DE3012011A1

DE3012011A1 - Beleuchtungseinrichtung mit einer elektrolumineszenszelle

Info

Publication number: DE3012011A1
Application number: DE19803012011
Authority: DE
Inventors: Paul Hochstrate
Original assignee: Timex Corp
Current assignee: Timex Group USA Inc
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1980-03-28
Publication date: 1980-10-09
Also published as: FR2452849B3; US4253097A; JPS55143590A; GB2045552B; CH651716A5; HK13084A; GB2045552A; FR2452849A1; SG62483G

Description

HOEGER₁ STELLRECHV & PARTNER

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c · D 70OO STUTTGART 1

A 43 8o8 b Anmelder: Timex Corporation

k - 176 Waterbury, Conn. o672o

27. März 198o USA

Beleuchtungseinrichtung mit einer Elektrolumines zens zelle

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Elektrolumineszenszelle mit zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist und mit einem Elektrolumineszensmaterial zv/ischen den Elektroden.

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit Elektrolumineszensleuchtfeidern und Verfahren zur Verringerung des Leistungsbedarfs solcher Elektrolumineszensleuchtfeider.

Elektrische Beleuchtungseinrichtungen, die mit Phosphor arbeiten, sind bekannt. Typischerweise besitzen derartige Elektrolumineszenszellen zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden, zwischen denen ein oder mehrere Schichten von auf ein elektrisches Feld ansprechendem Phosphormaterial sandwichartig angeordnet sind. Wenn bei einer solchen Elektrolumineszenszelle ein Wechselpotential bzw. eine Wechselspannung zwischen den beiden Elektroden angelegt wird, dann wird durch das dadurch hervorgerufene elektrische Feld eine Anregung des Phosphormaterials zur Elektrolumineszens bewirkt.

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Der Hauptnachteil für den wirtschaftlichen Einsatz von Elektrolumineszenszellen als Lichtquellen, insbesondere zur Hintergrundbeleuchtung in kleinen, batteriebetriebenen Geräten, beispielsweise für elektro-optische Anzeigeeinheiten solcher Geräte, ist jedoch ihr relativ kleiner Wirkungsgrad bei der Umsetzung elektrischer ■ Energie in Licht.

Es wurde bereits versucht, den Wirkungsgrad von Elektrolumineszenszellen durch Verwendung sehr fein verteilter Phosphormaterialien zu verbessern. Auch dieser Versuch konnte jedoch nicht voll befriedigen.

Dies gilt auch für andere vorbekannte Elektrolumineszenszellen bzw. Elektrolumineszensleuchtfelder, wie sie beispielsweise in den folgenden US-PSen beschrieben sind:

2 98o 816, 3 673 572, 4 o99 o91, 3 o4o 2o2, 3 496 41o,

3 914 932, 3 894 389, 3 992 873 und 4 oll 557.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Elektrolumineszenszelle anzugeben, bei der der Wirkungsgrad erheblich verbessert ist, so daß die Beleuchtungseinrichtung, insbesondere auch zur Verwendung in Verbindung mit kleinen, batteriebetriebenen Geräten, geeignet ist.

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Diese Aufgabe wird bei einer Beleuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Induktivität vorgesehen ist, die der Elektrolumineszenszelle derart parallel geschaltet ist, daß sie mit. dieser einen Schwingkreis bildet, und daß Impulserzeugungseinrichtungen vorgesehen sind, durch die der Schwingkreis mit Steuersignalen vorgegebener Impulsfolgefrequenz periodisch zu Resonanzschwingungen anregbar ist, am Spannungsimpulse vorgegebener Frequenz und Spannung zur Anregung der Elektrolumineszenszelle zu einer im wesentlichen kontinuierlichen, flackerfreien Lichterzeugung zu erzeugen.

