DE2925692A1

DE2925692A1 - Lichtemissionsdioden-anzeigeanordnung

Info

Publication number: DE2925692A1
Application number: DE19792925692
Authority: DE
Inventors: Yasuo Okuno
Original assignee: Zaidan Hojin Handotai Kenkyu Shinkokai
Current assignee: Zaidan Hojin Handotai Kenkyu Shinkokai
Priority date: 1978-06-29
Filing date: 1979-06-26
Publication date: 1980-01-10
Also published as: US4298869A; JPS556687A

Description

zum Patentgesuch

der Fa. Zaidan Ho j in Handotai Kenkyu Shinkokai, Kawauchi, Sendai-shi, Miyagi-ken, Japan

betreffend:

"Lichtemissionsdioden-Anzeigeanordnung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtemissionsdioden-Anzeigeanordnung und ihre Verwendung.

Die Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung soll insbesondere in der Lage sein, eine große Quantität farbigen Lichtes zu emittieren.

Gegenwärtig beruhen die meisten farbiges Licht emittierenden Anzeigeanordnungen auf einer Kombination aus thermische Strahler enthaltenden Lampen und Farbfiltern oder auf Gasentladungszeichen. Dar Leistungswirkungsgrad dieser konventionellen Farblichtemissionssystema ist jedoch sehr schlecht. Darüberhinaus erfordert eine thermisch strahlende Lampe als Lichtequelle eine sehr hohe Temperatur in ihrem lichtemittierenden Bereich und hat deshalb eine kurze Lebensdauer, so daß in relativ kurzen Zeitabständen ein Austausch erforderlich ist. Bei Verkehrssignallampen, die dauernd in Betrieb sind, beträgt die Lebensdauer der entsprechenden Lichtquellen weniger als ein Jahr.

In letzter Zeit wurden deutliche Verbesserungen bei Halbleiter-Lichtemissionsdioden hinsichtlich Wirkungsgrad und Lebensdauer erzielt.

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Auch die Zahl der verfügbaren Typen ist größer geworden. Halbleiter-Lichtemissicaisdioden werden jedoch gegenwärtig nur für Anzeigezwecke auf Tafeln benutzt, etwa bei elektronischen Geräten, werden jedoch kaum verwendet als Lichtemissionskoirponenten in größerem Maßstabe.

Halbleiterlichtemissicnsdioden sind im allgemeinen wegen ihrer großen Helligkeit anerkannt, weisen jedoch nur eine geringe Lichtemissionsmenge pro Stück auf, und sie sind mit einer niedrigen Gleichspannung anzusteuern. Femer werden Lichtemissionsdioden üblicherweise hergestellt aus einem zusammengesetzten Halbleitermaterial mit einer breiten Energielücke, und das Material weist einen Schwellenspannungswert entsprechend seiner Zusammensetzung auf. Solche bekannten Dioden zeigen einen scharfen Stromanstieg bei Anlegen einer Spannung oberhalb des Schwellenspannungswertes. Demgemäß erfordert die Ansteuerung einer bekannten Lichtemissicnsdiode das Vorsehen einer Leistungs- bzw.Stronbegrenzungskonponente der einen oder anderen Art. Aus diesem Grunde erfordert der gleichzeitige Betrieb einer großen Zahl von Lichtemissionsdioden komplizierte Leistungsquellen, was zu hohen Herstellungskosten führt mit der Folge eines schlechten Wirkungsgrades in der Praxis. Demgemäß wurden bisher bekannte Halbleiterlichtemissicnsdioden nicht als geeignet angesehen, in gewöhnlichen Lichtemissionsanzeigeanordnungen, abgesehen von Spezial2wecken, verwendet zu werden.

In jüngster Zeit jedoch wurden, wie oben erwähnt, der Leistungswirkungsgrad und die Lebensdauer von Lichtemissicnsdioden in einem Maße gesteigert, daß sie diesbezüglich günstiger sind als thermisch strahlende Lampen. Beispielsweise kann eine Rotlicht emittierende Diode aus Galium-Aluminium-Arsenid, hergestellt von der Firma Stanley Electric Co. Ltd., Japan, Licht'von 65o nm Wellenlänge mit etwa 2,35 cd/Watt erzeugen. Insbesondere im Falle von Farblichtanzeigen kann von der gesamtenEmission einer thermisch strahlenden Lampe nur ein kleiner Teil wirklich verwertet werden, während eine Lichtemissionsdiode in der Lageist, Lichtstrahlen nur der gewünschten Wellenlänge zu emittieren. Demgemäß wird der relative Wirkungsgrad einer Lichtemissionsdiode im Vergleich mit einer thermisch

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strahlenden Lanpe sehr viel besser sein.

Jene Faktoren, die die Herstellung von Llchtemissionsdiodenanzeigen in großem Umfange behindert haben, sind das Problem der Leistungsversorgung und damit im Zusairnenhang stehend die Herstellungskosten.

Un eine sichtbares Licht emittierende Diode anzusteuern, wird eine Durchlaßspannung von etwa 1,5 V bis etwa 4 V benötigt, was abhängt von der Wellenlänge des emittierten Lichtes und dem verwendeten Halbleitermaterial. Bei einer exzessiv niedrigen Spannung emittiert die Diode kein Licht, während bei Anlegen einer exzessiv hohen Spannung ein Überstrom entsteht, der zur Zerstörung der Diode führt. Deshalb ist es nicht möglich, eine Diode oder Dioden direkt aus den am weitesten verbreiteten Ieistungsquellen anzusteuern, wie etwa aus dem üblichen Stromversorgungsnetz, Kraftfahrzeugbatterien oder Fahrraddynamos.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine LichtemissionsdiodananZeigeanordnung zu schaffen, die von einer einfachen Stromversorgung aus betrieben werden kann. Dabei soll selbst bei Auftreten eines Fehlers einer oder einiger der Diodenkomponenten die Anzeige gleichwohl arbeiten können, ohne daß ein deutlicher Abfall der Funktion bemerkbar wird. Die Anzeigeanordnung soll eine hohe Lebensdauer, niedrigen Leistungsverbrauch und große Helligkeit aufweisen.

Die Anzeigeanordnung soll in bisher mit thermisch strahlenden Lampen bestückten, im übrigen konventionellen Farblicht emittierenden Anzeigeanordnungen verwendbar sein, ohne daß die Grundstruktur derselben verändert wird.

Die Lösung der obigen Aufgabe ergibt sich aus dem Hauptansprüchen und den ihnen jeweils nachgeordneten Uiteransprüchen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lichtemissicnsdiodenan Zeigeanordnung vorgeschlagen mit einer Mshrzahl von Lichtemissicnsdiodeneinheiten, die zueinander parallelgeschaltet sind, wobei jede Einheit ihrerseits aus

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einer Serienschaltung von Lichtemissionsdioden besteht. Die Serienschaltung von Lichtenässionsdioden entßglicht in bequerrer Weise die Verwendung einer Leistungsquelle entsprechenderSpannungf etwa die übliche Netzwechselspannung. Die Parallelschaltung der Diodeneinheiten verhindert das Erlöschen der Anzeige durch eine einzelne Unterbrechung und führt damit zu einer fehlersicheren Anzeige. Die Gesamtanzahl von Lichtemissionsdioden bewirkt eine hellfarbig leuchtende Anzeige. Eine Strombegrenzungskomponente kann in jeder Einheit in Serie mit den betreffenden Lichtemissic dioden vorgesehen sein, und solche Komponenten können von einem Wider stanc oder einem Stromsättigungstransistor gebildet sein. Ein Vollwellengleichrichter kann zwischen die Eingangsklemme und die Parallelschaltung der Diodsneinheiten gelegt. Auch ein Glättungskreis kann an den Vollwellengleichrichter angeschlossen sein. Darüberhinaus kann einelächtemissionsdiodenanzeige geschaffen werden, die mit Wechsel- oder Gleichspannung angesteuert werden darf, indem man die Zahl der Lichtemissionsdioden entsprechend bemißt, die jeweils in Serie liegen. Das Stromversorgungssystem bei konventionellen Farblicht emittierenden Anzeigen, etwa bei Verkehrssignalen, kann unmittelbar verwendet werden, indem einfach die Diocfenanzeigeeinheiten in einem GShäuse untergebracht werden, das die konventionelle Lampenfassung aufweist.

Ein Vollwellengleichrichterkreis und ein Auflade-Entlade-Kreis können im gleichen Gehäuse untergebracht werden Lichtemissionsdiodenanzeigen entsprechend der vorliegenden Erfindung bieten zahlreiche Vorteile, wie niedrigen Leistungsverbrau'ch, lange Lebensdauer und leichte Iteparatur.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 A bis 1 C sind schematische Diagramme und zeigen Beispiele von Farblichtemissicnsanzeigen unter Anwendung der vorliegenden Erfindung,

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Fig. 1D und 1E sind Diagramme, wcfoei Fig. 1D das Stromspannungsdiagramm und 1E die Lichtintensität in Abhängigkeit van Strom einer Lichtemissionsdiode darstellen,

Fig. 2A bis 2E sind SchaltkreisdiagramitE von Grundausführungsforman der Erfindung,

Fig. 3A bis 3G sind Diagramme von Spannungs- und Stromwellenformen zur Erläuterung des Betriebes der Ausführungsformen gemäß Fig. 2A bis 2E und Fig. 4A,

Fig. 4A ist ein Schaltkreisdiagramm einer weiteren Grund

ausführungsform, während Fig. 4B die Stromspannungscharakteristik eines Feldeffekttransistors darstellt, der in der Schaltung nach Fig. 4A Anwendung findet,

Fig. 5A bis 5C sind schematische Schnittdarstellungen, ein

Schaltungsdiagramm bzw. eine schematische Draufsicht auf eine Lichtemissionsdiodenlampe entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6A bis 6D sind schematischer Schnitt, Schaltungsdiagraittti, Draufsicht bzw. Teilschnitt einer Lichtemissionsdiodenlampe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7A bis 7C sind schematische Diagramms zur Darstellung verschiedener Anordnungen von Lichtemissionsdiodeneinheiten, und

Fig. 8A und 8B sind schematische Diagramms zur Darstellung einer Kombination von Lichtemissionsdioden mit einem Abdeckglas.

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Die Figuren 1A bis 1C zeigen Beispiele für Beleuchtungskörper in Form von Verkehrs- oder Straßensignalen, unter Anwendung der vorliegenden Erfindung. Figur 1A zeigt ein Beispiel, bei dem eine Signallampe 1 und ein mit schriftlichen Informationen versehenes Schild 2 zu einer integralen Signaleinheit kombiniert sind. Die Signallampe 1 bildet eine Anzeige durch farbiges Licht und das Schild 2 trägt Gruppen von Punktlichtquellen in Matrix- oder Segmentform, womit Informationen wie Ortnamen, Wetterbedingungen, das Auftreten eines Unfalls und/oder Verkehrsstauungen angezeigt werden können. Figur IB zeigt ein Beispiel eines stationären Beleuchtungskörpers, bei dem es sich um ein Straßensignal zur Signalisierung einer Einbahnstraße handelt. Das zentral angeordnete Rechteck 3 ist ein Teil weißer Farbe und die umgebende Fläche 4 imitiert rotes Licht. Der zentrale, rechteckige Teil 3 kann so ausgebildet sein, daß auch er Licht imitiert. Figur 1C zeigt ein beschriftetes Informationsschild und weist einen Aufbau, ähnlich dem Schild 2 gemäß Figur 1A auf. Das Anzeigeschild nach Figur 1C kann so ausgebildet sein, daß der Anzeigeteil, welcher besondere Aufmerksamkeit des Betrachters erfordert, eine rote Wiedergabe liefert, während die verbleibenden Angaben in gelber oder grüner Farbe ausgestrahlt werden. Hier ist festzuhalten, daß eine einzige, aus Licht imitierenden Dioden bestehende Anzeigefläche eine Mehrzahl von farbigen Lichtern liefern kann, da jede einzelne, Licht imitierende Diode sehr klein ist und eine Vielzahl Licht imitierender Dioden auf einer kleinen Fläche untergebracht werden kann. Beispielsweise kann die Signallampe 1 nach Fig. 1A eine dreifarbige Anzeige bewirken.

