DE102014213853A1 - Circuit arrangement and method for driving LEDs in matrix configuration - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix-Konfiguration, welche m Spalten und n Zeilen aufweist, wobei jede LED (LED11, LED12, LED21, LED22) der Matrix durch Aktivierung eines entsprechenden Spaltentreibers (S01, S02) in Verbindung mit der Aktivierung eines entsprechenden Zeilentreibers (S10, S20) einzeln ansteuerbar ist, mit jeweils pro Zeile einer Bias-Einrichtung (12). Dabei umfasst die Bias-Einrichtung (12) einen ersten Bias-Anschluss (14) zur elektrischen Kopplung mit den Kathoden von m der LEDs (LED11, LED12) dieser Zeile und einem zweiten Bias-Anschluss (16) zur elektrischen Kopplung mit den Anoden der m LEDs (LED11, LED 12) dieser Zeile, wobei jede LED (LED11, LED12, LED21, LED22) der Matrix jeweils über eine Halbleiterdiode (D11, D12, D21, D22) mit dem zugehörigen Anschluss einer Spaltenansteuerung (S01, S02) gekoppelt ist, wobei außerdem n Halbleiterdioden (D11, D21), welche derselben Spalte zugeordnet sind, jeweils an einer ihrer Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anzeigevorrichtung und ein Haushaltsgerät mit einer derartigen Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix-Konfiguration.The invention relates to a circuit arrangement for driving LEDs in a matrix configuration having m columns and n rows, each LED (LED11, LED12, LED21, LED22) of the matrix being activated by activation of a corresponding column driver (S01, S02) the activation of a corresponding row driver (S10, S20) is individually controllable, each with a line of a bias device (12). In this case, the bias device (12) comprises a first bias connection (14) for electrical coupling to the cathodes of m of the LEDs (LED11, LED12) of this line and a second bias connection (16) for electrical coupling to the anodes of m LEDs (LED11, LED 12) of this row, each LED (LED11, LED12, LED21, LED22) of the matrix in each case being coupled via a semiconductor diode (D11, D12, D21, D22) to the associated terminal of a column driver (S01, S02) is, wherein also n semiconductor diodes (D11, D21), which are assigned to the same column, each electrically connected to one another at one of its electrodes. Furthermore, the invention relates to a display device and a household appliance with such a circuit arrangement and to a method for driving LEDs in a matrix configuration.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden (Light-Emitting Diodes, abgekürzt LEDs) in einer Matrix-Konfiguration, wobei jede LED der Matrix durch Aktivierung eines entsprechenden Spaltentreibers in Verbindung mit der Aktivierung eines entsprechenden Zeilentreibers einzeln ansteuerbar ist, wobei des Weiteren jeweils pro Zeile eine Bias-Einrichtung mit einem ersten Bias-Anschluss zur elektrischen Kopplung mit den Kathoden der LEDs der jeweiligen Zeile und mit einem zweiten Bias-Anschluss zur elektrischen Kopplung mit den Anoden der LEDs der jeweiligen Zeile. The invention relates to a circuit arrangement for driving light emitting diodes (Light Emitting Diodes, abbreviated LEDs) in a matrix configuration, wherein each LED of the matrix is individually activatable by activation of a corresponding column driver in connection with the activation of a corresponding row driver, wherein each further per line, a bias device having a first bias connection for electrically coupling to the cathodes of the LEDs of the respective row and having a second bias connection for electrical coupling to the anodes of the LEDs of the respective row.
Bei LEDs in einer Matrix-Anordnung liegt prinzipbedingt in bestimmten Zuständen der Ansteuerung eine Sperrspannung an den LEDs an.
