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Schaltungsanordnung einer leuchtdiodenanzeige
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Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einer
L£euchtdiodenanzeige nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Leuchtdioden sind bekannte aktive Anzeigeelemente, die als Einzeldioden
oder in aneinandergereihter Anordnung als Strichanzeigen, als 7-Segment-Elemente
für die digitale Zifferndarstellung oder als Punkt-Matrix zur alphanumerischen Anzeigedarstellung
üblich sind. Die 7-Segement-Elemente werden insbesondere auch in kleine Uhrengehäuse
zur Anzeige der Uhrzeit eingesetzt. Aber auch in anderen Geräten mit Gleichstromversorgung,
insbesondere in Kraftfahrzeugen werden Leuchtdiodenanzeigen verwendet.
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In der bekannten Schaltungsanordnung einer Leuchtdiodenanzeige nach
der eingangs genannten Gattung von Leuchtdioden, die auch als LED-Anzeigen bezeichnet
werden, werden die Segmente der 7-Segment-Elemente parallel mit Gleichstrom versorgt.
Die Summe aller Segmentströme der jeweils eingeschalteten Segmente ist dabei verhältnismäßig
groß, insbesondere im Verhältnis zu der Stromaufnahme einer Logikschaltungsanordnung,
die die Segmente steuert. Da für die Helligkeit der LED-Anzeige aer durch das ;jeweils
eingeschaltete Segment fließende Strom maßgebend ist, darf dieser einen bestimmten
Werts beispielsweise von 10 mA,nicht unterschreiten. Ein zulässiger Spannung abfall
an dem eingeschalteten Sog@@rt beträgt dabei typischerweise etwa 2 V. Da aber a:e
Batteriespannung beispielsweise 12 - 14 V betrage .n, bedeutet dies, daß in einer
Anzeige mit 25 Segmenben, die demzufolge etwa 250 mA Strom aufnehmen, ein Ci derstand
erforderlich ist, in dem etwa 3 W Verlustleistung in Wärme uu gesetzt werden. Insbesonderc
bei tragbaren Geräten, die mit einer Leuchtdiodenanzeig ausgestattet sind, verursacht
aber diese Verlustleistung eine unnötige Belastung
der Batterie.
Problematisch kann in vielen Anwendungsfällen, beispielsweise in einem kleinen Uhrengehäuse,
auch die Abführung der Verlustwärme sein, wozu teuere Kühlkörper und Metallgehäuse
eingesetzt werden0 Eine entstehende Ubertemperatur könnte sich ungünstig auf die
Zuverlässigkeit des Geräts und insbesondere auf die Stabilität frequenzbestimmender
Bauteile in einer Uhr auswirken.
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Zu der vorliegenden Erfindung gehört daher die Aufgabe, bei einer
Schaltungsanordnung einer Leuchtdiodenanzeige der eingangs genannten Gattung, die
aus einer Gleichstronquelle gespeist wird, die Verlustleistung herabzusetzen, dabei
aber trotzdem eine gleichmäßige und von der Anzahl der eingeschalteten Segmente
unabhängige Helligkeit der Leuchtdiodenanzeige zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den in dem Anspruch
1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Werden berspielsweise zwei 7-Segment-Anzeigen in Reihe geschaltst
und an die Stromquelle angeschlossen, so verringert sich die Stromaufnahme und damit
die Verlustleistung gegenüber einer reinen Parallelschaltung um die Hälfte. Obwohl
jedes der beiden 7-Segment-Elemente mit einer unterschiedlichen Segmentzahl eingeschaltet
sein ki, um eine gewünschte Ziffer anzuzeigen, wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene
Ausgleichsschaltungsanordr.vr-, sichergestellt, daß der Strom in jedem eingeschalteten
Segment eines der 7-Segment-Elemente bei dem eingestellten Wert konstant ist. Hierzu
liefert die Ausgleichsschaltungsanordnung in der Art einer bipolaren Spannungsquelle
je nach den augenblicklichen Betriebsverhältnissen Strom in eines der beiden 7-Segment-Elemente
oder fahrt aus diesem Strom ab.
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Anstelle der gemeinsamen Sammalleitung, zu der die in
Reihe
geschalteten 7-Segment-Elemente geführt sind, wobei die gemeinsame Sammelleitung
etwa auf der halben Potentialdifferenz der Stromquelle liegt, kann jedem der beiden
7-Segment-Elemente oder einer von zwei Gruppen 7-Segment-Elementen je eine Sammelleitung
zugeordnet sein und beide Sammelleitungen können über je ein Widerstand miteinander
verbunden sein, so daß die Ausgleichsschaltungsanordnung an den gemeinsamen Verbindungspunkt
zwischen beiden Widerständen angeschlossen werden kann. Diese Variante nach Anspruch
2 ist vor allem fur Schaltungsanordnungen in P-MOS-Technik, N-MOS-Technik oder C-MOS-Technik
vorgesehen. Dabei entfallen individuelle Vorwiderstände in jedem durch ein Segment
eines 7-Segment-Elements gebildeten Schaltungszweig.
