DE10357776B4

DE10357776B4 - Steueranordnung mit Leuchtdioden

Info

Publication number: DE10357776B4
Application number: DE10357776A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Pauritsch
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: DE10357776A1

Abstract

Steueranordnung mit Leuchtdioden, aufweisend
– eine erste Leuchtdiode (1) und einen ersten Schalter (3), der mit der ersten Leuchtdiode (1) zu deren Ein- und Ausschalten verbunden ist,
– einen Sigma-Delta-Modulator (4) mit einem Eingang zum Zuführen eines Steuersignals (DATA) und mit einem Ausgang, der mit einem Steuereingang des ersten Schalters (3) verbunden ist,
– eine weitere Leuchtdiode (11) und einen weiteren Schalter (31), der mit der weiteren Leuchtdiode (11) zu deren Ein- und Ausschalten verbunden ist,
– ein Verzögerungsglied (47), das den Ausgang des Sigma-Delta-Modulators (4) mit einem Steuereingang des weiteren Schalters (31) verbindet,
– wobei die Ansteuerung des weiteren Schalters (31) gegenüber der Ansteuerung des ersten Schalters (11) verzögert erfolgt, und
– wobei das Verzögerungsglied (47) eine Verzögerungszeit hat, die einer Taktperiode des Wandlertakts (CLK) des Sigma-Delta-Modulators (4) entspricht.

Description

Leuchtdioden werden auch als Lumineszenzdioden oder LED, Light-Emitting Diode, bezeichnet. Solche LED können in integrierten Fertigungsverfahren hergestellt werden und zeichnen sich unter anderem dadurch aus, daß eine verhältnismäßig große Lichtausbeute mit hohem Wirkungsgrad und bei geringen Abmessungen möglich ist.
LED stehen als Leuchtdioden zur Verfügung, die Licht im sichtbaren Bereich emittieren, aber auch als Leuchtdioden im Infrarotbereich oder anderen nicht sichtbaren Frequenzbereichen.
Es kann wünschenswert sein, die Helligkeit einer LED zu steuern. Dies könnte beispielsweise dadurch erzielt werden, daß die Höhe des Stroms durch die Leuchtdiode beeinflußt wird. Dadurch könnte jedoch, insbesondere bei farbigen Leuchtdioden, die Farbinformation der LED oder allgemeiner die Frequenz der emittierten Strahlung verfälscht werden.

In dem Dokument US 2002/0118304 A1 ist ein System zum digitalen Ansteuern einer adressierbaren Pixel-Matrix gezeigt. Ein Steuerdatenstrom wird dabei mittels Delta-Sigma-Modulator erzeugt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steueranordnung mit Leuchtdiode anzugeben, mit der die Helligkeit der Leuchtdiode unter Beibehaltung der Farbinformation gesteuert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Steueranordnung mit Leuchtdioden, aufweisend die Merkmale des geltenden Patentanspruchs 1.

Mit der vorgeschlagenen Steueranordnung mit Leuchtdioden ist es möglich, die Helligkeit der Leuchtdiode zu steuern.

Die Steuerung der Helligkeit erfolgt gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip durch den Sigma-Delta-Modulator. Der Sigma-Delta-Modulator wandelt ein eingangsseitig anliegendes Steuersignal in eine Bitfolge um. Die Bitfolge entspricht im zeitlichen Mittel dem eingangsseitig am Modulator anliegenden Steuersignal und folgt diesem.

Der Sigma-Delta-Modulator ist bevorzugt zum Abgeben eines binären Digitalsignals ausgelegt. Das Digitalsignal am Ausgang des Sigma-Delta-Modulators kann beispielsweise zwischen den logischen Werten 0 und 1 oder zwischen den Werten 1 und –1 umschaltbar sein. Im zeitlichen Mittel ergibt sich ein gebrochen-rationales Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators.

Weiter bevorzugt ist der Sigma-Delta-Modulator so ausgelegt, daß sein Eingang zum Zuführen eines n Bit breiten Datenwortes ausgelegt ist. Demnach arbeitet der Sigma-Delta-Modulator auch als eine Art Parallel/Seriell-Wandler, wobei das serielle Ausgangssignal nur im zeitlichen Mittel dem Eingangssignal entspricht.