In diesem Zusammenhang offenbart die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, welche sowohl eine schädigende Sperrspannung an den LEDs als auch ein Glimmen bei nicht angesteuerten LEDs verhindert. It is an object of the present invention to provide a circuit arrangement which prevents both a damaging reverse voltage on the LEDs and a glow on non-driven LEDs.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by a circuit arrangement having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 13. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix-Konfiguration, welche m Spalten und n Zeilen aufweist, wobei jede LED der Matrix durch Aktivierung eines entsprechenden Spaltentreibers in Verbindung mit der Aktivierung eines entsprechenden Zeilentreibers einzeln ansteuerbar ist, weist jeweils pro Zeile eine Bias-Einrichtung mit einem ersten Bias-Anschluss zur elektrischen Kopplung mit den Kathoden von m der LEDs dieser Zeile und einen zweiten Bias-Anschluss zur elektrischen Kopplung mit den Anoden der m LEDs dieser Zeile auf. Mit anderen Worten ist der erste Bias-Anschluss der Bias-Einrichtung verschaltet mit den Kathoden von m der LEDs dieser Zeile und der zweite Bias-Anschluss der Bias-Einrichtung ist verschaltet mit den Anoden der m LEDs dieser Zeile.The circuit arrangement according to the invention for driving LEDs in a matrix configuration which has m columns and n rows, wherein each LED of the matrix can be controlled individually by activating a corresponding column driver in conjunction with the activation of a corresponding row driver, has a bias for each row. Device with a first bias connection for electrical coupling to the cathodes of m of the LEDs of this line and a second bias connection for electrical coupling to the anodes of the m LEDs of this line. In other words, the first bias terminal of the biasing means is connected to the cathodes of m of the LEDs of that row and the second biasing terminal of the biasing means is connected to the anodes of the m LEDs of that row.
Erfindungsgemäß ist nun jede LED der Matrix jeweils über eine (leuchtunfähige) Halbleiterdiode mit dem zugehörigen Anschluss einer Spaltenansteuerung gekoppelt, wobei außerdem n Halbleiterdioden, welche derselben Spalte zugeordnet sind, jeweils an einer ihrer Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind, nämlich über den Spaltentreiber. Durch den Einsatz der Halbleiterdioden ergibt sich der Vorteil, dass diese den Hauptteil der anliegenden Sperrspannung aufnehmen. Somit werden die sperrspannungsempfindlichen LED mit Hilfe der leuchtunfähigen Halbleiterdioden von der anliegenden Sperrspannung entlastet. Durch die Verschaltung der beiden Bias-Anschlüsse mit der Kathode und der Anode der jeweiligen LED lässt sich der Spannungsabfall über jedem Element eines nicht aktiv angesteuerten Parallelpfads gezielt einstellen. According to the invention, each LED of the matrix is then coupled in each case via a (non-illuminable) semiconductor diode to the associated terminal of a column drive, wherein also n semiconductor diodes, which are assigned to the same column, are each electrically connected to one another at one of their electrodes, namely via the column driver. The use of the semiconductor diodes has the advantage that they absorb the majority of the applied blocking voltage. Thus, the blocking voltage-sensitive LED are relieved of the applied blocking voltage with the aid of the incapacitated semiconductor diodes. By interconnecting the two bias connections with the cathode and the anode of the respective LED, the voltage drop across each element of a non-actively controlled parallel path can be set specifically.
Zur Anwendbarkeit der Erfindung darf weder die Anzahl der Spalten m noch die Anzahl der Zeilen n gleich eins sein, da ansonsten kein nicht aktiv angesteuerter Parallelpfad möglich ist. Spalten und Zeilen sind selbstverständlich gegeneinander austauschbar und repräsentieren insbesondere nur die Art der elektrischen Verschaltung und nicht zwangsläufig eine bestimmte geometrische Anordnung der LEDs zueinander. For applicability of the invention, neither the number of columns m nor the number of lines n may be equal to one, since otherwise no parallel active path is not possible. Of course, columns and rows are interchangeable and represent in particular only the type of electrical connection and not necessarily a specific geometric arrangement of the LEDs to each other.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den elektrisch miteinander verbundenen Elektroden der Halbleiterdioden um die Anoden der Halbleiterdioden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die für LED-Displays üblicherweise kathodenseitig mit einem leitfähigen Kleber montierten LED-Chips auf demselben Bezugspotential angeordnet werden können. In a preferred embodiment, the electrically interconnected electrodes of the semiconductor diodes are the anodes of the semiconductor diodes. This results in the advantage that the LED chips usually mounted on the cathode side with a conductive adhesive LED chips can be arranged on the same reference potential.
