DE19954911A1

DE19954911A1 - Anordnung zur Ansteuerung von LEDs

Info

Publication number: DE19954911A1
Application number: DE19954911A
Authority: DE
Inventors: Christian Heite
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-05-17
Also published as: EP1102520A3; EP1102520A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine stromsparende Anordnung zur Ansteuerung einer Anzahl n von lichtemittierenden Dioden LED (L1 bis Ln). Bei dieser Anordnung sind in abwechselnder Folge jeweils eine LED (L1, L2...Ln) und ein nachgeschalteter Strombegrenzungswiderstand (R/n) in einer Reihenschaltung angeordnet, und die jeweils einem Strombegrenzungswiderstand (R/n) folgenden Knotenpunkte (K1 bis Kn) der Reihenschaltung sind jeweils mit einem Portausgang (P1 bis Pn) einer Ansteuervorrichtung (A) verbunden. Die Portausgänge (P1 bis Pn) der Ansteuervorrichtung (A) sind wahlweise in einen der Zustände (Z(P¶i¶)): hochohmiger Zustand (H), getakteter Ausgang (T, T*), Versorgungsspannung (1 = V¶DD¶) oder Masse (0 = GND) schaltbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur voneinander unabhängigen An steuerung einer Anzahl n von lichtemittierenden Dioden (LEDs).

In Anzeigeeinrichtungen eingesetzte LEDs benötigen für eine gut sichtbare Indika tion einen Strom zwischen ca. 1 mA und 50 mA bei einer Flußspannung von 1,5 . . . 2 V. Werden mehrere solcher LED-Anzeigeelemente benötigt, z. B. zur Realisierung einer Bargraph-Anzeige, muß ein entsprechend groß dimensioniertes Netzteil vorgesehen werden. Batteriebetrieb scheidet oftmals wegen der hohen Stromaufnahme der An zeigeeinrichtung aus.

Nachfolgend ist der Stand der Technik am Beispiel des in Fig. 4 gezeigten integrier ten Dot/Bar-Display Treibers LM3914/LM3915 von National Semiconductor erläu tert.

Die LEDs L1 bis L10 der bekannten Schaltungsanordnung sind parallel angeordnet. Bei einer Beschaltung der Anordnung als Bargraph (Balkenanzeige) steigt der benö tigte Strom proportional zur Anzahl der aktivierten LEDs:

I_ges = nI_LED

Bekannte Maßnahmen zum Erreichen eines stromsparenden Betriebs sind:

- Betrieb der Ansteuerschaltung als Dot-Display (nur jeweils eine LED ist akti viert).
- Verwendung stromsparender LEDs mit hohem Wirkungsgrad.
- Verwendung sogenannter "Flasher-Schaltungen", bei denen die LEDs mit sehr kurzen Strompulsen hoher Stromstärke mit geringem Mittelwert betrieben wer den (z. B. mittels dem Baustein LM3909 von NS).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ansteuerung einer Anzahl n von LEDs anzugeben, die auch beim Einsatz von Standard-LEDs zu einem vergleichsweise niedrigen Stromverbrauch führt.

Diese Aufgabe wird durch eine Ansteueranordnung mit den im Anspruch 1 angege benen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben und der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand von Zeich nungsfiguren, die Ausführungsbeispiele anzeigen, zu entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ansteueranordnung für zwei LEDs;

Fig. 2 eine entsprechende Anordnung für drei LEDs;

Fig. 3 eine entsprechende Anordnung für eine beliebige Anzahl n von LEDs;

Fig. 4 eine Ansteueranordnung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 5 eine Darstellung von sich überlappenden Taktsignalen.

