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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung, einschließlich eines
Treibers für
ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement.
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Elektronische
Vorrichtungen zur Ansteuerung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen wie
Leuchtdioden (LED) umfassen häufig
einen Stromspiegel, dessen eines Ende mit dem lichtemittierenden
Halbleiterbauelement gekoppelt ist, um einen Strom durch das lichtemittierende
Halbleiterbauelement zu bestimmen. Die elektronische Vorrichtung
umfasst ebenfalls einen Regelkreis zur Stabilisierung des Stroms
durch die LED auf dessen Sollwert. Ein anderes Ende der LED ist
mit einer Energieversorgung gekoppelt, deren Versorgungsspannungspegel
auf einen bestimmten Pegel gesteuert wird, der benötigt wird,
um den Strom durch die LED zu treiben. Die LED-Intensität hängt von
dem LED-Strom ab. Bei niedrigen Versorgungsspannungen im Bereich
der LED-Durchlassspannung nähert sich
die Drain-Spannung des Stromspiegel-Ausgangstransistors 0 V an.
Folglich ist der Strom durch die LED nicht mehr zu regeln, wenn
die Versorgungsspannung an der LED nicht ausreichend hoch ist, um den
programmierten Strom mit den Stromspiegel-Ausgangstransistor abzuleiten.
In dieser Situation wird der Ausgangstransistor typischerweise so gesteuert,
dass er eine minimale Impedanz aufweist, um einen Maximalstrom abzuleiten,
ohne aber tatsächlich
irgendeinen erheblichen Strom abzuleiten. In dieser Situation kann
jedoch eine äußerst geringe Änderung
des Versorgungsspannungspegels dazu führen, dass dem Transistor extrem
hohe Ströme
zugeführt
werden. Der Regelkreis ist in seinem übersteuerten Zustand nicht
in der Lage, diesen Effekten entgegenzuwirken. Die gewünschte Helligkeit
der LED kann nicht erreicht werden, die LED versagt und die elektronische
Vorrichtung kann sogar zerstört werden.
Eine herkömmliche
Lösung
zur Vermeidung des Stromüberschwingens
besteht darin, die Drain-Source-Spannung des Stromspiegel-Ausgangstransistors
mit einem gewählten
Referenzwert zu vergleichen und den Regelkreis abzuschalten, wenn
ein Mindestspannungspegel unterschritten wird, um das Stromüberschwingen
zu vermeiden. Es besteht jedoch immer ein Risiko, dass dieser komparatorbasierte
Regelmechanismus um den Schalt- bzw. Arbeitspunkt herum zu schwingen
beginnt. Auf Grund des zusätzlichen
Spielraums, der zur Vermeidung der Schwingungen eingehalten werden
muss, ist der erreichbare Wirkungsgrad wesentlich reduziert.
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Aus
US 7,170,335 B2 ,
US 7,230,474 B2 und
US 2007/0008255 A1 sind
verschiedene Treiber zur Ansteuerung von lichtmittierenden Halbleiterbauelementen,
wie LEDs, bekannt. Die in den genannten Dokumenten offenbarten Treiberschaltungen
basieren ebenfalls auf den beschriebenen komparatorbasierten Regelmechanismen
und weisen daher die gleichen beschriebenen Nachteile auf.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Vorrichtung,
einschließlich
eines Treibers für
ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement bereitzustellen, die Überschwingen
vermeidet und eine geringere Komplexität und Leistungsaufnahme hat.
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Es
wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die einen Treiber
für lichtemittierende Halbleiterbauelemente
umfasst. Der Treiber umfasst einen ersten Transistor, der mit einem
Kanal mit dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement an einem Ausgangsknoten
gekoppelt ist. Der erste Transistor ist so konfiguriert, dass er
einen Strom durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement bestimmt.