Der entscheidende Vorteil einer Beleuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung besteht dabei darin, daß die Ansteuerung der Elektrolumineszenszelle bei geringer relativer Einschaltdauer mit hochfrequenten, impulsförmigen elektrischen Signalen erfolgen kann, was zu einer erheblichen Verbesserung des Wirkungsgrades führt, wobei die Wiederhol- bzw. Impulsfolgefrequenz für die Ansteuerung insbesondere gleich oder höher als die sogenannte Flimmerfrequenz gewählt wird, so daß sich aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges der optische Eindruck einer kontinuierlichen gleichmäßigen Lichtemission bzw. Beleuchtung ergibt, wobei auch das Nachleuchten des Elektrolumineszensmaterials und das sogenannte "übersprechen" bei mehreren zu einer Baueinheit zusammengefassten Elektrolumineszenszellen bei der Bestimmung der für eine quasi-kontinuierliche Lichterzeugung erforderlichen Impulsfolgefrequenz sinnvoll berücksichtigt werden können.

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Elektrolumines zens zelle;

Fig. 2a eine schematische Darstellung einer Be-Fia 2b l^eucntun9^se;*-^nr:'-^ch^tun9 gemäß der Erfindung bzw. ein Steuersignal für eine solche Beleuchtungseinrichtung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 Diagramme des Spannungsverlaufs an wesentlichen Punkten der Beleuchtungseinrichtung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine in mehrere Einzelfelder unterteilte Elektrolumineszenszelle, deren Einzelfelder erfindungsgemäß im Multiplex-Betrieb mit impulsförmigen elektrischen Signalen ansteuerbar sind.

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ORlGlNAL INSPECTED

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Im einzelnen zeigt Fig. 1 der Zeichnung einen Querschnitt durch eine Elektroluinineszenszelle I mit einer transparenten äußeren Schutzschicht 2, insbesondere aus Kunststoff, welche mit einer ersten lichtdurchlässigen Elektrode 3 beschichtet ist. Die erste Elektrode 3 ist mit einer Schicht 4 aus Elektolumineszensmaterial, insbesondere Phosphor, beschichtet, über der Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 und über dieser eine zweite Schutzschicht 6. Eine Epoxidharzdichtung 7 dient zum dichtenden Verbinden der Zellenelemente. Mit den Elektroden 3 und 5 sind ferner elektrische Zuleitungen 8 bzw. 9 verbunden, zwischen· denen eine Wechselspannung anlegbar ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a ist die Zuleitung 9 mit Erde verbunden, während die Zuleitung 8 über einen Schalter 11 mit einer Wechselspannungsquelle Io verbindbar ist. Der Schalter 11 ist als mechanischer Schalter dargestellt. Dieser Schalter kann jedoch auch eine elektronische Baueinheit, wie z.B. ein Transistor oder eine logische Schaltung, sein.

Es wurde festgestellt, daß gemäß der Erfindung ein verbesserter Wirkungsgrad erhalten werden kann, wenn man die Elektrolumineszenszelle 1 bei geringer relativer Einschaltdauer impulsförmig mit einer relativ hochfrequenten Wechselspannung ansteuert. Ein minimaler Leistungsbedarf ergibt sich dabei, wenn die Zelle

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bzw. ein Elektolumineszensfeld oder ein Einzelfeld einer in mehrere Felder unterteilten Elektrolumineszenszelle mit einem Spannungsstoß in Form einer vollen Welle 17 (Fig. 2b) einer hochfrequenten Wechselspannung angesteuert wird, deren Frequenz beispielsweise zwischen IkHz und Io kHz liegen kann, wobei mit einer Wiederholfrequenz oder Auffrischfrequenz gearbeitet wird, die etwas größer ist als die Flimmerfrequenz von 32 Hz. Auf diese Weise lässt sich eine relative Einschaltdauer bzw. ein Tastverhältnis von o,3 - 3% erreichen.

Es wurde experimentell festgestellt, daß ein Spannungsstoß von mindestens einer vollen Welle 17 einer hochfrequenten Wechselspannung,der mit einer über der Flimmerfrequenz liegenden Wiederholfrequenz angelegt wird, ausreichend ist, um das Elektrolumineszensmaterial bzw.. den Phosphor in der Elektrolumineszenszelle so anzuregen, daß dieses bzw. dieser von Leuchten erzeugt, welches dem Leuchten einer kontinuierlich aktivierten Elektrolumineszenszelle entspricht. Der Leistungsbedarf beträgt dabei jedoch nur etwa 3% des Leistungsbedarfs bei kontinuierlicher Anregung.

