DE2501114A1

DE2501114A1 - Schaltungsanordnung fuer ein fluessigkristall-darstellelement

Info

Publication number: DE2501114A1
Application number: DE19752501114
Authority: DE
Inventors: George Draper Hanchett
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1975-01-13
Publication date: 1975-10-09
Also published as: GB1485061A; DE2501114C3; FR2266207A1; DE2501114B2; MY8100199A; FR2266207B1; CH610713B5; HK55180A; CH74475A4; JPS50129241A; US3873888A; CA1033480A; SU563931A3

Description

7766-74/H/Elf
RCA 67,596
US Ser.No. 455,372
vom 27.März 1974

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Schaltungsanordnung für ein Flüssigkristall-Darstellelement

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Flüssigkristall-Darstellsysteme , wie Ziffernanzeigeelemente beispielsweise in elektronischen Uhren, werden häufig durch integrierte Schaltungen gesteuert. Derartige Schaltungen können mit einer Batterie betrieben werden und legen an die Rückplatte und an die Segmente des Darstellsystems unipolare (d.h. auf einer Seite der Null-Linie verlaufende) Wechselspannungen an. Die Rückplatte kann beispielsweise eine relativ niederfrequente unipolare Spannung einer gegebenen Phase empfangen, während den Segmenten ein Signal der gleichen Frequenz zugeführt werden kann, das entweder in Phase oder außer Phase mit der Spannung der Rückplatte ist. Nun kann es geschehen, daß der die niederfrequente unipolare Spannung erzeugende Oszillator der Schaltung ausfällt, obwohl die als Betriebsspannungsquelle für die Treiber-

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schaltung des Flüssigkristallelements dienende Batterie" weiterhin eine beträchtliche Gleichspannung erzeugt. Unter diesen Umständen, also bei nicht arbeitendem Oszillator und noch vorhandener Betriebsspannung für die Treibertransistoren, können zwischen gewissen Segmenten des Darstellsystems und seiner Rückplatte Gleichspannungen auftreten. Diese statischen Spannungen können einen äußerst ungünstigen Einfluß auf die Lebensdauer des Flüssigkristallelements haben.

Die Erfindung überwindet dieses Problem durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Schaltungsanordnung.

In einer Schaltung gemäß der Erfindung wird der Zustand des Oszillators abgefühlt. Wenn seine Schwingungen aufhören, wird die Gleichspannung für die Treibertransistoren des Flüssigkristallelements unterbrochen. Die Schaltung enthält vorzugsweise ein Ladungsspeicherglied, das über Strompfad eines Transistors an eine Betriebsspannungsklemme angeschlossen ist. Die Schwingungen werden der Steuerelektrode des Transistors zugeführt. Wenn diese Schwingungen vorhanden sind, wird das Ladungsspeicherglied geladen und zwar bei jeder Periode der Schwingungen einmal. Das LadungsSpeicherglied dient als die Betriebsspannungsquelle. Wenn die Schwingungen aufhören, wird der Transistor gesperrt und die Ladung des Ladungsspeicherglieds geht in kurzer Zeit verloren, wodurch die Betriebsspannungsquelle weggenommen wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert* Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Systems mit einem Flüssigkristall-Anzeigeelement und einer Treiberschaltung,

Figur 2 ein scheraatisches Blockschaltbild des Ausführungsbei-

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spiels gemäß der Erfindung, und

Figur 3 eine genauere Darstellung eines Teils der Schaltungsanordnung nach Figur 2.

Das Problem, mit dem sich die vorliegende Erfindung befaßt, wird anhand der Darstellung des bekannten Systems in Figur 1 erläutert. Der Oszillator 10, der mit einer Betriebsspannung V von-5 V betrieben werden kann, legt eine unipolare Wechselspannung an die integrierte Schaltung 12 an. Die unipolare Wechselspannung kann beispielsweise eine Frequenz von 30 Hz und eine Amplitude von 5 V haben, d.h. sie kann zwischen 0 V und - 5 V wechseln.

