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Schaltungsanordnung für Anzeigefelder aus Anzeigegliedern mit Elektrolumineszenzzellen.
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-Die Priorität der Anmeldung Nr. 695 313, Gruppe 254, vom 26. Dez.
1967 in den Vereinigten Staaten von Amerika ist in Anspruch genommen.-Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung für Anzeigefelder aus Anzeigegliedern mit Elektrolumineszenzzellen,
die jeweils in Reihe mit einem ihnen zugeordneten nichtlinearen Widerstand liegen.
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Die bekannten Anzeigefelder aux Matrizen mit Elektrolumineszenzzellen,
bei denen nichtlineare Widerstände in Reihe mit jeder Elektrolumineszenzzelle liegen,
sind für mässige Anzeige-bzw. Abtastgeschwindigkeiten gut geeignet. Da die nichtlinearen
Widerstände beachtliche Werte haben können, braucht man für die Aufladung dermit
diesen Widerständen in Reihe geschalteten Elektrolumineszenzzellen eine entsprechend
lange Aufladezeit. Diese Aufladezeit ist jedoch für mit hohen Geschwindigkeiten
arbeitenden Anzeigefelder zu gross. Ausserdem sind die Werte der nichtlinearen Widerstände
im Aus- bzw. Sperr-Zustand verhältnismässig klein, so dass sich die geladene Elektrolumineszenzzelle
über den nichtlinearen Widerstand verhäktnismässig schnell entladen kann.
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In grossen Anzeigefeldern mit Elektrolumineszenzzellen in Natrixform
werden die Spalten und/oder Zeilen nacheinander periodisch abgetastet, und jede
Spalte bzw. Zeile kann nur während
eines kleinen Teils eines Abtastzyklus
betrieben werden. Bei spielsweise wird jede Spalte in einer tausendepaltigen Matrix
nur während der Dauer von 1°/oo der Abtastzykluadauer angesteuert. Bei derart kurzen
Ansteuerzeiten werden Jedoch kein optimaler Kontrast und keine optimale Helligkeit
erreicht.
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Es wäre erwünschter, die Elektrolumineszenzzelle einzuschalten, die
Ladung in der Elektrolumineszenzzelle für eine bestimmte Zeit zu speichern und dann
mit einem anderen Signal die Elektrolumineszenzzelle zu einem gewünschten Zeitpunkt
wieder auszuschalten. In dieser Weise könnten hohe Abtastgeschwindigkeiten errecht
werden, während die Elektrolumineszenzzellen einer hochfrequenten Erregungswechselspannung
unterliegan.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanoränung
der eingangs genannten bt; zu schaffen, die eine Ladung auf der Elektrolumineszenzzelle
zu speichern und dann diese Elektrolumineszenzzelle zu einem bestimmten Zeitpunkt
zu entladen gestattet und mit der ein langer ibtastzyklus für ausgewählte Elektrolumineszenzzellen
bei hoher Abtastgeschwindigkeit gebildet werden kann.
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Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass der nichtlineare
Widerstand als Diode (5) mit Durchbruchscharakteristik im Sperrgebiet ausgebildet
ist und dass Jede Reihenschaltung aus Elektrolumineszenzzelle (21) und Diode (5)
auf beiden Seiten mittels vorzugsweise elektronischen Schaltern (57,41) an Betriebsspannungaklemmen
mit solchen Potentialen (V,3V,0, -3V, 2V) anschaltbar ist, dass die Diode im Buhe-
und Sperrzustand des Anzeigegliedes gesperrt wird, während sie im Zündzustand des
Anzeigegliedes in Durchlassrichtung und im löschzustand des Anzeigegliedes in Sperrichtung
bis zur Druchbruchsspannung vorgespannt wird.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines Anzeigefeldes aus Anzeigegliedern
mit Elektrolumineszenzzellen in Form einer Matrix,
Fig. 2 Spannungsverläufe
an in Fig. 1 bezeichneten Punkten, Fig. 3 Spannungsverläufe in der Matrix nach Fig.
