DE3222973A1 - Schaltungsanordnung zur anzeige von binaersignalen mit antiparallel geschalteten paaren von leuchtdioden - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur Anzeige von Binärsignalen mit antiparallel geschalteten Paaren von Leuchtdioden Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Anzeige von Binärsignalen mit Leuchtdioden und liegt auf dem Gebiet der elektronischen Steuerungstechnik.
• Leuchtdioden zur Anzeige binärer Signale werden vielseitig verwendet, z.B. zur digitalen oder analogen Anzeige von Messwerten, zur Funktionskontrolle technischer Apparate und Anlagen usw. Grundlegendes über solche Dioden, die bei Stromfluss in Durchlassrichtung Licht aussenden, findet sich z.B. in "Funkschau", Heft 11, S. 86 und Heft 12, S. 79/80.
• Eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern von Leuchtdiodengemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1, ist bereits vorgeschlagen worden.
• Derartige Schaltungsanordnungen werden meist als integrierte Schaltungen realisiert, für deren Grösse und Preis die Anzahl der Anschlüsse eine wesentliche Rolle spielt. Es stellte sich daher die Aufgabe, Schaltungen zu entwickeln, die eine günstige Relation zwischen der Maximalzahl der Leuchtdioden, die man damit ansteuern kann, und der Zahl der Anschlüsse aufweist. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung gemäss dem Oberbegriff durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 bzw. Anspruch 5 gelöst. Bei den erfindungsgemässen Schaltungsanordnungen liegen zwischen'zwei Ausgängen jeweils antiparallel zwei Leuchtdioden, die unabhängig gesteuert werden können. Wegen der periodischen Stromrichtungsumkehr leuchtet eine angeschaltete Diode periodisch auf, d.h., sie leuchtet während der Halbtakte, in denen die Stromrichtung mit ihrer Durchlassrichtung übereinstimmt. Wählt man die Frequenz der Stromrichtungsumkehr hoch genug, so nimmt das menschliche Auge jedoch ein gleichmässiges Leuchten wahr. Auf diese Weise ist es möglich, die Zahl der zur Ansteuerung von 2n Leuchtdioden nötigen Ausgängen von 2n+l auf nil zu reduzieren. Die ganze Schaltung kann integriert ausgeführt werden bis auf eine Kapazität, mit der die die periodische Stromrichtungsumkehr steuernde Schalteinheit extern beschaltet werden muss.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand von nur bevorzugte Ausführungswege darstellenden Zeichnungen erläutert.
• Dabei zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung gemäss einer ersten bevorzugten Ausführung, Fig. 2 eine der jeweils ein Leuchtdiodenpaar ansteuernden Funktionseinheiten gemäss der ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung und das von ihr angesteuerte Leuchtdiodenpaar, Fig. 3 eine der jeweils ein Leuchtdiodenpaar ansteuernden Funktionseinheiten gemäss einer zweiten bevor- zugten Ausführung der Erfindung und das von ihr angesteuerte Leuchtdiodenpaar und Fig. 4 die Verschaltung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung mit einem Data-Selector, wie sie bei der zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen ist.
• Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erSindungsgemässen Schaltungsanordnung Sa gemäss einer ersten, aufden im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen beruhenden, bevorzugten Ausführung und die von ihr angesteuerten Leuchtdioden Lal, Lbl, La2, Lb2, ....
• Die Schaltungsanordnung Sa enthält mehrere, vorzugsweise gleiche Funktionseinheiten Fel bis Fe6, deren jede zwei Eingänge Ia, Ib für Binärsignale und zwei Ausgänge Aa, Ab aufweist. Der erste Ausgang Aal der ersten Funktionseinheit Fel ist mit dem ersten Ausgang Al der Schaltungsanordnung Sa verbunden, der zweite Ausgang Ab6 der letzten Funktionseinheit Fe6 mit deren letztem Ausgang A7, an die dazwischenliegenden Ausgänge A2 bis A6 der Schaltungsanordnung Sa sind jeweils der zweite Ausgang Ab einer Funktionseinheit und der erste Ausgang Aa der auf dieselbe folgenden Funktionseinheit geschaltet. In diese Reihenschaltung der Ausgänge Aal, Abl, Aa2, Ab2, ... der Funktionseinheiten ist eine Stromquelle St gelegt, die von einer zwischen den Ausgängen Vcc und Vss angelegten Spannung gespeist wird.
