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Schaltungsanordnung von lichtemittierenden Halbleiterelementen Lichtemittiarende
Halbleiterlemente werden in zanehmendem Maß als Anzeigeeinrichtungen für digitale
erste vorgeschlagen. Ein Beispiel dafür ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 623
874, Klasse 42d, 2/10 bekannt.
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Im allgemeinen zeichnen sich lichtemittierende Halbleiterelemente
durch guten Emissionswirkungsgrad und hohe Bebensdauer aus. Eine schaltungstechnisch
weniger günstige Eigenschaft ist ihr niedriger Spannungsabfall, z. B. 1,6 V bei
zur Zeit erhältlichen Gallium-Arsenid-'leuchtdioden. Der Sür das Besuchten derartiger
Dioden benötigte Strom von etwa 10 mA muß in den meisten Fällen durch einen Vorwiderstand
eingestellt werden. Beim bisher iiblichen Parallelanschalten der Leuchtelemente
an eine gemeinsame Energiequelle bedeutet der dann für jedes Element notwendige
Vorwiderstand eine zusätzliche Verlustleistung, die besonders bei netzunabhängigen
Geräten von erheblicher Bedeutung ist.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die unnötige Verlustleistung
auf ein Minimum zu begrenzen.
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Bei einer Schaltungsanordnung von lichtemittierenden Halbleiterelementen
mit einer gemeinsamen Energiequelle und zur Ansteuerung mit anzuzeigenden Signalen
den Halbleiterelementen zugeordneten Schalteinheiten wird die oben erwähnte Aufgabe
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die lichtemittierenden Halbleiterelemente
in Serienschaltung an eine Konstantstromquelle als Energiequelle angeschlossen sind.
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Zweckmäßig ist zur Einstellung der zur Lichtemission notwendigen Stromstärke
des Konstantstromes ein äußerer Widerstand vorgesehen.
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Die Schalteinheiten iiberbrücken in lei-tendem Zustand die ihnen zugeordneten
lich-'emJttierenden Halbleiterelemente.
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In vorteilhaf-ter Weise sind die Schalteinheiten zusammen mit der
Konstantstromquclle in einem integrierten Baustein zusammongefa{3t.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung erden im folgenden anband von vier
Figuren naher erläutert.
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Figur 1 stellt ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung dar.
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In Figur 2 ist gezeigt, wie einzelne Einheiten zu einem integrierten
Baustein zusammengefaßt werden können.
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Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit diskreten
Bauelementen.
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In Figur 4 ist ein Beispiel einer integrierten Schaltung im Zusammenwirken
mit lichtemittierenden Halbleiterelementen dargestellt.
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In Figur 1 sind lichtemittierende Halbleiterelemente kurz als Beuchtdioden
D1 ... Dn bezeichnet. Die Leuchtdioden sind in Reihe geschaltet und erden aus einer
Konstantstromquelle Ik gespeist. Eine positive Betriebsspannung Ub liegt zwischen
der Anode der äußersten Leuchtdiode Dn der Reihen-Schaltung und dem Nasseanschluß
der Konstantstromquelle Ik, an der die Leuchtdiode D1 der Beuchtdiodenreihe angeschlossen
ist. Der für die Lichtemission benötigte Wert für die Stromstärke wird über den
Widerstand R eingestellt. Den einzelnen Leuchtdioden liegen Schalteinheiten S1 ...
Sn parallel.
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Die Schalteinheiten weisen Steuereingänge Ue1 ... Uen auf. An diese
Steuereingänge anzulegende digitale Signale schalten die Beuchtdioden ein bzw. aus.
Das Ausschalten geschieht dadurch, daß der einer, beispielsweise der Leuchtdiode
D1, zugeordnete Schalter Sl in den leitenden Zustand versetzt wird und damit den
Strom der Leuchtdiode übernimmt. Das Einschalten geschieht durch Sperren des betreffenden
Schalters. Die einzelnen Schalter S1 ... Sn beeinflussen sich gegenseitig nicht.
Deshalb ist die Zuordnung der Leuchtdioden D1 ... Dn
zu an die Anschlüsse
Uel ... 1Ten angelegten äußeren Schaltkreisen, die nicht dargestellt sind, unabhangig
voneinander.
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Die gesamte Anordnung tst um so effe'1tiver, je höher die Betriebsspannung
Ub ist. Es fließt im wesentlichen nur der Konstantstrom. Bei der bisher üblichen
Iarallelanordnung der Beuchtdioden bezüglich einer Energiequelle würde der n-fache
Strom fließen und damit auch die Verlustleistung um den Faktor n größer sein. Anstelle
der Beuchtdioden sind auch niedervoltige Glühlampen verwendbar. Dabei ist die Speisung
mit Konstant strom besonders günstig (kein Einschaltüberstrom, d. h. erhöhte I.ebensdauer).
