DE3146328C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiodenvorrichtung mit Schutzeinrichtung zur Begrenzung des Durchlaßstroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Leuchtdiodenvorrich­ tung ist aus der DE-OS 23 04 506 bekannt.
Die in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Halbleiter- Optoelektronik erzielten Fortschritte haben zu Leuchtdioden geführt, die Licht mit so großer Lichtstärke abgeben können, daß sie als Signallampen oder als Miniaturbeleuchtung, beispielsweise zum Beleuchten von Skalen, eingesetzt werden können. Da aber Leuchtdioden in Durchlaßrichtung äußerst niederohmig sind, muß der Durchlaßstrom durch äußere Schal­ tungsbauelemente begrenzt werden. Werden nämlich diese äußeren Schaltungsbauelemente weggelassen, dann fließt durch die Leuchtdiode ein beträchtlich großer Strom, der nicht nur zu einer Zerstörung der Leuchtdiode, sondern auch zu einer Beschädigung oder Beeinträchtigung anderer, vor- bzw. nach­ geschalteter Bauelemente mit geringem Innenwiderstand führen kann. Fig. 1 zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie einer Leucht­ diode, wobei auf der Abszisse die Spannung U in Volt und auf der Ordinate die Stromstärke I in mA aufgetragen sind. Wie aus dieser Fig. 1 zu ersehen ist, steigt bei einer Spannung von etwa 2 V der Durchlaßstrom durch die Leuchtdiode abrupt an.
Daher werden derzeit externe äußere Widerstände oder spezielle integrierte Treiberschaltungen verwendet, die entsprechend ihrer Dimensionierung nur für einen bestimmten Betriebs­ spannungsbereich zu verwenden sind.
Fig. 2 zeigt so eine Leuchtdiode 5, die zwischen einer Trei­ berschaltung 25 und einer Leitung 26 liegt. Die Treiber­ schaltung 25 ist ihrerseits zwischen die Leitung 26 und eine weitere Leitung 27 geschaltet. Die Ansteuerung der Leuchtdiode 5 zwischen den Leitungen 26 und 27 erfolgt hier also über die Treiberschaltung 25, die so dimensioniert ist, daß kein zu großer Strom in Durchlaßrichtung durch die Leuchtdiode 5 fließen kann.
Wenn Leuchtdioden auch bei Wechselspannungen eingesetzt werden sollen, müssen sie durch antiparallel oder seriell geschaltete Dioden geschützt werden, da die zulässige Spannung von Leucht­ dioden relativ klein ist und etwa zwischen 3 V und 8 V liegt (vergleiche auch Fig. 1, in der die zulässige Sperrspannung bei 5,5 V erreicht ist). Fig. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem antiparallel zu einer Leuchtdiode 5 eine Schutzdiode 28 vor­ gesehen ist, während in Reihe zur Leuchtdiode 5 und zur Schutzdiode 28 ein Vorwiderstand 29 liegt. In Fig. 4 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem in Reihe zu einer Leuchtdiode 5 eine Schutzdiode 30 und ein Vorwiderstand 29 vorgesehen sind.
Diese zusätzlichen Bauelemente, nämlich in den obigen Beispie­ len die Treiberschaltung 25, die Schutzdioden 28 und 30 sowie der Vorwiderstand 29, benötigen Platz und zusätzliche Monta­ gearbeit. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß der insgesamt auftretende Strom und damit auch die Verlustleistung nicht auf das unbedingt notwendige Maß beschränkt ist.
Es ist zwar bereits aus der DE-OS 23 04 506 eine Leuchtdioden­ vorrichtung bekannt mit einer Schutzeinrichtung zur Begren­ zung des Durchlaßstroms, welche in das Gehäuse der Leuchtdio­ de integriert ist, wobei die Schutzeinrichtung Junction-Feld­ effekttransistor oder ein MOS-Feldeffekttransistor vom Ver­ armungstyp ist, der der Leuchtdiode im Gehäuse vorgeschaltet ist. Eine solche bekannte Leuchtdiodenvorrichtung besitzt jedoch eine ungünstige Strom-Spannungs-Charakteristik (Fig. 2) und/oder eine aufwendige Schaltung (Fig. 5).
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leuchtdiodenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die eine günstige Strom-Spannungs-Charakteristik bei einer vergleichsweise einfachen Schaltung aufweist.
Lösungen dieser Aufgabe sind im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 angegeben.
