DE3142034A1 - Leistungssparender regelschaltkreis fuer eine lichtquelle - Google Patents
Leistungssparender regelschaltkreis fuer eine lichtquelleInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen leistungssparenden
Regelschaltkreis für eine Lichtquelle nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Sie bezieht sich insbesondere
auf einen Regelschaltkreis für eine lichtemittierende Diode mit starker Lichtabstrahlung und einer hohen Stromaufnahme
von beispielsweise einem halben Ampere. Eine licht- . emittierende Diode dieser Art kann sehr vorteilhaft als Lichtquelle für einen optischen Codierer verwendet werden, der
eine rotierbare Codescheibe oder irgendeine andere bewegliche Codiereinrichtung mit mehreren Codespuren aufweist, welche
Spuren durch die Lichtquelle beleuchtet werden. Das Licht wird unterbrochen bzw. moduliert durch die Codespuren und sodann
einem entsprechenden fotoelektrischen ¥andler bzw. Detektor zugeführt, der mehrere Ausgangssignale erzeugt, die oftmals
ein mehrstelliges binäres Codewort entsprechend der Position der Codescheibe darstellen. Die Codescheibe kann mit einer
rotierenden Welle verbunden sein, so daß die Position der Welle durch den Codierer durch mehrere elektrische Signale
codiert wird, die oftmals ein veränderliches mehrstelliges Codewort darstellen, das einem Computer oder irgendeinem
anderen Steuersystem zugeführt wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten Schaltkreis für die Regelung bzw. Stabilisierung
des Stromes durch eine lichtemittierende Diode zu schaffen, um die Lichtabstrahlung der Diode zu stabilisieren.
Es ist ein. weiteres Ziel der Erfindung, einen neuen und verbesserten
Schaltkreis anzugeben, der nicht nur den Strom durch die Diode regelt, sondern ebenfalls Leistung spart, so daß
der .Leistungsverbrauch des Schaltkreises vermindert wird,
während ebenfalls die durch den Schaltkreis erzeugte Wärme vermindert wird.
Ein weiteres Ziel besteht in der Schaffung eines neuen und
verbesserten Regelschaltkreises, der Veränderungen bezüglich der Eingangsspannung der Betriebstemperatur und des Spannungsabfalles über der lichtemittierenden Diode kompensiert.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten
Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der vorliegenden Aufgabe sieht die Erfindung vorzugsweise
eine leistungssparende geregelte Lichtquelle vor, welche umfaßt: eine lichtemittierende Diode (LED), eine
elektronische Schalteinrichtung mit einem Ausgang und einem
Eingang, eine Gleichstromquelle, welche in Reihe zu dem Ausgang und der lichtemittierenden Diode geschaltet ist, einen
Speicherkondensator, der parallel zu der lichtemittierenden Diode geschaltet ist, eine eine Steuerspannung erzeugende
Einrichtung, die.an die lichtemittierende Diode angeschlossen ist, um eine Steuerspannung entsprechend dem Strom durch
die lichtemittierende Diode zu erzeugen, wobei der Eingang der elektronischen Schalteinrichtung einen Referenzeingang
und einen Steuereingang aufweist und der Ausgang der elektronischen
Schalteinrichtung einen leitenden und einen nichtleitenden Zustand besitzt, je nachdem, ob das Signal am Referenzeingang
das Signal am Steuereingang übersteigt oder nicht, einen Referenzspannungsgeber zur Zuführung einer· Referenzspannung an dem Referenzspannungseingang und eine Einrichtung
zur Zuführung der Steuerspannung an den Steuereingang,
so daß die elektronische Schalteinrichtung im leitenden
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Zustand den Speicherkondensator auflädt und die Steuerspannung solange erhöht, bis die elektronische Schalteinrichtung
in den nicht-leitenden Zustand umschaltet, wobei die elektronische Schalteinrichtung zwischen dem leitenden und nichtleitenden
Zustand hin- und herschaltet.
Die die Steuerspannung erzeugende Einrichtung kann aus einem Widerstand bestehen, der in Reihe zu der lichtemittierenden
Diode geschaltet ist.
Die elektronische Schalteinrichtung kann eine positive Rückführung
aufweisen, um eine Triggerwirkung zwischen dem leitenden und nicht-leitenden Zustand zu erzeugen.
Der Ausgang der elektronischen Schalteinrichtung kann einen Schalttransistor, umfassen, während der Eingang einen Vergleicher
umfassen kann, dessen Ausgang mit dem Eingang des Transistors verbunden ist. Der Vergleicher umfaßt vorzugsweise
einen nicht-invertierenden Eingang, der als Referenzeingang
dient,und einen invertierenden Eingang, der als Steuereingang dient. Eine Rückführung kann den Ausgang mit
dem nicht-invertierenden Eingang des Vergleichers verbinden,
um eine Triggerwirkung zwischen dem leitenden und nichtleitenden Zustand zu erzeugen.
