EP3170368A2 - Schaltungsanordnung und verfahren zur ansteuerung von leds in matrix-konfiguration - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zur ansteuerung von leds in matrix-konfiguration

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EP3170368A2
EP3170368A2 EP15734316.1A EP15734316A EP3170368A2 EP 3170368 A2 EP3170368 A2 EP 3170368A2 EP 15734316 A EP15734316 A EP 15734316A EP 3170368 A2 EP3170368 A2 EP 3170368A2
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EP
European Patent Office
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leds
bias
led12
circuit arrangement
led
Prior art date
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Application number
EP15734316.1A
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EP3170368B1 (de
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Mircea BARBU
Martin Gerhardt
Stephan HUF
Karl-Heinz Strobel
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BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Hausgeraete GmbH
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Publication date
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Publication of EP3170368B1 publication Critical patent/EP3170368B1/de
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    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H05B45/44—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • H05B45/46—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix having LEDs disposed in parallel lines
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
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    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H05B45/59—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits for reducing or suppressing flicker or glow effects

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for driving light emitting diodes (Light Emitting Diodes, abbreviated LEDs) in a matrix configuration, wherein each LED of the matrix is individually activatable by activation of a corresponding column driver in connection with the activation of a corresponding row driver, wherein each further per line, a bias device having a first bias connection for electrically coupling to the cathodes of the LEDs of the respective row and having a second bias connection for electrical coupling to the anodes of the LEDs of the respective row.
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • FIG. 1 represents a 2x2 matrix (two by two matrix).
  • the blocking current flowing in this process causes the failure of LEDs as a result of material migration.
  • Avoiding the blocking voltage in a matrix is sought in order to obtain the cost-effective matrix principle without reducing the lifetime.
  • EP 1 916 880 B1 discloses a principle for solving the reverse voltage problem.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram with the solution proposed in EP 1 916 880 B1 on a 2 ⁇ 2 matrix. If the LED 1 1 is driven, falls on it, for example, a forward voltage of 3.4 volts. So that the LED 22 is not in
  • Reverse direction is biased via the voltage divider R22A_H / R22A_L and R22C_H / R22C_L with 0.2 volts. Inevitably, through the
  • Patent claim 1 and solved by a method having the features of claim 13.
  • Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.
  • the circuit arrangement according to the invention for driving LEDs in a matrix configuration having m columns and n rows, each LED of the matrix being individually activatable by activation of a corresponding column driver in connection with the activation of a corresponding row driver, has a bias for each row.
  • the first bias terminal of the bias device is connected to the cathodes of m of the LEDs of that row and the second bias terminal of the bias device is connected to the anodes of the m LEDs of that row.
  • each LED of the matrix is now each provided with a (non-illuminative)
  • Relay voltage-sensitive LED relieved with the help of incapacitated semiconductor diodes of the applied reverse voltage.
  • neither the number of columns m nor the number of lines n may be equal to one, since otherwise no parallel active path is not possible.
  • columns and rows are interchangeable and represent in particular only the type of electrical connection and not necessarily a specific geometric arrangement of the LEDs to each other.
  • the electrically interconnected electrodes of the semiconductor diodes are the anodes of the semiconductor diodes.
  • the electrical coupling of the bias device to the cathodes of the m LEDs can be provided in at least one line in each case via at least one resistor, in particular via m resistors.
  • the bias device has a
  • Particularly advantageous here can be a multi-part ohmic
  • Spansteiler be used with at least two taps, which is designed for electrical coupling to the anodes or cathodes of the LED of the respective row.
  • the voltage divider may include at least one resistor.
  • the voltage divider has a diode, in particular a Zener diode. This results in the advantage that a certain potential difference can be realized independently of the current through the voltage divider.
  • the anode bias voltages generated by the respective bias devices per row are different for each of the m lines. As a result, variations of the LED current and / or the LED forward voltage can be taken into account, for example as a result of using LEDs of different colors.
  • the circuit arrangement is designed to apply non-activated LEDs during operation with a maximum voltage of 0.5 volts in the flow direction, preferably a maximum of 0.2 volts in the flow direction to increase the distance from one Creep limit at which the first light emission of the LED occurs.
  • a maximum voltage of 0.5 volts in the flow direction preferably a maximum of 0.2 volts in the flow direction to increase the distance from one Creep limit at which the first light emission of the LED occurs.
  • non-driven LEDs with a voltage of at least 0.0 volts in the flow direction, preferably a minimum of 0.1 volts in
  • Flow direction is applied to prevent damage to the LEDs by an inverse current.
  • the bias device is designed to provide different anode bias voltages for m LEDs of a line with different currents and / or forward voltages. This makes it possible in particular to use different LEDs within a row.
  • the circuit arrangement according to the invention can be used in a display device, resulting in a display device according to the invention.
  • the inventive method for driving LEDs in a matrix configuration having m columns and n rows comprises the steps of coupling a first terminal of a bias device to the cathodes of m LEDs in the matrix configuration, wherein the bias device and the m LEDs are each associated with the same row, and coupling a second terminal of the bias means associated with that row to the anodes of the m LEDs in that row.
  • each LED of the matrix is connected to a semiconductor diode such that the current provided by the associated terminal of the column driver for the respective driven LED flows over the semiconductor diode.