In der Vergangenheit bestanden die Lichtquellen solcher Beleuchtungskörper meist aus thermisch strahlenden Lampen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Lichtquellen von Licht imitierenden Dioden gebildet, um den Leistungswirkungsgrad und die Wirkungsdauer zu verbessern und damit eine Anzeigeeinrichtung zu schaffen, die elektrische Leistung einspart und größere Sicherheit bietet sowie kostengünstig herstellbar ist.

Viele farbige Licht imitierende Anzeigeeinrichtungen, insbesondere Verkehrssignallampen und Straßenschilder sollen kontinuierlich über ausgedelinte Zeitperioden in Betrieb sein. Deshalb ist es wünschenswert, daß diese Einrichtungen

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eine möglichst große Lebensdauer aufweisten. Es ist auch wünschenswert, daß selbst dann, wenn ein teiweises Versagen der Einrichtung erfolgt, sie gleichwohl eine Mindestanzeige des gewünschten Zeichens oder der Information abzulesen gestattet und daß die Reparatur leicht und schnell erfolgen kann. Die aus Licht imitierenden Dioden gemäß vorl%ender Erfindung aufgebaute Anzeigeeinrichtung erfüllt diese Forderungen.

Gegenwärtig haben Licht imitierende Dioden einen Entwicklunasstand erreicht, daß die Farben des von ihnen imitierten Lichtes im wesentlichen den gesamten sichtbaren Bereich bedecken. Gewöhnliche Farbanzeigen können verwirklicht werden durch die Verwendung von drei Farben, nämlich Rot, Gelb und Grün (oder Blau). Rotes Licht kann erzeugt werden durch Verwendung von Ga_{Q 7}Al_{n 3} als Licht imitierende Diode, GaAs_n -,P_n -, Licht imitierende Diode, In Ga_1-As P₁ (0 < (x oder y) Licht imitierende Dioden und ähnliche Dioden. Gelbes Licht kann erzeugt werden durch solche Licht imitierenden Dioden wie In_n ,Ga_n -,P

u,j u, /

Dioden und Al_n ,,In_n ,P Dioden. Grünes Licht kann erzeugt werden mittels

U , 4 U , D

Dioden wie GaP Dioden, In_n -Ga_{n g}P Dioden und Al_{n 5}In_{Q 5}P Dioden. Die Wellenlänge des von einer Licht imitierenden Diode erzeugten Lichtes ist im wesentlichen bestimmt durch den Typ des verwendeten Halbleitermaterials und auch durch die Dotierung des Halbleitermaterials, die ihm zugeführt wird. Der Lichteirissionswirkungsgrad einer Licht imitierenden Diode wird hauptsächlich bestimmt durch die Art des Halbleitermaterials, die Kristallqualität und die Struktur der Licht imitierenden Diode. Als Struktur einer Licht imitierenden Diode hohen Wirkungsgrades ist die Mehrschicht-Heterostruktur die meistverwendete. Darüber hinaus dient es der Verbesseruna des Wirkungsgrades einer Licht imitierenden Diode, das Verhältnis einer Zusaranensetzuna zwischen den entsprechenden Aufbaubereichen innerhalb der Licht imitierenden Diode sehr genau einzuhalten und eine Gitteranpassung zwischen diesen Bereichen derart herbeizuführen, daß die Zahl von Fehlern verringert wird. Beispielsweise erreicht eine rotes Licht imitierende Diode mit einer Schicht, die man aus einer Lösung bei einer konstanten Wachstumstemperatür und unter gesteuerten Dampfdrücken aufwachsen läßt, einen Lichtemissionswirkungsgrad, der 2,35 mcd/Watt übersteigt. Ein solcher Lichtemissionswirkungsgrad übersteigt erheblich den Lichtemissionswirkungsgrad bekannter, farbiges Licht imitierender Anzeigeeinrichtungen, bei denen beispielsweise thermische Stehler als Lampen und Filter verwendet werden.

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Figuren 1D und 1E zeigen Kennlinien beispielsweise einer rotes Licht imitierenden Diode, wobei Figur 1D die Stromspannungskennlinie (Spannung in Volt, Ston in Milliamperes) wiedergibt und Fig. 1E das verhältnis zwischen der Lichtintensität (in Millicandela) und dem Vorwärtsstrom (in Milliamperes) wiedergibt. Man kann ohne weiteres erkennen, daß die Stromspannungskennlinie ähnlich der einer üblichen Gleichrichterdiode ist und daß die Lichtintensität sich beinahe linear mit dem Änderung des Vorwärts- oder Durchlaßstromes ändert.

Durch Einbau von Licht imitierenden Dioden mit einem so hohen Wirkungsgrad in die Struktur gemäß der Erfindung, die noch zu erläutern ist, kann man eine aus Licht imitierenden Dioden aufgebaute Anzeigeeinrichtung erhalten, die eine niedrige Verlustleistung, hohen Wirkungsgrad, große Helligkeit und lange Lebensdauer aufweist.

Die Betriebsspannung für sichtbares Licht imitierende Dioden beträgt etwa 1,5 bis etwa 4 Volt, d.h., wenn eine an die Diode in Vorwärtsrichtung angelegte Spannung einen bestimmten Wert innerhalb des Bereiches von etwa 1,5 bis etwa 4 Volt aufweist, zeigt der durch die Diode fließende Strom einen scharfen Anstieg und die Diode erzeugt eine Lichtquantität, die im wesentlichen proportional diesem Stromwert ist. Die Durchbruchsspannung in Sperrrichtung einer solchen Diode läßt sich mindestens zweimal so groß machen wie die maximal zulässige Durchlaßspannung und üblicherweise mehr als viermal so hoch. Die Betriebsspannung kann, wenn auch geringfügig, für jede Licht imitierende Diode schwanken. Oberhalb dieser Betriebsspannung zeigt der Strom einen scharfen Anstieg relativ zu einem Spannungsinkrement, wie in Fig. 1D angegeben. Demgemäß ist es gefährlich, eine Licht imitierende Diode durch Anlegen einer bestimmten Spannung direkt an die Klemmen der Diode zu betreiben ohne den Strom zu steuern, weil sonst die Möglichkeit besteht, daß durch einen exzessiv hohen, die Diode durchfließenden Strom diese zerstört wird. Dies führt zu der Notwendigkeit, die Leistung (den Strom) zu begrenzen,mit der die Licht imitierende Diode betrieben wird. Andererseits wird, wenn eine Parallelschaltui einer großen Zahl von Licht imitierenden Dioden angesteuert wird, der Strom einen hohen Wert annehmen, mit der daraus resultierenden Notwendigkeit, die Verdrahtung widerstandsarm auszuführen. Darüber hinaus besteht ein Erfordernis,

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eine große Anzahl von Leistungssteuergliedern vorzusehen und damit erhöhen sich die Herstellungskosten sehr stark. Im Gegensatz dazu wird, wenn eine Serienschaltung von Licht imitierenden Dioden angesteuert wird, der Pegel der Betriebsspannung, der erforderlich ist, hoch, jedoch der Wert des Stromes kann klein gehalten werden. Eine solche mit Serienschaltung betriebene Anzeigeeinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß der Ausfall einer einzigen Diodenkomponente aus irgendeinem Grunde zu einem sofortigen Beenden der Lichtemission aller verbleibenden Licht imitierenden Dioden führt. Auch wird im Falle einer Serienschaltung von zuvielen Licht imitierenden Dioden die Betriebsspannung zu hoch werden. Eine Anzeigeeinrichtung aus Licht imitierenden Dioden,bestehend aus einer Parallelschaltung einer Mehrzahl von Einheiten, die ihrerseits jeweilr aus einer Serienschaltung einer Mehrzahl von Licht imitierenden Dioden besteht,, kann von einer einfachen Stromversorgungsquelle aus angesteuert werden und führt zu einer erheblich verringerten Unbequemlichkeit im Falle eines Versaqens oder eines Verdrahtungsfehlers.

Fig. 2A, 2b und 2C zeigen einige Grundausführungen der vorliegenden Erfindung. Fig. 2A zeigt ein Beispiel für einen Gleichspannungsbetrieb. Fig. 2B zeigt ein Beispiel für einen Wechselstrombetrieb mit Vollwellengleichrichtuna. Fig. 2( zeigt ein Beispiel für Wechselspannungsbetrieb. Bei den Ausführungsformen nach Fig. 2A und 2B sind diese in ihrem Grundaufbau identisch, insofern, daß eine Mehrzahl von Serien geschaltenen Licht imitierenden Dioden jeweils wiederum parallel geschaltet ist. Fig. 2C zeigt eine Parallelschaltung einer Mehrzahl von Serienschaltungen von Licht imitierenden Dioden, die alternierend in entgegengesetzten Richtungen relativ zueinander angeordnet sind.

