DE2749767B2

DE2749767B2 - Schaltungsanordnung zur Helligkeitssteuerung von Leuchtdioden in Leuchtdiodenfeldern

Info

Publication number: DE2749767B2
Application number: DE2749767A
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Dieter 2392 Glücksburg Nordmeier; Ing.(grad.) Ernst 2390 Flensburg Rampf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-11-07
Filing date: 1977-11-07
Publication date: 1981-07-16
Also published as: DE2749767C3; DE2749767A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Helligkeitssteuerung von Leuchtdioden in Leuchtdiodenfeldern für Bildwiedergabeeinheiten, insbesondere für Ortungs-Geräte, mittels die Helligkeitsinformation darstellender, Steuerspannungen und unter Verwendung einer Impulsfolge, die in Abhängigkeit von der Größe der jeweiligen Steuerspannung im Tastverhältnis geändert wird und derart pulslängenmoduliert als Leuchtdiodensteuergröße dient.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der Zeitschrift »Electronics Australia«, April 1975, S. 35 oben, bekannt.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet von Leuchtdio

denfeldern als Bildwiedergabeeinheiten sind Ortungsgeräte, insbesondere Infrarotgeräte, bei denen anstelle von Kathodenstrahlröhren Bildwiedergabeeinheiten aus einer Vielzahl von insbesondere zellenförmig angeordneten Leuchtdioden (Leuchtdiodenfelder) verwendet werden.

Die Ansteuerung der Leuchidioden geschieht in bekannter Weise über Verstärker, die eine dem darzustellenden Signal proportionale Spannung erzeugen und diese Spannung in einen Strom umsetzen, der wiederum der zu emittierenden Lichtstärke der Leuchtdioden proportional ist

In diesen Schaltungen wird normalerweise ein als Widerstand funktionierendes Halbleiter-Element benutzt, welches in Reihe mit der jeweiligen Leuchtdiode (LED) geschaltet ist Bei der Ansteuerung der Leuchtdiode werden entsprechend dem darzustellenden Signal diese Halbleiier-Widerstände verändert und dadurch eine entsprechende Helligkeitsmodulation der Leuchtdioden hervorgerufen. Diese Art der Steuerung hat vor allem den Nachteil, daß bei Anwendung von Leuchtdiodenfeldern die zur Steuerung notwendige Leistung ziemlich große Werte annehmen kann.

Bei der Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist der Steuerleistungsaufwand kleiner gehalten und die in Abhängigkeit vom Umgebungslichtpegel gesteuerte Helligkeits-Variation vereinfacht. Hierbei wird ein die Helligkeitsinformation darstellendes, von einer Fotozelle abgeleitetes Steuersignal einem Impulsgenerator, nämlich einem astabilen Multivibrator, zugeführt. Am Ausgang dieses Inipulsgenerators tritt eine Impulsfolge auf, die in Abhängigkeit von der Steuerspannung im Tastverhältnis geändert wird und zur Ansteuerung aller Leuchtdioden gemeinsam dient. Durch diese bekannte Schaltung ist es somit bekannt, die Grundhelligkeit des Leuchtdiodenfeldes einzustellen, was deswegen von Bedeutung ist, weil je nach der Helligkeit in dem jeweiligen Arbeitsraum eine unterschiedliche Grundhelligkeit des Leuchtdiodenfeldes zweckmäßig ist. Es ist allerdings mit dieser bekannten Schaltung nicht möglich, die Dynamik der Anzeige veränderbar zu gestalten. Darunter wird die Fähigkeit verstanden, daß entweder kleinere oder größere Grenzwerte für die Dunkeltastung oder Hellsteuerung des Leuchtdiodenfeldes bzw. der einzelnen Leuchtdioden festgelegt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art Maßnahmen anzugeben, die eine kombinierte automatische Steuerung der Bildhelligkeit und der Dynamik in Leuchtdiodenfeldern ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerspannungen jeweils einem Eingang von Komparatoren eingegeben werden, an deren zweitem Eingang ein gemeinsamer Funktionsgenerator mit einer periodisch stetig ansteigenden und abfallenden, als Referenzsignal dienenden Puls-Ausgangsspannung angeschlossen ist, derart, daß am Ausgang der Komparatoren die pulslängenmodulierte Impulsfolge auftritt, daß der als Referenzsignal dienenden Puls-Ausgangsspannung eine Hilfs-Gleichspannung hinzugefügt ist, die zum Teil von den über einen Summierverstärker und ein Zeitkonstantenglied geführten Steuerspannungen abgeleitet ist, und daß die als Referenzsignal dienende Puls-Ausgangsspannung in ihrer Amplitude von den über einen weiteren Summierverstärker und ein weiteres Zeitkonstantenglied geführten Steuerspannungen geändert wird.