  • Fig. 1 shows the general operating principle of a 2x2 LED matrix with appropriate
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a 2x2 matrix with a potential control according to the prior art
  • Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of a 2x2 matrix with an inventive
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention of a 2x2 matrix with line-dependent bias voltage.
  • a first current source 110 and a second current source I20 are each coupled via a switch S10 or S20 to a row drive of the LED matrix.
  • the switch S10 of the first row drive with the cathode of an LED 1 1 and the cathode of a LED12 is connected.
  • the switch S20 of the second row driver is connected to the cathode of an LED21 and the cathode of an LED22.
  • the anodes of the LED1 1 and the LED21 are coupled to a supply potential VCC via a switch S01 of a first column drive.
  • the anodes of the LED12 and the LED22 are coupled to the supply potential VCC via a switch S02 of a second column drive.
  • a switch S02 of a second column drive For example, in the case of a closed switch S01, the column drive and, in the case of a closed switch S10 of the row drive, a current flow through the LED1 1. This results, for example, via the LED1 1, a voltage drop in
  • the bias device 12 comprises a first voltage divider consisting of the series connection of a resistor R22A_H and a resistor R22A_L, wherein the resistor R22A_H is coupled to the supply potential VCC and the resistor R22A_L is coupled to the reference potential GND. Furthermore, the bias device comprises a voltage divider consisting of the series connection of a resistor R22C_H and a resistor R22C_L, wherein the resistor
  • R22C_H is coupled to the supply potential VCC and the resistor R22C_L is coupled to the reference potential GND.
  • the connection point of the two resistors R22A_H and R22A_L is led out to a first bias terminal 14 of the biasing device 12 and the connection point of the resistor R22C_H and the resistor R22C_L on a second bias terminal 16.
  • the series circuit is now from Switch S01 the
  • connection point of the cathode of LED21 and the cathode of LED22 is connected to the second bias terminal 16, furthermore, the connection point of the anode of the LED22 to the anode of the LED12 is connected to the first bias terminal 14.
  • a voltage of 3.4 volts As in the example above also here about the LED1 1 a voltage of 3.4 volts, according to the Kirch hope stitch rule, indicated by M1, must also fall above the LED21, LED22 and LED12 a total voltage of 3.4 volts.
  • the potential is set so that there is a low forward voltage of 0.2 volts across the LED22, or in other words a blocking voltage of minus 0.2 volts.
  • the remaining voltage is divided between the two LED21 and LED12, whereby 1, 8 volts drop in the flow direction above each of the two LED21 and LED12.
  • an additional semiconductor diode D22 is inserted between the LED22 and the LED12, which has the same orientation as LED22, in other words both the LED22 and the LED
  • the bias device 12 has two voltage sources U22A and U22C, which are both related to the common reference potential GND and respectively coupled to the first bias terminal 14 and the second bias terminal 16, respectively. Furthermore, the connection point of the cathode of the LED21 to the cathode of the LED22 is coupled to the second bias connection 16 via a coupling resistor R22C, and the connection point of the anode of the LED22 to the cathode of the semiconductor diode D22 is coupled to the first bias connection 14 via a coupling resistor R22A. The arrangement of the remaining elements is identical to the representation in FIG.
  • the inventive insertion of the semiconductor diode D22 results in the present example in a potential distribution as described below. Above the LED21 and the LED12 results in each case a voltage drop of 0, 1 volt in the flow direction, further also results over the LED22 a voltage drop of 0, 1 volt in the flow direction or in other words minus 0, 1 volt in the reverse direction.
  • the semiconductor diode D22 absorbs the majority of the blocking voltage in the amount of approximately 3.3 volts in the reverse direction.
  • the circuit described here uses ordinary silicon diodes, for example the standard type 1 N4148, in series with the LEDs which take over the blocking voltage. Silicon diodes can withstand a reverse current permanently and are therefore suitable for this purpose. To ensure that no LED is exposed to a negative voltage, they are suitable with a low positive voltage over one
  • the coupling resistors R22A and R22C can also be used as internal resistance of the sources U22A
  • Fig. 4 shows a 2x2 LED matrix in which the inventive principle was applied for each LED in the matrix. Starting from that shown in Fig. 1
  • LED1 1 is now coupled to switch S01 via the semiconductor diode D1 1
  • the LED12 is coupled to the switch S02 via the semiconductor diode D12
  • the LED21 is via the semiconductor diode D21 coupled to the switch S01
  • the LED22 is coupled via the semiconductor diode D22 to the switch S02.
  • a voltage divider can be arranged as an implementation of a voltage source with internal resistance at each anode and cathode of each LED of the 2x2 matrix.
  • the dimensioning depends on the desired bias voltage and on the LEDs.
  • three voltage dividers are necessary per line, that is a total of six voltage divider.
  • the circuit can be adapted to different forward voltages and LED currents. Without additional effort, it is possible to use different LEDs per line. If you also want to control different LEDs within a row, this is possible by inserting a further series resistor with additional circuitry.
  • the circuit works by the line-dependent anode bias in all states, this also allows dimming by pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • Voltage divider per line for connecting the anodes of the LED, which are assigned to this line via coupling resistors.
  • the voltage divider which is designed to connect the cathodes of the LED of the respective row, can be combined with the voltage divider coupled on the anode side, resulting in the voltage divider shown in FIG. 4, which has three resistors R10x, R10y and R10z includes.
