高的话，例如由于在运行中的温度变化，那么电压调节单元5可以通过相应地适配这加在输出端6处的电压一方面使电流调节单元里的损失功率最小化，另一方面可以实现用于发光的经过发光二极管的电流。电流调节信号这里可以有助于降低工作电压，其方法是用相应的电压继续传输至电压调节单元5上。

在图2中表示了另外一种实施形式，其中触发单元扩展了并且有发光二极管的多个串联电路连接于一个电压调节单元15。电压调节单元15由一个电源14供给供电电压。发光二极管3的第一串联电路21、第二串联电路22和第三个串联电路23平行地连接于电压调节单元15的输出端16上。第一串联电路21配有第一电流调节单元31，第二串联电路22配有第二电流调节单元32，而第二串联电路23配有第三个电流调节单元33。串联电路21，22，23分别与各自的电流调节装置的输入端41，42，43相连接并通过各自的电流调节单元31，32，33与地17连接。由电流调节单元31，32，33分别通过一个二极管51，52，53将一个电流调节信号加到电压调节单元15的输入端24上。二极管51，52，53设计用于使电流调节信号可以从电流调节单元31，32，33虽然能到达电压调节单元15，但并不能流回至其它的电流调节装置里去。一个相应的二极管但是也可以按图1所示装入到在电流调节装置上或者电压调节单元5的输入端上。代替这二极管也可以使信号实现另外的分开。相应地也可以使多条线路从电流调节单元31，32，33通向电压调节单元15，其中一个对应的输入优选地通过一个二极管受到保护。

按照图2所示电路的功能原理首先对应于按图1所示的构造。发光二极管优选地在各个不同的列里以类似的数量和以类似的电压关系平行地连接。电压调节单元15从一个电压起始值开始，该起始值一般还不足于使发光二极管的一个串联电路运行。通过对应的电流调节信号，电压调节单元15得到以下信息：还没有电流流过至少一个串联电路。随后使电压升高，直至使电流流过第一串联电路。在这个时刻还没有电流流过其它的串联电路，因此使相应大小的电流调节信号继续传送至电压调节单元15，直至只是还经过串联电路之一没有电流流过。在这种情况下也使工作电压继续升高，直至有一个对应的预先规定的电流也流过这串联电路。在这个时刻通过第一流过电流的串联电路流过了一个这样大的电流，以至于没有电流限制就可能会使这串联电路损坏或者至少损坏这个串联电路中的发光二极管的至少之一。通过附属的电流调节则限制了流过串联电路的电流。

在一个串联电路中可以应用结构相同的，尤其是颜色相同的发光二极管。在一定条件下在一个串联电路中也可以应用不同的发光二极管。这相应地也适合于在多个并联列时，这些列在一定条件下在充分利用按照本发明的运行的情况时也可以在设置于串联电路中发光二极管的数量上有区别。

在图3中表示了一个电流调节单元的实施例，例如象电流调节单元8。相应地也设计了电流调节单元31，32，33。发光二极管的串联电路通过一个输入9与电流调节单元8连接。该输入被加到一个晶体管61上。晶体管的集电极通过一个电阻62与地7连接。在电阻62和晶体管61的集电级之间分接出电压并引入运算放大器63的一个输入端64里。运算放大器63的另一个输入端65则与分压器的中间抽头69相连接。分压器由第一电阻66和第二电阻67构成。通过二个电阻66，67加上一个电压，这电压由一个电源68产生。通过电阻66，67的关系因此可以预先规定在分压器的抽头69上的电压。该电压加到运算放大器63的一个输入上。该电压形成参照电压，由运算放大器63将这参照电压与在晶体管61的集电极和电阻62之间分接出的电压进行比较。参照电压也可以通过其它的电路，例如在应用齐纳二极管的情况下或者也通过加上一个由另一个信号源所输出的电压，例如由一个音频信号源，尤其是由音频信号来产生。运算放大器的输出70通过一个电阻71与晶体管61的基极连接。通过运算放大器63的工作方式，即似乎“无穷尽地”在这可用于运算放大器63的输出电压的范围里放大两个输入64，65之间的电压差，运算放大器如此地调节输出电压，以至于在输入64处并因此在晶体管61和电阻62之间，规定的参照电压降低。通过相应地选择电阻62，也通过相应地选择借助于电阻66和67与电源68连接的抽头69上的参照电压，因此也可以规定应流过电阻62的电流。如果电流较大，那么运算放大器63通过基极触发来调低流过晶体管61的电流。若电流太小了，那就通过基极将晶体管61调高。

通过电流调节单元的另一个输入72还可以通过分压器的第二电阻67的短路使运算放大器的第二输入65接地。因此将流过电阻62的所希望的电流调节到零，因此运算放大器将输出70调节到零并使晶体管61截止。此处通过输入72来触发一个开关元件73。除了纯粹的调节/控制之外通过输入72也可以例如通过一个脉宽调制的矩形信号调节流过电阻62的电流并因此也调节流过发光二极管的串联电路的电流，并因此使发光二极管变暗。如果没有电流，那么运算放大器63将其最大输出电压在其输出端70处输出，这输出电压大约相当于供电电压。

