DE102013221753A1

DE102013221753A1 - Schaltungsanordnung, Leuchtdioden-Anordnung und Verfahren zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102013221753A1
Application number: DE201310221753
Authority: DE
Inventors: Hubert Halbritter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-10-26
Also published as: JP6122552B2; CN105659699A; CN105659699B; WO2015059204A3; JP2016535443A; US10236987B2; DE102013221753B4; WO2015059204A2; US20160269120A1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements umfasst einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten, einen dritten Knoten und einen vierten Knoten. Zwischen dem ersten Knoten und dem vierten Knoten ist eine Versorgungsspannung anlegbar. Der erste Knoten ist mit dem zweiten Knoten verbunden. Zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten kann ein optoelektronisches Bauelement angeordnet werden. Zwischen dem dritten Knoten und dem vierten Knoten ist ein erster Transistor zum Schalten eines Kanals zwischen dem dritten Knoten und dem vierten Knoten angeordnet. Zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten ist eine Reihenschaltung mit einem ersten Widerstand und einer Spule angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1, eine Leuchtdioden-Anordnung gemäß Patentanspruch 7 sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements mittels einer Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 10.
Schaltungsanordnungen zum Ansteuern von optoelektronischen Bauelementen wie Leuchtdioden und Halbleiterlasern sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei gepulst betriebenen optoelektronischen Bauelementen sind in vielen Anwendungsfällen kurze Schaltzeiten wünschenswert. Im Stand der Technik ergeben sich bei der Ansteuerung von Leuchtdioden häufig Schaltzeiten, die wesentlich länger als mit Laserdioden erzielbare Schaltzeiten sind. Dies gilt insbesondere für Hochleistungs-Leuchtdioden und für Leuchtdioden, die zur Emission von elektromagnetischer Strahlung aus dem infraroten Spektralbereich vorgesehen sind. Daraus ergeben sich Beschränkungen bei den möglichen Anwendungsfeldern von Leuchtdioden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leuchtdioden-Anordnung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Leuchtdioden-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements mittels einer Schaltungsanordnung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements weist einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten, einen dritten Knoten und einen vierten Knoten auf. Zwischen dem ersten Knoten und dem vierten Knoten kann eine Versorgungsspannung angelegt werden. Der erste Knoten ist mit dem zweiten Knoten verbunden. Zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten kann ein optoelektronisches Bauelement angeordnet werden. Zwischen dem dritten Knoten und dem vierten Knoten ist ein erster Transistor zum Schalten eines Kanals zwischen dem dritten Knoten und dem vierten Knoten angeordnet. Zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten ist eine Reihenschaltung mit einem ersten Widerstand und einer Spule angeordnet. Diese Schaltungsanordnung kann zum Ansteuern eines zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten angeordneten optoelektronischen Bauelements genutzt werden. Das optoelektronische Bauelement kann beispielsweise eine Leuchtdiode sein. Der erste Transistor der Schaltungsanordnung kann zum Schalten des optoelektronischen Bauelements genutzt werden. Beim Abschalten des optoelektronischen Bauelements mittels des ersten Transistors der Schaltungsanordnung wird durch die Spule der Reihenschaltung zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten während eines kurzen Zeitraums ein Stromfluss aufrechterhalten, der entgegen der Stromrichtung im Betrieb des optoelektronischen Bauelements in das optoelektronische Bauelement hinein fließt und dort einen Abbau von Ladungsträgern in einer aktiven Zone bewirkt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine deutliche Verkürzung der optischen Abschaltzeit des optoelektronischen Bauelements erreicht.
In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten angeordnete Reihenschaltung einen zweiten Transistor. Der zweite Transistor kann sperrend geschaltet werden, während der erste Transistor leitend und das zwischen dem zweiten und dem dritten Knoten der Schaltungsanordnung angeordnete optoelektronische Bauelement somit eingeschaltet ist. Der zweite Transistor in der Reihenschaltung der Schaltungsanordnung kann erst kurz vor dem Abschalten des optoelektronischen Bauelements leitend geschaltet werden, um einen zur Entleerung des optoelektronischen Bauelements dienenden Stromfluss durch die Reihenschaltung zu ermöglichen. Vorteilhafterweise findet ein Stromfluss über die Reihenschaltung der Schaltungsanordnung in diesem Fall nur während eines kurzen Zeitraums statt, wodurch sich ein Energieverbrauch der Schaltungsanordnung reduziert.
In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist der zweite Transistor als selbstsperrender p-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet. Vorteilhafterweise muss in diesem Fall kein Steuersignal an den zweiten Transistor angelegt werden, um den zweiten Transistor in sperrendem Zustand zu halten.
In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist der erste Transistor als selbstsperrender n-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet. Vorteilhafterweise muss in diesem Fall auch an den ersten Transistor kein Steuersignal angelegt werden, um den ersten Transistor sperrend zu halten.