  • R10y is coupled on the one side directly to the common potential of the anodes of the LED1 1 and the LED12, on the other side via a
  • the common connection point of the anodes of the LED1 1 and the LED12 with the resistor R10y is coupled to the reference potential GND via the resistor R10z.
  • the common connection point of the resistors R10y, R1 1 and R12 is also coupled to the supply potential VCC via the resistor R10z.
  • the first digit of the indices is here to change from one to two, such. From R10z to R20z or from LED12 to LED22.
  • the bias device 12 comprises the three resistors R1 Ox, R1 Oy, and R10z, where the junction of R1 Ox and R1 Oy represents the first bias port 14, and the junction of R10y and R10z represents the second bias port 16 represents.
  • This arrangement allows the adjustment of the anode bias voltage regardless of the forward voltage or the current from the LED and is also independent of the switching state of the line switches S10 and S20.
  • the embodiment of FIG. 4 is only illustrative of the invention and is not limiting for this. In particular, the assignment of rows and columns is interchangeable, as well as the arrangement of current sources or
  • the order of arrangement of the respective LED with its associated semiconductor diode can vary without departing from the spirit of the invention.
  • the LED1 1 and LED12 of a row can also be connected to one another on the anode side instead of the cathode side, or even have no direct connection to one another at all.
  • the exchange of the reference potential GND with the positive supply potential VCC is also possible, in which case the orientations of the LEDs and the semiconductor diodes must be adapted accordingly.
  • the circuit arrangement according to the invention can be operated in a single mode with only one actively activated switch of the column control and the row control, whereby a maximum of one LED lights up at a certain time.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix-Konfiguration, welche m Spalten und n Zeilen aufweist, wobei jede LED (LED11, LED12, LED21, LED22) der Matrix durch Aktivierung eines entsprechenden Spaltentreibers (S01, S02) in Verbindung mit der Aktivierung eines entsprechenden Zeilentreibers (S10, S20) einzeln ansteuerbar ist, mit jeweils pro Zeile einer Bias-Einrichtung (12). Dabei umfasst die Bias-Einrichtung (12) einen ersten Bias-Anschluss (14) zur elektrischen Kopplung mit den Kathoden von m der LEDs (LED11, LED12) dieser Zeile und einem zweiten Bias-Anschluss (16) zur elektrischen Kopplung mit den Anoden der m LEDs (LED11, LED 12) dieser Zeile, wobei jede LED (LED11, LED12, LED21, LED22) der Matrix jeweils über eine Halbleiterdiode (D11, D12, D21, D22) mit dem zugehörigen Anschluss einer Spaltenansteuerung (S01, S02) gekoppelt ist, wobei außerdem n Halbleiterdioden (D11, D21), welche derselben Spalte zugeordnet sind, jeweils an einer ihrer Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anzeigevorrichtung und ein Haushaltsgerät mit einer derartigen Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix-Konfiguration.

Description

Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung von LEDs in Matrix-Konfiguration
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden (Light-Emitting Diodes, abgekürzt LEDs) in einer Matrix-Konfiguration, wobei jede LED der Matrix durch Aktivierung eines entsprechenden Spaltentreibers in Verbindung mit der Aktivierung eines entsprechenden Zeilentreibers einzeln ansteuerbar ist, wobei des Weiteren jeweils pro Zeile eine Bias-Einrichtung mit einem ersten Bias-Anschluss zur elektrischen Kopplung mit den Kathoden der LEDs der jeweiligen Zeile und mit einem zweiten Bias-Anschluss zur elektrischen Kopplung mit den Anoden der LEDs der jeweiligen Zeile.
Bei LEDs in einer Matrix-Anordnung liegt prinzipbedingt in bestimmten Zuständen der Ansteuerung eine Sperrspannung an den LEDs an. Fig. 1 stellt als einfachstes Beispiel eine 2x2-Matrix (zwei mal zwei Matrix) dar. Der dabei fließende Sperrstrom (gestrichelt eingezeichnet) verursacht durch Materialwanderung den Ausfall von LEDs. Die
Vermeidung der Sperrspannung in einer Matrix wird angestrebt, um das kostengünstige Matrix-Prinzip ohne Lebensdauerverkürzung zu erhalten.
In diesem Zusammenhang offenbart die EP 1 916 880 B1 ein Prinzip zur Lösung des Sperrspannungs-Problems. Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild mit der in der EP 1 916 880 B1 vorgeschlagenen Lösung an einer 2x2-Matrix. Ist die LED 1 1 angesteuert, fällt an ihr beispielsweise eine Flussspannung von 3,4 Volt ab. Damit die LED 22 nicht in
Sperrrichtung betrieben wird, ist sie über die Spannungsteiler R22A_H / R22A_L und R22C_H / R22C_L mit 0,2 Volt vorgespannt. Zwangsläufig müssen durch die
Kirchhoffsche Maschengleichung an den LED 21 und LED 12 in Summe 3,6 Volt abfallen. Das Problem der Materialwanderung wäre damit behoben, aber LED 21 und LED 12 können aufgrund der anliegenden Spannung in Flussrichtung je nach Farbe mehr oder weniger stark glimmen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, welche sowohl eine schädigende Sperrspannung an den LEDs als auch ein Glimmen bei nicht angesteuerten LEDs verhindert. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix- Konfiguration, welche m Spalten und n Zeilen aufweist, wobei jede LED der Matrix durch Aktivierung eines entsprechenden Spaltentreibers in Verbindung mit der Aktivierung eines entsprechenden Zeilentreibers einzeln ansteuerbar ist, weist jeweils pro Zeile eine Bias- Einrichtung mit einem ersten Bias-Anschluss zur elektrischen Kopplung mit den Kathoden von m der LEDs dieser Zeile und einen zweiten Bias-Anschluss zur elektrischen Kopplung mit den Anoden der m LEDs dieser Zeile auf. Mit anderen Worten ist der erste Bias- Anschluss der Bias-Einrichtung verschaltet mit den Kathoden von m der LEDs dieser Zeile und der zweite Bias-Anschluss der Bias-Einrichtung ist verschaltet mit den Anoden der m LEDs dieser Zeile.