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Weitere wesentliche Vorteile der Erfindung bestehen in der leichten
Integrierbarkeit der Anordnung sowie auch in einer direkten Steuerbarkeit durch
weitere integrierte Schaltkreise, z. B. TUL-Gatter mit offenem Kollektorausgang.
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Insbesondere die Schalter S1 ... Sn bieten sich für eine Integration
an. Dabei hängt die Anzahl der jeweils in einem Baustein integrierten Schalter S1
... Sn wesentlich nur vom gewählten Gehäuse dieses Bausteins ab. Beispielsweise
können 6 Schalter für ein 16-poliges Gehäuse vorgesehen werde.
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Das integrierte Beispiel ist in Figur 2 dargestellt, bei dem für gleiche
Bauelemente auch gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Die integrierten Bauteile
sind von einem gestrichelten Rahmen umgeben. Die auf diesem Rahmen liegenden Anschlußpunkte
stellen die Anschlüsse des integrierten Bausteines dar. Die Zahl der notwendigen
Anschlüsse ergibt sich zu z = 3 + 2 n. Die Anpassung an die Betriebsspannung Ub
geschieht unabhängig von der Anzahl der Schalter in einfacher Weise durch Anlegen
an den Anschlußpunkt des letzten verwendeten Schalters des integrierten Bausteines
bzw. an die Anode der leuchtdiode Dn.
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In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit diskreten
Bauelementen dargestellt. Mit den in den vorhergehenden Figuren verwendeten Bauelementen
übereinstimmende
Bauelemente sind in der Figur 3 mit übereinstimmenden
Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist zu erkennen, daß die Schalteinheiten S1 ...
Sn der Beispiele der vorhergehenden Figuren durch Transistoren T1 ... T4 verwirklicht
sind. Die Transistoren sind mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe geschaltet.
Verbindungspunkte zwischen den Dioden sind an Verbindungspunkte des Kollektors bzw.
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des 1gitters aufeinanderfolgender Transistoren angeschlossen. Nicht
naher bezeichnete Widerstände zwischen den Emitter- und Basisanschlüssen jedes Transistors
stellen eine Basisvorspannung ein. Ebenso mit nicht bezeichneten Widerständen sind
die Basiselek-troden der Transistoren T1 ... T4 mit den Steueranschlüssen Ue1 ...
Ue4 verbunden. Die Konstantstromquelle besteht aus einem Transistor Tk, dessen Kollektor-Emitter-Strecke
in Reihe zu den Beuchtdioden D1 ... D4 liegt. Sein Emitter ist über einen Widerstand
Re mit Masse verbunden. Der Basisanschluß des Transistors Tk liegt über den Widerstand
R an der Betriebsspannung Ub und ist über zwei Dioden Dk mit Nasse verbunden. Die
Ninimalspannung der Stromquelle Tk liegt mit Sicherheit unter 2 V. Der Spannungsabfall
an den einzelnen Leuchtdioden beträgt im Mittel 1,6 V, maximal kann mit 2 V gerechnet
werden. Bei einer Betriebsspannung von 9 V steht also für den Transistor Tk eine
Spannung von ungefähr 2,2 V zur Verfügung. Die Stromverstärkung von mindestens 100
der.Transistoren T1 ... T4 gewährleistet eine Sättigung jedes leitend geschalteten
Transistors und verhindert, daß die Summe der Basisströme der Transistoren T1 ...
T3 im leitenden Zustand eventuell die Leuchtdiode D4 geringfügig zum Leuchten bringen
könnte.
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Die Ansteuerung der Transistoren T1 und T4 kann beispielsweise über
TTL-Gatter mit offenem Kollektorausgang Tg erfolgen, von denen zwei angedeutet sind.
Dabei würde ein L-Signal jeweils die zugehörige Diode ausschalten und ein H-Signal
die Diode einschalten.
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In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als integrierte
Schaltung in Einzelheiten gezeigt. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur
3 sind einige Änderungen
erkennbar, die aus den Erfordernissen
der integrationstechnik resultieren. So sind beissielsweise die Dioden DK der Konstant
stromquelle des Beispiels nach Figur 3 durch zwei Transistoren T9 und T10 ersetzt,
wobei jeweils der Basisanschluß mit dem Kollektoranschluß verbunden ist. PNP-Transistoren
mit höherer Stromverstärkung sind für die Integration weniger geeignet. Deshalb
sind die Schalter beim Ausführungabeispiel nach Figur 4 jeweils aus einem komplementären
Transistorenpaar T1, T11 ... T4, T4' aufgebaut.
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Jedes Paar bildet eine sogenannte Darlington-Schaltung, deren Sättigungsspannung
mit Sicherheit unter dem Wert liegt, bei dem in den Leuchtdioden ein nennenswerter
Strom zu fließen beginnt.
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5 Patentansprüche 4 Figuren