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Schaltungsanordnung für eine Leuchtanzeigeskala Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung für eine Leuchtanzeigeskala, die aus mehreren gleichsinnig
in Reihe geschalteten, von einer Konstantstromquelle gespeisten Leuchtelementen
besteht, die durch je einen parallel angeordneten Schalttransistor ansteuerbar sind.
Hierbei werden die Leuchtelemente in der Reihenfolge ihrer Lage nacheinander angesteuert.
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Bedingt durch wesentliche Vorteile, wie z.B. keine beweglichen Teile,
schock- und vibrationsfest, lageunabhängig, keine Nachjustierung, hoher Kontrast
usw., finden die als Leuchtelemente verwendeten Leuchtdioden immer mehr Verbreitung.
Aneinandergereiht lassen sich mit ihnen Meßwertanzeigeeinheiten aufbauen, die die
herkömmlichen Zeigeinstrumente oder mechanische Indikatoren ersetzen. Liegt der
Meßwert in analoger Form vor, so muß wegen der binären Natur der Leuchtdioden ein
Analog-Digital-Umsetzer eingefügt werden. Für die aneinandergereihten Leuchtdioden
gibt es grundsätzlich zwei Betriebsweisen: entweder signalisiert eine Leuchtdiode
aus der ganzen Reihe den Meßwert oder eine Reihe von Null beginnend verkörpert als
"Balkendiagramm" die Meßgröße. Die Erfindung benützt die letztgenannte Betriebsweise.
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Bei der Ansteuerung einer Leuchtdiodenreihe nach dem Balkenprinzip
können die Leuchtdioden parallel oder in Reihe geschaltet
sein.
Bei der Parallelschaltung sind entweder sämtliche Kathoden oder sämtliche Anoden
zu einem Anschluß zusammengefaßt. Die Parallelschaltung hat den Nachteil, daR ein
großer Betriebsstrom benötigt wird. Bei der Reihenschaltung ist zu jeder Leuchtdiode
ein Schalttransistor parallel geschaltet. Mit seiner Hilfe könnendiejenigen Leuchtdioden
kurzgeschlossen werden, die nicht leuchten sollen. Es ist bereits eine Reihenschaltung
von Leuchtdioden mit parallelen Schalttransistoren bekannt, bei der eine Konstantstromquelle
den Arbeitsstromkreis speist. Als Schalttransistoren werden npn-Transistoren verwendet,
so daß der Kollektor jedes Transistors mit der Anode seiner Leuchtdiode und der
Emitter mit der Kathode verbunden ist. Sind alle Schalttransistoren gesperrt, so
fließt der Konstantstromkreis über alle Leuchtdioden. Liegt die Basis jedes Schalttransistors
direkt oder über einen Widerstand an einer gemeinsamen Steuerleitung, so könnte
der zulässige Grenzwert der Basis-Emitter-Sperrspannung der Schalttransistoren überschritten
werden, falls mehrere Dioden leuchten. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde bereits
vorgeschlagen, in Reihe mit jeder Basis eines jeden Schalttransistors eine Schutzdiode
zu schalten, deren Sperrspannung größer ist als die höchste in der Schaltung vorkommende
Basis-Emitter-Spannung für den Schalttransistor.
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Ferner sind noch für jeden Schalttransistor eine Steuerdiode vorgesehen.
Nachteil dieser Schaltung ist, daß ein Aufwand von zwei zusätzlichen Dioden für
jeden Schalttransistor erforderlich ist.
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Es ist ferner eine Reihenschaltung von Leuchtdioden oder niedervoltigen
Glühlampen mit einer Konstantstromquelle vorgeschlagen worden, bei der die Leuchtelemente
durch parallel geschaltete Transistoren ansteuerbar sind. Die Basis jeden Transistors
ist über einen Widerstand mit dem
Eingangskreis und über einen weiteren
Widerstand mit seinem eigenen Emitter verbunden. Die Widerstände können durch einen
weiteren zum ersten Transistor komplementären Transistor ersetzt werden, so daß
die Ansteuerung durch dieses Paar in Darlington-Schaltung erfolgt. Die einzelnen
Schalter beeinflussen sich gegenseitig nicht. Diese Betriebsweise stellt eine punktförmige
Anzeige dar, so daß damit kein Anzeigebalken gebildet werden kann. Außerdem ist
diese Schaltung bedingt durch die Widerstände bzw. Transistoren sehr aufwendig.