• Die Richtung des von der Stromquelle St gelieferten Stromes wird periodisch umgekehrt mittels der Schalterpaare S1, S2 und S'1, S'2, die vom Oszillator Osz so gesteuert werden, dass abwechselnd die Schalter S1, S2 offen, S'1, S'2 geschlossen sind und umgekehrt. Die Schalter können mit Transistoren aufgebaut sein, der Oszillator z.B. mit einem Schmitt-Trigger, in welchem Fall er ein Rechtecksignal liefert. Der Oszillator Osz ist mit einer externen Kapazität Cext beschaltet, durch welche seine Frequenz geregelt werden kann.
• Ob eine Funktionseinheit Fe den Strom zwischen ihren Ausgängen Aa und Ab sperrt oder leitet, hängt im allgemeinen sowohl von den an ihren Binäreingangen Ia, Ib liegenden Signalen als auch vom Vorzeichen der zwischen den Ausgängen Aa, Ab liegenden Spannung, d.h. von der momentanen Stromrichtung, ab.
• So kann etwa die Funktionseinheit Fel bei einer bestimmten Konstellation der Signale an ihren Binäreingängen Strom von Ausgang Aal zu Ausgang Abl sperren, Strom in umgekehrter Richtung aber leiten. In diesem Fall wird in den Zeitintervallen, in denen die Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang Abl und dem Ausgang Aal positiv ist, die Leuchtdiode Lal vom Strom durchflossen und leuchtet, während die Leuchtdiode Lbl sperrt und nicht leuchtet, bei negativer Spannung,. d.h. umgekehrter Stromrichtung, wird die Leuchtdiode Lb1 von der Funktionseinheit Fel kurzgeschlossen und leuchtet nicht, die Leuchtdiode Lal sperrt und leuchtet ebenfalls nicht. Sperrt die Funktionseinheit Fel in beiden Richtungen, so leuchten die beiden Leuchtdioden Lal, Lbl abwechselnd, usw. Ist die Oszillatorfrequenz hoch genug > 20 Hz), so nimmt das menschliche Auge das periodische Aufleuchten der angeschalteten Dioden als gleichmässiges Leuchten wahr. Auf diese Weise werden zwei zwischen den gleichen Ausgängen der Schaltungsanordnung liegende Leuchtdioden unabhängig gesteuert.
• Zusätzlich zu den für die anzuzeigenden Binärsignale vorgesehenen Eingängen Ial, Ibl, Ia2, Ib2, ... weist die Schaltungsanordnung einen weiteren Binäreingang, den Invertiereingang Inv auf, der dazu dient, die Funktionseinheiten Fel bis Fe6 von wahrer auf inverse.Betriebsweise umzustellen, d.h. falls am Invertiereingang Inv ein L-Signal liegt, werden diejenigen Leuchtdioden angeschaltet, die bei wahrer Betriebsweise kurzgeschlossen sind und umgekehrt. Auf diese Weise kann die Funktions tchtigkeit der Leuchtdioden leicht überprüft werden.
• Zwischen die Ausgänge Aa, Ab jeder Funktionseinheit Fe, parallel zum-von ihr angesteuerten Leuchtdiodenpaar La, Lb ist eine spannungsbegrenzende Schutzschaltung Ss gelegt, die sowohl die Leuchtdioden La, Lb als auch die Funktionseinheit Fe vor Ueberspannungen schützt und die etwa durch eine symmetrische Z-Diode oder durch zwei antiparallele Reihen von Dioden realisiert sein kann.
• Am Steuereingang Steu kann ein externer Widerstand Rext angeschlossen werden, mittels dessen die Stärke des von der Stromquelle St gelieferten Stroms und damit die Helligkeit der jeweils angeschalteten Leuchtdioden geregelt werden kann. Der Widerstand Rext kann z.B. ein Photowiderstand sein, der die Helligkeit der Anzeige an die Umgebungshelligkeit anpasst.
• Fig. 2 zeigt den Aufbau einer der Funktionseinheiten Fel, Fe2, ... gemäss der ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung.