Erfindungsgemäß ist nun jede LED der Matrix jeweils über eine (leuchtunfähige)
Halbleiterdiode mit dem zugehörigen Anschluss einer Spaltenansteuerung gekoppelt, wobei außerdem n Halbleiterdioden, welche derselben Spalte zugeordnet sind, jeweils an einer ihrer Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind, nämlich über den
Spaltentreiber. Durch den Einsatz der Halbleiterdioden ergibt sich der Vorteil, dass diese den Hauptteil der anliegenden Sperrspannung aufnehmen. Somit werden die
sperrspannungsempfindlichen LED mit Hilfe der leuchtunfähigen Halbleiterdioden von der anliegenden Sperrspannung entlastet. Durch die Verschaltung der beiden Bias- Anschlüsse mit der Kathode und der Anode der jeweiligen LED lässt sich der
Spannungsabfall über jedem Element eines nicht aktiv angesteuerten Parallelpfads gezielt einstellen.
Zur Anwendbarkeit der Erfindung darf weder die Anzahl der Spalten m noch die Anzahl der Zeilen n gleich eins sein, da ansonsten kein nicht aktiv angesteuerter Parallelpfad möglich ist. Spalten und Zeilen sind selbstverständlich gegeneinander austauschbar und repräsentieren insbesondere nur die Art der elektrischen Verschaltung und nicht zwangsläufig eine bestimmte geometrische Anordnung der LEDs zueinander. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den elektrisch miteinander verbundenen Elektroden der Halbleiterdioden um die Anoden der Halbleiterdioden.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die für LED-Displays üblicherweise kathodenseitig mit einem leitfähigen Kleber montierten LED-Chips auf demselben Bezugspotential angeordnet werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann in jeweils einer Zeile die elektrische Kopplung der Bias- Einrichtung mit den Kathoden der m LEDs über mindestens einen Widerstand, insbesondere über m Widerstände, bereitgestellt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bias-Einrichtung einen
Spannungsteiler auf. Besonders vorteilhaft kann hier ein mehrteiliger ohmscher
Spanungsteiler mit mindestens zwei Anzapfungen eingesetzt werden, welcher zur elektrischen Kopplung mit den Anoden beziehungsweise Kathoden der LED der jeweiligen Zeile ausgelegt ist.
Der Spannungsteiler kann mindestens einen Widerstand umfassen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Spannungsteiler aber eine Diode auf, insbesondere eine Zener-Diode. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass unabhängig von dem Strom durch den Spannungsteiler eine bestimmte Potentialdifferenz realisiert werden kann. Insbesondere bei einer Querstromentnahme aus dem ohmschen Spannungsteiler kann somit einer Rückwirkung auf den Spannungsteiler minimiert werden, ohne diesen unnötig niederohmig und damit verlustreich auslegen zu müssen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die durch die jeweiligen Bias- Einrichtungen pro Zeile erzeugten Anodenvorspannungen für jede der m Zeilen unterschiedlich. Dadurch können Variationen des LED-Stroms und/oder der LED- Flussspannung beispielsweise in Folge von Verwendung von LEDs unterschiedlicher Farbe berücksichtigt werden.
Bevorzugt ist die Schaltungsanordnung dazu ausgelegt, im Betrieb nicht angesteuerte LEDs mit einer Spannung von maximal 0,5 Volt in Flussrichtung, vorzugsweise maximal 0,2 Volt in Flussrichtung zu beaufschlagen zur Vergrößerung des Abstands von einer Glimmgrenze, bei welcher erster Lichtemission der LED auftritt. Hierdurch kann zuverlässig ein unbeabsichtigtes Leuchten einer nicht angesteuerten LED vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind nicht angesteuerte LEDs mit einer Spannung von minimal 0,0 Volt in Flussrichtung, vorzugsweise minimal 0, 1 Volt in
Flussrichtung beaufschlagt zur Verhinderung einer Schädigung der LEDs durch einen Inversstrom.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Bias-Einrichtung dazu ausgelegt, für m LEDs einer Zeile mit unterschiedlichen Strömen und/oder Flussspannungen unterschiedliche Anodenvorspannungen bereitzustellen. Dadurch ist es insbesondere möglich, auch innerhalb einer Zeile unterschiedliche LEDs einzusetzen.
Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer Anzeigevorrichtung eingesetzt sein, wodurch sich eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung ergibt.
