EP1894300A1 - Stromquellenanordnung und verfahren zum betreiben einer elektrischen last - Google Patents
Stromquellenanordnung und verfahren zum betreiben einer elektrischen lastInfo
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Abstract
Es ist eine Stromquellenanordnung angegeben, bei der zumindest ein Zweig, umfassend eine Stromquelle (1) und Mittel (2) zum Anschließen einer elektrischen Last (3), vorgesehen ist. An einen Spannungsabgriffsknoten (4) dieses Zweigs ist ein Vergleicher (5) mit nachgeschaltetem Transistor (7) angeschlossen. Der Transistor (7) ist mit einer gemeinsamen Signalleitung (8) verbunden, die wiederum an einen Rückführungseingang eines Gleichspannungsreglers (10) angeschlossen ist. Die Anordnung ist mit beliebiger Anzahl weiterer Zweige bei gemeinsamer Signalleitung (8) erweiterbar. Die vorgeschlagene Stromquellenanordnung ist insbesondere zur Versorgung mehrerer LED-Stränge für Beleuchtungsanwendungen und Displays geeignet.
Description
Beschreibung
Stromquellenanordnung und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Last
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromquellenanordnung, deren Verwendung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Last.
Stromquellenanordnungen dienen beispielsweise dazu, eine oder mehrere elektrische Lasten mit elektrischer Energie zu versorgen. Dabei können beispielsweise mehrere Serienschaltungen, umfassend je eine Stromquelle und je eine zugeordnete Last, vorgesehen sein. Werden die derart parallel geschalte- ten Zweige mit einer gemeinsamen VersorgungsSpannung versorgt, so kann es wünschenswert sein, die Versorgungsspannung zu regeln. Dabei kann beispielsweise die über jeder Stromsenke abfallende Spannung gemessen und anschließend die minimale der Stromsenkenspannungen bestimmt werden. Diese geringste Stromsenkenspannung wird mit einem Sollwert verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis wird die Versorgungsspannung variiert. Dadurch ist sichergestellt, dass die minimale über den Stromsenken abfallende Spannung zumindest dem Schwellwert entspricht. Dadurch arbeiten alle Stromquellen in einem vorgegebenen Spannungsbereich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromquellenanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Last anzugeben, bei denen ein einfacher Schaltungsauf- bau bei gutem Wirkungsgrad möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung durch eine Stromquellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst .
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Prinzips sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorgeschlagene Stromquellenanordnung umfasst eine Stromquelle und ein damit verbundenes Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last. Die Stromquelle und das Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last sind so miteinander verbun- den, dass ein gemeinsamer Strompfad bei angeschlossener elektrischer Last gebildet ist. Mit dem Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last ist ein Spannungsabgriffsknoten gekoppelt. Dieser ist so ausgelegt, dass daran eine über der elektrischen Last und/oder der Stromquelle abfallende Span- nung oder ein davon abgeleitetes Signal abgreifbar ist. Ein Vergleicher ist mit seinem ersten Eingang mit dem Abgriffsknoten verbunden. Ein zweiter Eingang des Vergleichers ist zum Zuführen einer Referenzschwelle eingerichtet. Ein Ausgang des Vergleichers ist an einen Steuereingang eines Transistors angeschlossen. Der Transistor hat eine gesteuerte Strecke, die zwischen eine Signalleitung und einen Bezugspotenzialan- schluss geschaltet ist. Ein Gleichspannungsregler, beispielsweise ein DC/DC-Konverter, ist an einem Eingang zum Zuführen einer Eingangsspannung ausgelegt . Ein Ausgang des Gleichspan- nungsreglers ist mit dem Mittel zum Anschließen der elektrischen Last verbunden. Ein Rückführungseingang des Gleichspannungsreglers ist an die Signalleitung angeschlossen.
Wenn über der Stromquelle eine zu geringe Spannung abfällt, wird die Signalleitung nach unten gezogen. Somit wird auch der Rückführungseingang des Gleichspannungsreglers nach unten gezogen. Das führt dazu, dass der Gleichspannungsregler dies dadurch kompensiert, dass seine Ausgangsspannung zunimmt, um wieder die korrekte RückführungsSpannung am Rückführungseingang zu erhalten.