Es wird noch darauf hingewiesen, daß ein »Komparator«, an dessen zweitem Eingang ein Funktionsgenerator mit einer periodisch stetig ansteigenden und abfallenden, als Referenzsignal dienenden Ausgangsspannung angeschlossen ist, derart, daß air: Ausgang des s (Comparators eine pulsiängen modulierte impulsfolge auftritt, die in Abhängigkeit von der Größe der Steuerspannung im Tastverhältnis geändert ist, aus dem Fachbuch von Wong und Ott, »Function Circuits«, Mc Graw-Hill, 1976. S. 90—93, an sich bekannt ist

Es ist weiterhin aus dem Fachbuch von Markus »Electronic Circuits Manual«, McGraw-Hill, 1971, S. 729 an sich bekannt, eine Impulsfolge am Ausgang eines Pulslängenmodulators bei beliebigem Referenzsignal am Eingang, auch bei einer dem Referenzsignal η überlagerten Hilfs-Gleichspannung, zu entnehmen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den Verlauf der Leuchtdiodenspannung bei einer sägezahnförmigen, als Referenzsignal dienenden Puls-Ausgangsspannung eines Funktionsgenerators,

F i g. 2 die Veränderung der Grundhelligkeit mittels einer dieser Puls-Ausgangsspannung überlagerten Gleichspannung,

F i g. 3 die Veränderung der Dynamik durch Veränderung der Amplitude der Puls-Ausgangsspannung,

F i g. 4 mehrere Ausführungssformen für verschiedene zeitliche Verläufe der Puls-Ausgangsspannung des Funktionsgenerators,

Fig. 5 ein in Blockschaltbildform dargestelltes Ausfuhrungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

In F i g. 1 ist die die Helligkeitsinformation darstellende Steuerspannung US für eine kleine, mittlere und große Helligkeit dargestellt. Bei kleiner Helligkeit sollen die Leuchtdioden (LED) eine geringe, bei mittlerer Helligkeit eine mittlere und bei großer Helligkeit eine große Steuerleistung erhalten. Erreicht wird dies dadurch, daß von einem Funktionsgenerator eine hier sägezahnförmig gezeichnete, als Referenzsignal dienende Puls-Ausgangsspannung UR erzeugt wird. Einzelheiten der Schaltung sind in F i g. 5 beschrieben. Von der Puls-Ausgangsspannung UR wird durch die Steuerspannung US mittels eines !Comparators eine Rechteckimpulsfolge erzeugt, welche als Leuchtdiodenspannung UL für die Ansteuerung der einzelnen Dioden des Leuchtdiodenfeldes herangezogen wird. Im vorlie- so genden Beispiel ist angenommen, daß jeweils diejenigen Teile der Puls-Ausgangsspannung UR die Breite der Impulse der Leuchtdiodenspannung UL festlegen, welche unterhalb der Steuerspannung US liegen. Dementsprechend ergibt sich für kleine Steuersp&nnungen US ein kleines Tastverhältnis für die Leuchtdiodenspannung UL (und damit eine kleine Helligkeit), für mittlere Steuerspannungen US ein mittleres Tastverhältnis für die Leuchtdiodenspannung (und damit eine mittlere Helligkeit) und für große Steuerspannungen US ein großes Tastverhältnis für die Leuchtdiodenspannung (und damit große Helligkeit). Die Amplituden der als Rechteckimpulse ausgebildeten Leuchtdiodenspannungen UL sind konstant und die Helligkeit wird somit allein durch die Größe der zwischenliegenden Pausen bestimmt. Bei kleiner Steuerspannung US wird das Tastverhältnis auf sehr kleine Werte, z. B. 10% gesenkt, während es bei einer mittleren Steuerspannung z. B. auf 50% und bei einer großen Steuerspannung z. B. auf 90 bis 100% ansteigt Es handelt sich praktisch um eine Art Puls-Längenmodulation durch den !Comparator.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Art der Helligkeitssteuerung liegt darin, daß durch die Variation der Referenzspannung des !Comparators der Kontrasiumiang und auch die Helligkeit des gesamten Bildwiedergabeteils mittels einer oder mehrerer Hilfsspannungen zu beeinflussen ist Es läßt sich somit die Grundhelligkeit des Leuchtdiodenfeldes einstellen. Dies ist deshalb erforderlich, weil je nach der Helligkeit in dem jeweiligen Arbeitsraum eine unterschiedliche Grundhelligkeit erforderlich ist Die Veränderung erfolgt in der in Fig.2 angedeuteten Weise, nämlich durch Hinzufügen einer Hilfs-Gleichspannung zur Puls-Ausgangsspannung UR. Diese Hilfs-Gleichspannung ist in F i g. 2 mit UG 1 bzw. UC 2 bezeichnet. Wenn die Steuerspannung US zwischen den Amplitudenwerten USO und USU variieren kann, so gibt der linke Teil der F i g. 2 eine große Grundhelligkeit, weil bereits relativ kleine Steuerspannungen US relativ große Tastverhältnisse erzeugen, wie aus dem Vergleich mit F i g. 1 hervorgeht Dagegen ergibt sich bei Hinzufügen einer kleineren mittleren Hilfs-Gleichspannung UG1 zu der eigentlichen Puls-Ausgangsspannung UR eine nur noch mittlere Grundhelligkeit, weil kleinere Steuerspannungen LiS keine oder nur noch eine sehr geringe Aktivierung der Leuchtdioden mit sich bringen. Eine noch kleinere Grundhelligkeit kann, wie im rechten Teil der F i g. 2 angedeutet, durch ein weiteres Vergrößern der Hilfs-Gleichspannung auf den Wert UG 2 erzeugt werden, weil dann der Komparator noch weniger auf die ankommenden Steuerspannungen im Amplitudenbereich zwischen USOur.d USUanspricht.