In der Ausführungsform nach Fig. 2A sind η-Reihen von Diodeanzeigeeinheiten U. (U₁, U₉, ...U) parallel geschaltet, wolx^i jode solche Einheit eine Serienschaltung von m-Licht imitierenden Dioden umfaßt. Die j-te Licht imitierende Diode in der i-ten Reihe ist mit D.. bezeichnet. In jeder Einheit U. ist ein Schutzwiderstand R₁ in Serie mit der Ferianschaltung von Dioden vorgesehen, welche im folgendai als Diodenreihe bezeichnet i:ird. Dieser Widerstand R. dient d'izu/ den Strom zu begrenzen, indan·: üiserepinnun-r absorbiert v.'ird und au *h um einen Ausgleich rv.'ischon den Strömen i.., J₉ bis i zu bewirken, die durch die jeweiligen Einheiten fli«\ßen. Ein Widerstand P_p repräsentiert

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einen Gesamtschutzwiderstand fürdie Begrenzung des Stromes, der durch alle Einheiten fließt. Dieser Widerstand R dient dazu, die Anzeigeeinheit im Notfall zu schützen, etwa im falle eines Kurzschlusses. Dieser Widerstand R ist jedoch nicht inmar notwendig, abhängig von der Anbringung eines Stromunterbrechers, etwa einer Sicherung, oder je nach der Auswahl der Widerstände R. in den Einheiten und kann deshalb auch weggelassen werden. Aus Gründen der Vereinfachung soll bei der nachfolgenden Erläutertung unterstellt werden, daß R gleich 0 ist. Die Verbindung der Diodenanzeigeeinrichtung und der Stromversorgung E, kann in der konventionellen Lampenfassung ausgebildet werden oder auch in einem kennentioneIlen Lampensockel. Es sei angenonmen, daß die typische Betriebsspannung jeder lichtemittierenden Diode D. . gleich ν sei, und daß der typische Betriebsstrom der Diode i, ist. Dann wird der Widerstand R. innerhalb jeder Diodenreihe so ausgewählt, daß(m.v + i, .R.)= E ist, entsprechend dem Zustand, daß wenn i fließt, die Summer der Betriebsspannung v. .m der lichtemittierenden Diodenreihe und des Spannungsabfalls i, .R. infolge des Widerstandes R. gleich der Spannung E der Gleichspannungsstromversorgung ist. Wenn die Gleichspannung E Fluktuationen von E + Δ E^ aufweist, ist es zweck-

ClC QCO— . QC

mäßig, die Zahl m der lichtemittierenden Dioden in jeder Diodenreihe reLativ klein zu machen und den Widerstand R. in jeder Reihe relativ groß, damit die Illumination durch die Dioden nicht exzessiv abfällt, wenn E, = (E^ - &E, ) Es ist auch zweckmäßig, die jeweiligen Einheiten so auszubilden, daß sie untereinander eine unterschiedliche Anzahl von lichtemittierenderi Dioden aufweisen und unterschiedliche Widerstände für die Widerstände R. vorgesehen werden. Wenn beispielsweise eine Speisung mittels einer GLeichspannungsquelle von 12 +2 V erfolgt, und vier Reihen von rotlichtend.ttierenden Dioden mit einer Betriebsspannung von ν = 1,8 V und Betriebsstrom von i = Io mA. vorgesehen sind, so wird die erste Einheit U₁ aus einer Serienschaltung veil sechs lichtemitfcierenden Dioden und-einem Widerstand R- = I5o ühm bestehen, die? zweite Einheit LL aus einer SerienschaLtung von fünf lichtemittierenden Dioden und einem Widerstand R₂ = 25o Ohm, und die dritte Einheit IL gleich der ersten Einheit U. wie auch die vierte einheit glei-h der zweiten Einheit LL ausgebt LfJet v/ertkui. Jt.-cb der ersten uul dritten Einiieiten enthält eine Serienschaltung vein sechs lichtendttierenden Diodem. Wenn deshalb die Spannung E , , auf weniger als I ,8 χ 6 = Ij. 8 V

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BAD ORIGINAL

fällt, hört diese Einheit beinahe vollständig auf zu arbeiten. Jeder der zweiten und vierten Einheiten enthält fünf lichtemittierende Dioden, die in Serie geschaltet sind, so daß, solange die Spannung E = 1,8 χ 5 =9 V oder höher ist, diese Einheiten arbeiten, obwohl der Strom abfällt. Boi der Spannung E, = 12 V fließt ein Strom von etwa 8 mA durch jede der ersten und dritten Einheiten, während ein Strom von etwa 12 mA durch jede der zweiten und vierten Einheiten fließt. Wenn die Spannung E auf 1o V fällt, hören die

clv*

erste und die dritte Einheit beinahe auf zu arbeiten. Es fließt jedoch ein Strom von 4 mA. durch jede der zweiten und vierten Einheiten, so daß diese fortfahren. Licht zu emittieren. Wenn die Spannung E auf 14 V ansteigt, fließt ein Strom von etwa 21 mA durch jede der ersten und dritten Einheiten und ein Strom von etwa 2o mA durch jede der zweiten und vierten Einheiten. In der gleichen Weise wie oben beschrieben, können verschiedene Arten von Konbinationen unter Berücksichtigung solcher Faktoren vorgenommen werckn, wie Wert der Spannungsversorgung E , Größe der Schwankung dieser Spannung, Betriebsspannung der lichtemittierenden Dioden und maximal zulässiger Strom. Mit diesen verschiedenen Konbinationen versteht es sich, daß, wenn eine bestimmte Einheit aufhört zu leuchten während eines starken Abfalls der Spannung der Laistungsquelle oder wegen Stromunterbrediung einer bestinmten lichtemittierenden Diode, die niedrigste ffenge von emittiertem Licht aufrechterhalten werden kann, und daß auch der mittlere Wirkungsgrad hochgehalten werden kann.

Fig. 2B zeigt einen Fall, bei dem lichtemittierende Dioden von einer Spannung E=E | sin ω t i angesteuert werden, welche durch VoIlwellengleichrichtung ve« Wechselspannung gewonnen worden ist: E ^ - E a'u\ *->-> t

clv 111

Die Wechselspannungsquello E kann eine kciint!r:ueLle Stromquelle sein, odor

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es kann sich um Nieclersp;tnming handeln, ab? durdi Absenken der Sp.inn'iij aus einem Net;: mittels eines Transformator--; gewonnen wurcb. Die Wedu* 1-

spannung E - E sin ^j t wir d durdi den Vo Ll wc; Ilen gleichrichter FdX gloi diac m

gerichtet in die voLlwoLlengLeidigerichtete Spannung E = E ^ sin v*. t \ . Diese Spannung E wird über den Widerstand R in die entsprechendenDio>"»-neinheiten U., U„ bis U angelegt. Die Anordnung des Widerstandes R > rui des der jeweiligen Einheiten U. sind ähnlich tbr Aiöfiihrungsform nacii Fig. ?Λ. Es verstellt sidi jedodi, daß infolge eier Sinusform der gleidigeriditettri

9 O 9 8 8 2 / Γι ä

Spannung E die Bezugsgrößen für die Auswahl der Schaltungskonstanten abweichen werden von jenen der Fig. 2A. Die Einzelheiten werden später angegeben.

Fig. 2C zeigt ein Beispiel für Wechselspannungsansteuerung. Da die Spannung eine Wechselspannung ist, arbeitet jede Einheit nur in jeweils einer Halbperiode. In diesem Beispiel sind Einheiten U. , bei denen die lichtemittierenden Dioden sämtlich in einer bestiirmten Richtung geschaltet sind und die Einheiten U. ', deren lichtemittierenden Dioden sämtlich in der entgegengesetzten Richtungder erwähnten ersten Richtung geschaltet sind, alternierend angeordnet, so daß tote Altperioden insgesamt vermieden sind. Zwei der Einheiten U. und U. ' spielen geneinsam eine Rolle äquivalent der einer einzigen Einheit U. in der Ausführungsform nach Fig. 2B. Dieses Ausführungsbeispiel ist jedoch in solchen Fällen geeignet, wo eine Steigerung der Fehlersicherheit erwünscht ist, und in Fällen, bei denen der Spannungsverlust durch die Gleichrichterschaltung und der Raumbedarf für diesen Proble aufwerfen.

Wie man aus Fig. 2B und 2C erkennt, lassen sich die Wechselspannungs ansteuerung und die Ansteuerung mit vollwellengleichgerichtetem Strom mittels einer Einrichtung mit einer einfachen Struktur ausführen. Die Lichtemission der lichtemittierenden Dioden bei dieser Ansteuerungsart ist jedoch von intermittierender Natur entsprechend der Wechselfrequenz oder dem Zweifachen diese. WechselfisqiEnz und der integrierte Betrieb Lichtstärke wird gering. Un diesen integrierten Betrag der Lichtstärke zu erhöhen, ist es vorteilhaft, den halbwellengleichgerichteten oder vollwellengleichgerichteten Strom durch Glättung in quasi-Gleichstrom umzuformen. Diese Umformung des Sinusstromes erfolgt einfach deshalb, um zu verhindern, daß die Spannung exzessiv abfällt und deshalb besteht keine Notwendigkeit, den Wechselstrom in perfekten Gleich strom umzuformen. Aus diesem Grunde kann der Glättungskreis einen einfachen Aufbau haben.

Fig. 2D zeigt ein Beispiel für den einfachsten Gleichrichter- und

Glättungskreis. In diesem Beispiel führt der Gleichrichterkreis R eine

ec

Vollvjellengleichrichtung aus, und die gleidigerichtete Wellenform wird durch

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einen Kondensator C geglättet. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Wechselstroitquelle E etwa 16o sinus ⁰Jt V liefert, so daß die Effektivspannung etwa 115 V beträgt, und daß der Kreis der lichteniittierenden Diode einen Strom von 2o mA durchläßt. Un einen Strom von 2o mA für eine Periode

-3 -4

von o,o1 see zu bilden, ist eine Ladung von o,o1 χ 2o χ 1o = 2 χ 1o ODuboirbs erforderlich. Wenn die Betriebsspannung des Lichtemissionsdiodenkreises 1oo V beträgt, fluktuiert die Spannung über dem Kondensator C zwischen 1co V und 16o V. Wenn demgemäß die Kapazität über etwa C =

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= 2 χ Io /6o 3=3 u F liegt, ist es möglich, den Lichtemissionsdiodenkreis im wesentlichen während des gesamten Zyklus zu erregen. Wenn die Betriebsspannung des Diodenkreises 11o, 12o, 13o, 14o bzw. 15o V beträgt, werden die Mindestkapazitäten für genaue Anzeige etwa 4, 5, 7, 1o bzw. 2o Mikrofarad. In dem Fall gemäß Fig. 2B jedoch werden die Strombegrenzung und die Vergleichmäßigung des Stromes in jeder Einheit durch einen Widerstand durchgeführt, der Strom fällt gemeinsam mit der Spannung ab, so daß die Fluktuatic des Stromes, bewirkt durch Fluktuation der Spannung über dem Kondensator C, groß sein wird, doch die Anzeige mit verringerter Lichtintensität bleibt bestehen, selbst dann, wenn die Kapaztität kleiner ist als den oben angegebener Werten entspricht.

■ Fig. 2E zeigt ein Beispiel, bei dem ein Glättungskreis SM gebildet wird von einem Ladungsspeicherkondensator C, einem die Vorspannung regulierer den variablen Widerstand R und einem strombegrenzenden Feldeffekttransistor

(FET)Q . Ein großes Tastverhältnis wird bewirkt durch Verwendung der Entladung aus dem Kondensator C, wie im Falle der Fig. 2D. Da ein Maximalstrom von dem FET gesteuert wird, ist es iröglich, die Fluktuation des durch die lichtemittierenden Dioden fließenden Stromes auf einem kleinen Wert selbst dann zu halten, daß ein Widerstand als Leistungsbegrenzer innerhalb jedes Kreises vorgesehen ist. Diese Ausführungsform arbeitet so, daß die Spannungsfluktuaticn über dem Kondensator von dem FET absorbiert wird, oder anders ausgedrückt, wird der Strom zu Beginn der Entladeperiode durch den FET begrenzt, so daß das Tastverhältnis vergrößert werden kann. Der den Strom justierende variable Widerstand R kann gleichzeitig die Aufgabe des Schutzwiderstandes R aus Fig. 2A, 2B und 2C erfüllen. Darüberhinaus kann die leistungsbegrenzende (strombegrenzende) Komponente auch von anderen

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Elementen als einem FET realisiert werden, wie auch durch die Widerstände R. aus Fig. 2A bis 2C.