电流调节信号此外在运算放大器63和晶体管61之间被分接出，其中优选在运算放大器63和晶体管61之间布置一个电阻71并在电阻71和运算放大器63之间进行分接。电流调节信号通过一个输出74被继续传输至电压调节单元5。电阻71的值例如为400Ω。电阻71也确保了，可以将一个具有对于进一步处理足够高的电压的调节信号加到输出74上。对于晶体管61来说可以应用传统的晶体管，但也可以应用一种场效晶体管。电阻71的大小应该匹配于所应用的晶体管。对于场效晶体管来说也可以完全取消电阻71。电阻62应该选得尽可能地小，以便并非多余地阻碍电流通过发光二极管的串联电路。一种典型地数值此处大约为6Ω。

在图4中表示了按照本发明的电压调节单元5的一个实施例。电压调节单元5具有第一输入81，通过此输入为其输入供电电压。此外它还有一个输出82，通过此输出将用于发光二极管的所述至少一个串联电路的工作电压从电压调节单元5里引出去。通过第二输入83将电流调节信号输送给电压调节单元5。此外电压调节单元5通过第一接线与地7连接。电压调节单元5具有一个电容器84，它被充电至工作电压用于使发光二极管的所述至少一个串联电路运行。通过这在图4中划虚线边框所示的第一调节级85使电流从输入81经过一个线圈86按规定接地。电压的交变感生出电压峰值，它通过例如设计成一种肖特基-二极管的二极管87被加到输出82上并因此也加到电容器84上，从而使电容器能够充电到一个电压，这电压远远超出被加到输入81上的供电电压。第一调节级作为参照电压得到一个信号，这信号被一个分压器在第一电阻88和第二电阻89之间分接出来，其中两个电阻88，89与充电电容器84并联。工作电压也就是加在二个电阻88，89的分压器上。在分压器上分接出的中间电压被引至第一调节级85的一个输入90上。第一调节级85具有一个控制电路91和一个断路器，后者在此处所示的实施例中设计成一个场效晶体管92。控制电路91具有一个参照电压源93，其中通过其提供的参照电压信号和通过输入端90所接收的信号被加到一个运算放大器94上。运算放大器94的输出信号触发一个脉宽调制电路95并因此影响到脉冲宽度和/或频率，用此可以触发场效晶体管92的栅极。场效应晶体管的源极接线连接在线圈86和肖特基二极管87之间，而漏极端子则直接或者间接地通过其它器件，例如象测量电阻而接地。若输出82处的电压升高，那么场效应晶体管92就停止继续接通，因此电容器84不能进一步充电。若电容器84通过电流而放电，例如通过发光二极管，那么对应于所述的控制通过对场效应晶体管92进行触发又进行充电。

此外设有第二调节级96，它在图4中用一个点虚线为边框表示出。第二调节级96用于取决于通过第二输入83而接收的电流调节信号在一定条件下降低这加在第一调节级的输入90上的电位。在一种实施形式中在第二调节级里使电流调节信号首先加到一个低通滤波器上，它包括有第一电阻97和一个电容器98。低通滤波器用于将可能有的与电流调节信号相叠加的脉冲滤平。电流调节信号，在一定条件下在积分之后通过低通滤波器97，98被加到场效应晶体管100的栅极上。场效应晶体管100的源极端子与第一调节级85的输入90相连接。场效应晶体管100的漏极端子或者直接地或者在另一个实施形式中通过一个欧姆电阻101与地7连接。电阻101的作用是使场效应晶体管100的二次的特性曲线线性化并且同时调整设定一个最大的输出电压，该电压加在输出82上。也可以考虑用另一种类似的开关，例如象双极型-晶体管来替代场效应晶体管100。若电流调节信号，必要时通过考虑在内的低通滤波器的集成作用而滤平，超过了场效应晶体管100的触发电压水平的话，那么引起电流流过场效应晶体管100，因此使场效应晶体管的内电阻和在一定条件下与之串联的电阻101与分压器的电阻89并联连接。在分压器的下部因此欧姆电阻降低，从而使分压器关系发生变化。因此在第一调节级的输入90上的电位降低。为了避免场效晶体管或电容器98的充电效应，低通滤波器的电容器98与另外一个欧姆电阻99并联，因此电容器98不会随时间而放电。

如果接通电压调节装置，那么开始时只有通过输入端81输入的供电电压可供使用。此时通过分压器88，89还保留下来的电压作用在第一调节级85的输入端90上。该电压低于由参考电压源93所规定的参照电压，因此场效应晶体管92通过一个输出的脉冲信号来进行触发，从而电容器84充电并使输出端82处的输出电压升高，如果在输入端99处通过这种电压的升高达到了由参照电压源93所规定的目标电压的话，那么首先通过第一调节级不发生电压继续升高了。参照电压源93优选地这样调整设定，从而或者使这里根本没有规定的发光二极管的串联电路能够运行，或者至少只是在一种很有利的情况下，也就是说：电压在所有所需要的发光二极管中都很低，正好可能足够用于实现运行。

