DE2255822A1

DE2255822A1 - Treiberschaltung fuer eine licht emittierende diode

Info

Publication number: DE2255822A1
Application number: DE2255822A
Authority: DE
Inventors: Donald K Miller
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1971-11-26
Filing date: 1972-11-15
Publication date: 1973-05-30
Also published as: MY7500220A; CA972826A; US3755697A; FR2161046A1; GB1355150A; DE2255822B2; FR2161046B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für eine Licht emittierende Diode.

Um Licht zu emittieren, muß eine derartige Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, wobei sich naturgemäß nur ein sehr niedriger Widerstand ergibt. Um eine irreversible Beschädigung oder ein vorzeitiges Altern der Diode zu vermeiden, begrenzt man den durch die Diode fließenden Strom. Dieses kann bewirkt werden., indem mit der Diode ein den Strom begrenzendes Widerstandselement in Reihe geschaltet wird. Der Leistungsverlust in dem Widerstandselement bewirkt jedoch eine Herabsetzung des allgemeinen Wirkungsgrades', da nur ein Teil der Eingangsleistung für den Schaltkreis an die Diode gelangt und zur Lichtemission ausgenutzt werden kann. Der Wert des den Strom begrenzenden Widerstandes und damit der verbrauchten Lei-

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stung kann etwas herabgesetzt werden, indem die Versorgungsspannung für die Diode herabgesetzt wird. Der Wirkungsgrad dieser Technik ist begrenzt, da beim Erreichen des Knickpunktes der Strom/Spannungskennlinie der Diode bereits kleine Änderungen in der Versorgungsspannung zu großen Änderungen des Spitzenstromes in der Diode führen. Auch ist diese herkömmliche Technik nicht dazu geeignet, Versorgungsspannungen abzugeben, welche niedriger als die Spannung am Knickpunkt der Diodenkennlinie sind, da das Leitfähigkeitsvermögen und das Licht-Emissionsvermögen der Diode an diesem Punkt im wesentlichen aufhören.

In der Vergangenheit wurden die Treiberschaltungen für Licht emittierende Dioden regelmäßig derart ausgelegt, daß die Dioden kontinuierlich mit Strom versorgt wurden. Man hat jedoch herausgefunden, daß bereits die seit langem im Handel erhältlichen Dioden einen größeren Wirkungsgrad bei der Umsetzung elektrischer Energie in Lichtenergie ergeben, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung impulsweise und nicht kontinuierlich gespeist wird.

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschaltung für eine Licht emittierende Diode zu schaffen, welche schaltungstechnisch vereinfacht ist und die elektrische Leistung mit einem verbesserten Wirkungsgrad in Lichtleistung umsetzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine Induktivität zu der Licht emittierenden Diode parallelgeschaltet ist, eine Einrichtung die Spannungsquelle mit der Parallelschaltung

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aus der Licht emittierenden Diode und der Induktivität verbindet, diese Einrichtung ein Schaltglied aufweist, durch welches Stromimpulse an die Licht emittierende Diode abgegeben werden, und dieses Schaltglied in einem ersten Leitfähigkeitszustand arbeitet und Energie in der Induktivität speichert und in einem zweiten nicht-leitenden Zustand ein Strom von der Induktivität durch die Licht emittierende Diode fließt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine induktive Last mit dem Kollektor eines Transistors verbunden und wird durch einen Impulszug von einer externen Quelle gespeist. Parallel zu der induktiven Last liegt eine Licht emittierende Diode. Der Transistor wird mit Impulsen beaufschlagt, um in den leitenden Zustand zu schalten und dadurch in der induktiven Last Energie zu speichern. In diesem Zeitpunkt wird die Licht emittierende Diode gesperrt, so daß sie abschaltet. Bei der Beendigung eines Treiberimpulses wird durch die in der induktiven Last gespeicherte Energie ein Stromfluß durch die Licht emittierende Diode erzeugt, so daß diese Licht emittiert. Die Frequenz und Größe der Lichtimpulse durch die Diode werden derart eingestellt, daß die emittierten Lichtimpulse für das Auge des Beobachters als kontinuierlicher Lichtstrom erscheinen.

Durch die Erfindung kann der Spitzenstrom durch die Diode genau geregelt werden, ohne einen Widerstand in Reihe zu schalten. Dadurch wird eine Beschädigung oder ein vorzeitiges Altern der Diode vermieden.

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Auch der Wirkungsgrad der Diode wird mit einer minimalen Anzahl von Bauteilen erhöht, da keine Widerstandselemente in Reihe mit der Diode geschaltet sind und diese impulsförmig und nicht mehr kontinuierlich betrieben wird. Auch können die Dioden und die dazugehörigen neuartigen Treiberschaltungen derart angeordnet werden, daß sie eine große Anzeigevorrichtung ergeben.

