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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Redundanzschaltung für in Reihe
angeschlossene Dioden, die funktionell für eine zerstörte Diode
in einer Schaltung mit einer Vielzahl von in Reihe angeschlossenen
Dioden eingesetzt werden kann.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Eine
Anzahl von Dioden, wie z.B. Licht emittierende Dioden, sind in einem
Array zur Verwendung in einem Display angeordnet. Es besteht die
Möglichkeit,
dass Teile dieser Dioden beim Einsatz zerstört werden. Ein herkömmliches
Verfahren zur Behandlung der Zerstörung einer Diode, z.B. in der
ungeprüften
japanischen Patentpublikation (kokai) JP-A-2-244685 (1990), beschreibt
eine Schutzschaltung für
eine Laserdiode, die zur Erkennung der Temperatur der Laserdiode
entwickelt wurde. Wenn sich die ermittelte Temperatur in einem vorgegebenen "Temperaturbereich
befindet, wird die Laserdiode auf der Grundlage eines Diodensteuersignals
mit einem Strom versorgt. Falls die ermittelte Temperatur eine Maximaltemperatur überschreitet,
wird der Strom durch das Steuersignal abgeschaltet.
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Die
zuvor beschriebene Schutzschaltung ist eine Schaltung zum Schutz
einer Diode vor Zerstörung
durch Temperaturanstieg. Mehrere andere Schutzschaltungen zum Schutz
von Dioden vor Stromspitzen, Überstrom
oder abnormen Temperaturen wurden vorgestellt. Da diese Schaltungen
die Verhinderung eines Ausfalls beabsichtigen, wenn eine Diode zerstört ist,
hält eine
Sperrschaltung die gesamte Vorrichtung an.
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Eine
Vorrichtung, die mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Dioden
konfiguriert ist, bietet den Vorteil der einfachen Verkabelung der
Dioden. Wenn jedoch eine oder mehrere Dioden davon zerstört sind,
ohne dass durch eine Leitung die Schaltung geöffnet wird, kann kein Strom
durch die gesamten in Reihe geschalteten Dioden fließen, wodurch
eine Funktionsstörung
der Vorrichtung eintritt. Dabei besteht auch beim Umstand einer
teilweisen Beschädigung
der Dioden Bedarf am kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung unter
Verwendung der verbleibenden Dioden. Insbesondere darf eine Licht
emittierende Anzeigetafel oder ein Display-Panel, wobei eine Reihe
Licht emittierender Dioden in Reihe geschaltet und in einem Array
angeordnet ist, die Funktionsfähigkeit
nicht verlieren, auch wenn einige Dioden zerstört sind.
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In
einem anderen Fall kann bei der Zerstörung von einer oder mehreren
Dioden aus dem Dioden-Array
durch internen Kurzschluss die Verringerung des Widerstands die
Erhitzung zerstörter
Dioden bewirken, sodass Schaden an den benachbarten Dioden entsteht.
Auch in diesem Fall besteht Bedarf am kontinuierlichen Betrieb der
gesamten Vorrichtung durch Abschalten der kurzgeschlossenen Diode.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
Redundanzschaltung für
in Reihe angeschlossene Dioden, die einen Stromfluss in der gesamten
Schaltung aufrechterhalten kann, um den Betrieb der gesamten Vorrichtung
fortzuführen,
auch wenn eine oder mehrere Dioden davon bei einer geöffneten
Schaltung oder einem Kurzschluss zerstört werden.
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Eine
erfindungsgemäße Redundanzschaltung
für eine
Diodenschaltung mit einer Vielzahl von in Reihe angeschlossenen
Dioden umfasst folgendes:
Bypass-Schaltungen, die alle jeweils
parallel zu jeder Gruppe geschaltet sind, wobei die Diodenschaltung in
eine Vielzahl von Gruppen unterteilt ist, von denen jede Gruppe
eine oder mehrere in Reihe angeschlossene Dioden hat;
dabei
enthält
jede Bypass-Schaltung eine erste spannungsgesteuerte Schalteinrichtung,
die parallel zur dazugehörigen
Gruppe angeschlossen ist, und eine Detektionsschaltung mit einer
Einrichtung mit konstanter Spannung, sowie eine Sicherungsschaltung,
die jeweils in Reihe angeschlossen sind, wobei die Detektionsschaltung
parallel zur dazugehörigen Gruppe
angeschlossen ist;
wobei die Verbindung zwischen der Einrichtung
mit konstanter Spannung (Konstantspannungs-Einrichtung) und der Sicherungsschaltung
an einen Steueranschluss der spannungsgesteuerten Schalteinrichtung
angeschlossen ist, und
wobei, wenn durch erhöhten Widerstand
einer beliebigen Diode die an einer der Gruppen anstehende Spannung
eine durch die Einrichtung mit konstanter Spannung vorgegebene Spannung übersteigt,
die spannungsgesteuerte Schalteinrichtung durch den Steueranschluss
eingeschaltet wird, sodass ein Strom umgeleitet wird, der durch
die betreffende Gruppe fließt.