In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist der erste Knoten über eine Parallelschaltung eines zweiten Widerstands und eines Kondensators mit dem zweiten Knoten verbunden. Die Parallelschaltung aus dem zweiten Widerstand und dem Kondensator bewirkt eine Überhöhung eines Stroms, der nach einem Schalten des ersten Transistors in leitenden Zustand in ein zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten der Schaltungsanordnung angeordnetes optoelektronisches Bauelement hineinfließt. Dadurch wird das optoelektronische Bauelement nach dem Schalten des ersten Transistors in leitenden Zustand schneller eingeschaltet, wodurch sich vorteilhafterweise eine optische Anstiegszeit des mittels der Schaltungsanordnung angesteuerten optoelektronischen Bauelements verkürzt.
In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist diese eine Treiberschaltung zum Ansteuern des ersten Transistors auf. Die Treiberschaltung kann beispielsweise als FET-Treiberschaltung ausgebildet sein.
Eine Leuchtdioden-Anordnung umfasst eine Schaltungsanordnung der vorgenannten Art sowie eine Leuchtdiode, die zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten der Schaltungsanordnung angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann die Leuchtdiode dieser Leuchtdioden-Anordnung mittels der Schaltungsanordnung der Leuchtdioden-Anordnung geschaltet werden. Dabei können vorteilhafterweise kurze optische Anstiegs- und Abfallzeiten der Leuchtdiode erreicht werden.
In einer Ausführungsform der Leuchtdioden-Anordnung ist die Leuchtdiode ausgebildet, Licht im infraroten Spektralbereich zu emittieren. Die Leuchtdiode kann beispielsweise als Hochleistungs-Leuchtdiode ausgebildet und für einen Stromfluss von mehr als 1 A vorgesehen sein. Vorteilhafterweise eignet sich die Leuchtdioden-Anordnung dadurch für eine Verwendung in ansonsten Halbleiterlasern vorbehaltenen Anwendungsbereichen. Dabei bietet die Leuchtdioden-Anordnung die Vorteile geringerer Kosten, geringerer Risiken einer Schädigung von Personen und vereinfachter Lichtformung.
In einer Ausführungsform der Leuchtdioden-Anordnung ist eine Schutzdiode antiparallel zu der Leuchtdiode zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten angeordnet. Vorteilhafterweise kann die Schutzdiode die Leuchtdiode der Leuchtdioden-Anordnung vor einer Beschädigung durch elektrostatische Entladungen schützen. Die Schutzdiode kann die Leuchtdiode der Leuchtdioden-Anordnung auch vor einer Beschädigung durch einen im Abschaltfall aus der Spule der Reihenschaltung der Schaltungsanordnung in die Leuchtdiode fließenden Entleerstrom schützen.
Ein Verfahren zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements mittels einer Schaltungsanordnung ist bei Verwendung einer Schaltungsanordnung der vorgenannten Art nutzbar, bei der die zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten angeordnete Reihenschaltung einen zweiten Transistor umfasst. Das Verfahren weist dabei Schritte auf zum Einschalten des ersten Transistors zu einem ersten Zeitpunkt, zum Einschalten des zweiten Transistors zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt, und zum Abschalten des ersten Transistors zu einem dritten Zeitpunkt nach dem zweiten Zeitpunkt. Nach dem Einschalten des zweiten Transistors zu dem zweiten Zeitpunkt stellt sich ein Stromfluss durch die den ersten Widerstand und die Spule umfassende Reihenschaltung der Schaltungsanordnung ein. Dieser Stromfluss wird auch nach dem Abschalten des ersten Transistors zu dem dritten Zeitpunkt durch die Spule noch für eine gewisse Zeit aufrechterhalten. Der aufrechterhaltene elektrische Strom fließt dann entgegen der Richtung des im Betrieb durch das optoelektronische Bauelement fließenden Stroms in das optoelektronische Bauelement hinein und bewirkt dort einen Abbau von Ladungsträgern in einer aktiven Zone des optoelektronischen Bauelements. Dadurch wird vorteilhafterweise eine optische Abschaltzeit des optoelektronischen Bauelements verkürzt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens liegt zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem dritten Zeitpunkt eine Zeitspanne, die mindestens dreimal so groß ist wie eine durch einen Quotienten aus der Induktivität der Spule und dem Widerstandswert des ersten Widerstands festgelegte Zeitkonstante. Vorteilhafterweise hat ein nach dem Abschalten des zweiten Transistors zu dem zweiten Zeitpunkt sich in der Reihenschaltung einstellender Stromfluss zum dritten Zeitpunkt dann bereits einen Maximalwert erreicht, wodurch nach dem Abschalten des ersten Transistors zum dritten Zeitpunkt eine besonders wirksame Entleerung der aktiven Zone des optoelektronischen Bauelements erreicht wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen weiteren Schritt zum Abschalten des zweiten Transistors zu einem vierten Zeitpunkt nach dem dritten Zeitpunkt. Vorteilhafterweise wird durch das Abschalten des zweiten Transistors zu dem vierten Zeitpunkt ein Energieverbrauch der Schaltungsanordnung reduziert.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung
1 eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements;
2 eine Parallelschaltung einer Leuchtdiode und einer Schutzdiode;
3 ein Pulsverlaufsdiagramm;
4 ein Schaltgeschwindigkeitsdiagramm;
5 einen Teil einer weiteren Schaltungsanordnung; und
6 ein Schaltdiagramm.