Selbstverständlich können anstelle eines Zweigs, umfassend eine Stromquelle und Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last, auch mehreren solcher Zweige vorgesehen sein. Dabei ist bevorzugt jedem Zweig, umfassend ein Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last und eine zugeordnete Stromquelle, je ein Vergleicher mit nachgeschaltetem Transistor zugeordnet. Gemeinsam ist allen Zweigen jedoch die Signalleitung und der Gleichspannungsregler.
Bevorzugt ist zumindest eine weitere Stromquelle und zumindest ein weiteres Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last vorgesehen, das mit der zumindest einen weiteren Stromquelle verbunden ist. Zumindest ein weiterer Spannungsabgriffsknoten ist mit dem zumindest einen weiteren Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last gekoppelt. Zumindest ein weiterer Vergleicher mit einem ersten Eingang, der mit dem zumindest einen weiteren Abgriffsknoten verbunden ist, und mit einem zweiten Eingang eingerichtet zum Zuführen zumindest einer weiteren Referenzquelle ist vorgesehen. Daran ist zumindest ein weiterer Transistor angeschlossen, der lastseitig mit der gemeinsamen Signalleitung verbunden ist.
Wenn nunmehr über irgendeiner der Stromquellen eine zu geringe Spannung abfällt, zieht diese über den Vergleicher und den Transistor die gemeinsame Signalleitung nach unten. Somit
wird auch der Rückführungseingang des Gleichspannungsreglers nach unten gezogen, was von dem Gleichspannungsregler durch Erhöhen der VersorgungsSpannung an seinem Ausgang kompensiert wird, solange, bis die Spannung am Rückführungseingang wieder dem gewünschten Sollwert entspricht.
Das vorgeschlagene Prinzip zeichnet sich insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Die vorgeschlagene Schaltung kann in einfacher Weise und in kleiner Bauform realisiert werden. Weiterhin zeichnet sie sich dadurch aus, dass sie leicht erweitert, kaskadiert und beinahe beliebig konfiguriert werden kann. Jede beliebige Anzahl von Stromquellen kann hinzugefügt werden, ohne dass zusätzliche Stromkreise nötig wären, sogar über verschiedene Halbleiterchips hinweg. Zwischen mehreren Stromquellen ist nur eine einzige Leitung erforderlich, nämlich die hier als Signalleitung bezeichnete Leitung. Wenn jeweils mehrere unterschiedliche Lasttypen angesteuert werden sollen, beispielsweise rote, grüne und blaue (RGB) light-emitting diodes, abgekürzt LEDs, so können die Stromquellen bevorzugt in Gruppen angeordnet sein, derart, dass für jeden Lasttyp eine gemeinsame Signalleitung vorgesehen ist.
Die Referenzschwellen können gleich oder verschieden sein.
Die elektrischen Lasten umfassen je zumindest eine Leuchtdiode oder eine Serienschaltung mehrerer Leuchtdioden.
Alternativ können die Zweige, umfassend je eine Stromquelle und ein Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last, gruppenweise so zusammengefasst sein, dass zwischen die Abgriffsknoten einer solchen Gruppe und den Vergleicher ein Mittel
zum Auswählen einer minimalen Eingangsspannung geschaltet ist.
Wenn unterschiedliche Typen elektrischer Lasten angesteuert werden sollen, so kann für jeden Typ elektrischer Lasten je eine gemeinsame Signalleitung vorgesehen sein. Beispielsweise können die Typen von Lasten Leuchtdioden mit unterschiedlicher Farbe sein, beispielsweise rote, grüne und blaue Leuchtdioden.
Der Spannungsabgriffsknoten kann so mit dem Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last gekoppelt sein, dass der Spannungsabgriffsknoten an einem Steueranschluss eines Stromquellentransistors gebildet ist, wobei die gesteuerte Strecke des Stromquellentransistors in einem gemeinsamen Strompfad mit dem Mittel zum Anschließen der elektrischen Last gebildet ist. Dies hat gegenüber einem Spannungsabgriff zwischen Stromquelle und elektrischer Last den Vorteil, dass bei Fertigungsschwankungen der Transistorparameter ein sichererer Signalabgriff gewährleistet ist.
Der Vergleicher kann einen Operationsverstärker umfassen. Die Kombination aus Vergleicher und nachgeschaltetem Transistor ist bevorzugt so ausgelegt, dass bei unterschiedlichen Ein- gangspegeln am Eingang des Vergleichers nicht ein schnelles Kippen des Ausgangspegels auf einen Extremwert erfolgt, sondern dass vielmehr am Ausgang ein zur Differenz am Eingang proportionales Signal bereitgestellt wird. Das bedeutet, dass bevorzugt eine endliche Verstärkung vorgesehen ist. Diese Verstärkung kann in Ampere pro Volt angegeben werden (Stromausgang zu Spannungseingang) .