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Vorzugsweise
ist die erste spannungsgesteuerte Schalteinrichtung ein Feldeffekttransistor, dessen
Steueranschluss sein Gate ist, an das eine Spannung von einer separaten
Energiequelle angelegt wird.
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Vorzugsweise
enthält
jede der Bypass-Schaltungen ferner eine zweite über eine Energiequelle parallel
zur Sicherungsschaltung angeschlossene spannungsgesteuerte Schalteinrichtung, und
ein Steueranschluss der zweiten spannungsgesteuerten Schalteinrichtung
ist an die Verbindung zwischen der Detektionsschaltung und der dazugehörigen Gruppe
angeschlossen, und wenn der Widerstand einer beliebigen Diode abnimmt,
wird die zweite spannungsgesteuerte Schalteinrichtung durch den
Steueranschluss eingeschaltet, um die Sicherungsschaltung auszulösen, sodass
die erste spannungsgesteuerte Schalteinrichtung einen Strom umleitet,
der durch die dazugehörige
Gruppe fließen soll.
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Vorzugsweise
besteht die Sicherungsschaltung aus einer Sicherung und einem Überstrom-Schutzwiderstand,
die beide zueinander in Reihe geschaltet sind.
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Vorzugsweise
ist in jeder Bypass-Schaltung der Primärkreis eines Relais zwischen
der separaten Energiequelle und dem Steueranschluss der spannungsgesteuerten
Schalteinrichtung angeschlossen, und der Sekundärkreis des Relais ist an eine
Indikatoreinrichtung angeschlossen, die beim Auslösen der Sicherungsschaltung
eingeschaltet wird.
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Vorzugsweise
ist bei jeder Bypass-Schaltung eine Licht emittierende Diode parallel
zur Sicherungsschaltung angeschlossen, sodass sie beim Auslösen der
Sicherungsschaltung in Betrieb ist.
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Vorzugsweise
ist bei jeder Bypass-Schaltung der Primärkreis eines Relais an die
Sicherungsschaltung angeschlossen, und der Sekundärkreis des
Relais ist an eine Indikatoreinrichtung angeschlossen, die beim
Auslösen
der Sicherungsschaltung eingeschaltet wird.
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Vorzugsweise
ist das Relais ein Opto- bzw. Fotokoppler.
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Bei
der erfindungsgemäßen Redundanzschaltung
löst beim
Anstieg des internen Widerstands einer beliebigen Diode durch Öffnungsbruch die
Sicherungsschaltung mit Abschalten aus, und anschließend wird
die erste spannungsgesteuerte Schalteinrichtung eingeschaltet, sodass
die dazugehörige
Bypass-Schaltung einen Strom umleitet, der dann die betreffende
Gruppe durchläuft.
Die verbleibenden Dioden können
mit dem Bypass-Strom versorgt werden, um den gesamten Betrieb fortzuführen.
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Wenn
weiter der interne Widerstand einer beliebigen Diode durch den internen
Kurzschluss der Diode mit einem Spannungsabfall abnimmt, löst die zweite
spannungsgesteuerte Schalteinrichtung die Sicherungsschaltung aus.
Auf ähnliche
Weise können
die verbleibenden Dioden mit der Bypass-Spannung versorgt werden,
im den gesamten Betrieb fortzuführen,
wodurch das Aufheizen der kurzgeschlossenen Diode verhindert wird,
um die benachbarten Dioden vor Beschädigung zu schützen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Redundanzschaltung für eine
in Reihe angeschlossene Diodenschaltung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine Redundanzschaltung für eine
in Reihe angeschlossene Diodenschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine Redundanzschaltung für eine
in Reihe angeschlossene Diodenschaltung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
eine Redundanzschaltung für eine
in Reihe angeschlossene Diodenschaltung, wiederum gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
eine Redundanzschaltung für eine
in Reihe angeschlossene Diodenschaltung, wiederum gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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6A und 6B zeigen
eine Licht emittierende Diode bzw. einen Fotokoppler in der Redundanzschaltung
für eine
in Reihe angeschlossene Diodenschaltung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
eine Redundanzschaltung für eine
in Reihe angeschlossene Diodenschaltung, wiederum gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Anmeldung beruht auf der Anmeldung Nr. 2003-363040, die am 23. Oktober
2003 in Japan eingereicht wurde und auf deren Beschreibung hierin Bezug
genommen wird.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Eine
erfindungsgemäße Redundanzschaltung
wird auf eine Diodenschaltung angewandt, die aus einer Vielzahl
oder einer Anzahl von in Reihe angeschlossenen Dioden besteht. Eine
derartige Diodenschaltung kann beispielsweise bei einem Display eingesetzt
werden, bei dem eine Reihe von Licht emittierenden Dioden oder Laserdioden
in einem Array angeordnet ist.