1, aufgrund der bestimmte Elektrolumineszenzzellen sun Aufleuchten gebracht werden,
Fig. 4 andere Eingangsimpulekombinetionen für den Betrieb eines Anzeigegliedes gemäss
der Erfindung und Fig. 5 Spannungsverläufe an bestimmten Elektrolumineszenzzellen
in einem grossen Anzeigefeld gemäss der Erfindung.
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In Fig.l ist ein Anzeigefeld aus Anzeigegliedern mit Elektrolumineszenzzellen
gemäss der Erfindung gezeigt, welches aus einer Matrix mit 4 Zeilen und 4 Spalten
aufgebaut ist.
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Die Matrix kann selbstverständlich auch andere Dimensionen aufweisen.
Die Zeilendrähte A,3,C und D sind an zugeordnete Schalter 37, 38, 39 und 40 angeschlossen.
Ein Kontaktstück jedes Schalters ist an eine erste klemme einer Betriebsspannungsquelle
angeschlossen. Diese erste Klemme hat einen Spannungswert V. Ein anderes Kontaktstück
jedes Schalters ist mit einer zweiten Klemme der Betriebsspannungsquelle verbunden.
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Diese zweite klemme hat einen Spannungswert 3V. Die zu den Zeilendrähten
orthogonal verlaufenden Spaltendrähte 1,2,3, und 4 sind an zugeordnete Schalter
41, 42, 43 und 4+ geführt.
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Ein Kontaktstück jedes Schalters 41 bis 44 fülirt Erdpotential.
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Ein weiteres Kontaktstück jedes dieser Schalter ist mit einer dritten
Klemme der Betriebsspannungsquelle verbunden. Diese dritte Klemme hat einen Spannungswert
2V. Ein weiteres Kontaktstückl jedes dieser Schalter istmit einer vierten Klemme
der Betriebsspannungsquelle verbunden. Diese vierte Klemme hat einen Spannungswert
-3Wr Die Schalter 57 bis 44 werden durch eine Steuereinrichtung 50 derart gesteuert,
dass sie für bestimmte Zeitabschnitte selektiv in gewünschte Schaltst wellungen
gebracht werden können Solche Steuereinrichtungen sind an sich bekannt und. brauchen
desllalb hier nicht näher erläutert zu werden. Am Kreuzungspunkt des Zeilendrahtes
A und des Spaltendrahtes 1 ist eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode 5 und einer
Elektrolumineszenzzelle 21 angeordnet. Am Krazungspunkt des Zeilendrahtes A und
des Spaltendrahtes 2 ist weiterhin eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode 9 und
einer Elektrolumineszenzzelle 22 angeordnet. In gleicher Weise liegen derartige
Reihenschaltungen an den anderen Kreuzungspunkten der Zeilendrähte 4 bis D und der
Spaltendrähte 1 bis 4.
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Die in Fig.l gezeigten mechanischen Schalter 37 bis 44 sind nur stellvertretend
für eine ganze Anzahl möglicher Ausführungen angegeben. Vorzugsweise können diese
Schalter als Halbleiterschaltstrecken
ausgebildet sein, die in
geeigneter Weise durch die Steuereinrichtung 50 steuerbar sind.. Ebenso sind die
Spannungswerte V, 2V, 3V und -3V abänderbar.
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Bie beste Arbeitsweise der matrix in Flg.l wird dann erreicht, wenn
die Zenerspannungen der Zenerdioden 5 bis 20 im wesentlichen gleich sind. Ist dies
nicht der Fall, so können sich ungleichmässige Schaltvorgänge ergeben, und es ergeben
sich dann unterschiedliche Helligkeitsgrade im Anzeigefeld. Die für das Anzeigefeld
erforderlichen Zenerdioden sind verfügbar, und deshalb bildet diese Forderung kein
Hindernis.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Zenerdioden hier nur stellvertretend
für eine Anzahl möglicher Ausführungsformen stehen.
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Jedes Schaltelement, welches eine sogenannte Durchbruchspannung aufweist,
kann in dem Anzeigefeld gemäss der Erfindung verwendet werden.
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Es werden nun die Arbeitsweise des Anzeigefeldes in Fig.l anhand der
Spannungsverläufe in Fig.2 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel mögen die
Zenerdioden alle eine Zenerspannung von etwa -3V haben.
