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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
mit einer Parallelschaltung mehrerer Leuchtdiodenbauelemente
und ein Verfahren zum Gruppieren von Leuchtdiodenbauelementen
für Leuchtdiodenparallelschaltungen.
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Parallelschaltungen von Leuchtdiodenbauelementen werden zum
Beispiel in Anzeigevorrichtungen zur Darstellung einzelner
Bildpunkte bzw. Pixel verwendet. Ein entsprechendes
Grundschaltbild ist in Fig. 1 dargestellt.
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Leuchtdiodenbauelemente haben üblicherweise spezifische If-
Uf-Kennlinien, die sich trotz grundsätzlicher Baugleichheit
aufgrund individueller, produktionsbedingter Innenwiderstände
unterscheiden. Ein Diagramm zur Veranschaulichung dieses
Phänomens ist in Fig. 2 dargestellt, wobei auf der
Abszissenachse die Betriebsspannung Uf in V und auf der
Ordinatenachse der zugehörige Betriebsstrom If in A aufgetragen
ist. Außerdem gibt es keinen direkten Zusammenhang zwischen
der Betriebsspannung Uf, dem Betriebsstrom If und der
Helligkeit bzw. Lichtstärke lv einer Leuchtdiode. Dies bedeutet,
dass zwei Leuchtdiodenbauelemente, die mit dem gleichen
Betriebsstrom bei gleicher Betriebsspannung betrieben werden,
beispielsweise nicht notwendigerweise Licht mit der gleichen
Lichtstärke abstrahlen.
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Aufgrund dieser Tatsachen wird der Betriebsstrom einer
Leuchtdiode in einer Parallelschaltung aus mehreren
Leuchtdiodenbauelementen, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist,
bei konstanter Stromeinprägung durch die anderen
Leuchtdiodenbauelemente der Schaltung beeinflusst. Um dennoch eine
möglichst homogene Helligkeitsverteilung zwischen den
Leuchtdiodenbauelementen einer derartigen Parallelschaltung zu
erreichen, werden bislang für den Aufbau solcher
Parallelschaltungen üblicherweise nur Leuchtdiodenbauelemente eingesetzt,
die zuvor nach speziellen Kriterien ausgewählt bzw. gruppiert
worden sind.
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Von einer Vielzahl von verfügbaren Leuchtdiodenbauelementen
wird bei fest vorgegebenem Betriebsstrom If ein lv-Uf-Diagramm
und die Wellenlänge λ des von den Leuchtdiodenbauelementen
emittierten Lichts ermittelt. Aus dem Diagramm werden
einerseits beispielsweise drei Helligkeitsgruppen L, M, O mit
vorgegebenen Helligkeitsbereichen Δlv, andererseits
beispielsweise drei Spannungsgruppen A, B, C mit vorgegebenen
Spannungsbereichen ΔUf und die gewünschten Bereiche der
dominanten Wellenlängen λdom1 und λdom2 mit vorgegebenen
Wellenlängenbereich Δλdom festgelegt. Auf diese Weise lassen sich zum
Beispiel für einen festen Betriebsstromwert insgesamt 18 Gruppen
definieren, denen die einzelnen Leuchtdiodenbauelemente
zugeordnet werden. Die Leuchtdiodenbauelemente innerhalb einer
solchen Gruppe zeigen bei Betrieb ein sehr ähnliches
Verhalten, so dass die Helligkeitsschwankungen zwischen
Leuchtdiodenbauelementen aus der gleichen Gruppe stark
eingeschränkt sind und sich eine relativ homogene
Helligkeitsverteilung zwischen den Leuchtdiodenbauelementen einer
Parallelschaltung ergibt.