1 zeigt eine teilweise schematisierte Darstellung einer Schaltungsanordnung 100 zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements. Die Schaltungsanordnung 100 eignet sich beispielsweise zum Ansteuern von Leuchtdioden. Die Schaltungsanordnung 100 eignet sich insbesondere für einen gepulsten Betrieb eines anzusteuernden optoelektronischen Bauelements. Die Schaltungsanordnung 100 eignet sich beispielsweise für eine Verwendung in einer Vorrichtung zur elektronischen Datenübertragung und zur Verwendung in einer 3D-Kamera.
Die Schaltungsanordnung 100 umfasst einen ersten Knoten 101, einen zweiten Knoten 102, einen dritten Knoten 103, einen vierten Knoten 104, einen fünften Knoten 105 und einen sechsten Knoten 106. Die Knoten 101, 102, 103, 104, 105, 106 der Schaltungsanordnung 100 sind Schaltungsknoten der Schaltungsanordnung 100.
Zwischen dem zweiten Knoten 102 und dem dritten Knoten 103 der Schaltungsanordnung 100 kann ein durch die Schaltungsanordnung 100 anzusteuerndes optoelektronisches Bauelement angeordnet werden, beispielsweise eine Leuchtdiode 110. Die Leuchtdiode 110 kann beispielsweise ausgebildet sein, Licht im infraroten Spektralbereich zu emittieren. Die Leuchtdiode 110 kann als Hochleistungs-Leuchtdiode ausgebildet und für einen Stromfluss von mehr als 1 A ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Leuchtdiode 110 für einen Stromfluss von 2 A ausgebildet sein.
Die Leuchtdiode 110 kann derart zwischen dem zweiten Knoten 102 und dem dritten Knoten 103 angeordnet werden, dass eine Anode 111 der Leuchtdiode 110 mit dem zweiten Knoten 102 der Schaltungsanordnung 100 und eine Kathode 112 der Leuchtdiode 110 mit dem dritten Knoten 103 der Schaltungsanordnung 100 verbunden ist.
Zwischen dem ersten Knoten 101 und dem vierten Knoten 104 der Schaltungsanordnung 100 kann eine Versorgungsspannung 140 angelegt werden. Der vierte Knoten 104 der Schaltungsanordnung 100 kann mit einem Massekontakt 130 verbunden sein. Die Versorgungsspannung 140 ist eine positive elektrische Gleichspannung und dient zur Versorgung der Leuchtdiode 110.
Zwischen dem dritten Knoten 103 und dem vierten Knoten 104 der Schaltungsanordnung 100 ist ein erster Transistor 120 zum Schalten der Leuchtdiode 110 angeordnet. Der erste Transistor 120 kann beispielsweise als selbstsperrender n-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Bevorzugt ist der erste Transistor 120 ein Transistor mit kurzen Schaltzeiten.
Ein Drain-Kontakt 121 (Abfluss-Kontakt) des ersten Transistors 120 ist mit dem dritten Knoten 103 der Schaltungsanordnung 100 verbunden. Ein Source-Kontakt 122 (Quell-Kontakt) des ersten Transistors 120 ist mit dem vierten Knoten 104 der Schaltungsanordnung 100 verbunden. Ein Gate-Kontakt 123 (Gatter-Kontakt) des ersten Transistors 120 ist mit dem sechsten Knoten 106 der Schaltungsanordnung 100 verbunden.
Mittels eines am sechsten Knoten 106 an den Gate-Kontakt 123 des ersten Transistors 120 angelegten Steuersignals kann ein elektrisch leitender Kanal 124 zwischen dem Drain-Kontakt 121 und dem Source-Kontakt 122 des ersten Transistors 120 und somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem dritten Knoten 103 und dem vierten Knoten 104 der Schaltungsanordnung 100 geschaltet werden. Ist der erste Transistor 120 in elektrisch leitenden Zustand geschaltet, so ist ein Stromfluss durch die Leuchtdiode 110 möglich und die Leuchtdiode 110 ist eingeschaltet. Ist der erste Transistor 120 in elektrisch sperrenden Zustand geschaltet, so kann kein Strom durch die Leuchtdiode 110 fließen und die Leuchtdiode 110 ist abgeschaltet. Falls der erste Transistor 120 als selbstsperrender Transistor ausgebildet ist, so befindet sich der erste Transistor 120 ohne am Gate-Kontakt 123 anliegendes Steuersignal in sperrendem Zustand.
Die Schaltungsanordnung 100 umfasst eine Treiberschaltung 400. Die Treiberschaltung 400 weist einen Eingang 401 und einen Ausgang 402 auf. Der Ausgang 402 der Treiberschaltung 400 ist mit dem sechsten Knoten 106 der Schaltungsanordnung 100 verbunden. An die Treiberschaltung 400 kann eine Treiberspannung 410 angelegt werden. Die Treiberschaltung 400 kann beispielsweise als FET-Treiberschaltung ausgebildet sein.
Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 100 einen Pulsgenerator 500. Der Pulsgenerator 500 ist mit dem Eingang 401 der Treiberschaltung 400 verbunden. Der Pulsgenerator 500 ist dazu ausgebildet, kurze Spannungspulse zu erzeugen. Die durch den Pulsgenerator 500 erzeugte und am Eingang 401 der Treiberschaltung 400 anliegenden Spannungspulse werden durch die Treiberschaltung 400 verstärkt und über den Ausgang 402 der Treiberschaltung 400 als Steuersignal an den Gate-Kontakt 123 des ersten Transistors 120 der Schaltungsanordnung 100 angelegt. Die durch den Pulsgenerator 500 erzeugten Spannungspulse können beispielsweise eine Pulsdauer im Bereich einiger 10 ns aufweisen.
Wird der erste Transistor 120 der Schaltungsanordnung 100 aus dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand geschaltet, so vergeht eine Anstiegszeit, bis die Leuchtdiode 110 elektromagnetische Strahlung mit voller optischer Intensität emittiert. Wird der erste Transistor 120 der Schaltungsanordnung 100 aus dem leitenden Zustand in den sperrenden Zustand geschaltet, so vergeht eine Abfallzeit, bis die Emission elektromagnetischer Strahlung durch die Leuchtdiode 110 vollständig abgeebbt ist. Wäre die Versorgungsspannung 140 über einen Vorwiderstand ohne weitere Schaltungsteile mit der Anode 111 der Leuchtdiode 110 verbunden, so könnte die Anstiegszeit bei einer vorgesehenen, durch die Leuchtdiode 110 fließenden, Stromstärke von 2 A beispielsweise 10 ns betragen. Die Abfallzeit könnte in diesem Fall beispielsweise 15 ns betragen. Diese Schaltzeiten sind größer als bei Halbleiter-Laserdioden mögliche Schaltzeiten. Für verschiedene Anwendungsfälle sind kürzere Schaltzeiten der Leuchtdiode 110 wünschenswert.
Zur Verkürzung der Abfallzeit der Leuchtdiode 110 weist die Schaltungsanordnung 100 eine Entleerschaltung 200 auf. Die Entleerschaltung 200 ist dazu vorgesehen, nach einem Umschalten des ersten Transistors 120 aus dem leitenden Zustand in den sperrenden Zustand einen beschleunigten Abbau freier Ladungsträger in einer aktiven Zone der Leuchtdiode 110 zu bewirken, um das Abschalten der Leuchtdiode 110 zu beschleunigen.
Die Entleerschaltung 200 umfasst eine Reihenschaltung eines ersten Widerstands 210 und einer Spule 220. Der erste Widerstand 210 ist zwischen dem ersten Knoten 101 der Schaltungsanordnung 100 und dem fünften Knoten 105 der Schaltungsanordnung 100 angeordnet. Die Spule 220 ist zwischen dem fünften Knoten 105 und dem dritten Knoten 103 der Schaltungsanordnung 100 angeordnet. Selbstverständlich könnte die Reihenfolge des ersten Widerstands 210 und der Spule 220 in der die Entleerschaltung 200 bildenden Reihenschaltung vertauscht werden. Der erste Widerstand 210 kann beispielsweise einen Widerstandswert von 2,2 Ohm aufweisen. Die Spule 220 kann beispielsweise eine Induktivität von 10 nH aufweisen.
Befindet sich der erste Transistor 120 der Schaltungsanordnung 100 in leitendem Zustand, so fließt über die Entleerschaltung 200 ein elektrischer Strom zwischen dem ersten Knoten 101 und dem dritten Knoten 103 der Schaltungsanordnung 100 durch den ersten Widerstand 210 und die Spule 220. Wird der erste Transistor 120 aus dem elektrisch leitenden Zustand in den sperrenden Zustand umgeschaltet, so bewirkt die Spule 220 zunächst eine Aufrechterhaltung des durch die Spule 220 fließenden elektrischen Stroms. Da dieser elektrische Strom nicht mehr über den nun sperrenden Kanal 124 des ersten Transistors 120 fließen kann, fließt der durch die Spule 220 der Entleerschaltung 200 aufrechterhaltene Strom in Sperrrichtung in die Leuchtdiode 110 und bewirkt in der Leuchtdiode 110 einen Abbau freier Ladungsträger in der aktiven Zone. Dadurch wird eine Emission elektromagnetischer Strahlung durch die Leuchtdiode 110 sehr schnell beendet. Die Entleerschaltung 200 kann beispielsweise eine Reduzierung der Abfallzeit der Leuchtdiode 110 auf einen Wert von weniger als 5 ns bewirken, insbesondere auf einen Wert von weniger als 4 ns.