Der Gleichspannungsregler umfasst bevorzugt einen so genannten DC/DC-Wandler . Dieser ist bevorzugt als so genannter induktiver Bück Converter oder Abwärtswandler, Boost Converter oder Aufwärtswandler, Buck/Boost-Wandler, kapazitive Ladungs- pumpe, LDO (Linearregler) oder Ähnliches ausgebildet.
Zur Stabilisierung des Regelkreises des Gleichspannungswand- lers ist bevorzugt ein Tiefpassfilter vorgesehen.
Minimale und maximale Grenzen für die AusgangsSpannung des Gleichspannungswandlers können exakt durch Widerstands- Teilerverhältnisse eingestellt werden. Dadurch kann mit Vorteil erreicht werden, dass selbst dann, wenn eine elektrische Last ausfällt, die VersorgungsSpannung am Ausgang des Gleich- Spannungswandlers stets innerhalb der vorgegebenen Grenzen für diese AusgangsSpannung bleibt .
Das vorgeschlagene Prinzip ist bevorzugt allgemein für Beleuchtungsanwendungen geeignet. Insbesondere ist das vorge- schlagene Prinzip zur Rückseitenbeleuchtung von Liquid Crys- tal Displays, LCD, geeignet. Bevorzugt ist das vorgeschlagene Prinzip bei solchen Beleuchtungsanwendungen einsetzbar, bei denen mehrere LED-Serienschaltungen bzw. -Ketten vorgesehen sind.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand eines Schaltplans,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand eines Schaltbildes,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit Gleichspannungsregler nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
Figur 5 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit unterschiedlichen Lasttypen,
Figur 7 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vergleicher- Transistor-Anordnung,
Figur 8 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vergleicher- Transistor-Anordnung,
Figur 9 ein noch weiteres Ausführungsbeispiel einer Ver- gleicher-Transistor-Anordnung zum Einsatz in einer Schaltung nach einer der Figuren 1, 2, 4 bis 6, und
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel für einen am Steuereingang des Stromquellentransistors gebildeten Spannungsabgriffskno- ten nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figur 1 zeigt eine Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Eine Stromquelle 1 ist in einem gemeinsamen
Strompfad mit einem Mittel 2 zum Anschließen einer elektrischen Last 3 verbunden. Zwischen der Stromquelle 1 und der elektrischen Last 3 ist ein Spannungsabgriffsknoten 4 gebildet . Der Spannungsabgriffsknoten 4 ist mit einem invertieren- den Eingang eines Vergleichers 5 verbunden. Ein weiterer Eingang des Vergleichers 5 ist mit Bezugszeichen 6 versehen, nicht-invertierend ausgebildet und zum Zuführen einer Referenzschwelle Vc ausgelegt. Der Ausgang des Vergleichers 5 ist mit dem Steuereingang eines zugeordneten Transistors 7 ver- bunden. Transistor 7 kann ein MOSFET oder Bipolartransistor sein. Die gesteuerte Strecke des Transistors 7 ist zwischen eine gemeinsame Signalleitung 8 und einen Bezugspotenzialan- schluss 9 geschaltet. Die Signalleitung 8 ist mit einem Rückführungseingang eines Gleichspannungsreglers 10 zu dessen An- Steuerung verbunden. Der Gleichspannungsregler 10 hat einen
Eingang 11 zum Zuführen einer Eingangsspannung und einen Ausgang 12 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung VDD in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und dem Pegel der gemeinsamen Signalleitung 8. Dieser Ausgang 12 des Gleichspan- nungsreglers 10 ist mit einer weiteren Klemme des Anschlusses 2 zum Anschließen der elektrischen Last 3 verbunden.