Der Referenzspannungsgeber kann eine stabilisierende Diode und einen Widerstand umfassen, die in Reihe zu der Gleichstromquelle
geschaltet sind, wobei ein' Potentiometer zwischen der stabilisierenden Diode und dem Referenzeingang angeordnet
ist, um die dem Referenzeingang zugeführte Referenzspannung einzustellen.
Der Vergleicher kann zwischen einem hohen Pegel, durch den
der Transistor in seinen leitenden Zustand geschaltet wird, und einem niedrigen Pegel, der den Transistor in seinen nichtleitenden
Zustand umschaltet, hin- und hergeschalte.t werden.
Ein zusätzlicher Speicherkondensator kann parallel zu der
Reihenschaltung aus Transistor, lichtemittierender Diode und dem die Steuerspannung erzeugenden Widerstand geschaltet
sein. Die stabilisierende Diode kann entweder eine herkömmliche Diode oder eine Zenerdiode sein.
Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines leistungssparenden
Regelschaltkreises für eine lichtemittierende Diode zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispieles
der "vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Stromverlaufes durch die lichtemittierende Diode in dem Schaltkreis
gemäß Fig. 1; und
Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Spannungsregelung des Schaltkreises in Abhängigkeit von der Temperatur
bei Veränderungen der Eingangsspannung von 4,5 bis 5,5 Volt.
Figur 1 zeigt einen leistungssparenden Schaltkreis 10 zur
Lieferung eines geregelten oder stabilisierten.Erregerstromes
für eine lichtemittierende Diode (LED) 12, die eine hohe
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Lichtabstrahlung und eine hohe Stromaufnähme in der Größenordnung
von beispielsweise einem halben Ampere aufweist. Die lichtemittierende Diode 12 kann als Lichtquelle für einen
optischen Codierer dienen. Bei einer solchen Anwendung liefert die lichtemittierende Diode 12 das gesamte erforderliche
Licht, um mehrere optische Codespuren auf- einer rotierbaren Codescheibe oder irgendeiner anderen beweglichen Codiereinrichtung
zu beleuchten. In einem solchen Anwendungsfall ist es im hohen Maße erwünscht, den Strom durch die- lichtemittierende
Diode 12 zu stabilisieren, um auf diese Weise die Lichtabstrahlung
der lichtemittierenden Diode ebenfalls zu stabilisieren. Der Schaltkreis 10 gemäß Fig. 1 liefert einen hochstabilen, gut geregelten Strom durch die lichtemittierende
Diode 12 trotz Schwankungen in der Spannungsversorgung und bezüglich der Betriebstemperatur. Darüber hinaus kann der
Schaltkreis 10 individuelle Veränderungen des Spannungsabfalles verschiedener lichtemittierender Dioden kompensieren,
die in dem Schaltkreis verwendet werden können.
In dem Schaltkreis 10 gemäß Fig. 1 ist die lichtemittierende Diode 12 mit einer eine Steuerspannung erzeugenden Einrichtung
14 versehen, um eine Steuerspannung entsprechend dem durch die lichtemittierende Diode fließenden Strom zu erzeugen.
Eine solche Einrichtung 14 kann einen oder mehrere Widerstände umfassen, durch den oder die der die lichtemittierende
Diode durchfließende Strom fließt. Gemäß Fig. 1 sind zwei Widerstände 16 parallel zueinander geschaltet und die Parallelanordnung
ist in Reihe zu der lichtemittierenden Diode 12 geschaltet. Zwei .Widerstände mit einem Wert von 1 0hm werden
in diesem Fall verwendet, um den gewünschten Wert von einem halben Ohm zu erzielen. Ein einziger Widerstand würde ge-
nügen; aber der gewünschte Wert von einem halben Ohm ist
handelsüblich nicht leicht erhältlich. Ein Anschluß eines jeden der Widerstände 16 ist mit Masse 18 verbunden, so daß
eine Steuerspannung zwischen der nicht geerdeten Seite eines jeden Widerstandes 16 und Masse auftritt.
Ein Speicherkondensator 20 ist der lichtemittierenden Diode
12 und der hierzu in Reihe Geschalteten Parallelanordnung der Widerstände 16 parallel geschaltet.
Stromimpulse werden der Parallelanordnung aus lichtemittierender
Diode 12 und dem Speicherkondensator 20 durch eine elektronische'
Schalteinrichtung 21 zugeführt, die einen Transistor 22 umfaßt, welcher als Ausgangseinrichtung der elektronischen
Schalteinrichtung 21 dient. Der Transistor 22 ist in Reihe zu einer Gleichstromquelle geschaltet, die in Fig. 1 schematisch durch einen Anschluß 24 mit +15 Volt veranschaulicht
ist, wobei der negative Anschluß der Gleichstromquelle ebenfalls mit Masse verbunden ist. Die Spannung der Gleichstromquelle
kann in weitem Bereich variieren und sich beispielsweise zwischen ungefähr 4,3 Volt und 16 Volt oder noch höher
bewegen, je nach der Spannungsfestigkeit der verschiedenen Komponenten. Ein zweiter Speicherkondensator 26 ist vorzugsweise
zwischen dem +15 Volt-Anschluß 24 und Masse angeordnet.