Eine lichtemittierende Diode, wie in Fig. 1D dargestellt, weist

grundsätzliche eine exponentielle Stromspannungskennlinie auf: I=I

_■ ^s

(_exp (qV/kT) - 1J₁ . Demgemäß wird oberhalb der Nennbetriebsspannung in der Nähe des Wertes einer verbotenen Bandlücke dar Strom erheblich bei nur kleiner Vergrößerung der Spannung ansteigen. Wenn es erwünscht ist, eine lichtemittierende Diode mit einer Spannung zu speisen, die erheblich schwankt, wie im Falle einer Sinuswellenform der Spanning, muß darauf geachtet werden, daß der Wert der Maximalspannung über der Diode nicht exzessi groß wird. Zunächst soll auf den Fall eingegangen werden, daß die Versorgung spannung Sinusform aufweist.

Fig. 3A zeigt die Wellenform einer Wechselspannung mit

E =E sin <-"* t.Es sei hier der Fall betrachtet, daß eine lichtac m

emittierende Diode von einer Wechselspannung E = E sin <_o t

ac m

angesteuert wird, die ausgezogen in Fig. 3A dargestellt ist. Wenn Vorsorge getroffen wird, derart, daß ein entsprechender Maximalbetriebs strom E durch die Lichtemissionsdiode bei maximalem Spannuigswert E fließt, so wird der Strom I , der durch diese lichtemittierende Diode

cä.C

fließt, einen scharfen Abfall mit dem Abfall der Spannung aufweisen. Der Strom I ist schematisch in gestrichelter Linie angedeutet. Die Art der

Clv-·

Änderung dieses Stromes I ist in großem Maßstab in Fig. 3B dargestellt.

Die Wilenform E der Wechselspannung ist dort mit gestrichtelter Linie ac

gezeigt, und der Wert des Stromes für Ansteuerung der Lichtemissionsdiode mit einer Wechselspannung der Maximalspannung E =1,2,3 und 4V ist jeweil als ausgezogene Linie gezeigt. In dieser Darstellung ist der Maximalwert auf 1 für sowohl die Spannung als auch den Strom normalisiert. Wenn E = 1,2,3 bzw. 4 V ist, so sind die Phasenwinkel, bei denen der Strom I die

ac

Hälfte eines Maximalwertes E_manninrat, etwa 79,3°, 82, 5°, 83,8° bzw. 84, 7°. Die Zeitperioden, zu denen der Strom I größer wird als 1/2 betragen nur etwa 2,9%, 4,2%, 3,4% bzw. 3,o% das gesamten Zyklus. Wenn dann die lichtemittierende Diode von einer vollwellengleichgerichteten Spannung E^ = E^ tfangesteuert wird, gibt es keinen Halbzyklus dar Sperrspannung

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itehr, aid eine Durchlaßspannung wird in jeder Halbperiode angelegt. Demgemäß sind dann die Zeitperioden,innerhalb denen die Bedingung I >I/2 erfüllt ist doppelt so groß wie die oben erwähnten. Diese Zeitperioden betragen jt?doch imrer noch nur eta 1o% des gesamten Zyklus maximal. Bei einer solchen pulsierenden Ansteuerung niirmt die Lichtmenge pro Diode ab. Wenn beispielsweise das Tastverhältnis 1/2o beträgt (1 msec), ist es nicht möglich, einen Strom fließen zu lassen, der 2o mal so groß ist wie der Strom, der im Falle einer Gleichspannungsansteuerung erforderlich wäre. Demgemäß fallen die Lichtmenge und/oder der Wirkungsgrad pro Diode ab. Un das Tastverhältnis zu erhöhen, ist es zweckmäßig,die Betriebsspannirig jeder Lichtemissionsdiodenreihe herabzusetzen, derart, daß sie niedriger ist als der Maximalwert bei Sinuswellenform und den überschießenden Anteil der Spannung durch solche Komponenten zu verbrauchen, etwa durch spannungsabsorbierende Mittel, wie im Falle der Fig. 2B und 2C den Widerstand R^. In den Fig. 3C und 3D sind die wellenform ναι Spannung und Strom in dem Falle dargstellt, daß die Betriebsschwellspannung V' , jeder Lichtemissionsdiodenreihe in der Schaltung nach Fig. 2D niedriger eingestellt ist als die Maximalspannung E . In diesem Figuren ist V, so gewählt, daß die Spannung gleich E / ~\ 2 ist (sogenannter Effektivwert). Es wurde angenanren, daß kein Strom fließt, solange nicht die Schwel-

lenspannung V . erreicht ist. Wenn E V , übersteigt, wird die Lichttn 3.C tn

emissionsdiodenneihe leitend und der Strom niimtt zu. Mit zunehmendem Strom wird der Spannungsabfall über dem Widerstand R größer. Cberhalb der Schwel-

lenspannung V, kann der Spannungsabfali über der Lichtemissionsdiode als beinahe unveränderlich angesehen werden. Demgemäß kann angenormen werden, daß eine Spannung V , an die Diodenreihe angelegt ist, und daß eine verbleibende Spannung (E - V.,) über dem Widerstand R. liegt. Demgemäß wird der Strom, der nun fließt, gleich (E -V , )/R. . Der Maximalstrom wird bestimmt

durch (E-V , )/R. Wenn V. .,/E = 1/ "Vl, wie erwähnt, so wird die Zeitpe-ΙΠ j-n ι tn m

riode, innerhalb der die Bedingung E ^V^ erfüllt ist und ein Strom fließen kann, der Hälfte des gesamten Zyklus entsprechen. Die Änderuncj des Tastverhältnisses, d.h. des Verhältnisses der Betriebsperiode (E ]>\A.) bezogen auf den gesamten Zyklus, ist unter Angabe der unterschiedlichen Auswahl der Werte für V u/E im Falle von Sinusspannuig in Tabelle 1 aufgelistet.

9 Π 9 8 ft 2 / ') <\ ·! /!

Tabelle I

V.. /E
th' m

O.99

o.98

O.97

O.96

O.95

O.94

O.93

^Vth^/Em

o. 92

o.91

V,,/E
th' m

o.7o

o. 65

o.9o

o. 85

o.8o

o. 75

1 2

rast
verhält-

o.o9

O.13

o.13

O.18

o.2o

O.22

O.24

rast-
verhält-
tis

o.26

O.27

Past-
verhält-

o.51

O.55

o. 29

o. 35

o.41

o. 46

o.5o

,6O

o. 55

o.5o

o. 59

O.63

o.67

Wie eben ersichtlich, kann durch Verringerung des Wertes von V /E das Tastverhältnis vergrößert werden. Die unwirksarre Leistung jedoch, die von der Leistungsbegrenzungskotpcnente, wie etwa einem Widerstand, konsumiert wird, erhöht sich dementsprechend.

Bezüglich jeder Diodenreihe gemäß Fig. 2B soll nun der Leistungswirkungsgrad η untersucht werden unter der Mnahne, daß die Betriebsschwellenspannung jeder Dicdenreihe gleich V , ist und die Speisespannung E=E I sin ^ t 1 sei, der Strombegrenzungsserienwiderstand gleich R., und der Strom I beträgt. Es sei femer angenommen, daß jede Diodenreihe "eingeschaltet wrd", wenn die angelegt Spannung gleich oder oberhalb VV, ist, und daß sie "ausgeschaltet"ist bei einer Spannung unterhalb V. und femer

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daß der Phasenwinkel ,bei dem E I sin <oo ti= V, erfüllt ist innerhalb des

ο ο

Viertelzyklus' vcn O έί = θ -$;9o bei t = &■,- Die gesamte verbrauchte Leistung P wird dann:

(E sinG - V . )

S

_de ,

und die wirksame Leistung, die von jeder Diodenreihe verbraucht wird, ergibt sich zu:

(E sine - V . )

i 1

und der Ißistungswirkungsgrad η ergibt sich zu:

del

Wenn V^ = o,9E , G₁ = 1.12rad und

[/^^/2,sine de - Ο.

1- ^β 0.9
r ,„.,* _,_*„ _de _ o._9/;·/* _sin6 d6]

0.92

Wenn V = O.95E , Θ. = 1,25rad, wird η = ο,96.

th ^m

Wann v" = o,8E_m, O₁ = o,92rad, v/ird r\_r = o,83.

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Wenn V _h = (1 /*f 2)E_m, G₁ = lT/4rad, wirdn, _r = o,75. Wenn V, = 0.6E , Θ. = o,644 rad, wird ^ = o,65.

Die c±>en angegebenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 ztis anmenge faßt.

Tabelle II - Resistive Belastung

V.,/E th m	O.	95	O.	9	O.	8	1/1T	O.	6	O.	5	O.	4	O	.2
Wirkungsgrad *\r	O.	96	O.	92	O.	83	o. 75	O.	65	O.	56	O.	46	O	.24
Tastverhält nis I	O.	2o	O.	29	O.	41	o.5o	O.	59	O.	67	O.	74	O	.87

Aus diesen Ergebnissen erkennt man, daß bei Ansteuerung einer Lichtemissicnsdiode mit einer Sinusspannmg unter Verwendung einer resistiven Belastung das Tastverhältnis und der Leistungswirkungsgrad grundsätzlich bestiintit sind durch das Verhältnis V,, /E . Je näher an 1 das Verhältnis

th m

V ,/E liegt, desto besser ist der Leistungswirkungsgrad, doch wird das Tastverhältnis kleiner. Andererseits nimmt mit kleinerem Verhältnis V vVE das Tastverhältnis zu, doch fällt der leistungswirkungsgrad ab. Bei Betrachtung eines nichtlinearen Anstieges des Tastverhältnisses ist V^/E vorzugsweise etwa o,9 oder kleiner,und vom Standpunkt des Leistungswirkungsgrades ist V.. /E vorzugsweise etwa o,5 oder größer.

Wenn die Absicht bestirnt, auf eine Lieh tends sicnsdiodenanzeigeanordnung, betrieben von einer Standard-Gleichspannungsquelle, überzugehen, wcbei man von einer konventionellen, mit thermisch strahlenden Lampen ausgestatteten Anzeigeanordnung ausgeht, die van einer Standard-Wechselspannungsquslle betrieben wird, so wäre es wünschenswert, das System so auszubilden, daß es kompatibel sowohl mit der Gleich- als auch mit der Wechselspannungs-

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an e

Versorgung bei gleicher Effektivspannung betreibbar ist. In einem solchen Falle ist es notwendig, die Anordnung derart zu treffen, daß V ,/E

,/E

Ein besserer Leistungswirkungsgrad wird erreicht bei einem höheren Wert von V^/E . Deshalb ist das erwünschte Verhältnis V.^/E ungefähr gleich o,7, und wenn die Fluktuationen bei einer Gleichspannungsstromversorgung berücksichtigt werden, ist das wünsohbare Verhältnis o,7 ^Vf-v/E ^P/ normalerweise ist o,7^V,/E ^ o,65 bevorzugt.

In Fig. 2B und 2C wird ein Widerstand verwendet, um eine exzessive Spannung zu absorbieren. Demgemäß wird sich der Strom erheblich ändern, proportional zuder überspannung, die ausgedrückt wird durch (E - V . )

ac tn

oder (E_r - V^).

Deshalb ist in dem Spannungsbereich, wo die exzessive Spannung klein ist, der Wert des Stromes klein, und in dem Spannungsbereich, wo die exzessive Spannung groß ist, ist auch der Wert des Strones hoch. Diese Faktoren beeinflussen nachteiLig die integrierte Beleuchtungsstärke und den Leistungswirkungsgrad.