Alternativ oder zusätzlich kann in jeweils einer Zeile die elektrische Kopplung der Bias-Einrichtung mit den Kathoden der m LEDs über mindestens einen Widerstand, insbesondere über m Widerstände, bereitgestellt sein. Alternatively or additionally, the electrical coupling of the bias device to the cathodes of the m LEDs can be provided in at least one line in each case via at least one resistor, in particular via m resistors.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bias-Einrichtung einen Spannungsteiler auf. Besonders vorteilhaft kann hier ein mehrteiliger ohmscher Spanungsteiler mit mindestens zwei Anzapfungen eingesetzt werden, welcher zur elektrischen Kopplung mit den Anoden beziehungsweise Kathoden der LED der jeweiligen Zeile ausgelegt ist. According to a further aspect of the invention, the bias device has a voltage divider. Particularly advantageous here can be a multipart ohmic voltage divider can be used with at least two taps, which is designed for electrical coupling to the anodes or cathodes of the LED of the respective row.
Der Spannungsteiler kann mindestens einen Widerstand umfassen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Spannungsteiler aber eine Diode auf, insbesondere eine Zener-Diode. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass unabhängig von dem Strom durch den Spannungsteiler eine bestimmte Potentialdifferenz realisiert werden kann. Insbesondere bei einer Querstromentnahme aus dem ohmschen Spannungsteiler kann somit einer Rückwirkung auf den Spannungsteiler minimiert werden, ohne diesen unnötig niederohmig und damit verlustreich auslegen zu müssen. The voltage divider may include at least one resistor. In a particularly preferred embodiment, however, the voltage divider has a diode, in particular a Zener diode. This results in the advantage that a certain potential difference can be realized independently of the current through the voltage divider. In particular, in the case of a transverse current drain from the ohmic voltage divider, it is therefore possible to minimize the effect on the voltage divider without having to interpret it unnecessarily low-impedance and therefore loss-rich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die durch die jeweiligen Bias-Einrichtungen pro Zeile erzeugten Anodenvorspannungen für jede der m Zeilen unterschiedlich. Dadurch können Variationen des LED-Stroms und/oder der LED-Flussspannung beispielsweise in Folge von Verwendung von LEDs unterschiedlicher Farbe berücksichtigt werden. In a further advantageous embodiment, the anode bias voltages generated by the respective bias devices per row are different for each of the m lines. As a result, variations of the LED current and / or the LED forward voltage can be taken into account, for example as a result of using LEDs of different colors.
Bevorzugt ist die Schaltungsanordnung dazu ausgelegt, im Betrieb nicht angesteuerte LEDs mit einer Spannung von maximal 0,5 Volt in Flussrichtung, vorzugsweise maximal 0,2 Volt in Flussrichtung zu beaufschlagen zur Vergrößerung des Abstands von einer Glimmgrenze, bei welcher erster Lichtemission der LED auftritt. Hierdurch kann zuverlässig ein unbeabsichtigtes Leuchten einer nicht angesteuerten LED vermieden werden. Preferably, the circuit arrangement is designed to apply non-activated LEDs in operation with a maximum voltage of 0.5 volts in the flow direction, preferably at most 0.2 volts in the flow direction to increase the distance from a glow limit at which the first light emission of the LED occurs. As a result, unintentional lighting of a non-driven LED can be reliably avoided.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind nicht angesteuerte LEDs mit einer Spannung von minimal 0,0 Volt in Flussrichtung, vorzugsweise minimal 0,1 Volt in Flussrichtung beaufschlagt zur Verhinderung einer Schädigung der LEDs durch einen Inversstrom.According to a further aspect of the invention, unenergized LEDs are subjected to a voltage of at least 0.0 volts in the direction of flow, preferably at least 0.1 volts in the direction of flow, in order to prevent damage to the LEDs by an inverse current.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Bias-Einrichtung dazu ausgelegt, für m LEDs einer Zeile mit unterschiedlichen Strömen und/oder Flussspannungen unterschiedliche Anodenvorspannungen bereitzustellen. Dadurch ist es insbesondere möglich, auch innerhalb einer Zeile unterschiedliche LEDs einzusetzen. In a further advantageous embodiment, the bias device is designed to provide different anode bias voltages for m LEDs of a line with different currents and / or forward voltages. This makes it possible in particular to use different LEDs within a row.
Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer Anzeigevorrichtung eingesetzt sein, wodurch sich eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung ergibt. Preferably, the circuit arrangement according to the invention can be used in a display device, resulting in a display device according to the invention.
Des Weiteren kann eine derartige Anzeigevorrichtung in einem Haushaltsgerät eingesetzt sein, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Haushaltsgerät ergibt. Furthermore, such a display device may be used in a household appliance, resulting in a household appliance according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix-Konfiguration, welche m Spalten und n Zeilen aufweist, umfasst die Schritte Koppeln eines ersten Anschlusses einer Bias-Einrichtung mit den Kathoden von m LEDs in der Matrix-Konfiguration, wobei die Bias-Einrichtung und die m LEDs jeweils derselben Zeile zugeordnet sind, und Koppeln eines zweiten Anschlusses der Bias-Einrichtung, welche dieser Zeile zugeordnet ist, mit den Anoden der m LEDs in dieser Zeile. Des Weiteren erfolgt bei dem Verfahren das Bereitstellen jeweils einer Halbleiterdiode zur Kopplung jeder LED der Matrix mit dem zugehörigen Anschluss einer Spaltenansteuerung, wobei n Halbleiterdioden, welche derselben Spalte zugeordnet sind, an jeweils einer ihrer Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, jede LED der Matrix wird mit einer Halbleiterdiode so verschaltet, dass der von dem zugehörigen Anschluß der Spaltenansteuerung für die jeweilige angesteuerte LED bereitgestellte Strom über die Halbleiterdiode fließt.The inventive method for driving LEDs in a matrix configuration comprising m columns and n rows comprises the steps of coupling a first terminal of a biasing device to the cathodes of m LEDs in the matrix configuration, wherein the biasing means and the m LEDs are each associated with the same row, and coupling a second terminal of the bias means associated with that row to the anodes of the m LEDs in that row. Furthermore, in the method, provision is made in each case of a semiconductor diode for coupling each LED of the matrix to the associated terminal of a column driver, wherein n semiconductor diodes, which are assigned to the same column, are electrically connected to one another at each of their electrodes. In other words, each LED of the matrix is connected to a semiconductor diode such that the current provided by the associated terminal of the column driver for the respective driven LED flows over the semiconductor diode.
Im Folgenden ist die Erfindung detaillierter anhand der Figuren erläutert.In the following the invention is explained in more detail with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
Eine beispielhafte LED-Matrix in einer 2×2-Konfiguration ist nachfolgend entsprechend
Zur Verhinderung der an der LED22 anliegenden Sperrspannung wurde gemäß dem Stand der Technik eine Bias-Einrichtung
In der erfindungsgemäßen Weiterbildung gemäß
Im allgemeinen Fall kann an jeder LED der 2×2-Matrix jeweils an Anode und Kathode ein Spannungsteiler als Realisierung einer Spannungsquelle mit Innenwiderstand angeordnet sein. Die Dimensionierung hängt dabei von der gewünschten Vorspannung ab und von den LEDs. Bei der im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen der Kathode der LED11 und der Kathode der LED12 bestehenden elektrischen Verbindung sind dann drei Spannungsteiler notwendig pro Zeile, das heißt insgesamt sechs Spannungsteiler. Dadurch wird die maximale Flexibilität erreicht, durch Anpassung von Widerständen lässt sich die Schaltung an verschiedene Flussspannungen und LED-Ströme anpassen. Ohne Mehraufwand ist es möglich, pro Zeile verschiedene LEDs einzusetzen. Möchte man auch noch innerhalb einer Zeile unterschiedliche LEDs ansteuern, ist dies möglich, indem ein weiterer Vorwiderstand mit Zusatzbeschaltung eingefügt wird. Die Schaltung funktioniert durch die zeilenabhängige Anodenvorspannung in allen Zuständen, dies erlaubt auch das Dimmen per Pulsweitenmodulation (PWM).In the general case, a voltage divider can be arranged as an implementation of a voltage source with internal resistance at each anode and cathode of each LED of the 2 × 2 matrix. The dimensioning depends on the desired bias voltage and on the LEDs. In the present embodiment between the cathode of the LED11 and the cathode of the LED12 existing electrical connection then three voltage dividers are necessary per line, that is a total of six voltage divider. This achieves maximum flexibility, and by adapting resistors, the circuit can be adapted to different forward voltages and LED currents. Without additional effort, it is possible to use different LEDs per line. If you also want to control different LEDs within a row, this is possible by inserting a further series resistor with additional circuitry. The circuit works by the line-dependent anode bias in all states, this also allows dimming by pulse width modulation (PWM).