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Die
Diodenschaltung kann in eine Vielzahl von Gruppen unterteilt sein,
wobei jede Gruppe eine oder mehrere in Reihe angeschlossene Dioden
hat. Die Redundanzschaltung umfasst Bypass-Schaltungen, von denen jede parallel
an jede der Gruppen angeschlossen ist. Jede Bypass-Schaltung kann
an jede der Dioden angeschlossen sein. Eine Gruppe kann eine oder
mehrere Dioden haben. Jede Gruppenkonfiguration kann unter einer
Betriebsbedingung eingesetzt werden, wobei bei einer Funktionsstörung aller
in einer Gruppe befindlichen Dioden durch Zerstörung einer einzelnen darin
befindlichen Diode die anderen in der Gruppe verbleibenden Dioden
kontinuierlich den Betrieb der gesamten Schaltung aufrechterhalten
können.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass die Anzahl der Bypass-Schaltungen
in Bezug auf die Anzahl der Dioden reduziert wird.
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Zunächst enthält bei einer
Redundanzschaltung für
die Offenschaltung von in Reihe angeschlossenen Dioden jede Bypass-Schaltung
eine erste spannungsgesteuerte Schalteinrichtung, die parallel an
die dazugehörige
Gruppe angeschlossen ist, und eine Detektionsschaltung mit einer
Einrichtung mit konstanter Spannung und einer Sicherungsschaltung,
die beide in Reihe angeschlossen sind, wobei die Detektionsschaltung
parallel zu der dazugehörigen
Gruppe angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen der Einrichtung
mit konstanter Spannung und der Sicherungsschaltung ist an einen
Steueranschluss der spannungsgesteuerten Schalteinrichtung angeschlossen.
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In
der Detektionsschaltung ist die Einrichtung mit konstanter Spannung
eine Einrichtung wie z.B. eine Zenerdiode, die einen Strom sperren
kann, wenn eine seitlich an der Diode anliegende Spannung einen
bestimmten Spannungswert nicht überschreitet.
Die Sicherungsschaltung hat als Sicherung eine Sicherungseinrichtung,
die nicht vom Strom ausgelöst
wird, wenn die seitlich an der Diode anliegende Spannung eine Sperrspannung
der Einrichtung mit konstanter Spannung nicht überschreitet.
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Wenn
dabei die an der Seite der Diode anlegende Spannung eine Sperrspannung
der Einrichtung mit konstanter Spannung überschreitet, beginnt der Strom,
durch die Sicherungseinrichtung zu fließen. Wenn der Strom einen festgelegten
Stromwert, d.h. den Auslösestrom
der Sicherungseinrichtung in der Sicherungsschaltung, überschreitet,
löst die
Sicherungseinrichtung aus.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist der Steueranschluss der spannungsgesteuerten
Schalteinrichtung an die Verbindung zwischen der Einrichtung mit
konstanter Spannung und der Sicherungsschaltung in der Detektionsschaltung
angeschlossen. Im leitenden Zustand der Sicherungseinrichtung wird
die spannungsgesteuerte Schalteinrichtung abgeschaltet, während alle
in der dazugehörigen
Gruppe befindlichen Dioden normal in Betrieb sind.
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Dabei
bewirkt die Detektionsschaltung nach dem Auslösen der Sicherungseinrichtung
eine Änderung
der Spannung am Steueranschluss, sodass die spannungsgesteuerte
Schalteinrichtung eingeschaltet wird, um den Stromfluss von der
Eingangsseite zur Ausgangsseite der dazugehörigen Gruppe zu ermöglichen.
Wenn eine beliebige Diode somit auslöst und in den geöffneten
Zustand übergeht,
steigt die Spannung an der Eingangsseite der dazugehörigen Gruppe
an, und die Detektionsschaltung löst dann die Sicherungsschaltung
aus, und die spannungsgesteuerte Schalteinrichtung kann anschließend den Strom
von den in der dazugehörigen
Gruppe befindlichen Dioden umleiten, um die Stromversorgung für die in
den vor- und nachgeschalteten Gruppen befindlichen Dioden fortzuführen.
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Für die erste
spannungsgesteuerte Schalteinrichtung kann ein Transistor, und zwar
insbesondere ein FET (Feldeffekttransistor), verwendet werden. Bei
einem FET sind Drain und Source an die Anode bzw. die Kathode der
Gruppe angeschlossen. Falls die Detektionsschaltung aus einer Zenerdiode und
einer Sicherung für
die Sicherungseinrichtung besteht, wird die Sicherung zwischen Gate
und Source des FET angeschlossen. Der FET kann z.B. ein FET vom
MOS-Typ sein.
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Insbesondere
wird das Gate des MOS-FET über
einen geeigneten Widerstand an eine weitere Gleichstromquelle angeschlossen.
