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"Verfahren und Einrichtung zur Ansteuerung einer Gruppe von
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Leuchtdioden" Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorfahren und eine
Einrichtung zur Ansteuerung einer Gruppe von Leuchtdioden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auf dem Gebiet der elektrischen
Schienenfahrzeuge Anwendung finden. In elektrischen Bahnen Ubernehmen elektronische
Einrichtungen mehr und mehr Funktionen. Um Rückschlüsse auf den Betriebszustand
der gesamten elektronischen Einrichtung zu erhalten, ist es sinnvoll, eine Testeinrichtung
an die elektronische Steuerung anzuschließen, die es ermöglicht, während des Betriebes
Informationen über den Funktionsablauf zu erhalten. So können auftretende Fehler
erkannt und nötige Wartungsarbeiten angezeigt werden.
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Zur Anzeige dieser einzelnen Testfunktionen können beispielsweise
Leuchtdioden eingesetzt werden. Es tritt hierbei das Problem auf, eine große Anzahl
von Leuchtdioden gleichzeitig anzusteuern (H. Dressler, F. Lang: "Diagnosegerät
für elektronische Loksteuerung", BBC-Nachrichten (1977), H. 5, S. 178 bis S. 183).
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Leuchtdioden sind allgemein bekannt. Sie haben die Eigenschaft, bei
Stromfluß in Durchlaßrichtung Licht auszusenden.
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Die dabei an der einzelnen Leuchtdiode auftretende Spannung liegt
Je nach Typ und Höhe des Stromes zwischen 1 V und 7 V.
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Bei Speisung aus Spannungsquellen muß die Spannungsdifferenz zur Quelle
durch Vorwiderstände aufgebracht werden, was in der Regel zu nachteiligen Energieverlusten
führt. Falls auf niedrige Verlustleistung Wert gelegt wird, muß auf Speisung aus
Stromquellen übergegangen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zu entwickeln, das bzw. die die gleichzeitige Ansteuerung einer Vielzahl von Leuchtdioden
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leuchtdioden
mit Hilfe des Zeitmultiplex-Verfahrens über eine gesteuerte Stromquelle, insbesondere
eine Speicherdrossel-Schaltung, angesteuert werden.
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Die konkrete Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, daß die in einer Anzeigematrix zusammengefaßten Leuchtdioden über
einen Spaltenmultiplexer und einen Zeilenmultiplexer mittels eines Spaltendecoders
und eines Zeilendecoders ansteuerbar sind, daß dem Spaltendecoder,dem Zeilendecoder
sowie einem Steuertaktdecoder und einem Eingangsmultiplexer die Ausgangswerte eines
Zählers anliegen, daß ein UND-Glied eingangsseitig über einen Komparator mit dem
Eingangsmultiplexer und desweiteren mit dem Steuertaktdecoder beschaltet ist und
ausgangsseitig einen Ladeschalter steuert und daß über diesen Ladeschalter eine
Speicherdrossel und eine Diode an Spannung legbar sind, wobei die Speicherdrossel
dem Spaltenmultiplexer zugeführt und die Diode mit dem Zeilenmultiplexer verbunden
ist.
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Alternativ hieru kann auch die Speicherdrossel dem Zeilenmultiplexer
zugeführt sein und die Diode mit dem Spaltenmultiplexer verbunden sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Steuertaktdecoder
mit dem Spaltendecoder verbunden und eine Zenerdiode ist an der Verbindung zwischen
Speicherdrossel und Spaltenmultiplexer bzw. Zeilenmultiplexer angeordnet.
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In weiterer Ausbildung dient ein elektronischer Halbleiterschalter,
insbesondere ein Transistor, als Ladeschalter.
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Ein weiterer Vorschlag der Erfindung geht dahin, daß eine am Komparator
liegende Referenzsparrnung schaltbar ist.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß wegen des Zeitmultiplex-Verfahrens eine große Anzahl von Beuchtdioden über eine
nur aus wenigen Adern bestehende Übertragungsleitung gleichzeitig angesteuert werden
kann. Wegen der Speisung aus Stromquellen ergibt sich eine niedrige Verlustleistung
und damit ein wirtschaftlicher Betrieb der Einrichtung.