In einer vorteilhaften Weiterbildung dient ein einziger und / oder gemeinsamer Spannungsteiler pro Zeile zum Anschluss der Anoden der LED, welche dieser Zeile zugeordnet sind über Koppelwiderstände. Insbesondere kann auch der Spannungsteiler, welcher zum Anschluss der Kathoden der LED der jeweiligen Zeile ausgelegt ist, mit dem anodenseitig gekoppelten Spannungsteiler kombiniert sein, wodurch sich der in
Die entsprechende Schaltungsanordnung der zweiten Zeile ergibt sich äquivalent, die erste Stelle der Indizes ist hierbei von eins auf zwei zu ändern, so z. B. von R10z auf R20z oder von LED12 auf LED22.The corresponding circuit arrangement of the second line results equivalently, the first digit of the indices is here to change from one to two, such. From R10z to R20z or from LED12 to LED22.
Somit umfasst die Bias-Einrichtung
Diese Anordnung ermöglicht die Einstellung der Anodenvorspannung unabhängig von der Flussspannung beziehungsweise dem Strom von der LED und ist auch unabhängig vom Schaltzustand der Zeilenschalter S10 beziehungsweise S20. Das Ausführungsbeispiel gemäß
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann in einem Einzel-Modus mit jeweils nur einem aktiv angesteuerten Schalter der Spaltensteuerung und der Zeilensteuerung betrieben werden, wodurch maximal eine LED zu einer bestimmten Zeit leuchtet. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Schaltungsanordnung in einem Spaltenmodus zu betreiben, wo jeweils ein Schalter der Spaltenansteuerung aktiv angesteuert ist und beliebig viele Schalter der Zeilensteuerung aktiv angesteuert sind. Unter der Verwendung einer externen, steuerbaren Stromquelle wie in den
Somit wurde anhand einer Schaltungsanordnung und eines zugehörigen Verfahrens gezeigt, wie die Vermeidung der Sperrspannung an LEDs in einer Matrix-Schaltung erreicht werden kann. It has thus been shown by means of a circuit arrangement and an associated method how the avoidance of the blocking voltage on LEDs in a matrix circuit can be achieved.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 2010, 20
- LED-Matrix LED matrix
- 1212
- Bias-Einrichtung Bias means
- 1414
- erster Bias-Anschluss first bias connection
- 1616
- zweiter Bias-Anschluss second bias connection
- D11, D12, D21, D22D11, D12, D21, D22
- Halbleiterdiode Semiconductor diode
- I10, I20I10, I20
- Stromquelle power source
- LED11, LED12, LED21, LED22LED11, LED12, LED21, LED22
- LED LED
- R10, R20R10, R20
- Vorwiderstand dropping resistor
- R10x, R10y, R10z, R20x, R20y, R20zR10x, R10y, R10z, R20x, R20y, R20z
- Spannungsteilerwiderstand Voltage divider resistor
- R11, R12, R21, R22, R22A, R22CR11, R12, R21, R22, R22A, R22C
- Koppelwiderstand coupling resistor
- R22A_H, R22A_L, R22C_H, R22C_LR22A_H, R22A_L, R22C_H, R22C_L
- Spannungsteilerwiderstand Voltage divider resistor
- S01, S02, S03, S04S01, S02, S03, S04
- Schalter switch
- U22A, U22CU22A, U22C
- Bias-Spannungsquelle Bias voltage source
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1916880 B1 [0003, 0003] EP 1916880 B1 [0003, 0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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