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Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung
von Leuchtdioden mit Spannungssignalen und einem Vorwiderstand und kann zur optischen
Anzeige mit Leuchtdioden, beispielsweise Leuchtmelder, und zur potentialgetrennten
Übertragung digitaler Signaie mit Optokopplern verwendet werden.
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Auf dem Gebiet der Signalübertragung mit galvanischer Trennung sind
je nach Anwendungsfall verschiedene Lösungsmöglichkeiten allgemein bekannt. Die
Signalübertragung kann beispielsweise mittels eines Relais, einer Feldplatte, einer
Glimm- bzw Glühlampe mit zugeordnetem Lichtempfänger, einer Leuchtdiode mit zugeordnetem
Lichtempfänger oder, allerdings nur bei Wechselstrom-Signalen, mittels eines Transformators
erfolgen.
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Auf dem spezielleren Gebiet der Signalubertrang mittels Leuchtdiode
und zugeordnetem lichtempfänger sind vielfältige Arten von Optokopplern allgemein
bekannt, die als Koppelelement in einer Baueinheit sowohl die ieuchtdiode als auch
den Lichtempfänger, meist einen Fototransistor, eine Fotodiode oder einen Fotowiderstand)enthalten.
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In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Leuchtdiode
1 mit Gleichspannungssignalen dargestellt, wie sie zur Zeit als optimale Lösung
angesehen wird. Die Signalspannung liegt zwischen Eingangsklemmen 2 und 3. Um einen
guten statischen Störspannungsabstand im O-Signal-Bereich zu erreichen, ist eine
Zenerdiode 4 in den Strompfad für die Leuchtdiode 1 geschaltet. Damit wird eine
definierte Mindestspannung festgelegt, die notwendig ist, bevor ein Stromfluß über
die Leuchtdiode 1 zustande kommt. Ein Widerstand 5 ist zur Begrenzung des Leuchtdiodenstromes
im gesamten Eingangssignalbereich eingesetzt. Ein weiterer Widerstand 6 leistet
eventuelle Sperrströme der Zenerdiode 4 ab. Widerstand 7 dient als sogenannte Vorlast,
die bewirkt, daß bei kleinen Signalspannungen zwischen den Eingangsklemmen 2, 3
bereits ein Mindeststrom fließt, was zum Abbau statischer Störströme im O-Signal-Bereich
erforderlich ist. Der Leuchtdiode 1 ist ein Lichtempfänger 8 zugeordnet.
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Diese bekannte Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß ihr Eingangswiderstand
bei kleinen Signalspannungen höher als bei größeren Signalspannungen ist. Es genügen
geringe Störströme, um trotz Vorliegen eines O-Signals eine kritische Spannung aufzubauen.
Der als Vorlast dienende Widerstand 7 nimmt Verlustleistung auf, die insbesondere
dann größere Werte annimmt, wenn durch die Wahl dieses Widerstandswertes dem eingangs
genannten Nachteil entgegengewirkt werden soll.
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Leuchtdioden und Optokoppler haben in nachteiliger Weise große Exemplarstreuungen,
bedingt durch Toleranzen bei Herstellung, Alterung und Temperatureinfluß. Hieraus
ergeben sich sehr unterschiedliche Mindestströme für die Leuchtdiode zum sicheren
Übertragen eines Signalzustandes. Diejenige Eingangsspannung, ab der eine Signalübertragung
stattfindet, ist dadurch von Leuchtdiode zu Leuchtdiode bzw. von Koppler zu Koppler
sehr verschieden. Es ergibt sich ein großer Signalspannungsbereich, in dem ungewiß
ist, ob eine Übertragung stattfindet oder nicht. Dies vermindert den statischen
Störspannungsabstand.
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Optokoppler besitzen im allgemeinen kein eindeutiges Schaltverhalten,
sondern weisen in ihrer Übertragungskennlinie einen großen linearen Bereich auf.