• Die Funktionseinheit Fe besteht aus zwei gleichen Untereinheiten Uea, Ueb, deren jede zwei Binäreingänge aufweist und zwei Ausgänge Oaa, Oba bzw. Oab, Obb. Die beiden Untereinheiten Uea und Ueb sind ausgangsseitig antiparallel geschaltet, der erste Ausgang Oaa der ersten Untereinheit Uea und der zweite Ausgang Obb der zweiten Untereinheit Ueb sind an einen Ausgang der Schaltanordnung gelegt, der zweite Ausgang Oba der ersten Untereinheit Uea und der erste Ausgang Oab der zweiten Untereinheit Ueb an den nächsten Ausgang der Schaltanordnung. Zwischen den beiden Ausgängen der Schaltanordnung liegt das Leuchtdiodenpaar La, Lb.
• Jede der beiden Untereinheiten Uea, Ueb enthält ein Exklusiv-ODER-Gatter Eg, an dessen einem Eingang.I eines der anzuzeigenden Binärsignale liegt und dessen anderer Eingang mit dem Invertiereingang Inv verbunden ist.
• Wenn die Spannung zwischen den Ausgängen Aa und Ab der Funktionseinheit Fe positiv ist, wird der Transisotr T'b invers betrieben und sperrt unabhängig von den Binärsignalen an den Eingängen der Untereinheit Ueb, da seine Basis entweder auf Masse liegt, falls nämlich der Transistor Tb leitet, oder aber das gleiche Potential annimmt wie sein Kollektor, falls nämlich der Transistor Tb sperrt.
• In beiden Fällen fliesst durch den Transistor T'b kein Basisstrom. Bei wahrer Betriebsweise, d.h., wenn am Invertiereingang Inv ein O-Signal liegt, geben die Exklusiv-ODER-Gatter Ega, Egb Signale unverändert weiter, das heisst, falls am Eingang Ia der Funktionseinheit Fe ein L-Signal liegt, fliesst durch den Transistor Ta ein Basisstrom und macht ihn leitend. Dadurch wird die Basis des Transistors T'a mit Masse verbunden und er sperrt den Strom zwischen den Ausgängen Oaa und Oab der Untereinheit Uea. Liegt am Eingang Ia der Funktionseinheit Fe ein O-Signal, so sperrt der Transistor Ta, es fliesst Strom vom Ausgang Oaa der Untereinheit Uea über den Widerstand R'a zur Basis des Transistors T'a und macht ihn leitend. Im ersten Fall fliesst Strom durch die Leuchtdiode La und bringt sie zum Leuchten, im zweiten Fall wird sie vom Transistor T'a kurzgeschlossen und leuchtet nicht. Die antiparallel zur Leuchtdiode La geschaltete Leuchtdiode Lb sperrt und leuchtet in keinem Fall.
• Bei umgekehrter Stromrichtung, d.h. bei negativer Spannung zwischen den Ausgängen Aa und Ab der Funktionseinheit Fe, vertauschen die beiden Untereinheiten Uea, Ueb sowie die beiden Leuchtdioden ihre Rollen.
• Bei L-Signal am Invertiereingang invertieren die Exklusiv- ODER-Gatter Ega, Egb die an den Eingängen Ta Ib liegenden Binärsignale, im übrigen funktioniert die Funktionseinheit Fe analog.
• Falls man auf die Möglichkeit des Umschaltens von wahrer auf inverse Betriebsweise verzichten will, kann man die Exklusiv-ODER-Gatter weglassen. Die an den Eingängen Ia, Ib liegenden Binärsignale steuern dann über die Vorwiderstände Ra, Rb direkt die Transistoren Ta, Tb. Entsprechendes gilt auch für die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Ausführung der Funktionseinheiten.
• Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung gemäss einer zweiten, auf den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 5 angegebenen Merkmalen beruhenden, bevorzugten Ausführung ist dem bereits erläuterten Aufbau der Schaltungsanordnung gemäss der ersten bevorzugten Ausführung weitgehend analog. Er unterscheidet sich von diesem darin, dass - jede Funktionseinheit Fe einen Binäreingang I aufweist und den Strom zwischen ihren Ausgängen in Abhängigkeit von dem an diesem liegenden Binärsignal und unabhängig von der Stromrichtung sperrt oder leitet, - ein Synchronisierausgang Syn vorhanden ist, an dem das vom Oszillator Osz gelieferte Signal liegt.
• Den Aufbau einer der Funktionseinheiten Fe gemäss der zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung zeigt Fig. 3.
