DE102021003750A1 - Circuit arrangement for operating at least one light-emitting diode - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird eine Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Leuchtdiode in zwei verschiedenen Helligkeitsstufen, mit mindestens einer Leuchtdiode, und mit mindestens einem NPN-Transistor, wobei die Leuchtdiode in Reihe mit einem Vorwiderstand in den Emitterzweig des NPN-Transistors gegen Massepotential geschaltet ist, und mit einem Mikrocontroller, der mit einem Signal eines Ausgangsports die Basis des NPN-Transistors ansteuert, wobei dem/den Kollektoranschluss/Kollektoranschlüssen des mindestens einen NPN-Transistors der Emitteranschluss eines einzigen weiteren NPN-Transistors verbunden ist, dessen Basis durch das Signal eines weiteren Ausgangsports des Mikrocontrollers angesteuert werden kann und dessen Kollektor mit einem positiven Potential verbunden ist.A circuit arrangement for operating at least one light-emitting diode in two different brightness levels is described, with at least one light-emitting diode and with at least one NPN transistor, the light-emitting diode being connected in series with a series resistor in the emitter branch of the NPN transistor to ground potential, and with a Microcontroller that controls the base of the NPN transistor with a signal from an output port, the emitter connection of a single further NPN transistor being connected to the collector connection(s) of the at least one NPN transistor, the base of which is controlled by the signal from a further output port of the microcontroller can be controlled and whose collector is connected to a positive potential.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Leuchtdiode in zwei verschiedenen Helligkeitsstufen, mit mindestens einer Leuchtdiode, und mit mindestens einem NPN-Transistor, wobei die Leuchtdiode in Reihe mit einem Vorwiderstand in den Emitterzweig des NPN-Transistors gegen Massepotential geschaltet ist, und mit einem Mikrocontroller, der mit einem Signal eines Ausgangsports die Basis des NPN-Transistors ansteuert.The invention relates to a circuit arrangement for operating at least one light-emitting diode in two different brightness levels, with at least one light-emitting diode and with at least one NPN transistor, the light-emitting diode being connected in series with a series resistor in the emitter branch of the NPN transistor to ground potential, and with a microcontroller that controls the base of the NPN transistor with a signal from an output port.

Bei der Ansteuerung von Leuchtdioden ist es häufig notwendig eine Helligkeitsumschaltung zwischen zwei verschiedenen Helligkeitsstufen, beispielsweise für eine Tages- und eine Nachtbeleuchtung vorzusehen.When driving light-emitting diodes, it is often necessary to switch between two different brightness levels, for example for day and night lighting.

Bei einer gattungsgemäßen Schaltung, wie sie in der 2 dargestellt ist, kann eine Helligkeitssteuerung einer Leuchtdiode LED durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung PWM der Basis des NPN-Transistors T erreicht werden. Eine derartige Ansteuerung durch den Mikrocontroller MC ist durchaus üblich. Allerdings ist der Aufwand relativ hoch, wenn viele Leuchtdioden zugleich mittels jeweils einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung PWM betrieben werden sollen, da dabei eine Vielzahl von Ausgangsports des Mikrocontrollers getaktet werden müssen.In a generic circuit, as in the 2 is shown, the brightness of a light-emitting diode LED can be controlled by pulse-width-modulated control PWM of the base of the NPN transistor T. Such activation by the microcontroller MC is quite common. However, the effort is relatively high if a large number of light-emitting diodes are to be operated at the same time by means of a pulse-width-modulated control PWM, since a large number of output ports of the microcontroller have to be clocked.