Die Parallelschaltung eines Steuerwiderstands 16, R 1 (Fig. 12, 14, 18) bzw. einer Stromquelle R 3, Q 3 (Fig. 16) gemäß der Erfindung ermöglicht einen erheblich günstigeren Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie bei einer im Vergleich zum Stand der Technik erheblich vereinfachten Schaltung. Dies gilt auch im Vergleich zu der Veröffentlichung DE-Z "Funkschau" 7/1981, Seite 110, welche eine ziemlich aufwendige Schaltung zeigt.
Eine Leuchtdiodenvorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es in überraschend einfacher Weise, daß der insgesamt auf­ tretende Strom und damit auch die Verlustleistung auf das unbedingt notwendige Maß beschränkt ist.
Die erfindungsgemäße Leuchtdiodenvorrichtung kann für die Schutzeinrichtung integrierte Transistoren oder auch einzelne Feldeffekttransistoren verwenden. Damit kann erreicht werden, daß die Leuchtdiodenvorrichtung auch für Wechselspannungen im Bereich zwischen 3 V bis 30 V ohne äußere Beschaltung be­ trieben werden kann. Für die Schutzeinrichtung sind beispiels­ weise n-Kanal- oder p-Kanal-Junction-Feldeffekttransistoren oder MOS-Feldeffekttransistoren sowie auch pnp- oder npn- Transistoren verwendbar.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Kennlinie einer Leuchtdiode,
Fig. 2 bis 4 Beispiele für den Stand der Technik,
Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer Leuchtdiodenvorrichtung,
Fig. 6 die Strom/Spannungs-Kennlinie der Schutz­ einrichtung des Ausführungsbeispiels von Fig. 5,
Fig. 7 und 8 zwei Ausführungsbeispiele einer Leuchtdiodenvorrichtung,
Fig. 9 die Strom/Spannungs-Kennlinie für die Ausführungsbeispiele der Fig. 7 und 8,
Fig. 10 bis 12 weitere Ausführungsbeispiele einer Leuchtdiodenvorrichtung,
Fig. 13 die Strom/Spannungs-Kennlinie für die Ausführungsbeispiele der Fig. 10 bis 12,
Fig. 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiodenvorrichtung,
Fig. 15 die Strom/Spannungs-Kennlinie für das Ausführungsbeispiel von Fig. 14,
Fig. 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiodenvorrichtung,
Fig. 17 die Strom/Spannungs-Kennlinie für das Ausführungsbeispiel von Fig. 16,
Fig. 18 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiodenvorrichtung,
Fig. 19 die Strom/Spannungs-Kennlinie für das Ausführungsbeispiel von Fig. 18,
Fig. 20 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiodenvorrichtung mit Helligkeitsregelung,
Fig. 21 bis 23 verschiedene Beispiele für die Anordnung des Strombegrenzer-Schaltkreises.
Fig. 5 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Leuchtdiodenvorrichtung: In einem Gehäuse 12 sind die eigentliche Leuchtdiode 5, eine Strombegrenzung 10 sowie eine Sperrschaltung 11 untergebracht. Die Strombegren­ zung 10 und die Sperrschaltung 11 bilden zusammen eine Schutzeinrichtung für die Leuchtdiode 5 .
Fig. 6 zeigt schematisch die Strom/Spannungs-Kennlinie für die Schutzeinrichtung, wobei auf der Abszisse die Spannung U und auf der Ordinate die Stromstärke I aufge­ tragen sind. Wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, bewirkt die Schutzeinrichtung, daß bei positiver Spannung an der Leuchtdiode 5, also wenn diese in Durchlaßrichtung be­ trieben wird, lediglich ein begrenzter Strom durch diese Leuchtdiode 5 fließt, während bei negativer Spannung kein Stromfluß durch die Leuchtdiode 5 auftreten kann.