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Die Ausgleichsschaltungsanordnung kann im einfachsten Fall aus zwei
in Reihe geschalteten Z-Dioden bestehen, die nach Anspruch 3 an die gemeinsame Sammelleitung
oder an den gemeinsauon Verbindungspunkt der beiden Sammelleitungen, in denen die
Vorwiderstände angeordnet sind, angeschlossen ist.
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In einer Variante der Ausgleichsschaltungsanordnung, welche die bipolare
Spannungsquelle zum Ausgleich unterschiedlicher Segmentströme bildet, ist anstelle
je einer Z-Diode die Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors in der Ausgleichsschaltungsanordnung
angeordnet. Die Emitter-Kollektorstrec;ken je eines npn-Transistcrs und eines pnp-Transistors
sind hierzu in Reihe geschaltet und überbrücken die Gleichstromquelle.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den nachstehcnd
beschriebenen Ausfuhrung'sbeispielen.
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Die Erfindung wird an Halle einer Zeichnung mit 5 Figuren erläutert,
in denen dargestellt sind:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur
Erläuterung des Funktionsprinzips in der Art eines Ersatzschaltbilds, Figur 2 das
Schaltbild einer bipolaren Ausführungsform, Figur 3 das Schaltbild einer Aus iühüungs
form in P-MOS-Technik, Figur 4 das Schaltbild einer AusfUhrungsform in N-MOS-Technik
und Figur 5 das Schaltbild einer AusfUhrungsform in C-MOS-Technik.
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In Figur 1 sind mit 1 - 3 Leuchtdioden bezeichnet, welche drei Segmente
eines 7-Segment-Elements darstellen können.
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Zu einem zweiten 7-Segment-Element gehören Segmente 4, 5 und 6. Die
Segmente 1 - 3 einer sogenannten oberen Anzeigegruppe und die Segmente 5 - 6 einer
sogenannten unteren Anzeigegruppe sind bezüglich einer Gleichstromquelle, welche
an die Batterieklemmen 7 und 8 angeschlossen ist, in Reihe geschaltet.
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Die Segmente 1 - 3 der oberen Anzeigegruppe sind in Zweigen zwischen
einer Leitung 9 an der Batterieklemme 7 und einer Sammelleitung 10 angeordnet. Die
Anzeigeelemente 4, 5 und 6 der unteren Anzeigegruppe liegen in Zweigen zwischen
der Sammelleitung 10 und einer Leitung 11 an der Batteriellemme 8.
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Die Segmente sind durch gesteuerte Schalter 12 - 17 einschaltbar,
die von einer nicht dargestellten Logikschaltungsanordnung betätigt werden. Diese
Schalter können als gesteuerte Halbleiter,beispielsweise Transistore ausgebildet
sein. In Reihe zu jedem Segment ist eine Ersatzstromquelle 18 - 23 dargestellt,
die beispielsweise durch einen Widerstand, an dem ein Spannungsabfall auftritt realisiert
sein kann,
Eine Ausgleichsschaltungsanordnung 24 wird durch einen
npn-Transistor 25 und einen pnp-Transistor 26 gebildet, deren Emitter-Kollektorstrecken
in Reihe geschaltet sind.
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Die Reihenschaltung dieser Emitter-Kollektorstrecken liegt zwischen
den Leitungen 9 und 11. Die gemeinsame Verbindung der Emitter-Kollektorstrecken
an dem Punkt 27 steht mit der Sammelleitung 10 in Verbindung.
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Je nachdem welcher der gesteuerten Schalter 12 - 17 geschlossen ist,
werden unterschiedliche Zahlenwerte mit der Leuchtdicdenanzeige in Figur 1 angezeigt.
Dabei fließt über den geschlossenen Schalter jeweils ein Segmcntstrom, der von einer
der Ersatzstromquellen 18 - 23 gebildet gedacht werden kann. Damit die Segmentströme
unabhängig von der Anzahl der eingeschalteten Segmente der oberen Anzeige gruppe
einerseit und der unteren Anzeigcgruppe andererseits konstant sind, wirkt die Ausgleichsschaltungsanordnung
24 so, daß die Spannung auf der Sammelleitung 10 gegenüber der Spannung auf der
Leitung 11 halb so groß und konstant gegenüber der Spannung zwischen den Leitungen
9 und 10 ist, die mit der Spannung U der Stromquelle an den Batterieklemmen 7 und
8 beaufschlagt werden, Um dies zu erreichen, ist der Ausgangsstrom, der von der
Ausgleichsschaltungsanordnung 24 in die Sammelleitung 10 eingespeist wird Nul, wenn
gleich viele Segmente in dem oberen und in der unteren Schaltungsteil eingeschaltet
sind. Werden hingegen in dem unteren Schaltungateil mehr Segmente 4 - 6 eingeschaltet
als Segmente t - 3 des oberen Schaltungsteils bzw. der oberen Anzeigegruppe, so
speist die Ausgleichsschaltungsanordnung einen zusätzlichen Stron in die Segmente
der untercn @@zeigegruppe ein.