Im folgenden werden bevorzugte Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert· Es stellen dar:

Fig. 1 einen Schaltkreis zur Speisung mehrerer Licht emittierender

Dioden;
Fig. 2 a - c Strom- und Spannungsverlaufe zur Erläuterung des

Betriebs der Schaltung;
Fig. 3 ein Diagramm der relativen Lichtintensität einer Licht

emittierenden Diode als Funktion des Spitzentreiberstromes; Fig. 4 eine andere Ausführungsform einer Treiberschaltung für Licht emittierende Dioden.

Gemäß Fig. 1 wird von einer externen Signalquelle ein Impulssignal V an eine Eingangsklemme 12 und von da durch einen Widerstand 14

an die basis eines npn-Transistors 16 weitergeleitet. Der Widerstand 14 dient dazu, den Basisstrom des Transistors 16 zu begrenzen. Der Kollektor des Transistors 16 ist durch eine induktive Last 18 mit einer Spannungsquelle 10 zur Abgabe einer Spannung V, verbunden. Eine Licht emittierende Diode 20 ist zu der Induktivität 18 parallelgeschaltet. Zwischen der Leistungsquelle 10 und dem Emitter des

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Transistors 16 ist eine negative Gegenkopplung vorgesehen.

Wenn an der Klemme 16 keine Impulse anliegen, ist der Transistor 16 abgeschaltet und es fließt kein Strom in der Schältung. Zu diesem Zeitpunkt leitet die Diode 20 nicht und emittiert demzufolge auch kein Licht.

Die zeitliche Reihenfolge der Impulse an der Klemme 12 ist in Fig. 2 a dargestellt. Jeder Impuls verläuft positiv, und bei der Abgabe an die Basiselektrode des Transistors 16 wird der Transistor leitfähig. Dies bewirkt wiederum, daß der Strom in der Induktivität 18 zeitlich linear bis auf einen Spitzenstrom I , ansteigt, der

Vp

durch den Ausdruck — gegeben ist, wobei V, die Spannung der

L D

Spannungsquelle 10, t die Impulsbreite und L der Induktivitätswert der Induktivität 18 ist. Während dieser Anstiegszeit des Stromes ist die Spannung an einem Ende der Induktivität 18, das heißt am Punkt 19, größer als die Spannung am anderen Endpunkt 21. Die Diode 20 ist derart gepolt, daß ihre Anode mit dem Endpunkt 21 und ihre Kathode mit dem Endpunkt 19 verbunden ist, so daß die Diode in Sperrichtung betrieben wird und nur einen sehr kleinen Leckstrom führt. Die Richtung des Eingangestromes I. durch die Induktivität und den Transistor 16 ist in Fig. 1 dargestellt.

Am Ende des positiven Impulses an der Klemme 12 wird der Transistor 16 in den nicht-leitenden Zustand geschaltet. Danach ergibt die in der Induktivität 18 gespeicherte Energie einen Ausgangsstrom durch die Diode 20, wodurch die Diode in Vorwärtsrichtung durchgeschaltet

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wird und Licht emittiert. Die Richtung dieses Ausgangestromes I , der durch die Induktivität 18 durch die Diode 20 getrieben wird, ist in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 2 b veranschaulicht den Stromfluß durch die Induktivität 18 als Zeitfunktion der Impulse an der Klemme 12 gemäß Fig. 2 a. Der Eingangsstrom I. tritt während des Zeitintervalles t entsprechend der Breite eines Eingangsimpulses auf. Der Ausgangsstrom I der Induktivität tritt während des Zeitintervalles t auf, welches am Ende des Eingangsimpulses beginnt. Der Augenblickswert des Stromes durch die Induktivität 18 bleibt der gleiche, wenn der Eingangsimpuls aufhört, und der Transistor 16 schaltet vom leitendeil Zustand in den nicht-leitenden Zustand. Daher ist der Anfangswert des Ausgangestromes I durch die Diode 20 der gleiche wie der Wert des Eingangsstromes I., der am Ende des Eingangsimpulses erreicht wurde. Der Ausgangsstrom I durch die Diode 20 ist in Fig. 2 c

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veranschaulicht. Der Strom I fließt ungefähr linear abnehmend weiter, bis er völlig abgeklungen ist. Danach hört die Lichtemission auf,und die Treiberschaltung für die Diode verbleibt im Ruhezustand, bis der nächste positive Impuls an der Klemme 12 auftritt.