Das Signal gemäß Fig. 2b kann an die Elektrolumineszenszelle 1 durch periodisches Schließen des Schalters 11 angelegt werden. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Spitzen-Spitzen-Spannung 12 ausreichend hoch ist, um die Phosphorschicht anzuregen und beispielsweise

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6o - 80 Volt beträgt. Die Wiederholfrequenz für die Wechselspannungsimpulse kann berechnet oder empirisch so festgelegt werden, daß ein Flackern oder Flimmern der Elektrolumineszenszelle aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges nicht mehr wahrgenommen wird.

In Fig. 3 und 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, welche speziell zur Beleuchtung der Anzeigeeinrichtungen von batteriebetriebenen Geräten wie Rechnern, Messgeräten und dergleichen mit niedrigem Spannungs- und Energiebedarf verwendet werden kann.

Die eine Zuleitung 8 der Elektrolumineszenszelle 1 ist gemäß Fig. 3 mit dem positiven Anschluß 13 einer ersten Batterie einer aus zwei Batterien aufgebauten Stromversorgung verbunden. Der andere Anschluß der ersten Batterie ist geerdet. Die andere Zuleitung 9 der Elektrolumineszenszelle 1 ist über einen Schalttransistor 15 mit einem negativen Anschluß 14 einer zweiten Batterie der Stromversorgung verbunden, deren anderer Anschluß wieder mit Erde verbunden ist. Parallel zu der Elektrolumineszenszelle 1 ist eine Induktivität 16 geschaltet, derart, daß die Induktivität 16 und die Kapazität der Elektrolumineszenszelle 1 einen LC-Schwingkreis bilden. Dieser Schwingkreis wird periodisch impulsförmig angesteuert, wenn die Verbindung zwischen den Batterieanschlüssen 13, 14 über den Schwingkreis

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durch den Transistor 15 geschlossen wird, wobei über der kapazitiven Elektrolumineszenszelle 1 mindestens eine Schwingung 17 auftritt. Das Schalten des Schalttransistors 15 erfolgt in Abhängigkeit von Steuerimpulsen 18, die an die Steuerelektrode des normalerweise nicht leitenden Schalttransistors 15 angelegt werden, um diesen leitend zu steuern, so daß sich ein Stromimpuls 21 ergibt, der eine Energiezufuhr zu dem Schwingkreis 1, 16 ergibt. Bei der Resonanzfrequenz wird die- dem- Schwingkreis zugeführte Leistung durch den rein ohmschen Widerstand des Schwingkreises aufgezehrt, während sich die Blindwiderstände des Schwingkreises, gegenseitig kompensieren. Die Steuerimpulse 18 werden mittels eines Impulsformers 19 erzeugt, dem ein impulsförmiges Signal 22 zugeführt wird. Durch Abstimmung der Induktivität 16 auf die kapazitive Komponente des Scheinwiderstandes der Elektrolumineszenszelle erhält man einen Resonanzkreis, der geeignet ist, Impulse 17 hoher Spannung zu erzeugen, mit deren Hilfe das Elektrolumineszensmaterial der Elektrolumineszenszelle 1 angeregt werden kann, obwohl die aus zwei Batterien aufgebaute Speisespannungsquelle nur eine niedrige Spannung liefert. Auf diese Weise wird der Leistungsbedarf reduziert, der bei anderen Schaltungen zur Erzeugung von Impulsen hoher Spannung auftritt. Gemäß der Erfindung wird also aus einer Speisespannungquelle mit ein oder zwei Batterien niedriger Spannung, wie sie in Rechnern, Messgeräten und dergleichen verwendet werden, ein Wechselspannungssignal

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mit relativ hoher Spannung und Frequenz erzeugt, mit dem die Elektrolumineszenszelle impulsförmig angesteuert wird.