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Bei langsamen Ansteigen der Signalspannung, d.h. bei flacher Anstiegsflanke,
nimmt auch die Helligkeit der Leuchtdiode langsam zu. Der Lichtempfänger durchläuft
dabei einen aktiven Bereich.
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Bereits geringe Oberwelligkeit der Signalspannung erzeugt daher eine
Schwingneigung, die dann zusätzlich von der nachgeschalteten Auswerteanordnung unterdrückt
werden muß. Dies ist besonders bei gleichgerichteter Wechselsignalspannung, d.h.
pulsierender Gleichspannung, von nachteiliger Wirkung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur optimalen Ansteuerung von Leuchtdioden zu entwickeln, bei der trotz der auftretenden
großen Exemplarstreuung bei Leuchtdioden genaue definierte Ansteuerspannungen ermöglicht
und ein hoher statischer Störspannungsabstand erzielt werden und bei der dabei die
Verlustleistung gegenüber bekannten Schaltungen reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgenzß dadurch gelöst, daß die zwischen
Eingangsklemmen liegende Signalspannung einer Leuchtdiode savie einem parallel hierzu
liegenden spannungsgesteuerten Schalter zugeführt ist und daß die Steuereingänge
des spannungsgesteuerten Schalters mit der an einem Vor-und DIeDsiderstand der Leuchtdiode
abfallenden Spannung sowie mit der an einem nichtlinearen Referenzelement liegenden
Spannung beaufschlagt sind, wobei das Referenzelement zwischen den Eingangsklemmen
angeordnet ist.
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Vorzugsweise besteht das Referenzelement aus der Reihenschaltung eines
es Referenz-Widerstand mit einer Referenz-Zenerdiode Als spannungsgesteuerter Schalter
wird insbesondere ein Transistor eingesetzt.
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Durch Vorschllten von einem oder mehreren Widerständen oder einer
anderen Strombegrenzungsschalttmg kann der Eingangs spannungsbereich beliebig angepaßt
werden.
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Zur Kopplung von Wechselspannungssignalen ist eine Gleichrichteranordnung
und zur Unterdrückung von dynamischen Störsignalen eine Widerstands-Kondensator-Filteranordnung
vorgeschaltet.
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Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Schaltung einen gleichbleibenden Eingangswiaerstand aufweist, der unabhängig
von der Eingangs-Signalspannung ist. Die Verlustleistung ist
minimal,
da der gesamte Signalstrom der Leuchtdiode zur Verfügung steht.
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Exemplarstreuungen von Leuchtdioden und Optokopplern bleiben ohne
Einfluß, da die Leuchtdiode in definierter Weise zu- und abgeschaltet wird. Durch
den Einsatz des spannungsgesteuerten Schalters lassen sich die Schaltschwellen sehr
genau einstellen.
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Als Vorteile ergeben sich ferner große Störspannungsabstände und ein
nur kleiner Bereich, in dem der Signalzustand undefiniert ist. Auch bei Oberwelligkeit
der Signalspannung liegen eindeutige Signalzustände vor, d.h.
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es tritt kein Schwingen auf. Bei Anlegen pulsierender Gleichspannung
wird von der Leuchtdiode ein eindeutiges Signal übertragen. Die Schaltung )itrnt
in vorteilhafter Weise mit wenigen Bauelementen aus.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnung
erläutert.
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Es zeigen: Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung, Fig. 3 die Schaltzustände des spannungsgesteuerten Schalters,
Fig. 4 eine schaltungstechniscll realisierte erfindungsgemäße Anordnung.
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In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung
von Leuchtdioden dargestellt. Die Signalspannung liegt zwischen Eingangsklemmen
9 und 10 an. Zwischen den Klemmen 9 und 10 sind ein Referenz-Widerstand 11 und in
Reihe hierzu eine Referenz-Zenerdiode 12 angeordnet, wobei die Zenerdiode 12 anodenseitig
an Klemme 10, kathodenseitig am Widerstand 11 liegt.