Im Falle einer Stromstabilisierkomponenten anstelle eines Widerstandes ist es möglich, daß ein im wesentlichen konstanter Strom durch die Lichtemissicnsdioden während der leitenden Perioden fließt, so daß es nöglicl ist, sowohl die integrierte Lichtmenge als auch den Leistungswirkungsgrad zu verbessern. In Fig. 3E ist eine Stronwellenform dargestellt für den Fall V,u/E ist 1 "ΠΓ/2/ wie oben angegeben, und für den Fall einer idealen Kcnstantstroniguelle. Wenn der Maximalwert des Stromes als gleich betrachtet wird, so wird die Leistung, die von den Lichtemissionsdioden verbraucht wird (und entsprechend die integrierte Lichtmsnge) etwa 1,5 mal größer. Solange die Periode E ~y V . dauert, wird der Wert des Stromes (I_Q) konstant gehalten, so daß der Leistungswirkungsgrad η_ ausgedrückt wird:

0 ⁽i 9 8 2 / 0 i' ^{i Η

In ähnlicher Weise wie oben angegeben, wurden die Leistungswirkungsgrade η für verschiedene Werte des Verhältnisses V ,/E ermittelt und mil cc tn m

dem Laistungswirkungsgrad η _r verglichen, den man unter Verwendung eines Widerstandes erhält. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle III zusammengefaßt. Die integrierte Lichtmenge für Konstantstrombetrieb ist etwa 1,5 mal größer als jene für Widerstandsbelastung bei gleichem Maximalstrom innerhalb des gesamten aufgelisteten Bereiches.

Tabelle III

Wirkuigsgrad, Konstantstrom im Vergleich mit widerstandsgeregeltem Strom

	0.	95	0	.9	0.	8	1//?	0	.6	0	.5	0.	4	0	.2
^Vth^/Em	0.	20	0	.29	0.	41	0.50	0	.59	0	.67	0.	74	0	.87
Wirkungsgrad	0.	97	0	.93	0.	86	0.79	0	.70	0	.60	0.	51	0	.28
ⁿcc	0.	96	0	.92	0.	83	0.75	0	.65	0	.56	0.	46	0	.24

Es versteht sich aus Tabelle III, daß dann, wenn die leistungsbegrenzenden Komponente aus einem Stromstab^; i Ii sator besteht, die Verbesserung des Leistungswirkuigsgrades deutlich wird, speziell dann, wenn V ,/E_m bei o,9 oder darunter liegt, verglichen mit dem Fall, wenn der Leistungsbegrenzer ein Widerstand ist. Wenn demgemäß beabsichtigt ist, lichtemittierende Dioden für eine hohe Lichtmenge und mit hohem Leistungswirkungsgrad zu betreiben, ist es zweckmäßig, die leistungsbegrenzung dadurch durchzuführen, daß man auf eine stromstabilisierende Komponente zurückgreift, insbesondere, wenn das Verhältnis V. ^/E einer Sinusspannung etwa o,9 oder niedriger ist und für eine noch deutlichere Verbesserung, etwa o,8 oder niedriger. Darüberhinau ermöglicht die Verwendung eines Stromstabilisators,danStrom auf einem konstani Wert selbst dann zu halten, wenn one fehlerhaft hohe Spannung angelegt wird,

so daß Lichtemissicnsdioden mit größerer Sicherheit geschützt werden.

Als Stromstabilisatoren für die Einspeisung eines Konstantstrones sind Komponenten bekannt, wie bipolare Transistoren, Sperrschichtgatter, IET, Isoliergatter-FET und bipolarmodusstatische Indüktionstransistoren (B-SIT). B-SIT kann in beinahe ähiicher Waise betrieben werden wie ein bipolarer Transistor (vgl. IEDM Technical Digest, 1978).

In Fig. 4A und 4B ist ein Beispiel dargestellt, bei dem Sperrschicht IETs verwendet werden. In Fig. 4A sind n-Kanal-Sperrschicht-IETs Q₁, Q„, Q-. und Q₄ jeweils mit ihren Gattern direkt an ihre Source angekoppelt und in Serie mit den Lichtemissionsdiodenreihen geschaltet, um die Ströma zu begrenzen. Die Beispiel für die Stromspannungscharakteristik dieser n-Kanal-FETs Q-I, Q2/ Q₃ und Q. ist in Fig. 4B dargestellt. Mit einem Anstieg der Drain-Spannung VL baut sich der Drain-Strom I während der Anfangszeitperiode auf und sehr bald tritt Sättigung ein. In diesem Beispiel werden FETs des Typs benutzt, bei denen der Sättigungsstrom I einen vorgegebenen Stronwert von z.B. 1o mA oder 2o mA hält. Die Spannung V für den Betrieb bei diesem Sättigungsstrati (Sättigungsspannung) ist wünschenswerterweise niedrig. Die Sättigungsspannung V kann bei einem Pegel von beispielsweise etwa o,5 ungefähr 1 liegen. Wenn die Spannung über dan Klennen der FETs Q₁.. Q. die Sättigungsspannung V übersteigt, ist der durch jede Einheit (Lichtemissionsdiodenreihe) fließende Strom gleich I und beinahe konstant. Selbst dann also, wenn eine gewisse Variation in den Charakteristiken der Lichtemissionsdioden vorliegt, tritt niemals der Fall ein, daß ein Strom exzessiv nur durch eine Einheit fließt und daß dabei diese Einheit beschädigt wird, dank der Funktionc dieser Transistoren Q.....Q₄. In diesem Beispiel ist das Vorsehen des Transistors Q nicht inner erforderlich, doch kann dieser Transistor vorgesehen werden, um eine größere Sicherheit zu gewährleisten. Wenn dieser Transistor Q vorgesehen ist, ist es nur notwendig, Vorsorge derart zu treffen, daß ein Sättigungsstrom, der etwa viermal größer ist als der Sättigungsstrom I der Transistoren Q₁...Q₄, den Transistor Q durchfließen kann. Im vorliegenden Beispiel sind die Transistoren Q₁.. .Q₄ und Q als n-Kanal-Sperrschicht-FETs dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß es sich auch um p-Kanal-Sperrschicht-FETs handeln kann, oder es können Depressionsmodus-FETs mit isolierte

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Gate sein, die jeweils mit ihrem Gate direkt an die Source angeschlossen sind. Die Sättigung des Stromes braucht nicht so perfekt zu sein wie in Fig. 4B dargestellt. Jede Charakteristik, die nach oben hin konkav ist, kann Anwendung finden. Bipolare Transistoren und B-SITs können ebenfalls anstelle von FETs verwendet werden, obwohl die Schaltungsanordnung dann etwas komplizierter wird. Insbesondere können mit Vorteil B-SITs verwendet werden, die sehr niedrige Sättigungsspannungen aufweisen, beispielsweise unter c>2 V.

Bei dem Schaltkreis nach Fig. 4A fließt kein Strom während jedes zweiten Halbzyklus der Wechselperiode. Un diesen Schaltkreis so auszubilden, daß er während des gesamten Zyklus arbeitet, kann eine Anordnung der Lichtemissicnsdiodeneinheiten entsprechend Fig. ZC vorgenommen werden, so daß eine Hälfte der Einheiten, z.B. die erste und die zweite Einheit, mit den FETs Q.. tnd Q₂ beide in einer Richtung gepolt sind, entgegengesetzt der der anderen Einheiten. Der EET Q wird zweckmäßigerweise durch zwei EETs Q ' bzw. Q " (nicht dargestellt), die zueinander parallel liegen, jedoch entgegei gesetzt gepolt sind.

Im Falle einer solchen anti-paralleln Anordnung der Lichtemissionsdiodeneinheiten mit Wechselspannungsansteuerung führt die Verwendung von Batterien als Notstromversorgungsaggregat dazu, daß nur eine Hälfte der gesamten Lichtemissionsdioden im Betrieb aus der Notstromversorgung aufleuchtet, so daß es möglich ist, die Lebensdauer der Notstromversorgung entsprechend zu verlängern.

Verkehrszeichenanzeigeeinrichtungen werden an Stellen installiert, wo die äußeren üngebxngsbedingungen sich erheblich ändern können abhängig vor Ort, dar Jahreszeit und der Tageszeit. Deshalb nüssen solche Verkehrszeichenanzeigeeinrichtungen stabil unter all diesen schwierigen Bedingungen arbietei wie hohe Temperatur bei strahlendem Sonnenlicht in Hochsomnerzeiten und ebenso unter niedrigen Temperaturbedingungen nachts im tiefen Winter, insbesondere in kälteren Regionen. Da ein EET so ausgelegt werden kann, daß seine Temperaturcharakteristik beinahe vernachlässigbar ist, können EETs extrem vorteilhafterweise verwendet werden, um eine Anzeigeeinrichtung zu

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schaffen, die stabil arbeitet. Es erübrigt sich, anzumerken, daß einige andere Tenperaturausgleichskomponenten den mit EETs bestückten Anzeigeeinrid tungen zugeordnet werden, um eine erhöhte Sicherung bezüglich der Temperaturkonponensation zu schaffen. Es versteht sich ebenso, daß bei Verwendung von Transistoren als Stratbegrenzer in den entsprechenden Lichteitiissionsdioden reihen nicht nur ESTs verwendbar sind. Alle Komponenten können verwendet werden, solange sie nur eine deutliche Stromstabilisiercharakteristik aufweisen.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 4A emittiert jede Diode das Licht nur intermittierend. Es versteht sich jedoch, daß durch Verwendung einer VoIlwellengleichrichterschaltung, wie sie gemäß Fig. 2B als Leistungsquelle vorgesehen ist, die Frequenz des Aufleuchtens doppelt so hoch wird, und daß es möglich ist, die integrierte erzeugte Lichtmenge zu steigern. Auch in solcher Fall, wie durch die Strctrwellenform gemäß Fig. 3E dargelegt, arbeitet die Lichtemissicnsdiode nicht während eines erheblichen Teils des gesamten Zyklus IM den Anteil der Aufleuchtzeit relativ zum Gesamtzyklus (d.h. das Tastverhältnis) ohne Abfall des Leistungswirkungsgrades weiter zu steigern, ist es vorteilhaft, einen Ladungsspeicher, wie einen Kondensator, zu verwenden.

Wie in Fig. 2D gezeigt, bewirkt die Zuschaltung eines Kondensators C zu einem Gleichrichterkreis, daß die Aufladung bei Anstieg der Wechselspannung erfolgt und die Entladung erfolgt, wenn der Spannungswert niedriger wird. Deshalb ist es möglich, die Betriebszeit der Lichtemissionsdioden zu verlängern.