Die elektronische Schalteinrichtung 21 kann ebenfalls einen
Eingangsschaltkreis 28 umfassen, welcher als Vergleicher 30 dargestellt ist und im Handel als integrierter Schaltkreis
erhältlich ist, wobei dessen Ausgang mit dem Eingang des Transistors 22 verbunden ist.
Vorzugsweise wird die elektronische Schalteinrichtung mit
einer positiven Rückführung ausgestattet, wobei ein Rückführungswiderstand 34 eine Rückführung zwisehen dem Ausgang
und dem nicht-invertierenden Eingang 33 des Vergleichers bildet. Die positive Rückführung erzeugt bzw..verbessert
das Trigger-verhalten der elektronischen Schalteinrichtung 21.
Gemäß Fig. 1 ist der Ausgang des Vergleichers 30 direkt mit der Basis des Transistors 22 durch eine Leitung 34 verbunden.
Ein Lastwiderstand 36 ist zwischen dem -15 Volt-Anschluß
24 und dem Ausgang des Vergleichers 30 angeordnet. Der Widerstand 36 gibt ebenfalls eine Vorspannung "an der
Basis des Transistors 22 vor. Der invertierende Eingang 37 des Vergleichers 30 dient als Steuereingang, dem die Steuerspannung
von der die Steuerspannung erzeugenden Einrichtung 14 in dem Schaltkreis mit der lichtemittierenden Diode 12'
zugeführt wird. Die Steuerspannung wird dem invertierenden Eingang 37 über eine Leitung 38 zugeführt, die den invertierenden
Eingang 37 mit der nicht geerdeten Seite der parallel angeordneten Widerstände 16 verbindet.
Der nicht-invertierende Eingang 33 des Vergleichers 30 dient
als Referenzeingang, dem eine Referenzspannung durch eine stabilisierte Vorspanneinrichtung 40 zugeführt wird, die
eine Stabilisierungsdiode 42 und einen strombegrenzeiden
Widerstand 44 aufweist, welche beide, in Reihe zwischen dem +15 Volt-Spannungsversorgungsanschluß 24 und Masse geschaltet
sind. Der Strom durch diesen Reihenschaltkreis erzeugt eine stabilisierte Spannung über der Diode 42 zwischen der
nicht geerdeten Seite der Diode und Masse. Die Diode 42 kann
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eine gewöhnliche Festkörperdiode oder auch eine Zenerdiode
sein. Eine gewöhnliche Diode ist weniger teuer und bringt eine befriedigende Stabilisierung, währeid eine Zenerdiode
eine bessere Stabilisierung bei höheren Kosten -bringt. Ein Potentiometer 46 ist zwischen der Diode 42 und dem nichtinvertierenden
Eingang 33 des Vergleichers 30 angeordnet, um wenigstens einen Teil der stabilisierten Diodenspannung
dem nicht-invertierenden Eingang 33 als Referenzspannung .
zuzuführen. Das Potentiometer 46 ermöglicht die Einstellung der Referenzspannung, die dem nicht-invertierenden Eingang
33 des Vergleichers 30 zugeführt wird. In vielen Fällen können befriedigende Resultate erzielt werden, indem der'Vergleicher
durch einen Operationsverstärker oder einen Schmitt-Trigger ersetzt wird.
Im Betrieb des Regelschaltkreises 10 in Fig. 1 wird der
Strom durch die lichtemittierende Diode 12 durch zyklisches
Schalten der elektronischen Schalteinrichtung 21 zwischen · dem leitenden und dem nicht-leitenden Zustand in der erforderlichen
Weise geregelt, um den gewünschten Strom-durch die
lichtemittierende Diode zu bilden und aufrechtzuerhalten. Der Transistor 22, der als Ausgangseinrichtung des elektronischen Schaltkreises 21 arbeitet, wird zwischen dem leitenden
und nicht-leitenden Zustand hin- und hergeschaltet. Der Vergleicher 30, der als Eingangseinrichtung des elektronischen
Schaltkreises 21 arbeitet, wird zwischen dem hohen und niedrigen Ausgangspegel zyklisch geschaltet. Der Vergleicher
30 antwortet auf die relative Polarität der Signale an seinen zwei Eingängen 33 und 37. Wenn die Spannung an dem Referenzeingang
33 die Spannung an dem Steuereingang 37 übersteigt, so nimmt der Ausgang des Vergleichers 30 den hohen Pe^eI ein.
Wenn die Spannung an dem Steuereingang 37 die Spannung an
dem Referenzeingang 33 übersteigt, so nimmt der Ausgang des Vergleichers 30 den niedrigen Pegel ein. Beim niedrigen
Ausgangs-Pegelzustand des Vergleichers 30 ist der Transistor
22 nicht-leitend. Beim hohen Ausgangs-Pegelzustand des Vergleichers
30 ist der Transistor 22 leitend und befindet sich in der Sättigung.