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Eine Leuchtdiode 13 ist über ihren anodenseitigen Anschluß mit der
Klemme 9, über ihren kathodenseitigen Anschluß mit einem Vor- und Meßwiderstand
14
verbunden. Der Widerstand 14 liegt mit seinem weiteren Anschluß
an Eingangsklemme 10.
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Ein spannungsgesteuerter Schalter 15 ist mit seinem Schaltelertent
parallel zur Leuchtdiode 13 angeordnet. Seine Steuereingänge liegen an der Verbindung
zwischen Referenz-Widerstand 11 und Referenz-Zenerdiode 12 sowie an der Verbindung
zwischen Vor- und Meßwiderstand 14 und Leuchtdiode 13.
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Der Leuchtdiode 13 kann zur potentialgetrennten Übertragung digitaler
Signale ein Licht; fänger 16, hier ein Fototransistor zugeordnet sein. Dom Lichtempfänger
16 ist dann eine nicht dargestellte S~gnal,aufb=ereitungsanordnung nachgeschaltet.
Leuchtdiode 13 und zugeordnete Licbtenpfänger 16 werden als Optokoppler 17 bezeichnet.
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Die an der Referenz-Zenerdiode 12 abfallende Spannung ist mit U1,
die am Vor- und Meßwiderstand 14 entstehende Spannung mit U2 und die am Referenz-Widerstand
11 abfallende Spannung mit U3 gekennzeichnet. Die sich aus U1 und U3 zusammensetzende
Spannungssumme entspricht also stets der zwischen den Klemmen 9 und 10 anliegenden
Signalspannung.
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Wesentliches Kennzeichen der Erfindung ist somit die Einführung des
spannungsgesteuerten Schalters 15 zur Ansteuerung der Leuchtdiode 13. Dieser Schalter
15 gibt je nach Höhe der vorliegenden Signalspannung den Stirreg über die Leuchtdiode
13 frei oder überbrückt ihn.
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In Fig. 3 sind hierzu die Schaltzustände des spannungsgesteuerten
Schalters 15 dargestellt. Der Schalter 15 greift über seine Steuereingänge, die
an dem Referenz-Widerstand 11, die an der Referenz-Zenerdiode 12 sowie die am Vor-
und Meßwiderstand 14 liegenden Spannungen ab. Solange die Spannung U2 kleiner als
die Referenzspannung U1 ist, bleibt der Schalter 15 geschlossen. Die Leuchtdiode
13 ist überbrückt und bleibt stromlos.
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Erhöht sich die Signalspannung und damit ebenfalls die Spannung U2
auf einen Wert, der größer als der Wert der Spannung U1 an der Zenerdiode 12
IStr
so wird der spannungsgesteuerte Schalter geöffnet. In diesem Augenblick übernimmt
die Leuchtdiode 13 den vollen Strom, der durch den Vor-und Meßwiderstand 14 begrenzt
wird. Sie sendet Licht an den Lichtenpfänger 16 aus, womit eine einwandfreie digitale
Kopplung bewerkstelligt werden kann.
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Das Schaltelement des Schalters 15 wird also geöffnet, sobald die
eingangsseitig anliegende Signalspannung einen spezifischen Schwellwert überschreitet.
Bei einem Absinken der Signalspannung ergibt sich ebenfalls ein eindeutiges Schaltverhalten.
Das Schaltelement des Schalters 15 wird geschlossen, sobald die Signalspannung einen
spezifischen Schwellwert unterschreitet, d.h. sobald die Spannung U2 kleiner als
die Spannung U1 wird.
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Die Leuchtdiode 13 wird somit durch das geschlossene Schaltelement
überbrückt und erlöscht.
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Anstelle der Zenerdiode 12 kann auch ein anderes nichtlineares Bauelement
eingesetzt werden.
