DE3035944A1 - Optoelektronische halbleiteranordnung - Google Patents

Optoelektronische halbleiteranordnung

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Description

  • Optoelektronische Halbleiteranordnung
  • Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Halbleiteranordnung aus mindestens einem lichtaussendenden Lumineszenz-Halbleiterbauelement. Bei Lumineszenzeinzeldioden oder Leuchtdisplays aus einer Vielzahl von zusammengefügten oder monolythisch integrierten Einzel-Lumineszenzdioden wird vielfach eine Regelung der Leuchtstärke gewünscht, um eine Kontrastverbesserung zu erzielen bzw. die jeweilige Leuchtstärke der Umgebungshelligkeit anzupassen. Hierzu ist in der Regel ein fotoempfindliches Halbleiterbauelement mit einem angeschlossenen Fotoverstärker vorgesehen. Über die Ausgangsgröße dieses Fotoverstärkers wird dann die Helligkeit der Lumineszenz-Halbleiterbauelemente geregelt. Bei Gerätefrontplatten, die meist mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Stellen angeordneten Lumineszenzdioden bzw.
  • Leuchtdisplays versehen sind, wird zur Helligkeitsregelung der gesamten Leuchtbausteine ein zentraler Optosensor mit in die Geräteplatte eingebaut. Dieser zentrale optosensor steuert dann einheitlich die Helligkeit sämtlicher Leuchtbausteine, wobei die Verdrahtung jedoch vielfach ziemlich aufwendig ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Art der Helligkeitsregelung zu vereinfachen und zu verbilligen. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei optoelektronischen Halbleiteranordnungen mit wenigstens einem Lumineszenz-Halbleiterbauelement in Sendepausen das Lumineszenz-Halbleiterbauelement zur Messung der Umgebungshelligkeit als Fotodetektor betrieben wird.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung erzeugen die Leuchtdioden bzw. die Displays die zur Helligkeitsregelung erforderliche Information selbst. Dabei besteht die Möglichkeit, daß wiederum über ein Lumineszenzbauelement zentral auch die Helligkeit aller anderen im System enthaltenen Leuchtbausteine geregelt wird. Andererseits kann jedoch auch jeder Displaybaustein bzw. jede einzelne Lumineszenzdiode für sich selbst die Umgebungshelligkeit messen und daraus die eigene Leuchtstärke ableiten. Dies vereinfacht die Verdrahtung des Gesamtsystems und läßt eine individuelle Helligkeitsregelung, die den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt ist, zu. Das Lumineszenz-Halbleiterbauelement bzw. die Leuchtdisplays werden vorzugsweise im Taktbetrieb angesteuert, so daß die Taktpausen zur Messung des Fotostroms und damit der Umgebungshelligkeit zur Verfügung stehen. Dieser Taktbetrieb läßt sich sowohl bei Einzellumineszenz-Halbleiterdioden als auch bei Sieben-Segment-Ziffern oder großflächigen monolythisch integrierten Leuchtdisplays vorteilhaft einsetzen. Die Taktfrequenz für die einzelnen Leuchtbauelemente muß dabei über der Ansprechempfindlichkeit des menschlichen Auges liegen, wenn ein gleichmäßiges flackerfreies Leuchtbild erwünscht ist.
  • Die erforderlichen integrierten Halbleiterschaltkreise, die den Fotoverstärker, den Taktgeber und die Helligkeitssteuerung bzw. die Treiberschaltung für die Lumineszenzbausteine enthalten, werden vorzugsweise in die Gehäuse für die Bauelemente bzw. Leuchtdisplays mitintegriert.
  • Selbst bei einer Einzeldiode ist eine derartige Integration aufgrund der großen Fortschritte bei der Miniaturisierung ohne weiteres möglich. Bei Halbleiteranordnungen, die mehrere Lumineszenzdioden umfassen, können in den Sende- oder Betriebspausen mehrere Dioden parallel geschaltet werden, um den Gesamt-Fotostrom, zu erhöhen.
  • Die erfindungsgemäße Doppelausnutzung von Lumineszenz-Halbleiterbauelementen als Sende- und Empfangselement kann praktisch bei allen möglichen Leuchtfarben durchgeführt werden. Beispielsweise bei einer rotleuchtenden Lumineszenzdiode beträgt der Fotostrom 50 pA/Lx. Dies gilt für Leuchtdioden mit eingefärbtem Kunststoffgehäuse. Bei nicht eingefärbten Gehäusen ist der Fotostrom etwa 50 % größer. Ähnliche Verhältnisse liegen bei orange-, gelb-und grünemittierenden Leuchtdioden vor.