Wenn die Spannungsversorgung anfänglich an den +15 Volt-Anschluß 24 angelegt wird, so wird der Filter- bzw. Speicherkondensator
26 auf die volle' Versorgungsspannung aufgeladen. Die Betriebsspannung wird dem Vergleicher 30 durch positive
und negative Spannungsversorgungsanschlüsse 50 und 52 zugeführt. Die Referenzspannung wird sofort dem nicht-invertierenden
Referenzeingang 33 zugeführt, da kein Kondensator in dem stabilisierten Vorspannuncsschaltkreis 40 angeordnet ist, der
die stabilisierende Diode 42, den Spannungsabfall-Widerstand 44 und das Potentiometer 46 umfaßt. Anfänglich besitzt die
Steuerspannung an dem invertierenden Steuereingang 37 den Wert Null und diese Steuerspannung steigt mit geringer Geschwindigkeit
an, da der Speicherkondensator 20 über dem Translabor 22 aufgeladen werden muß, um die Steuerspannung
zu erhöhen. Das Aus gangs signal des Vergleichers 30 nimmt somit den hohen Pegel aufgrund der schnellen Bildung der
Referenzspannung an dem Referenzeingang 33 ein, wobei die
Referenzspannung die S teuer spannung übersteigt, die mit geringer Geschwindigkeit ansteigt. Die Umschaltung des Vergleichers
30 auf den hohen Ausgangspegel verursacht einen hohen Pegel der Basisspannung des Transistors 22, so daß
der Transistor in den gesättigten leitenden Zustand umgeschaltet wird. Der Speicherkondensator 20 wird über den leitenden
Transistor 22 aus der Spannungsversorgung 24 aufge-
laden. Wenn der Kondensator 20 aufgeladen wird, so steigt
der Strom über die lichtemittierende Diode 12 und die Widerstände 16 an. Der Strom über die lichtemittierende. Diode, erzeugt
einen Spannungsfall über den Widerständen 16, der als Steuerspannung dient. Wenn diese Steuerspannunß genügend angestiegen
ist, um die stabilisierte Referenzspannung an dem Referenzeingang 33 zu übersteigen, so schaltet der Ausgang
des Vergleichers 30 um und wird auf den niedrigen Pegel ge-'
triggert, so daß die Spannung an dem Ausgang des Vergleichers 30 auf einen niedrigen Wert nahe dem Massepotential herunterfällt.
Diese niedrige Ausgangsspannung wird direkt der Basis
des Transistors 22 zugeführt und verursacht dessen nichtleitenden Zustand, da die Basisspannung wesentlich geringer
als die Emitterspannung ist.
Bei nicht-leitendem Transistor 22 wird der Kondensator 20
nicht langer über den Transistor aufgeladen. Stattdessen entlädt
sich der Kondensator 20 über die lichtemittierende Diode 12 und die Widerstände 16, so daß der Strom über die lichtemittierende
Diode allmählich abfällt. Die entsprechende Steuerspannung über den Widerständen 16 nimmt ebenfalls allmählich
ab. Wenn die Steuerspannung an dem Steuereingang 37 unter die Referenzspannung an dem Referenzeingang 33 abfällt,
so schaltet der Ausgang des Vergleichers 30 erneut auf den hohen Pegel um, so daß die Ausgangsspannung des Vergleichers
30 auf einen Viert anwächst, der wesentlich größer als die Emitterspannung des Transistors 22 ist. Demgemäß wird der
Transistor 22 in den gesättigten leitenden Zustand umgeschaltet.
Der Kondensator 20 wird erneut über den Transistor 22 aus der Spannungsversorgungsquelle 24 aufgeladen. Der Transistor
22 bildet somit die Ausgangseinrichtung des elektronischen
Schaltkreises 21, die zyklisch zwischen dem leitenden und
nicht-leitenden Zustand umgeschaltet wird, um Stromimpulse dem· Speicherkondensator 20 und der lichtemittierenden Diode
12 zuzuführen. Der Vergleicher 30 bildet die Eingangseinrichtung des elektronischen Schaltkreises 21 und dieser wird zwischen
dem hohen und niedrigen Ausgangspegel umgeschaltet, um die Leitfähigkeit des Transistors 22 zu steuern.