Des Weiteren kann eine derartige Anzeigevorrichtung in einem Haushaltsgerät eingesetzt sein, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Haushaltsgerät ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix- Konfiguration, welche m Spalten und n Zeilen aufweist, umfasst die Schritte Koppeln eines ersten Anschlusses einer Bias-Einrichtung mit den Kathoden von m LEDs in der Matrix-Konfiguration, wobei die Bias-Einrichtung und die m LEDs jeweils derselben Zeile zugeordnet sind, und Koppeln eines zweiten Anschlusses der Bias-Einrichtung, welche dieser Zeile zugeordnet ist, mit den Anoden der m LEDs in dieser Zeile. Des Weiteren erfolgt bei dem Verfahren das Bereitstellen jeweils einer Halbleiterdiode zur Kopplung jeder LED der Matrix mit dem zugehörigen Anschluss einer Spaltenansteuerung, wobei n Halbleiterdioden, welche derselben Spalte zugeordnet sind, an jeweils einer ihrer Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, jede LED der Matrix wird mit einer Halbleiterdiode so verschaltet, dass der von dem zugehörigen Anschluß der Spaltenansteuerung für die jeweilige angesteuerte LED bereitgestellte Strom über die Halbleiterdiode fließt. Im Folgenden ist die Erfindung detaillierter anhand der Figuren erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 das allgemeine Funktionsprinzip einer 2x2-LED-Matrix mit entsprechender
Spalten- und Zeilenansteuerung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild einer 2x2-Matrix mit einer Potentialsteuerung gemäß dem Stand der Technik; Fig. 3 ein Ersatzschaltbild einer 2x2-Matrix mit einer erfindungsgemäßen
Potentialsteuerung, und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einer 2x2-Matrix mit zeilenabhängiger Vorspannung.
Eine beispielhafte LED-Matrix in einer 2x2-Konfiguration ist nachfolgend entsprechend Fig. 1 erläutert. Ausgehend von einem gemeinsamen Bezugspotential GND sind eine erste Stromquelle 110 und eine zweite Stromquelle I20 über einen Schalter S10 beziehungsweise S20 jeweils mit einer Zeilenansteuerung der LED-Matrix gekoppelt. Dabei ist der Schalter S10 der ersten Zeilenansteuerung mit der Kathode einer LED 1 1 sowie der Kathode einer LED12 verbunden. Des Weiteren ist der Schalter S20 der zweiten Zeilenansteuerung verbunden mit der Kathode einer LED21 und der Kathode einer LED22. Weiterhin sind die Anoden der LED1 1 sowie der LED21 über einen Schalter S01 einer ersten Spaltenansteuerung mit einem Versorgungspotential VCC gekoppelt. Des Weiteren sind die Anoden der LED12 und der LED22 über einen Schalter S02 einer zweiten Spaltenansteuerung mit dem Versorgungspotential VCC gekoppelt. Somit ergibt sich beispielsweise bei einem geschlossenen Schalter S01 der Spaltenansteuerung und bei einem geschlossenen Schalter S10 der Zeilenansteuerung ein Stromfluss durch die LED1 1 . Dabei ergibt sich beispielsweise über der LED1 1 ein Spannungsabfall in
Flussrichtung von 3,4 Volt. Die Schalter S02 und S20 sind dabei geöffnet. Somit ergibt sich ein Parallelpfad wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt zu der LED1 1 bestehend aus der LED21 , LED22 und LED 22, wobei die LED21 und LED12 in Flussrichtung und die LED22 in Sperrrichtung betrieben werden. Infolge dessen ergibt sich an der LED21 und der LED12 jeweils ein Spannungsabfall in Flussrichtung von ungefähr null Volt, während sich an der LED22 ein Spannungsabfall in Sperrrichtung in Höhe von 3,4 Volt ergibt.
Zur Verhinderung der an der LED22 anliegenden Sperrspannung wurde gemäß dem Stand der Technik eine Bias-Einrichtung 12 ergänzt, welche beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei umfasst die Bias-Einrichtung 12 einen ersten Spannungsteiler bestehend aus der Serienschaltung eines Widerstands R22A_H und eines Widerstands R22A_L, wobei der Widerstand R22A_H mit dem Versorgungspotential VCC gekoppelt ist und der Widerstand R22A_L mit dem Bezugspotential GND gekoppelt ist. Des Weiteren umfasst die Bias-Einrichtung einen Spannungsteiler bestehend aus der Serienschaltung eines Widerstands R22C_H und eines Widerstands R22C_L, wobei der Widerstand
R22C_H mit dem Versorgungspotential VCC gekoppelt ist und der Widerstand R22C_L mit dem Bezugspotential GND gekoppelt ist. Dabei ist der Verbindungspunkt der beiden Widerstände R22A_H und R22A_L auf einen ersten Bias-Anschluss 14 der Bias- Einrichtung 12 herausgeführt sowie der Verbindungspunkt des Widerstands R22C_H und des Widerstands R22C_L auf einem zweiten Bias-Anschluss 16. Zur anschaulicheren Darstellung ist nunmehr die Serienschaltung aus dem Schalter S01 der
Spaltenansteuerung, der LED1 1 , des Schalters S10 der Zeilenansteuerung sowie der Stromquelle 110 zwischen den beiden Potentialen VCC und GND in einer Linie dargestellt. Parallel zu der LED1 1 ist dabei die Serienschaltung aus LED21 , LED22 und LED 12 angeordnet, wobei die LED 21 und LED 12 in Flussrichtung und die LED 22 in