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Um die Beschreibung der Arbeitsweise einfacher zu gestalten, wird
nur ein Anzeigeglied, welches aus den Kreuzungspunktelementen am Kreuzungspunkt
der Zeile A und der Spalte 1 ( Diode 5 und Elektrolumineszenzzelle 21) besteht,
betrachtet. Es sei angenommen, dass die Spannung am Zeilendraht A mittels des Schalters
37 auf einen Wert V und die Spannung am Spaltendraht 1 mittels des Schalters 41
auf den Wert O gehalten wird. Wenn der Sperrwiderstand der Zenerdiode wesentlich
kleiner. als der lieckwiderstand der Elektrolumineszenzzelle 21 ist, so wird im
Ruhezustand die Spannung am Schaltungspunkt 45, dem Verbindungspunkt der ElektrolumineszenzzellZe
21 und der Zenerdiode 5, etwa O Volt betragen, so dass an der Elektrolumineszenzzelle
21 die Spannung V abfällt. Wenn jedoch der Leckwiderstand der Elektrolumineszenzzelle
21 kleiner als der Sperrwiderstand der Zenerdiode 5 ist, dann wird der Schaltungspunkt
45 das Potential V aufweisen und dann wird an der Elektrolumineszenzzelle 21 fast
keine Spannung abfallen. In jedem Fall steigt aber die Spannung
am
Schültungspunkt 45 auf den Wert 2V, wenn die Steuereinrichtung 50 den Schalter 41
momentan in diejenige Schaltstellung bringt, in der die Spannung mit dem Wert 2V
auf den Spaltendraht 1 gelangt. Die Spannung an der Elektrolumineszenzelle 21 hat
dann den Wert V. Im Vergleich zum Ruhezustand hat die Zellenspannung jedoch umgekehrte
Polarität. Der Spannungsanstieg auf den Wert 2 V ist in den Fig.2k, 2B, 20 und 2D
zum Zeitpunkt t1 gezeigt. Der sogenannte Zündimpuls PD mit dem Wert 2V ( Fig. 23)
braucht nur kurzzeitig aagelegt werden und kann beendet werden, sobald die Spannung
als Schaltungspunkt 45 den Wert 2V erreicht. Die Dauer des Impulses PD kann beispielsweise
10 µs betragen. Die Ladung der Elektrolumineszenzzelle 21 wird erhalten bleiben,
weil die Zenerdiode 5 in Sperrichtung mit; einer Spannung unterhalb der Zenerspannung
bezufschlagt wird. Die Entladung der Elektrolumineszenzzelle 21 richtet sich allein
nach ihrem Leckwiderstand, der jedoch verhältnismässig gross ist. Wenn dem Spaltendraht
1 ein sogenannter Löschimpuls PC (Fig. 2B) mit dem Wert -3V zugeführt wird, dann
wird die Zenerdiode 5 in Sperrichtung mit einer Spannung oberhalb der Zenerspannung
beaufschlagt.
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Daher kann sich die Elektrolumineszenzzelle 21 schnell entladen, wobei
die Spannung am Schaltungspunkt 45 auf den Wert O zurückgeht und die Elektrolumineszenzzelle
21 schliesslich wieder auf den Spannungswert -V aufgeladen wird. Der Löschimpuls
PC mit dem Wert -3V braucht nur sehr kurz zu sein und soll nur die Entladung der
Elektroluminexzenzzelle 21 ermöglichen. Die Entladezeit hängt von der Impedanz der
Zenerdiode ab, die nach Überschreitung der Zenerspannung sehr niderohmig ist. Der
Löschimpuls PC mit dem Wert -3V ist in Fig.2 zum Zeitpunkt t2 gezeigt.
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Die Wirkungen der in Fig. 2A und 2B gezeigten Spannungen auf die übrigen
Kreuzungspunkte der Matrix werden nun erläutert.
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Wenn nur die Elektrolumineszenzzelle an demjenigen Ereuzungspunkt
aufleuchten soll, der die Zenerdiode 5 und die Elektrolumineszenzzelle 21 aufweist,
dann muss den Spaltendrähten 2,
3 und 4 Erdpotential und den Zeilendrähten,
die den nicht zu betätigenden Kreuzungspunkten zugeordnet und, zum Zeitpunkt t1
( in dem der positve Zündimpuls PD mit dem Wert 2V an den Spaltendraht 1 in Fig.