Die integrierte Schaltung 12 kann handelsüblich sein, etwa vom Typ CD4O44AE (vgl. RCA Solid State Data Book COS/MOS Digital Integrated Circuits for 1973). Sie enthält eine Pegelverschiebungsstufe, welche die vom Oszillator 10 erzeugten Schwingungen und Eingangsspannungen in Form von blnär-codierten Dezimalsignalen (BCD) empfängt. Die vier BCD-Spannungen werden an die Stifte 2,3,4,5 angelegt, während die Schwingungen an den Stift angelegt werden. Die Pegelverschiebungsstufe in der Schaltung ist an einen Decoder angeschlossen, der die BCD-Spannungen in Signale für die sieben Segmente des Anzeigeelements umwandelt. Der Decoder ist seinerseits mit den Treibertransistoren des Anzeigeelements gekoppelt. Die Stifte 9 bis 15 der integrierten Schaltung 12 dienen zum Anschluß der sieben Segmente des Ziffern-Anzeigeelements 14, während für den Anschluß seiner Rückplatte der Stift 1 der Schaltung vorgesehen ist.

Beim Betrieb der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung legt die Pegelverschiebungsstufe in der Schaltung 12 verstärkte Schwingungen an den Stift 1 an. Diese Schwingungen können eine Amplitude von 15 V haben, was bedeutet, daß die Wechselspannung Ausschläge zwischen 0 V und - 15 V haben kann. Dieses Signal wird an die Rückplatte angelegt. In Abhängigkeit von den

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vier an den Stifen 2 bis 5 empfangenen Steuerspannungen treibt die Pegelverschiebungsstufe ferner den BCD/Sieben-Segment-Decoder , der seinerseits sein Ausgangssignal der Treiberschaltung des Anzeigeelements in der Schaltung 12 zuführt. Die Schaltung 12 legt in Abhängigkeit vom Ausgjigssignal des Decoders und von den verstärkten Schwingungen der Pegelverschiebungsstufe an die entsprechenden Segmente ein unipolares Signal mit einer Amplitude von 15 V (Spannungshub von O bis - 15V) und 30 Hz an, das entweder in Phase oder außer Phase mit der Spannung der Rückplatte ist. Wenn beispielsweise das Anzeigeelement die Ziffer "3" anzeigen soll, legt die Treiberschaltung eine Spannung von 30 Hz in Phase mit der Rückplattenspannung an die Segmente e und f und eine um 180° bezüglich der Rückplattenspannung phasenverschobene 30 Hz-Spannung an die übrigen Segmente a,b,c,d und g an. Das Ergebnis ist die Simulierung einer bipolaren Wechselspannung von 30 V über dem Flüssigkristallelement an den Segmenten a,b,c,d und g, während bei den Segmenten e und f über dem Flüssigkristallelement die Spannung Null liegt. Durch die Erregung mit 30 V wird das Flüssigkristallelement lichtstreuend, falls es sich um ein Element vom dynamischen Zerstreuungstyp handelt (stattdessen können auch andere Flüssigkristallelemente verwendet werden, beispielsweise solche, die im erregten Zustand dunkel und im unerregten Zustand hell sind).

Bei dem in Figur 1 dargestellten System kann es geschehen, daß die Versorgungsspannung V_gg so weit absinkt, daß der Oszillator 10 aufhört zu arbeiten, während die Versorgungsspannung V_EE noch eine beträchtliche Höhe von z.B. - 10 oder - 11 V oder mehr (oder weniger) haben kann. Wenn der Oszillator ausfällt, kann die Rückplattenspannung auf Massepotential abfallen. Auch die Treibertransistoren erhalten keine Schwingungen mehr. Die Zustände, die sie annehmen, also ob sie leiten oder nicht, wird jedoch von den Werten der Steuergleichspannungen abhängen, die

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sie vom BCD-Decoder empfangen. Einige dieser Transistoren werden leiten und eine Gleichspannung von fast der Größe der Spannung V_EE statt einer unipolaren Wechselspannung an die betreffenden , von ihnen angesteuerten Segmente anlegen. Wenn also der Oszillator stehen bleibt und die Rückplattenspannung auf Massepotential geht, werden zwar einige der Segmente ebenfalls auf Masse absinken, doch werden andere Segmente bei fast der Spannung V_E„ "hängen", da zwischen dem Stift 7 (an den die Spannung V angelegt wird) und diesen Segmenten über einen Treibertransistor eine leitende Verbindung hergestellt ist. Wenn man diese Gleichspannungskomponente nicht beseitigt, kann sie das Flüssigkristallelement beschädigen oder zerstören.

