-
Schaltungsanordnung zur Intensitätssteuerung von Leuchtdioden
-
in Leuchtdiodenfeldern.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Intensitätssteuerung
von Leuchtdioden in Leuchtdiodenfeldern für Bildwiedergabeeinheiten, insbesondere
für Ortungsgeräte.
-
Es ist bekannt, zur Anzeige von Informationen Leuchtdiodenfelder als
Bildwiedergabeeinheiten zu benutzen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Ortungsgeräte,
insbesondere Infrarotgeräte, bei denen anstelle von KathodenstrAhlröhren Bildwiedergabeeinheiten
aus einer Vielzahl von insbesondere zeilenförmig angeordneten Leuchtdioden (Leuchtdiodenfelder)
verwendet werden.
-
Die Ansteuerung der Leuchtdioden geschieht in bekannter Weise über
Verstärker, die eine dem darzustellenden Signal proportionale Spar.-nung erzeugen
und diese Spannung in einen Strom umsetzen, der wiederum der zu emittierenden Lichtstärke
der Leuchtdioden proportional ist.
-
In diesen Schaltungen wird normalerweise ein als Widerstand funktionierendes
Halbleiter-Element benutzt, welches in Reihe mit der jeweiligen Leuchtdiode (LED)
geschaltet ist. Bei der Ansteuerung der Leuchtdiode werden entsprechend dem darzustellenden
Signal diese Halbleiter-Widerstände verändert und dadurch eine entsprechende Helligkeitsmodulation
der Leuchtdioden hervorgerufen.
-
Diese Art der Steuerung hat vor allem den Nachteil, daß bei Anwendung
von Diodenfeldern die zur Steuerung notwendige Leistung ziemlich große Werte annehmen
kann.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Steuerleistungsaufwand
für Leuchtdiodenfelder möglichst klein zu halten und die Helligkeits-Variation möglichst
zu vereinfachen.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß die die Helligkeitsinformation darstellenden Steuersignale
Komparatoren zugeführt werden, an deren zweitem Eingang ein/u ñerator mit zeitabhängig
stetig ansteigender und/oder abfallender, als Referenzsignal dienender Ausgangsspannung
angeschlossen ist, derart, daß am Ausgang der Komparatoren eine Impulsfolge auftritt,
die in Abhängigkeit von der Größe der Steuerspannung/lem Tastverhältnis geändert
ist und als Leuchtdiodenspannung dient. Dadurch ergibt sich ein besonders guter
Wirkungsgrad in bezug auf den Leistungsverbrauch, weil keine verlustbehafteten Halbleiterelemente
zur Helligkeitssteuerung verwendet werden müssen. Die Erfindung ist somit besonders
vorteilhaft bei batteriebetriebenen Bildwiedergabeeinheiten anwendbar.
-
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
-
Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen werden nachfolgend anhand
von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 den Verlauf der Leuchtdiodenspannung
bei einem sägezahnförmigen Referenzsignal, Fig. 2 die Veränderung der Grundhelligkeit
mittels einer dem Referenzsignal überlagerten Gleichspannung Fig. 3 die Veränderung
der Dynamik durch Veränderung der Amplitude des Referenzsignals Fig. 4 mehrere Ausführungsformen
für verschiedene Funktionen der Referenzsignale Fig. 5 als Ausführungsbeispiel der
Erfindung eine Sohaltungsanordnung zur Erzeugung des Referenzsignals für die Ansteuerung
eines Leuchtdiodenfeldes.