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Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Anzeige von mehr als
zwei Signalzuständen.
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Ein AusfUhnmgsbeispiel der Erfindung ist im folgenden an Hand der
Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Ansteuerung
einer Gruppe von Leuchtdioden, Fig. 2 eine aus Leuchtdioden bestehende Anzeigematrix,
Fig. 3 die zeitlichen Verläufe von Strom iD und Spannung UD der Speicherdrosselschaltung
(ohne Anzeigesperrimpuls),
Fig. 4a bis e die zeitlichen Verläufe
von Taktimpulse, Anzeigesperrimpuls, Anzeige impulse, Strom iD und Spannung UA an
der Anzeigematrix.
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In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Ansteuerung einer
Gruppe von Leuchtdioden dargestellt. Ein Taktgeber 50, beispielsweise ein Oszillator,
ist mit einem Zäh er 51 verbunden, dessen Ausgang einem Eingangsmultip1exer 52,
einem Steuertaktdecoder 53, einem Spaltendecoder 54 und einem Zeilendecoder 55 zugeführt
ist. Der Eingangsmultiplexer 52 ist ausgangsseitig mit einem tomparator 56 beschaltet.
Der Komparator 56 wird beispielsweise durch einen Differenzverstärker realisiert,
an dessen negativem Eingang eine Referenzspannung Uref liegt.
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Einem UND-Glied 57 liegen eingangsseitig die Ausgänge von Steuertaktdecoder
53 und Komparator 56 an. Der Steuertaktdecoder 53 ist ausgangsseitig desweiteren
mit dem Spaltendecoder 54 verbunden.Der Ausgang des UND-Gliedes 57 steuert einen
Ladeschalter 58, beispielsweise einen elektronischen Halbleiterschalter. Diesem
Ladeschalter liegt an seinem einen Schaltkontakt eine positive Spannung U+ an. Sein
weiterer Schaltkontakt ist mit einer Nulldiode 59 und mit einer Speicherdrossel
60 verbunden. Die Nulldiode 59 liegt mit ihrer Anode auf Nullpotential. Die Speicherdrossel
60 ist einem Spaltenmultiplexer 61 zugeführt.
Eingangsseitig ist
der Spaltenmultiplexer 61 mit dem Spaltendecoder 54, ausgangsseitig mit einer Anzeigematrix
62 beschaltet. Der Zeilendecoder 55 ist mit einem Zeilenmultiplexer 63 verbunden.
Zur Ansteuerung der Leuchtdioden über die Speicherdrossel 60 und den Spaltenmultiplexer
61 können beispielsweise Transitor-Treiberschaltungen verwendet werden.
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Ein weiterer Anschluß des Zeilenmultiplexers 63 liegt auf Nullpotential.
Ausgangsseitig ist der Multiplexer 63 mit der Anzeigematrix 62 beschaltet. wischen
Speicherdrossel 60 und Spaltenmultiplexer 61 ist eine Zenerdiode 64 angeordnet,
deren Anode auf Nullpotential liegt.
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In Fig. 3 ist beispielhaft eine Anzeigematrix 62 dargestellt. Sie
besteht hier aus 32 Leuchtdioden 1' bis 32', die in einer Matrix, bestehend aus
vier Spalten I bis IV und acht Zeilen I bis VIII, angeordnet sind. An jedem Kreuzungspunkt
einer Spalte mit einer Zeile liegt eine Leuchtdiode, wobei jeweils ihr einer Anschluß
mit der zugehörigen Spalte und ihr zweiter Anschluß mit der zugehörigen Zeile verbunden
sind. Im Ausführungsbeispiel wird folglich die Verbindung Spaltenmultiplexer 61
-Anzeigematrix 62 mittels einer vieradrigen, die Verbindung Zeilenmultiplexer 63
- Anzeigematrix 62 mittels eier achtadrigen Leitung verwirklicht.