Die vorstehend erwähnten Signale 17, 18, 21, 22 in der Schaltung gemäß Fig. 3 sind in den einzelnen Teilfiguren der Fig. 4 in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt, wobei nachzutragen ist, daß das impulsform!ge Signal 22 von einem geeigneten Taktgenerator, der beispielsweise mit einer Frequenz von 32 Hz arbeitet, stammt, und vorzugsweise Bestandteil des Geräts ist, dessen Anzeige beleuchtet werden soll.

Während eine Beleuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung mit einer großen Vielzahl verschiedener Elektrolumineszenszellen, Induktivitäten und Transistoren aufgebaut werden kann, wobei mit unterschiedlichen Frequenzen, Batteriespannungen usw. gearbeitet werden kann, ergaben sich besonders vorteilhafte Betriebsbedingungen für die Schaltung gemäß Fig. 3 bei Verwendung der nachstehend angegebenen Bauelemente und beim Arbeiten mit den nachstehend ebenfalls angegebenen Betriebsparametern :

Spannung am Anschluß 13 )

Spannung am Anschluß 14 ) ^/O Kapazität der Elektrolumineszenszelle o,o2 nF Induktivität 16 68 nH

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Resonanzfrequenz von Schwingkreis 342 kHz Spannung am Schwingkreis (Spitze-Spitze) 9,ο V Relative Einschaltdauer für Impulse 17 o,2 S.

Fig. 5 zeigt eine Elektrolumineszenszelle 2, die in mehrere Einzelfelder 3A - 3F unterteilt ist. Bei Untersuchungen von Elektrolumineszenszellen wurde festgestellt, daß bei Elektrolumineszenszellen mit parallelen Platten bzw. Elektroden ein direkter Zusammenhang zwischen der Fläche und dem Stromverbrauch besteht. Beispielsweise benötigt man bei einer Elektrolumineszensdiode zum Beleuchten der Anzeige eines Kleingeräts einen Wechselstrom von etwa 42 juA für eine ausreichende Beleuchtung zum Ablesen einer Flüssigkristallanzeige bei schwachem bzw. ungünstigem Licht. Arbeitet man nun mit einer Multiplex-Ansteuerung der Hintergrundsbeleuchtung, dann ergibt sich ein Strombedarf, der der Summe der Einzelfelder der Elektrolumineszenszelle geteilt durch die Anzahl der Einzelfelder entspricht. Wenn beispielsweise sechs Einzelfelder 3A - 3F vorgesehen sind, dann wird.unter den angenommenen Bedingungen der Strom auf 7 juA reduziert. Außerdem wird der Spitzenstrom verringert, wodurch die Lebensdauererwartung der Elektrolumineszenszelle 2o erhöht wird.

Beim Ausführungsbeispiel, gemäß Fig. 5 kann jedes Einzelfeld 3A - 3F sequentiell zur Lumineszens erregt werden, indem man impulsförmig Signale relativ hoher Frequenz

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ORIGINAL

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mit geringerer relativer Einschaltdauer anlegt wie dies beschrieben wurde. Dabei wird das natürliche übersprechen zwischen den Einzelfeldern ausgenutzt, um bei verbessertem Wirkungsgrad eine im wesentlichen gleichmäßige und kontinuierliche Beleuchtung zu erhalten.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß erfindungsgemäß eine vorteilhafte Beleuchtungseinrichtung einer Elektrolumineszenszelle geschaffen wird, die sich speziell als Hintergrundsbeleuchtung für Anzeigeeinheiten von batteriebetriebenen Kleingeräten eignet, wobei speziell die Beleuchtung von passiven elektrooptischen Anzeigeeinheiten von batteriebetriebenen Kleinuhren, insbesondere von Armbanduhren, vorteilhaft verwirklicht werden kann. Bei der Verwendung von Beleuchtungseinrichtungen gemäß der Erfindung in Uhren, insbesondere Armbanduhren, ergibt sich dabei noch der zusätzliche Vorteil, daß die Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung mit einem von einem Taktgenerator der Uhr abgeleiteten Signal erfolgen kann. Somit ist also auch die Verwendung von Beleuchtungseinrichtungen der vorstehend beschriebenen Art in batteriebetriebenen Uhren Gegenstand der Erfindung.