Normalerweise sind beim leitenden Zustand der Sicherungsschaltung
durch die Sicherung die Gate-Spannung und die Source-Spannung ungefähr gleich.
Wenn die Sicherung durch die Öffnung
der Diode entsprechend der vorstehenden Beschreibung auslöst, wird
das Gate mit einer mit der Drain-Spannung vergleichbaren Spannung
versorgt, sodass der MOS-FET zur Aufrechterhaltung des Bypass-Stroms
eingeschaltet wird.
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Zweitens
hat bei einer Redundanzschaltung für die Kurzschlusszerstörung von
in Reihe geschalteten Dioden jede der Bypass-Schaltungen ferner eine
zweite spannungsgesteuerte Schalteinrichtung, die über eine
separate Energiequelle parallel zur Sicherungsschaltung angeschlossen
ist, wobei ein Steueranschluss der zweiten spannungsgesteuerten Schalteinrichtung
an die Verbindung zwischen der Detektionsschaltung und der dazugehörigen Gruppe angeschlossen
ist.
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Wenn
der interne Widerstand einer beliebigen Diode mit einem Spannungsabfall
der dazugehörigen
Gruppe abnimmt, wird die zweite spannungsgesteuerte Schalteinrichtung
vom Steueranschluss eingeschaltet, um die Sicherungsschaltung auszulösen, sodass
der Strom, der durch die dazugehörige Gruppe
fließen
soll, einen Umweg um die erste spannungsgesteuerte Schalteinrichtung
statt durch die in der dazugehörigen
Gruppe befindlichen Dioden nimmt, wodurch der Strom in der dazugehörigen Gruppe
im Wesentlichen abgeschaltet wird.
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Für die zweite
spannungsgesteuerte Schalteinrichtung kann beispielsweise ein Transistor
verwendet werden. Kollektor und Emitter sind jeweils über die
zweite Energiequelle zwischen den beiden Polen der Sicherungsschaltung
angeschlossen, und die Basis ist entweder an der Eingangsseite oder
an der Ausgangsseite der dazugehörigen
Gruppe angeschlossen, sodass der Transistor durch eine abfallende
Spannung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite eingeschaltet werden
kann.
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Falls
eine beliebige Diode mit abfallender Spannung zwischen den beiden
Seiten der dazugehörigen
Gruppe in Kurzschluss gerät,
wird der Transistor eingeschaltet, um die Sicherungseinrichtung
in der Sicherungsschaltung unter Verwendung der von der zweiten
Energiequelle gelieferten Spannung auszulösen. Anschließend wird
die erste spannungsgesteuerte Schalteinrichtung, z.B. ein FET, wie
zuvor beschrieben eingeschaltet, sodass der Strom, der durch die
dazugehörige
Gruppe fließen
soll, einen Umweg um die erste spannungsgesteuerte Schalteinrichtung
nimmt.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind die Sicherung und ein Überstrom-Schutzwiderstand
vorzugsweise in der Sicherungsschaltung in Reihe angeschlossen,
um Funktionsstörungen
der Redundanzschaltung zu verhindern.
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Die
erfindungsgemäße Redundanzschaltung hat
vorzugsweise eine Indikatorfunktion zur Anzeige der Diodengruppe,
die sich im geöffneten
Zustand oder in Kurzschluss befindet.
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Bei
jeder Bypass-Schaltung kann ein Primärkreis eines Relais zwischen
der separaten Energiequelle und dem Steueranschluss der ersten spannungsgesteuerten
Schalteinrichtung angeschlossen sein, und ein Sekundärkreis des
Relais kann an eine Indikatoreinrichtung angeschlossen sein, sodass
die Indikatoreinrichtung beim Auslösen der Sicherungsschaltung
eingeschaltet werden kann. Alternativ dazu kann bei jeder Bypass-Schaltung
eine Licht emittierende Einrichtung parallel zur Sicherungseinrichtung
angeschlossen sein, sodass die Licht emittierende Einrichtung beim
Auslösen
der Sicherungsschaltung eingeschaltet werden kann.
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Weiter
kann bei jeder Bypass-Schaltung ein Primärkreis eines Relais an die
Sicherungseinrichtung angeschlossen sein, und der Sekundärkreis des Relais
kann an eine Indikatoreinrichtung angeschlossen sein, sodass die
Indikatoreinrichtung beim Auslösen
der Sicherungsschaltung eingeschaltet werden kann.
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Für das zuvor
erwähnte
Relais kann ein Kontaktrelais oder ein Fotokoppler verwendet werden. Für die zuvor
erwähnte
Indikatoreinrichtung kann eine Licht emittierende Diode oder eine
sonstige Anzeigeeinrichtung verwendet werden.