Bei einem n Bit breiten, binären Eingang des Sigma-Delta-Modulators stellt dieser das Signal am Ausgang bevorzugt mit einem zeitlichen Mittelwert CO_Mittel bereit, der der Vorschrift genügt:

Data repräsentiert dabei ein am Eingang des Sigma-Delta-Modulators anliegendes Steuersignal, das Werte aus einem Intervall von 0 bis 2ⁿ – 1 annehmen kann.

Der Sigma-Delta-Modulator ist bevorzugt mit einem n-Bit-Akkumulator in digitaler Schaltungstechnik ausgebildet. Der n-Bit-Akkumulator hat bevorzugt einen Ausgangsanschluß und einen weiteren Anschluß, an dem ein sogenanntes Carry-Out-Bit, also ein Übertrag, bereitgestellt wird. Dieses Bit wird auch als CO-Bit oder CO-Signal bezeichnet. Der Übertrag repräsentiert das n Bit breite Eingangswort des Sigma-Delta-Modulators als Durchschnittswert jeweils bezogen auf eine Zeitbasis. Die Zeitbasis entspricht einer Anzahl von 2ⁿ Taktperioden. Als Takt ist dabei die Taktfrequenz verstanden, mit der der Sigma-Delta-Modulator betrieben und gespeist wird.

Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip werden von dem einen Sigma-Delta-Modulator zwei oder mehr Leuchtdioden angesteuert. Die zweite Leuchtdiode ist ebenfalls mit einem zweiten Schalter gekoppelt, mit dem die zweite Leuchtdiode ein- und ausschaltbar ist. Der zweite Schalter hat ebenfalls einen Steuereingang, der mit dem Ausgang des Sigma-Delta-Modulators gekoppelt ist.

Zur Kopplung des Ausgangs des Sigma-Delta-Modulators mit dem Steuereingang des zweiten Schalters ist ein Verzögerungsglied vorgesehen. Dadurch wird der zweite Schalter gegenüber dem ersten Schalter jeweils verzögert angesteuert, also verzögert ein- und ausgeschaltet.

Die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes ist so eingestellt, daß sie gerade einer Taktperiode des Takts des Sigma-Delta-Wandlers entspricht. Dadurch ist es möglich, den Stromverbrauch der Gesamtanordnung umfassend beide Leuchtdioden zu verbessern.

Bei Kombination der Ansteuerung eines Schalters mit einem Verzögerungsglied mit der Ausführung des Sigma-Delta-Modulators als Akkumulator, dessen Ausgang den Übertrags-Ausgang bildet, ist es vorteilhaft, das Signal an diesem Übertrags-Ausgangsanschluß gerade um eine Taktperiode des Takts des n-Bit-Akkumulators zu verzögern.

Der n-Bit-Akkumulator hat bevorzugt einen Rückführungszweig, der über ein weiteres Verzögerungsglied an einen Eingang des Akkumulators angeschlossen ist, während der andere Eingang des Akkumulators zur Zuführung des Steuersignals dient.

Der Schalter und die Leuchtdiode sind bevorzugt in einer Serienschaltung miteinander verschaltet. Dabei kann der Schalter entweder anodenseitig oder kathodenseitig in den Versorgungskreis der Leuchtdiode geschaltet sein.

Die Leuchtdiode ist bevorzugt ein Licht emittierendes Halbleiterbauteil. Dies kann eine Lumineszenzdiode oder ein anderes, Licht emittierendes Halbleiterbauteil sein.

Die Leuchtdiode ist bevorzugt eine farbige Leuchtdiode, das heißt eine LED, Light-Emitting Diode, welche geeignet ist zum Abgeben von Licht einer bestimmten Farbtemperatur.

Die festgelegte oder vorbestimmte Farbtemperatur der Leuchtdiode wird mit Vorteil nicht durch die vorgeschlagene Ansteu erung der Helligkeit der Leuchtdiode mittels Sigma-Delta-Prinzip beeinträchtigt oder verändert.