如果因此所输出的在输出端82处的电压还不足以使发光二极管的串联电路运行，或者说在多个发光二极管时至少还不足以使发光二极管的所有接通运行，那么通过第二输入83从电流调节装置的至少一个里输出至少一个电流调节信号，该信号超过了一个预先规定的阈值。通过调节信号使场效应晶体管100，在一定条件下也在一个线性特性曲线的一个范围里受到控制。因此如上所述，在第一调节级85的输入端90上的电位就降低。因为此处电位降低，因此对于运算放大器94输入的电压也发生变化，因此不能再达到参照电压。但因此对脉宽调制电路95进行触发并因此对场效应晶体管92在其栅极上加上一个脉冲信号，从而使工作电压继续升高。只有当不再从所连接的电流调节单元里输出一个电流调节信号时，该信号位于一个规定大约为3V的阈值，以上，就使场效晶体管100又关闭，从而通过第一调节级使电压的继续升高停止下来并首先使当前的电压保住。如果电流又降低，那么场效应晶体管100又可以通过提高电流调节信号来进行触发。场效应晶体管100因此在正常运行中持续地或多或少受到控制也就是说总是位于线性的，类似的范围里。在正常的振荡运行中LED(发光二极管)串联电路的所必需的流电压只是还缓慢地并且较少地发生变化，因此通过用于输入电流调节信号的第二输入端83只是还发生很短的或者说弱的控制作用。

Claims (8)

1.用于多个发光二极管(3)的至少一个串联电路(2，21，22，23)的触发装置，具有电压调节单元(5，15)用于调节发光二极管(3)的所述至少一个串联电路(2，21，22，23)的工作电压，其特征在于，对于发光二极管(3)的每个串联电路(2，21，22，23)设有电流调节单元(8，31，32，33)用于借助电流调节信号调节流过发光二极管的各串联电路的电流，而且电流调节单元(8，31，32，33)与电压调节单元(5，15)相连接，用于将所述电流调节信号传输至电压调节单元(5，15)，其中发光二极管的串联电路分别与晶体管(61)串联，而且用于调节经过发光二极管的串联电路的电流的电流调节信号传到晶体管(61)的基极上，并且发光二极管的串联电路分别与电阻(62)串联，该电阻在一侧接地，其中所述触发装置配设有比较电路，为了产生电流调节信号，向所述比较电路加载在该电阻上下降的电压和参照电压。

2.按权利要求1所述的触发装置，其特征在于，所述发光二极管的所有串联电路的电流调节信号作用在电压调节单元(5，15)的输入端(10，25)上。

3.按权利要求1所述的触发装置，其特征在于，电压调节单元(5，15)具有调高器用于产生发光二极管的所述至少一个串联电路的工作电压。

4.按上述权利要求之一所述的触发装置，其特征在于，电压调节单元(5，15)具有电压分压器，电压分压器包括两个电阻(88，89)，这两个电阻(88，89)连接在由电压调节单元(5，15)所提供的发光二极管的所述至少一个串联电路的工作电压和地之间；这两个电阻(88，89)的抽头与第一调节级(85)的输入端相连接用于调整发光二极管的所述至少一个串联电路的工作电压；电压调节单元(5，15)的第二调节级(96)被加载电流调节信号；而且电压分压器的抽头和第一调节级(85)的输入端与第二调节级(96)的输出端相连，从而在超过电流调节信号的规定的电压时就使电压分压器的抽头上的电压降低。

5.按权利要求4所述的触发装置，其特征在于，第二调节级(96)具有场效应晶体管(100)；电流调节信号送到了场效应晶体管(100)的栅极上；漏极端子接地而且源极端子直接地或者通过其它元器件与电压分压器(88，89)的抽头相连接。

6.汽车中的显示仪器，其特征在于，显示仪器具有至少一个发光二极管的串联电路，该串联电路用按上述权利要求之一所述的触发装置来运行。

7.使发光二极管的至少一个串联电路运行的方法，其中发光二极管的所述至少一个串联电路的工作电压取决于用于控制流过发光二极管的所述至少一个串联电路之一的电流的电流调节信号来进行选择，其中，对于发光二极管(3)的每个串联电路(2，21，22，23)来说，电流调节单元(8，31，32，33)借助电流调节信号调节流过发光二极管的各串联电路的电流，而且电流调节单元(8，31，32，33)将所述电流调节信号也传输至电压调节单元(5，15)，其中发光二极管的串联电路分别与晶体管(61)串联，而且用于调节经过发光二极管的串联电路的电流的电流调节信号传到晶体管(61)的基极上，并且发光二极管的串联电路分别与电阻(62)串联，该电阻在一侧接地，其中用于所述串联电路的触发装置配设有比较电路，为了产生电流调节信号，向所述比较电路加载在该电阻上下降的电压和参照电压。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，使发光二极管的所述至少一个串联电路的工作电压升高，直至发光二极管的所有串联电路的电流调节信号的电压经过规定的极限值。

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