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AUSFÜHRUNGSFORM 1
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In
einer Redundanzschaltung gemäß allen Ausführungsformen
wird eine Diodenschaltung, die aus zwei in Reihe angeschlossenen
Dioden D0 besteht, im Folgenden der Einfachheit halber so dargestellt,
dass eine Diodengruppe nur eine Diode hat und jede der Bypass-Schaltungen
A1 und A2 parallel an jede der Dioden D0 angeschlossen ist.
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Bei
der in 1 dargestellten Redundanzschaltung enthält jede
der Bypass-Schaltungen A1 und A2 eine spannungsgesteuerte Schalteinrichtung und
eine Detektionsschaltung, die parallel an jede der Dioden D0 angeschlossen
sind. Bei dieser Ausführungsform
ist für
die spannungsgesteuerte Schalteinrichtung ein MOS-FET Q1 eingesetzt,
der an die Diode D0 angeschlossen ist, und die Detektionsschaltung,
die parallel an die Diode D0 angeschlossen ist, enthält eine
Zenerdiode Dz1 für
eine Einrichtung mit konstanter Spannung und eine Sicherung F für eine Sicherungsschaltung
Fc, die in Reihe angeschlossen sind. Zwischen der Diode D0 und der
Zenerdiode Dz1 ist eine Diode D1 zur Ableitung des Umkehrstroms
in Reihe angeschlossen. Das Gate des MOS-FET ist an die Verbindung
zwischen der Sicherung F und der Zenerdiode Dz1 angeschlossen. Der
Source-Anschluss
des MOS-FET ist an die gegenüberliegende
Seite der Sicherung F als Äquipotenzial
zum Gate angeschlossen. Eine zweite Zenerdiode Dz2 ist parallel
zur Sicherung F angeschlossen.
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Weiter
ist eine Gleichstromquelle E1 über
einen Widerstand R1 an jedes Gate der FETs Q1 angeschlossen, und
der Negativpol der Energiequelle E1 ist an eine Kathode der Diode
D0 angeschlossen, die sich in einer Endgruppe einer Reihe von Dioden
befindet.
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Der
Betrieb der Bypass-Schaltung wird im Folgenden beschrieben. Wenn
alle in Reihe angeschlossenen Dioden D0 normal mit Normalstrom arbeiten,
bleibt ein Spannungsabfall jeder Diode gering. Da der Gesamtbetrag
einer Zenerspannung der Zenerdiode Dz1 und einer Vorwärtsspannung
der Diode D1 größer als
der Spannungsabfall vorgesehen ist, sperrt die Zenerdiode Dz1 einen
Strom, und die Sicherung F brennt nicht durch, sodass das Gate von FET
Q1 durch die Sicherung F auf dem Äquipotenzial des Source-Anschlusses
bleibt und der FET Q1 abgeschaltet wird. Die Bypass-Schaltung arbeitet
daher nicht.
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Dabei
gilt z.B. für
die in 1 dargestellte Bypass-Schaltung A1, dass bei der
Zerstörung
der Diode D0 mit einem höheren
internen Widerstand, also in einem geöffneten Zustand, die Anodenspannung
der Diode D0 relativ zu ihrer Kathodenspannung ansteigt. Wenn die
Anodenspannung den Gesamtbetrag der Zenerspannung der Zenerdiode
Dz1 und der Vorwärtsspannung
der in Reihe angeschlossenen Diode D1 übersteigt, fließt ein Strom
von der Anode der Diode D0 durch die Zenerdiode Dz1, um die Sicherung
F auszulösen.
Nach dem Durchbrennen der Sicherung F wird über den Widerstand R1 eine
Spannung der Energiequelle E1 an das Gate des FET angelegt, so dass
der FET eingeschaltet wird. Der Strom kann von der Anode der Diode
D0 durch den FET Q1 zur Kathode der Diode D0 fließen und
dabei die folgende Diode D0 mit Strom versorgen. Somit kann die
Bypass-Schaltung A1 den Strom für
die geöffnete
und ausgelöste
Diode umleiten, um den Betrieb der in Reihe geschalteten Dioden
aufrechtzuerhalten. Nachdem die Sicherung F ausgelöst hat,
wird die Gate-Spannung des FET durch die zweite Zenerdiode Dz2 bestimmt.
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Nach
dem Auslösen
der Sicherung F wird die Spannung der Energiequelle E1 trotz des
um einen gewissen Faktor verringerten Widerstands der Diode D0 durch
die Diode D1 zur Ableitung des Umkehrstroms gesperrt, sodass die
Spannung zwischen dem Gate und dem Source-Anschluss des FET durch die
Energiequelle E1 und die zweite Zenerdiode Dz2 höher als der Schwellenwert gehalten
wird. Der FET kann daher kontinuierlich in Betrieb bleiben.
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Da
insbesondere der bei dieser Ausführungsform
verwendete FET ein spannungsgesteuerter Typ eines Stromverstärkungsschalters
ist, kann die Diode keine vollständige
Leitfähigkeit
erreichen, sofern die Spannung zwischen Gate und Source des FET
nicht signifikant höher
ist. Die Spannung der Energiequelle E1 ist höher vorgegeben als der Gesamtbetrag
des Schwellenwerts Vth zwischen dem Gate und dem Source-Anschluss
des FET und der Quellenspannung Eqs des FET.