Es wird ein Regelkreis bereitgestellt, um den ersten Transistor
so zu steuern, dass die Höhe
des Stroms durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement auf einem
Sollwert bleibt, wenn sich ein Spannungsabfall über dem Kanal des ersten Transistors ändert. Ein zweiter
Transistor ist mit dem Ausgangsknoten gekoppelt und vorgespannt,
so dass er dem Ausgangsknoten einen Hilfsstrom bereitstellt, wenn
der Spannungsabfall über
dem Kanal des ersten Transistors unter einen Mindestspannungspegel
fällt.
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Bei
geringen Versorgungsspannungen nähert
sich der Spannungsabfall über
dem Kanal des ersten Transistors 0 V an. Wenn die Versorgungsspannung
nicht ausreichend hoch ist, um den programmierten Strom durch den
Transistor abzuleiten, steuert der Regelkreis einen Steuereingang
des ersten Transistors auf einen oberen Grenzwert, um den Kanal
des Transistors so weit wie möglich
zu öffnen. In
dieser Situation beginnt der zweite Transistor mit dem Zuführen eines
Hilfsstroms durch den Kanal des ersten Transistors.
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Vorteilhafterweise
umfasst die elektronische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ferner einen ersten Stromspiegel, der mit dem ersten Transistor
gekoppelt ist, um den dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement
zuzuführenden
Strom festzulegen. Der zweite Transistor ist dann mit dem ersten Stromspiegel
gekoppelt, um die Höhe
des an den ersten MOS-Transistor gespiegelten Stroms zu verringern,
wenn der Hilfsstrom ansteigt. Dadurch wird ein Regelkreis bereitgestellt,
der den Strom durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement immer dann
automatisch verringert, wenn die zum Ansteuern des lichtemittierenden
Halbleiterbauelements verwendete Versorgungsspannung nicht ausreichend
hoch ist, um den Sollstrom bereitzustellen. Dies hält den Regelkreis
jedoch an einem Arbeitspunkt, bei dem plötzliches Überschwingen vermieden werden
kann.
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Die
elektronische Vorrichtung umfasst ferner eine Detektionsstufe zur
Detektion, dass der Spannungsabfall über dem Kanal des ersten Transistors unter
einen Mindestspannungspegel fällt,
und zur Ausgabe eines entsprechenden Detektionssignals. Diese Detektionsstufe
ermöglicht
es einer externen Vorrichtung, als Reaktion auf das Detektionssignal zum
Beispiel so zu agieren, dass sie die externe Versorgungsspannung
für das
lichtemittierende Halbleiterbauelement erhöht. Ebenso kann das Detektionssignal
für den
Ansteuerschaltkreis selbst verwendet werden. Entsprechend kann die
elektronische Vorrichtung ein Steuermittel zur selektiven Einstellung einer
Steuerspannung des zweiten Transistors als Reaktion auf das Detektionssignal
umfassen. Je nach den Anforderungen der Anwendung kann der Schaltkreis
gemäß der vorliegenden
Erfindung bei bestimmten Bedingungen entweder für einen maximalen Wirkungsgrad
oder für
ein minimales Ausgangsstromüberschwingen
optimiert werden. Für niedrige
Ausgangsströme,
bei denen der Wirkungsgrad nicht so wichtig ist, kann es nützlich sein,
die internen Arbeitspunkte zu ändern.
Das Einstellen kann durch Verwendung des Detektionssignals oder
basierend auf einer Festsetzung des Ausgangsstroms durchgeführt werden.
Der Steuereingang des zweiten Transistors kann zum Beispiel dafür verwendet werden,
einen höheren
Hilfsstrom für
einen größeren Spannungsabfall über dem
ersten Transistor bereitzustellen, um jegliches Überschwingen zu vermeiden oder
das Überschwingen
weiter zu verringern. Immer dann, wenn der Spannungsabfall über dem
Kanal des ersten Transistors unter den Mindestwert zur Aufrechterhaltung
der gewünschten
Leistung fällt, beginnt
der zweite Transistor mit der Erhöhung eines Stromflusses, wodurch
der Ausgangsstrom automatisch verringert wird, während der Regelkreis zur Aufrechterhaltung
des Ausgangsstroms auf einem Sollwert arbeitet und kein Überschwingen
des Ausgangsstroms zulässt.