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Nach dieser einführenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung
wird im folgenden der Funktionsablauf bzw. der funktionelle Zusammenhang der Schaltung
dargestellt.
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Jede einzelne Leuchtdiode der Anzeigematrix 62 wird mittels des allgemeinen
bekannten Zeitmutliplex-Yerfahrens in der nachfolgend beschriebenen Weise angesteuert.
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Jedem der Eingänge 1 bis 32 des Eingangsmultiplexers 52 ist eine
Leuchtdiode 1' bis 32' in der Anzeigematrix 62 zugeordnet. Der Eingangsmultiplexer
52 einerseits sowie der Spaltenmultiplexer 61 und der Zeilenmultiplexer 63 andererseits
werden in synchroner Weise durch Zähltakte derart geschaltet, daß die Zuordnung,
Eingangsimpuls am Multiplexer 52 - Aufleuchten der angewählten Leuchtdiode in der
Matrix 62, immer erfüllt wird. Mehrere gleichzeitig am Eingangsmultiplexer 52 anstehende
Eingangssignale werden auch gleichzeitig für das Auge sichtbar in der Anzeigematrix
62 angezeigt.
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Die Taktfrequenz des Taktgebers 50 (beispielsweise ca. 30kHz) wird
in einem Zähler 51 in digitale Zählimpulse umgesetzt, im betrachteten Ausführungsbeispiel
zählt der Zähler 51 fortgesetzt von 1 bis 32, entsprechend den 32 vorgesehenen Leuchtdioden
in der Anzeigematrix 62. Die digital verschlüsselten Zählimpulse gelangen nun vom
Zähler 51 gleichzeitig an den Zeilendecoder 55, den Spaltendecoder 54, den Eingangsmultiplexer
52 und den Steuertaktdecoder 53.
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Der Zeilendecoder 55 setzt das momentan anliegende digitale Signal
in die entsprechende Zeile um und steuert mit diesem Signal den ihm zugeordneten
Zeilenmultiplexer 63 an (Zeilenfrequenz beispielsweise ca. 940 Hz). Der Spaltendecoder
54 seinerseits setzt die gerade anliegende Zahl in die entsprechende Spalte um und
steuert mit diesem Signal den Spaltcnmultiplexer 61 an (Spaltenfrequenz beispielsweise
ca. 3,75 kIiz). Der Eingangsmultiplexer 52 schaltet den dem momentan aiiliegenden
Signal entsprechenden Eingang 1 ... 32 durch (Schaltfrequenz beispielsweise ca.
3,75 kHz).
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Wenn zum Beispiel angenommen wird, das digitale Ausgangssignal des
Zählers 51 hätte momentan den Wert 26, so wären bei der vorgeschlagenen Leuchtdiodenbezeichnung
gemäß Fig.2 Zeile VII und Spalte II von den Decodern 54 und 55 aus der Zahl 26 zu
decodieren und bei den entsprechenden Multiplexern 61 und 63 einzustellen. Gleichzeitig
wäre auch der Eingangsmultiplexer 52 auf den Wert 26 gesetzt. Es wäre dann zu prüfen,
ob am Eingang 26 des Eingangsmultiplexers 52 ein positives Signal anliegt, ob also
die entsprechende Leuchtdiode 26' in der Anzeigematrix 62 angewählt ist.
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Zu diesem Zweck schaltet der Multiplexer 52 den Eingang 26 an den
positiven Eingang des Komparators 56. Durch Vergleich mit der am negativen Eingang
des Komparators 56 anliegenden Referenzspannung Uref. wird festgestellt, ob ein
positives Eingangssignal vorliegt. Falls dies der Fall ist, beaulschlagt der Komparator
56 das UND-Glied 57 mit einem Impuls.