-
In Figur 1 ist das Steuersignal US für eine kleine, mittlere und große
Helligkeit dargestellt. Bei kleiner Helligkeit sollen die Leuchtdioden (LED) eine
geringe, bei mittlerer Helligkeit eine mittlere und bei großer Helligkeit eine große
Steuerleistung erhalten. Erreicht wird dies dadurch, daß ein hier sägezahnförmig
gezeichnetes Referenzsignal UR von einem Funktionsgenerator erzeugt wird. Einzelheiten
der Schaltung sind in Fig. 5 beschrieben. Von dem Referenzsignal wird durch das
Steuersignal US mittels eines Komparators eine Rechteckimpulsfolge erzeugt, welche
als Leuchtdiodenspannung UL für die Ansteuerung der einzelnen Dioden des Leuchtdiodenfeldes
herangezogen wird. Im vorliegenden Beispiel ist angenommen, daß jeweils diejenigen
Teile des Referenzsignals UR die Breite der Impulse der Leuchtdiodenspannung UL
festlegen, welche unterhalb des Steuersignals US liegen. Dementsprechend ergibt
sich für kleine Steuersignale US ein kleines Tastverhältnis für die Leuchtdiodenspannung
UL (und damit eine kleine Helligkeit), für mittlere Steuersignale US ein mittleres
Tastverhältnis für die Leuchtdiodenspannung(und damit eine mittlere Helligkeit)
und für große Steuersignale ein großes Tastverhältnis für die Leuchtdiodenspannung
(und damit eine große Helligkeit). Die Amplituden der als Rechteckimpulse ausgebildeten
Leuchtdiodenspannungen UL sind konstant und die Helligkeit wird somit allein durch
die Größe der zwischenliegenden Pausen bestimmt. Bei kleiner Steuersignalspannung
US wird das Tastverhältnis auf sehr kleine Werte, z.B. 10 % gesenkt, während es
bei einem mittleren Steuersignal z.B. auf 50 96 und bei einem großen Steuersignal
z.B. auf 90 bis 100 , ansteigt. Es handelt sich praktisch um eine Art Puls-Längenmodulation
durch den Komparator.
-
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Art der Intensitätssteuerung
liegt darin, daß durch die Variation der Referenzspannung des Komparators der Kontrastumfang
und auch die Helligkeit des gesamten Bildwiedergabeteils mittels einer oder mehrerer
Hilfsspannungen zu beeinflussen ist. Durch die Erfindung ergibt sich somit auch
eine einfache Möglichkeit, die Grundhelligkeit des Leuchtdiodenfeldes, einzustellen.
Dies ist deshalb erforderlich, weil Jenach der Helligkeit in dem jeweiligen Arbeitsraum
eine unterschiedliche Grundhelligkeit erforderlich ist. Die Veränderung erfolgt
zweckmäßig in der
in Fig. 2 angedeuteten Weise, nämlich durch Hinzufügen
einer Hilfs-Gleichspannung zur Referenzspannung UR. Diese Hilfs-Gleichspannung ist
in Fig. 2 mit UGI bzw. UG2 bezeichnet. Wenn das Steuersignal US zwischen den Amplitudenwerten
USO und USU variieren kann, so gibt der linke Teil der Fig. 2 eine große Grundhelligkeit,
weil bereits relativ kleine Steuersignale US relativ große Tastverhältnisse erzeugen,
wie aus dem Vergleich mit Fig. 1 hervorgeht. Dagegen ergibt sich bei Hinzufügen
einer kleineren mittleren Hilfs-Gleichspannung UG1 zu dem eigentlichen Referenzsignal
UR eine nur noch mittlere Grundhelligkeit, weil kleinere Steuersignale US keine
oder nur noch eine sehr geringe Aktivierung der Leuchtdioden mit sich bringen. Eine
noch kleinere Grundhelligkeit, kann wie im rechten Teil der Fig. 2 angedeutet, durch
ein weiteres Vergrößern der Hilfs-Gleichspannung auf den Wert U02 erzeugt werden,
weil dann der Komparator noch weniger auf die ankommenden Steuersignale im Amplitudenbereich
zwischen USO und USU anspricht.
-
In vielen Fällen besteht darüber hinaus der Wunsch, auch die Dynamik
der Anzeige veränderbar zu gestalten. Dies bedeutet, daß entweder kleinere oder
größere Grenzwerte für die Dunkeltastung oder Hellstsuerung der Leuchtdiodenfelder
bzw. der einzelnen Leuchtdioden festgelegt werden sollen. Eine einfache Möglichkeit
hierfür zeigt Fig. 3, wo das Referenzsignal UR jeweils unterschiedliche Amplitudenwerte
aufweist. Im linken Teil ist die Dynamik von UR klein, weil die Amplituden-Variation
von UR geringer ist als der maximale Dynamikbereich des Steuersignals US, welcher
von USO bis USU reicht. Wenn die Amplitudenunterschiede des Steuersignals US genau
so groß sind, wie die Amplitudenunterschiede des Referenzsignals UR, so ergibt sich
eine mittlere Dynamik, wie im mittleren Teil der Fig. 3 gezeigt ist. Wird dagegen
die Amplituden-Variation des Referenzsignals UR größer gemacht als die maximale
Amplituden-Variation beim Steuersignal US, dann ergibt sich eine große Dynamik,
wie im rechten Teil der Fig. 3 gezeigt ist. Die Verstärkung für das Steuersignal
US ist im linken Teil der Fig. 3 groß, in der Mitte auf einem mittleren Wert und
im rechten Teil klein.