Zur Reduzierung der Anstiegszeit der Leuchtdiode 110 weist die Schaltungsanordnung 100 eine Stromüberhöhungsschaltung 300 auf. Die Stromüberhöhungsschaltung 300 umfasst eine Parallelschaltung eines zweiten Widerstands 310 und eines Kondensators 320. Die die Stromüberhöhungsschaltung 300 bildende Parallelschaltung aus dem zweiten Widerstand 310 und dem Kondensator 320 ist zwischen dem ersten Knoten 101 der Schaltungsanordnung 100 und dem zweiten Knoten 102 der Schaltungsanordnung 100 angeordnet. Der zweite Widerstand 310 kann beispielsweise einen Widerstandswert von 2,7 Ohm aufweisen. Der Kondensator 320 kann beispielsweise eine Kapazität von 2,2 nF aufweisen.
Befindet sich der erste Transistor 120 der Schaltungsanordnung 100 in elektrisch sperrendem Zustand, so ist der Kondensator 320 der Stromüberhöhungsschaltung 300 entladen. Wird der Transistor 120 der Schaltungsanordnung 100 aus dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand umgeschaltet, so wird ein elektrischer Stromfluss über die Stromüberhöhungsschaltung 300, die Leuchtdiode 110 und den Kanal 124 des ersten Transistors 120 ermöglicht. In der Stromüberhöhungsschaltung 300 ist ein Stromfluss dabei sowohl über den zweiten Widerstand 310 als auch über den noch nicht vollständig geladenen Kondensator 320 möglich. Dadurch ist während eines ersten Zeitraums unmittelbar nach dem Umschalten des ersten Transistors 120 aus dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand über die die Stromüberhöhungsschaltung 300 bildende Parallelschaltung aus dem zweiten Widerstand 310 und dem Kondensator 320 ein höherer Stromfluss möglich, als bei einem Vorhandensein lediglich des zweiten Widerstands 310 möglich wäre.
Sobald der Kondensator 320 vollständig geladen ist, ist ein Stromfluss im Wesentlichen nur noch über den zweiten Widerstand 310 der Stromüberhöhungsschaltung 300 möglich. Die Größe des durch die Stromüberhöhungsschaltung 300 und durch die Leuchtdiode 110 fließenden elektrischen Stroms ist dann durch Widerstandswert des zweiten Widerstands 310 der Stromüberhöhungsschaltung 300 bestimmt.
Der im ersten Zeitraum nach dem Umschalten des Transistors 120 aus dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand durch die Stromüberhöhungsschaltung 300 ermöglichte erhöhte Stromfluss bewirkt eine beschleunigte Anreicherung freier Ladungsträger in der aktiven Zone der Leuchtdiode 110 und dadurch einen beschleunigten Beginn einer Emission elektromagnetischer Strahlung durch die Leuchtdiode 110. Dadurch ermöglicht die Stromüberhöhungsschaltung 300 eine Verkürzung der Anstiegszeit der Leuchtdiode 110. Beispielsweise kann die Stromüberhöhungsschaltung 300 eine Verkürzung der Anstiegszeit der Leuchtdiode 110 auf einen Wert von weniger als 5 ns ermöglichen, insbesondere auf einen Wert von weniger als 4 ns.
Der zwischen dem zweiten Knoten 102 und dem dritten Knoten 103 der Schaltungsanordnung 100 angeordneten Leuchtdiode 110 kann eine Schutzdiode 115 parallelgeschaltet werden. Dies ist in 2 dargestellt. Die Schutzdiode 115 weist eine Anode 116 und eine Kathode 117 auf. Die Schutzdiode 115 ist antiparallel zur Leuchtdiode 110 angeordnet. Somit ist die Anode 111 der Leuchtdiode 110 mit der Kathode 117 der Schutzdiode 115 und mit dem zweiten Knoten 102 der Schaltungsanordnung 100 verbunden. Die Kathode 112 der Leuchtdiode 110 ist mit der Anode 116 der Schutzdiode 115 und mit dem dritten Knoten 103 der Schaltungsanordnung 100 verbunden.
Die Schutzdiode 115 dient einem Schutz der Leuchtdiode 110. Beispielsweise kann die Schutzdiode 115 die Leuchtdiode 110 vor einer Beschädigung durch elektrostatische Entladungen schützen. Die Schutzdiode 115 kann die Leuchtdiode 110 auch vor einer Beschädigung durch den im Abschaltfall aus der Entleerschaltung 200 in die Leuchtdiode 110 fließenden Entleerstrom schützen.
Die Leuchtdiode 110 und die Schutzdiode 115 können als integriertes elektrisches Bauelement ausgebildet sei.
3 zeigt ein schematisiertes Pulsverlaufsdiagramm 600. Auf einer horizontalen Achse des Pulsverlaufsdiagramms ist eine Zeit 610 in ns aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse des Pulsverlaufsdiagramms 600 ist eine optische Intensität 620 in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Das Pulsverlaufsdiagramm 600 zeigt einen zeitlichen Intensitätsverlauf 630 einer Intensität einer durch die Leuchtdiode 110 emittierten elektromagnetischen Strahlung während eines kurzen Pulses.
