DE2521060A1

DE2521060A1 - Gleichstromschutzschaltung

Info

Publication number: DE2521060A1
Application number: DE19752521060
Authority: DE
Inventors: Richard Plumb Fillmore
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-05-20
Filing date: 1975-05-12
Publication date: 1975-12-04
Also published as: FR2272511A1; JPS50161657A; US3912977A; IT1038130B; FR2272511B1; CH619975A4; CH617316B5; GB1500392A

Description

7810-75 Ks/Sö

RCA 68, 267

U.S. Serial No. 471, 783

Filed: May 20, 1974

RGA Corporation New York, N. Y. ,· V.St.v. A.

Gl eichstromscliut ζ schaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, mit der das Entstehen einer Gleichstromkomponente an einer Last verhindert werden soll. Die Erfindung wird nachstehend als Beispiel in Verbindung mit einem Flüssigkristall-Anzeigegerät als Last beschrieben.

Flüssigkristall-Anzeigegeräte wie z.B. Ziffernanzeiger für elektronische Uhren werden meist von integrierten Schaltungen gesteuert. Diese integrierten ßchaltungen können aus einer Batterie gespeist sein und legen unipolare Wechselspannungen an die Rückplatte und die Segmente des Anzeigegeräts. Die Rückplatte kann beispielsweise eine relativ niederfrequente unipolare Spannung einer bestimmten Phase empfangen, und die Segmente können ein Signal derselben Frequenz empfangen, welches endweder phasengleich oder außer Phase mit der Spannung der Rüokplatte ist. Manchmal kommt es vor, daß der Oszillator für die Schaltung, d.h. der Generator für die niederfrequente unipolare Spannung, ausfällt, während die als Betriebsspannungsquelle für die integrierte Schaltung dienende Batterie noch einen beträchtlichen Gleichspannungspegel liefert. Unter diesen Umständen, d.h. wenn der Oszillator unwirksam ist und die Batterie noch Betriebsspannung liefert, können zwischen bestirnten Segmenten

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des Anzeigegeräts und der Rückplatte des Anzeigegeräts Gleichspannungen auftreten, und diese "statischen" Spannungen können die Lebensdauer des Flüssigkristalle entscheidend verkürzen.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Gleichspannungfortgenommen, wenn die vom Oszillator erzeugten Schwingungen aufhören. Die Schaltung, welche die Gleichspannung erzeugt, enthält einen von den Schwingungen beaufschlagten Spannungsumformer. In die diese Spannung führende Leitung ist ein S_chalter eingefügt, der durch die Spannung gesteuert wird, welche zwischen dem Betriebsspannungsanschluß des Umformers und der Ausgangsklemme des Umformers erscheint. Wenn Schwingungen vorhanden sind, dann hält diese Spannung den Schalter geschlossen, und wenn die Schwingungen aufhören, dann öffnet sich der Schalter.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand von Zeichnungen erläutert:

Figur 1 zeigt das Blockschaltbild eines bekannten Flüssigkristall-Anzeigegeräts mit zugehöriger Steuerschaltung;

Figur 2 veranschaulicht in einem Schaltbild die erfindungsgemäße Verbesserung;

Figur 3 zeigtnShere Einzel eines Teils der Anordnung nach Fig_f 1 in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 2.

Das Problem, mit dem sich die vorliegende Erfindung befaßt, ist in Fig. 1.anhand einer bekannten Einrichtung veranschaulicht. Die Integrierte Schaltung 10 ist ein im Handel erhältlicher Baustein der ROA-Oorporation, beispielsweise der Typ TA 6478 (für Feldeffekt-FlÜssigkristall-Anzeigegeräte). Es können stattdessen auch andere handelsübliche Schaltungen mit einem oder mehreren Ohips verwendet werden, die sich zur Herbeiführung dynamischer Strtueifekte oder Feldeffekte bei Flüssigkristallen eignen und mit ttwas höheren Betriebsspannungen arbeiten. Die integrierte Schaltung enthält einen 32,768 kHz-Kristalloszillator',

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der einen Frequenzteiler ansteuert. Das 256 Hz-AusgangsBignal dieses Frequenzteilers erscheint, nach geeigneter Formgebung, auf der Leitung 12. Dem Frequenzteiler ist eine Pegelverschiebungseinriohtung nachgeschaltet, die sowohl von den 1,5 Volt Gleichspannung der Batterie 14 (die im Falle einer Armbanduhr ein einzelnes Silberoxidelement sein kann) als auch von den -6 Volt gespeist wird, die von einem Spannungsumformer 16 geliefert werden.