Für hohe
Ströme
durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement kann der Wirkungsgrad
eine wichtige Rolle spielen. Deshalb sollte der Mindestspannungsabfall
(unterer Grenzpegel) über
dem ersten Transistor gemäß dem benötigten Strom
durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement einstellbar sein.
Das Einstellen wird dann vorzugsweise durch Erhöhen oder Verringern eines Steuereingangssignals
(d. h. z. B. der Gate-Spannung) des zweiten Transistors durchgeführt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren für den Betrieb
eines Treibers für
ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement. Entsprechend wird dem
lichtemittierenden Halbleiterbauelement durch einen ersten Transistor,
der Teil einer Stromspiegelkonfiguration ist, ein Strom zugeführt. Der Stromspiegel
wird so gesteuert, dass eine Sollhöhe des Ausgangsstroms durch
den ersten Transistor aufrechterhalten wird, wenn sich der Spannungsabfall über dem
Kanal des ersten Transistors ändert. Wenn
der Spannungsabfall über
dem Kanal des ersten Transistors unter einen Mindestspannungspegel fällt, wird
dem Kanal des ersten Transistors ein Hilfsstrom zugeführt. Gleichzeitig
wird der in den ersten Transistor gespiegelte Strom um einen Anteil
verringert, der proportional zu dem Hilfsstrom ist. Des Weiteren
kann ein Detektionssignal ausgegeben werden, wenn der Spannungsabfall über dem
Kanal des ersten Transistors unter einen Mindestspannungspegel fällt. Eine
Steuerspannung des zweiten Transistors kann als Reaktion auf das
Einstellen des Ausgangsstroms oder als Reaktion auf das Detektionssignal eingestellt
werden, um die Arbeitspunkte des zweiten Transistors zu ändern.
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Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen
vereinfachten Schaltplan eines Treibers gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen
vereinfachten Schaltplan eines Treibers gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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3 einen
vereinfachten Schaltplan eines Treibers gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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4 einen
vereinfachten Schaltplan eines Treibers gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und
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5 Signalverläufe, die
sich auf Spannungspegel eines herkömmlichen Treibers und des Treibers
gemäß 4 beziehen.
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1 zeigt
einen vereinfachten Schaltplan eines Treibers gemäß dem Stand
der Technik. Es gibt einen ersten Transistor MN1, der mit einem
anderen Transistor MN3 in einer Stromspiegelkonfiguration gekoppelt
ist. Der Drain des ersten Transistors MN1 ist mit einer Kathode
einer Leuchtdiode LED gekoppelt. Der Strom ILED durch die LED wird
durch den ersten Transistor MN1 festgelegt. Ein Verstärker misst
die Spannung an dem Ausgangsknoten VOUT, die gleich dem Spannungsabfall über dem
Kanal des ersten Transistors VMIN ist. Der Ausgang des Verstärkers AMP
ist in einer Spannungsfolgerkonfiguration mit einem Transistor MN8
gekoppelt. Des Weiteren ist ein Sollausgangsstrom ILED durch die
Stromquelle Iset festgelegt, die einen Strom an den Transistor MP1
abführt.
Der Transistor MP1 ist mit einem Gate mit dem Transistor MP2 gekoppelt.
