DE2255822A1 - Treiberschaltung fuer eine licht emittierende diode - Google Patents
Treiberschaltung fuer eine licht emittierende diodeInfo
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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-
309822/0812
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
3 0 1J H /2/0012
ORIGINAL INSPECTED
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.
3 0 U ö L 2 I 0 8 1 2
ORIGINAL 'INSPECTED
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
Fig. 2 a - c Strom- und Spannungsverlaufe zur Erläuterung des
Betriebs der Schaltung;
Fig. 3 ein Diagramm der relativen Lichtintensität einer Licht
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
301Jb ^2/0812
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
309822/0812
225582?
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
■ι 1
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
30982^/0812
225582?
dargestellt. Die Kurve ist für den Fall dargestellt, daß der Mittelwert des Stromes I durch die Diode 20 konstant ist.
av
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
309822/0812
22558??
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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ORIGINAL INSPECTED
2255872
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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ORIGINAL INSPECTED
Claims (6)
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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