EP3170368B1 - Schaltungsanordnung und verfahren zur ansteuerung von leds in matrix-konfiguration - Google Patents

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EP3170368B1
EP3170368B1 EP15734316.1A EP15734316A EP3170368B1 EP 3170368 B1 EP3170368 B1 EP 3170368B1 EP 15734316 A EP15734316 A EP 15734316A EP 3170368 B1 EP3170368 B1 EP 3170368B1
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EP
European Patent Office
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leds
bias
circuit arrangement
row
led11
Prior art date
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Active
Application number
EP15734316.1A
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English (en)
French (fr)
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EP3170368A2 (de
Inventor
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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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • 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
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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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 (LEDs for short) in a matrix configuration, each LED in the matrix being individually controllable by activating a corresponding column driver in conjunction with activating a corresponding row driver, with each per row, a bias device with a first bias connection for electrical coupling to the cathodes of the LEDs in the respective row and with a second bias connection for electrical coupling to the anodes of the LEDs in the respective row.
  • LEDs light-emitting diodes
  • a blocking voltage is present at the LEDs in certain control states due to the principle involved.
  • 1 represents a 2x2 matrix (two by two matrix) as the simplest example.
  • the reverse current flowing causes the failure of LEDs due to material migration.
  • the aim is to avoid the blocking voltage in a matrix in order to maintain the cost-effective matrix principle without shortening the service life.
  • the EP 1 916 880 B1 a principle to solve the reverse voltage problem.
  • 2 shows an equivalent circuit diagram with the in the EP 1 916 880 B1 proposed solution on a 2x2 matrix. If the LED 11 is driven, a forward voltage of 3.4 volts drops across it, for example. So that the LED 22 is not reverse-biased, it is biased with 0.2 volts via the voltage dividers R22A_H / R22A_L and R22C_H / R22C_L. Inevitably, a total of 3.6 volts must drop at the LED 21 and LED 12 due to Kirchhoff's mesh equation.
  • U.S. 2005/090945 A1 describes a switching arrangement that makes it possible to control an increased number of LEDs with a given number of control pins.
  • EP 1 916 880 B1 describes a circuit for protecting active LED matrix displays.
  • the circuit arrangement according to the invention for driving LEDs in a matrix configuration which has m columns and n rows, each LED in the matrix being able to be driven individually by activating a corresponding column driver in conjunction with activating a corresponding row driver, has a bias Device with a first bias connection for electrical coupling to the cathodes of m of the LEDs in this row and a second bias connection for electrical coupling to the anodes of the m LEDs in this row.
  • the first bias connection of the bias device is connected to the cathodes of m of the LEDs in this row and the second bias connection of the bias device is connected to the anodes of the m LEDs in this row.
  • each LED in the matrix is now coupled via a (non-illuminating) semiconductor diode to the associated terminal of a column drive, with n semiconductor diodes assigned to the same column also being electrically connected to one another at one of their electrodes, namely via the column driver.
  • the use of semiconductor diodes has the advantage that they absorb the main part of the applied blocking voltage. In this way, the reverse voltage-sensitive LEDs are relieved of the applied reverse voltage with the help of the non-illuminating semiconductor diodes.
  • neither the number of columns m nor the number of rows n must be equal to one, since otherwise a parallel path that is not actively driven is not possible.
  • columns and rows can be exchanged for one another and, in particular, only represent the type of electrical interconnection and not necessarily a specific geometric arrangement of the LEDs relative to one another.
  • the electrodes of the semiconductor diodes that are electrically connected to one another 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 each row via at least one resistor, in particular via m resistors.
  • the bias device has a voltage divider.
  • a multi-part ohmic voltage divider with at least two taps can be used particularly advantageously here, which is designed for electrical coupling to the anodes or cathodes of the LED of the respective line.
  • the voltage divider comprises 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. In particular when a cross current is drawn from the ohmic voltage divider, a reaction on the voltage divider can thus be minimized without having to design it to be unnecessarily low-impedance and thus high-loss.
  • the anode bias voltages generated by the respective bias devices per row are different for each of the m rows.
  • the circuit arrangement is preferably designed to apply a maximum voltage of 0.5 volts in the direction of flow, preferably a maximum of 0.2 volts in the direction of flow, to LEDs that are not driven during operation in order to increase the distance from a Glow limit at which the first light emission of the LED occurs. In this way, unintentional lighting of a non-driven LED can be reliably avoided.
  • non-driven LEDs are charged with a voltage of at least 0.0 volts in the flow direction, preferably at least 0.1 volts in the flow direction, to prevent the LEDs from being damaged by an inverse current.