Nach der Erfindung wird es ermöglicht, zusätzlich zur automatischen Bildhelligkeitssteuerung gleichzeitig auch die Dynamik der Anzeige veränderbar zu gestalten. Dies bedeutet, daß entweder kleinere oder größere Grenzwerte für die Dunkeltastung oder Hellsteuerung der Leuchtdiodenfelder bzw. der einzelnen Leuchtdioden festgelegt werden. Eine Möglichkeit hierfür zeigt F i g. 3, in der die Puls-Ausgangsspannung UR jeweils unterschiedliche Amplitudenwerte aufweist. Im linken Teil ist die Dynamik von UR klein, weil die Amplituden-Variation von UR geringer ist als der maximale Dynamikbereich der Steuerspannung US, welcher von HSO bis USU reicht. Wenn die Amplitudenunterschiede der Steuerspannung US genau so groß sind wie die Amplitudenunterschiede der Puls-Ausgangsspannung UR, so ergibt sich eine mittlere Dynamik, wie im mittleren Teil der F i g. 3 gezeigt ist. Wird dagegen die Amplituden-Variation der Puls-Ausgangsspannung UR größer gemacht als die maximale Amplituden-Variation bei der Steuerspannung US, dann ergibt sich eine große Dynamik, wie im rechten Teil der F i g. 3 gezeigt ist Die Verstärkung für die Steuerspannung US ist im linken Teil der F i g. 3 groß, in der Mitte auf einem mittleren Wert und im rechten Teil klein.

Erreicht kann diese Veränderung der Amplitudenwerte der Puls-Ausgangsspannung und damit der Dynamik der Anzeige dadurch werden, daß der Funktionsgenerator mit einer unterschiedlichen inneren Verstärkung, d. h. unterschiedlich großen Ausgangssignalen betrieben wird.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Änderung der Bewertung der Steuerspannung und ihres Einflusses auf die Steuerung der Bildhelligkeit besteht darin, die Funktion der Puls-Ausgangsspannung UR, d. h. deren

zeitabhängigen Verlauf zu verändern. Beispiele hierfür sind in F i g. 4 angedeutet. Im oberen Teil ist für die Puls-Ausgangsspannung UR eine sägezahnförmige bzw. dreiecksförmige Kurve gezeichnet. In diesem Fall ist die Beziehung zwischen der Steuerspannung US einerseits und dem Tastverhältnis der Leuchtdiodenspannung UL andererseits linear, wie aus einem Vergleich mit F i g. 1 ersichtlich ist.

Benutzt man jedoch entsprechend dem mittleren Teil der Fig.4 eine nichtlineare, insbesondere logarithmische Funktion der Puls-Ausgangsspannung UR in Abhängigkeit von der Zeit, beispielsweise Parabelabschnitte oder sonstige logarithmische Kurven, so kann eine entsprechende nichtlineare Bewertung der Steuerspannungen US vorgenommen werden. Der Zusammenhang zwischen der Steuerspannung US und dem Tastverhältnis der Leuchtdiodenspannung UL für die Aktivierung der Leuchtdioden ist damit nicht mehr linear sondern z. B. logarithmisch.

