DE2737031C2 - Ansteuerschaltung für elektrochrome Anzeigeelemente - Google Patents

Description

— zwischen den Treiber (15) und die Stromversorgungsquelle (B) eins Spannungskompensationsschaltung(Tr₊, Tr-, R₁, R₂, V_KU Vr₂)geschaltet ist, die Schwankungen im Ausgangsspannungspegel der Stromversorgungsquelle fÄJ kompensiert und eine konstante Spannung an den Treiber (15) zur Stabilisierung des Färbungsbzw. Bleichvorgangs abgibt,

— zwischen der Stromversorgungsquelle (B) und der Spannungskompensationsschaltung (Tr₊, Tr-, R\, Ri, Vm, Vr₂) eine Schalteranordnung (Q, G) liegt, durch die die Spannungskompensationsschaltung (Tr₊, Tr.,R\,R₂, Vr_x, Vr₂) nur während des Färbungs- oder Bleichvorgangs wirksam geschaltet ist, und daß

— zwischen der Spannungskompensationsschaltung (Tr₊, Tr-, R_u R₂, V«,, V_R2) und den Versorgungsanschlüssen des Treibers (15) eine zweite Schalteranordnung (C₂, C₃) liegt, durch die die Trennung des Treibers (15) von der Spannungskompensationsschaltung (Tr₊, Tr-, R\, R₂, V_R i, Vr₂) während einer Anzeigespeicherperiode erfolgt

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnungen aus MOS- oder C-MOS-Halbleiter-Schalterelementen aufgebaut sind.

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungskompensationsschaltung zwei in Tandem geschaltete Konstantstromkreise ( + Ä, Tr₊, Ru V«i bzw. -B, Tr-, R₂, Vr₂) mit bezüglich eines Referenzpunkts entgegengesetzter Polarität aufweist, an deren Ausgang eine Einstellspannung (V_set + bzw. V_je/ -) abgreifbar ist.

4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Konstantstromkreise eine Gleichstrombatterie (+ B bzw. — B) in Reihe mit einem einen konstanten Strom ziehenden Transistor (Tr₊ bzw. Tr-) und einem Widerstand (Vr , bzw. Vr₂) enthält.

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung nach dem Oberbegriff des Patenthauptanspruchs.

Eine derartige Ansteuerschaltung ist aus »Elektronikpraxis«, 1975, Nr. 11, Seiten 11 und 14, bekannt.

Unter einem elektrochromen Material wird eine Substanz verstanden, deren Farbe sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes bzw. beim Zuführen eines Stroms ändert. Beispiele für solche Materialien sind u. a. in dem Aufsatz »Passive Liquid Displays« in RA C Report 6 13 258 von L. A. Goodmann beschrieben.

Es gibt zwei unterschiedliche Arten von elektrochromen Annzeigen, nachfolgend als ECD-Elemente oder ECD-Anzeigen bezeichnet (ECD = Electrochromic Display). Die erste Art dieser ECD-Elemente enthält einen auf Elektroden ausgebildeten anorganischen festen FUm, und die Farbänderungen werden durch Änderungen der Lichtdurchiässigkeit oder Opazität erzeugt Bei der zweiten Art von ECD-Elementen entsteht durch eine elektrisch induzierte chemische Reduktion einer farblosen Flüssigkeit ein farbiger und unlöslicher Film auf einer Kathodenoberfläche.

Es ist bekannt, daß der Grad der Färbung des

ίο ECD-Elements von der Gesamtmenge der über eine Flächeneinheit fließenden Ladungen abhängt Der Färbungsgrad erhöht sich mit der Gesamtzahl an Ladungen pro Flächeneinheit

Im allgemeinen werden drei Arten von Ansteuertechniken für ECD-Elemente verwendet d.h. einmal die Konstantpotentialansteuerung, zum zweiten die Konstantspannungsansteuerung und zum dritten die Konstantstromansteuerung. Bei den für diese unterschiedlichen Ansteuerungsarten bekannten Schaltungen muß der Ausgangspegel einer Stromversorgungsquelle auf einen bestimmten Wert stabilisiert werden, um stabile Betriebsbedingungen für den Vorgang der Färbung oder Koloration bzw. die Bleichung oder das Löschen der einzelnen Zelle gewährleisten zu können. Werden ECD-Elemente jedoch von einer Batterie oder allgemein einer Stromzelle aus betrieben, so besteht eine große Wahrscheinlichkeit daß der Ausgangspegel der Stromversorgungsquelle sich mindestens in Abhängigkeit von der Betriebslebensdauer der Stromzelle ändert. Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung für elektrochrome Anzeigeelemente der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich bei minimaler Verlustleistung in der Ansteuerschaltung selbst eine gute Stabilisierung des Anzeige- und Löschbetriebs, also der Färbung und des Bleichens der Anzeigeelemente auch dann gewährleisten läßt, wenn als Stromversorgungsquelle eine Batterie oder allgemein eine Stromzelle verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser technischen Aufgabe gibt der kennzeichnende Teil im Patent-Hauptanspruch an. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindunsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine Konstantspannungsschaltung nach Anspruch 4 ist im Prinzip durch Electronics Bd. 42, 1969, H. 12, Seite 15 bekannt.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, eine Konstantspannungsschaltung (Spannungskompensationsschaltung) zwischen die Stromversorgungsquelle und die Treiberschaltung einer electrochromen Anzeige zu legen. Die Konsiantspannungsschaltung kompensiert die Schwankungen im Ausgangspegel der Stromversorgungsquelle und gewährleistet so einen stabilen Betrieb beim Färben und Löschen der einzelnen Anzeigeelemente.