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Es ist eine weitere Anzeigeeinrichtung mit Leuchtelementen bekannt,
bei der zwischen den Klemmen einer Spannungsquelle in Reihe geschaltete Leuchtelemente
durch jeweils zwei antiparallele Transistoren komplementären Typ ansteuerbar sind.
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Die Basen der Transistoren sind mit zwei Steuerleitungen verbunden,
wobei die Potentiale beider Steuerleitungen veränderbar sind und eine Differenz
aufweisen. Hierbei wird durch die Höhe der Spannungsdifferenz der beiden Steuerleitungen
festgelegt, ob nur jeweils eine der Leuchtdioden oder mehrere gleichzeitig aufleuchten
sollen. Diese Schaltung ist ebenfalls sehr aufwendig besonders im Hinblick auf die
Spannungsversorgung der Steuerleitungen durch weitere drei Transistoren.
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Bei allen bislang bekannten Schaltungen erfolgt die Ansteuerung der
Schalttransistoren durch Veränderung der Basisspannung. Werden die Basisspannungen
verändert, so muß die Abstufung der Einschaltschwellen trotz unterschiedlicher Basisströme
erhalten bleiben. Dazu ist ein niederohmiger Spannungsteiler nötig, der in der Potentiallage
aller seiner Punkte verschoben wird. In diesem Falle ist bedingt durch den größeren
Stromverbrauch ein größerer Aufwand an Verstärkungselementen nötig. Zudem wird die
Verlustleistung größer.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und eine
einfache mit geringstem Aufwand an elektronischen Bauelementen hergestellte Schaltung
zu finden, die es gestattet, einen Leuchtanzeigebalken auszubilden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Verbraucherstromkreis
in Serie mit einer an sich bekannten, durch einen Schalter ansteuerbaren und an
der Versorgungsspannung liegenden Konstantstromquelle eine Reihenschaltung von aus
Leuchtdioden bestehenden Leuchtelementen geschaltet ist, wobei der Kollektor jedes
Schalttransistors mit der Anode seiner Leuchtdiode verbunden ist und die Emitter
aller Schalttransistoren eine gemeinsame Verbindung besitzen, die mit der Kathode
der letzten Leuchtdiode auf gleichem Potential liegt, welches durch eine Spannungsfolgerschaltung
verändert werden kann.
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Damit wird erreicht, daß die hohe Spannung der Leuchtdiodenreihe nur
an den Kollektoren der Schalttransistoren liegt, während man in der Wahl der Basis-Steuerspannungen
freie Hand hat.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Basisleerlaufspannung
jedes Schalttransistors durch eine Spannungsteilerschaltung festgelegt ist, daß
sich alle Basisleerlaufspannungen stufenweise um einen kleinen Betrag unterscheiden,
wobei der Schalttransistor, der die letzte Leuchtdiode steuert, die höchste Basisleerlaufspannung
aufweist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kollektor des
Transistors der Konstantstromquelle mit der Anode einer ersten Leuchtdiode und mit
dem Kollektor des dazugehörigen ersten Schalttransistors verbunden,
während
der Emitter des Transistors der Konstantstromquelle über einen Widerstand an der
Versorgungsspannung liegt, und mit Hilfe seiner Basisspannung über einen elektrischen
oder mechanischen Schalter die ganze Leuchtdiodenskala ein- bzw. ausschaltbar ist.
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Schließlich wird die Basisspannung für den Transistor der Konstantstromquelle
dadurch erzeugt, daß die Basis über einen Widerstand eines Spannungsteilers mit
dem Kollektor eines Eingangsschalttransistors verbunden ist, während der andere
Widerstand an Versorgungsspannung liegt, und daß der Emitter des Eingangsschalttransistors
an Masse liegt und seine Basis einmal über einen Widerstand an Masse und zum anderen
über einen weiteren Widerstand mit der Eingangsklemme verbunden ist.
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Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden
anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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In Reihe zu den Leuchtdioden L1 bis L ist eine an sich n bekannte
Konstantstromquelle geschaltet, deren Transistor T mit seinem Emitter über einen
Widerstand 1 an Versorgungsspannung Ub liegt. Die Basis ist einmal durch einen Widerstand
2 mit der Versorgungsspannung Ub verbunden, während sie über den Widerstand 3 mit
einem elektrischen oder mechanischen Schalter in Verbindung steht. Mit Hilfe dieses
Schalters kann die gesamte Leuchtdiodenskala ein- bzw. ausgeschaltet werden. Bei
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform besteht der Schalter aus einem
Transistor T2 und zwei Widerständen 4, 5 in bekannter Schaltungsanordnung.