Darüber hinaus ist auch ein komplexer Verlauf der als Referenzsignal dienenden Puls-Ausgangsspannung UR für manche Anwendungsfälle zweckmäßig, wie er im unteren Teil der F i g. 4 gezeichnet ist. Durch entsprechende Bedienungsmittel für die Beeinflussung der jeweiligen Zeilfunktion der Puls-Ausgangsspannung UR lassen sich somit in einem großen Umfang die Anforderungen an die jeweilige Betriebsweise der Bildwiedergabeeinheiten erfüllen. Die Puls-Ausgangsspannungen UR haben in allen Fällen, zumindest in einem Teilbereich einen zeitlich stetig ansteigenden und/oder stetig abfallenden Spannungsverlauf.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 werden die z. B. von einem Infrarot-Empfänger gelieferten n-kanaligen Steuerspannungen USX, US 2 bis USn für die Bildhelligkeit jeweils Komparatoren K1 bis Kn zugeführt. Diesen Komparatoren sind Treibstufen (Verstärker) TRi bis TRn nachgeschaltet, deren Ausgangssignal die Helligkeit von Leuchtdioden LD1 bis LDn bestimmt. Diese Leuchtdioden bilden ein Leuchtdiodenfeld, d. h. eine Vielzahl von zellenförmig angeordneten Leuchtdioden.

Von einem Funktionsgenerator FC wird die als Referenzsignal dienende Puls-Ausgangsspannung UR erzeugt und dem zweiten Eingang der Komparatoren K 1 bis Kn zugeführt. Diese Komparatoren liefern an ihrem Ausgang die rechteckförmigen, in F i g. 1 mit UL bezeichneten Leuchtdiodenspannungen, welche nach der Verstärkung durch die Treiberstufen 77? 1 bis TRn den Leuchtdioden LD1 bis LDn zugeleitet werden und diese verlustfrei aktivieren. Der Funktionsgenerator FC wird durch einen Taktgeber TC angesteuert, welcher die Taktfrequenz der puls-Ausgangsspanr.ung UR festlegt Die Frequenz des Taktgebers TG soll ein Vielfaches der höchsten Bildpunktfrequenz betragen. Mit den Bauelementen K 1 bis Kn, TR 1 bis TRn, FG und TG kann die in F i g. 1 dargestellte Erzeugung der Leuchtdiodenspannung UL mit unterschiedlichen Tastverhältnissen durchgeführt werden. Die weiteren Schaltungsteile ermöglichen den Betrieb, wie er in den F i g. 2 und 3 erläutert ist

Über einen Sensor SE 1 kann zusätzlich die Intensität des Umgebungslichts, d. h. die Raumhelligkeit berücksichtigt werden, während ein weiterer Sensor SE 2 mit der mittleren Leuchtdichte aller Leuchtdioden des Leuchtdiodenfeldes beaufschlagt wird. Beide durch die Sensoren SEI und SE2 gewonnenen Werte werden einem Differenzverstärker DFzugeleitet, dessen Ausgangssignal auf einen Summierverstärker A V1 gegeben wird. Mittels einen einstellbaren Potentiometers PM 1 kann diesem Surnrnierverstärker A Vi eine einstellbare

■> Bezugsspannung zugeleitet werden, so daß der Einfluß der vom Differenzverstärker DFgelieferten Differenzspannung größer oder kleiner gehalten werden kann. Die am Ausgang des Summierverstärkers AVi anstehende Gleichspannung wird dem Funlüionsgenerator FG zugeleitet und dort als Hilfs-Gleichspannung UG 1 bzw. UG2 der Puls-Ausgangsspannung UR in der in F i g. 2 erläuterten Weise hinzugefügt. Damit kann die mittlere Grundhelligkeit der Bildwiedergabeeinrichtung beeinflußt werden.

r> Zur Einstellung der Dynamik dient ein Potentiometer PM 2, das die Amplitude der als Referenzsignal dienenden Puls-Ausgangsspannung UR einzustellen gestattet und damit die in F i g. 3 dargestellte Betriebsweise realisierbar macht. Im vorliegenden Beispiel ist eine automatische Nachstellung des Dynamikbereichs vorgesehen. Hierzu sind die im unteren Teil der F i g. 5 dargestellten Schititungsteile vorgesehen. Die Steuerspannungen US Il bis USn gelangen über einen Summierverstärker AV3 auf einen Gleichrichter GR, dem parallel zwei ÄC-Glieder, RCi und RC2, nachgeschaltet sind.