Selbstverständlich ist das vorgeschlagene Prinzip zur Steuerung der Helligkeit einer Leuchtdiode auch bei monochromen LEDs mit Vorteil anwendbar.

Die Steueranordnung mit Leuchtdiode ist bevorzugt in integrierter Schaltungstechnik ausgebildet.

Nachfolgend wird das vorgeschlagene Prinzip an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Steueranordnung mit Leuchtdiode anhand eines Blockschaltbilds,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Steueranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand eines Schaltplans,
3 anhand des Zeitverlaufs einen Vergleich der Steuersignale zur Ansteuerung des Schalters und
4 anhand von Schaubildern einen Vergleich des Stromverbrauchs der Leuchtdiode über der Zeit.
1 zeigt eine Steueranordnung mit einer Leuchtdiode 1. Die Leuchtdiode 1 ist als LED, Light-Emitting Diode oder Lumineszenzdiode ausgebildet. Der Anodenanschluß der LED 1 ist mit einer Stromquelle 2 verbunden. An den Kathodenanschluß der LED 1 ist eine gesteuerte Strecke eines Schalters 3 mit einem Anschluß angeschlossen. Der weitere Anschluß der gesteuerten Strecke des Schalters 3 ist mit einem weiteren Anschluß der Stromquelle 2 verbunden. Die Stromquelle 2 kann auch als Spannungsquelle mit Vorwiderstand ausgeführt sein. Der Schalter 3 hat weiterhin einen Steuereingang, der mit dem Ausgang eines Sigma-Delta-Modulators 4 verbunden ist. Dem Sigma-Delta-Modulator 4 ist an seinem Eingang ein Steuersignal zuführbar. Das Steuersignal ist ein Maß für die gewünschte Helligkeit der LED 1.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip erfolgt die binäre Ansteuerung des Schalters 3 mit einem gemäß Sigma-Delta Prinzip modulierten Signal. Demnach wird einem gewünschten Soll-Wert der Helligkeit der LED 1 eine Bitfolge zugeordnet, die binär codiert ist, und die im zeitlichen Mittel einen gebrochenrationalen Wert ergibt, der dem Wert des Steuersignals entspricht. Die Betriebsfrequenz des Sigma-Delta-Modulators ist dabei verhältnismäßig hoch und an einem Takteingang CLK des Sigma-Delta-Wandlers 4 zuführbar.
Demnach wird die Helligkeit der LED 1 durch einen Bitstrom oder eine Bitfolge gesteuert, deren Pulsdichte moduliert wird.
Wie vorgeschlagen wird mit dem Bitstrom, den der Sigma-Delta-Wandler 4 an seinem Ausgang bereitstellt, der Strom durch die Leuchtdiode 1 in schneller Folge ein- und ausgeschaltet. Dadurch kann die Helligkeit der Leuchtdiode 1 ohne Beeinflussung oder Veränderung der Farbinformation der Leuchtdiode 1 gesteuert werden. Insbesondere ändert sich dabei nicht die Farbtemperatur der Leuchtdiode 1.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips. Der Sigma-Delta-Modulator 4 ist bei 2 mit einem n-Bit-Akkumulator 41 aufgebaut. Der n-Bit-Akkumulator 41 hat einen ersten Eingang 42, einen zweiten Eingang 43 und einen Ausgang 44. Die Ein- und Ausgänge des n-Bit-Akkumulators 42, 43, 44 sind jeweils mehrere Bit breit. Der Eingang 42 hat eine Breite von n Bit. Der Ausgang 44 ist über ein Verzögerungsglied 45 mit dem Eingang 43 verbunden. Das Verzögerungsglied 45 hat einen Takteingang, dem der Takt CLK des Sigma-Delta-Modulators zuführbar ist. Der Schalter 3 zur Steuerung der Helligkeit der Leuchtdiode 1 ist wie bei 1 mit dem Sigma-Delta-Modulator 4 und der Leuchtdiode 1 verschaltet. Die Stromquelle 2 ist bei der Schaltung von 2 ebenfalls wie bei 1 mit der Serienschaltung von LED 1 und Schalter 3 verbunden, jedoch vorliegend als Treiberschaltung 21 ausgeführt. Der Steuereingang des Schalters 3 ist nicht mit dem eigentlichen Ausgang 44 des Akkumulators verbunden, sondern vielmehr mit dem Übertragsausgang 46 des Akkumulators 41. Am Ausgang 46 wird das Übertragsbit CO, Carry-Output, bereitgestellt. Dieses Übertragsbit repräsentiert das am Eingang 42 anliegende, n Bit breite Eingangsdatenwort als gebrochen-rationalen Mittelwert bezogen auf eine Anzahl 2ⁿ Taktzyklen des Takts CLK.