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Die
Sicherung F hat einen internen Widerstand, der durch einen Strom,
der durch die Diode D1 zur Ableitung des Umkehrstroms und die Zenerdiode Dz1
fließt,
einen Spannungsabfall bewirken kann. Vor dem Auslösen der
Sicherung F kann eine bestimmte Spannung, die den Schwellenwert
Vth zwischen dem Gate und dem Source-Anschluss des FET übersteigt,
an das Gate, die Diode D0, die Diode D1 und die Zenerdiode Dz1 angelegt
werden, wodurch ein Stromfluss in den FET ermöglicht wird. Dieser Zustand
kann einen thermischen Verlust im FET verursachen, falls im FET
eine unvollständige
Leitfähigkeit
vorliegt. Um diese Erscheinung zu verhindern, ist der zuvor erwähnte Schwellenwert
Vth des FET größer eingestellt
als das Produkt aus dem nominellen Strom und dem internen Widerstand
der Sicherung F. Diese Einstellung kann den Verlust verhindern,
da vor dem Auslösen
der Sicherung F kein Strom durch den FET fließt, und nach dem Auslösen der
Sicherung F tritt kein wesentlicher thermischer Verlust auf, auch
wenn der Bypass-Strom durch den FET fließt, da der FET seine Leitfähigkeit
vollständig beibehält.
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AUSFÜHRUNGSFORM 2
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Bei
dieser Ausführungsform
entsprechend der Darstellung in 2 besteht
die Sicherungsschaltung Fc aus der Sicherung F und einem Widerstand
Rf zum Überstromschutz,
die in Reihe geschaltet sind. In der Sicherungsschaltung Fc kann
durch die Reihenschaltung der Diode D1 zur Ableitung des Umkehrstroms
mit der Zenerdiode Dz1, ähnlich
wie bei der zuvor erwähnten
Ausführungsform
1, der Widerstand Rf, wenn die Diode D0 durch Öffnung einen abrupten Strom
verursacht, den Fluss des Überstroms
durch die Diode D1 zur Ableitung des Umkehrstroms und die Zenerdiode
Dz1 verhindern. Dieser Überstromschutz-Widerstand
Rf ist so eingestellt, dass das Produkt aus der Summe des Widerstands Rf
und des internen Widerstands der Sicherung F und dem nominellen
Strom der Sicherung F geringer als der Schwellenwert ist, wodurch
ein Stromfluss in den FET vor dem Auslösen der Sicherung F und der Fluss
des Überstroms
durch die Diode D1 zur Ableitung des Umkehrstroms und die Zenerdiode
Dz1 verhindert wird.
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AUSFÜHRUNGSFORM 3
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Bei
den in 1 und 2 dargestellten Ausfürungsformen
1 und 2 kann es schwierig sein, den Schwellenwert Vth des MOS-FET
größer einzustellen
als einen Wert, der sich definiert durch das Produkt aus dem nominellen
Strom und dem internen Widerstand (bzw. dem internen Widerstand
plus einem Reihenwiderstand) der Sicherung F. Entsprechend der Darstellung
in 3 und 4 ist eine Zenerdiode Dz3 in
Reihe an das Gate des FET angeschlossen und verstärkt einen
nutzbaren Spannungspegel. Die nutzbare Spannung des MOS-FET ist
definiert durch die Summe der Zenerspannung VDz3 und
des Schwellenwertes der Zenerdiode Dz3, somit kann die nutzbare
Spannung wahlweise durch die Zenerdiode Dz3 vorgegeben werden. Bei
dieser Ausführung
kann ein Stromfluss in den FET vor dem Auslösen der Sicherung F verhindert
und dadurch der Verlust des FET vermieden werden.
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Da
in diesem Fall der Eingangswiderstand des MOS-FET hoch ist, neigt
die Gate-Spannung selbst im Zustand des Normalbetriebs wegen eines Leckstroms
IlDz3 der Zenerdiode Dz3 zum Anstieg. Wenn
die durch das Produkt des Leckstroms der Zenerdiode Dz3 mit dem
Eingangswiderstand des MOS-FET definierte Gate-Spannung die Schwellenwertspannung übersteigt,
wird der MOS-FET
eingeschaltet und führt
zu einer Funktionsstörung
der Bypass-Schaltung A1. Um dieses Problem zu bewältigen,
wird entsprechend der Darstellung in 3 und 4 ein
Widerstand R2 vorzugsweise zwischen Gate und Source angeschlossen,
wodurch der Eingangswiderstand am Gate reduziert wird. Der Widerstand
R2 ist so eingestellt, dass das Produkt aus dem Leckstrom IlDz3 der Zenerdiode Dz3 und dem Widerstand
R2 geringer ist als die Schwellenwertspannung Vth des MOS-FET Q1.