Die Änderung des Dynamikumfangs wird durch den Ausgang des KC-Gliedes RC2 mit der Zeitkonstante r 2 (zur Unterdrückung kurzzeitiger Schwankungen)

ίο gesteuert, welcher mit einem Summierverstärker A V2 verbunden ist. Der zweite Eingang dieses Summierverstärkers A V2 ist über das einstellbare Potentiometer PM 2 mit einer entsprechenden Vergleichsspannung versorgt Das Ausgangssignal des Summierverstärkers

3S AV2 wird dem Funktionsgenerator FG zugeleitet und beeinflußt diesen so, daß die Amplitude der Puls-Ausgangsspannung UR entsprechend verändert wird.

Das ÄC-Glied RC1 mit der Zeitkonstante r 1 liefert sein Ausgangssignal einem dritten Eingang des Summierverstärkers .4Vl, welcher in der bereits beschriebenen Weise die Grundhelligkeit der Bildwiedergabeeinheit verändert. Die Zeitkonstante τ 1 ist so gewählt, daß schnelle Änderungen, z. B. durch Rauschen, nicht in eine Helligkeitsänderung umgesetzt werden; diese Zeitkonstante mu3 also entsprechend hoch gewählt werden.

Die An- und Abschaltung der Leuchtdioden wird zweckmäßig pro darzustellenden Bildpunkt mehrfach vorgenommen.

so Die Amplitude der Puls-Ausgangsspannung UR wird zweckmäßig etwa gleich der Amplitude der höchsten Leuchtdiodenspan lung UL gewählt. Dies hat den Vorteil, daß im wesentlichen der ganze Amplitudenbereich der als Referenzsignal dienenden Puls-Ausgangsspannung UR für die Dynamik zur Verfügung steht

Wesentlich ist. dabei für den Anwendungsfall bei Leuchtdiodenfeldern, daß die als Referenzsignal dienende Puls-Ausgangsspannung UR des Funktionsgenerators FG gemeinsam für alle notwendigen Komparato-

eo ren K1 bis Kn des. Bildwiedergabeteils benetzt werden kann.

Die SteHglieder PMi und PM2 in Fig.5 können zweckmäßig von Hand bedient werden, wozu entsprechende, hier nicht dargestellte Einstellknöpfe vorzuse- hen sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Helligkeitssteuerung von Leuchtdioden in Leuchtdiodenfeldern für Bildwiedergabeeinheiten, insbesondere für Ortungs- > Geräte, mittels die Helligkeitsinformation darstellenden Steuerspannungen und unter Verwendung einer Impulsfolge, die in Abhängigkeit von der Größe der jeweiligen Steuerspannung im Tastverhältnis geändert wird und derart pulslängenmodu- ι α liert als Leuchtdiodensteuergröße dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannungen (USi bis USn) jeweils einem Eingang von Komparatoren (K 1 bis Kn) eingegeben werden, an deren zweitem Eingang ein gemeinsamer Funktionsgenerator (FG) mit einer periodisch stetig ansteigenden und abfallenden, als Referenzsignal dienenden Puls-Ausgangsspannung (UR) angeschlossen ist, derart, daß am Ausgang der Komparatoren (K 1 bis Kn) die pulslängenmodulierte Impulsfolge auftritt, daß der als Referenzsignal dienenden Puls-Ausgangsspannung (UR) eine Hilfs-Gleichspannung (UG 1, UG 2) hinzugefügt ist, die zum Teil von den über einen Summierverstärker (AVi) und ein Zeitkonstantenglied (RCi) geführten Steuerspannungen (US i bis USn) abgeleitet ist, und daß die als Referenzsignal dienende Puls-Ausgangsspannung (UR)'m ihrer Amplitude von den über einen weiteren Summierverstärker (AV2) und ein weiteres Zeitkonstantenglied (RC2) geführten Steuerspannungen (US 1 bis USn; geändert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Referenzsignal dienende Puls-Ausgangsspannung (UR) eine in Abhängigkeit von der Zeit sich linear ändernde Funktion, insbesondere eine Dreiecksfunktion, aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Referenzsignal dienende Puls-Ausgangsspannung (UR) eine in Abhängigkeit von der Zeit sich nichtlinear ändernde Funktion, ίο insbesondere eine logarithmische Funktion, aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Amplitude des Referenzsignals (UR) etwa gleich der Amplitude der höchsten Leuchtdiodenspannung (UL) gewählt ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Referenzsignals (UR) ein Vielfaches der Signal-Bildpunktfrequenz beträgt.