DE3303404C1 - Method of generating the current pulses needed to operate radiation-emitting semiconductor diodes and arrangement for carrying it out - Google Patents
Method of generating the current pulses needed to operate radiation-emitting semiconductor diodes and arrangement for carrying it outInfo
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Abstract
Description
Des weiteren ist auch schon eine Einrichtung zum Erzeugen von Lichtblitzen für den Gebrauch in Spielzeugfiguren vorgeschlagen worden, die einen auf einen Kristall einwirkenden Kompressionsmechanismus enthält und einen elektrischen Stromkreis mit einer Funkenstrecke und Lämpchen aufweist. Bei Betätigung des aus einem Hebel, einem Rahmen, einem Nocken und einem Druckkörper bestehenden Kompressionsmechanismus wird der Kristall zusammengepreßt. Dadurch wird im Kristall eine Spannung erzeugt, die bei Überschreiten eines Schwellwerts einen die Funkenstrecke überbrückenden Stromstoß bewirkt, wodurch die Lämpchen kurzzeitig aufleuchten (US-PS 38 08 418). Furthermore there is already a facility for Produce of flashes of light has been proposed for use in toy figures, the includes a compression mechanism acting on a crystal and a electrical circuit with a spark gap and lamp. When actuated consisting of a lever, a frame, a cam and a pressure body The compression mechanism compresses the crystal. This becomes in the crystal A voltage is generated which, when a threshold value is exceeded, creates a spark gap bridging current surge, causing the lamps to light up briefly (US-PS 38 08 418).
Es ist ersichtlich, daß diese bekannten Einrichtungen nach Aufgabe und Lösung keine näheren Berührungspunkte mit der vorliegenden Erfindung aufweisen. It can be seen that these known devices after task and solution have no closer points of contact with the present invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine beispielsweise und prinzipielle Schaltanordnung zur Durchführung des Verfahrens, F i g. 2 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Sendekreises für den Zeitabschnitt des Impulsanstiegs, F i g. 3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Sendekreises für den Zeitabschnitt des Impulsdaches. The method according to the invention is illustrated below with reference to the drawing explained. It shows F i g. 1 shows an example and basic circuit arrangement to carry out the procedure, F i g. 2 a simplified equivalent circuit diagram of Sending circuit for the time segment of the pulse rise, F i g. 3 a simplified one Equivalent circuit diagram of the transmission circuit for the time segment of the impulse roof.
Die Schaltanordnung gemäß F i g. 1 umfaßt ein Piezoelement 1 (piezoelektrischer Kristall), dessen gegenüberliegende Oberflächen 1' und 1" an die auf einen Kern 2 aufgebrachte Primärwicklung 3 eines Impulsübertragers 4 angeschlossen sind. Auf dem aus Ferrit bestehenden Kern 2 ist des weiteren die Sekundärwicklung 5 des Impulsübertragers 4 angebracht, an welche eine Lumineszenzdiode 6 angeschlossen ist. The switching arrangement according to FIG. 1 comprises a piezo element 1 (piezoelectric Crystal), whose opposite surfaces 1 'and 1 "to those on a core 2 applied primary winding 3 of a pulse transmitter 4 are connected. on the core 2 made of ferrite is also the secondary winding 5 of the pulse transformer 4 attached, to which a light emitting diode 6 is connected.
Dem Piezoelement 1 ist ein Schlagkörper 7 zugeordnet, der unter der Wirkung einer als Druckfeder ausgebildeten Rückstellfeder 8 (Federkraftspeicher) steht und um eine Achse 9 drehbar ist. Der Schlagkörper 7 wird mittels eines Arretierglieds 10 in seiner gespannten Lage gehalten und kann nach jedem Auslösevorgang mit Hilfe eines Rückholhebels 11 stets wieder in seine Spannlage gebracht werden. Das Auslösen des Schlagkörpers 7 sowie dessen Rückstellung in seine Spannlage kann dabei wahlweise manuell oder selbsttätig mechanisch erfolgen, gegebenenfalls auch taktweise. Der Lumineszenzdiode 6 ist in einem entsprechenden Abstand ein Fotoempfänger 12 in Form eines Fototransistors, einer Fotodiode oder eines gleichwirkenden Bauelements zugeordnet, dem ein Impulsverstärker 13 nachgeschaltet ist, auf welchen ein Mono-Flop 14 od. dgl. folgt, an welches ein Relais 15 angeschlossen ist, das bei Impulsgabe, das heißt beim Aussenden eines Strahlungsimpulses durch die Lumineszenzdiode, einen definierten Schaltvorgang auslöst Die Schaltanordnung arbeitet wie folgt: Wird die Arretierung des Schlagkörpers 7 durch Entfernen des Arretierglieds 10 aus seiner Bewegungsbahn aufgehoben, so wird die in der am Hebelarm 7' des Schlagkörpers angreifenden Druckfeder 8 gespeicherte Energie schlagartig freigesetzt. Dies hat zur Folge, daß der Schlagkörper 7 ebenfalls schlagartig auf das Piezoelement 1 auftrifft Infolge dieser kurzzeitigen mechanischen Beanspruchung des Piezoelements auf Druck tritt an dessen Oberflächen 1' und 1" durch innere Ladungsverschiebung eine Spannung auf, die