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Allerdings erfordert die oben beschriebene Gruppierung der
Leuchtdiodenbauelemente nach Wellenlänge, Helligkeitsbereich
und Betriebsspannungsbereich einen großen logistischen
Aufwand bei der Lagerung und dem Vertrieb der
Leuchtdiodenbauelemente. Außerdem können durch diese herkömmliche Auswahl
die Helligkeitsunterschiede zwischen Leuchtdiodenbauelementen
einer Parallelschaltung nur eingeschränkt, nicht aber
definiert werden.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zum Gruppieren von Leuchtdiodenbauelementen für
Parallelschaltungsanordnungen anzugeben, das einen möglichst
geringen logistischen Aufwand bei Lagerung und Vertrieb der
Leuchtdiodenbauelemente erfordert und eine sehr homogene
Helligkeitsverteilung zwischen Leuchtdiodenbauelementen in einer
Parallelschaltung gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst. Merkmale von bevorzugten
Ausführungsformen und Verwendungen des Verfahrens sind in den
Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Bei dem Verfahren zur Auswahl von Leuchtdiodenbauelementen
aus einem verfügbaren Reservoir von Leuchtdiodenbauelementen
für eine Parallelschaltung mehrerer Leuchtdiodenbauelemente
eines einzigen Wellenlängenbereichs wird zunächst für alle
verfügbaren Leuchtdiodenbauelemente bei vorgegebener
Betriebsspannung die jeweilige Helligkeit und der jeweilige
Betriebsstrom ermittelt und werden für die Parallelschaltung
diejenigen Leuchtdiodenbauelemente ausgewählt, welche in
einem vorbestimmten gewünschten Helligkeitsbereich und in dem
Wellenlängenbereich liegen.
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Bei einer derartigen Spannungsgruppierung der
Leuchtdiodenbauelemente haben die unterschiedlichen Betriebsströme der
einzelnen Leuchtdiodenbauelemente keinen oder einen
vernachlässigbaren Einfluss auf die Helligkeitsverteilung zwischen
den Leuchtdiodenbauelementen der Parallelschaltung.
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Außerdem ist bei einer derartigen Gruppierung die Anzahl der
zu verwaltenden Leuchtdiodenbauelementgruppen reduziert, da
im Vergleich zu der herkömmlichen Vorgehensweise ein
Auswahlkriterium entfällt. Da weiter für die Parallelschaltung mit
derart ausgewählten Leuchtdiodenbauelementen anders als bei
den Schaltungen des Standes der Technik keine
Konstantstromquelle erforderlich ist verringert sich vorteilhafterweise
zudem der Schaltungsaufwand.
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Eine Schaltungsanordnung mit gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgewählten Leuchtdiodenbauelementen weist insbesondere
Leuchtdiodenbauelemente auf, die einerseits Licht in einem
vorgegebenen gemeinsamen Wellenlängenbereich emittieren und
zudem derart ausgewählt sind, dass sie bei einer fest
vorgegebenen Betriebsspannung in einem gemeinsamen
Helligkeitsbereich liegen.
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Bevorzugt findet das Gruppierungsverfahren gemäß der
Erfindung und die Schaltungsanordnung bei Leuchtdiodenbauelementen
mit Leuchtdiodenchips auf der Basis von InxGayAl1-x-yN mit
0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 oder InxGayAl1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und
x + y ≤ 1 Anwendung.
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Unter Leuchtdiodenchips auf der Basis von InxGayAl1-x-yN mit
0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 oder InxGayAl1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und
x + y ≤ 1 fallen sämtliche Leuchtdiodenchips, deren aktive
Schicht oder Schichtenfolge mindestens eine Schicht aus
InxGayAl1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 bzw. InxGayAl1-x-yP mit
0 ≤ x < 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 enthält.
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Die Helligkeiten und Wellenlängen derartiger
Leuchtdiodenchips hängen im Vergleich zu Leuchtdiodenchips auf der Basis
anderer Materialsysteme in besonderem Maße von der
Betriebsspannung ab.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass
gegenüber herkömmlichen Parallelschaltungsanordnungen von
Leuchtdioden, bei denen in jedem parallelen Strang ein
Vorwiderstand notwendig ist, der Schaltungsaufwand reduziert
werden kann. Es ist vorliegend nämlich nur ein Vorwiderstand in
Reihe zur Parallelschaltung der Leuchtdiodenbauelement
erforderlich.
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Weiterhin können vorteilhafterweise definierte
Helligkeitsunterschiede zwischen den parallelen Strängen der
Parallelschaltung eingestellt werden.
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Mit der Erfindung läßt sich beim Leuchtdiodenhersteller die
Anzahl der Leuchtdiodengruppen verringern, weil die
Spannungsgruppen wegfallen. Dadurch läßt sich der logistische
Aufwand sowohl beim Leuchtdiodenherstellen als auch beim
Leuchtdiodenanwender reduzieren.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung ergeben
sich aus dem folgenden in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3
erläuterten Ausführungsbeispiel. Darin zeigen:
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Fig. 1 ein prinzipielles Schaltbild einer
Parallelschaltung mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ausgewählten Leuchtdiodenbauelementen;
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Fig. 2 ein Uf-If-Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung
der Problematik bei der Auswahl geeigneter
Leuchtdiodenbauelemente und
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Fig. 3 ein lv-If-Diagramm zur Veranschaulichung des
erfindungsgemäßen Gruppierungsverfahrens.