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Die Bemessung des Vor- und Meßwiaerstandes 14 geschieht in der Weise,
daß bei Zuschalten der Leuchtdiode 13 soviel Strom fließt, um auch beim ungünstigsten
Optokoppler bzw. bei der ungünstigsten Leuchtdiode noch ein eindeutiges Signalverhalten
zu gewährleisten. Anstelle des Vor- und Neßwiderstandes 14 kann auch eine konstant
stromaufnebmende Anordnung verwendet werden, was den Vorteil konstanter minimaler
Verlustleistung bei unterschiedlichen Signalspannungswerten zur Folge hat.
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Die Schaltschwellen werden durch die Referenz-Zenerdiode 12 bestimmt.
Da dieses Bauelement mit geringer Toleranz herstellbar ist, wird eine sehr genaue
Berechnung und Einstellung dieser Schaltschwellen ermöglicht. Die Verlustleistung
der Anordnung wird von dem Eigenstroedarf des spannungsgesteuerten Schalters 15,
der Verlustleistung des Vor- und SleßWsiderstandes 14 sowie der Eefr-czieirnte 11,
12 und der kleiner Durchlaßspannung der Leuchtdiode 13 bestimmt.
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In Fig. 4 ist eine schaltungstechnisch realisierte erfindungsgernäße
Anordnung dargestellt. Eingangsklemmen 9 und 10, Referenz-Widerstand 11, Referenz-Zcnerdiode
12, Leuchtdiode 13 sowie Vor- und Meßwiderstand 14 sind in der gleichen Weise wie
unter Fig. 2 angeordnet.
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Ein Transistor 18 liegt mit seiner Basis an der Verbindung zwischen
hTiderstand 11 und Zenerdiode 12. Sein Kollektor ist über eine Zenerdiode 19 mit
der Eingangsklermv3 9 und direkt mit der Leuchtdiode 13 verbunden, während sein
Emitter der Verbindung zwischen Leuchtdiode 13 und Widerstand 14 zugeführt ist.
Die Zenerdiode 19 liegt dabei anodenseitig am Transistor 18, kathodenseitig an Klemme
9 und weist eine geringe Durchbruchspannung auf.
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Der spannungsgesteuerte Schalter aus Fig. 2 wird durch den Transistor
18 dargestellt, der in Abhängigkeit des Spannungsabfalles am Vor- und Meßwiderstand
14 die Leuchtdiode 13 überbrückt oder frei gibt.
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Die Zenerdiode 19 sorgt dabei fur einen konstanten Strom durch die
Referenzelemente 11 und 12 bzw. für die Basis des Transitors 18, es wird somit gewäurleistet,
daß auch bei sehr kleinen eingangsseitigen Signalspannungen Zuerst die Leuchtdiode
13 durch den durchgesteuerten Transistor 18 überbrückt wird.
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Beim Einsatz von Leuchtdioden 13 mit geringer Durchlaßspannung ist
eine Diode 20 zwischen Kollektoranschluß des Transistors 18 und der Leuchtdiode
13 angeordnet.
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Wenn ein großer Eingangs-Signalspannungsbereich gefordert wird und
mit dem Auftreten einer negativen Basis-Emitterspannung gerechnet werden muß, wird
der Transistor 18 durch eine parallel zur Basis-Emitterstrecke liegende Diode 21
und einen zwischen Basisanschluß und Zenerdiode 12 angeordneten Widerstand 22 geschützt.
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Zur Verwendung der Schaltung nach Fig. 2 und 4 für Wechselspannungssignale
wird ein Gleichrichter vorgeschaltet, zum Erzielen von dynamischer Störsicherheit
lassen sich geeignete Filterschaltungen, bestehend aus Kondensatoren und Widerständen,
einsetzen.
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Die gesamte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. einzelne Teile
von ihr können in integrierter Technik ausgeführt werden.