  • the bias device is designed to provide different anode bias voltages for m LEDs in a row with different currents and/or forward voltages. This makes it possible, in particular, to use different LEDs even within a row.
  • the circuit arrangement according to the invention can preferably be used in a display device, resulting in a display device according to the invention.
  • Such a display device can be used in a household appliance, resulting in a household appliance according to the invention.
  • the inventive method for driving LEDs in a matrix configuration comprises the steps of coupling a first terminal of a bias device to the cathodes of m LEDs in the matrix configuration, the bias device and the m LEDs are each associated with the same row, and coupling a second terminal of the bias device associated with that row to the anodes of the m LEDs in that row.
  • a semiconductor diode is provided in each case for coupling each LED in the matrix to the associated connection of a column drive, with n semiconductor diodes which are assigned to the same column being electrically connected to one another at one of their electrodes.
  • each LED of the matrix is connected to a semiconductor diode in such a way that the current provided by the associated connection of the column drive for the respective driven LED flows via the semiconductor diode.
  • a first current source I10 and a second current source I20 are each coupled to a row drive of the LED matrix via a switch S10 or S20.
  • the switch S10 of the first line control is connected to the cathode of an LED11 and the cathode of an LED12.
  • the switch S20 of the second row drive is connected to the cathode of an LED21 and the cathode of an LED22.
  • the anodes of the LED11 and of the LED21 are coupled to a supply potential VCC via a switch SO1 of a first column drive.
  • the anodes of the LED12 and the LED22 are coupled to the supply potential VCC via a switch SO2 of a second column drive.
  • a switch SO2 of a second column drive For example, when the switch S01 of the column drive is closed and when the switch S10 of the row drive is closed, a current flow through the LED11 results. This results in a voltage drop of 3.4 volts in the flow direction across the LED11, for example.
  • the switches S02 and S20 are open. This results in a parallel path as in 1 shown in dashed lines for the LED11 consisting of the LED21, LED22 and LED 22, with the LED21 and LED12 being operated in the flow direction and the LED22 being operated in the reverse direction.
  • the LED21 and the LED12 each have a voltage drop in the forward direction of approximately zero volts, while the LED22 has a voltage drop in the reverse direction of 3.4 volts.
  • the bias device 12 includes a first voltage divider consisting of the series connection of a resistor R22A_H and a resistor R22A_L, with the resistor R22A_H being coupled to the supply potential VCC and the resistor R22A_L being coupled to the reference potential GND. Furthermore, the bias device includes a voltage divider consisting of the series connection of a resistor R22C_H and a resistor R22C_L, with the resistor R22C_H being coupled to the supply potential VCC and the resistor R22C_L being coupled to the reference potential GND.
  • connection point of the two resistors R22A_H and R22A_L is brought out to a first bias connection 14 of the bias device 12 and the connection point of the resistor R22C_H and the resistor R22C_L to a second bias connection 16
  • Switch S01 of the column drive also referred to as column driver
  • LED11, switch S10 of the row drive and current source I10 between the two potentials VCC and GND are shown in one line.
  • the series connection of LED21, LED22 and LED 12 is arranged parallel to the LED11, with the LED 21 and LED 12 being arranged in the flow direction and the LED 22 being arranged in the blocking direction.
  • connection point of the cathode of LED21 and the cathode of LED22 is connected to the second bias connection 16, and the connection point of the anode of LED22 to the anode of LED12 is connected to the first bias connection 14.
  • a voltage of 3.4 volts drops across the LED11, according to Kirchhoff's mesh rule, indicated by M1
  • a total voltage of 3.4 volts must also drop across the LED21, LED22 and LED12.
  • the potential is set in such a way that there is a low forward voltage of 0.2 volts across the LED22 or, to put it another way, a blocking voltage of minus 0.2 volts.
  • the remaining voltage is divided between the two LED21 and LED12, with each of the two LED21 and LED12 dropping 1.8 volts in the flow direction.
  • the bias device 12 has two voltage sources U22A and U22C, both of which are referred to the common reference potential GND and are each coupled to the first bias connection 14 and the second bias connection 16, respectively.
  • connection point of the cathode of LED21 to the cathode of LED22 is coupled to the second bias connection 16 via a coupling resistor R22C
  • connection point of the anode of 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 that shown in 2 .
  • the inventive insertion of the semiconductor diode D22 results in the present example in a potential distribution as described below. There is a voltage drop of 0.1 volts in the flow direction across the LED21 and the LED12, and there is also a voltage drop of 0.1 volts in the flow direction across the LED22, or in other words minus 0.1 volts in the reverse direction.
  • the semiconductor diode D22 absorbs the main part of the blocking voltage of approximately 3.3 volts in the blocking direction.