Die von der Pegelverschiebungseinrichtung der integrierten Schaltung erzeugte, in ihrem Pegel verschobene Welle wird einer weiteren Teilerschaltung innerhalb der integrierten Schaltung zugeführt. Diese Teilerschaltung erzeugt die niederfrequente Trei-berspannung von O - -6 Volt für das Flüssigkristall-Anzeigegerät (die Frequenz kann beispielsweise 64- Hz oder 32 Hz oder weniger betragen, bei integrierten Schaltungen des oben als Beispiel genannten Typs liegt sie bei 32 Hz). Die von der Teilerschaltung kommenden Ausgangssignale werden innerhalb der integrierten Schaltung gezählt und decodiert, um anzugeben, welche der Segmente jeweils "ausgewählt" werden, wie es nachstehend kurz erläutert wird.

Das Anzeigefeld dsr Uhr enthält mehrere Ziffernstellen, von denen nur eine bei 18 dargestellt ist. Es können auch noch andere Anzeigestellen für Zeichen wie Doppelpunkte, Punkte oder Kommas, Buchstaben usw. im Anzeigefeld enthalten sein. Jede Ziffern-Anzeigestelle entüält eine Rückplatte und 7 Segmente, und zwischen der Rückplatte und den Segmenten befindet sich Flüssigkristall. Es können drei Ziffernstellen sowie ein Doppelpunkt vorhanden sein, der sioh zwischen der ersten und der zweiten Ziffernstelle befindet. Έβ können auch vier oder mehr Ziffernstellen vorhanden sein.

Die Spannung von -6 Volt, die zur Speisung der innerhalb der. integrierten Schaltung befindlichen Treibertransistoren für die Flüssigkristallanzeige benötigt wird, wird vom Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer 16 geliefert. Dieser umformer befindet sich außerhalb des integrierten Schaltungsplättchens. Er enthält

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einen pnp-Transistor Q,,, eine zwischen den Kollektor dieses Transistors und den negativen Pol der Batterie 14 geschaltete Induktivität L, einen Speicherkondensator C, der mit seiner einen Seite an V_DD (Masse) angeschlossen ist, und eine Diode, deren Kathode mit dem Kollektor des Transistors und deren Anode mit der anderen Seite des Kondensators verbunden ist.

Beim Betrieb des Spannungsumformers werden Impulse mit jeweils einer Dauer von 30 ^usee und einer Folgefrequenz von 256 Hz über ein RG-Koppeinetzwerk 20 auf die Basis des Transistors Q/| gegeben. Diese Impulse werden innerhalb der integrierten Schaltung mittels eines Frequenzteilers und eines Impulsformers aus dem Kristalloszillator abgeleitet, der sich ebenfalls innerhalb der integrierten Schaltung befindet. Jedesmal beim Erscheinen eines Impulses, d.h. immer wenn die Welle negativ auf -1,5 Volt ausschlägt, schaltet der Transistor durch und leitet Strom in die Induktivität L. Dies bewirkt den Aufbau eines die Induktivität umgebenden Magnetfeldes. Wenn die Welle 22 auf ihrem relativ positiven Wert geht (d.h. auf Massepotential zurück-kehrt), dann sperrt der Transistor Q^. Der Kondensator G sendet nun über die Diode D Strom in die Induktivität L, und zwar in einem solchen Sinne, daß dem Zusammenbruch des die Induktivität L umgebenden Magnetfeldee erigegengewirkt wird. Die Folge ist, daß der Kondensator negativ aufgeladen wird. Die Amplitude der resultierenden Spannung am Kondensator hängt von den Werten der Induktivität, der Kapazität und des Wirkwiderstandes in der Schaltung ab, und diese Werte Bind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel so gewählt, daß an der Kapazität eine Gleichspannung von -6 Volt erzeugt wird. In anderen Ausführungsformen kann diese Spannung bei -10 oder -15 Volt oder darüber liegen, und natürlich kann sie entweder positiv oder negativ sein.