Die Schaltungsanordnung nach Figur 2 zeigt eine Lösung des oben geschilderten Problems gemäß einem bevorzugten Äusführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsanordnung enthält einen Transistor 16, der mit seinem Kollektor 17 an die Klemme der Versorgungsspannung V-^ und mit seinem Emitter 19 an den Stift 7 der integrierten Schaltung angeschlossen ist. Im Gegensatz zur Schaltungsanordnung nach Figur 1 befindet sich der Emitter-Kollektor-Pfad eines Transistors also nun zwischen der Betriebsspannungsklemme und dem Stift 7. Die Basis 21 des Transistors 16 ist über den Kondensator C₁ mit der Ausgangsklemme des Oszillators 10 gekoppelt, ober den Widerstand 18 ist die Basis 21 ausserdem an den Emitter 19 des Transistors geschaltet. Der Kondensator C₂ ist zwischen den Emitter 19 und den Stift 16 der integrierten Schaltung geschaltet. Der Stift 16 liegt an der Spannung V_DD , d.h. an Masse.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung nah Figur 2 werden, wenn der Oszillator arbeitet, die Schwingungen über den Kondensator C an die Basis 21 angelegt. Jedesmal, wenn die Oszillatorspannung auf - 5 V geht, wird der Transistor 16 leitend, so daß Strom von Masse über den Kondensator C₂ und den Emitter-Kollektor-Pfad des Transistors 16 zur Klemme der Spannung V_EE fließt. Der Kon-

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densator C- wird in einer sehr kurzen Zeitspanne fast auf - 15 V geladen und legt diese Spannung von - 15 V an den Stift 7 der integrierten Schaltung. Der Widerstand 18 und der Kondensator C₂ arbeiten praktisch als Tiefpaßfilter und erzeugen eine Gleichspannung, deren Wert nahezu gleich der Spannung V„_E ist.

Wenn die Spannung V₃₃ so weit absinkt, daß der Oszillator aufhört zu arbeiten, erscheint an seiner Ausgangsklemme ein Gleichspannungspegel, von dem hier angenommen sei, daß es sich um Massepotential handelt. Diese Gleichspannung kann nicht durch den Kondensator C gelangen. Der Widerstand 18 legt die Basis auf das am Emitter herrschende Potential, so daß der Transistor 16 gesperrt wird. Die im Kondensator C₂ vorhandene Ladung fließt nun über gewisse der in der integrierten Schaltung 12 vorhandenen Transistoren ab, und innerhalb einer kurzen Zeitdauer (gewöhnlich in der Größenordnung von 10 Sekunden) sinkt die Spannung an der Klemme 7 auf Massepotential ab. Dadurch wird jeder Gleichstrom durch das Flüssigkristallelement beseitigt.

Die Treiberschaltung für ein einzelnes Segment des Anzeigeelements (die auch als die Entladeschaltung für den Kondensator arbeitet), ist genauer in Figur 3 dargestellt. Sie enthält zwei Invertertreiberstufen vom COS/MOS-(komplementär-symmetrischen Metall-Oxid-Halbleiter-)Typ mit Transistor P₁, N₁ bzw. P₂» N₃. Die η-leitenden Transistoren N₁ und N₂ sind an ihren Emittern (d.h. Source Elektroden) an den einen Pol des Kondensators C₃ geschaltet, während die p-leitenden Transistoren P₁ und P₂ mit ihrem Emitter (Source-Elektrode) an der Spannung V_DD (Massel liegen. Jede Inverter-Stufe empfängt an jeder als Eingangsklemme dienenden Verbindung der beiden Steuerelektroden ein pegelmässig verschobenes 30 Hz-Signal mit einer Amplitude gleich der Spannung V „. Die zusammengeschalteten Kollektorelektroden (Drain-Elektroden) der Transistoren P , N-, der einen Inverter-

1 ^x stufe sind an eines der Segmente angeschlossen, während die

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Kollektoren (Drain-Elektroden) der Transistoren P₂ , N₂ der anderen Inverterstufe gemeinsam an die Rückplatte des Flüssigkristall-Ziffernanzeigeelementes geschaltet sind.