In Fig. 3F ist ein Beispiel für die Wellenform der Spannung E über dem Kondensator C dargestellt für die Zufuhr zu dem Lichtemissionsdiodenkreis unter Verwendung eines Kondensators C. Wie im vorhergehenden Beispiel wird V/E auf 1/"T~2 eingestellt. Die Aufladezeitkonstante soll hinreichen klein sein. Während des Aufbauabschnitts der gleichgerichteten Spannung E_r wird der Kondensator aufgeladen, und während des Abfalls dieser Spannung beginnt er sich zu entladen. Wenn die Spannung E auf die Betriebsspannung V., abfällt, bevor die Spannung E wieder auf V , angestiegen ist, fließt kein Strom mehr durch den Diodenkreis. Im Ergebnis endet die Lichtemission und E wird nicht unter V^₁ fallen. Wenn hingegen E wieder V^ übersteigt,

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beginnt ein dauernder Strom zu fließen, und auch der Kondensator wir d aufgeladen. In Fig.3G ist die Wellenform eines solchen Stromes dargestellt, der durch die Lichtemissionsdioden fließt. Aus dem Vergleich mit Fig. 3E ergibt sich, daß das Hinzufügen des Kondensators C wirksam ist für die Erhöhun< des Tastverhältnisses. Fig. 3F und 3G zeigen den Fall, wo das Verhältnis V^, /E = 1/ Ί 2 und das Tastverhältnis etwa o,85 beträgt. Wenn die ffeximal spannung E etwa 16o V beträgt, und der Betriebsstrom bei 1o itft liegt, so liegt die erforderliche Kapazität nur etwa bei 1,3 mfarad. Es ist auch klar, daß durch Vergrößerung des Wertes dieses Kondensators die Möglichkeit besteht, Lichtemissicnsdioden im Vollzyklus aufleuchten zu lassen. Da der Speisestrom der Lichtemissicnsdioden klein sein kann, kann auch der Kondensator C klein sein. Deshalb wird dieGröße dieses Kondensators nicht so groß werden. Es ist auch möglich, einen Gleichrichterkreis, einen Kondensator und einen Lichtemissionsdiodenkreis in eine integrale Struktur einer Größe zusammenzubauen in der gleichen Größenordnung oder kleiner im Vergleich mit einer entsprechenden thermisch strahlenden Lampe.

Wenn ein Halbwellengleichrichterkreis verwendet wird, braucht der Gleichrichterkreis nur eine einzige Diode aufzuweisen, so daß derAufbau vereinfacht wird. Eine solche Ausbildung jedoch führt zu einer Erhöhung der erforderlichen Kapazität, so daß es wünschenswert ist, solche Ausführung£ formen nur in besonderen Fällen vorzusehen. Für die Betriebswellenspannung V , gilt, daß,je näher sie der Maximalspannung E ist, desto besser der Leistungswirkungsgrad sein wird. Um jedoch ein hohes Tastverhältnis aufrechtzuerhalten, wird ein großer Kondensator benötigt.

Wenn es aus Gründen etwa der Herstellungskosten unerwünscht ist, in jeder Eteihe von Lichtemissicnsdioden eine Stromstabilisierkomponente vorzusehen, emnöglicht die Verwendung einer Stromversorgung mit einer solchei Stromstabilisierfunktion gemäß Fig. 2E,einen ähnlichen Effekt zu erzielen, selbst dann, wenn ein Widerstand in jeder Einheit von Lichtemissionsdioden vorgesehen ist. In einem solchen Falle hat, um den Leistungswirkungsgrad zu verbessern, der Widerstand R. zweckmäßigerweise einen möglichst niedrigen Wert. Deshalb ist es wünschenswert, die Kombination der Lichtemissionsdioden innerhalb jeder solchen Diodenreihe derart anordnen, daß die Betriebs-

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spannung für jede Lichtemissicnsdiodenreihe gleich wird. Wenn es beispielsveise beabsichtigt ist, etwa 5o Liciitemissicnsdioden mit einer Betriebsspannung vcn 2 jo3 V bei der Lichtemissien zu kombinieren, um eine Reihe vcn Lichtemissicnsdioden mi t einer Betriebsspannung vcn 1oo V zu schaffen, so besteht der erste Schritt darin, etwa 4o der Dioden ohne besondere Auswahl zusammenzuschließen unddann einen bestimmten Meßstrom durch die Serienschaltung dieser Dioden fließen zu lassen, um die Charakteristik der so gebildeten Iteihe zu identifizieren, wonach etwa 1o lichtemittierende Dioden aus jenen ausgesucht werden, deren Kennwerte vorher bestimmt worden sind, und die derar mit der erwähnten Fteihe vcn 4o Dioden zu kombinieren, daß sich eine Gesamtbetriebsspannung vcn etwa 1oo V ergibt. Zusätzlich ist es wünschenswert, den Wert des Widerstandes R. so zu bemessen, daß die Betriebscharakteristiken der Diodenreihen vergleichmäßigt werden. Es erübrigt sich beinahe, festzuhalten, daß die Charakteristiken aller jener Lichtemissicnsdioden, die zu verwenden sind, geprüft und klassifiziert werden können, und die geprüften Dioden so miteinander kombiniert werden können, wie es erforderlich ist, um eine gewünschte bestimmte Betriebsspannung verwenden zu können. Un die Charakteristiken der jeweiligen Lichtemissionsdiodenreihen zu vergleichmäßigen, ist es wünschenswert, jene Dioden zu verwenden, die eine im wesentlichen gleichförmige, mittlere Wellenlänge des emittierten Lichtes aufweisen und die Zahl jener Dioden, die die entsprechenden Diodenreihen bilden, gleich zuhalten. Die Betriebsspannung einer Diode enthält eine Komponente, die bestimmt wird durch den Typ des Materials, aus dem dieDiode aufgebaut ist, und auch eine Komponente, die bestimnt ist durch den Innenwiderstand der Diode. Solange jedoch die Wellenlängen des emittierten Lichtes im wesentliche gleich sind, sollte eine geringe Varianz im Wert der Betriebsspannung vorliegen, welche auf das Material zurückzuführen ist, aus dem die Diode besteht. Demgemäß ist die Varianz in der Betriebsspannung, wenn Dioden einer selben Anzahl zusannBngeschaltet werden, hauptsächlich die Varianz infolge des Innenwiderstandes der Dioden. Wenn die Surrne der Innenwiderstände und äußeren Widerstände so gewählt werden, daß sich bestimmte konstante Wert ergeben, ist es möglich, im wesentlichen die Varianz zu eliminieren, die auf den Innenwiderstand zurückzuführen ist.

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In Fig. 5A bis 5C ist ein konkretes Beispiel für eine Lichtquelle für ein Verkehrssignal dargestellt. Diese Anordnung kann anstelle einer thermisch strahlenden Lampe für eine Verkehrsampel benutzt werden unter Betrieb mit einer üblichen Wechse!stromquelle.

In Fig. 5A hat die Lichtemissionsdiodenlaitpe eine Ausbildung derart daß ein Stromsteuerkreis innerhalb eines kegelstumpfförmigen Kolbengehäuses 15 untergebracht ist, das mit einem Laitpensockel ähnlich den konventionellen versehen ist, während ein Lichtemissionsabschnitt 2o sich im Kopfteil dieses Gehäuses befindet. Aus Gründen der Vereinfachung ist die Verdrahtung in Fig. 5A nicht dargestellt. Fig. 5B zeigt das Schaltkreisdiagramm der Lichtemissionsdiodenlampe gemäß Fig. 5A. Eine Wechselspannungsstromversorgung ist ebenfalls dargestellt. Fig. 5C zeigt die Draufsicht des lichtemittierenden Teils. Innerhalb dieser Lampe sind ein Gleichrichterkreis 11, ein Kondensator 12 und ein Stromstabilisierkreis 13 auf einer Basisplatte 14 angeordnet, die ihrerseits formschlüssig im Gehäuse 15 befestigt ist. Von dem Strcmstabilisierkreis 13 wird ein Gleichstrom oder quasi-Gleichstrom dem Lichtemissionsteil 2o zugeführt, damit die Serieneinheiten SU. bis SU. innerhalb des Lichtemissionsteiles 2o Licht emittieren. Jede Serieneinheit SU. enthält eine Parallelschaltung von Reihen von lichtemittierenden Dioden, die ihrerseits in Serie geschaltet sind.

Die übliche Wechselspannung E ist unterschiedlich und beträgt bei-

ac

spielsweise 1co V, 115 V oder 22o V, je nach den örtlichen Netzen. In der nachfolgenden Erläuterung sei angencxmen, daß die Netzspannung to V beträgt. Der Wechselstrom mit einer Effektivspannung 1oo V hat eine Maximalspannung E von etwa 14o V. Es sei hier angenoitmen, daß die Spannungsschwankungen üblicherweise + 5 V betragen, unddaß die Maximalspannungsfluktuation + 15 V beträgt. Unter diesen Bedingungen muß die Anordnung bei einer Spannung von 14o-15 = 125V arbeiten, wenn die Spannung auf dem niedrigsten Pegel liegt. Es sei angenommen, daß der Betriebsstrom 15 mA. betragen soll, daß die Kapazität, die innerhalb des Lampengehäuses untergebracht werden kann, 1o mfarad maximal beträgt, und daß die Entladezeit 1o msec beträgt, wobei die erforderliche Spannungsänderung über dem Kondensator 12 etwa 15 V

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beträgt, angenähert aus der Beziehung ^Q=C. Av. Demgemäß fällt die Spannung über dem Kondensator 12 auf 125 - 115 = 11o V zum Zeitpunkt der Entladung. Es versteht sich hier, daß der Spannungsabfall über dem Gleichrichterkreis 11 außer Betracht gelassen wurde. Dar Stromstabilisierkreis 13 1 egt die Basisvorspannung des bipolaren Transistors Q durch den Durchlaßspannungsabfall der Dioden D.. und D₂ fest, um auf diese Weise einen Konstantstrom einzuspeisen. Dar Widerstand R ist ein Vorspannwiderstand zum Verhindern des Fließens eines Überstrones. Der Widerstand R₁ ist demgemäß ein großer Widerstand, damit ein Strom durch die Dioden fließt. Es sei angenommen, daß eine Spannung von 5 V mindestens erforderlich ist für diesen Stromstabilisierkreis, so daß dem Lichtemissionsteil 2o eine Spannung von 11o - 5 = 1o5 V oder höher zugeführt werden kann. Wie in Fig. 5B und 5C dargestellt, ist bei diesem Ausführungsbeispiel

der Lichtemissicnsteil in fünf Serieneinheiten StL StL unterteilt, und

innerhalb jeder Serieneinheit sind drei Reihen von Lichtemissionsdioden parallel geschaltet. Eine Spannung von 21V oder höher liegt an jeder Serieneinheit. Es sei hier angenonman, daß eine Lichtemissionsdiode einen Betriebsstrom von 5 itiA und eine Betriebsspannung von 1, 95 V besitzt. Zehn Stücke von Llchtemissionsdioden liegen in Serie jeder Reihe, und demgemäß beträgt die Summe ihrer Betriebsspannungen etwa 19,5 V. Die Strombegrenzungskomponente L₁-]/ L-, 1/ L^.., L.- bis L,₅ besteht aus einem Widerstand, kann jedoch auch eine andere Komponente sein, etwa ein EET. An jeder Strombegrenzungskomponenten L.. liegt eine Spannung von 21 3 19,5 = 1,5V oder mehr.