Wie bereits erwähnt, wird die am Kondensator erscheinende Spannung von -6 Volt dazu verwendet, die Transistortreiberschal-.tungen für die Anzeige mit Betriebsgleichspannung zu versorgen. Jeder Rückplatte sei ständig die zwischen 0 und -6 Volt wechselnde unipolare Spannung angelegt. Den jeweiligen Segmenten sei an-

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dererseits eine sich zwischen O und -6 Volt ändernde unipolare Spannung angelegt, die entweder phasengleich oder außer Phase mit der Spannung der Rückplatte ist. Es sei als Beispiel angenommen, daß die dargestellte Ziffernstelle 18 einer der S-^undenanzeiger der Uhr ist und daß diese Stelle die Ziffer 3 anzeigen soll. In diesem Fall empfängt die Rückplatte das niederfrequente (32 Hz) Treibersignal wie dargestellt, und die Segmente e und f empfangen eine niederfrequente Spannung (32 Hz), die phasengleich mit der Spannung der Rückplatte ist. Die übrigen Segmente a, b, c, d und g empfangen ehe niederfrequente Spannung (32 Hz), die gegenüber der Rückplattenspannung um 180 phasenversetzt ist. Dies hat zur Folge, daß das Flüssigkristall an den Stellen der Segmente a, b, c, d und g einer simulierten bipolaren Wechselspannung von 12 Volt unterworfen wird, während das Flüssigkristall an den Segmenten e und f einer Spannung von O Volt ausgesetzt wird. Falls das Flüssigkristall vom Typ mit dynamische© Streueffekt ist, dann wird es durch die 12 Volt zur Lichtstreuung angeregt. Falls das Kristall vom Feldeffekttyp ist, ändert es unter dem Einfluß der 12 Volt-Erregerspannung die Polarisationsebene des Lichts. Beide Wirkungsweisen sind bekannt. Natürlich können statt dessen auch andere Typen.von Flüssigkristallen verwendet werden, die im erregten Zustand dunkel und im unerregten Zustand klar sind.

Bei der Einrichtung nach Fig. 1 kommt es manchmal vor, daß die Batteriespannung Vgg so weit absinkt, daß der Oszillator innerhalb der integrierten Schaltung 10 aufhört zu schwingen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Batterie Jedoch noch nioht völlig tot. Die Spannung Vgg kann beispielsweise noch -1,3 oder -1,4· Volt betragen. Wenn der Oszillator stehenbleibt, geht die Welle 22 auf O, und der Transistor Q,- sperrt. Innerhalb kurzer Zeit entlädt sich der Kondensator 0, was jedoch noch kein Problem darstellt. Die Batterie ist jedoch über die Induktivität L und die Diode D mit der integrierten Schaltung verbunden. Daher ist die Spannung auf der Leitung 24, die vorher V-g_E«-6 Volt betrug, nunmehr gleich der Batteriespannung minus dem Spannungsabfall

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an der Diode D. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Batteriespannung noch -1,4 Volt beträgt und daß der Spannungsabfall an der Diode 0,6 Volt ist. Die Spannung am Punkt 30 beträgt dann -0,8 Volt. Diese statische Spannung wird an das Flüssigkristall zwischen den ausgewählten Segmenten und jeder RückplatiB gelegt (wie es weiter unten in Verbindung mit Fig. 3 noch ausführlicher beschrieben werden wird). Diese Spannung ist zwar relativ niedrig, sie kann jedoch das Flüssigkristall beschädigen oder zerstören, falls sie genügend lange aufrecht erhalten bleibt.

Die Schaltung nach Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Lösung des vorstehend beschriebenen Problems. Die S_chaltung nach Fig. 2 enthält einen η-leitenden MOS-Transistor Np, dessen Sourceelektrode raft dem Kondensator G und der Anode der, Diode D verbunden ist und dessen Drainelektrode ander zur integrierten Schaltung 10 führenden Leitung 24 liegt. Die Gateelektrode des Transistors N_R ist an die -1,5 Volt-Klemme der Batterie angeschlossen. Der Transistor Ng ist ziemlich klein und wird in der Praxis innerhalb der integrierten Schaltung 10 angeordnet.

Wenn die Schaltung nach Fig. 2 in Betrieb ist und der Oszillator arbeitet, dann wird der Transistor N_R durch die zwischen der -1,5 Volt-Klemme und dem am Verbindungspunkt 30 liegenden Anschluß des Kondensators erzeugte Potentialdifferenz auf Durchlaßvorspannung gehalten. Die am Anschlußpunkt 30 der Sourceelektrode erzeugte Spannung beträgt, wie bereits erwähnt,-6 Volt. Die Spannung an der Gateelektrode beträgt -1,5 Volt. Die Gate-Source-Spannung beträgt daher +4,5 Volt (d.h. die Gateelektrode ist um 4,5 Volt positiver als die Sourceelektrode), und diese Spannung liegt wesentlich über der Schwellenspannung V™ des Transistors· Der Transistor ist daher leitend. Der Transistor ist so ausgelegt, daß die Impedanz seines Leitungsweges (Kanalimpedanz) bei diesem Wert der Durchlaßspannung sehr niedrig ist, so daß auf der Leitung 24 praktisch dieselben -6 Volt erscheinenwie am Knotenpunkt 30.