Der Vergleicher 30 besitzt eine Triggerwirkung, die durch die positive Rückführung verbessert wird, welche durch den Rückführungswider
st and 32 vorgesehen ist. Wenn der Ausgang des Vergleichers 30 den hohen Pegel einnimmt aufgrund des Abfalles
der Steuerspannung an dem Steuereingang 37 unter die Referenzspannung
an dem Referenzeingang 33, so hat der Rückiührungswiderstand 32 die Wirkung einer geringen Erhöhung der Referenzspannung,
so daß die Steuerspannung um ein entsprechend
größeres Ausmaß anwachsen muß, bevor der Vergleicher 30 an. seinem Ausgang auf den niedrigen Pegel zurückschaltet. Bei
einem solch niedrigen Pegel ist die Rückführung nicht länger vorhanden, so daß die Referenzspannung um ein geringes Ausmaß
auf ihren Normalwert herunterfällt, unterhalb den die Steuerspannung fallen muß, bevor der Vergleicher 30 an seinem
Ausgang auf den hohen Pegel umschaltet. Die durch den Widerstand 32 vorgegebene positive Rückführung verursacht somit
eine Hoch- und Niederschaltung der Referenzspannung an dem
Referenzeingang 33 um einen geringen aber merkbaren Betrag,
wenn der Vergleicher 30 zwischen seinem hohen und niedrigen Pegelzustand geschaltet wird. Der Einschaltwert der Steuerspannung
an dem Eingang 37 ist somit geringfügig höher als der Ausschaltwert, wodurch ein Hystereseeffekt erzeugt wird,
der sowohl den hohen als auch den niedrigen Ausgangszustand
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des Vergleichers J5O stabilisiert, so daß eine verbesserte
und genauer bestimmte Triggerwirkung zwischen dem hohen und niedrigen Zustand vorliegt. Ein gewöhnlicher Operationsverstärker
kann anstelle des Vergleichers gewünschtenfalls
verwendet werden. Ein Schmitt-Trigger-Schaltkreis kann ebenfalls verwendet werden.
Der Regelschaltkreis gemäß Fig. 1 hält und reguliert die Steuer spannung über den Widerständen 16 auf einem Wert, der
entsprechend eng der durch das Potentiometer 46 gelieferten · Referenzspannung angenähert ist. Die Steuerspannung wird aufgrund
der zyklischen Betätigung des Transistors 22 zwischen seinem leitenden und nicht-leitenden Zustand um ein geringes
Maß hoch- und heruntergeschaltet.
Der Strom durch die !lichtemittierende Diode 12 ist der Steuerspannung
über dem Widerstand 16 proportional, so daß dieser Strom ebenfalls aufrechterhalten und stabilisiert wird. Beispielsweise kann es erwünscht sein, den Strom durch die lichtemittierende
Diode 12 auf einem halben Ampere zu stabilisieren. Bei diesem Stromwert ist die Steuerspannung über den
zwei parallel geschalteten Widerständen 16 mit 1 Ohm 1/4 Volt,
was sich durch den IR-Spannungsabfall ergibt, der durch den
Stromfluß von einem halben Ampere durch den Widerstand mit einem halben Ohm ergibt. Um diese geregelten Werte des Stromes
durch die lichtemittierende Diode und der Steuerspannung zu erzielen, wird das Potentiometer 46 so eingestellt,.daß eine
Referenzspannung von im wesentlichen 250 mV vorgegeben wird. Es versteht sich, daß der geregelte Strom durch die lichtemittierende
Diode erhöht oder erniedrigt werden kann, indem über das Potentiometer 46 die Referenzspannung erhöht oder
erniedrigt wird. .
Aufgrund der zyklischen Betätigung des Transistors 22 zwischen seinem leitenden und nicht-leitenden Zustand führt dieser
Stromimpulse. Diese Impulse sind von kurzer Dauer.
Der zweite Spe.i cherkondensator 26 wirkt als Filter und hält
im wesentlichen eine stetige Gleichspannung zwischen dem Spannungsversorgungsanschluß 24 von +15 Volt und Masse aufrecht.
Die die Steuerspannung erzeugenden "Widerstände 16 besitzen einen geringen Widerstandswert von beispielsweise nur einem
halben Olim, der in Reihe zu der lichtemittierenden Diode 12
geschaltet ist. Demzufolge ist der Spannungsabfall über diesem Widerstand gering im Vergleich zu dem Spannungsabfall
über der lichtemittierenden Diode 12. Dieser Schaltkreis mißt und steuert somit grundsätzlich den Strom durch die lichtemittierende
Diode 12. Es hat sich herausgestellt, daß der Regelschaltkreis'10 in der Lage ist, den Strom durch die
lichtemittierende Diode 12 über einen extrem weiten Bereich der Eingangsspannung der Gleichspannungsquelle 24 zu stabilisieren.
In einer Testreihe wurde der Strom durch die lichtemittierende Diode auf ungefähr 500 ioA bei einem Bereich der
Eingangsspannung zwischen ungefähr 4,3 Volt und ungefähr 16 Volt stabilisiert.
Der Strom durch die lichtemittierende Diode 12 wird trotz Veränderungen bezüglich der Betriebstemperatur als auch
Veränderungen bezüglich der Gleichspannungsversorgungsquelle 24 in engen Grenzen geregelt und im wesentlichen konstant
gehalten. Diesbezüglich wird die Leistung des Regelschaltkreises 10 durch das Diagramm in Fig. 3 veranschaulicht, wo-
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bei die Spannungsregulierung des Schaltkreises über der Temperatur
aufgetragen ist. Bei den in Fig. 3 veranschaulichten Tests verblieb die Spannungsregelung in einem Bereich von ungefähr
2 bis 3 % über den Temperaturbereich von O bis 7O0C.