Demgemäß ist der mittlere Widerstand von L. . ungefähr gleich

-3 ¹^

1, 5/5 χ 1o ^x 3oo dim. Der Innenwiderstand einer einzelnen Lichtemissionsdiode kann so gewählt werden, daß er bei einigen Ohm liegt, und der Tnnenwiderstand der Serierechaltung von zehn Lichtemissionsdioden kann so bemessen waden, daß sich einige 1o Ohm oder darunter ergeben, so daß es nöcJLch ist, eine hinreichenden Abgleich selbst bei etwa 3oo Ohm zu erzMen. Die Schwellenspannung der Lichtemissionsdioden in dem gesamten Lampenteil liegt demgemäß bei etwa 98 V, der Leistungswirkungsgrad liegt bei 7o% oder mehr (bis etwa 85%).

Bei diesem Beispiel ist der Lichtemissionsabschnitt 2o in fünf Serien ehheiten unterteilt, und jede dieser Serieneinheiten kann durch eine Ersatz-

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bestückung ersetzt werden. Falls irgendeine einzelne Lichtemissionsdiode innerhalb irgendeiner der Serieneinheiten ausfällt, hört diejenige gesamte Diodenreihe, in der die versagende Diode enthalten ist, auf, Licht zu emittieren. Die verbleibenden beiden Reihen emittieren jedoch weiterhin Licht und andere Reihen werden ebenfalls weiterhin Licht emittieren. Darüber hinaus wird der Gesamtstrom auf einen Konstantstrom eingestellt, so daß der Strom für die verbleibenden beiden Reihen zunimmt. Innerhalb der anderen Serieneinheiten emittie ren alle Diodenreihen weiterhin Licht. Es versteht sich, daß, wenn irgendeine Diode innerhalb irgendeiner anderen Serieneinheit ausfällt, nur eine Diodenreihe innerhalb der betreffenden Serieneinheit die Lichtemission einstellt. Demgemäß tritt nur eine geringe Störung und Unbequemlichkeit zum Zeitpunkt eines solchen Versagens auf. Die entsprechenden Diodenreihen können in einer Gruppenanordnung in jeder Serieneinheit angeordnet werden. Das erleichtert die überprüfung des Ausfalls. Femer ist es möglich, den Lichtemissionsabschnitt auszutauschen, während der Stromversorgungsabschnitt installiert bleibt. Da der Teil, der als Wärnequelle in der Stromversorgung wirkt, nahe dem Lampensockel angeordnet ist, erfolgt eine schnelle Abfuhr der Verlustwärme. Man erkennt, daß jede Reihe von Lichtemissionsdioden als austauschbares Element ausgebildet sein kann. Auch der Anschluß der entsprechenden Lichtdiodenreihen kann in verschiedener Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann der gesamte Diodenkreis unterteilt sein in drei Serienleitungen, und jede Serienleitung kann fünf Diodenreihen in Serienschaltung aufweisen.

Der Fachmann erkennt ohne weiteres, wie Abwandlungen oder Modifikationen der Auslegung erfolgen können, um solchen Faktoren Rechnung zu tragen, wie Leistungsquellenspannung, erforderliche Lichtitenge und Betriebsspannung der Lichtemissionsdioden.

In Fig. 6A bis 6C ist eine Rotlichtlaitpe für Kraftfahrzeuge dargestellt. Es sei hier angencntnen, daß die Fahrzeugbatterie eine Nennspannung von 12 V aufweist, und daß die Aitplitude der Fluktuationen der Spannung von 11,5V bis 15 V reichen. Die Betriebsspannung der Rotlichtemissionsdiode beträgt etwa 1,6 bis etwa 2 V. Deshalb sind fünf Lichtemissionsdioden in Serie geschaltet, um 8 - 1o V zu verbrauchen, und die Stromstabilisierung erfolgt urler \ferwendung

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der verbleibenden Spannung. Die Msnge an emittiertem Licht wird auf einen angemessenen Wert gewählt durch Auswahl der Anzahl von Parallelschaltungen. Die dargestellte Lampe ist so ausgelegt, daß sie gleichzeitig als Hecklampe und Bremsleuchte dienen kann, und diese Lampen haben getrennte Leistungsquallen und Lidhtemissionsabschnitte. In Fig. 6A und 6 C sind zwei Stromstabilisierkreise 13' und 13" im Lampensockel 1o' vorgesehen, sowie zwei Lichtemissionsdiodenteile 21 und 22 im Lichtemissionsabschnitt 2o. Die elektrische Schaltung ist in Fig. 6B gzeigt. Jeder der Stromstabilisierkreise 13', 13" enthält einen Bipolarmodus-Statikinduktions-Transistor Q ' (Q "), eine Vorspanndiode

D₁ ¹ (D₁") sowie Widerstände R ' und R ' (R " bzw. R₁ "). Die Arbeitsweise diese Ii ο ίο ο Io

Stromstabilisierkreises 13' bzw. 13" ist ähnlich der gemäß Fig. 5B. Im Lichtemissionsabschnitt 2o werden zwei Reihen von Serienschaltungenvorgesehen, die jeweils einen Strom von 7 mA im Hecklampenabschnitt 21 führen sowie sechs Reihe welche je einen Strom von 1o itiA führen für den Bremsleuchtenabschnitt 22. In de Ansicht nach Fig. 6C sind ein Heck- oder Rückleuchtenabschnitt 21 und ein Bremsleuchtenabsciinitt 22 voneinander getrennt vorgesehen, damit sie separat austauschbar sind. Ähnlich dem Beispiel nach Fig. 5A bis 5C ist hier vorgesehen daß praktisch keine Lhbequemlichkeit und keine Störung selbst dann eintritt, wenn irgendeine einzelne Diodenreihe ausfällt, und die erzeugte Wärme in dem Schaltkreis der Stromversorgung wird durch Abstrahlung aus der Lampenbasis abgeführt.

In jedem der Lampenabschnitt 21 oder 22 sind die Lichtemissionsdiode^ in einer integriert gegossenen Struktur gemäß Fig. 6D zusaimengebaut. Ein Formstück 23 aus transparentem Epox ydharz umschließt die Lichtemissionsdioden in entsprechenden konusförmigen Projektorteilen. Eine reflektierende Folie 24 aus Aluminium oder dergleichen reflektiert dann Licht, das von den Seitenfläche] der Dioden emittiert wird nach vom. Die Frontf lache des Epoxydharz formlinge kann sphärisch vor jedem Lichtemissionsdioden-Chip ausgewählt sein, um als Linse zu dienen.

Es wurden Erläuterungen gegeben bezüglich einer Lichtemissionsdioden lampe, die direkt verwendet werden kann in einer konventionellen farblichtemitt renden Anzeigeanordnung. Es sollte hier verstanden werden, daß von Lichtemissio dioden emittiertes Licht einer vorgegebene Farbe aufweist, so daß es möglich is

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eine Anzeigeanordnung zu schaffen, die viel einfacher ist als konventionelle, deartige Anordnungen. Außerdem hat die Lichtemissionsdiode die Eigenschaft, daß das Volumen pro Stück extrem gering ist und daß es auch möglich ist, das imitierte Licht gerichtet abzustrahlen. Deshalb wird es möqlich, verschiedene Formen von Anzeigen zu schaffen, die unter Verwendung konventioneller mit thermisch strahlenden Lampen ausgestatteten Anzeigesystem unmöglich waren. Beispielsweise ist es bei der Verkehrszeichenanzeigeanordnung nach Fig. 1A möglich, eine dreifarbige Anzeige mittels einer Anordnung zu schaffen, die von außen gesehen den Eindruck eines einzigen Signalinformationsteils vermittelt, indem drei Farben emittierende Dioden innerhalb eines einzigen gleichen Flächenbereichs der Anordnung angeordnet werden. Durch Vorsehen von 1oo bis 15o Stück von jeweils drei farbiges Licht emittierenden Dioden mit rot, gelb bzw. grün kann man ein Signallicht erhalten, das mehrfach heller ist als alle konventionellen derartigen Lampen. Es ist auch möglich, mehrere 1oo Lichtemissionsdioden in einer Fläche von etwa 2oo mm Durchmesser unterzubringen. In einem solchen Fall ist es auch möglich, Serie und Parallelschaltungen von Lichtemissionsdioden derart anzuordnen, daß selbst dann, wenn die Serienschaltungen von Lichtemissionsdioden örtlich interbrochen sind, keine derartige Lichtstörung eintritt, die örtlich intensiv ist in dem Beleuchtungsgrad. Wenn Lichtemissionsdioden unterschiedlicher Farberzeugung verwendet werden, werden ihre Betriebsspannungen voneinander unterschiedlich sein. Wenn demgemäß diese unterschiedlichen Typen von Dioden von einer bestimnten konstante Spannung gespeist werden, wird demgemäß die Zahl der Dioden, die in SErie geschaltet werden ,können, entsprechend unterschiedlich ausfallen. Durch Einstellung des Streitwertes und/oder der Anzahl von parallelgeschalteten Kreisen ist es jedoch möglich, daß die verschiedenen Farben eine im wesentlichen gleiche Helligkeit bei der Lichtemission aufweisen. Bei roter, gelber und grüner Farbe versteht es sich, daß für Licht kürzerer Wellenlängen die Zahl jener Lichtemissionsdioden, die in SErie geschaltet werden können, umso kleiner wird, und daß auch der Lichtausbeutewirkungsgrad tendenziell abnimmt. Auf Licht kürzerer Wellenlänge spricht jedoch das menschliche Auge mit größerer Empfindlichkeit an, und deshalb ist es nicht sehr schwierig, die Helligkeit dieser unterschiedliche Farbe aufweisenden lichtemittierenden Dioden im wesentlichen gleich zu halten. Bei einer großen Zahl von

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Lichtemissicnsdioden, wie mehrere 1o bis mehrere 1oo, die ganeinsam aufleuchten, ist es vom Betriebsstandpunkt aus bequem, eine IVfehrzahl von Üchtemissicnsdioden in einer Einheit zusarrmsnzufügen und die gesamte Anordnung aus einer lYkhrzahl solcher Einheiten aufzubauen. In dem Beispiel nach Fig. 5A bis 5C ist die gesamte Anordnung in fünf Serieneinheiten unter teilt. Es ist auch irßglich, jede dieser Einheiten weiter zu unterteilen in entsprechende Reihen von seriengeschalteten Dioden. Je höher die Zahl von Einheiten ist, desto kleiner ist die Zahl von Lichtemissionsdioden jeder Einheit, die beim Ausfall eines Stromkreises zu ersetzen sind,und deshalb ist eine solche Anordnung ökonomisch.

Es gibt za hlreiche Arten der Kombination entsprechender Einheiten. Die Bedingungen für die Konbination sind jedoch problemlos hinsichtlich der Sichtbarkeit und der Ersatz irgendeiner Einheit bei einer Störung ist einfach.