Eine andere bekannte Ansteuerungsvariante, die ohne eine PWM-Taktung auskommt, ist in der 3 dargestellt. Hier sind zwei Schaltelemente, die als NPN-Transistoren T1, T2 ausgeführt sind, vorgesehen und mit derselben Leuchtdiode LED verbunden. Die beiden NPN-Transistoren T1, T2 werden durch jeweils einen Ausgangsport P1, P2 eines Mikrocontrollers MC angesteuert. Durch eine gezielte Dimensionierung der Vorwiderstände RV1, RV2 in den Emitterzweigen der NPN-Transistoren T1, T2 kann, je nachdem welcher NPN-Transistor T1, T2 durch den Mikrocontroller MC angesteuert wird, ein geringerer oder ein höherer Strom durch die Leuchtdiode LED fließen, wodurch eine geringere oder höhere Helligkeit erreicht wird. Durch die Ansteuerung entweder jeweils eines oder auch beider NPN-Transistoren T1, T2 zugleich können sogar drei unterschiedliche Helligkeitsstufen für die Leuchtdiode LED eingestellt werden.Another well-known control variant that does not require PWM clocking is in the 3 shown. Two switching elements, which are designed as NPN transistors T 1 , T 2 , are provided here and connected to the same light-emitting diode LED. The two NPN transistors T 1 , T 2 are each driven by an output port P 1 , P 2 of a microcontroller MC. By carefully dimensioning the series resistors R V1 , R V2 in the emitter branches of the NPN transistors T 1 , T 2 , a lower or higher current can flow through, depending on which NPN transistor T 1 , T 2 is controlled by the microcontroller MC the light-emitting diode LED flow, whereby a lower or higher brightness is achieved. By driving either one or both NPN transistors T 1 , T 2 at the same time, it is even possible to set three different brightness levels for the light-emitting diode LED.

Nachteilig an dieser Schaltungsanordnung ist, dass für jede anzusteuernde Leuchtdiode LED zwei NPN-Transistoren T1, T2 benötigt werden, deren Ansteuerung zudem zwei Ausgangsports P1, P2 des Mikrocontrollers MC belegt. Bei mehreren Leuchtdioden LED ergibt sich allein durch die Vielzahl der benötigten NPN-Transistoren T1, T2 ein erheblicher Kostenaufwand. Auch ist ein Mikrocontroller MC mit einer hohen Anzahl von Ausgangsports P1, P2 im Allgemeinen kostenaufwändiger als einer mit weniger Ausgangsports P1, P2.The disadvantage of this circuit arrangement is that two NPN transistors T 1 , T 2 are required for each light-emitting diode LED to be controlled, the control of which also occupies two output ports P 1 , P 2 of the microcontroller MC. If there are several light-emitting diodes LED, the large number of NPN transistors T 1 , T 2 required alone results in considerable expenditure. Also, a microcontroller MC with a high number of output ports P 1 , P 2 is generally more expensive than one with fewer output ports P 1 , P 2 .

Es stellte sich die Aufgabe, eine einfache und kostengünstige Helligkeitsumschaltung für insbesondere mehrere Leuchtdioden zu realisieren.The task arose of realizing a simple and cost-effective brightness switchover, in particular for a number of light-emitting diodes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem/den Kollektoranschluss/Kollektoranschlüssen des mindestens einen NPN-Transistors der Emitteranschluss eines einzigen weiteren NPN-Transistors verbunden ist, dessen Basis durch das Signal eines weiteren Ausgangsports des Mikrocontrollers angesteuert werden kann und dessen Kollektor mit einem positiven Potential verbunden ist.According to the invention, this object is achieved in that the emitter connection of a single further NPN transistor is connected to the collector connection/collector connections of the at least one NPN transistor, the base of which can be controlled by the signal of a further output port of the microcontroller and the collector of which can be connected to a positive one potential is connected.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert werden. Es zeigen

  • 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
  • 2 eine erste Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik,
  • 3 eine zweite Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik.
The invention will be illustrated and explained below with reference to the drawing. Show it
  • 1 a circuit arrangement according to the invention,
  • 2 a first circuit arrangement according to the prior art,
  • 3 a second prior art circuit arrangement.

Eine erfindungsgemäß ausgeführte Schaltungsanordnung ist in der 1 dargestellt. Dieser Schaltungsanordnung lag die Überlegung zugrunde, dass bei einer Helligkeitssteuerung einer Vielzahl von Leuchtdioden, wie sie etwa in Anzeigeelementen wie beispielsweise Segmentanzeigen vorkommen, in den meisten Fällen alle vorhandenen Leuchtdioden zugleich in der gleichen Helligkeitsstufe betrieben werden, also beispielsweise in einem helleren Tag- oder in einem dunkleren Nachtbetriebszustand.A circuit arrangement designed according to the invention is shown in FIG 1 shown. This circuit arrangement was based on the idea that when controlling the brightness of a large number of light-emitting diodes, such as those found in display elements such as segment displays, in most cases all the existing light-emitting diodes are operated at the same brightness level, i.e. for example in a brighter daytime or in a darker night mode.