Der Schalter 51 wird in der Praxis durch MOS-Torglieder (Transmission Gates) gebildet. In seiner dargestellten Position legt der Schalter an die Eingangsklemme 52 die Schwingung 50 an, die komplementär zur an die Eingangsklemme 54 angelegten Schwingung 54 ist. Bei dem dargestellten Segment handelt es sich also um ein "gewähltes" Segment, womit gemeint ist, daß es unter normalen Betriebsverhältnissen eine Spannung erhält, die um 18O° gegen die Rückplattenspannung phasenverschoben ist, so daß eine Wechselspannung mit einer Amplitude praktisch gleich 2 V_EE am Flüssigkristallelement erscheinen und dieses erregen wird.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 wird der bipolare Transistor 16 vom 30 Hz-Signal mit der Amplitude gleich der Spannung V_gs angesteuert, wie schon erläutert wurde. Es sei nun angenommen, daß die Spannung V_gs beträchtlich absinkt, so daß der Oszillator ausfällt und die Steuerspannung für den Transistor 16 bei Massepotential stehen bleibt. Das Fehlen der Wechselspannung 58 hat zur Folge, daß der Transistor 16 gesperrt wird. Die Spannung über dem Kondensator C₂ ist jedoch zu dieser Zeit annähernd gleich der Spannung V„_E. Es sei ferner angenommen, daß beim Ausfall des Oszillators die über den Schalter 51 an die Eingangsklemme 52 der Inverterstufe mit den Transistoren P₁, N, angelegte Schwingung 50 bei Massepotential und die an die Eingangsklemme 56 der Inverterstufe mit den Transistoren P₂, N₂ angelegte Schwingung 54 bei der Spannung V— ist. Es versteht sich, daß die im Pegel verschobenen Schwingungen 50 und 54 innerhalb des Plättchens der integrierten Schaltung 12 aus der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung 58 gewonnen werden, so daß auch die Schwingungen 50 und 54 bei gegebenen statischen

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Pegeln stehenbleiben, wenn die Schwingung 58 verschwindet.

Da , wie erwähnt, die Schwingung 50 bei Massepotential liegt, wird der Transistor P₁ gesperrt und der Transistor N. leitend. Da die Schwingung 54 den Wert der Spannung V„_, hat, wird der Transistor Pj leitend und der Transistor Nj gesperrt. Durch den Tranistor N₁ führt also ein leitender Weg niedriger Impedanz vom Kondensator C₂ zu dem in Figur 3 dargestellten Segment. Ähnlich führt durch den Transistor P₂ ein leitender Weg niedriger Impedanz von Masse zur Rückplatte gemäß Figur 3. Das Flüssigkristallelement selbst hat eine relativ hohe Impedanz. Innerhalb einer annehmbaren Zeitspanne entlädt sich jedoch der Kondensator C₂ durch den Transistor N₁, das Flüssigkristallelement und den Transistor P₂ nach Masse. Die Entladedauer liegt in der Größenordnung von 10 Sekunden und wird weitgehend vom Kapazitätswert des Kondensators C und dem Widerstandswert des Flüssigkristallelements abhängen.

Bei dem oben gewählten Beispiel hörte der Oszillator mit seinen Schwingungen zu einer Zeit auf, bei der die Wechselspannung 58 auf einem Wert von 0 V lag, doch könnte er die Schwingungen ebensogut beenden, wenn die Wechselspannung 58 den Wert der Spannung V_gs hat. In diesem Fall wurden bei dem hier beschriebenen Beispiel die Schwingung 50 bei der Spannung V_EE und die Spannung 54 bei Massepotential liegen. Dies würde bedeuten, daß der Entladeweg des Kondensator C₂ durch den Transistor N₂, das Flüssigkristallelement und den Transistor P₁ nach Masse führen würde. Die Entladezeit des Kondensator C₂ ist dann ungefähr die gleiche wie im ersten Fall, nämlich etwa 10 Sekunden.

Wenn die BCD-Eingangsspannungen derart sind, daß der Schalter die (zur Schwingung 50 komplementäre) Schwingung BÖ" an die Klemme 52 legt, ist das Segment "nicht gewählt". Unter normalen Betriebsverhältnissen empfängt das nicht gewählte Segment eine

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Spannung, die in Phase mit der Rückplattenspannung ist, so daß über dem Flüssigkristallelement eine Spannung der Größe Null entsteht. Wenn der Oszillator ausfällt, liegen beide Eingangsklemmen 52 und 56 auf der Spannung V__, so daß die Transistoren P, und P2 beide leitend sind. Dadurch werden sowohl das nicht gewählte Segment als auch die Rückplatte auf Masse gelegt, und über den unter dem nicht gewählten Segment liegenden Teil des Flüssigkristallelements herrscht keine Spannung. Der Kondensator C₂ entlädt sich natürlich in amgemessener Zeit durch andere Invertertreiberstufen innerhalb der integrierten Schaltung und über gewählte Segmente durch das Flüssigkristallelement, wie bereits beschrieben wurde.