  • Mit vertretbarem Aufwand lassen sich Fotoströme bis herab zu ca. 100 pA verarbeiten, so daß eine Helligkeitssteuerung von ca. 2 lx an aufwärts möglich ist.
  • Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung, soll noch anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
  • Die Figur 1 zeigt ein Blockschema für die Ansteuerung einer Lumineszenzdiode.
  • Die Figur 2 zeigt eine Einzelleuchtdiode, die zusammen mit dem erforderlichen integrierten Schaltkreis in ein Kunststoffgehäuse eingebaut ist.
  • Figur 3a zeigt eine Sieben-Segment-Ziffer.
  • Figur 3b gibt den Taktbetrieb für eine derartige Sieben-Segment-Ziffer an.
  • Das Blockschaltbild gemäß der Figur 1 umfaßt eine helligkeitsgesteuerte Treiberschaltung G für das Lumineszenz-Halbleiterbauelement LED. Diese Treiberschaltung G, die beispielsweise aus einer der bekannten Treiberschaltungen besteht, führt dem Lumineszenz-Halbleiterbauelement den die Leuchthelligkeit bestimmenden Betriebsstrom über den Umschalter U zu. Durch den Umschalter wird einmal das Lumineszenzbauelement LED direkt mit dem Geber G und zum anderen direkt mit dem Fotoverstärker V verbunden. Die Umschaltung wird beispielsweise über den Taktgeber T so gesteuert, daß bei ankommenden Impulsen der Geber mit der LED verbunden ist und in den Impulspausen der Fotostrom der LED zum Fotoverstärker V gelangt, über den dann seinerseits die Treiberschaltung G so geregelt wird, daß die Leuchtdichte den in den Impulspausen jeweils gemessenen Verhältnissen der Umgebungshelligkeit angepaßt ist. Die Treiberschaltung G und der Fotoverstärker V bilden somit zusammen mit dem Lumineszenzbauelement LED eine Regelschleife.
  • Als Fotoverstärker eignet sich beispielsweise der im Handel erhältliche Schaltkreis CA 3130. Dies ist ein Operationsverstärker, der mit einer Versorgungsspannung von 5 V auskommt und auch sehr schwache Eingangströme ausreichend verstärkt, wenn ein großer Rückkopplungswiderstand (10 - 100 MQ) verwendet wird.
  • In Figur 2 ist eine Einzellumineszenzdiode in einem Kunststoffgehäuse dargestellt. In das Kunststoffgehäuse führen zwei Anschlußstreben 1 und 2. Das Halbleiterbauelement wird mit der bekannten Streifentechnik aufgebaut, bei der die Kontaktierungsstreben Teil eines tragenden Metallstreifens sind und die Strebenenden nach der Kontaktierung der Halbleiterbauelemente in lichtdurchlässigen Kunststoff eingegossen werden. Die Kunststoffgehäusekappe 4 kann aus eingefärbtem oder nicht eingefärbtem Kunststoff bestehen.
  • Auf das Ende der einen Strebe 1 ist die Lumineszenzdiode 5 unter Bildung eines ersten elektrischen Anschlusses angeordnet. Der zweite Kontakt des Halbleiterbauelementes 5 führt über einen Kontaktierungsdraht zum integrierten Halbleiterschaltkreis 6, der auf der Stirnseite der Strebe 2 befestigt ist. Dieser integrierte Schaltkreis 6 enthält den Fotoverstärker und die Helligkeitssteuerung für die Lumi- neszenzdiode 5 sowie gegebenenfalls die Taktgeberschaltung.
  • Über die aus dem Kunststoffgehäuse 4 herausragenden Streben 1 und 2 werden Lumineszenzdiode und Schaltkreis an die Versorgungsspannung angeschlossen. Es handelt sich somit bei der Anordnung gemäß der Figur 3 um eine zweipolige Halbleiteranordnung mit in das Gehäuse integrierten Schaltungsbausteinen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Doppelausnutzung der Lumineszenzdiode als Sende- und Empfangsbauelement wirkt sich vorteilhaft aus, daß die spektrale Empfindlichkeit der Lumineszenzdiode recht genau der Augenempfindlichkeit angepaßt ist.
  • Dadurch wird eine Registrierung von Infrarotlicht, die sich störend auswirken würde, verhindert.
  • Das Lumineszenzbauelement gemäß der Figur 2 wird beispielsweise im Taktbetrieb angesteuert. Die Puls zeit beträgt bei einem Ausführungsbeispiel 10 msec und ist identisch mit der Dauer der Pulspause während der der durch das Halbleiterbauelement fließende Fotostrom gemessen wird. Generell gilt, daß die Meßzeit und damit die Pulspause kleiner als 50 msec sein muß, um ein wahrnehmbares Flackern der Lumineszenzdiode auszuschließen.