Bei diesen Tests betrug die Nennspannung der· Gleichstromquelle 5 Volt, Die Spannung wurde zwisehen 4,5 und 5,5 Volt verändert,
was eine Veränderung von +_ 10 % darstellt. Das Regelverhältnis
des Stromes durch die lichtemittierende Diode wurde für diesen Bereich der Spannungsänderung ermittelt.
Der Regelschaltkreis 10 gemäß Fig. 1 besitzt den weiteren. Vorteil,
daß die Verwendung einer großen Vielzahl von lichtemxttierenden Dioden trotz breiter Veränderung der Betriebscharakteristik der einzelnen Dioden möglich ist. Es hat sich
herausgestellt, daß einzelne lichtemittierende Dioden eine sehr unterschiedliche Spannungsabfall-Charakteristik aufweisen. Bei einem Betriebsstrom von 500 mA hat es sich herausgestellt, daß der Spannungsabfall über verschiedenen einzelnen
lichtemittierenden Dioden von ungefähr 1,1 Volt bis ungefähr 2 Volt variieren kann. Der Regelschaltkreis 10 ist in der
Lage, eine Anpassung an einen solch breiten Bereich der Spannungsabfall-Charakteristik
der lichtemxttierenden Diode 12 herbeizuführen. Es ist nicht erforderlich, eine spezielle
Auswahl der Werte von Komponenten vorzusehen, um eine Anpassung
an den breiten Bereich der Charakteristiken der lichtemxttierenden Dioden zu erzielen.
Der Regelschaltkreis 10 in Fig. 1 besitzt den zusätzlichen Vorteil, daß er eine beträchtliche Ersparnis bezüglich des
Leistungsverbrauchs im Betrieb gewährleistet. Der Regelschal tkreis 10 ist in der Lage, die lichtemittierende Diode
12 mit einem Strom von 500 mA zu betreiben, wobei der Ein-
gangsstrom nur ungefähr 300 mA bei einer Gleichspannungs-Versorgungsspannung
von beispielsweise 5 Volt beträgt. In diesem Fall beträgt der Leistungsverbrauch des Schaltkreises
10 nur ungefähr 1,5 Watt, was sich aus dem Produkt von 5 Volt
und 0,3 Ampere ergibt. Wenn der Strom von 500 mA für die lichtemittierende Diode 12 direkt aus der Spannungsquelle
von 5 Volt über einen Spannungsabfall-Widerstand gezogen wird, so beträgt der Leistungsverbrauch 2,5 Watt entsprechend dem
Produkt von 5 Volt und 0,5 Ampere. In diesem Beispiel vermindert somit der Regeischaltkreis 10 den Leistungsverbrauch von
2,5 Watt auf 1,5 Watt, was einer Ersparnis von 1 Watt bzw.
40 % entspricht. Dieser verminderte Leistungsverbrauch besitzt den Vorteil einer verminderten Leistungsentnahme aus der
Gleichspannungsquelle, wobei ebenfalls die Wärme vermindert
wird, die in dem Speiseschaltkreis für die lichtemittierende Diode erzeugt wird.
Die Reduzierung des Leistungsverbrauchs resultiert aus dem pulsierenden bzw. zyklischen Betrieb des Schalltransistors
22 und der Anordnung des Speicherkondensators 20 parallel zu der lichtemittierenden Diode 12. Der pulsierende Betrieb
des Transistors 22 stellt im wesentlichen einen Schaltbetrieb dar, so daß sehr geringe Wärme in dem Transistor erzeugt
wird. ' ·
Die Leistungsersparnis wird einschneidender bei einem erhöhten
Wert der Gleichspannungsversorgung. In einer Testreihe wurde beispielsweise gefunden, daß die Stromaufnahme des Regelschaltkreises
von ungefähr 300 mA bei einer Eingangsspannung von 5 Volt auf ungefähr 150 mA bei einer Eingangsspannung von
10 Volt herabfiel, so daß der Leistungsverbrauch bei ungefähr
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1,5 Watt verblieb. Zur gleichen Zeit wurde der Strom durch die lichtemittierende Diode auf ungefähr 500 mA stabilisiert.
Bei einem herkömmlichen Schaltkreis mit einem Spannungsabfall-Widerstand
in Reihe zu der lichtemittierenden Diode würde der Leistungsverbrauch bei 10 Volt 5 Watt entsprechend dem
Produkt aus 10 Volt und 0,5 Ampere betragen. Der Regelschaltkreis gemäß Fig. 1 erzielt somit eine Verminderung des Leistungsverbrauchs
von ungefähr 5 Watt auf ungefähr 1,5 Watt bei einer Spannungsquelle von 10 Volt. Die Verminderung des
Leistungsverbrauchs beträgt ungefähr 3,5 Watt und steigt auf ungefähr 70 50 an.