Im Falle eines nicht gewählten Segmentes ist es auch möglich, daß sowohl die Schwingung 5Ö als auch die Schwingung 54 bei Massepotential stehenbleiben. In diesem Fall wären die Transistoren N₁ und N₂ gleichzeitig leitend, so daß das nicht gewählte Segment und die Rückplatte beide auf der Spannung V_EE wären, was auch hier unproblematisch wäre, da die über dem Flüssigkristallelement liegende Spannung null Volt betragen würde. Wieder wäre dies nur ein augenblicklicher Zustand, da sich der Kondensator C₂ innerhalb 10 Sekunden oder einer ähnlichen Zeit durch andere Schaltkreise innerhalb der integrierten Schaltung nach Art von Figur 3 entlädt und das nicht gewählte Segment und die Rückplatte auf Massepotential abfallen.

Bei praktischen Ausführungsformen der beschriebenen Schaltungsanordnung werden die Spannung V_gs und V „ meistens von getrennten Batterien geliefert. Die elektrischen Kapazitäten dieser Batterien werden so gewählt, daß sie die gleiche Lebensdauer haben, doch ist es unwahrscheinlich und selten, daß beide Batterien gleichzeitig ausfallen. Wenn die Batterie für die Spannung V„_F zuerst versagt, kann kein bleibender Schaden auftreten. Wenn aber die Batterie für die Spannung V_eo versagt und die Schwingungen für das Anzeigeelement (Wechselspannung 58 in

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Figur 3) verschwinden, wäre eine Beschädigung des Plüssigkristallelements in der oben beschriebenen Weise fast sicher. Bei der praktischen Ausführungsform der Schaltung bleibt der Oszillator im allgemeinen stehen, wenn die Spannung V₃₃ etwas unter der - 2 V absinkt, und es kann als ganz unnormal bezeichnet werden, wenn er bei wesentlich niedrigeren Spannungen als - 1,5 V noch arbeitet.

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Claims

Pa tentansprüche

1.1/ Schaltungsanordnung für ein Flüssigkristall-Darstellelement, insbesondere einer Uhr, das wenigstens zwei Elektroden hat, mit einem Oszillator, der eine unipolare Wechselspannung erzeugt, und mit einer von einer Betriebsgleichspannung gespeisten Treiberschaltung, die in Abhängigkeit von der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung zwischen die beiden Elektroden des Flüssigkristallelements zu dessen Betrieb eine bipolare Wechselspannung anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (Transistor 16) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einem das Vorhandensein der unipolaren Wechselspannung feststellenden Fühlglied (C₁) der Treiberschaltung (12 mit P₁, N₁, P₂, N₂) die Betriebsgleichspannung (V_EE) wegnimmt, wenn die unipolare Wechselspannung ausfällt.

2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch l,da durch gekennzeichnet , daß die vom Fühlglied (C₁) abhängige Anordnung einen Schalter (Transistor 16) enthält.

3.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Fühlglied ein Wechselstromelement (Kondensator C₁) enthält, daß die vom Fühlglied abhängige Anordnung einen mit Wechselstrom betriebenen Schalter (Transistor 16) enthält, und daß das Wechselstromelement (C₁) die unipolare Wechselspannung dem Schalter (16) zuführt, der sich bei Aufhören der unipolaren Wechselspannung öffnet.

4.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , daß das Wechselstromelement ein Kondensator (C₁) ist, während der Schalter ein Transistor (16) ist, dessen Steuerelektrode (21) mit dem Kondensator (C.) gekoppelt ist, und dessen beide Hauptelektroden (17,19) an eine Gleich-

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spannung (V„„) führende Klemme bzw. an den einen Pol eines zwei-

.Ei-Ei

ten Kondensators (C₂) angeschlossen sind, dessen anderer Pol auf einem Bezugspotential (Masse) liegt.

5») Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Treiberschaltung (P₁, N₁, P₂, N2) an den einen Pol des zweiten Kondensators (C₃) angeschlossen ist.

6.) Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgleichspannung für die Treiberschaltung (P , N , P₀, N₉) von

einem Kondensator (c„) gäLiefert wird, der von der unipolaren Wechselspannung in einem geladenen Zustand gehalten wird, und daß die von dem Fühlglied (C₁) abhängige Anordnung einen mit dem Kondensator (C_) zusammengeschalteten Schalter (Transistor 16) enthält, der aufgrund des Vorhandenseins der unipolaren Wechselspannung geschlossen und bei Abwesenheit dieser Spannung geöffnet ist.

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