• Die Funktionseinheit Fe ist ähnlich aufgebaut wie in der ersten bevorzugten Ausführung, nur werden die antiparallel zwischen die Ausgänge Aa, Ab geschalteten Transistoren T'a, T'b hier von derselben aus einem Exklusiv-ODER-Gatter Eg, einem Transistor T und einem dazwischengeschalteten Widerstand R bestehenden Schalteinheit gesteuert. Ansonsten ist die Funktionsweise analog. Bei wahrer Betriebsweise bewirkt ein L-Signal am Eingang I, dass die Transistoren T'a, T'b sperren und diejenige der Leuchtdioden La, Lb, deren Durchlassrichtung mit der momentanen Stromrichtung übereinstimmt, leuchtet, bei O-Signal am Eingang I leitet derjenige der Transistoren T'a, T'b, an dem eine positive Kollektor-Emitter-Spannung liegt und überbrückt die Leuchtdioden La, Lb.
• Wie in Fig. 4 dargestellt kann der Schaltungsanordnung gemäss der zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung ein Data-Selector vorgeschaltet werden: Der Data-Selector Ds, der z.B. aus zwei Einheiten SN54L157 der Firma Texas Instruments bestehen kann, gibt, gesteuert durch das vom Synchronisierausgang Syn gelieferte Signal, etwa wenn der Strom vom Ausgang Al zum Ausgang A7 der Schaltanordnung Sa fliesst, die an seinen Eingängen El bis E6, bei umgekehrter Stromrichtung die an seinen Eingängen E7 bis El2 liegenden Binärsignale an seine Ausgänge Q1 bis Q6 und damit an die Eingänge I1 bis I6 der Schaltanordnung Sa weiter. Dadurch zeigen abwechselnd im Takt der Stromrichtungsumkehr die Leuchtdioden Lal bis La6 die an den Eingängen El bis E6, die Leuchtdioden Lbl bis Lb6 die an den Eingängen E7 bis El2 des Data-Selectors Ds liegenden Binärsignale an.
• Selbstverständlich können beide bevorzugten Ausführungen der Erfindung in Einzelheiten anders realisiert werden, insbesondere kann die Zahl der Binäreingänge und der Ausgänge den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden.

Claims (10)

1. Patentansprüche Schaltungsanordnung zur Anzeige von Binärsignalen mittels Leuchtdioden (Lal, La2, ...), mit mehreren Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) mit je einem Eingang (Ia) fUr die Binärsignale und in Reihe geschalteten Ausgängen (-Aa, Ab), und mit einer Stromquelle (St), die in Reihe zu den Ausgängen (Aal, Abl, Aa2, Ab2, ...) der Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...).liegt, wobei an die Ausgänge (Aal,- Abl, Aa2, Ab2) der Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) jeweils eine Leuchtdiode (La) angeschlossen ist, und diese Leuchtdiode (Lal, La2, ...) in Abhängigkeit von den an den Eingängen (Ial, Ia2, ...) liegenden Binärsignalen kurzgeschlossen oder angeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - die Richtung des von der Stromquelle (St) gelieferten Stroms sich mit einer Frequenz b 20 Hz periodisch umkehrt, - jede Funktionseinheit (Fe) einen zusätzlichen Eingang (Ib) für Binärsignale aufweist, - zu jeder Leuchtdiode (La) antiparallel eine zweite Leuchtdiode (Lb) an die Ausgänge (Aa, Ab) einer Funktionseinheit (Fe) geschaltet ist, und - diese Leuchtdioden (Lbl, Lb2, ...) in Abhängigkeit von den an den zusätzlichen Eingängen (Ibl, Ib2, ...) anliegenden Binärsignalen kurzgeschlossen oder angeschaltet sind.