-
Erreicht kann diese Veränderung der Amplitudenwerte der Referenzspannung
und damit der Dynamik der Anzeige dadurch werden, daß der Funktionsgenerator mit
einer unterschiedlichen inneren Verstärkung, d.h. unterschiedlich großen Ausgangssignalen
betrieben wird.
-
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Änderung der Bewertung der
Steuersignalspannung und ihres Einflusses auf die Steuerung der Bildhelligkeit besteht
darin, die Funktion des Referenzsignals, d.h. dessen zeitabhängigen Verlauf zu verändern.
Beispiele hierfür sind in Fig. 4 angedeutet. Im oberen Teil ist für das Referenzsignal
UR eine sägezahnförmige bzw. dreiecksförmige Kurve gezeichnet.
-
In diesem Fall ist die Beziehung zwischen Steuersignal US einerseits
und Tastverhältnis der Leuchtdiodenspannung UL andererseits linear, wie aus einem
Vergleich mit Fig. 1 ersichtlich ist.
-
Benutzt man jedoch entsprechend den mittleren Teil der Fig. 4 eine
nichtlineare, insbesondere logarithmische Funktion der Referenzspannung UR in Abhängigkeit
von der Zeit, beispielsweise Parabelabschnitte oder sonstige logarithmische Kurven,
so kann eine entsprechende nichtlineare Bewertung der Steuersignale US vorgenommen
werden. Der Zusammenhang zwischen dem Steuersignal US und dem Tastverhältnis der
Leuchtdiodenspannung UL für die Aktivierung der Leuchtdioden ist damit nicht mehr
linear sondern z.B. logarithmisch.
-
Darüber hinaus ist auch ein komplexer Verlauf der Referenzspannung
UR für manche Anwendungsfälle zweckmäßig, wie er im unteren Teil der Fig. 4 gezeichnet
ist. Durch entsprechende Auslegung des Funktionsgenerators und durch entsprechende
Bedienungsmittel für die Beeinflussung der jeweiligen Zeitfunktion der Referenzsignale
UR lassen sich somit in einem großen Umfang die Anforderungen an die jeweilige Betriebsweise
der Bildwiedergabeeinheiten erfüllen. Die Referenzsignale haben in allen Fällen,
zumindest in einem Teilbereich einen zeitlich stetig ansteigenden und/oder stetig
abfallenden Spannungsverlauf.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 werden die z.B. von einem
Infrarot-Empfänger gelieferte n-kanaligen Steuersignale US1, US2 bis USn für die
Bildhelligkeit jeweils Komparatoren K1 bis Kn zugeführt. Diesen Komparatoren sind
Treibstufen (Verstärker) TR1 bis TRn nachgeschaltet, deren Ausgangssignal die Helligkeit
von Leuchtdioden LD1 bis LDn bestimmt. Diese Leuchtdioden bilden ein Leuchtdiodenfeld,
d.h. eine Vielzahl von zeilenförmig angeordneten Leuchtdioden.
-
Die Referenzspannung UR wird von einem Funktionsgenerator FG erzeugt
und dem zweiten Eingang der Komparatoren K1 bis Kn zugeführt.
-
Diese Komparatoren liefern an ihrem Ausgang die rechteckförmigen,
in Fig. 1 mit UL bezeichneten Leuchtdiodenspannungen, welche nach der Verstärkung
durch die Treiberstufen TR1 bis TRn den Leuchtdioden DL1 bis DLn zugeleitet werden
und diese verlustfrei aktivieren. Der Funktionsgenerator FG wird durch einen Taktgeber
TG angesteuert, welcher die Taktfrequenz der Referenzsignale UR festlegt.Die Frequenz
des Taktgebers TG soll ein Vielfaches der höchsten Bildpunktfrequenz betragen. Mit
den Elementen K1 bis Kn, TR1 bis TRn, FG und TG kann die in Fig. 1 dargestellte
Erzeugung der Leuchtdiodenspannung UL mit unterschiedlichen Tastverhältnissen durchgeführt
werden. Die weiteren Schaltungsteile ermöglichen den Betrieb, wie er in den Figuren
2 und 3 erläutert ist.