Die Fig. 7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung, bei denen ein Junction-Feldeffekttransistor 13 bzw. ein MOS-Feldeffekttransistor 14 als Strombegrenzer für die Leuchtdiode 5 innerhalb des Gehäuses 12 verwen­ det werden. Dabei ist jeweils die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors mit der Leuchtdiode 5 verbunden, während Gate- und Source-Elektroden zusammengeschaltet sind. In den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 und 8 lie­ fert der Feldeffekttransistor 13 bzw. 14 bei einer Gate- Source-Spannung mit dem Wert Null einen Strom, der durch die Abmessungen dieser Feldeffekttransistoren sowie ih­ ren technologischen Aufbau bestimmt wird. Im Durchlaß­ bereich besteht die Strom/Spannungs-Kennlinie (verglei­ che Fig. 9) aus der Ausgangskennlinie der Feldeffekttran­ sistoren, die aber um die Anlaufspannung der Leuchtdiode 5 verschoben ist. Im Sperrbereich liegt wieder die Sperrkennlinie der Leuchtdiode 5 vor, da die Drain-Gate- Diode des Feldeffekttransistors 13 bzw. die Drain-Sub­ strat-Diode des MOS-Feldeffekttransistors 14 leitend wird. Der Feldeffekttransistor 14 ist vorzugsweise vom Verarmungstyp.
Die Fig. 10, 11 und 12 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die Leuchtdiode 5 auch mit Wechselspannungen von beispielsweise 3 V bis 30 V ohne äußere Beschaltung be­ trieben werden kann. Hierzu liegt bei den Ausführungs­ beispielen der Fig. 10 und 11 eine Sperrschutzdiode 15 in Reihe zur Leuchtdiode 5. In Fig. 10 ist ein Junction- Feldeffekttransistor 13 vom Verarmungstyp in Reihe zur Leuchtdiode 5 und zur Sperrschutzdiode 15 vorgesehen, während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 11 ein MOS- Feldeffekttransistor 14 anstelle des Junction-Feldef­ fekttransistors 13 der Fig. 10 verwendet wird. Fig. 16 sieht parallel zur Leuchtdiode 5 einen Widerstand 16 vor, dem wiederum eine Sperrschutzdiode 17 nachgeschal­ tet ist. Außerdem sind der Widerstand 16 und die Leucht­ diode 5 eingangs- und ausgangsseitig miteinander verbun­ den.
Fig. 13 zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie für die Leuchtdiodenvorrichtungen nach den Ausführungsbeispielen der Fig. 10 bis 12.
Weiterhin ist es möglich, für die Strombegrenzung eine Schaltung vorzusehen, die eine einfache Stromquelle ent­ hält. Bei einer solchen Schaltung (vergleiche Fig. 14) läßt ein Regeltransistor Q 1 an einen Widerstand R 2 nur die Basisdurchlaßspannung von beispielsweise 0,6 V bis 0,8 V bei Siliciumtransistoren abfallen, indem dieser Transistor Q 1 den Basisstrom eines parallelgeschalteten Transistors Q 2 regelt. Damit liegt der Emitter- und der Kollektorstrom des Transistors Q 2 fest. Die Zunahme des Stroms im Durchlaßbereich der Leuchtdiode 5 wird dann durch einen Steuerwiderstand R 1 hervorgerufen. Dieser zusätzliche Strom beträgt aber lediglich etwa 10% des Stroms durch die Leuchtdiode 5. Außerdem sieht das Aus­ führungsbeispiel der Fig. 14 einen Widerstand R 2 paral­ lel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q 1 vor. Der Widerstand R 1 liegt parallel zur Leuchtdiode 5 und bildet mit dieser über die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors Q 2 eine geschlossene Schleife. Außerdem ist der Emitter des Transistors Q 2 mit der Basis des Tran­ sistors Q 1 verbunden, während der Kollektor des Transi­ stors Q 1 an die Basis des Transistors Q 2 angeschlossen ist.
Fig. 15 zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie für die Leuchtdiodenvorrichtung der Fig. 14.
In Fig. 16 ist eine zu Fig. 14 ähnliche Schaltung dar­ gestellt, wobei jedoch der Steuerwiderstand R 1 des Aus­ führungsbeispiels der Fig. 14 durch eine weitere Strom­ quelle aus einem Transistor Q 3 und einem Widerstand R 3 ersetzt ist. An diesem Ausführungsbeispiel ist vorteil­ haft, daß der Steuerstrom im Durchlaßbereich nicht mehr zunimmt, da dieser Steuerstrom durch den Transistor Q 3 und den Widerstand R 3 begrenzt wird. Der Widerstand R 3 liegt zwischen der Diode 5 und dem Emitter des Transi­ stors Q 3, während die Basis des Transistors Q 3 an den Kollektor des Transistors Q 2 angeschlossen ist und die Basis des Transistors Q 2 mit dem Kollektor des Transi­ stors Q 3 verbunden ist.