Bei einer höheren Versorguncsspannung, wie beispielsweise
15 Volt, ist die Leistungsersparnis noch größer. Aufgrund der pulsierenden Betätigung des Transistors 22 ist die Eingangsleistung
des Transistorschaltkreises unabhängig von der Spannungsversorgung relativ konstant. Der Referenzspannungs-Versorgungsschaltkreis
nimmt mehr Leistung bei höheren Spannungen auf, aber diese Leistung ist gering im Vergleich zu
der Gesamtleistung. Infolgedessen wird der Prozentsatz der Leistungsersparnis bei vergrößerter Versorgungsspannung
höher im Vergleich zu einem herkömmlichen Schaltkreis, der einen Spannungsabfall-Widerstand in Reihe zu der lichtemittierenden
Diode benutzt.
Fig. 2 veranschaulicht in einem Diagramm den allgemeinen Verlauf des Stromes durch die lichtemittierende· Diode 12 innerhalb
des Schaltkreises von Fig. 1. Jede Zeiteinheit in Fig. entspricht einer Mikrosekunde. Der Kurvenverlauf veranschaulicht
die abwechselnde Aufladung und teilweise Entladung des Speicherkondensators 20. Die sich ergebenden Impulse be-
sitzen eine ziemlich hohe Frequenz von beispielsweise 650 kHz, wobei aber die Frequenz in weitem Bereich in Abhängigkeit
von den Werten und Parametern des Schaltkreises verändert werden kann. Hierbei spielen insbesondere der Viert
des Speicherkondensators 20, des effektiven Widerstandes der lichtemittierenden Diode 12, des effektiven Widerstandes des
Transistors 22 und der viert der Gleichspannungsversorgungsquelle eine Rolle. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf
irgendeine bestimmte Frequenz bzw. auf bestimmte Betriebsparanieter begrenzt. - .
Verschiedene Werte und Typenbezeichnungen für funktionsfähige Teile sind in Fig. 1 angegeben. Der Fachmann ist jedoch in
der Lage, .andere Bauteile zu verwenden. Die vorliegende Erfindung
ist nicht auf irgendwelche speziellen Vierte oder Bauteile beschränkt. Darüber hinaus können andere Modifikationen,
ein anderer Aufbau und Äquivalente verwendet werden, ohne daß von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abgewichen
wird.
Zum Betrieb einer Lichtquelle, insbesondere einer lichtemittierenden
Diode, wird ein leistungssparender Regelschaltkreis angegeben. Dieser umfaßt eine elektronische
Schalteinrichtung mit einem Ausgang und einem Eingang, wobei eine Gleichspannungsquelle in Reihe zu dem Ausgang
der Schalteinrichtung und dor 1 ichLeinjI. Li ι'νοτκίπη Diode
geschaltet ist. Ein Speicherkondensator ist der lichtemittierenden Diode parallel geschaltet,und in Reihe zu
der lichtemittierenden Diode ir.t ein Widerstand angeordnet·
zur Erzeugung einer Steuerspannung. Der Eingang der elekIronischen
Schalteinrichtung umfaßt einen Referenz- und einen Steuereingang und der Ausgang der Schalteinrichtung nimmt
einen leitenden oder einen nicht-leitenden Zustand ein, je nachdem, ob das Signal am Referenzeingang das Signal am
Steuereingang übersteigt oder nicht. Ein Referenzspannungsgeber dient der Vorgabe einer Referenzspannung an dem Referenzspannungseingang,
die mit der Steuerspannung an dem Steuereingang verglichen wird, so daß die elektronische
Schalteinrichtung im leitenden Zustand den Speicherkondensator auflädt und die Steuerspannung solange erhöht, bis die
elektrische Schalteinrichtung in den nicht-leitenden Zustand
umschaltet. Die elektronische Schalteinrichtung Gehaltet im Betrieb des Regelschaltkreises zyklisch zwischen dem leitenden
und nicht-leitenden Zustand hin und her.