Der Spitzenstrom durch die Diode 20 tritt auf, wenn der Transistor 16 von dem leitenden in den nicht leitenden Zustand schaltet. Der Wert des Spitzenstromes wird durch die Parameter bestimmt, welche die in der Induktivität 18 gespeicherte Energie bestimmen. Bei einer gegebenen Versorgungsepannung V und einem gegebenen Wert

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für die Induktivität 18 kann die Breite t der Impulse des Signales V verändert werden, um den Spitzenstrom durch die

Diode 20 optimal auf die Menge des dadurch erzeugten Lichtes abzustimmen« Durch den Vergleich der Figuren 2 a und 2 b ergibt sich, daß bei größerer Impulsbreite t auch der Spitzenstrom I , zunimmt. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Größe des Spitzenstromes genau gesteuert bzw. geregelt werden kann, indem die Breite der Eingangsimpulse verändert wird. Es ist nicht erforderlich, in Reihe mit der Diode einen den Strom begrenzenden Widerstand zu schalten. Die Spannungsquelle 10 kann, wie dargestellt, parallel zur Diode liegen. Zusätzlich kann die Spannung V- der Diode kleiner als die Knickspannung der Spannungsstromkennlinie der Diode sein. Im Beispiel einer Gallium-Arsenid-Phosphid-Diode beträgt die Spannung am Knickpunkt dieser Kurve ungefähr 1^6 V, das heißt die Diode ist stromführend, wenn die Anoden/Kathoden-Spannung größer als 1,6 V ist, wogegen bei niedrigeren Anoden/Kathoden-Spannungen nur ein kleiner Leckstrom in der Diode fließt. Wegen der Wirkung der Induktivität 18 wird die Diode 20 selbst dann leitend, wenn die Spannung V, der Spannungsquelle 10 kleiner als 1,6 V ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß eine herkömmliche Batterie mit einer Klemmenspannung in der Größenordnung von 1,4 V als Spannungsquelle 10 verwendet werden kann.

In Fig. 3 ist die Beziehung zwischen der relativen Intensität des Ausgangslichtes der Diode 20 als Funktion des Spitzenstromes I

ρκ

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dargestellt. Die Kurve ist für den Fall dargestellt, daß der Mittelwert des Stromes I durch die Diode 20 konstant ist.

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Dieser Mittelwert wird deshalb konstant gehalten, weil der

Spitzenstrom I , durch Verminderung des ImpulsVerhältnisses P

der Impulse des Eingangssignales V zunimmt. Die in Fig. 3

dargestellte Kurve gilt für eine übliche Diode aus Gallium-Arsenid-Phosphid. Im Impulsbetrieb der Diode nimmt die Intensität des emittierten Lichtes wesentlich im Vergleich mit einer Diode zu, die mit Gleichstrom des gleichen Mittelwertes betrieben wird. Der Gleichstrombetrieb der Diode ist am Punkt P-. veranschaulicht, wo der Spitzenstrom I , der gleiche wie der Mittelwert I ist, wobei beide Werte gleich 0,5 mA betragen. Am Punkt P₁ ist das Ausgangslicht von der Diode 0,7 auf der relativen Intensitätsskala. Alle anderen Punkte auf der Kurve der Fig. 3 veranschaulichen den Impulsbetrieb der Diode. Am Punkt P« haben die Stromimpulse durch die Diode einen Spitzenstromwert von 60 mA. Um den Mittelwert des Stromes wie im Gleichstrombetrieb konstant zu halten, ist das Tastverhältnis der Stromimpulse klein, und zwar in der Größenordnung von 0,9 %. Ein derartiges Tastverhältnis kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Stromimpulse 2,5 ys lang sind und in Intervallen von 280 ys auftreten. Es ergibt sich, daß die relative Lichtintensität im Impulsbetrieb am Punkt P₂ 4,4 beträgt, welcher Wert 6 mal größer als die Lichtintensität bei Gleichstrombetrieb am Punkt P-, ist. Die Frequenz der Impulse des Eingangssignales V kann verändert werden, um die minimale Anzahl von Impulsen pro Sekunde herzustellen, welche erforderlich sind, um eine sichtbare

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Anzeige zu erzeugen, welche stationär erscheint und kein flackerndes Bild ergibt.

Der Transistor 16 kann durch eine geeignete Schaltvorrichtung ersetzt werden, welche ein ähnliches Schaltverhalten hat. Falls ein Transistor verwendet wird, sollte der Wert der Stromverstärkung β hoch und der Wert V , . niedrig sein, um die Widerstandsverluste

Chi ^ ο at)

herabzusetzen. Die Diode 20 sollte in Sperrichtung eine Durchbruchsspannung haben, die größer als die Spannung V, der Spannungsquelle 10 ist.