Erfindungsgemäß wird anstelle einer Parallelschaltung eine prinzipielle Reihen schaltung der anzusteuernden LEDs vorgenommen. Dies ist aufgrund der relativ ge ringen Flußspannung der LEDs möglich. Die maximale Anzahl n der in Reihe zu schaltenden LEDs hängt von der Höhe der zur Verfügung stehenden Versorgungs spannung ab. Die Knotenpunkte der in Reihe geschalteten LEDs werden jeweils mit einem Portausgang der Ansteuerschaltung verbunden. Die Portausgänge müssen in der Lage sein, wahlweise auf Masse, Versorgungsspannung, in den hochohmigen Zustand und auf Taktausgang geschaltet werden zu können. Dies erfordert in der Praxis sog. "multi-function push-pull ports", wie sie z. B. bei Standard-Mikrocontrollern vorhanden sind. Mit einem einfachen Mikrocontroller der Preisklasse 1 bis 2 DM läßt sich so eine LED-Bargraphanzeige realisieren, die bei 5 V Versorgungsspannung den Stromverbrauch halbiert. Bei höheren Versorgungsspannungen ist der Faktor zur Stromeinsparung noch höher, kann in der Praxis jedoch nicht mehr so einfach mit Standard-Mikrocontrollern realisiert werden, aus Gründen der bei solchen Mikrocon trollern begrenzten zulässigen Versorgungsspannung.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung und deren Arbeitsweise wird anhand der Fig. 1 erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der die Anzahl der LEDs n = 2 ist. Es ist eine Ansteu ervorrichtung A vorhanden, die ein Mikrocontroller sein kann. Die Ansteuervorrich tung A weist - nicht bezeichnete - Anschlüsse für eine Versorgungsspannung V_DD und Masse GND sowie Portausgänge P1 und P2 auf. Nicht dargestellt sind Eingänge der Ansteuervorrichtung A für Steuersignale oder zur Eingabe von Steuerungspro grammen.

Zwei LEDs L1, L2 sind in einer Reihenschaltung angeordnet, wobei jeder LED L1, L2 ein Strombegrenzungswiderstand R/2 nachgeschaltet ist. Die beiden Einzelwider stände R/2 haben den halben Wert eines Geamtwiderstands R. Der ersten LED L1 der Reihenschaltung ist die Versorgungsspannung VDD zugeführt. Jeweils dem Strombegrenzungswiderstand R/2 in der Reihenschaltung folgende Knotenpunkte K1, K2 sind mit entsprechenden Portausgängen P1, P2 verbunden.

Die Portausgänge P_i können die folgenden Zustände Z annehmen:

Z(P_i) ∈ {0, 1, H, T} mit
0: = GND
1: = V_DD
H: = Tristate (Definition als Eingang, also hochohmig)
T: = getakteter Ausgang

Damit ergibt sich das folgende Ansteuerschema für die LEDs:

Eine zusätzliche Überlegung ist noch bezüglich des Zustandes T, getakteter Aus gang erforderlich. Zum einen sollte die Frequenz des Taktausgangs größer ca. 100 Hz sein, um ein "Flimmern" zu vermeiden. Bezüglich des Tastverhältnisses gilt die Anforderung, daß der mittlere Strom durch die LEDs unabhängig von der Anzahl der aktivierten LEDs sein sollte. Im allgemeinen führt die mathematische Herleitung des Tastverhältnisses auf einen nichtlinearen Zusammenhang zu den Größen V_DD und V_L (= Durchflußspannung der LEDs). Sind beide LEDs aktiviert ergibt sich bei V_DD = 5 V, Strombegrenzungs-Gesamtwiderstand R = 270 Ω und bei Verwendung roter LEDs ein Strom von 3,1 mA durch beide Dioden L1, L2 bei einer Flußspannung V_L von ca. 1,65 V. Würde der Ausgang P1 statisch mit "0" angesteuert, ergäbe sich bei diesen Verhältnissen ein Strom von ca. 12,4 mA durch LED L1. Damit der Strom bei Einzelansteuerung der LEDs den gleichen Mittelwert erhält, muß das Tastverhältnis des Taktausgangs einen Wert von 25%, entsprechend 3 : 1 = (High zu Low), erhalten.

Das gezeigte Prinzip läßt sich generell auch für eine LED-Anzahl n < 2 anwenden. Allerdings wird man dann nicht mit einfachen Mikrocontroller-Schaltungen direkt ar beiten, sondern eine Ansteuervorrichtung verwenden, die mit größeren Versorgungs spannungen betrieben werden kann. Das Ansteuerungsschema für n < 2 wird eben falls etwas komplexer und man benötigt verschiedene, teils überlappende Taktsi gnale. Die Fälle n = 3 und größer werden im folgenden behandelt.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit drei LEDs L1, L2, L3 und mit jeweils einem nachge schalteten Strombegrenzungswiderstand R/3, der in diesem Fall jeweils den Wider standswert eines Drittels des Gesamtwiderstands R hat.

Die Portausgänge P_i können die folgenden Zustände Z annehmen:

Z(P_i) ∈ {0, 1, H, T, T*} mit
0: = GND
1: = V_DD
H: = Tristate (Definition als Eingang)
T: = getakteter Ausgang
T*: = getakteter Ausgang

Die Taktausgänge T und T* weisen die gleiche Signalform auf. Jedoch sind die "0"- Zustände gegeneinander nichtüberlappend verschoben, wie in Fig. 5 dargestellt. Die Bestimmung des Tastverhältnisses dieser Rechtecksignale folgt aus den Überlegun gen zu gleichen Mittelwerten der LED-Ströme und wird unten für den allgemeinen Fall der beliebigen Anzahl n hergeleitet.