Der Transistor MP4 ist mit einem Drain mit den Gates der Transistoren
MN1 und MN3 gekoppelt. Es gibt ferner einen Widerstand R, der mit
den Gates von MN1 und MN3 gekoppelt ist. Der Transistor MP2 ist
ein als Diode gekoppelter Transistor mit einem Drain, der mit einem
Drain von MN8 gekoppelt ist. Wenn ILED über den Sollwert ansteigt,
nimmt der Strom MN3, I3, ebenfalls zu. Die Transistoren MP2 und
MP1 sind in einer Stromspiegelkonfiguration gekoppelt, so dass der
Strom durch MP1 ebenfalls zunimmt. Wenn der Transistor MP1 so vorgespannt
wird, dass er einen Strom bezieht, der höher als Iset ist, nimmt die
Spannung an dem Knoten NC zu. Als Reaktion darauf wird der Transistor
MP4 gesperrt, und ein Strom I4 durch MP4 und den Widerstand R wird
verringert. Die Gate-Source-Spannungen der Transistoren MN1 und MN3
werden auf Grund des geringeren Spannungsabfalls über dem
Widerstand R verringert. Entsprechend wird der Transistor MN1 gesperrt,
und der Strom ILED wird verringert. Der den Verstärker AMP und
den Transistor MN8 umfassende Regelkreis dient dazu, die Spannungspegel
an dem Knoten VOUT und N3 konstant zu halten. Wenn die Spannung
an dem Knoten VOUT zunimmt, wird die Spannung an dem Knoten N3 ebenfalls
erhöht,
indem der Spannungsabfall über
dem Kanal des Transistors MN8 verringert wird. Auf diese Weise kann
man die Effekte der Spannungsschwankungen an dem Knoten VOUT auf
den Strom durch MN1 und MN3 verringern.
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Wenn
die Spannung über
dem Transistor MN1 unter einen Mindestpegel fällt, wird der Transistor MP4
so weit wie möglich
durchgeschaltet, um den Strom ILED auf dessen Sollwert zu halten.
Der Spannungsabfall über
dem Widerstand R erreicht jedoch seine obere Grenze, und der Regelmechanismus wird
außer
Funktion gesetzt. Wenn die Versorgungsspannung VLED leicht schwankt,
kann dies einen erheblichen Einfluss auf den Strom ILED haben, da
der Transistor MN1 eine minimale Impedanz aufweist. Des Weiteren
kann die Gate-Source-Spannung
des Transistors MN1 nicht schnell genug verringert werden, um ein
Stromüberschwingen
zu vermeiden, wenn der Regelkreis außer Funktion ist.
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2 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Zusätzlich
zu dem in 1 gezeigten Schaltkreis gibt es
einen Transistor MN2, der zwischen die Gates von MP1 und MP2 und
den Ausgangsknoten VOUT gekoppelt ist. Der Transistor MN2 empfängt eine
Steuerspannung VCNTRL, um den Transistor MN2 vorzuspannen, so dass
durch den Transistor MN2 in umgekehrter Richtung (von Source zu
Drain) ein Hilfsstrom IAUX fließt,
wenn der Spannungsabfall VMIN über dem
Transistor MN1 unter eine untere Grenze fällt. Auf diese Weise wird der
die Transistoren MN3, MP2, MP1, die Stromquelle Iset und MP4 umfassende
Regelkreis nicht an seine obere Grenze gebracht. Stattdessen wird
aus dem Stromspiegel MP2 und MP1 ein Strom IAUX gezogen, der dafür sorgt,
dass der Strom I3 nicht ansteigt oder weniger über eine bestimmte Grenze ansteigt,
was dafür
sorgt, dass MP4 nicht in demselben Ausmaß gesperrt wird wie in der
in 1 gezeigten Konfiguration. Dies sorgt dafür, dass
die Gate-Spannungen der Transistoren MN1 und MN3 für denselben
VLED-Wert auf einem niedrigeren Spannungspegel bleiben, da der Strom
um IAUX verringert wird. Wenn VLED wieder ansteigt und VMIN wieder
einen Spannungspegel über
der oberen Grenze annimmt, wird MN2 so dimensioniert, dass er automatisch
gesperrt wird, und dem Ausgangsknoten VOUT wird kein Hilfsstrom
IAUX zugeführt.
Auf diese Weise ist es möglich,
den Regelkreis aktiv zu halten und unerwünschtes Stromüberschwingen durch
die LED und den Transistor NM1 zu vermeiden.