  • In der Figur 3a ist in der Draufsicht ein herkömmliches Sieben-Segment-Ziffernelement dargestellt, das insgesamt acht Einzeldioden enthält. Die Einzeldioden leuchten die sieben Lichtleitbalken a bis g und den Leuchtpunkt dp aus.
  • Diese Sieben-Segment-Ziffer wird beispielsweise gemäß der Figur 3b im Taktbetrieb angesteuert. Die Gesamtzykluszeit Tz veträgt beispielsweise 20 msec, wobei für jede Einzeldiode eine Ansteuerzeit von 2 msec vorgesehen ist. Dabei wird die Lumineszenzdiode unter dem Leuchtbalken a beispielsweise während der ersten 2 msec des Gesamtzyklusses angesteuert, danach folgt die Leuchtdiode unter dem Balken b und sofort bis schließlich als letzte Lumineszenzdiode der Punkt dp mit gleichfalls 2 msec angesteuert wird. Nun kann eine der Lumineszenzdioden, beispielsweise der Leuchtpunkt DP, zugleich zur Messung der Umgebungshelligkeit durch Messung des Fotostroms ausgenutzt werden. Der Leuchtpunkt dp wird erst in den letzten 2 msec des Taktzyklusses angesteuert, so daß insgesamt die Zeit TF1 = 18 msec zur Messung des Fotostromes zur Verfügung stehen. Zur Erhöhung des Fotostroms können in den Taktpausen auch mehrere der Lumineszenzdioden parallel geschaltet werden. Schaltet man beispielsweise in den Taktpausen die Lumineszenzdioden unter den Balken a, b, c und d parallel, so kann der Fotostrom in diesen vier Lumineszenzdioden nach 10 msec des Gesamtzyklusses während einer weiteren Zeit von TF2 = 10 msec gemessen werden.
  • Die erfindungsgemäße Doppelausnutzung von Lumineszenzbauelementen als Fotoelement in Betriebspausen kann selbstverständlich auch bei Analoganzeige-Einheiten, wie beispielsweise Leuchtbändern, zur integrierten Lichtstärkeregelung ausgenutzt werden. Das gleiche gilt für numerische und a-numerische Displays und Leuchtfelder, die im Zeitmultiplex betrieben werden.
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Claims (9)

  1. Patentansprüche Optoelektronische Halbleiteranordnung aus mindestens einem Licht aussendenden Lumineszenz-Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß in Sendepausen das Lumineszenz-Halbleiterbauelement zur Messung der Umgebungshelligkeit als Fotodetektor betrieben wird.
  2. 2) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Sendepausen durch das Lumineszenz-Halbleiterbauelement fließende Fotostrom zur Helligkeitssteuerung des vom Lumineszenzbauelement ausgesendeten Lichtes verwendet wird.
  3. 3) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lumineszenz-Halbleiterbauelement im Taktbetrieb angesteuert wird und daß die Taktpausen zur Messung des Fotostroms als Maß für die Umgebungshelligkeit verwendet werden.
  4. 4) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Einzel-Lumineszenzdioden zur alternierenden Lichtaussendung und Lichtmessung.
  5. 5) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Leuchtdisplays aus einer Vielzahl von integrierten oder einzeln aneinander gefügten Lumineszenz-Bauelementen, wobei wenigstens ein Lumineszenzbauelement in den Betriebs- bzw. Taktpausen zur Messung der Umgebungshelligkeit als Fotobauelement betrieben und der Fotostrom zur Helligkeitssteuerung des Displays herangezogen wird.
  6. 6) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Sieben-Segment-Ziffern aus im Taktbetrieb angesteuerten einzelnen oder monolythisch integrierten Lumineszenzdioden, wobei wenigstens eine Diode in den Taktpausen dieser Diode als Fotoelement betrieben wird.
  7. 7) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotoverstärker, Taktgeber und die Helligkeitssteuerung enthaltende Schaltkreis (e) in das Gehäuse für die Lumineszenz-Halbleiteranordnung mit integriert ist.
  8. 8) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Sende- oder Betriebspausen mehrere, während dieser Zeit als Fotodioden betriebene Lumineszenzdioden zur Erhöhung des Fotostroms parallel geschaltet sind.
  9. 9) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz für die Lumineszenzdioden oberhalb der zeitlichen Auflösbarkeitsgrenze des menschlichen Auges liegt.
    lo) Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwen dung von grün, rot, orange oder gelb emittierenden Lumineszenzdioden, deren spektrale Empfindlichkeit weitgehend mit der des menschlichen Auges übereinstimmt.
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