Sperrrichtung angeordnet sind. Der Verbindungspunkt der Kathode von LED21 und der Kathode von LED22 ist dabei mit dem zweiten Bias-Anschluss 16 verbunden, weiterhin ist der Verbindungspunkt der Anode der LED22 mit der Anode der LED12 verbunden mit dem ersten Bias-Anschluss 14. Wie in dem Beispiel zuvor fällt auch hier über der LED1 1 eine Spannung von 3,4 Volt ab, gemäß der Kirch hoff sehen Maschenregel, angedeutet durch M1 , muss auch über der LED21 , LED22 und LED12 insgesamt eine Spannung von 3,4 Volt abfallen. Im dargestellten Beispiel ist das Potential so eingestellt, dass sich über der LED22 eine geringe Flussspannung in Höhe von 0,2 Volt ergibt beziehungsweise anders ausgedrückt eine Sperrspannung von minus 0,2 Volt. Die verbleibende Spannung teilt sich auf die beiden LED21 und LED12 auf, wobei über jeder der beiden LED21 und LED12 1 ,8 Volt in Flussrichtung abfallen. In der erfindungsgemäßen Weiterbildung gemäß Fig. 3 ist zwischen der LED22 und der LED12 eine zusätzliche Halbleiterdiode D22 eingefügt, welche die gleiche Orientierung wie LED22 aufweist, mit anderen Worten sind sowohl die LED22 als auch die
Halbleiterdiode D22 in Sperrrichtung angeordnet. Dabei kann die Weiterbildung auf den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Schaltungen aufbauen. Die Bias-Einrichtung 12 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Spannungsquellen U22A und U22C auf, welche beide auf das gemeinsame Bezugspotential GND bezogen sind und jeweils mit dem ersten Bias-Anschluss 14 beziehungsweise dem zweiten Bias-Anschluss 16 gekoppelt sind. Weiterhin ist der Verbindungspunkt der Kathode der LED21 mit der Kathode der LED22 über einen Koppelwiderstand R22C mit dem zweiten Bias-Anschluss 16 gekoppelt sowie der Verbindungspunkt der Anode der LED22 mit der Kathode der Halbleiterdiode D22 über einen Koppelwiderstand R22A mit dem ersten Bias-Anschluss 14. Die Anordnung der verbleibenden Elemente ist identisch zu der Darstellung in Fig. 2. Durch das erfindungsgemäße Einfügen der Halbleiterdiode D22 ergibt sich im vorliegenden Beispiel eine Potentialverteilung wie im Folgenden beschrieben. Über der LED21 und der LED12 ergibt sich jeweils ein Spannungsabfall von 0, 1 Volt in Flussrichtung, des Weiteren ergibt sich ebenfalls über der LED22 ein Spannungsabfall von 0, 1 Volt in Flussrichtung oder mit anderen Worten minus 0, 1 Volt in Sperrrichtung. Die Halbleiterdiode D22 nimmt dabei den Hauptteil der Sperrspannung in Höhe von ungefähr 3,3 Volt in Sperrrichtung auf. Die hier beschriebene Schaltung nutzt gewöhnliche Silizium-Dioden, beispielsweise den Standard- Typ 1 N4148, in Reihe zu den LEDs, welche die Sperrspannung übernehmen. Silizium- Dioden können einem Sperrstrom dauerhaft widerstehen und sind daher für diesen Zweck geeignet. Damit sichergestellt ist, dass keine LED einer negativen Spannung ausgesetzt ist, werden diese mit einer geringen positiven Spannung über eine geeignet
dimensionierte Schaltung beaufschlagt. Nur eine Silizium-Diode in Reihe ohne zusätzliche Beschaltung würde durch ihren geringeren Sperrsättigungsstrom den Vorgang der
Materialwanderung in der LED verlangsamen, aber nicht vollständig verhindern. Da die Halbleiterdiode D22 in Reihe zu LED22 die Sperrspannung aufnimmt, ist eine
Potentialsteuerung derart möglich, dass die Kirchhoffsche Maschengleichung für M1 erfüllt ist, ohne dass eine LED unbeabsichtigt glimmt. Die Koppelwiderstände R22A beziehungsweise R22C können auch als Innenwiderstand der Quellen U22A
beziehungsweise U22C betrachtet werden, beziehungsweise diesem zugeschlagen werden. Fig. 4 zeigt eine 2x2-LED-Matrix, bei der das erfindungsgemäße Prinzip für jede LED in der Matrix angewendet wurde. Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten
Grundkonfiguration wurde in Serie zu jeder LED eine zusätzlich Halbleiterdiode integriert, das heißt LED1 1 ist nunmehr mit Schalter S01 über die Halbleiterdiode D1 1 gekoppelt, des Weiteren ist die LED12 mit dem Schalter S02 über die Halbleiterdiode D12 gekoppelt, die LED21 ist über die Halbleiterdiode D21 mit dem Schalter S01 gekoppelt und die LED22 ist über die Halbleiterdiode D22 mit dem Schalter S02 gekoppelt. Ein
Vorwiderstand R10 beziehungsweise R20 ersetzt hier die Stromquelle 110
beziehungsweise I20 aus Fig. 1 , wobei R10 und S10 die Position getauscht haben ebenso wie S20 und R20. Die Vorwiderstände R10 beziehungsweise R20 können somit direkt der LED-Matrix zugeordnet sein, im einfachsten Fall können deswegen die Spaltenbeziehungsweise Zeilentreiber, die hier nur als Schalter repräsentiert werden, im einfachsten Fall durch NPN- beziehungsweise PNP-Transistoren realisiert sein.