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In Fig. 1 ist der grundsätzliche Schaltungsaufbau einer
Parallelschaltung mehrerer Leuchtdiodenbauelemente L1, L2, . . .,
Ln dargestellt. Die parallel geschalteten
Leuchtdiodenbauelemente sind in üblicher Weise über einen strombegrenzenden
Vorwiderstand R an einer Spannungsquelle Vcc angeschlossen.
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Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die
vorliegende Erfindung weder bezüglich der Anzahl der parallel
geschalteten Leuchtdiodenbauelemente noch der Art der
verwendeten Leuchtdiodenbauelemente eingeschränkt ist. Insbesondere
können Leuchtdiodenbauelemente beliebiger Materialsysteme und
beliebiger Fertigungstechniken (z. B.
Oberflächenmontagetechnik) eingesetzt werden. Bevorzugt eignet sich die Erfindung
aber für Leuchtdiodenbauelemente mit InxGayAl1-x-y
N-Leuchtdioden(LED)-Chips oder InxGayAl1-x-yP-Leuchtdioden(LED)-Chips.
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Um für die Leuchtdiodenbauelemente der in Fig. 1
dargestellten Parallelschaltung eine möglichst homogene
Helligkeitsverteilung zu erzielen, wird gemäß der Erfindung das folgende
Auswahlverfahren angewandt.
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Zunächst wird als erstes Auswahlkriterium der gewünschte
Wellenlängenbereich Δλ der Leuchtdiodenbauelemente festgelegt,
der im wesentlichen durch das Halbleitermaterial der
Leuchtdiodenbauelemente bestimmt wird. Anschließend wird bei einem
festgehaltenen Wert der Betriebsspannung Uf ein Helligkeits-
Betriebsstrom(lv-If)-Diagramm aller verfügbaren
Leuchtdiodenbauelemente ermittelt, wie es beispielhaft in Fig. 3 gezeigt
ist.
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Dann werden in diesem lv-Uf-Diagramm beispielsweise drei
Helligkeitsgruppen L, M und O mit vorgegebenen
Helligkeitsbereichen Δlv festgelegt. Für den Aufbau einer Parallelschaltung
mit homogener Helligkeitsverteilung zwischen den
Leuchtdiodenbauelementen werden dann ausschließlich
Leuchtdiodenbauelemente aus einer solchen Helligkeitsgruppe eingesetzt.
Wie verschiedene Versuche gezeigt haben, haben die
unterschiedlichen Betriebsströme If innerhalb einer solchen
Helligkeitsgruppe eine vernachlässigbare Auswirkung auf die
Homogenität der Helligkeitsverteilung.
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Für die Versuche wurden jeweils Leuchtdiodenbauelemente der
Bezeichnung LY L896 von OSRAM mit einer Wellenlänge von etwa
586 nm verwendet. Das lv-If-Diagramm von Fig. 3 wurde für
insgesamt 500 solcher Leuchtdiodenbauelemente bei einer
festen Betriebsspannung von Uf = 2 V ermittelt. Schließlich
wurden aus der mittleren Helligkeitsgruppe M
Leuchtdiodenbauelemente LY L896 min mit einem minimalen Betriebsstrom If von
etwa 8,40 mA und einer zugehörigen Lichtstärke von 28,2 mcd
(linke Markierung in Fig. 3) sowie Leuchtdiodenbauelemente
LY L896 max mit einem maximalen Betriebsstrom If von etwa
17,25 mA und einer zugehörigen Lichtstärke von etwa 45,3 mcd
(rechte Markierung in Fig. 3) für den Aufbau einer
Parallelschaltung aus insgesamt vier Leuchtdiodenbauelemente
ausgewählt. Für die Schaltung wurde eine 4 V-Gleichspannungsquelle
verwendet.