Die Leuchtdiode 110 wird mittels der Schaltungsanordnung 100 der 1 angesteuert. Der Pulsgenerator 500 und die Treiberschaltung 400 der Schaltungsanordnung 100 erzeugen ein Steuersignal, um den ersten Transistor der Schaltungsanordnung 100 zu Beginn des Pulses aus dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand und zum Ende des Pulses aus dem leitenden Zustand in den sperrenden Zustand zu schalten.
Die Intensität der durch die Leuchtdiode 110 emittierten elektromagnetischen Strahlung wächst zu Beginn des Pulses an einer ansteigenden Flanke 631 des Intensitätsverlaufs 630 steil an. Zum Ende des Pulses fällt die Intensität der durch die Leuchtdiode 110 emittierten elektromagnetischen Strahlung an einer abfallenden Flanke 632 des Intensitätsverlaufs 630 steil ab. Die Zeitdauer der ansteigenden Flanke 631 entspricht der Anstiegszeit der Leuchtdiode 110 und kann kürzer als 5 ns, bevorzugt sogar kürzer als 4 ns sein. Die Dauer der abfallenden Flanke 632 des Intensitätsverlaufs 630 stellt die Abfallzeit der Leuchtdiode 110 dar und kann kürzer als 5 ns sein, bevorzugt sogar kürzer als 4 ns.
4 zeigt ein schematisiertes Schaltgeschwindigkeitsdiagramm 700 zur Illustration der Abhängigkeit der Schaltzeiten der Leuchtdiode 110 von der Stromstärke des im Betrieb durch die Leuchtdiode 110 fließenden Stroms bei Ansteuerung der Leuchtdiode 110 mit der Schaltungsanordnung 100. Auf einer horizontalen Achse des Schaltgeschwindigkeitsdiagramms 700 ist die Stromstärke 710 des im eingeschalteten Zustand durch die Leuchtdiode 110 fließenden Stroms in mA aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse des Schaltgeschwindigkeitsdiagramms 700 sind die Flankendauer 720 der ansteigenden Flanke 631 und der abfallenden Flanke 632, also die Anstiegszeit und die Abfallzeit der Leuchtdiode 110, aufgetragen.
Ein Anstiegszeitverlauf 730 gibt die Abhängigkeit der Anstiegszeit von der Stromstärke 710 wieder. Ein Abfallzeitverlauf 740 gibt die Abhängigkeit der Abfallzeit der Leuchtdiode 110 von der Stromstärke 710 an. Die Anstiegszeit der Leuchtdiode 110 fällt mit steigender Stromstärke 710. Die Abfallzeit der Leuchtdiode 110 wächst mit steigender Stromstärke 710 leicht. Bei einer Stromstärke 710 von 2 A liegen sowohl die Anstiegszeit als auch die Abfallzeit der Leuchtdiode 110 bei weniger als 5 ns.
5 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Teils einer Schaltungsanordnung 800 zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements. Die Schaltungsanordnung 800 weist große Übereinstimmungen mit der Schaltungsanordnung 100 der 1 auf. Übereinstimmende Komponenten sind in 1 und 5 mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nachfolgend nicht erneut detailliert beschrieben. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zwischen der Schaltungsanordnung 800 der 5 und der Schaltungsanordnung 100 der 1 erläutert.
Die Schaltungsanordnung 800 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung 100 dadurch, dass die zwischen dem ersten Knoten 101 und dem dritten Knoten 103 angeordnete und die Entleerschaltung 200 bildende Reihenschaltung neben dem ersten Widerstand 210 und der Spule 220 zusätzlich einen zweiten Transistor 230 umfasst. Der zweite Transistor 230 kann beispielsweise als selbstsperrender p-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Der zweite Transistor 230 weist einen Drain-Kontakt 231, einen Source-Kontakt 232 und einen Gate-Kontakt 233 auf. Mittels eines am Gate-Kontakt 233 anliegenden Steuersignals kann ein Kanal zwischen dem Drain-Kontakt 231 und dem Source-Kontakt 232 zwischen einem sperrenden und einem elektrisch leitenden Zustand umgeschaltet werden.
Der Source-Kontakt 232 des zweiten Transistors 230 ist mit dem ersten Knoten 101 der Schaltungsanordnung 800 verbunden. Der Drain-Kontakt 231 des zweiten Transistors 230 ist mit einem siebten Knoten 107 der Schaltungsanordnung 800 verbunden. Der erste Widerstand 210 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 ist zwischen dem siebten Knoten 107 und dem fünften Knoten 105 der Schaltungsanordnung 800 angeordnet. Die Spule 220 ist zwischen dem fünften Knoten 105 und dem dritten Knoten 103 der Schaltungsanordnung 800 angeordnet. Selbstverständlich könnte die Reihenfolge des ersten Widerstands 210, der Spule 220 und des zweiten Transistors 230 in der die Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 bildenden Reihenschaltung auch anders gewählt sein.