In Analogie zu dem Stromzweig, umfassend die elektrische Last 3 und die Stromquelle 1, sind weitere Stromzweige, umfassend je eine weitere elektrische Last 13, 23, und eine weitere Stromquelle 20, 21 vorgesehen. Dabei ist jeweils ein An- schluss der elektrischen Lasten 3, 13, 23 mit dem Ausgang 12 des Gleichspannungsreglers verbunden. An jedem dieser Zweige, umfassend eine elektrische Last 3, 13, 23 und eine Stromquel- Ie 1, 20, 21, ist über den jeweiligen Spannungsabgriffsknoten 4, 14, 24 ein Vergleicher 5, 15, 25 mit nachgeschaltetem Transistor 7, 17, 27 angeschlossen. Jeder dieser Transistoren 7, 17, 27 ist mit einem Lastanschluss an die gemeinsame Sig-
nalleitung 8 angeschlossen, die eine Rückführspannung UV führt .
Das Signal UV der gemeinsamen Signalleitung steuert die Ver- sorgungsSpannung VDD. Wenn eine der Stromquellen 1, 20, 21 eine zu geringe Spannung (eine Spannung unter dem Vergleichspotential Vc) hat, wird die Leitung 8 bezüglich der Spannung UV etwas nach unten gezogen. Somit wird auch die Spannung am Rückführungseingang des Gleichspannungsreglers 10 nach unten gezogen. Dies wird vom Gleichspannungsregler 10 dadurch kompensiert, dass die Spannung VDD am Ausgang 12 erhöht wird. Die Spannung VDD am Ausgang wird solange erhöht, bis die korrekte Spannung UV am Rückführeingang anliegt.
Der Gleichspannungsregler 10 kann jeder einstellbare DC/DC-
Wandler sein. Dies dient zur Ansteuerung der Lasten 3, 13, 23 mit hohem Wirkungsgrad. Beispielsweise kann der Spannungsregler 10 ein induktiver Bück-, Boost-, Buck/Boost -Regler oder eine kapazitive Ladungspumpe oder ein einfacher Längsregler sein.
Die Schaltung gemäß Figur 1 hat einen einfachen Schaltungsaufbau, der insbesondere in integrierter Schaltungstechnik mit geringem Flächenbedarf realisierbar ist. Die Schaltung kann leicht mit zusätzlichen Zweigen erweitert, kaskadiert und konfiguriert werden. Es kann eine beliebige Anzahl von Stromquellen hinzugefügt werden, wofür keine zusätzlichen Stromkreise nötig sind. Eine vorteilhafte Besonderheit der Schaltung nach Figur 1 ist es, dass nur eine Leitung, nämlich die gemeinsame Signalleitung 8, zur Kopplung der einzelnen Stromquellenzweige miteinander erforderlich ist.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die mit der Schaltung gemäß Figur 1 in den verwendeten Bauteilen und deren vorteilhafter Verschaltung miteinander weitgehend über- einstimmt. Insoweit wird die Beschreibung der Schaltung an dieser Stelle nicht wiederholt. Die elektrischen Lasten 3, 13, 23 sind bei Figur 2 je als Serienschaltung mehrerer Licht emittierender Dioden, LEDs 30, 31; 32, 33; 34, 35 ausgeführt. Die Stromquellen 1, 20, 21 sind bei Figur 2 mit je einem Stromquellentransistor 36 ausgeführt, dessen gesteuerte Strecke zwischen den jeweiligen Abgriffsknoten 4, 14, 24 und je einen gegen Bezugspotenzial geschalteten Widerstand 37 geschaltet. Der Steuereingang des Stromquellentransistors 36 ist mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers 38 verbunden, der zwei Eingänge hat. Ein Eingang ist als Anschluss zum Zuführen einer Bezugsschwelle ausgebildet, während der andere Eingang mit demjenigen Lastanschluss des Transistors 36 verbunden ist, der gegen den Widerstand 37 geschaltet ist. Der Gleichspannungsregler 10 ist bei Figur 2 der Übersichtlich- keit wegen nicht eingezeichnet.
Gegenüber einer herkömmlichen Stromquelle ist die Stromquelle 36, 37, 38 gemäß Figur 2 besonders im Hinblick auf Stabilität und Einstellbarkeit vorteilhaft.