Eine weitere Überlegung bestand darin, dass zum Betrieb moderner Leuchtdioden mit einer geringen Helligkeit bereits relativ geringe Ströme ausreichen, wie sie etwa die Ausgangsports eines Mikrocontrollers ohne weiteres zur Verfügung stellen können.Another consideration was that relatively low currents, such as those easily provided by the output ports of a microcontroller, are sufficient to operate modern light-emitting diodes with low brightness.

Hierdurch ergab sich die in der 1 dargestellte Schaltungsanordnung. Jede der anzusteuernden Leuchtdioden LED1, LED2 liegt in Reihe mit jeweils einem Vorwiderstand Rv im Emitterzweig jeweils eines NPN-Transistors T1, T2, wobei diese Reihenschaltung gegen Masse-Potential geschaltet ist. Die Basis jedes NPN-Transistors T1, T2 ist über einem Basis-Vorwiderstand RB mit einem Ausgangsport P1, P2 eines Mikrocontrollers MC verbunden. Jeder der NPN-Transistoren T1, T2 kann somit durch logisches High-Signal am zugehörigen Ausgangsport P1, P2 durchgeschaltet und durch ein Low-Signal am jeweiligen Ausgangsport P1, P2 gesperrt werden. Eine getaktete Ansteuerung, etwa durch eine Pulsweitenmodulation, ist hier nicht erforderlich.This resulted in the 1 circuit arrangement shown. Each of the light-emitting diodes LED 1 , LED 2 to be controlled is connected in series with a respective series resistor Rv in the emitter branch of an NPN transistor T 1 , T 2 , this series connection being connected to ground potential. The base of each NPN transistor T 1 , T 2 is connected to an output port P 1 , P 2 of a microcontroller MC via a base series resistor R B . Each of the NPN transistors T 1 , T 2 can thus be switched through by a logical high signal at the associated output port P 1 , P 2 and by a low signal at the respective output port P 1 , P 2 be blocked. Clocked control, such as pulse width modulation, is not required here.

Die Kollektoren der NPN-Transistoren T1, T2 sind alle miteinander verbunden und können über die Schaltstrecke eines weiteren NPN-Transistors T0 mit einem positiven Potential +12V verbunden werden. Hierbei ist die hier angegebene Spannungshöhe von 12 V gegen Masse natürlich rein beispielhaft zu verstehen.The collectors of the NPN transistors T 1 , T 2 are all connected to one another and can be connected to a positive potential +12V via the switching path of a further NPN transistor T 0 . The voltage level of 12 V to ground given here is of course to be understood purely as an example.

Die Basis des weiteren NPN-Transistors T0 ist, wiederum über einen Basisvorwiderstand RB, mit einem weiteren Ausgangsport P0 des Mikrocontrollers MC verbunden. Erhält der weitere NPN-Transistor T0 vom weiteren Ausgangsport Pr ein logisches High-Signal, so schaltet dieser das positive Potential +12V auf die miteinander verbundenen Kollektoren der NPN-Transistoren T1, T2.The base of the further NPN transistor T 0 is connected to a further output port P 0 of the microcontroller MC, again via a base series resistor R B . If the further NPN transistor T 0 receives a logic high signal from the further output port Pr, it switches the positive potential +12V to the collectors of the NPN transistors T 1 , T 2 which are connected to one another.

Ist der weitere NPN-Transistors T0 durchgeschaltet, so schaltet jeder der von einem zugehörigen Ausgangsport P1, P2 mit einem High-Signal angesteuerten NPN-Transistoren T1, T2 die in seinem Emitterzweig liegende Leuchtdiode LED1, LED2 ein, und zwar in der höheren von zwei möglichen Helligkeitsstufen. Durch ein Low-Signal vom einem Ausgangsport P1, P2 wird der damit verbundene NPN-Transistoren T1, T2 gesperrt, wodurch die zugehörige Leuchtdiode LED1, LED2 ganz ausgeschaltet ist.If the other NPN transistor T 0 is switched on, each of the NPN transistors T 1 , T 2 driven by an associated output port P 1 , P 2 with a high signal switches on the light-emitting diode LED 1 , LED 2 in its emitter branch. namely in the higher of two possible brightness levels. A low signal from an output port P 1 , P 2 blocks the associated NPN transistors T 1 , T 2 , as a result of which the associated light-emitting diode LED 1 , LED 2 is switched off completely.