Am Ausgang 46 ist der Steuereingang eines weiteren Schalters 31 angekoppelt. Es ist ein weiteres Verzögerungsglied 47 vorgesehen, dessen Eingang mit dem Ausgang 46 und dessen Ausgang mit dem Steuereingang des weiteren Schalters 31 verbunden ist. Ein Takteingang des Verzögerungsglieds 47 ist ebenfalls zur Zuführung des Wandlertakts CLK ausgelegt. In Serie mit dem Schalter 31 ist eine weitere Leuchtdiode 11 verschaltet. Die Serienschaltung umfassend weitere Leuchtdiode 11 und wei teren Schalter 31 ist ebenfalls an die Treiberschaltung 21 angeschlossen.
Dadurch, daß der weitere Schalter 31 bezüglich des Schalters 3 verzögert angesteuert wird, ergibt sich eine homogenere Stromverteilung der Dioden 1, 11 und ein gleichmäßigerer Stromverbrauch der gesamten Anordnung.
Das Signal CO am Ausgang 46 hat gemäß dem vorgeschlagenen Beispiel einen Durchschnittswert CO_Mittel, der sich nach der Formel berechnet
Dabei repräsentiert DATA ein digitales Wort der Breite n, welches einen beliebigen binär codierten Wert zwischen 0 und 2ⁿ – 1 annehmen kann und am Eingang 42 zugeführt wird.
3 zeigt in der oberen Bildhälfte den Signalverlauf eines Sigma-Delta-modulierten Signals über der Zeit. Im vorliegenden Beispiel ist eine Modulation von 60 % gewählt. Das bedeutet, daß das Steuersignal DATA am Eingang 42 einen normierten Wert von 0,6 hat. Das modulierte Signal CO hat demnach im zeitlichen Mittelwert ebenfalls den Wert 0,6 entsprechend 60%.
Zum Vergleich wurde in der unteren Bildhälfte von 3 ein pulsweitenmoduliertes Signal, PWM-Signal, mit einer Modulation von ebenfalls 60% eingezeichnet. Bei pulsweitenmodulierten Signalen entspricht dies einem Tastverhältnis von 0,6. Das bedeutet, daß das Zeitintervall des High-Pegels bezogen auf die gesamte Periodendauer 0,6 beträgt.
Es ist deutlich erkennbar, daß bei einem Sigma-Delta-Prinzip das Ausgangssignal mit deutlich höherer Frequenz umschaltet als das PWM-Signal. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die Signalenergie des Sigma-Delta-modulierten Signals über einen signifikant breiteren Frequenzbereich verteilt wird als bei dem PWM-Signal. Dies wiederum führt dazu, daß bei dem Sigma-Delta-modulierten Signal die Spitzenwerte der einzelnen Spektralkomponenten sehr viel geringer sind als bei dem PWM-Signal. Dadurch werden elektromagnetische Wechselwirkungen deutlich reduziert und die elektromagnetische Verträglichkeit deutlich erhöht.
4 zeigt in der oberen Bildhälfte den Stromverbrauch I der beiden LEDs 1, 11 von 2 über der Zeit t aufgetragen. Wenn zwei LEDs mit dem vorgeschlagenen Sigma-Delta-Modulationsprinzip angesteuert werden, ist gemäß 2 eine Verzögerungszeit von einer Wandler-Taktperiode des Takts CLK zwischen beiden Steuersignalen vorgesehen. Dies führt dazu, daß der gesamte LED-Stromverbrauch viel kleinere Stromspitzen hat, wie in der oberen Bildhälfte gezeigt. Zudem treten die Spitzen im Stromverbrauch mit höherer Frequenz auf im Vergleich zu dem in der unteren Bildhälfte von 4 dargestellten Prinzip der Ansteuerung von LEDs mit pulsweitenmoduliertem Signal. Dies führt dazu, daß bei dem vorgeschlagenen Prinzip das Bedürfnis nach großen Kapazitäten in der LED-Stromversorgung deutlich geringer ist.
Alternativ zu den gezeigten Ausführungsformen liegt es im Rahmen der Erfindung, auch eine andere Anzahl als die gezeigten ein oder zwei Leuchtdioden anzusteuern.
Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, mehrere Leuchtdioden mit einem gemeinsamen Schalter oder Gruppen von Leuchtdioden mit Gruppen von Schaltern oder mit einzelnen Schaltern ein- und auszuschalten.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, den Steuereingang des Sigma-Delta-Wandlers nicht als digitalen Steuereingang auszubilden, sondern zur Zuführung eines Analogsignals, wobei der Sigma-Delta-Modulator als Sigma-Delta Analog/Digital-Wandler ausgeführt sein kann.
Der oder die Schalter 3, 31 können anstelle der Kathodenseite auch auf der Anodenseite oder auch anoden- und kathodenseitig an der oder den LEDs 1, 11 angeordnet sein.
Die Anordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist mit Vorteil vollständig in integrierter Schaltungstechnik und auf einem einzigen Chip realisierbar.