Figur 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers zum Einsatz bei den Schaltungen gemäß Figuren 1 oder 2. Der eigentliche DC/DC-Wandler 39 hat einen Eingang 40 zum Zuführen einer Eingangsspannung, die gegen Be- zugspotenzial 41 abfällt. Am Ausgang 42 wird die Versorgungsspannung VDD bereitgestellt. Die gemeinsame Signalleitung 8 ist nicht unmittelbar mit dem Rückführeingang 43 des Gleichspannungswandlers verbunden. Vielmehr ist ein Tiefpassfilter,
umfassend einen Serienwiderstand 44 und eine nachgeschaltete, gegen Bezugspotenzial geschaltete Kapazität 45 vorgesehen. Dieses Tiefpassfilter 44, 45 ist über einen Koppelwiderstand 46 mit dem eigentlichen Rückführungseingang 43 verbunden. Au- ßerdem ist ein Spannungsteiler 49 vorgesehen, der einen ersten Widerstand 47 und einen zweiten Widerstand 48 umfasst . Der erste Widerstand 47 ist zwischen den Ausgang 42 und den Rückführeingang 43 geschaltet. Der zweite Widerstand 48 ist zwischen den Rückführungseingang 43 und einen Bezugspotenzi- alanschluss geschaltet. Die Widerstände 47, 48 haben Widerstandswerte Rl, R2. Der Widerstand 44 des Tiefpassfilters hat den Widerstandswert R4. Die Kapazität 45 des Tiefpassfilters hat den Kapazitätswert Cl. Der Koppelwiderstand 46 hat den Widerstandswert R3.
Um den Regelkreis zu stabilisieren, wird das Tiefpassfilter, umfassend die Bauteile 44, 45, verwendet. Diese bilden den dominierenden Pol in der Übertragungsfunktion des Regelkreises. Die minimale Ausgangsspannung VDDMIN am Ausgang 42 wird durch das Verhältnis der Widerstandswerte Rl, R2 eingestellt. Die maximale AusgangsSpannung VDDMAX am Ausgang 42 wird durch die Werte der Widerstände Rl bis R4 eingestellt. Vref ist die Spannung am Knoten 43, die der DC/DC-Konverter konstant hält.
Dabei gelten die folgenden Vorschriften:
VDD MIN = Vref— -
R,
Wenn demnach bei der Schaltung von Figur 2 beispielsweise eine der LED-Ketten 30, 31; 32, 33; 34, 35 bricht, wodurch die Rückführspannung UV auf Bezugspotential gezwungen wird, bleibt dennoch die Versorgungsspannung VDD innerhalb der vor- gegebenen Grenzen VDDMIN und VDDMAX.
Figur 4 zeigt eine andere Weiterbildung der Schaltung von Figur 2. Diese entspricht jener weitgehend in Aufbau und vorteilhafter Verschaltung und wird insoweit an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben. Die Stromzweige, umfassend je eine Stromquelle, einen Vergleicher und einen Transistor, sind bei Figur 4 jeweils beispielhaft paarweise auf gemeinsamen monolithisch integrierten Chips 50, 51, 52 ausgebildet. Bei der Implementierung gemäß Figur 4 wird deutlich, dass trotz der Ausführung der einzelnen Zweige auf unterschiedlichen Chips dennoch eine gemeinsame Signalleitung 8 vorgesehen sein kann. Dabei sind keine zusätzlichen Schaltkreise nötig.
Figur 5 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von Figur 4, bei der das vorgeschlagene Prinzip mit dem Prinzip der Auswahl einer MinimalSpannung kombiniert ist. Hierfür ist auf jedem der Chips 50', 51', 52' je eine Minimum-Auswahlschaltung 53, 54, 55 vorgesehen, deren Eingänge mit den Abgriffsknoten aller Zweige auf dem jeweiligen Chip verbunden sind. Der Ausgang des Minimum-Auswahlgliedes 53, 54, 55 ist mit einem gemeinsamen Vergleicher 56, 57, 58 auf jedem Chip verbunden, dessen Ausgang wiederum je einen gemeinsamen Transistor 59, 60, 61 auf jedem Chip ansteuert. Ein Lastanschluss dieses Transistors 59, 60, 61 ist wiederum an eine allen Chips 50', 51', 52' gemeinsame Signalleitung 8 angeschlossen. Dadurch kann die Flexibilität weiter erhöht werden. Es können Kanäle, die auf der Auswahl einer MinimalSpannung beruhen, beliebig mit dem vorgeschlagenen Prinzip kombiniert werden.