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In
diesem Fall sind entsprechend der Darstellung in 3 und 4 die
Zenerdiode Dz3 und der Widerstand R2 an das Gate von MOS-FET Q1 angeschlossen,
und nach dem Auslösen
der Sicherung F bestimmt sich die Gate-Spannung Eg des MOS-FET wie
folgt über
eine Division unter Verwendung der beiden Widerstände R1 und
R2 und einer Spannung, die durch die Subtraktion der Source-Spannung
Eqs des MOS-FET und der Zenerspannung VDz3 der
Zenerdiode Dz3 von der Spannung der Energiequelle E1 definiert ist: Eg = (E1 – Eqs – VDz3) × R2/(R1
+ R2)
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Damit
ist der zwischen Gate und Source anstehende Widerstand vorzugsweise
geringer, um das Risiko eines Anstiegs der Gate-Spannung wegen des
Leckstroms der Zenerdiode Dz3 zu umgehen. Andererseits ist der seitens
der Energiequelle E1 vorhandene Widerstand vorzugsweise größer eingestellt,
um Kapazität
der Energiequelle zu sparen und die Ansprechgeschwindigkeit einer
Einschalt-Schaltung des MOS-FET nicht zu beeinträchtigen. Praktisch kann die
Einstellung mit erhöhtem
Widerstand R1 und reduziertem Widerstand R2 die Gate-Spannung Eg
des MOS-FET senken und dadurch das Einschalten des MOS-FET außer Funktion
setzen. Daher werden die Spannung der Energiequelle E1 und die beiden
Widerstände
R1 und R2 vorzugsweise mit einer Abweichung entsprechend der zuvor
beschriebenen Beziehung eingestellt.
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AUSFÜHRUNGSFORM 4
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Bei
dieser Ausführungsform
enthält
die in 1 dargestellte Redundanzschaltung Mittel zum Erkennen
einer zerstörten
Diode, wobei der Primärkreis
bzw. erste Kreis eines Fotokopplers Pc als Relaisschaltung auf der
Strecke von der Energiequelle E1 über den Widerstand R1 zum Gate
des FET angeschlossen ist, und der Sekundärkreis bzw. zweite Kreis des
Fotokopplers Pc ist an eine Indikatoreinrichtung angeschlossen.
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In 5 ist
in jeder der Bypass-Schaltungen A1 und A2 eine Licht emittierende
Diode Pd des Primärkreises
des Fotokopplers Pc in Reihe zwischen der Gleichstromquelle E1 und
dem Widerstand R1 angeschlossen. Fototransistoren Pt der Sekundärkreise
der Fotokoppler Pc, an die über
einen Lastwiderstand Rx, der an Ausgangsanschlüssen eine Spannung Vx ausgibt,
eine zweite Energiequelle E2 angeschlossen ist, sind in Reihe miteinander
verbunden.
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Da
der Fotokoppler Pc in jeder der Bypass-Schaltungen A1 und A2 vorhanden
ist, fließt beim
Normalbetrieb der Diode D0 Strom von der Energiequelle E1 durch
die primäre
Licht emittierende Diode des Fotokopplers Pc über die Sicherung F, wodurch
der sekundäre
Fototransistor eingeschaltet werden kann. Beim Normalbetrieb sämtlicher
in Reihe geschalteten Dioden D0 fließt daher Strom von der Energiequelle
Ex durch alle in Reihe geschalteten sekundären Fototransistoren und bewirkt
die Spannung Vx am Lastwiderstand Rx.
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Wenn
dabei eine beliebige der Dioden D0 durch Zerstörung in den geöffneten
Zustand übergeht,
löst entsprechend
der Beschreibung der Ausführungsform
1 die Sicherung F aus, um den Strom von der Gleichstromquelle E1
abzuschalten, sodass der Lastwiderstand Rx keine Spannung ausgibt.
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Durch
die Überwachung
von Änderungen der
Ausgangsspannung kann somit beurteilt werden, ob die Diode zerstört ist.