Die vorbeschriebene Schaltung kann einfach ausgestattet werden, indem mehrere derartige Schaltkreise parallelgeschaltet werden. Fig. 1 erläutert, wie zusätzliche Dioden und ihre zugeordneten Treiberschaltungen mit der gemeinsamen Spannungsquelle 10 verbunden werden können. Beispielsweise können eine zweite Diode 30, ein zugeordneter Transistor 26 und eine Induktivität 28 in der gleichen Weise zusammengeschaltet, werden, wie dies in Verbindung mit der Diode 20, dem Transistor 16 und der Induktivität 18 beschrieben wurde. Der Spitzenstrom durch jede Diode hängt von der Impulsbreite t der Impulse der Eingangsspannung V ab. Da die gleiche P ^s

Art Treibersignal allen Dioden zugeführt wird, ist der Spitzenstrom durch jede Diode gleich. Folglich ist die Intensität des Ausgangs lichtes von jeder Diode für identische Dioden gleich und das durch mehrere Dioden erzeugte Bild der Anzeigevorrichtung weist eine gleichförmige Intensität auf:

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Fig. 4 stellt eine andere Ausführungsform einer Treiberschaltung für Dioden dar. Diese Schaltung ist die gleiche wie diejenige in Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Induktivität 18 durch einen Übertrager mit einer Primärwicklung 44 und einer Sekundärwicklung 45 ersetzt ist. Diese Schaltung kann in Anwendungsfällen benutzt werden, die bezüglich der Gleichspannung eine Isolierung der Dioden von der Stromquelle 10 erfordern. In Fig. 4 ist die Diode 20 mit der Sekundärwicklung 45 verbunden. Der Strom von der Spannungsquelle 10 durch den Transistor 16 bewirkt, daß sich die magnetische Energie im Magnetfeld der Primärwicklung 44 aufbaut. Diese Energie wird über die Sekundärwicklung 45 an die Diode 20 übertragen. Die Diode ist derart gepolt, daß beim Schalten des Transistors 16 in den nicht leitenden Zustand gemäß dem Ende des Eingangsimpulses an der Klemme 12 der Ausgangsstrom I hindurchfließt. Der Strom durch die Diode 20 hat die gleiche Form wie der Strom in Fig. 2 c. Die Größe des Stromes hängt jedoch von dem Windungsverhältnis des Übertragers ab. Wenn beispielsweise ein Aufwärtsübertrager verwendet wird, bewirken kleine durch den Transistor 16 geschaltete Ströme, daß ein großer Strom durch die Diode fließt.

Gemäß Fig. 4 können viele Licht emittierende Dioden parallel zu der Spannungsquelle 10 geschaltet werden. Die dadurch gebildete Anordnung gleicht derjenigen gemäß Fig. 1.

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Claims

Hewlett-Packard Company ? 2 5 5 8 2 Case 690 16. Oktober 1972 Patentansprüche

1. ~) Die Treiberschaltung für eine Licht emittierende Diode,

dadurch gekennze i chn e t , daß eine Induktivität (18) zu der Licht emittierenden Diode (20) parallelgeschaltet ist, eine Einrichtung (14, 16) die Spannungsquelle mit der Parallelschaltung aus der Licht emittierenden Diode und der Induktivität verbindet, diese Einrichtung ein Schaltelement (16) aufweist, durch welches Stromimpulse an die Licht emittierende Diode abgegeben werden und dieses Schaltelement in einem ersten Leitfähigkeitszustand arbeitet und Energie in der Induktivität speichert und in einem zweiten nicht-leitenden Zustand ein Strom von der Induktivität durch die Licht emittierende Diode fließt.

2. Schaltung nach.Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität durch eine einzelne Induktionsspule gebildet wird, deren eines Ende (21) mit dem Schaltelement (16) und deren anderes Ende (19) mit der Spannungsquelle (10) verbunden ist und die Kopplungseinrichtung im Leitfähigkeitszustand die Diode in Sperrspannungsrichtung beaufschlagt.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

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net, daß die Induktivität durch einen übertrager mit Primär- und Sekundärwicklungen (44, 45) gebildet wird, die Primärwicklung durch die Kopplungseinrichtung mit der Spannungsquelle verbunden ist und die Sekundärwicklung mit der Diode verbunden ist, so daß bezüglich der Gleichspannung die Spannungsquelle von der Licht emittierenden Diode getrennt ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement ein Transistor (16) mit einer Steuerelektrode zur Aufnahme von Eingangsimpulsen ist und ein Paar, den Hauptstrom führende Elektroden aufweist, die zwischen der Spannungsquelle und der Parallelschaltung der Induktivität und der Diode geschaltet sind.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht emittierende Diode und die Spannungsquelle jeweils ein Paar Klemmen für Signale entgegengesetzter Polarität aufweisen und die Kopplungseinrichtung jede Klemme der Licht emittierenden Diode mit einer der Klemmen der Spannungsquelle verbindet.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht emittierende Diode eine Anode und eine Kathode und die Spannungsquelle Klemmen für positive und nega-

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tive Potentiale hat und die Kopplungseinrichtung die Anode mit der negativen Ausgangsklemme durch das Schaltelement verbindet und die Kathode mit der positiven Ausgangsklemme verbindet.

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