Der gegenüber der Schaltungsanordnung 100 der 1 zusätzliche zweite Transistor 230 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 der 5 dient dazu, den Energieverbrauch der Schaltungsanordnung 800 gegenüber dem der Schaltungsanordnung 100 zu reduzieren. Zumindest während eines Teils einer Zeit, während der der erste Transistor 120 der Schaltungsanordnung 800 in leitenden Zustand geschaltet und die Leuchtdiode 110 eingeschaltet ist, kann der zweite Transistor 230 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 in sperrenden Zustand geschaltet sein. Während dieses Zeitraum kann somit kein elektrischer Strom über die die Entleerschaltung 200 bildende Reihenschaltung aus erstem Widerstand 210, Spule 220 und zweitem Transistor 230 fließen, wodurch der Energieverbrauch der Schaltungsanordnung 800 reduziert wird.
Bevor der erste Transistor 120 aus dem leitenden Zustand in den sperrenden Zustand umgeschaltet wird, um die Leuchtdiode 110 abzuschalten, wird zunächst der zweite Transistor 230 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 aus dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand umgeschaltet. Dadurch kann sich ein Stromfluss über die die Entleerschaltung 200 bildende Reihenschaltung ausbilden. Nach dem Umschalten des ersten Transistors 120 aus dem leitenden Zustand in den sperrenden Zustand wird dieser Stromfluss durch die Spule 220 zunächst aufrechterhalten und fließt als Entleerstrom in die Leuchtdiode 110, um auf die bereits beschriebene Weise eine Abschaltung der Leuchtdiode 110 zu beschleunigen. Anschließend kann auch der zweite Transistor 230 der Entleerschaltung 200 wieder aus dem leitenden Zustand in den sperrenden Zustand umgeschaltet werden.
6 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm 900 zur Illustration der beschriebenen Schaltsignalabfolge. Auf einer horizontalen Achse des Schaltdiagramms 900 ist eine Zeit 910 aufgetragen. Auf vertikalen Achsen des Schaltdiagramms 900 sind ein am Gate-Kontakt 123 des ersten Transistors 120 der Schaltungsanordnung 800 anliegendes Treibersignal 920, ein am Gate-Kontakt 233 des zweiten Transistors 230 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 anliegendes Entleersignal 930 und ein in der Spule 220 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 fließender Entleerstrom 940 in jeweils willkürlichen Einheiten aufgetragen.
Zu einem ersten Zeitpunkt 911 wird der erste Transistor 120 der Schaltungsanordnung 800 mittels des Treibersignals 920 aus dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand geschaltet. Dadurch wird die Leuchtdiode 110 eingeschaltet und emittiert elektromagnetische Strahlung. Zu einem dem ersten Zeitpunkt 911 nachfolgenden dritten Zeitpunkt 913 soll der erste Transistor 120 mittels des Treibersignals 920 wieder aus dem leitenden in den sperrenden Zustand geschaltet werden, um die Leuchtdiode 110 abzuschalten und die Emission elektromagnetischer Strahlung durch die Leuchtdiode 110 zu beenden.
Um das Abschalten der Leuchtdiode 110 mit kurzer Abfallzeit zu gestalten, wird bereits zu einem zweiten Zeitpunkt 912, der zwischen dem ersten Zeitpunkt 911 und dem dritten Zeitpunkt 913 liegt, der zweite Transistor 230 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 mittels des Entleersignals 930 aus dem sperrenden in den leitenden Zustand umgeschaltet. Dadurch wird ab dem zweiten Zeitpunkt 912 ein anwachsender Entleerstrom 940 durch die aus dem ersten Widerstand 210 der Spule 220 und dem zweiten Transistor 230 gebildete Reihenschaltung der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 ermöglicht.
Der Entleerstrom 940 wächst mit einer Zeitkonstante an, die durch den Quotienten aus der Induktivität der Spule 220 und dem Widerstandswert des ersten Widerstands 210 festgelegt ist. Wird eine zwischen dem zweiten Zeitpunkt 912 und dem dritten Zeitpunkt 913 verstreichende Zeitspanne 915 mindestens dreimal so groß wie diese Zeitkonstante gewählt, so hat der durch die Spule 220 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 fließende Entleerstrom 940 zum dritten Zeitpunkt 913 einen im Wesentlichen konstanten Maximalwert erreicht.
Nach dem Schalten des ersten Transistors 120 aus dem leitenden Zustand in den sperrenden Zustand zum dritten Zeitpunkt 913 fließt der durch die Spule 220 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 fließende Entleerstrom 940 in die Leuchtdiode 110 und bewirkt dort einen schnellen Abbau der Ladungsträger in der aktiven Zone der Leuchtdiode 110 und damit ein schnelles Beenden der Emission elektromagnetischer Strahlung.
Der in der Spule 220 der Entleerschaltung 200 fließende Entleerstrom 940 klingt im Verlauf der Zeit 910 ab. Zu einem dem dritten Zeitpunkt 913 zeitlich nachfolgenden vierten Zeitpunkt 914 kann der zweite Transistor 230 der Entleerschaltung 200 der Schaltungsanordnung 800 mittels des Entleersignals 930 aus dem leitenden Zustand wieder in den sperrenden Zustand versetzt werden. Anschließend kann die anhand des Schaltdiagramms 900 erläuterte Schaltsignalfolge ein weiteres Mal ablaufen.
Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: Schaltungsanordnung
101: erster Knoten
102: zweiter Knoten
103: dritter Knoten
104: vierter Knoten
105: fünfter Knoten
106: sechster Knoten
107: siebter Knoten
110: Leuchtdiode
111: Anode
112: Kathode
115: Schutzdiode
116: Anode
117: Kathode
120: erster Transistor
121: Drain-Kontakt
122: Source-Kontakt
123: Gate-Kontakt
124: Kanal
130: Massekontakt
140: Versorgungsspannung
200: Entleerschaltung
210: erster Widerstand
220: Spule
230: zweiter Transistor
231: Drain-Kontakt
232: Source-Kontakt
233: Gate-Kontakt
300: Stromüberhöhungsschaltung
310: zweiter Widerstand
320: Kondensator
400: Treiberschaltung
401: Eingang
402: Ausgang
410: Treiberspannung
500: Pulsgenerator
600: Pulsverlaufsdiagramm
610: Zeit
620: Optische Intensität
630: Intensitätsverlauf
631: ansteigende Flanke
632: abfallende Flanke
700: Schaltgeschwindigkeitsdiagramm
710: Stromstärke
720: Flankendauer
730: Anstiegszeitverlauf
740: Abfallzeitverlauf
800: Schaltungsanordnung
900: Schaltdiagramm
910: Zeit
911: erster Zeitpunkt
912: zweiter Zeitpunkt
913: dritter Zeitpunkt
914: vierter Zeitpunkt
915: Zeitspanne
920: Treibersignal
930: Entleersignal
940: Entleerstrom

Claims

Schaltungsanordnung (100, 800) zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements (110) mit einem ersten Knoten (101), einem zweiten Knoten (102), einem dritten Knoten (103) und einem vierten Knoten (104), wobei zwischen dem ersten Knoten (101) und dem vierten Knoten (104) eine Versorgungsspannung (140) anlegbar ist, wobei der erste Knoten (101) mit dem zweiten Knoten (102) verbunden ist, wobei zwischen dem zweiten Knoten (102) und dem dritten Knoten (103) ein optoelektronisches Bauelement (110) angeordnet werden kann, wobei zwischen dem dritten Knoten (103) und dem vierten Knoten (104) ein erster Transistor (120) zum Schalten eines Kanals (124) zwischen dem dritten Knoten (103) und dem vierten Knoten (104) angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Knoten (101) und dem dritten Knoten (103) eine Reihenschaltung (200) mit einem ersten Widerstand (210) und einer Spule (220) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (800) gemäß Anspruch 1, wobei die zwischen dem ersten Knoten (101) und dem dritten Knoten (103) angeordnete Reihenschaltung (200) einen zweiten Transistor (230) umfasst.
Schaltungsanordnung (800) gemäß Anspruch 2, wobei der zweite Transistor (230) als selbstsperrender p-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (100, 800) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Transistor (120) als selbstsperrender n-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (100, 800) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Knoten (101) über eine Parallelschaltung (300) eines zweiten Widerstands (310) und eines Kondensators (320) mit dem zweiten Knoten (102) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (100, 800) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (100, 800) eine Treiberschaltung (400) zum Ansteuern des ersten Transistors (120) aufweist.
Leuchtdioden-Anordnung mit einer Schaltungsanordnung (100, 800) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Leuchtdiode (110), die zwischen dem zweiten Knoten (102) und dem dritten Knoten (103) der Schaltungsanordnung (100, 800) angeordnet ist.
Leuchtdioden-Anordnung gemäß Anspruch 7, wobei die Leuchtdiode (110) ausgebildet ist, Licht im infraroten Spektralbereich zu emittieren.
Leuchtdioden-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 7 und 8, wobei eine Schutzdiode (115) antiparallel zu der Leuchtdiode (110) zwischen dem zweiten Knoten (102) und dem dritten Knoten (103) angeordnet ist.
Verfahren zum Ansteuern eines optoelektronischen Bauelements mittels einer Schaltungsanordnung (800) gemäß Anspruch 2, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Einschalten des ersten Transistors (120) zu einem ersten Zeitpunkt (911); – Einschalten des zweiten Transistors (230) zu einem zweiten Zeitpunkt (912) nach dem ersten Zeitpunkt (911); – Abschalten des ersten Transistors (120) zu einem dritten Zeitpunkt (913) nach dem zweiten Zeitpunkt (912).
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei zwischen dem zweiten Zeitpunkt (912) und dem dritten Zeitpunkt (913) eine Zeitspanne (915) liegt, die mindestens dreimal so groß wie eine durch den Quotienten aus der Induktivität der Spule (220) und dem Widerstandswert des ersten Widerstands (210) festgelegte Zeitkonstante ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 und 11, wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt umfasst: – Abschalten des zweiten Transistors (230) zu einem vierten Zeitpunkt (914) nach dem dritten Zeitpunkt (913).