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Wenn die Batteriespannung genügend absinkt, bleibt der Oszillator stehen. Hiermit hören die der Basis des Transistors Q^ zugeführten Impulse auf, so daß dieser Transistor gesperrt wird. Angenommen, die Batterie spannung sei auf -1,4- Volt gefallen. Der Kondensator entlädt sich dann soweit, bis die Spannung am Punkt den Wert -1,4 Volt +0,6 Volt « -0,8 Volt erreicht (wobei 0,6 Volt die an der Diode D abfallende Spannung ist). Dieser Wert von 0,8 Volt ist positiver als die Spannung -1,4 Volt, die an der Gateelektrode des Transistors N_R liegt. Das heißt, der Transistor N_R ist nun in Sperrichtung gespannt und leitet nicht mehr. Dies führt zur Abtrennung &r am Kondensator C erscheinenden -0,8 Volt von der integrierten Schaltung und speziell von den Flüssigkristall-Treibertransißtoren für das Flüssigkristall.

In Fig. 3 ist eine typische Treiberschaltung für ein Segment der Anzeige dargestellt. Diese Treiberschaltung befinde sich innerhalb einer integrierten Schaltung wie z.B. 10. Sie enthält zwei jeweils als Treiber dienende Inverter P,,, N₇. und Ρ~, Np, deren jeder eine komplementärsymmetrische MOS-Schaltung (sogenannte OOS/MOS-Schaltung) ist. Die η-leitenden Transistoren BL und N₂ liegen mit ihren Sourceelektroden an der Drainelektrode des Transistors N-D, und die p-leitenden Transistoren P_x. und Pp liegen mit ihren Sourceelektroden an V^ (Masse). Jeder Inverter empfängt gewöhnlich am gemeinsamen Anschluß der Gateelektroden seiner Transistoren (Eingangsklemme des Inverters) ein pegelverBchobenes niederfrequentes Signal mit einer Amplitude von -6 Volt. Der gemeinsame Drainelektroden-Anschluß des Inverters P^, N- ist mit einem der Segmente verbunden, und der gemeinsame Drainelektroden-Anschluß des Inverters P₂* N₂ ist mit der Rückplatte des Flüssigkristall-Ziffernanzeigers verbunden. Der Schalter 51 wird in der Praxis durch MOS-Torschaltungen gebildet.

Wenn sich der Schalter 51 in der gezeichneten Stellung befindet, dann legt er die 32 Hz-Welle 50 an die Eingangsklemme 52. Biese Welle ist komplementär zur 32 Hz-Welle 54, die an die Eingahgsklemme 55 gelegt wird. Das dargestellte Segment ist somit ein

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"ausgewähltes" Segment, d.h. im Normalbetrieb empfängt es eine Spannung, die gegenüber der Spannung der Rückplatte um 180° phasenversehoben ist, so daß eine Wechselspannung mit einer Amplitude von im wesentlichen gleich 2 Y^. am Flüssigkristall erscheint und dieses erregt. Wenn der Schalter 51 in seiner anderen Stellung ist, dann empfängt die Klemme 52 eine mit der Welle 54 phasengleiche Welle "50. Unter dieser Bedingung ist das dargestellte Segment nicht ausgewählt, weil die Spannung am Flüssigkristall zwischen diesem Segment und der Rückplatte O Volt beträgt.

Wenn der Transistor N_R nicht vorhandenväre und der Oszillator wahrend des Betriebs der Schaltung aufhören würde zu schwingen, dann wäre die über den Schalter 51 gekoppelte Welle ein Signal mit Massepotential und die auf die Klemme 55 des Inverters Pp, Np gekoppelte Welle 54- ein Signal mit dem Pegel V_EE. Der Wert V_EE ist zwar auf -0,8 Volt vermindert, er reicht jedoch immer noch dazu aus, den Transistor Pp eingeschaltet zu halten. Die Rückplatte läge somit eng am Massepotential. Die an die Klemme 52 gelegte Spannung von 0 Volt hält den Transistor N. eingeschaltet, so daß eine Spannung von -0,8 Volt am Segment erscheinen würde. Somit würden am Flüssigkristall -0,8 Volt erscheinen, und wie bereits erwähnt, würde dies die Lebensdauer des Flüssigkristalls verkürzen. Mit einer ähnlichen Analyse kann nachgewiesen werden, daß bei Stellung des Schalters in der gezeigten Position und beim Fehlen des Transistors Ν_Ώ auch dann eine statische Gleichspannung über das Flüssigkristall gelegt wird, wenn die Spannung an der Klemme 52 auf dem Wert bleibt und die Klemme 55 auf Massepotential liegt.