Im allgemeinen Fall kann an jeder LED der 2x2-Matrix jeweils an Anode und Kathode ein Spannungsteiler als Realisierung einer Spannungsquelle mit Innenwiderstand angeordnet sein. Die Dimensionierung hängt dabei von der gewünschten Vorspannung ab und von den LEDs. Bei der im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen der Kathode der LED1 1 und der Kathode der LED12 bestehenden elektrischen Verbindung sind dann drei Spannungsteiler notwendig pro Zeile, das heißt insgesamt sechs Spannungsteiler.
Dadurch wird die maximale Flexibilität erreicht, durch Anpassung von Widerständen lässt sich die Schaltung an verschiedene Flussspannungen und LED-Ströme anpassen. Ohne Mehraufwand ist es möglich, pro Zeile verschiedene LEDs einzusetzen. Möchte man auch noch innerhalb einer Zeile unterschiedliche LEDs ansteuern, ist dies möglich, indem ein weiterer Vorwiderstand mit Zusatzbeschaltung eingefügt wird. Die Schaltung funktioniert durch die zeilenabhängige Anodenvorspannung in allen Zuständen, dies erlaubt auch das Dimmen per Pulsweitenmodulation (PWM).
In einer vorteilhaften Weiterbildung dient ein einziger und / oder gemeinsamer
Spannungsteiler pro Zeile zum Anschluss der Anoden der LED, welche dieser Zeile zugeordnet sind über Koppelwiderstände. Insbesondere kann auch der Spannungsteiler, welcher zum Anschluss der Kathoden der LED der jeweiligen Zeile ausgelegt ist, mit dem anodenseitig gekoppelten Spannungsteiler kombiniert sein, wodurch sich der in Fig. 4 dargestellte Spannungsteiler ergibt, welcher drei Widerstände R10x, R10y und R10z umfasst. Dabei ist R10y auf der einen Seite direkt mit dem gemeinsamen Potential der Anoden der LED1 1 und der LED12 gekoppelt, auf der anderen Seite über einen
Koppelwiderstand R1 1 mit der Anode der LED1 1 und des Weiteren über einen
Koppelwiderstand R12 mit der Anode der LED12. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Anoden der LED1 1 und der LED12 mit dem Widerstand R10y ist mit dem Bezugspotential GND über den Widerstand R10z gekoppelt. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände R10y, R1 1 und R12 ist außerdem über den Widerstand R10z mit dem Versorgungspotential VCC gekoppelt.
Die entsprechende Schaltungsanordnung der zweiten Zeile ergibt sich äquivalent, die erste Stelle der Indizes ist hierbei von eins auf zwei zu ändern, so z. B. von R10z auf R20z oder von LED12 auf LED22.
Somit umfasst die Bias-Einrichtung 12 im dargestellten Beispiel die drei Widerstände R1 Ox, R1 Oy und R10z, wobei der Verbindungspunkt von R1 Ox und R1 Oy den ersten Bias- Anschluss 14 repräsentiert und wobei der Verbindungspunkt von R10y und R10z den zweiten Bias-Anschluss 16 repräsentiert.
Diese Anordnung ermöglicht die Einstellung der Anodenvorspannung unabhängig von der Flussspannung beziehungsweise dem Strom von der LED und ist auch unabhängig vom Schaltzustand der Zeilenschalter S10 beziehungsweise S20. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Insbesondere die Zuordnung von Zeilen und Spalten ist gegeneinander austauschbar, ebenso die Anordnung von Stromquellen beziehungsweise
Vorwiderständen und Schaltern. Des Weiteren kann auch die Reihenfolge der Anordnung der jeweiligen LED mit ihrer zugehörigen Halbleiterdiode variieren, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. So können die LED1 1 und LED12 einer Zeile beispielsweise auch anodenseitig anstatt kathodenseitig miteinander verbunden sein, oder auch überhaupt keine direkte Verbindung miteinander aufweisen. Das Vertauschen des Bezugspotentials GND mit dem positiven Versorgungspotential VCC ist ebenfalls möglich, wobei dann die Orientierungen der LEDs und der Halbleiterdioden entsprechend anzupassen sind. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann in einem Einzel-Modus mit jeweils nur einem aktiv angesteuerten Schalter der Spaltensteuerung und der Zeilensteuerung betrieben werden, wodurch maximal eine LED zu einer bestimmten Zeit leuchtet. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Schaltungsanordnung in einem Spaltenmodus zu betreiben, wo jeweils ein Schalter der Spaltenansteuerung aktiv angesteuert ist und beliebig viele Schalter der Zeilensteuerung aktiv angesteuert sind. Unter der Verwendung einer externen, steuerbaren Stromquelle wie in den Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellt, ist auch die Aktivierung mehrerer Schalter der Spaltensteuerung möglich, ohne dass dadurch der für eine LED dimensionierte Strom auf mehrere LED verteilt werden muss und
demzufolge die Helligkeit der einzelnen LED sinkt.