23 angelegt wird) ein sogenannter Sperrimpuls PS (Fig. 2E) mit dem Wert 3V zugeführt
werden. Das gleichzeitige Auftreten des Sperrimpulses und des Zündimpulses an beiden
Anschlüssen der Elektrolumineszenzzellen lässt den Spannungsabfall an den nicht
zubetätigenden Elektrolumineszenzzellen konstant bleiben, wenn die Matrix abgetastet
wird.
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Die Zuführung der Sperrimpulse P5 nach Fig. 2E zu den Spaltendrähten
B,C und D hat keine Wirkung auf die Elektrolumineszenzzellen, die mit den Zeilendrähten
3,0 und D verbunden sind, weil die mit diesen Elektrolumineszenzzellen verbundenen
Zenerdioden alle mit einer Sperrspannung unterhalb der Zenerspannung vorgespannt
sind. Diese Tatsache liegt darin begründet, dass der Sperrimpuls PS einen Wert aufweist,
der gleich oder kleiner als der Wert; der Zonerspannung ist. Wenn daher die Spannung
gemäss Fig.2A und die Impulse PD, PC und. PS gemäss den Fig. 2B und 2O der flatrix
zugeführt werden, dann leuchtet die Elektrolumineszenzzelle 21 auf, währand die
Elektrolumineszenzzellen 22, 23 und 24 gelöscht bleiben, weil an ihnen keine Spannungsabfalländerungen
auftreten. Die Elektro lumines -zenzzelen 25, Z3 und 23 bleiben ebenfalls gelöscht,
weil die Spannungsänderung an beiden Seiten dieser Zellen mit derselben Amplitude
erfolgt und die Spannungsabfälle an diesen Elektrolumineszenzzellen daher konstant
bleiben. Schliesslich bleiben die Elektrolumineszenzzellen 26 bis 28, 30 bis 32
und 34 bis 36 ebenfalls gelöscht, weil die zugeordneten Zenerdioden während der
Zuführung des Sperrimpulses PS eine Vorspannung in Sperrrichtung erhalten, die unterhalb
der Zenerspannung liegt. Diese Zenerdioden arbeiten in diesem Fall lediglich als
Enikopplungsdioden, damit eine änderung der Spannung an den Elektrolumineszenzzellen
26 bis 28, 30 bis 32 und 34 bis 36 verhindert wird.
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Wenn andererseits die Elektrolumineszenzzellen aufleuchten sollen,
dann muss Erdpotential den Spaltendrähten 21 und 29 2,3 und 4 zugeführt
werden
und dann müssen die in den Fig. 3Ä. 33 und 3 a dargestellten Spannungen an die in
diesen Figuren bezeichneten Zeilendrähte und Spaltendrähte angelegt werden. In diesem
Fall werden die Sperrimpulse PS gemäss Fig. 30 nur den Zeilendrähten B und D zugeführt,
während eine konstante Spannung mit dem Wert V den Zeilendrähten A und O and Zündimpulse
PD dem Spaltendraht 1 zugeführt werden. Die Werte der Spannungen an verschiedenen
Punkten im Anzeigefeld können leicht in analoger Weise wie bei.
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der Fig. 1 und 2 abgeleitet werden. Da nur wenige es zur Ladung jeder
Elektrolumineszenzzelle erforderlich sind, braucht die Dauer eines Zündimpulses
Pd nur etwa 5 bi.s 10 fts betragen. Wie schon erwähnt, liegt dies darin begründet,
dass das Laden der Elektrolumineszenzzellen über eine einzelne durchgeschaltete
Diode erfolgt. Da eine Zenerdiode benutzt wird, bleibt eine ;1ektro1umineszenzze1le
solange geladen, solange die Spannung an der Zenerdiode in Sperrichtung unterhalb
der Zenerspannung bleibt. Zu jeder beliebigen Zeit kann die Ladung aller Elektrolumineszenzzellen
einer vorgegebenen Spalte dadurch abgebaut werden , dass ihre Vorspannungen auf
den Wert -V ( d.h.