Wenn andererseits die aus dem Transistor N_n bestehende

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Schutzschaltung vorhanden ist, dann entlädt sich der Kondensator 0 hauptsächlich über die Diode D und die Induktivität L, sobald die Schwingungen aufhören und der Transistor Q. sperrt. Wenn die Entladung so weit gegangen ist, daß die Source-Gate-Spannung des Transistors N_R auf einen Wat unterhalb der Schwellen-

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spannung V™ des Transistors gefallen ist, dann sperrt der Transistor N_R und trennt den Knotenpunkt 30 von der Leitung 24 at>. Der Kondensator G entlädt sich weiterhin über die Induktivität, bis der Knotenpunkt 30 auf einer Spannung Vgg -Vjj anlangt, wobei V„_s bei 1,4· Volt oder darunter liegen kann, während V_n die an der Diode D abfallende Spannung ist und etwa 0,6 Volt beträgt. Wie bereits erwähnt, ist der Transistor N_R bei diesen Spannungswerten mit etwa 0,8 Volt in Sperrichtung vorgespannt und bleibt gesperrt.

Die statische Ladung, die nach dem Sperren des Transistors N_R an den Knotenpunkten in der Schaltung vorhanden sein kann (z.B. an dem gemeinsamen Drainelektroden-Anschluß der Transistoren P,,, N^j oder am gemeinsamen Drainelektroden-Anschluß der Transistoren Pp, N₂), wird ziemlich bald abgeführt. Die Knotenpunkte entladen sich innerhalb sehr kurzer Zeit über den ohmschen Widerstand des Flüssigkristalle, was keinen wesentlichen Einfluß auf die Lebensdauer des Flüssigkristalle hat.

Ein Merkmal der Schaltung ist der schnelle Spannungsaufbau am Kondensator G bei der anfänglichen Erregung des Umformers· Der Transistor N_R ist zu diesem Zeitpunkt gesperrt, so daß die Last vom Speicherkondensator abgetrennt ist. Der Umformer lädt sich daher am Anfang sehr schnell auf die Schwellenspannung Vm des Transistors N-n auf, so daß die Gesamtzeit, die der Kondensator bis zur Aufladung auf den endgültigen Gleichspannungswafc von -6 Volt benötigt, verkürzt wird.

Patentansprüche : 509849/0672

Claims

Patentansprüche

Schutzschaltung für.ein Flüssigkristall-Anzeigegerät in einer Einrichtung, die Treibertransistoren zur selektiven Beaufschlagung von Teilen des Plüssigkristallmaterials des Anzeigegeräts mit Spannungen enthält, eine Quelle für eine relativ niedrige Gleichspannung und einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer aufweist, der von dieser Niederspannungsquelle gespeist wird, um die relativ niedrige Gleichspannung in eine höhere Gleichspannung umzuformen, sowie eine Kopplungsanordnung zum Anlegen der Ausgangsspannung des Umformers als Versorgungsspannung an die Treibertransistoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsanordnung einen Schalter (N_R) aμfweist, dessen Stromleitungsweg zwischen den Ausgang (30) des Umformers (16 oder Q^, L, D, O) und die Treibertransisboren (KL, P.., N₂, P₂) geschaltet ist, und daß der Schalter (N_R) auf die Differenz zwischen der von der Niederspannungs quelle (14·; -1,5 V) erzeugten Spannung und der Ausgangsspannung des Umformers anspricht, um zu schließen, wenn diese Differenz größer als ein gegebener Wert ist, und zu öffnen, wenn die Differenz niedriger als der gegebene Wert ist.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter aus einem Transistor (N_R) besteht, dessen Hauptstromweg mit seinem einen Ende an den Ausgang (30) des Umformers (16 oder Q^, L, 0, D)angeschlossen ist, und

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dessen Steuerelektrode eine Steuerspannung von der Quelle (14- oder -1,5 V) relativ niedriger Gleichspannung empfängt.

Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (N_R) nur dann leitet und die Ausgangsspannung" des Umformers (16 oder Q,-, L, D, C) an die iPreibertransistoren (N^, P_x,, Np, Po) legt, wenn die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Umformers und der von der Quelle (14- oder -1,5 V) erzeugten Spannung die Schwellenspannung für das Leitendwerden des Transistors (N_R) übersteigt und die richtige Polarität zur Einschaltung des Transistors (ß-n) hat.

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