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3 zeigt
einen vereinfachten Schaltplan einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Entsprechend gibt es eine Detektionsstufe, die
die Transistoren MN4, MN7 und MP3 sowie einen mit einem Detektionsknoten
ND gekoppelten Schmitt-Trigger ST1 umfasst. Die Detektionsstufe dient
dazu, durch ein Signal BAD anzuzeigen, ob der Spannungspegel an
dem Ausgangsknoten VOUT unter die untere Grenze gefallen ist. In
dieser Situation kann das Ausgangssignal BAD dafür verwendet werden, einem Spannungsregler
anzuzeigen, dass er die Versorgungsspannung VLED erhöhen oder den
Strom durch die LED sorgfältig überwachen
soll. Vorzugsweise sind die Transistoren MN1, MN3, MN2, MN4 MOS-Vorrichtungen
mit erweitertem Drain, die an ihren Drain-Anschlüssen Spannungen von bis zu
12 V aber an ihren Gate- und Source-Anschlüssen lediglich 3,3 V aushalten
können.
Deshalb wurden die Transistoren MN5 bis MN7 eingefügt, um die
DMOS-Transistoren MN1, MN2, MN3 und MN4 zu schützen. Der in 2 gezeigte
Widerstand ist nun in zwei Widerstände R1 und R2 unterteilt. Dies ermöglicht es,
die Drain-Mindestspannung
des Transistors MN1 abhängig
von dem Spannungsteilerverhältnis
festzulegen. Für
hohe Ausgangsströme
durch die LED kann der Wirkungsgrad eine wichtige Rolle spielen.
Deshalb sollte die Schwellspannung, bei der der Transistor MN2 durchgeschaltet
oder gesperrt wird, abhängig
von der Höhe
des LED-Stroms ILED eingestellt werden. Dies wird durch Kopplung
einer zweiten Stromquelle Iset2 an die Gates von MN2 und MN4 erreicht.
Der Strom Iset2 ist proportional zu Iset. Praktisch gesehen könnte Iset2
gleich Iset sein. Folglich kann das Gate des Stromspiegels MN1,
MN3 bei hohen Ausgangsströmen
ILED höhere
Spannungspegel erreichen als bei niedrigeren Ausgangsströmen ILED.
Der Transistor MN1 kann sogar in eine lineare Betriebsart eintreten,
in der äußerst geringe Spannungsabfälle über den
Transistor MN1 möglich sind.
Da die Transistoren MN2 und MN4 in Inversbetrieb arbeiten, wenn
ein Hilfsstrom IAUX benötigt wird,
sorgt eine verringerte Gate-Spannung
der Transistoren MN2 und MN4 dafür,
dass weniger Hilfsstrom IAUX bereitgestellt werden kann. Der Hilfsstrom
IAUX beginnt für
denselben Spannungspegel VLED später,
wenn die Gate-Spannung von MN2 verringert wird. Hierdurch wird der
Wirkungsgrad erhöht,
aber gleichzeitig nimmt auch das Risiko von Überschwingen zu. Die Stromspiegel
von MP1 nach MP2 bzw. von MP1 nach MP3 sollten so dimensioniert
sein, dass der Transistor MN4 lediglich einen äußerst niedrigen Strom zu IAUX
beiträgt.
Das Verhältnis
könnte
zum Beispiel 250 betragen, so dass der Strom ILED um weniger als
0,5% verringert würde,
wenn MN4 durchgeschaltet wird.
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4 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. In Bezug auf die in 3 gezeigte
Ausführungsform gibt
es eine zusätzliche
Rückkopplungsverbindung von
dem Detektionsknoten ND durch den Schmitt-Trigger INV1, INV2 und
INV3 und die Transistoren MN10 und MN9. Je nach Spannungspegel an
dem Detektionsknoten ND werden die Transistoren MN9 bzw. MN10 abwechselnd
durchgeschaltet, so dass die Gate-Spannung der Transistoren MN2 und MN4
zwischen dem Spannungspegel VS1 und VS2 umgeschaltet wird. Ein zusätzlicher
Widerstand R3 ist zwischen die Source des Transistors MN6 und die
Gates von MN1 und MN3 gekoppelt.