  • the circuit described here uses ordinary silicon diodes, for example the standard type 1N4148, in series with the LEDs, which take over the reverse voltage. Silicon diodes can permanently withstand reverse current and are therefore suitable for this purpose. To ensure that no LED is exposed to a negative voltage, they are subjected to a low positive voltage via a suitably dimensioned circuit. Just one silicon diode in series without additional circuitry would slow down the process of material migration in the LED due to its lower reverse saturation current, but would not completely prevent it.
  • the coupling resistors R22A and R22C can also be viewed as the internal resistance of the sources U22A and U22C, or added to it.
  • FIG. 4 shows a 2x2 LED matrix in which the principle according to the invention was applied to each LED in the matrix.
  • an additional semiconductor diode was integrated in series with each LED, i.e. LED11 is now coupled to switch S01 via semiconductor diode D11, LED12 is also coupled to switch S02 via semiconductor diode D12, and LED21 is also coupled via semiconductor diode D21 coupled to the switch S01 and the LED22 is coupled to the switch S02 via the semiconductor diode D22.
  • a series resistor R10 or R20 replaces the current source I10 or I20 here 1 , where R10 and S10 have swapped positions, as have S20 and R20.
  • the series resistors R10 or R20 can thus be assigned directly to the LED matrix, so in the simplest case the column or row drivers, which are only represented here as switches, can be implemented in the simplest case by NPN or PNP transistors.
  • a voltage divider can be arranged on the anode and cathode of each LED in the 2 ⁇ 2 matrix to implement a voltage source with an internal resistance.
  • the dimensioning depends on the desired bias voltage and the LEDs.
  • three voltage dividers are then required per row, that is to say a total of six voltage dividers.
  • the circuit can be adapted to different forward voltages and LED currents. It is possible to use different LEDs per line without additional effort. If you also want to control different LEDs within a row, this is possible by adding another series resistor with additional circuitry.
  • the circuit works in all states due to the line-dependent anode bias, which also allows dimming via pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • a single and/or common voltage divider per row is used to connect the anodes of the LEDs that are assigned to this row via coupling resistors.
  • the voltage divider which is designed to connect the cathodes of the LEDs of the respective line, can also be combined with the voltage divider coupled on the anode side, whereby the in 4 shown voltage divider, which has three resistors R10x, R10y and R10z includes.
  • R10y is coupled directly to the common potential of the anodes of LED11 and LED12 on one side, to the anode of LED11 via a coupling resistor R11 and to the anode of LED12 via a coupling resistor R12 on the other side.
  • the common connection point of the anodes of the LED11 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, R11 and R12 is also coupled to the supply potential VCC via the resistor R10z.
  • the first digit of the indices must be changed from one to two, e.g. B. from R10z to R20z or from LED12 to LED22.
  • the bias device 12 includes the three resistors R10x, R10y and R10z, the connection point of R10x and R10y representing the first bias connection 14 and the connection point of R10y and R10z representing the second bias connection 16.
  • This arrangement enables the anode bias to be set independently of the forward voltage or current from the LED and is also independent of the switching state of row switches S10 or S20.
  • the embodiment according to 4 serves only to explain the invention and is not limiting for this.
  • the assignment of rows and columns is interchangeable, as is the arrangement of current sources or series resistors and switches.
  • the order in which the respective LED is arranged with its associated semiconductor diode can also vary without departing from the spirit of the invention.
  • the LED11 and LED12 of a row can also be connected to one another on the anode side instead of on the cathode side, or they can also have no direct connection to one another at all.
  • the reference potential GND with the positive supply potential VCC, in which case the orientations of the LEDs and the semiconductor diodes then have to be adjusted accordingly.
  • the circuit arrangement according to the invention can be operated in a single mode with only one actively controlled switch of the column control and the row control, whereby a maximum of one LED lights up at a specific time.
  • it can also be provided to operate the circuit arrangement in a column mode, where one switch of the column control is actively controlled and any number of switches of the row control are actively controlled.
  • an external, controllable power source as in Figures 1 to 3 shown, it is also possible to activate several switches of the column control without the current dimensioned for one LED having to be distributed over several LEDs and consequently the brightness of the individual LEDs dropping.

Description

  • 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 11 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. US 2005 / 090945 A1 beschreibt eine Schaltanordnung, die es ermöglicht, mit einer gegebenen Anzahl von Steuer-Pins eine erhöhte Anzahl von LEDs anzusteuern. EP 1 916 880 B1 beschreibt eine Schaltung zum Schutz von aktiven LED-Matrix-Displays.