Nach Jedem fortlaufenden
Umschalten des Zählers 51 von einer Zahl zunächst höheren, bzw. von 32 auf 1, wird
im Umschaltaugenblick vom Steuertaktdecoder ein Anzeigesperrimpuls auf den Spaltendecoder
54 gegeben. Dadurch wird über den Spaltenmultiplexer 61 ein evtl. von der Speicherdrossel
60 zu einer Leuchtdiode der Anzeigematrix 62 fließender Strom iD unterbrochen. Die
Spannung am Anschlußpunkt der Zenerdiode 64 steigt alsfgrund des blockierten Stromflusses.
Beim Erreichen der Durchbruchspannung Uz der Zenerdiode 64 wird der Reststrom von
iD über die Zenerdiode 64 abgeleitet.
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Hierdurch wird die evtl. wegen einer im vorausgehenden Takt leuchtende
Diode noch vorhandene Restenergie der Drossel 60 abgebaut. Es wird verhindert, daß
die gerade angesteuerte Leuchtdiode mit der Restenergie versorgt wird und dadurch
trotz evtl. Fehlens eines entsprechenden positiven Eingangsimpulses am Eingangsmultiplexer
52 in der Anzeigematrix 62 aufleuchtet.
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Nach diesem Anzeigesperrimpuls und dem dadurch erfolgten Energieabbau
gibt der Steuertaktdecoder 53 einen Impuls auf das UND-Glied 57 und bei gleichzeitigem
Anstehen eines positiven Komparator-Ausgangsimpulses wird der Ladeschalter 58 kurzzeit-'g
geschlossen (bei Nichterfüllung der UND;Bedingung am Gatter 57 bleibt der Ladeschalter
58 geöffnet). Die an dem einen Pol des Badeschalters 58 anstehende Spannung U+ wird
an die Speicherdrossel 60 gelegt.
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Es ergibt sich ein Stromfluß iD über die Drossel 60, den Spaltenmultiplexer
61 und die von ihm angewählte Leuchtdiode, hier beispielsweise Diode 26' und diese
Diode leuchtet auf. Die Speicherdrossel-Schaltung wirkt also als gesteuerte Stromquelle,
wie im folgenden anhand der Fig. 3 erläutert wird.
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Die in Fig. 3 dargestellten zeitlichen Verläufe des durch die Drossel
60 fließenden Stromes iD und der Spannung UD an der Drossel 60 gelten dabei filr
die isoliert zu betrachtende Anordnung Ladeschalter 58, Nulldiode 59, Speicherdrossel
60, Spaltenmulti)exer 61, Zeienmultiplexer 63 und Anzeigematrix 62. Während des
Zeitraumes a ist der Ladeschalter 58 geschlossen und die Spannung U+ liegt an der
Speicherdrossel 60.
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In dieser Zeit steigt der Strom iD in der Speicherdrossel 60 etwa
linear an. Nach Ablauf des Zeitraumes a wird der Ladeschalter 58 geöffnet. Die Drossel
hat eine bestimmte Energiemenge gespeichert, und der Stromfluß iD fließt über Spaltenmultiplexer
61, Anzeigematrix 62, Zeilenmultiplexer 63 und Nulldiode 59 während des Zeitraumes
b weiter, bis die gespeicherte Energie erschöpft ist.
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Der Betrag der Spannung UD an der Drossel 60 ist während des Zeitraumes
bsentlich geringer als während des Zeitraumes a,
so ergibt sich
ein wesentlich größerer Entlade zeitraum b als ein Ladezeitraum a. Wesentlich dabei
ist also, daß trotz kurzen Stromanstiegzeitraumes a einlanganhaltender Stromfluß
im Zeitraum b mit Hilfe der Speicherdrossel 60 ermöglicht wird.
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In den Fig. 4a bis e sind die zeitlichen Verläufe der interessierenden
Größen für den Zeitraum der Ansteuerung einer einzigen Leuchtdiode dargestellt.
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Fig. 4a zeigt die vom Taktgeber 50 ausgehenden Taktimpulse.
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In Fig. 4b sind die vom Steuertaktdecoder 53 an den Spaltendecoder
54 abgegebenen Sperrimpulse dargestellt, die in den Zeiträumen t1<t<t3, t1'<t<t3'
... auftreten.