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Während des
normalen Betriebs ist der Spannungspegel an dem Detektionsknoten
ND hoch. Entsprechend ist die Ausgangsspannung von INV1 niedrig,
die Ausgangsspannung von INV2 ist hoch, und die Ausgangsspannung
von INV3 ist niedrig. Der Transistor NM9 ist leitend, und der Transistor
MN10 ist nicht leitend. Entsprechend ist die Gate-Spannung der Transistoren
MN2 und MN4 VS1. Wenn der Spannungspegel an dem Detektionsknoten
ND unter einen bestimmten Pegel fällt, wird der Transistor MN10
leitend und MN9 wird nicht leitend. In dieser Situation wird die
Gate-Spannung von MN2 und MN4 VS2. Der Spannungspegel an dem Detektionsknoten ND
hängt von
der Ausgangsstromeinstellung Iset durch den Stromspiegel MP1, MP3
ab. Der höhere Gate-Spannungspegel
VS2 sorgt dafür,
dass MN2 und MN4 früher
beginnen und mehr IAUX bereitstellen als bei dem niedrigeren Gate-Spannurigspegel VS1.
Folglich sorgt die INV1, INV2, INV3, MN9 und MN10 sowie MP3 und
MN7 umfassende Schaltung dafür,
dass sich der Treiber automatisch auf unterschiedliche Zustände von
Iset, d. h. unterschiedliche Zustände von ILED, einstellt.
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5a zeigt einen Signalverlauf, der sich
auf einen herkömmlichen
Treiber bezieht. 5a zeigt den LED-Strom
ILED als Zeitfunktion in dem herkömmlichen Treiber, während die
Versorgungsspannung VLED mit einer Anstiegsrate von 4 V/ms heraufgefahren
wird. Entsprechend gibt es ein großes Überschwingen (die hohe Spitze
in 5a), wenn die Spannung VLED schnell ansteigt
und einen Mindestschwellwert überschreitet.
In diesem Beispiel war der LED-Strom auf 200 μA festgelegt.
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5b zeigt ein Übergangsverhalten des LED-Stroms
ILED für
die in 4 gezeigte Ausführungsform. Die Versorgungsspannung
VLED nimmt mit 150 mV/ms zu, und der Strom durch die LED war auf
200 μA festgelegt.
Der Strom zeigt kein Überschwingen.
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5c zeigt die Ausgangsspannung VOUT für den Treiber
gemäß der in 4 gezeigten
Ausführungsform
der Erfindung. Iset kann mit 200 μA
angenommen werden. Wiederum wird die Versorgungsspannung VLED mit
einer bestimmten Anstiegsrate heraufgefahren, und VOUT folgt nach
einer ersten Anstiegsperiode. Die Drain-Source-Mindestspannung,
bei der der Ausgang des Schmitt-Triggers INV1 von niedrig auf hoch
umschaltet, ist durch TRIG angegeben und liegt bei ungefähr 70 mV.
Das Detektionssignal, d. h. das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers
INV1, wird zur Änderung
der Arbeitspunkte des Schaltkreises gemäß den Anforderungen verwendet.
Dies kann zum Beispiel eine Hysterese sein, die einen hohen Wirkungsgrad
ohne jegliches Überschwingen
auf Grund eines späteren Einschaltens
ermöglicht.
Bei weniger als 10 mV, was durch die gestrichelte Linie LIM angegeben
ist, würde der
Regelkreis den Betrieb einstellen. Mit einem höheren Strom Iset > 200 μA steigt
die untere Grenze LIM auf höhere
Spannungspegel an. Folglich ist der Schaltpunkt TRIG bei 70 mV ein
guter Kompromiss.