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Die Konstantstromquelle sorgt für einen nahezu konstanten Betriebsstrom
durch die Leuchtdioden und damit für eine konstante Leuchtdichte, die unabhängig
vom Einschaltzustand, d.h. unabhängig von der Emitterspannung der Schalttransistoren
ST1 bis ST , ist.
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Der Kollektor des Transistors T1 ist mit der Anode der ersten Leuchtdiode
L1 und mit dem Kollektor seines Schalttransistors ST1 verbunden. Bei der Reihenschaltung
der Leuchtdioden sind die Leuchtdioden derart hintereinander geschaltet, daß die
Kathode einer an die Anode der nächsten Leuchtdiode angeschlossen ist. Von jeder
Anode zweigt eine Verbindung zum Kollektor ihres Schalttransistors ST bis ST ab.
Die Emitter aller Schalttransistoren ST bis n ST liegen zusammen mit der Kathode
der letzten Leuchtn diode L an einem gemeinsamen Fußpunkt, der durch eine n Spannungsfolgerschaltung
verändert werden kann. Diese bekannte Spannungsfolgerschaltung besteht im einfachsten
Fall aus einem Transistor T3 und einem Widerstand 6. Der Emitter des Transistors
ist mit dem Fußpunkt verbunden, während der Kollektor an Masse liegt.
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Die Basis-Leerlaufspannung der Schalttransistoren ST1 bis ST wird
durch eine Spannungsteilerschaltung R1, R1, bis R , R , so festgelegt, daß sich
alle Basisleerlaufspannungen um einen kleinen Betrag stufenweise unterscheiden (z.B.
100 mV).
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Dabei wird dem letzten Transistor ST , der nur eine Leuchtdiode L
überbrückt die höchste Basisleerlaufspannung zugen ordnet.
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Durch Verändern der Spannungsdifferenz zwischen den Emittern und den
Basen der Schalttransistoren werden diese nacheinander ein- bzw. ausgeschaltet,
wobei jenachdem welcher der Schalttransistoren durchgeschaltet ist, die entsprechenden
Leuchtdioden beginnend von der dem Schalttransistor zugeordneten Leuchtdiode bis
zur letzten Leuchtdiode L vern löschen.
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Jeder der Schalttransistoren ST1 bis ST wird leitend, wenn die n Summe
der gemeinsamen Emitter-Spannung und die Anlaufspannung der Basis-Emitter-Diode
kleiner wird als die Basisleerlaufspannung.
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Dann wird die Leuchtdiode, die diesem Schalttransistor zugeordnet
ist, und alle bezüglich der Betriebsspannung darunterliegenden kurzgeschlossen.
Bei gleichmäßiger Abstufung der Basisleerlaufspannung werden also nach und nach
immer mehr Transistoren leitend und damit immer mehr Leuchtdioden dunkel, wenn die
gemeinsame Emitter-Spannung kleiner gemacht wird.
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Ist die Emitter-Spannung so klein, daß nur noch eine Leuchtdiode hell
ist und nur noch ein Schalttransistor gesperrt, so muß dieser die kleinste Basisleerlauf
spannung haben. Die zugehörige Leuchtdiode muß aber bezüglich der Betriebsspannung
die oberste sein, weil die anderen Schalttransistoren ja jeweils alle darunterliegenden
Leuchtdioden mit löschen. Deshalb sind die Spannungen an den Leuchtdioden und die
Spannungen an den zugehörigen Basisanschlüssen entgegengesetzt abgestuft.
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Um die beschriebenen Schaltfunktionen auszuführen, muß die gemeinsame
Emitter-Spannung stabil sein, d.h. die Emitter-Spannungsquelle muß einen kleinen
Innenwiderstand haben. Dieser wird durch die Spannungsfolgerschaltung mit dem Transistor
T3 in Emitterfolgerschaltung realisiert.
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Gleichzeitig sollen aber die Leuchtdioden unabhängig von Einschaltzustand
immer gleich hell leuchten. Zu diesem Zweck ist am anderen Ende der Leuchtdiodenreihe
die bereits erwähnte Konstantstromquelle angeordnet. Wenn durch unterschiedlichen
Einschaltzustand unterschiedliche Spannungen an der gesamten Leuchtdiodenreihe auftreten,
so wird die Differenz zur Betriebsspannung von der Stromquelle abgefangen und der
Transistor T1 der Konstantstromquelle übernimmt auch die Leistungen der abgeschalteten
Leuchtdioden.