an der Primärwicklung 3 des Impulsübertragers 4 ansteht und induktiv in dessen Sekundärwicklung 5 eingekoppelt wird. Das Übersetzungsverhältnis ü des Impulsübertragers 4 ist so gewählt, daß im Sekundärkreis ein Stromimpuls von einer solchen Größe entsteht, daß die Lumineszenzdiode 6 einen Strahlungsimpuls aussendet Hinreichende Stromimpulswerte wurden beispielsweise bei einem Übersetzungsverhältnis von ü 15 bis 20 :1 erzielt. The piezo element 1 is assigned an impact body 7, which under the Effect of a return spring 8 designed as a compression spring (spring force accumulator) and is rotatable about an axis 9. The impact body 7 is by means of a locking member 10 held in its tensioned position and can be used after each release with the help a return lever 11 are always brought back into its clamping position. The triggering of the impact body 7 and its return to its clamping position can optionally be done manually or automatically mechanically, if necessary also in cycles. Of the Light emitting diode 6 is in one corresponding distance a photo receiver 12 in the form assigned to a phototransistor, a photodiode or an equivalent component, which is followed by a pulse amplifier 13, on which a mono-flop 14 od. Like. Follows, to which a relay 15 is connected, the impulses that means when a radiation pulse is emitted by the light emitting diode, one The switching arrangement works as follows: If the Locking of the impact body 7 by removing the locking member 10 from its The path of movement is canceled, so the one acting on the lever arm 7 'of the impact body Compression spring 8 stored energy is suddenly released. This has the consequence that the impact body 7 also suddenly strikes the piezo element 1 as a result this brief mechanical stress on the piezo element occurs under pressure on the surfaces 1 'and 1 "of which there is a voltage due to internal charge displacement, which is applied to the primary winding 3 of the pulse transformer 4 and inductively in its Secondary winding 5 is coupled. The transmission ratio ü of the pulse transformer 4 is selected in such a way that a current pulse of such a size is created in the secondary circuit, that the luminescent diode 6 emits a radiation pulse Sufficient current pulse values were achieved, for example, with a transmission ratio of 15 to 20: 1.
Im Ersatzschaltbild nach Fig.2 kennzeichnen uo(t) die EMK und Ri den Innenwiderstand des Piezoelements 1. Mit 4" ist der die Streuinduktivität aLs und die Eigenkapazität Cs umfassende Teil des Impulsübertragers 4 bezeichnet. Ferner symbolisiert 4' den idealen Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis ü und u2(t) die an der Lumineszenzdiode .nliegende Spannung. In the equivalent circuit diagram according to Fig. 2, uo (t) denote the EMF and Ri the internal resistance of the piezo element 1. With 4 "is the leakage inductance aLs and denotes part of the pulse transmitter 4 comprising the self-capacitance Cs. Further 4 'symbolizes the ideal transformer with the transformation ratio ü and u2 (t) the voltage present at the light emitting diode.
Die Lumineszenzdiode 6 wird durch die auf die Primärseite transformierte Zuleitungsinduktivität ü2 LD, die Diffusionskapazität des pn-Übergangs CD/U und den Sperrschichtwiderstand ig~ RD repräsentiert. In weiterer Näherung wird die Lumineszenzdiode 6 durch die lineare Approximation RD' der Größen RD, CD und LD für den gesamten Einschaltvorgang charakterisiert. Damit lautet die Differentialgleichung: wobei il den Strom durch das Piezoelement bedeutet.The luminescent diode 6 is represented by the lead inductance U2 LD transformed onto the primary side, the diffusion capacitance of the pn junction CD / U and the junction resistance ig ~ RD. In a further approximation, the luminescent diode 6 is characterized by the linear approximation RD 'of the variables RD, CD and LD for the entire switch-on process. The differential equation thus reads: where il means the current through the piezo element.
Die Lösung dieser Differentialgleichung ergibt für den Einschaltvorgang: mit Dabei bedeutet al12 die komplexe Frequenz.The solution of this differential equation gives for the switch-on process: with Al12 means the complex frequency.
Werden die physikalischen Größen Übertragungsfaktor Periodendauer und die Dämpfungskonstante eingeführt, so erhält man Im Falle der kritischen Dämpfung mit DA = 1 klingen die Einschwingvorgänge am schnellsten ab und es gilt Die Lösung der Differentialgleichung lautet jetzt: mit Die Anstiegszeit tr zwischen 10 und 90% des Endwerts der Ausgangsspannung u2 (t) beträgt tr = 3,35 TA.Are the physical quantities transfer factor Period duration and the damping constant introduced, one obtains In the case of critical damping with DA = 1, the transient processes subside the fastest and it applies The solution to the differential equation is now: with The rise time tr between 10 and 90% of the final value of the output voltage u2 (t) is tr = 3.35 TA.