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Im umgekehrten Fall, wenn mehr Segwente der oberen Anzeig@gruppe als
Segmente der unteren Anzeigegruppe eingesenaltet sind, führt die Ausgleichsschaltungsanordnung
cir. Teil des Stroms aus der Sammelleitung direkt zu der
Leitung
11 ab.
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Die Ausgleichsschaltungsanordnung wirkt also auch als bipolare Spannungsquelle
an der Sammelleitung 10.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen, in denen integrierte Schaltkreise
in verschiedenen Technologien dargestellt sind, werden übereinstimmende Elemente
wie in Figur 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen: In der bipolaren Ausführungsform
eines integrierten Schaltkreises nach Figur 2 werden die Segmente 1 - 3 eines 7-Segment-Elements
durch Transistoren 18 - 20 über Vorwiderstände 21 - 23 eingeschaltet, und die Segmente
4 - 6 über Transistoren 24 - 26 über Vorwiderstände 27 - 29.
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Die als bipolare Spannungsquelle Ausgleichsschaltungsanordnung wird
durch zwei in Reihe geschaltete Z-Dioden 30 und 31 gebildet, welche das Potential
auf der Sanmelleitung 10 ungefähr auf dem halben Potential crr Leitung 9 gegenüber
der Leitung 11 halten.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 werden die Segmente 1 - 6
durch je einen gesteuerten tIrlbleiterschalter 32 - 37 entsprechend dem darzustellenden
Wert eingeschaltet. Die Ansteuerung dieser Schaltet ist für die Schalter 32 und
35 durch die Ansteuerungsschaltungsanordnung 38 mit der Logikschaltungsanordn=nb
39 angedeutet.
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Eine Besonderheit der Ausführungsform nach Figur 3 besteht darin,
daß den Segmenten 1 - 3 der oberen Gruppe und den Segmenten 4 - 6 der unteren Gruppe
je eine Sammelleitung 40 bzw. 41 zugeordnet ist, die über einer gemeinsamen Vorwiderstand
42 bzw. 43 an einem gemeinsrmlen Vcrbindungspunkt
44 miteinander
verbunden sind. In dieser Schaltungsanordnung wird der gemeinsame Verbindungspunkt
44 etwa auf dem halben Potential gegenüber dem Potential der Leitung 9 bezogen jeweils
auf das Potential der Leitung 11 durch die Ausgleichsschaltungsanordnung gehalten,
die durch die Z-Dioden 30 und 31 gebildet wird. Zu erkennen ist in dieser Ausführungsform
noch ein Transistor 35 zum Einschalten der Betriebsstromquelle.
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Das Ausfuhrungsbeispiel in Figur 4 ist als integrierter Schaltkreis
in N-MOS-Technik ausgeführt. Dies bedeutet, daß die gesteuerten Schalter 46 - 52
zum Einschalten der Segmente gesteuerte Schalter in N-MOS-Technik sind. Im übrigen
entspricht die Anordnung der Sammelleitungen 40 und 41 mit den gemeinsamen Vorwiderständen
42 und 45 die an dem gemeinsamen Verbindungspunkt 44 miteinander in Verbindung stehen,
den entsprechenden Teilen in Figur 3.
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Die Ausgleichsschalturlgsanordnung in Figur 4 ist wiederum durch zwei
Transistoren 25 und 26 entsprechend Figur 1 gebildet, deren Emitter-Kollektorstrecken
mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt 44 kontaktiert sind.
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Das Ausführungsbeispiel in Figur 5 ist ein integrierter Schaltkreis
in C-MOS-Technik, in dem die oberen gesteuerten Schalter 52 - 34 zum Einschalten
der Segmente 1 - 3 direkt mit derpositiven Leitung 9 verbunden sind und die gesteuerten
Schalter 49 - 52 zum Einschalten der unteren Segmente 4 - 6 mit der negativen Leitung
11 in Verbindung stehen. Die Ansteuerelektronik ist wiederum durch den Schaltungsteil
38 angedeutet.
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Die Segmente der 7-Sagment-Elemente stehen wiederum mit zwei Sammelleitungen
40 und 41, denen Je ein gemeinsamer Vonfiderstand 42 bztr. 43 zugeordnet ist, in
Verbindung.
Der gemeinsame Verbindungspunkt 44 der Vorwiderstände
42 und 43 ist an die Transistoren 25 und 26 der Ausgleichsschaltungsanordnung angeschlossen,
die der Ausgleichsschaltungsanordnung 24 in Figur 1 gleicht.
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