Um alle eingeschalteten Leuchtdioden LED1, LED2 statt in der höheren in der niedrigeren Helligkeitsstufe zu betreiben, beendet der Mikrocontroller MC die Ansteuerung des weiteren NPN-Transistors T0, indem er an seinem Ausgangsport P0 ein Low-Signal ausgibt. Nach Wegfall des positiven Potentials +12V an ihren Kollektoren sind nun auch die NPN-Transistoren T1, T2 nicht mehr durchgeschaltet, auch wenn deren Basen gegebenenfalls noch von den Ausgangsports P1, P2 des Mikrocontrollers MC angesteuert werden.In order to operate all switched-on light-emitting diodes LED 1 , LED 2 in the lower brightness level instead of the higher one, the microcontroller MC ends the activation of the further NPN transistor T 0 by outputting a low signal at its output port P 0 . After the loss of the positive potential +12V at their collectors, the NPN transistors T 1 , T 2 are no longer switched through, even if their bases may still be driven by the output ports P 1 , P 2 of the microcontroller MC.

High-Signale, die von den Ausgangsports P1, P2 ausgegeben werden, gelangen aber nun über die Basisvorwiderstände RB und die Basis-Emitter-Dioden DBE der jeweiligen NPN-Transistoren T1, T2 sowie über jeweils einen Vorwiderstand Rvan die Leuchtdioden LED1, LED2.High signals, which are output from the output ports P 1 , P 2 , now reach the base series resistors R B and the base-emitter diodes D BE of the respective NPN transistors T 1 , T 2 and a series resistor Rvan die Light emitting diodes LED 1 , LED 2 .

Aufgrund des im Vergleich zum positiven Potentials +12V im Allgemeinen niedrigeren Potentials der logischen High-Signale der Ausgangsports P1, P2 und der zusätzlichen Strombegrenzung durch den Basisvorwiderstand RB leuchten die eingeschalteten Leuchtdioden LED1, LED2 nun auf einer niedrigeren Helligkeitsstufe.Due to the generally lower potential of the logical high signals of the output ports P1, P2 compared to the positive potential + 12V and the additional current limitation by the base series resistor RB , the switched-on light-emitting diodes LED1 , LED2 now light up at a lower brightness level.

Die realen Helligkeiten der Leuchtdioden LED1, LED2 in der höheren und der niedrigeren Helligkeitsstufe können durch die Wahl der Widerstände RB und Rv vorgegeben werden, und gegebenenfalls durch einen weiteren, hier nicht dargestellten Widerstand im Emitterzweig des weiteren NPN-Transistors T0 beeinflusst werden.The real brightness of the light-emitting diodes LED 1 , LED 2 in the higher and the lower brightness level can be specified by the choice of the resistors R B and Rv, and possibly influenced by a further resistor, not shown here, in the emitter branch of the further NPN transistor T 0 will.

Die Anzahl der anzusteuernden Leuchtdioden LED1, LED2 ist vorzugsweise deutlich höher als die zwei hier dargestellten und kann durch zusätzlich anfügbare NPN-Transistor-Leuchtdioden-Zweige nahezu beliebig sein. Dabei ist die Anzahl der insgesamt benötigten NPN-Transistoren T0, T1, T2 und die Anzahl der benötigten Ausgangsports P0, P1, P2 des Mikrocontrollers MC immer um genau eins größer als die Zahl der anzusteuernden Leuchtdioden LED1, LED2.The number of light-emitting diodes LED 1 , LED 2 to be controlled is preferably significantly higher than the two shown here and can be almost any number of NPN transistor light-emitting diode branches that can be additionally attached. The total number of NPN transistors T 0 , T 1 , T 2 required and the number of required output ports P 0 , P 1 , P 2 of the microcontroller MC is always exactly one greater than the number of light-emitting diodes LED 1 , LED to be controlled 2 .

Damit kann durch die beschriebene Schaltungsanordnung die Anzahl der notwendigen Bauelemente zur Helligkeitsumschaltung von ungetaktet betriebenen Leuchtdioden relativ gering gehalten werden.With the circuit arrangement described, the number of components required for switching the brightness of light-emitting diodes operated in an unclocked manner can thus be kept relatively small.

Alternativ kann für die in der 1 dargestellte Schaltungsanordnung auch eine getaktete Ansteuerung der NPN-Transistoren T1, T2 vorgesehen werden. Diese wird, analog zu der in der 1 dargestellten bekannten Schaltungsanordnung, dadurch verwirklicht, dass der Mikrocontroller MC über seine Ausgangsports P1, P2 die Basis des mindestens einen NPN-Transistors T1, T2 mit einem PWM-Signal ansteuert.Alternatively, for those in the 1 circuit arrangement shown, clocked control of the NPN transistors T 1 , T 2 can also be provided. This is analogous to that in the 1 illustrated known circuit arrangement, realized in that the microcontroller MC via its output ports P 1 , P 2 drives the base of the at least one NPN transistor T 1 , T 2 with a PWM signal.