Claims

Steueranordnung mit Leuchtdioden, aufweisend – eine erste Leuchtdiode (1) und einen ersten Schalter (3), der mit der ersten Leuchtdiode (1) zu deren Ein- und Ausschalten verbunden ist, – einen Sigma-Delta-Modulator (4) mit einem Eingang zum Zuführen eines Steuersignals (DATA) und mit einem Ausgang, der mit einem Steuereingang des ersten Schalters (3) verbunden ist, – eine weitere Leuchtdiode (11) und einen weiteren Schalter (31), der mit der weiteren Leuchtdiode (11) zu deren Ein- und Ausschalten verbunden ist, – ein Verzögerungsglied (47), das den Ausgang des Sigma-Delta-Modulators (4) mit einem Steuereingang des weiteren Schalters (31) verbindet, – wobei die Ansteuerung des weiteren Schalters (31) gegenüber der Ansteuerung des ersten Schalters (11) verzögert erfolgt, und – wobei das Verzögerungsglied (47) eine Verzögerungszeit hat, die einer Taktperiode des Wandlertakts (CLK) des Sigma-Delta-Modulators (4) entspricht.
Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sigma-Delta-Modulator (4) zum Abgeben eines binären Digitalsignals (CO) ausgelegt ist.
Steueranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sigma-Delta-Modulator (4) zum Abgeben eines Signals (CO) ausgelegt ist, dessen zeitlicher Mittelwert einem am Eingang des Sigma-Delta-Modulators (4) anliegenden Steuersignal (DATA) folgt.
Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sigma-Delta-Modulator (4) an seinem Ausgang ein Signal (CO) mit einem zeitlichen Mittelwert CO_mittel gemäß der Vorschrift
bereitstellt, wobei Data ein am Eingang des Sigma-Delta-Modulators anliegendes Steuersignal (DATA) repräsentiert, das Werte aus einem Intervall von 0 bis 2ⁿ – 1 annehmen kann.
Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sigma-Delta-Modulator (4) einen n-bit-Akkumulator (41) umfaßt, dessen Übertrags-Ausgang (46) den Ausgang des Sigma-Delta-Modulators (4) bildet.
Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (3, 31) und die Leuchtdiode (1, 11) in einer Serienschaltung miteinander verschaltet sind.
Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (1, 11) eine farbige Leuchtdiode ist.
Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung mit Leuchtdioden (1, 3, 4, 11, 21, 31) in integrierter Schaltungstechnik ausgebildet ist.