Somit wurde anhand einer Schaltungsanordnung und eines zugehörigen Verfahrens gezeigt, wie die Vermeidung der Sperrspannung an LEDs in einer Matrix-Schaltung erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste
10, 20 LED-Matrix
12 Bias-Einrichtung
14 erster Bias-Anschluss 16 zweiter Bias-Anschluss
D11, D12, D21, D22 Halbleiterdiode
110, I20 Stromquelle
LED11, LED12, LED 21, LED22 LED
R10, R20 Vorwiderstand
R10x, R10y, R10z, R20x, R20y, R20z Spannungsteilerwiderstand R11,R12, R21, R22, R22A, R22C Koppelwiderstand
R22A_H, R22A_L, R22C_H, R22C_L Spannungsteilerwiderstand S01, S02, S03, S04 Schalter
U22A, U22C Bias-Spannungsquelle

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix-Konfiguration, welche m Spalten und n Zeilen aufweist, wobei jede LED (LED1 1 , LED12, LED21 , LED22) der Matrix durch Aktivierung eines entsprechenden Spaltentreibers (S01 , S02) in Verbindung mit der Aktivierung eines entsprechenden Zeilentreibers (S10, S20) einzeln ansteuerbar ist, mit jeweils pro Zeile einer Bias-Einrichtung (12) mit
- einem ersten Bias-Anschluss (14) zur elektrischen Kopplung mit den Kathoden von m der LEDs (LED1 1 , LED12) dieser Zeile, und
- einem zweiten Bias-Anschluss (16) zur elektrischen Kopplung mit den Anoden der m LEDs (LED1 1 , LED 12) dieser Zeile,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede LED (LED1 1 , LED12, LED21 , LED22) der Matrix jeweils über eine
Halbleiterdiode (D1 1 , D12, D21 , D22) mit einem jeweiligen Anschluß einer zugehörigen Spaltenansteuerung (S01 , S02) gekoppelt ist, wobei n Halbleiterdioden (D1 1 , D21 ), welche derselben Spalte zugeordnet sind, jeweils an einer ihrer Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei den elektrisch miteinander verbundenen Elektroden um die Anoden der Halbleiterdioden (D1 1 , D21 ) handelt.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
pro Zeile die elektrische Kopplung des ersten Bias-Anschlusses (14) mit den Anoden der m LEDs (LED1 1 , LED12) über mindestens einen Widerstand, insbesondere über m Widerstände (R1 1 , R12), bereitgestellt ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
pro Zeile die elektrische Kopplung des zweiten Bias-Anschlusses (16) mit den Anoden der m LEDs (LED1 1 , LED12) über mindestens einen Widerstand, insbesondere über m Widerstände, bereitgestellt ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in zumindest einer Zeile die Bias-Einrichtung (12) einen Spannungsteiler aufweist, welcher vorzugsweise mindestens einen Widerstand (R10x, R10y, R10z) umfasst.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spannungsteiler eine Diode, insbesondere eine Zener-Diode aufweist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die durch die Bias-Einrichtung (12) jeweils pro Zeile erzeugten
Anodenvorspannungen für jede der n Zeilen unterschiedlich sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltungsanordnung dazu ausgelegt ist, im Betrieb nicht angesteuerte LEDs (Fig.3: LED21 , LED22, LED12) mit einer Spannung von maximal 0,5 V in
Flußrichtung, vorzugsweise maximal 0,2V in Flußrichtung zu beaufschlagen zur Vergrößerung des Abstands von einer Glimmgrenze, bei welcher erste
Lichtemission der LED auftritt.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
nicht angesteuerte LEDs (Fig.3: LED21 , LED22, LED12) mit einer Spannung von minimal 0,0 V in Flußrichtung, vorzugsweise minimal 0, 1V in Flußrichtung beaufschlagt sind zur Verhinderung einer Schädigung der LEDs durch einen Inversstrom.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bias-Einrichtung dazu ausgelegt ist, für m LEDs (LED1 1 , LED12) einer Zeile mit unterschiedlichen Strömen und/oder Flussspannungen unterschiedliche
Anodenvorspannungen bereitzustellen.
1 1 . Anzeigevorrichtung mit einer Schaltungsanordnung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
12. Haushaltsgerät mit einer Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 1 .
13. Verfahren zur Ansteuerung von LEDs in einer Matrix-Konfiguration, welche m
Spalten und n Zeilen aufweist, mit den Schritten:
- Koppeln eines ersten Anschlusses (14) einer Bias-Einrichtung (12) mit den Kathoden von m LEDs (LED1 1 , LED12) in der Matrix-Konfiguration, wobei die Bias- Einrichtung und die m LEDs jeweils derselben Zeile zugeordnet sind, und
- Koppeln eines zweiten Anschlusses (16) der Bias-Einrichtung (12), welche dieser Zeile zugeordnet ist, mit den Anoden der m LEDs (LED1 1 , LED 12) in dieser Zeile, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
- Bereitstellen jeweils einer Halbleiterdiode (D 1 1 , D12, D21 , D22) zur Kopplung jeder LED (LED 1 1 , LED12, LED21 , LED22) der Matrix mit dem zugehörigen
Anschluß einer Spaltenansteuerung (S01 , S02), wobei n Halbleiterdioden, welche derselben Spalte zugeordnet sind, an jeweils einer ihrer Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind.
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