-
Uber einen Sensor SE1 kann zusätzlich die Intensität des Umgebungslichts,
d.h. die Raumhelligkeit bestimmt werden, während ein weiterer Sensor SE2 mit der
mittleren Leuchtdichte aller Leuchtdioden des Leuchtdiodenfeldes beaufschlagt wird.
Beide durch die Sensoren SE1 und SE2 gewonnenen Werte werden einem Differenzverstärker
DF zugeleitet, dessen Ausgangssignal auf einen Summierverstärker AV1 gegeben wird.
Mittels eines einstellbaren Potentiometers PM1 kann diesem Summierverstärker AV1
eine einstellbare Bezugsspannung zugeleitet werden, so daß der Einfluß der vom Differenzverstärker
DF gelieferten Differenzspannung größer oder kleiner gehalten werden kann. Die am
Ausgang des Summierverstärkers AV1 anstehende Gleichspannung wird dem Funktionsgenerator
FG zugeleitet und dort als Hilfs-Gleichspannung UG1 bzw. UG2 dem Referenzsignal
UR in der in Fig. 2 erläuterten Weise hinzugefügt. Damit kann die mittlere
Grundhelligkeit
der Bildwiedergabeeinrichtung beeinflußt werden.
-
Zur Einstellung der Dynamik dient ein Potentiometer PM2, das die Amplitude
der Referenzspannung UR einzustellen gestattet und damit die in Fig. 3 dargestellte
Betriebsweise realisierbar macht.
-
Im vorliegenden Beispiel ist eine automatische Nachstellung des Dynamikbereichs
vorgesehen. Hierzu sind die im unteren Teil der Fig. 5 dargestellten Schaltungsteile
vorgesehen. Die Steuerspannungen US1 bis USn gelangen über einen Summierverstärker
AV3 auf einen Gleichrichter GR, dem parallel zwei RC-Glieder den RC1 und RC2 nachgeschaltet
sind.
-
Die Änderung des Dynamikumfangs wird durch den Ausgang des RC-Gliedes
RC2 mit der Zeitkonstanter2 (zur Unterdrückung kurzzeitiger Schwankungen) gesteuert,
welcher mit einem Summierverstärker AV2 verbunden ist. Der zweite Eingang dieses
Summierverstärkers AV2 ist über das einstellbare Potentiometer PM2 mit einer entsprechenden
Vergleichsspannung versorgt. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers AV2 wird
dem Funktionsgenerator FG zugeleitet und beeinflußt diesen so, daß die Amplitude
des Referenzsignales UR entsprechend verändert wird.
-
Das RC-Glied RC1 mit der Zeitverzögerungtl liefert sein Ausgangssignal
einem dritten Eingang des Summierverstärkers AV1, welcher in der bereits beschriebenen
Weise die Grundhelligkeit der Bildwiedergabeeinheit verändert. Die Zeitkonstantetl
ist so gewählt, daß schnelle Änderungen, z.B. durch Rauschen und ähnliches nicht
in eine Helligkeitsänderung umgesetzt werden; diese Zeitkonstante muß also entsprechend
hoch gewählt werden.
-
Die An- und Abschaltung der Leuchtdioden wird zweckmäßig pro darzustellenden
Bildpunkt mehrfach vorgenommen.
-
Die Amplitude des Referenzsignals wird zweckmäßig etwa gleich der
Amplitude der höchsten Leuchtdiodenspannung gewählt. Dies hat den Vorteil, daß im
wesentlichen der ganze Amplitudenbereich des Referenzsignals für die Dynamik zur
Verfügung steht.
-
Wesentlich ist dabei für den Anwendungsfall bei Leuchtdiodenfeldern,
daß die Referenzspannung gemeinsam für alle notwendigen Komparatoren des Bildwiedergabeteils
benutzt werden kann.
-
Die Stellglieder PM1 und PM2 in Fig. 5 können zweckmäßig von Hand
bedient werden, wozu entsprechende hier nicht dargestellte Einstellknöpfe vorzusehen
sind.
-
8 Ansprüche 5 Figuren