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AUSFÜHRUNGSFORM 5
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Bei
dieser Ausführungsform
ist die zuvor erwähnte
Sicherungsschaltung Fc, die aus der Sicherung F und dem Widerstand
Rf die in Reihe geschaltet sind, besteht, parallel zu einer Licht
emittierenden Diode De und einem geeigneten Widerstand R3 angeschlossen,
die beide in Reihe zueinander geschaltet sind. Der Offen-Ausfall
der Diode D0 ermöglicht unmittelbar
die Ausgabe von Licht durch die Licht emittierende Diode De zur
einfachen Erkennung und Identifizierung der zerstörten Diode
D0. 6A zeigt ein Beispiel einer Schaltung, wobei die
Licht emittierende Diode De über
den Widerstand R3 parallel zu der in der in 1 bis 5 dargestellten
Redundanzschaltung verwendeten Sicherungsschaltung Fc angeschlossen
ist. Die Sicherungsschaltung Fc und die Licht emittierende Diode
De mit dem in Reihe geschalteten Widerstand R3 sind parallel zwischen Gate
und Source des FET Q1 angeschlossen. Wenn die Diode D0 in einen
geöffneten
Zustand zerstört wird,
löst die
Sicherung F aus, und anschließend
wird eine Hochspannung von der ersten Energiequelle, die den Schwellenwert
des FET übersteigt,
an das Gate des FET angelegt, und der FET Q1 wird dann eingeschaltet,
während
die Hochspannung unmittelbar die Ausgabe von Licht durch die Licht
emittierende Diode De ermöglicht,
sodass die zerstörte
Diode D0 erkannt wird.
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6B zeigt
ein weiteres Beispiel einer Schaltung, wobei alternativ zur Licht
emittierenden Diode De in 6A die
primäre
Licht emittierende Diode Pd eines Fotokopplers Pc über einen ähnlichen
Widerstand R3 parallel zur Sicherungsschaltung Fc angeschlossen
sein kann (oder zwischen Gate und Source des FET). Der sekundäre Fototransistor
Pt des Fotokopplers Pc kann an eine Anzeige oder sonstige Überwachungsschaltungen
(nicht dargestellt) angeschlossen sein, wobei die zerstörte Diode
D0 durch die Überwachungsschaltungen
erkannt wird.
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AUSFÜHRUNGSFORM
6
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Bei
dieser Ausführungsform
wird im Folgenden eine weitere Redundanzschaltung beschrieben, die
Redundanz ausführen
kann, wenn die Diode D0 bei reduziertem internen Widerstand kurzgeschlossen
ist. Die bei der Ausführungsform
1 gezeigte Schaltung ist mit im Folgenden beschriebenen Bypass-Hilfsschaltungen
B1 und B2 ausgestattet, die den zuvor erwähnten Bypass-Schaltungen A1 und A2
entsprechen.
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Bei
jeder der Bypass-Hilfsschaltungen B1 und B2 ist entsprechend der
Darstellung in 7 die Basis eines PNP-Transistors
Tr als zweiter spannungsgesteuerter Schalteinrichtung über einen
Widerstand Ry1 an die Anode der Diode D0 angeschlossen. Dabei ist
der Emitter über
eine weitere Energiequelle Ey1 an die Kathode der Diode D0 angeschlossen.
Der Kollektor ist über
eine Diode Dy zur Ableitung des Umkehrstroms an das Gate des zuvor erwähnten FET
Q1 angeschlossen.
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Falls
die Diode beim Betrieb bei reduziertem internen Widerstand kurzgeschlossen
wird bzw. einen Kurzschluss erleidet, nimmt der Spannungsabfall
zwischen Anode und Kathode der Diode D0 ab. Wenn die Spannung zwischen
Basis und Kollektor des Transistors Tr ebenfalls unter einen vorgegebenen
Wert sinkt, fließt
Strom von der Energiequelle Ey durch den Transistor Tr und die Sicherung
F, die durch einen nominellen bzw. höheren Strom ausgelöst wird,
und anschließend
wird eine Spannung von der Gleichstromquelle E1 an das Gate des
FET angelegt, der eingeschaltet wird. Dementsprechend fließt kein
Strom durch die Diode D0, und die anderen in Reihe geschalteten
Dioden D0 werden mit Bypass-Strom versorgt, der durch den FET fließt.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird nach dem Auslösen
der Sicherung F wegen des reduzierten Widerstands der Diode D0 eine
Spannung, die gleich dem Schwellenwert oder größer ist, von der Energiequelle
E1 zwischen Gate und Source des FET angelegt, sodass der Bypass-Strom
weiterhin durch den FET fließt,
auch wenn der Widerstand der Diode D0 später erhöht wird. Die Diode D0 wird
somit nicht mehr weiterverwendet.
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Die
erfindungsgemäße Redundanzschaltung für in Reihe
geschaltete Dioden kann in vielfältiger Weise
eingesetzt werden auf den Gebieten der Halbleiterherstellung und
der Bildanzeige, als Schutzschaltung für eine Anzeigevorrichtung,
bei der eine Anzahl von Dioden und insbesondere Licht emittierenden
Dioden oder Laserdioden in einem Array angeordnet ist.
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Obwohl
die Erfindung in Zusammenhang mit ihren bevorzugten Ausführungsformen
und den dazugehörigen
Zeichnungen vollständig
beschrieben wurde, bleibt festzuhalten, dass für Fachleute auf diesem Gebiet
verschiedene Abänderungen
ersichtlich sind. Solche Abänderungen
sollen als im Schutzbereich der Erfindung im Rahmen der folgenden
Patentansprüche
enthalten gelten, sofern sie nicht davon abweichen.