Leerseite
Claims (13)
- QSriz, Dr. Fy tfe, Dr. Hsnicf s 3142034Patentanwälte ·Posifach 700345Schnecken hofstraSe 27O-6Q00 Frankfurt am Main 70Telefon (0611)617079.22. Oktober 1981 GzH/Ra.BEI Electronics, Inc., Santa Barbara, California 93105 / USA Leistungssparender Regelschaltkreis für eine LichtquellePatentansprüche,'Leistungssparender Regelschaltkreis für eine Lichtquelle, gekennzeichnet durch eine lichtemittierende Diode, eine % einen Ausgang und einen Eingang aufweisende elektronische if Schalteinrichtung, eine Gleichstromquelle in Reihe zu dem * Ausgang und der lichtemittierenden Diode, einen parallel zu der lichtemittierenden Diode geschalteten Speicherkondensator, eine an die lichtemittierende Diode angeschlossene Einrichtung zur Erzeugung einer Steuerspannung entsprechend dem durch die lichtemittierende Diode fliessenden Strom, wobei der Eingang der elektrischen Schalteinrichtung einen Referenz- und einen Steuereingang umfaßt und der Ausgang dieser Schalteinrichtung einen leitenden und einen nicht-leitenden Zustand einnehmen kann, je nachdem, ob das Signal am Referenzeingang das Signal am Steuereingang übersteigt oder nicht, einen Referenzspannungsgeber zur Zuführung einer Referenzspannung an dem Referenzspannungseingang und eine Einrichtung zur Zuführung der Steuerspannung an dem Steuereingang, so ^ daß die elektronische Schalteinrichtung im leitenden %Zustand den Speicherkondensator auflädt und die Steuerspannung solange erhöht, bis die elektronische Schalteinrichtung in den nicht-leitenden Zustand umschaltet, wobei die elektronische Schalteinrichtung zwischen dem leitenden und nicht-leitenden Zustand hin- und herschaltet.
- 2. Regelschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Steuerspannung erzeugende Einrichtung aus einem Widerstand besteht, der in Reihe zu der lichtemittierenden Diode geschaltet ist.
- 3. Regelschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung eine positive Rückführung aufweist, um eine Triggerwirkung zwischen dem leitenden und dem nicht-leitenden Zustand zu erzeugen.
- 4. Regelschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der elektronischen Schalteinrichtung ein Schalttransistor angeordnet ist und daß der Eingang der elektronischen Schalteinrichtung einen Vergleicher umfaßt, dessen Ausgang mit dem Eingang des Transistors verbunden ist.
- 5· Regelschaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher einen den Referenzeingang vorgebenden nicht-invertierenden Eingang und einen den Steuereingang vorgebenden invertierenden Eingang umfaßt.3H2034
- 6. Regelschaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführung zwischen dem Ausgang und dem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers vorgesehen ist, um eine Triggerwirkung zwischen dem leitenden und nichtleitenden Zustand zu erzeugen.
- 7. Regelschaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher einen ersten Ausgangszustand aufweist, wenn die Spannung an dem Steuereingang die Spannung an dem Referenzeingang übersteigt, daß der Vergleicher einen zweiten Ausgangszustand aufweist, wenn die Spannung aii dem Referenzeingang die Spannung an dem Steuereingang übersteigt, daß der Transistor sich aufgrund des ersten Ausgangszustandes im leitenden Zustand und aufgrund des zweiten Ausgangszustandes im nicht-leitenden Zustand befindet, /ζ - daß der Transistor im leitenden Zustand eine Aufladung des *\ Speicherkondensators und ein Anwachsen der Steuerspannung bewirkt, wobei der Vergleicher zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangszustand und der Transistor zwischen dem leitenden und dem nicht-leitenden Zustand hin- und hergeschaltet wird.
- 8. Regelschaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückführungswiderstand zwischen dem Ausgang des Vergleichers und dem Referenzeingang angeordnet ist, um eine positive Rückführung zu erzeugen und dem ersten und dem zweiten Ausgangszustand eine verbesserte Stabilität zu erteilen.
- 9. Regelschaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangs zustand des Vergleichers einem hohen Pegel entspricht, während der zweite Ausgangszustand einem niedrigen Pegel entspricht,und daß der Steuereingang des Vergleichers einen invertierenden Eingang bildet, während der Referenzeingang einen nicht-invertierenden Eingang bildet.
- 10. Regelschaltkreis nach Anspruch 9f dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückführungswiderstand zwischen dem Ausgang des Vergleichers und dem Referenzeingang angeordnet ist, um eine positive Rückführung zu erzeugen und dem ersten und zweiten Ausgangszustand eine verbesserte Stabilität zu erteilen.
- 11. Regelschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungseinrichtung eine stabilisierende Diode und einen Widerstand umfaßt, die in Reihe zu der Gleichstromquelle geschaltet sind, und daß eine Einrichtung zwischen der stabilisierenden Diode und dem Referenzeingang angeordnet ist, um wenigstens einen Teil der Spannung über der stabilisierenden Diode dem Referenzeingang als Referenzspannung zuzuführen.
- 12. Regelschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungseinrichtung eine stabilisierende Diode und einen Widerstand umfaßt, die in Reihe zu der Gleichstromquelle geschaltet sind, und daß ein Potentiometer zwischen der stabilisierenden Diode und dem Referenzeingang angeordnet ist, um .die dem Referenzeingang zugeführte Referenzspannung einzustellen.
- 13. Regelschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Speicherkondensator der Reihenschaltung aus Transistor, lichtemittierender Diode und den die Steuerspannung erzeugenden Widerstand parallel geschaltet ist.
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Representative=s name: GOERTZ, H., DIPL.-ING. FUCHS, J., DR.-ING. DIPL.-I |
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