Die PWM-Taktung ermöglicht hier eine weitere, gegebenenfalls auch stufenlose Variation der Helligkeit der Leuchtdioden LED1, LED2, wobei die Grundhelligkeit aller Leuchtdioden LED1, LED2 weiterhin durch den Schaltzustand des weiteren NPN-Transistors T0 vorgegeben wird.The PWM clocking enables a further, optionally stepless, variation of the brightness of the light-emitting diodes LED 1 , LED 2 , the basic brightness of all the light-emitting diodes LED 1 , LED 2 still being specified by the switching state of the further NPN transistor T 0 .

BezugszeichenlisteReference List

DBEDBE
Basis-Emitter-Diodebase-emitter diode
LED, LED1, LED2LED, LED1, LED2
Leuchtdiodelight emitting diode
MCMC
Mikrocontrollermicrocontroller
P0P0
(weiterer) Ausgangsport(further) exit port
P, P1, P2P, P1, P2
Ausgangsportsexit ports
PWMPWM
pulsweitenmodulierte Ansteuerungpulse width modulated control
RBRB
Basisvorwiderstandbase series resistor
Rv, RV1, RV2RV, RV1, RV2
Vorwiderstandseries resistor
T0T0
(weiterer) NPN-Transistor(another) NPN transistor
T, T1, T2T, T1, T2
(NPN-)Transistor(NPN) transistor
+ 12V+ 12V
positives Potentialpositive potential

Claims (2)

Schaltungsanordnung zum Betrieb mindestens einer Leuchtdiode (LED1, LED2) in zwei verschiedenen Helligkeitsstufen, mit mindestens einer Leuchtdiode (LED1, LED2), und mit mindestens einem NPN-Transistor (T1, T2), wobei die Leuchtdiode (LED1, LED2) in Reihe mit einem Vorwiderstand (Rv) in den Emitterzweig des NPN-Transistors (T1, T2) gegen Massepotential geschaltet ist, und mit einem Mikrocontroller (MC), der mit einem Signal eines Ausgangsports (P1, P2) die Basis des NPN-Transistors (T1, T2) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass dem/den Kollektoranschluss/Kollektoranschlüssen des mindestens einen NPN-Transistors (T1, T2) der Emitteranschluss eines einzigen weiteren NPN-Transistors (To) verbunden ist, dessen Basis durch das Signal eines weiteren Ausgangsports (P0) des Mikrocontrollers (MC) angesteuert werden kann und dessen Kollektor mit einem positiven Potential (+12V) verbunden ist.Circuit arrangement for operating at least one light-emitting diode (LED 1 , LED 2 ) in two different brightness levels, with at least one light-emitting diode (LED 1 , LED 2 ), and with at least one NPN transistor (T 1 , T 2 ), the light-emitting diode (LED 1 , LED 2 ) is connected in series with a series resistor (Rv) in the emitter branch of the NPN transistor (T 1 , T 2 ) to ground potential, and with a microcontroller (MC) which is fed with a signal from an output port (P 1 , P 2 ) drives the base of the NPN transistor (T 1 , T 2 ), characterized in that the collector connection(s) of the at least one NPN transistor (T 1 , T 2 ) is connected to the emitter connection of a single further NPN transistor ( To) is connected, whose base can be driven by the signal from another output port (P 0 ) of the microcontroller (MC) and whose collector is connected to a positive potential (+12V). Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (MC) die Basis des mindestens einen NPN-Transistors (T1, T2) mit einem PWM-Signal ansteuert.Circuit arrangement according to claim 1 , characterized in that the microcontroller (MC) controls the base of the at least one NPN transistor (T 1 , T 2 ) with a PWM signal.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1113708B1 (en) 1999-12-23 2012-03-14 STMicroelectronics, Inc. Led driver circuit and method

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EP1113708B1 (en) 1999-12-23 2012-03-14 STMicroelectronics, Inc. Led driver circuit and method

Non-Patent Citations (1)

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Title
Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 16.Auflage. Berlin : Springer Vieweg, 2019. - ISBN 978-3-662-48553-8

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