1. Schaltung
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In einer ersten Schaltungsanordnung mit einer
Parallelschaltung gemäß Fig. 1 wurden drei Leuchtdiodenbauelemente
LY L896 max und eine Leuchtdiode LY L896 min verwendet. Bei
einer 4 V-Spannungsquelle ergibt sich damit eine
Stromverteilung von jeweils 6,36 mA durch die Leuchtdiodenbauelemente
LY L896 max und von 3,67 mA durch die Leuchtdiode LY L896 min
sowie ein Gesamtstrom von etwa 22,75 mA.
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Für die Anordnung ergibt sich für die drei
Leuchtdiodenbauelemente LY L896 max eine Lichtstärke von etwa 16,8 mcd und
für die Leuchtdiode LY L896 min eine Lichtstärke von etwa
12,4 mcd. Dies ergibt einen absoluten Helligkeitsunterschied
von 4,4 mcd bzw. einen relativen Helligkeitsunterschied von
etwa 1,35 zwischen den Leuchtdiodenbauelementen der
Parallelschaltung.
2. Schaltung
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In einer zweiten Schaltungsanordnung wurden im Gegensatz zur
obigen ersten Schaltungsanordnung eine Leuchtdiode
LY L896 max und drei Leuchtdiodenbauelemente LY L896 min
verwendet. Dies ergibt bei einer 4 V-Spannungsquelle einen
Gesamtstrom von etwa 22,55 mA und eine Stromverteilung von
8,53 mA durch die Leuchtdiode LY L896 max und von jeweils
4,67 mA durch die Leuchtdiodenbauelemente LY L896 min.
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Für die Anordnung ergibt sich für die Leuchtdiode LY L896 max
eine Lichtstärke von etwa 22,3 mcd und für die drei
Leuchtdiodenbauelemente LY L896 min eine Lichtstärke von etwa
15,8 mcd. Dies ergibt einen relativen Helligkeitsunterschied
von etwa 1,4 zwischen den Leuchtdiodenbauelementen dieser
Parallelschaltung.
3. Schaltung
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Verwendet man stattdessen ausschließlich
Leuchtdiodenbauelemente eines Typs, d. h. entweder nur vier
Leuchtdiodenbauelemente LY L896 max oder nur vier Leuchtdiodenbauelemente
LY L896 min. so ergibt sich selbstverständlich ein relativer
Helligkeitsunterschied von 1.
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Hierbei resultieren vier Leuchtdiodenbauelemente LY L896 max
in einem Gesamtstrom von etwa 22,55 mA, einem Betriebsstrom
If durch die einzelnen Leuchtdiodenbauelemente von etwa
5,70 mA und einer Lichtstärke von jeweils etwa 15 mcd. Vier
Leuchtdiodenbauelemente LY L896 min ergeben dagegen einen
Gesamtstrom von etwa 22,39 mA, einen Betriebsstrom If durch die
einzelnen Leuchtdiodenbauelemente von etwa 5,6 mA und eine
Lichtstärke von jeweils etwa 18,8 mcd.
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Wie diese angegebenen Versuche zeigen, lässt sich mit der
oben beschriebenen Auswahl bzw. Gruppierung der
Leuchtdiodenbauelemente eine Parallelschaltung mehrerer
Leuchtdiodenbauelemente mit einer sehr homogenen Helligkeitsverteilung mit
definierten Helligkeitsunterschieden aufbauen. Dies ist zudem
vorteilhafterweise mit weniger Gruppen als bei herkömmlichen
Systemen möglich, da nur eine Wellenlängen-, eine Spannungs-
und eine Helligkeitsgruppierung erfolgt, was zu einem
wesentlich geringeren logistischen Aufwand bei der Lagerung und dem
Vertrieb der Leuchtdiodenbauelemente führt. Während
herkömmlicherweise zum Beispiel für jeden Wellenlängenbereich und
jeden festen Betriebsstromwert insgesamt 18 Gruppen definiert
werden mussten, genügen gemäß der vorliegenden Erfindung in
entsprechender Weise für jeden Wellenlängenbereich und jeden
festen Spannungswert vorteilhafterweise insgesamt nur sechs
Gruppen. Da im Gegensatz zu den Parallelschaltungen mit
herkömmlich ausgewählten Leuchtdiodenbauelementen aufgrund der
konstanten Spannungseinprägung vorliegend keine
Konstantstromquelle benötigt wird, reduziert sich vorteilhafterweise
der Schaltungsaufwand bei der Schaltungsanordnung gemäß der
Erfindung.