Figur 6 zeigt eine andere Weiterbildung der Schaltung von Figur 4 an einem Beispiel. Die Chips 50 ' ' , 51' ', 52 ' ' haben in diesem Beispiel je drei Zweige, umfassend je eine Stromquel- Ie, einen Vergleicher und einen daran angeschlossenen Transistor. Jeder der Chips 50 ' bis 52' ist zum Ansteuern unterschiedlicher Typen von elektrischen Lasten ausgelegt, nämlich beispielhaft roter Dioden 62r, blauer Dioden 62b und grüner Dioden 62g. Dabei sind diejenigen Zweige, die zur Ansteuerung der roten Leuchtdioden 62r ausgelegt sind, mit einer ersten gemeinsamen Signalleitung 8r verbunden, während diejenigen Zweige, die zur Ansteuerung der blauen Dioden 62b ausgelegt sind, jeweils über verschiedene Chips hinweg mit einer zweiten gemeinsamen Signalleitung 8b verbunden sind. Diejenigen Zweige, die zur Ansteuerung der grünen Leuchtdioden 62g ausgelegt sind, sind mit einer dritten gemeinsamen Signalleitung 8g verbunden. Die roten, blauen und grünen Dioden 62r, 62b und 62g sind versorgungsspannungsseitig an je eine zugeordnete Versorgungsspannungsleitung, unterschiedlich für jeden Typ, zur Führung unterschiedlicher Versorgungsspannungen
VDDB, VDDR, VDDG angeschlossen.
Dies dient dazu, wie beispielsweise in RGB-Anwendungen bei der Ansteuerung farbiger Displays vorteilhaft, gruppenweise unterschiedliche Typen von elektrischen Lasten zusammenzufassen und mit ebenso gruppierten Stromquellen anzusteuern, die pro Typ von elektrischer Last je eine gemeinsame Signalleitung 8r, 8b, 8g haben.
Figur 7 zeigt die Ausführung des Vergleichers 5 mit nachgeschaltetem Transistor 7 gemäß Figuren 1, 2 und 4 bis 6. Anstelle dieser Kombination von Vergleicher und Transistor kann
in den Figuren 1, 2 und 4 bis 6 auch beispielsweise eine Anordnung nach Figur 8, 9 oder 10 eingeschaltet sein.
In Figur 8 zeichnet sich der als OTA (operational transcon- ductance amplifier - Transkonduktanzverstärker) 64 ausgebildete Vergleicher mit nachgeschaltetem Stromspiegel 65, dessen Ausgangstransistor dem Transistor 7 von Figur 7 entspricht, insbesondere durch den geringen Chipflächenbedarf aus. Mit diesem Schaltkreis wird nur dann ein Senkenstrom an den Aus- gang 66, also an die gemeinsame Signalleitung, abgegeben, wenn die Spannung am negativen Eingang 67 kleiner ist als diejenige am positiven Eingang 68. Dies ist genau das gewünschte Verhalten des Regelprinzips.
Figur 9 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von Figur 8, ebenfalls mit einem OTA 64 und einem Stromspiegel 65. Zu deren Kopplung miteinander sind jedoch zusätzliche Stromspiegel 69, 70, 71 vorgesehen, die zu einem verbesserten Verstärkungsfaktor und zu einer besseren Treiberfähigkeit für den Ausgangstransistor 72 führen. Zur Erhöhung der Verstärkung kann optional der Transistor 65 entfernt werden - wie auch in der Ausführungsform gemäß Figur 8.
Anstelle der Ausführung des Abgriffsknotens 4 zwischen der elektrischen Last 3 und der Stromquelle 1, wie beispielsweise in Figuren 1 und 2 gezeigt, kann der Spannungsabgriff auch am Steuereingang des Stromquellentransistors 36 vorgesehen sein, anstelle am Lastanschluss des Stromquellentransistors 36.
Die Schaltung nach Figur 10 ist somit auch eine Alternative zur Ausbildung der Stromquellen nach Figuren 2 und 4 bis 6. Das Abtasten der Spannung am Gate des Stromquellentransistors als Abgriffsknoten hat den Vorteil, dass die Gate-Spannung
dieses Transistors überwacht wird und innerhalb eines vorgegebenen begrenzten Bereichs ist, nämlich begrenzt durch die Referenzspannung Vg am Eingang des Vergleichers 5. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Fertigungsstreuungen der Strom- quellentransistoren von Vorteil. Dabei ist zu beachten, dass die Eingänge des Vergleichers 5 ausgetauscht werden müssen. Alle Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 7 bis 10 können wie gezeigt in Feldeffekttransistortechnologie, z. B. als MOSFETs, oder alternativ in Bipolartechnologie ausgeführt werden.