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Claims

HOEGER, STEI.LRECWT ά PARTNER

pai ent anwälte

14 c ■ d 7000 Stuttgart 1

A 43 808 b Anmelder: Timex Corporation

k - 176 Waterbury, Conn. 06720

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Patentansprüche

Beleuchtungseinrichtung mit einer Elektrolumineszenszelle mit zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist und mit Elektrolumineszensmaterial zwischen den Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktivität (16) vorgesehen ist, die der Elektrolumineszenszelle (1) derart parallel geschaltet ist, daß siü mit dieser einen Schwingkreis bildet, und daß xmpulperzeugungseinrichtungen (22, 19, 15) vorgesehen sind, durch die der Schwingkreis (1, 16) mit Steuersignalen vorgegebener Impuisfolgefrequenz periodisch zu Resonanzschwingungen anregbar ist, um Spannungsimpulse vorgegebener Frequenz und Spannung zur Anregung der Elektrolumineszenszelle (1) zu einer im wesentlichen kontinuierlichen, flackerfreien Lichterzeugung zu erzeugen.
2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (16) und die kapazitive Komponente des Widerstandswertes der Elektrolumineszenszelle (1) einen Schwingkreis (1,16) mit einer beträchtlich über der Impulsfolgefrequenz der Steuersignale liegenden Resonanzfrequenz bilden.

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3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (1, 16) eine Resonanzfrequenz von mindestens 1 kHz besitzt, und daß die Impulsfolgefrequenz für die Steuerimpulse zur Erzielung einer quasi-kontinuierliehen Lichterzeugung mindestens 32 Hz beträgt.
4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugungseinrichtungen derart ausgebildet sind, daß mit ihrer Hilfe ein intermittierender Strom aus einer Batterie erzeugbar ist, und daß die Schwingung des Schwingkreises (1, 16) so gewählt ist, daß eine elektrische Wechselspannung erzeugbar ist, deren Spitzen-Spitzen-Spannung (12) zumindest für eine Schwingungsperiode größer als die Batteriespannung ist.
5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriespannung zwischen etwa 1 und 5 Volt beträgt, und daß die elektrische Wechselspannung bei einer Frequenz zwischen 500 Hz und 20 kHz eine Spitzen-Spitzen-Spannung (12) zwischen 20 und 100 Volt aufweist.

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6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß für das Schwingen des Schwingkreises (1/ 16) eine relative Einschaltdauer von weniger als 25% vorgesehen ist.
7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Speisespannungsquelle eine Batterie vorgesehen ist, daß die Impulserzeugungseinrichtungen einen Schalter (15) aufweisen, der in Serie zwischen dem Schwingkreis (1, 16) und den Polen (13, 14) der Batterie liegt, und daß die Impulserzeugungseinrichtungen derart ausgebildet sind, daß der Schalter (15) durch sie periodisch betätigbar ist, um den Schwingkreis (1, 16) zu Schwingungen anzuregen, derart, daß zwischen den Elektroden ein elektrisches Wechselfeld mit vorgegebener Spannung und Frequenz zur Anregung des Elektrolumineszensmaterials (4) zur Lichtemission liegt.
8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolumineszensmaterial ein Phosphormaterial vorgesehen ist.

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9. Beleuchtungseinrichtung mit einer Elektrolumineszenszelle mit zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist und mit Elektrolumineszensmaterial zwischen den Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß Steuereinrichtungen (10, 14 - 22)
vorgesehen sind, mit deren Hilfe zur Anregung des Elektrolumineszensmaterials (4) zur Lichtemission periodisch mindestens eine Welle (17) eines Wechselspannungssignals zur Erzeugung eines elektrischen Feldes an die Elektroden (8, 9; 8a - 8f, 9) anlegbar ist, und daß die Wiederholfrequenz unter Berücksichtigung der Nachleuchtdauer und/oder der . für das menschliche Auge geltenden Flimmerfrequenz von 32 Hz vorgebbar ist.

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