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Wert V auf der Zeilenseite und Wert 0 auf der Spaltenseite der Elektrolumineszenzzelle)
gebracht werden, indem dem betreffenden Spaltendraht ein negatives Potential kurzzeitig
zugeführt wird, welches wertmässig der Zenerspannung der Zenerdioden ent;-spricht.
Diesec Impuls wird durch den Löschimpuls mit dem Wert -3V gebildet, der zum Zeitpunkt
t2 gemäss den Fig. 23 und 313 auftritt. Während des Auftretens des Löschimpulses
wird die betreffende Elektrolumineszenzzelle über den niedrigen Widerstand der in
Sperrichtung vorgespannten Zenerdiode entladen.
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Aus dem Vorstehenden folgt, dass viele unterschiedliche Kombinationen
aus Zünd-, Sperr- und Löschimpulsen in einem Anzeigefeld gemäss der Erfindung benutzt
werden können. Beispielsweise würde der Betrieb des Anzeigefeldes nicht dadurch
gestört werden, dass an allen Eingäpgen irgendwelche Spannungen überlagert sind
oder dass einige der Löschimpulse den Zeilendrähten zugeführt werden, anstatt sie
den Spaltendrähten zuzuführen.
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In Fig.4 sind drei verschiedene Kombinationen aus Zünd-, Lö sch- und
Sperrimpulsen dargestellt, die die entsprechenden Zeilendrähten und Spaltendrähten
zugeleitet werden können.
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Die in Fig.4A gezeigte Kombinat:Lon von Signalen entspricht der Fig.l.
Die in Fig. 4B gezeigte Kombination setzt sich aus lauter negativen Impulsen zusammen,
und bei der in Fig.
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4C dargestollten Kombination werden nur positvie Impulse benutzt.
Aufgrund der Beschreibung der Fig. 1 und 2 lassen sich die Spannungsverhältnisse
in der Matrix gemäss Fig. 1 beimVorliegen der genannten Kombinationen leicht erkennen.
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In einem typischen Anzeigefeld mit 1000 Zeilendrähten und 1000 Spaltendrähten,
106 Elektrolumineszenzzellen und 106 Zenerdioden, sind die Zenerdioden derart ausgewählt,
dass sie einerZenerspannung von 1000 Volt haben. Die Zündimpulse können beispielsweise
5 µs lang sein, und alle 10 /tzs kann eine neue Spalte angesteuert werden. Es sollte
eine geeignete Kombination aus Zünd-, Sperr- und Löschimpulsen zur Ladung der gewünschten
Elektrolumineszenzzellen benützt werden.
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5 ms nach Ansteuerung einer Spalte ( d.h. die halbe Zyklusdauer später)
kann die Spalte während der 5 µs langen inaktiven Periode zwischen den Zündimplsen
zweier benachbarter Spalten gelöscht werden. Diese - den Zeilendrähten und Spaltendrähten
zugeführten Spannungen können wie in den Fig. , 2B und 2E aussehen, in denen die
Spannung V etwa 333 Volt beträgt. In so einem Fall verlaufen die Spannungen an den
Blektrolumineszenzzellen in typischen Spalten, wie es in Fig.5 gezeigt ist. Die
jeder typischen Spalte zugeführte Spannung hat einen Verlauf, wie er in Fig. 2B
gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass die Spalten zur Abtastung des Anzeigefeldes
nacheinander mit Impulsen abgetastet werden. Wenn eine konstante Spannung mit dem
Wert V allen Zeilen während der Abtastung zugeführt wird, dann verhalten sich die
Spannungen an jeder Elektrolumineszenzzelle in den gezündeten Spalten so, wie es
in den Fig.5A-5C dargestellt ist. Diese Figuren zeigen den Spannungsverlauf an den
Elektrolumineszenzzellen in den Spalten
1, 300 und 700. Welche
Spannungen an anderen Zellen im Anzeigefeld auftreten, hängt von den den zugeordneten
Zeilen und Spalten zugeführten Signalen ab.