Das vorgeschlagene Prinzip ist insbesondere zur Ansteuerung von LED-Arrays, in RGB- oder Einzelfarben vorteilhaft. Beispielsweise kann das Prinzip in den folgenden Anwendungsgebieten eingesetzt werden, nämlich allgemeine Beleuchtung, Rückseitenbeleuchtung von Liquid Crystal Display, LCD-RGB-
Bildschirmen und jede beliebige Beleuchtungsanwendung, in der mehrere Stränge, je Serienschaltungen von Leuchtdioden umfassend, verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Stromquelle
2 Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 3 elektrische Last
4 Abgriffsknoten
5 Vergleicher
6 Anschluss zum Zuführen einer Referenzschwelle
7 Transistor 8r gemeinsame Signalleitung 8b gemeinsame Signalleitung 8g gemeinsame Signalleitung
9 Bezugspotenzialanschluss
10 Gleichspannungsregler 11 Eingang
12 Ausgang
13 elektrische Last
14 Abgriffsknoten
15 Vergleicher 16 Referenzeingang
17 Transistor
20 Stromquelle
21 Stromquelle
22 Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 23 elektrische Last
24 Abgriffsknoten
25 Vergleicher
26 Eingang zum Zuführen einer Referenzschwelle 27 Transistor 30 Diode
31 Diode
32 Diode
33 Diode
34 Diode
35 Diode
36 Stromquellentransistor
37 Widerstand 38 Differenzverstärker
39 Gleichspannungsregler
40 Eingang
41 Bezugspotenzialanschluss 42 Ausgang 43 Eingang
44 Widerstand
45 Kapazität
46 Widerstand
47 Widerstand 48 Widerstand
49 Spannungsteiler
50 Chip
51 Chip
52 Chip 53 Minimum-Auswahlblock
54 Minimum-Auswahlblock
55 Minimum-Auswahlblock
56 Vergleicher
57 Vergleicher 58 Vergleicher
59 Transistor
60 Transistor
61 Transistor 62r rote LED 62b blaue LED
62g grüne LED
64 OTA
65 Stromspiegel
Ausgang Eingang Eingang Stromspiegel Stromspiegel Stromspiegel Transistor
Claims
1. Stromquellenanordnung, aufweisend
- eine Stromquelle (1) , - ein Mittel (2) zum Anschließen einer elektrischen Last (3) , das mit der Stromquelle (1) verbunden ist,
- einen Spannungsabgriffsknoten (4) gekoppelt mit dem Mittel (2) zum Anschließen einer elektrischen Last,
- einen Vergleicher (5) mit einem ersten Eingang, der mit dem Spannungsabgriffsknoten (4) verbunden ist, und mit einem zweiten Eingang eingerichtet zum Zuführen einer Referenzschwelle (Vc) ,
- einen Transistor (7) , der steuerseitig mit einem Ausgang des Vergleichers (5) und der lastseitig mit einer Signallei- tung (8) verbunden ist,
- einen Gleichspannungsregler (10) mit einem Eingang (11) zum Zuführen einer EingangsSpannung, mit einem Ausgang (12) , der mit dem Mittel (2) zum Anschließen der elektrischen Last verbunden ist, und mit einem Rückführungseingang, der mit der Signalleitung (8) verbunden ist.
2. Stromquellenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
- zumindest eine weitere Stromquelle (20) , - zumindest ein weiteres Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last (13), das mit der zumindest einen weiteren Stromquelle (20) verbunden ist,
- zumindest einen weiteren Spannungsabgriffsknoten (14) gekoppelt mit dem zumindest einen weiteren Mittel zum Anschlie- ßen einer elektrischen Last (13) ,
- zumindest einen weiteren Vergleicher (15) mit einem ersten Eingang, der mit dem zumindest einen weiteren Spannungsabgriffsknoten (14) verbunden ist, und mit einem zweiten Ein- gang eingerichtet zum Zuführen zumindest einer weiteren Referenzschwelle,
- zumindest einen weiteren Transistor (17) , der steuerseitig mit einem Ausgang des zumindest einen weiteren Vergleichers (15) und der lastseitig mit der als gemeinsame Signalleitung ausgebildeten Signalleitung (8) verbunden ist.
3. Stromquellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschwelle und die weitere Referenzschwelle gleich sind.
4. Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Last zumindest eine Leuchtdiode (30) umfasst .
5. Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Last eine Serienschaltung mehrere Leuchtdio- den (30, 31) umfasst .
6. Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (53) zum Durchschalten einer geringeren von min- destens zwei Eingangsspannungen zwischen mindestens zwei mit je einer zugeordneten Stromquelle und je einem zugeordneten Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last gekoppelten Spannungsabgriffsknoten und den ersten Eingang des Vergleichers (56) geschaltet ist.
7. Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Typen elektrischer Lasten (62, 63) je eine gemeinsame Signalleitung (8, 9) vorgesehen ist.
8. Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle einen Stromquellentransistor (36) umfasst .
9. Stromquellenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabgriffsknoten dadurch mit dem Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last gekoppelt ist, dass der Spannungsabgriffsknoten an einem Steueranschluss des Stromquellentransistors (36) gebildet ist, wobei die gesteuerte Strecke des Stromquellentransistors (36) in einem gemeinsamen Strompfad mit dem Mittel (2) zum Anschließen der elektrischen Last gebildet ist.
10. Stromquellenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromquellentransistor (36) mit seiner gesteuerten
Strecke zwischen das Mittel (2) zum Anschließen der elektrischen Last und einen gegen einen Bezugspotentialanschluss geschalteten Widerstand (37) geschaltet ist,
- ein Differenzverstärker (38) mit seinem Ausgang an den Steuereingang des Stromquellentransistors (36) angeschlossen ist,
- ein erster Eingang des Differenzverstärkers (38) zum Zuführen einer BezugsSpannung ausgebildet ist,
- ein zweiter Eingang des Differenzverstärkers (38) mit dem bezugspotentialseitigen Anschluss der gesteuerten Strecke des
Stromquellentransistors (36) verbunden ist.
11. Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher (5) einen Verstärker (64) mit endlicher Verstärkung umfasst .
12. Stromquellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher (5) einen Stromspiegel (65) umfasst, dessen Eingangstransistor mit einem Ausgang des Verstärkers (64) • verbunden ist, wobei der Transistor der Stromquellenanord- nung, der lastseitig mit der Signalleitung (8) verbunden ist, der Ausgangstransistor des Stromspiegels (65) ist.
13. Stromquellenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Operationsverstärkers ein unsymmetrischer Ausgang ist, und dass Stromspiegel (69, 70, 71) vorgesehen sind, die eine differentielle Stufe (64) des Operationsverstärkers mit dem unsymmetrischen Ausgang verbinden.
14. Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Last (3) an das Mittel (2) zum Anschließen der elektrischen Last angeschlossen ist.
15. Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellenanordnung in Halbleiter-Schaltungstechnik monolithisch integriert ist.
16. Verwendung einer oder mehrerer Stromquellenanordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Stromversorgung matrixförmig angeordneter Leuchtdioden (62, 63) in einer Anzeigeeinrichtung.
17. Verwendung je zumindest einer Stromquellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Stromversorgung von Leuchtdioden (62r, 62b, 62g) je eines Farbtyps in einer Anzeigeeinrichtung.
18. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Last, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Bereitstellen eines VersorgungsStroms für die elektrische Last (3) mit einer Stromquelle (1) ,
- Abgreifen einer über der elektrischen Last (3) und/oder der Stromquelle (1) abfallenden oder einer davon abgeleiteten Spannung,
- Vergleichen der so ermittelten Spannung mit einer Referenz- schwelle (Vc) ,
- Ansteuern einer Signalleitung (8) mittels eines Transistors (7) in Abhängigkeit des Vergleichs,
- Bereitstellen einer VersorgungsSpannung (VDD) für die elektrische Last (3) in Abhängigkeit einer Eingangsspannung und eines Signals auf der Signalleitung (8) .
19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch' folgende Schritte:
- Bereitstellen eines weiteren Versorgungsstroms für eine weitere elektrische Last (13) mit einer weiteren Stromquelle (20) ,
- Abgreifen einer über der weiteren elektrischen Last (13) und/oder der weiteren Stromquelle (20) abfallenden oder einer davon abgeleiteten Spannung, - Vergleichen der so ermittelten Spannung mit einer weiteren Referenzschwelle, - Ansteuern der als gemeinsame Signalleitung ausgeführten Signalleitung (8) mittels eines weiteren Transistors (17) in Abhängigkeit des Vergleichs,
- Bereitstellen der VersorgungsSpannung (VDD) für die elektrische Last (3) und die weitere elektrische Last (13) in Abhängigkeit der Eingangsspannung und des Signals auf der gemeinsamen Signalleitung (8) .
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