In Fig. 7A bis 7C sind Beispiele gezeigt, bei denen die entsprechende Einheiten so ausgebildet sind, daß sie identische Form haben, um einen Anzeigeanordnungkreis aufzubauen. Fig. 7A zeigt ein Beispiel, bei dem ein Kreis gleichmäßig unterteilt ist in untereinander gleiche Sektoren, so daß jeder der Bereiche A, B,C.... D als eine einzelne Einheit ausgebildet ist. Es versteht sich, daß diese Bereiche A, B, C, ... eine Fein unterteilung aufweisen können, um die Störung und den Nachteil zu beheben, wenn eine Lhteibrechung auftritt, und um einen besseren praktischen Wirkungsgrad zu erzielen. Wenn ein Kreisumfang von 36o° ausgehend von 12 gleichen Unterteilungen in 36 gleiche Sektoren unterteilt wird, versteht es sich, daß es dann, wenn irgendeine Einheit unterbrochen ist, nur ein geringer nachteiliger Effekt eintritt, und daß darüberhinaus eine solche Feinunterteilung unter dem Aspekt der Sichtbarkeit zu bevorzugen ist. Es erübrigt sich zu sagen, daß die Unterteilung auch grö ber sein kann als oben angegeben. In Fig. 7B ist eine Abwandlung der eben erwähnten thterteilung dargestellt. In diesem Fall sind die entsprechenden Einheiten nicht linear unterteilt, sondern hier liegt ein Fall vor, wo eine kreisrunde Ebene in gekrümmter Vfeise wegen der Sichtbarkeit unterteilt wurde.

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Wenn die Anordnung aus einer Anzahl unterteilter Einheiten besteht, ist es zweckmäßig, Zwischeneinheiten vorzusehen, die jeweils eine Baugruppe aus einer Mehrzahl von Einheiten repräsentieren, und zwar unter dem Aspekt, schwierige Prozeduren bei Maitage und Austausch zu vermeiden. Fig. 7C zeigt ein Beispiel für einen Aufbau, bei dem die jeweiligen Einheiten Rot, Gelb und Grün als eine einzige Zwischeneinheit oder Zwischenbaugruppe ausgebildet sind. In diesem Falle besteht der Vorteil, daß die Identifikation der jeweils ausgefallenen Einheit einfach ist, und daß die Austauschzeit verkürzt wird. Die gegenwärtig verwendeten Verkehrssignale sind so gebaut, daß rote, gelbe und grüne Farbe an unterschiedlichen Stellen relativ zueinander in der Anzeigeanordnung angeordnet sind. Im Gegensatz dazu gemäß vorliegender Erfindung ist es möglich, die Farben rot, gelb und grün zeitlich versetzt zueinander an derselben Stelle aufleuchten zu lassen, so daß die Kosten für die Installation einer Signaleampel erhebliche verringert werden können In diesem Fall können die entsprechenden Einheiten für rot, gelb und grün unterschiedliche Bereiche haben entsprechend der Zahl von Reihen lichtemitt render Dioden in den entsprechenden Einheiten.

tiberlicherweise werden die entsprechenden Chips von Lichtemissionsdioden mit beispielsweise einem Epoxydharz versehen, um die Lichtemissionsdiode zu schützen. Für die Verwaidung von im Freien angeordneten Anzeigeanordnungen ist es wünschenswert, den Schutz zu bewirken durch Mittel gegen die natürliche Umgebung, wie Wind, Schnee und Regen. Ein solches Mittel kam eine Abdeckglasplatte sein, die geeignet sein kann, die Diffusion von Licht und die Richtungder Lichtabstrahlung und dergleichen zu beeinflussen. Durch Verwendung solcher Mittel wie der oben erwähnten ist es möglich, Vorsorge zu treffen, daß der Bereich der Beleuchtung der entsprechenden Einheiten praktisch vergrößert wird. Selbst beispielsweise mit einem Aufbau der aus einem in sechs Sektoren unteteilten Kreis besteht, kennen die entsprechenden emittierten Farben von außen als beinahe gleichförmig in der Anzeige erkannt werden. Wenn man beispielsweise in einer einfachen Weise auf die Anordnung gemäß Fig. 8A zurückgreift, sind die entsprechenden Einheiten demgemäß angeordnet. Indem man eine Lichtdiff usionplatte hinzufügt, wie etwa die Abdeckglaslinse gemäß Fig. 8B, um die Illuminationsebene abzuschatten, ist es auch möglich, die Auslegung so zu treffen,

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als wäre die gesamte Fläche der Signalleuchte illuminiert. Es ist deshalb möglich, eine sehr wirksame Liehtemissicnsfläche zu schaffen, indem man auf eine extrem einfache Anordnung zurückgreift.

Wenn darüberhinaus eine ffehrzahl von Lichtemissionsdioden in einer ^fehrzahl von seriengeschalteten Leitungen gruppiert sind und nebeneinander in einem einzigen Anzeigefeld untergebracht sind, kann die örtliche Verteilung der Anzeige selbst dann vermieden werden, wenn eine Unterbrechung eintritt, falls die Lichtemissionsdioden der entsprechenden Leitungen ■vermischt in dem Feldaigeordnet sind. Beispielsweiselönnen die Lichtemissionsdioden, die zu derselben Leitung gehören, nicht nebeneinander in Radial- und Unfangsrichtung bei einem runden Anzeigefeld angeordnet werden, oder nicht zueinander benachbart in X- und Y-Richtung bei einem rechteckigen Anzeigefeld usw. Solche Anordnungen halten das Gesamtfeld der Anzeige gleichförmig auch bei einer Uhterbrechungsstörung.

Es erübrigt sich, festzuhalten, daß die beschriebenen Ausführungsfonren in keiner Weise beschränkt zu verstehen sind. Es versteht sich, daß die verschiedenen Arten von Verkehrssignalen gemäß Fig. 1A bis 1C so ausgebildet werden können, daß sie mit sehr geringem Leistungsumsatz arbeiten und eine Anzahl von Informationen wiedergeben können. Es ist auch nöglich, zu realisieren, daß eine Signalanzeigeanordnung unter Verwendung einer konventionellen Leistungsversorung so ausgebildet wird, daß sie mit niedrigem Leistungsumsafcz und hohem Wirkungsgrad arbeitet, wenn nur der Lichtemissionsteil ersetzt wird. In ähnlicher Weise kann die Erfindung für andere Arten von farblichtemittierenden Anzeigeanordnungen eingesetzt werden. Die Lichtemissionsdiodenanzeigeanordnungen gemäß der Erfindung arbeiten mit viel geringerem Leistungsbedarf und haben eine viel größere Lebensdauer im Vergleich mit kcn\ientionellen Anzeigeanordnungen, die mit themisch strahlenden Lanpen ausgestattet sind, und die Wartung erfordert ka Spezialkenntnisse, so daß der ökonomische Wert hoch ist.

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Leerseite

Claims

Zaidan Hojin Handotai
T^ Shinkokai ^ O "5 C C Q 0

Patentansprüche

Anzeigeanordnung mit Lichtemissionsdioden, dadurch gekennzeichnet, eine erste Parallelschaltung von einer ersten Anzahl von Einheiten vorgesehen ist, welche jeweils eine Serienschaltung einer ISfehrzahl von Lichtemissicnsdioden umfassen.
2. Anzeigeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einheiten eine Stronfoegrenzungskanponente umfaßt.
3. Anzeigeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Llchtemissicnsdioden Licht derselben Farbe emittiert.
4. Anzeigeanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gleichrichterschaltung für die Gleichrichtung von Wechselstrom für die Zufuhr einer gleichgerichteten elektrischen Leistung an die Parallelschaltung.
5. Anzeigeanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Ladungs Speicherkomponente für Aufladung durch elektrische Ladung und Entladung derselben, welche Komponente zwischen den Gleichrichter und die Parallelschaltung geschaltet ist.
6. Anzeigeanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gssamtstronbegrenzungskomponente, die an die Parallelschaltung angeschlossen ist für die Einspeisung eines begrenzten Gesamtstromes.
7. Anzeigeanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einheiten zusätzlich einen Stromsinstellwiderstand aufweist, der an dif Serienschaltung von Lichtemissionsdioden angeschlossen ist.
8. Anzeigeanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere Parallelschaltung der ersten Zahl von Einheiten, angeschlossen an die erst erwähnte Parallelschaltung, wobei jede Einheit eine Serienschaltung aus el· Mahrzahl VorlLichtemissionsdioden umfaßt.

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9. Anzeigeanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersterwähnte und die weitere Parallelschaltung im wesentlichen die gleichen elektrischen und optischen Eigenschaften aufweisen.
Ίο. Anzeigeanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Gesamtstronbegrenzungskoirponente, die an die eine Parallelschaltung angeschlossen ist.
11. Anzeigeanordnung nach Anspruch 1o, dadurch gekenn zeichnet, daß jede der Einheiten der ersterwähnten und der weiteren Parallelschaltung darüberhinaus einen Stromsinstellwiderstand aufweist.
12. Anzeigeanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse zur Aufnahme der ersterwähnten Parallelschaltung.
13. Anzeigeanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Lampenbasis vorgegebener Form umfaßt, in dem mindestens teilweise eine Gesamtstrom-Begrenzungskomponente untergebracht ist.
14. Anzeigeanordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Parallelschaltung der ersten Anzahl von Einheiten, wobei jede Einheit eine Serienschaltung einer Mahrzahl von Lichtemissionsdioden umfaßt.
15. Mit Lichtemissionsdioden bestückte Lampe, gekennzeichnet durch: ein Gehäuse mit einer Lampenbasis vorgegebener Form, eine Stromregulierkomponente, die elektrisch an die Lampenbasis angeschlossen und in dem Gehäuse untergebracht ist, und ein Anzeigefeld, das mechanisch mit dem Gehäuse verbunden und elektrisch mit der StroitEinstellkomponente verbunden ist, und eine Mehrzahl von Lichtemissionsdioden umfaßt, die in Serie und parallel geschaltet sind.
16. Lampe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigefeld eine Mahrzahl von Anzeigeeinheiten umfaßt, wobei jede Anzeigeeinheit

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mindestens eine Serienschaltung im wesentlichen der gleichen Anzahl vcn Lichtemissionsdioden umfaßt.
17. Lanpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Anzeigeeinheiten in Serie geschaltet sind und jede der Anzeigeeinheiten eine Parallelschaltung aus einer Mahrzahl solcher Serienschaltungen umfaßt.
18. Lampe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Anzeigeeinheiten zueinander parallelgeschaltet sind.
19. Lampe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Anzeigeeinheiten in eine Mehrzahl von Serienschaltungen geschaltet sind, die zueinander parallel gelegt sind.
20. Verkehrssignalsystem, gekennzeichnet durch: eine Rotsignal- und eine Grünsignallampe, vcn denen jede Signallampe eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Anzeigeeinheiten umfaßt, die ihrerseits jeweils eine Serienschaltung von Lichtemissionsdioden und einer Stromeinstellkomponente umfaßt.
21. LichtemissicnsdiodenanZeigeanordnung, gekennzeichnet durch: eine Anzeigefläche mit einer Mehrzahl von Abschnitten und eine Vielzahl vcn Lichtemissicnsdioden, die in jedem der Abschnitte angeordnet sind und zumindest in einer Serienschaltung geschaltet sind, wobei die Lichtemissicnsdioden in jedem Abschnitt Licht einer einzigen Farbe emittieren und die Anzeigefläclre eine erste Zahl von Abschnitten aufweist, welche Licht einer ersten Farbe emittieren,und eine zweite Zahl von Abschnitten, die Licht einer zweiten Farbe emittieren.
22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige fläche femer eine dritte Zahl von Abschnitten aufweist, die Licht einer dritten Farbe emittiert.
23. Anordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Farbe rot ung die zweite Farbe grün ist.
24. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Farbe rot, die zweite Farbe grün und die dritte Farbe gelb ist.

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