Damit ergibt sich das folgende Ansteuerschema für den in Fig. 2 dargestellten Fall mit drei LEDs:

Die für eine beliebige LED-Anzahl n gültige Ansteueranordnung ist in Fig. 3 darge stellt und bedarf bezüglich der Anordnung keiner weiteren Erläuterung.

Die Portausgänge P_i einer solchen Anordnung können die folgenden Zustände Z an nehmen:

Z(P_i) ∈ {0, 1, H, T, T*, T*ⁱ} mit
0: = GND
1: = V_DD
H: = Tristate (Definition als Eingang)
T: = getakteter Ausgang
T*ⁱ: = getakteter Ausgang i

Die Taktausgänge T und T* und T*ⁱ weisen die gleiche Signalform auf. Jedoch sind die "0"-Zustände gegeneinander nichtüberlappend verschoben. Wie man leicht er kennt, läßt sich durch geeignete Wahl der Portzustände Z(P_i) jede beliebige LED ein zeln ansteuern.

Im folgenden soll auf die Bestimmung des Tastverhältnisses der Taktausgänge nä her eingegangen werden. Offensichtlich muß die Versorgungsspannung V_DD größer sein als die n-fache Diodenflußspannung V_L:

V_DD < n.V_L

Es wird die folgende Konvention getroffen:

V_DD = k.V_L mit k < n

Sind alle LEDs eingeschaltet (P₁ . . . P_n-1 = H, P_n = 0), fließt der Gesamtstrom I_ges durch die LEDs:

Ist dagegen nur eine LED angesteuert und würde die Ansteuerung statisch erfolgen, z. B. mit P₁ = 0, so fließt ein sehr viel größerer Strom I₁ durch diese LED:

Der Effektivwert soll in beiden Fällen gleich sein, d. h. 1, muß mit dem Tastverhältnis T getaktet werden:

I₁.T = I_ges

Einsetzen von I₁ und I_ges ergibt das Tastverhältnis T:

Das bereits betrachtete Beispiel für n = 2 und V_DD = 5 V führt mit V_L = 1,65 V auf einen Wert von k = 3. Einsetzen ergibt für T den Wert 0,25.

Mit n = 3 und V_DD = 7,5 V ergibt sich mit V_L = 1,65 V ein Wert von k = 4,5. Die Berechnung von T ergibt für diesen Fall 0,14.

Claims

1. Anordnung zur Ansteuerung einer Anzahl n von lichtemittierenden Dioden LED (L1 bis Ln), wobei

a) in abwechselnder Folge jeweils eine LED (L1, L2 . . . Ln) und ein nachgeschal teter Strombegrenzungswiderstand (R/n) in einer Reihenschaltung angeord net sind,
b) der ersten LED (L1) der Reihenschaltung eine Versorgungsspannung (V_DD) zugeführt ist,
c) die jeweils einem Strombegrenzungswiderstand (R/n) folgenden Knoten punkte (K1 bis Kn) der Reihenschaltung jeweils mit einem Portausgang (P1 bis Pn) einer Ansteuervorrichtung (A) verbunden sind,
d) die Ansteuervorrichtung (A) mit der Versorgungsspannung (V_DD) sowie der zugehörigen Masse (GND) verbunden ist, und
e) die Portausgänge (P1 bis Pn) der Ansteuervorrichtung (A) wahlweise in ei nen der Zustände (Z(P_i)): hochohmiger Zustand (H), getakteter Ausgang (T, T*), Versorgungsspannung (1 = V_DD) oder Masse (0 = GND) schaltbar sind.

2. Ansteueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ansteuervorrichtung (A) ein Mikrocontroller verwendet ist.

3. Ansteueranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den "getakteter Ausgang"-Zustand (T) eines Portausgangs (P1 bis Pn) ein Tastverhältnis gewählt ist, und im Fall mehrerer Portausgänge (P1 bis Pn) mit dem Zustand getakteter Ausgang (T, T*) eine geeignete zeitliche Impulsüberlappung ge wählt ist, um bei wechselnder Anzahl gleichzeitig eingeschalteter LEDs einen etwa gleichbleibenden Strom durch die LEDs zu erreichen.