2. 2. Schaltungsanordnung-naeh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) aus zwei gleichartigen Untereinheiten (Uea, Ueb) besteht, deren Ausgänge antiparallel geschaltet sind und deren jede einen Eingang (I) für Binär- signale aufweist, wobei die Verbindung zwischen den Ausgängen (Oa, Ob) einer Untereinheit (Ue) in einer Richtung leitet, falls am Eingang (1) der Untereinheit (Ue) ein O-Signal liegt, sperrt, fails am besagten Eingang ein L-Signal liegt und in der Gegenrichtung unabhängig vom Binärsignal sperrt.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) je einen zusätzlichen Binäreingang (Tnv) aufweisen, der ihre Umstellung von wahrer auf inverse Betriebsweise gestattet.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gleichartigen Untereinheiten (Uea, Ueb), aus denen mindestens eine der Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) besteht, folgendarmassen aufgebaut sind: ein Exklusiv-ODER-Gatter (Eg), dessen einer Binär eingang mit dem zur Umschaltung von wahrer auf inverse Betriebsweise dienenden Invertiereingang (Inv) der Funktionseinheit verbunden ist und an dessen anderem BinAreingang (I) eines der anzuzeigenden Binärsignale liegt, ist ausgangsseitig Uber einen Vorwiderstand (R) mit der Basis eines ersten Transistors (T) verbunden, dessen Emitter auf Masse liegt, dessen Kollektor mit der Basis und über einen Widerstand (R') mit dem Kollektor eines zweiten Transistors (T') verbunden ist, dessen Kollektor am einen Ausgang (Oa) und dessen Emitter am anderen Ausgang (Ob) der Untereinheit (Ue) liegt.
5. 5. Schaltungsanordnung zur Anzeige von Binärsignalen mittels Leuchtdioden (Lal, La2, ...) mit mehreren Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ..,) mit je einem Eingang (I) für die Binärsignale und in Reihe geschalteten Ausgängen (Aa, Ab), und mit einer Stromquelle (St), die in Reihe zu den Ausgängen (Aal, Abl, Aa2, Ab2, ...) der Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) liegt, wobei an die Ausgänge (Aal, Abl, Aa2, Ab2) der Fun.ktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) jeweils eine Leuchtdiode (La) angeschlossen ist, und diese Leuchtdiode (Lal, La2, ...) in Abhängigkeit von den an den Eingängen (11, 12,...) liegenden Binarsignalen kurzgeschlossen oder angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Richtung des von der Stromquelle (St) gelieferten Stroms sich mit einer Frequenz > 20 Hz periodisch umkehrt, - zu jeder Leuchtdiode (La) antiparallel eine zweite Leuchtdiode (Lb) an die Ausgänge (Aa, Ab) einer Funktionseinheit (Fe) geschaltet ist und diese Leuchtdioden (Lbl, Lb2, ...) ebenfalls in Abhängigkeit von den an den Eingängen (I1, I2, ...) liegenden Binärsignalen kurzgeschlossen oder angeschaltet sind, und -. die Schaltungsanordnung (Sa) einen Synchronisierausgang (Syn) aufweist, an dem ein synchron zur periodischen Stromrichtungsumkehr oszillierendes Signal liegt.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) je einen zusätzlichen Binäreingang (Inv) aufweisen, der ihre Umstellung von wahrer auf inverse Betriebsweise gestattet.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) folgendermassen aufgebaut sind: ein Exklusiv-ODER-Gatter (Eg), dessen einer Binäreingang mit dem zur Umschaltung von wahrer auf inverse Betriebsweise dienenden Invertiereingang (Inv) der Funktionseinheit (Fe) verbunden ist und an dessen anderem Binäreingang (I) eines der anzuzeigenden Binärsignale liegt, ist ausgangsseitig über einen Vorwiderstand (R) mit der Ba-sis eines ersten Transistors (T) verbunden, dessen Emitter auf Masse liegt und dessen Kollektor mit den Basen und über Widerstände (R'a, R'b) mit den Kollektoren eines zweiten und eines dritten Transistors (Ta, Tb) verbunden ist, die antiparallel zwischen die Ausgänge (Oa, Ob) der Funktionseinheit (Fe) geschaltet sind.
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Ausgänge (Aal, Abl; Aa2, Ab2; ...) der Funktionseinheiten (Fel, Fe2, ...) parallel zu den antiparallelen Leuchtdiodenpaaren (Lal, Lbl; La2, Lb2; ...) Schutzschaltungen (Ssl, Ss2, ...) gelegt sind, die verhindern, dass eine der Leuchtdioden oder eine der Funktionseinheiten einer Ueber spannung ausgesetzt wird.
9. 9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Stromrichtungsumkehr durch zwei Paare (S1, S2; S'1, S'2) von mit Transistoren aufgebauten Schaltern, die von einem mit einer externen Kapazität (Cext) beschalteten Oszillator (Osz) gesteuert werden, bewirkt wird.
10. 10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Steuereingang (Steu) aufweist zur Steuerung der Stromstärke des von der Stromquelle (St) gelieferten Stromes und damit der Helligkeit der jeweils angeschalteten Leuchtdioden mittels eines externen Widerstandes (rest)