Das bedeutet, daß für kurze Anstiegszeiten olund C1 klein gehalten werden müssen. Eine Verkürzung der Anstiegszeit ist ferner durch Vergrößerung von Ri möglich. This means that for short rise times ol and C1 are kept small Need to become. The rise time can also be shortened by increasing Ri possible.
Hierzu ein Zahlenbeispiel: Angenommene Werte: R'D#0,7#; Ri = 104#; u2(t) i = 2,1V; î2(t) = 3A,ü2 = 400. Here is a numerical example: Assumed values: R'D # 0.7 #; Ri = 104 #; u2 (t) i = 2.1V; î2 (t) = 3A, ü2 = 400.
Zur quantitativen Abschätzung der obigen Gleichung soll für den Zeitraum 4 #A = 0,4 µs die EMK des Piezoelements als konstant angesehen werden, also U0 = const. For the quantitative estimation of the above equation, the EMF of the piezo element should be viewed as constant for the period 4 #A = 0.4 µs, i.e. U0 = const.
Werte eingesetzt ergibt: Das Produkt der parasitären Größen Streuinduktivität und Eigenkapazität liegt damit in einer realistischen Größenordnung.Inserted values results in: The product of the parasitic quantities leakage inductance and self-capacitance is thus in a realistic order of magnitude.
Für U0 folgt aus der oben angegebenen Lösung der Differentialgleichung: und damit U0#34KV.For U0 it follows from the solution of the differential equation given above: and thus U0 # 34KV.
Das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3 beschreibt das Verhalten des Impulsdaches und stimmt bis auf die parasitären Bauelemente des Impulsübertragers 4 mit der F i g. 2 überein. Da der Einschaltvorgang beendet ist, kann die Streuinduktivität aLz unberücksichtigt bleiben. The equivalent circuit diagram according to FIG. 3 describes the behavior of the impulse roof and agrees with the F, except for the parasitic components of the pulse transmitter 4 i g. 2 match. Since the switch-on process has ended, the leakage inductance aLz remain unconsidered.
Es muß dafür die zur Eigenkapazität C, parallelliegende Hauptinduktivität L1 beachtet werden. Diese Größen sind im Ersatzschaltbild durch das Bezugszeichen 4"' gekennzeichnet.The main inductance, which is parallel to the self-capacitance C, must be used for this L1 must be observed. These quantities are indicated by the reference symbol in the equivalent circuit diagram 4 "'marked.
Unter der Voraussetzung, daß Ri und RD' kleiner sind als der Resonanzwiderstand ,, ist die Eigenkapazität C, vernachlässigbar. Damit lautet die Differentialgleichung unter Berücksichtigung der obigen Näherung für die strahlungemittierende Halbleiterdiode Die Lösung dieser Gleichung ergibt für den Ausschaltvorgang mit Die Ausgangsspannung u2(t) nimmt mit einer durch VD definierten Dachschräge ab und bestimmt damit die Impulsbreite ts. Zur Vergrößerung der Impulsbreite tB muß die Hauptinduktivität L'vergrößert werden.Assuming that Ri and RD 'are smaller than the resonance resistance ,, the self-capacitance C i is negligible. The differential equation thus reads for the radiation-emitting semiconductor diode, taking into account the above approximation The solution of this equation gives for the switch-off process with The output voltage u2 (t) decreases with a roof slope defined by VD and thus determines the pulse width ts. To increase the pulse width tB, the main inductance L must be increased.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich grundsätzlich in solchen Fällen anwenden, in denen zur Erzeugung der für den Betrieb von strahlungemittierenden Halbleiterdioden (Lumineszenzdioden) erforderlichen Stromimpulse das Bereitstellen einer Speisespannungsquelle umständlich ist oder Schwierigkeiten bereitet, oder wenn das Verlegen von Kabelzuführungen zur Unhandlichkeit von Geräten führt. Die Erfindung ermöglicht beispielsweise den Einsatz von berührungsbehafteten Endschaltern mit optischer Signalübertragung, die ohne Stromzuführung (passive Detektoren) arbeiten. The method according to the invention can basically be used in such Apply cases in which to generate the necessary for the operation of radiation-emitting Semiconductor diodes (luminescence diodes) require current pulses to be provided a supply voltage source is cumbersome or causes difficulties, or if the laying of cable leads leads to the unwieldy of devices. the The invention enables, for example, the use of limit switches with contact with optical signal transmission that work without a power supply (passive detectors).
Zweckmäßigerweise ist der Kern des Übertragers als Ringkern ausgebildet. The core of the transformer is expediently designed as a toroidal core.
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