  • 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 10 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 der Erfindung weist die Bias-Einrichtung einen Spannungsteiler auf. Besonders vorteilhaft kann hier ein mehrteiliger ohmscher Spannungsteiler mit mindestens zwei Anzapfungen eingesetzt werden, welcher zur elektrischen Kopplung mit den Anoden beziehungsweise Kathoden der LED der jeweiligen Zeile ausgelegt ist.
  • Der Spannungsteiler umfasst mindestens einen Widerstand 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 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 I10 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 LED11 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 LED11 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 LED11. Dabei ergibt sich beispielsweise über der LED11 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 LED11 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 (auch als Spaltentreiber bezeichnet), der LED11, des Schalters S10 der Zeilenansteuerung sowie der Stromquelle I10 zwischen den beiden Potentialen VCC und GND in einer Linie dargestellt. Parallel zu der LED11 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 LED11 eine Spannung von 3,4 Volt ab, gemäß der Kirchhoffschen 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 1N4148, 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 LED11 ist nunmehr mit Schalter S01 über die Halbleiterdiode D11 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 I10 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 LED11 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).
  • Gemäß der Erfindung 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 LED11 und der LED12 gekoppelt, auf der anderen Seite über einen Koppelwiderstand R11 mit der Anode der LED11 und des Weiteren über einen Koppelwiderstand R12 mit der Anode der LED12. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Anoden der LED11 und der LED12 mit dem Widerstand R10y ist mit dem Bezugspotential GND über den Widerstand R10z gekoppelt. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände R10y, R11 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 R10x, R10y und R10z, wobei der Verbindungspunkt von R10x und R10y 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 LED11 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, D 21, D22
    Halbleiterdiode
    I10, 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 (10)

  1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von LEDs; wobei die Schaltungsanordnung m x n LEDs in einer Matrix-Konfiguration umfasst, welche m Spalten und n Zeilen aufweist, mit m>1 und n>1, 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) mit
    - einem ersten Bias-Anschluss (14), der mit den Kathoden von m der LEDs (LED11, LED12) dieser Zeile gekoppelt ist,
    - einem zweiten Bias-Anschluss (16), der mit den Anoden der m LEDs (LED11, LED 12) dieser Zeile gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiter umfasst
    - einem Spannungsteiler, welcher einen ersten, zweiten und dritten Widerstand (R10x, R10y, R10z) umfasst; wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand (R10x, R10y) den ersten Bias-Anschluss (14) bildet, und wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand (R10y, R10z) den zweiten Bias-Anschluss (16) bildet;
    wobei
    jede LED (LED11, LED12, LED21, LED22) der Matrix jeweils über eine von m × n leuchtunfähigen Halbleiterdioden (D11, D12, D21, D22) mit einem jeweiligen Anschluss des zugehörigen Spaltentreibers (S01, S02) gekoppelt ist, wobei n leuchtunfähige Halbleiterdioden (D11, D21) der m x n leuchtunfähigen Halbleiterdioden (D11, D12, D21, D22), 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 (D11, 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 (LED11, LED12) über mindestens einen Widerstand, insbesondere über m Widerstände (R11, 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 (LED11, LED12) über mindestens einen Widerstand, insbesondere über m Widerstände, bereitgestellt ist.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Spannungsteiler eine Diode, insbesondere eine Zener-Diode aufweist.
  6. 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.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Bias-Einrichtung dazu ausgelegt ist, für m LEDs (LED11, LED12) einer Zeile mit unterschiedlichen Strömen und/oder Flussspannungen unterschiedliche Anodenvorspannungen bereitzustellen.
  8. Anzeigevorrichtung mit einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Haushaltsgerät mit einer Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8.
  10. Verfahren zur Ansteuerung von m×n LEDs in einer Matrix-Konfiguration, einer Schaltungsanordnung gemäß der Ansprüche 1-7 welche m Spalten und n Zeilen aufweist, mit m>1 und n>1, mit den Schritten:
    - Koppeln eines ersten Bias- Anschlusses (14) einer der Bias-Einrichtungen (12) mit den Kathoden von m LEDs (LED11, LED12) in der Matrix-Konfiguration, wobei die Bias-Einrichtung und die m LEDs jeweils derselben Zeile zugeordnet sind, und
    - Koppeln des zweiten BiasAnschlusses (16) der Bias-Einrichtung (12), welche dieser Zeile zugeordnet ist, mit den Anoden der m LEDs (LED11, LED 12) in dieser Zeile, und
    - Koppeln jeder LED (LED11, LED12, LED21, LED22) der Matrix mit dem zugehörigen Anschluss einer Spaltenansteuerung (S01, S02) über jeweils eine der m × n leuchtunfähigen Halbleiterdioden (D11, D12, D21, D22).
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