Fig. 17 zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie für das Aus­ führungsbeispiel der Leuchtdiodenvorrichtung nach Fig. 16.
Fig. 18 zeigt eine Erweiterung der Ausführungsbeispiele der Fig. 14 und 16 für einen Betrieb der Leuchtdiode 5 mit einer Wechselspannung. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel ist zusätzlich zur Fig. 14 eine Schutzdiode 15 (vergleiche auch die Fig. 10 und 11) zwischen der Leuchtdiode 5 und dem Kollektor des Transistors Q 2 vor­ gesehen. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 14 und 16 wird nämlich im Sperrbereich die Sperrkennlinie der Leuchtdiode 5 erhalten, da in beiden Schaltungen die Kollektor-Substratdioden des Transistors Q 2 leitend werden. Wird nun die Schaltung der Fig. 14 durch die Diode 15 ergänzt, so kann sie für Wechselspannungen ein­ gesetzt werden, die beispielsweise zwischen 3 und 30 V liegen.
Fig. 19 zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie für das Aus­ führungsbeispiel der Fig. 18.
Fig. 20 zeigt ein letztes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, bei der der Strom durch die Leuchtdiode 5 mittels einer integrierten Helligkeitsregelung über einen Strom­ regler 21 begrenzt wird. Dieser Stromregler 21 wird durch einen Sensor 20 angesteuert, der die Umfeldhellig­ keit oder auch lediglich die Helligkeit der von der Leuchtdiode 5 abgegebenen Strahlung erfaßt.
Die Fig. 21 bis 23 zeigen eine das Gehäuse der Leucht­ diode bildende lichtdurchlässige Kunststoffmasse 30, in die Anschlußfahnen 31, 32 und gegebenenfalls 33 hinein­ ragen. Auf der Anschlußfahne 32 ist mittig zur Lichtaus­ trittsfläche 33 der Halbleiterkörper 34 der Leuchtdiode vorgesehen. Das Strombegrenzer-Chip 35 kann auf einer gesonderten Anschlußfahne (vergleiche die Anschlußfahne 33 in Fig. 21) oder auf der Spitze der Anschlußfahne 31 (vergleiche Fig. 22) oder auf der Seite der Anschlußfah­ ne 31 (vergleiche Fig. 23) angeordnet werden. Drähte 36 stellen die erforderlichen elektrischen Verbindungen her.

Claims (6)

1. Leuchtdiodenvorrichtung mit Schutzeinrichtung (10) zur Be­ grenzung des Durchlaßstroms, die in das Gehäuse der Leuchtdiode (5) integriert ist, wobei die Schutzeinrichtung (10) ein Junc­ tion-Feldeffekttransistor (13) oder ein MOS-Feldeffekttran­ sistor (14) vom Verarmungstyp ist, der der Leuchtdiode (5) im Gehäuse (12) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (10) einen parallel zur Leuchtdiode (5) liegenden Widerstand (16, R 1) aufweist.
2. Leuchtdiodenvorrichtung mit Schutzeinrichtung (10) zur Be­ grenzung des Durchlaßstroms, die in das Gehäuse der Leuchtdio­ de (5) integriert ist, wobei die Schutzeinrichtung ein Junction- Feldeffekttransistor (13) oder ein MOS-Feldeffekttransistor (14) vom Verarmungstyp ist, der der Leuchtdiode (5) im Gehäuse (12) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (10) eine parallel zur Leuchtdiode (5) liegende Stromquelle (R 3, Q 3) aufweist.
3. Leuchtdiodenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zum Betrieb mit Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelschaltung, die die Leuchtdiode (5) enthält, eine Diode (17) nachgeschaltet ist.
4. Leuchtdiodenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung einen Regeltransistor (Q 1) aufweist, der den Basisstrom eines weiteren Transistors (Q 2) so regelt, daß an einem parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors (Q 1) liegenden Widerstand (R 2) lediglich die Basis-Durchlaß­ spannung abfällt.
5. Leuchtdiodenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (12) ein Sensor (20) vorgesehen ist, der auf die Umfeldhelligkeit oder die Helligkeit der Leuchtdiode (5) an­ spricht und mit seinem Ausgangssignal einen Stromregler (21) ansteuert, der der Leuchtdiode (5) vorgeschaltet ist.
6. Leuchtdiodenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (10, 11) als zusätzlicher Chip auf Anschlußfahnen der Leuchtdiode (5) angebracht ist.
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