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Es sei nochmaLs daraufhingewiesen, dass die Spannung an einer gezündeten
Elektrolumineszenzzelle in einer Schaltungsanord nung gemäss der Erfindung eine
Recheckform aufweist. Diese Art der Speisung einer Zelle sorgt für die grösste Helligkeit
bei einer vorgegebenen Frequenz und bei einer vorgegebenen Betruiebsspannung. Die
wirksame Aktivdauer jeder Elektrolumineszenzzelle in der oben beschriebenen 1000
-spaltigen und 1000-zeiligen Matrix beträgt 100 %, obgleich die zu jeder einzelnen
Elektrolumineszenzzelle übertragene Information nur 0,5 0/00 der ZykLusdauer in
Anspruch nimmt. Bei dem obenga:-nannten typischen Beispiel steuern 2000 Schalter
oder elektronische Torschaltungen 10 6 Elektro lumines z enz zell en während solcher
Zyklen, die relativ lang sind. Ein solches Anzeigefeld eignet sich beispielsweise
für das Schwarz-Weiss- oder Farbfernsehen.
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Im Folgenden sind einige Vorteile des Anzeigefeldes gemäss der Erfindung
gegenüber bekannten Anzeigefeldern aufgeführt: 1. Pro Anzeigeglied wird nur ausser
der Elektrolumineszenzzelle ein einziges Schaltelement, nämlich eine Schwellwertdiode,
beispielsweise eine Zenerdiode, benötigt. Diese Dioden sind verhältnismässig preiswerte
elektronische Schaltelemente und sind bereits in grossen Matrizen gefertigt worden.
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2. Eine Hochspannungs-Zenerdiode kann mit einer Gesamtkapazität von
wenige i 72 pF hergestellt werden. Da diese Kapazität das Kontrastverhältnis und
den Stromverbrauch des Anzeigefeldes bestimmt, kann solch ein Bauelement mit solcher
niedrigen Kapazität vorteilhaft verwendet werden.
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3. Die grösste Lebensdauer bei einem vorgegebenen Lichtstrom wird
durch den Betrieb der Elektrolumineszenzzelle mit einer rechteckförmigen Spannung
erreicht, und für jede vorgegebene Zündspannungsamplitude und -Frequenz wird der
grösste Lichtstrom erreicht, wenn die Elektrolumineszenzzelle mit einer
rechteckförmigen
Spannung betrieben wird. Da für jede Zelle ein-reigener Entladeweg vorgesehen ist,
ergeben Dioden mit grossen Sperrwiderständen und Elektrolumineszenzzellen mit grossen
Leckwiderständen die günstigsten Ergebnisse.
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4. Die optische Informationsspeicherung erfolgt mittels kurzzeitigen
Zünd- und Löschimpulsen. Die Impulsinformationen werden für eine bestimmte Zeitdauer
in der Elektrolumin@@ zenzzelle gespeichert, wobei die Speicherdauer von den inneren
Widerständen der Diode oder der Elektrolumineszenzzelle abhängt. Daher wird nicht
nur infolge der Rechteckform der Spannung ein grösserer Licht strom, sondern auch
ein gleichmässigerer Lichtstrom erreicht, der nicht durch Änderungen der Speicherzeit
der zugeführten Impulse gesürt wird. Das kommt daher, dass für jede vorgegebene
Wiederholungsfrequenz ( innerhalb bestimmter Grenzen) eine rechteckförmige Spannung
mit derselben Frequenz im wesentlichen denselben Lichtstron ergibt. Wenn beispielsweise
eine Sägezahnsp annung mit einer veränderlichen Wiederholungsfrequenz beutzt wird,
dann wird die der Elektrolumineszenzzelle zugeführte durchschnittliche Spannung
sich ebenso ändern, weil die Verzögerungs- oder Ladezeit bei der Sägezahnspannung
für alle Eli ederholungsSrequenzen als konstant angenommen werden kann.
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Ein Nachteil des beschriebenen Anzeigefeldes ist, dass die Schwell
wertidioden nur geringfügige Abweichungen von der Nenndurchbruch-Spannung haben
dürfen. Wenn die Schwellwertdioden jedoch in grösseren Mengen bezogen werden, dann
dürfte dieser Nachteil als Mehrkostenfaktor wenig in Erscheinung treten.
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13 Patentansprüche, 5 31. Zeichnungen.