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Fig. 4c zeigt die in den Zeiträumen t4=tgt5, t6otZt7, t4|-tKt5', t6tztGt78
... auftretenden Anzeigeimpulse.
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Das sind die vom Steuertaktdecoder 53 an das UND-Glied 57 abgegebenen
1-Signale, die bei gleichzeitigem Anstehen eines 1-Signals vom Komparator 56 am
weiteren Eingang des UND-Gliedes 57 den Steuerbefehl "Ladeschalter 58 schließen"
bewirken. Wenn in den Zeiträumen t4=tZt5 kein 1-Signal vom Komparator 56 abgegeben
wird, bleibt auch der Anzeigeimpuls aus (gestrichelte Linie).
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In Fig. 4d ist der zeitliche Verlauf des Stromes iD dargestellt. Der
Stromfluß iD beginnt zum Zeitpunkt t4,
vorausgesetzt ein Anzeige
impuls steht an. Der Strom steigt bis zum Zeitpunkt t5 etwa linear an und fällt
danach ab, wie unter Fig. 3 beschrieben (Ladeschalter 58 ist geöffnet).
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Zum Zeitpunkt t6 steht erneut ein Anzeigeimpuls an, der Ladeschalter
58 wird wiederum geschlossen. Bis zum Zeitpunkt t7 steigt der Strom erneut an und
fällt daiin bis zum Zeitpunkt t1 bis auf einen Reststrom ab. Obwohl der Ladeschalter
58 im Zeitraum t4.tXt1' nur jeweils kursgeschAossen ist, wird wegen der eingesetzten
Speicherdrossel-Schaltung ein permanenter Stromfluß ermöglicht. Dies hat den Vorteil
geringen Leistungsbedarfs.
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In Fig. 4e ist der zeitliche Verlauf der Spannung UA an der Anzeigematrix
62 bzw. an der gerade angewählten Leuchtdiode dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 steigt
die Spannung UA auf den Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode UZ, gleichzeitig
wird die Rest,energie der Speicherdrossel 60 im Zeitraum t1<t<t2 durch den
Reststrom (s. Fig. 4d) über die Zenerdiode 64 abgebaut.
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Im Zeitraum t4<t<t1' liegt eine positive Spannung UA an der
Anzeigematrix 62, die angewählte Leuchtdiode leuchtet auf. Wenn am entsprechenden
Eingang des Eingangsmultiplexers 52 jedoch kein positives Signal ansteht, haben
sowohl Strom iD als auch Spannung UA an der Anzeigematrix 62 den Wert Null (gestrichelte
Linie).
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Der beschriebene Vorgang läuft im betrachteten Ausführungsbeispiel
pro Abtastzyklus 32 mal ab (Abtastfrequenz 115 Hz), wobei Jede der 32 vorgesehenen
Dioden der Anzeigematrix 62 in der gleichen Weise zeitmultiplex angesteuert wird.
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Obwohl jede der Leuchtdioden der Anzeigematrix 62 trotz permanent
anstehenden Eingangssignales am Eingangsmultiplexer 52 aufgrund des Zeitmultiplex-Yerfahrens
nur Jeweils einen Bruchteil einer Sekunde aufleuchtet (hier beispielsweise ca. 30
80O sec) und danach für eine wesentliche längere Zeitperiode verlöscht (hier beispielsweise
ca. 1 sec), so erscheint eine derart angesteuerte Leuchtdiode dem menschlichen Auge
wegen der Trägheit der Netzhaut doch als permanent aufleuchtend.
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Durch eine Ausgestaltung der vorgestellten Einrichtung können mit
Jeder Leuchtdiode nicht nur die zwei Signalzustände Lampe hell und "lampe dlsnkelt,
sondern ein dritter Signalzustand "Lampe blinkt" angezeigt werden. Erreicht wird
dies, indem die Referensspannung Uref am negativen Eingang des Komparators 56 mit
einer Schaltfrequenz (von beispielsweise 15 Hz) ein- und ausgeschaltet bzw. umgeschaltet
wird.