Aus Gründen der Energieeinsparung ist vorgesehen, zwischen die Stromversorgungsquelle und die Konstantspannungsschaltung eine erste Schalteranordnung zu legen, mittels der sich die Konstantspannungsschaltung nur dann wirksam schalten läßt, wenn eine Färbung oder ein Bleichen der Anzeigeelemente erfolgen soll. Durch eine zweite Schalteranordnung ist auch der Treiber von der Kompensationsschaltung während der Anzeigespeicherperioden getrennt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in einer Schnittdarstellung den grundsätzlichen Aufbau eines Festkörper-ECD-Anzeigeelements;

Fig.2 in einer Schnittdarstellung den grundsätzlichen Aufbau eines Flüssig-ECD-Anzeigelements;

Fig.3 das Layout eines typischen Sieben-Segment numerischen Anzeigemusters;

Fig.4 das Schaltbild einer typischen Konstantspannung-Ansteuerschaltung für ECD-Elemente;

F Lg. 5 das Schaltbild einer typischen Konstantpotential-Ansteuerschaltung für ECD-Elemente;

Fig.6 das Schaltbild einer Ausführungsform einer Konstantspannungsschaltung gemäß der Erfindung, die sich für die Ansteuerschaltung nach F i g. 5 eignet Anhand der F i g. 1 bis 5 werden nachfolgend Die Verfärbung verschwindet jedoch allmählich bei Anwesenheit von Sauerstoff. Dieses Phänomen wird als »Fading« bezeichnet Bei einer Umkehrung der anliegenden Spannung löst sich der Film in der Flüssigkeit auf, und gleichzeitig verschwindet die Farbe. Als farblose Flüssigkeit, die die gestellten Anforderungen befriedigend erfüllt, wurde bisher eine wäßrige Lösung eines leitenden Salzes, z.B. KBr, und eines organischen Materials, z.B. Heptylviologenbromid ;o verwendet — ein Material, bei dem durch elektrochemische Reduktion ein purpurartiger Film entsteht Typische Betriebsspannungen liegen bei etwa 1,0VoIt Gleichspannung.

Den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Zelle

zunächst der Aufbau von ECD-Elementen sowie 15 verdeutlicht die Fig.2: Ein Glassubstrat ist mit 8, eine Ausführungsforaien herkömmlicher Ansteuerschaltun- Gegenelektrode mit 9, Anzeigeelektroden mit 10, ein

Viologen-Flüssigkeitsgemisch mit 11, ein Abstandsstück mit 12 und ein VersiegelungsmateriaJ mit 13 bezeichnet Die Dicke der Flüssigkeitsschicht beträgt normalerweise etwa 1 mm. ECD-Elemente auf der Basis von Viologen können als sogenannte Durchsichtelemente betrieben werden, wenn beide Elektroden lichtdurchlässig sind oder als Reflsxionselemente, wenn ein weißes reflektierendes Pigment der klaren elektrocromen Flüssigkeit zugemischt wird.

Ergänzend zu den beschriebenen Arbeitsprinzipien

gen erläutert

Es gibt zwei Arten von als ECD-Elemente bezeichneten slektrochromen Anzeigen. Bei der einen Art wird die Farbvariation durch Änderung der Opazität eines anorganischen festen Films hervorgerufen. Den typischen Aufbau eines solchen Elements läßt die F i g. 1 erkennen, bei der eine Schicht eines mit einem Bindemittel versetzten Kohlepulvers (bekannt unter der Handelsbezeichnung AQUADAG) mit Bezugshinweis 1 und eine nicht-rostende bzw. nicht korrodierende Plaite mit Bezugshinweis 2 gekennzeichnet sind. Sowohl die Schicht 1 als auch die Platte 2 bilden gemeinsam eine Gegenelektrode. Ein Abstandsstück ist mit 3, eine lichtdurchlässige Transparentelektrode mit 4, ein Glassubstrat mit 5, ein anorganischer fester Film, an dem das elektrochrome Phänomen auftritt mit 6 uüd ein Elektrolyt mit 7 bezeichnet Der anorganische Film 6 besteht aus dem für Elektrokoloration am häufigsten verwendeten Material WO₃ in einer Schichtdicke von etwa 1 μπι. Der Elektrolyt 7 besteht aus einem Gemisch von Schwefelsäure und einem organischen Alkohol, etwa Glyzerin und enthält außerdem ein feines weißes Pulver, etwa TiO₂. Der Alkohol dient zur Verdünnung der Säure und das Pigment TiO₂ bildet einen weißen reflektierenden Hintergrund zur besseren Kontrastwirkung für das Färbungsphänomen. Die Dicke der Flüssigkeitsschicht beträgt normalerweise etwa 1 mm. Die Gegenelektrode ist so gewählt, daß sich ein guter Ansteuerbetrieb für die Anzeigevorrichtung gewährleisten läßt.

Der Film aus amorphem WO3 verfärbt sich blau, wenn die Transparentelektrode in bezug auf die Gegenelektrode mit einem negativen Potential beaufschlagt wird; die zuzuführende Spannung beträgt mehrere Volt Die blaue Farbe verschwindet oder bleicht aus, wenn die Polarität der zugeführten Spannung umgekehrt wird; dieses Phänomen wird als »Bleichen« bezeichnet.

Die Kolorierung des Films entsteht offensichtlich durch Injektion von Elektronen oder Protonen in den WO₃-FiIm. Das Bleichen tritt bei Rückkehr der Elektronen bzw. Protonen in den Ausgangszustand ein, wenn die Polarität umgekehrt wird. Der Färbungszustand wird nach Abschalten der Färbungsspannung für mehrere Tage aufrechterhalten, solange keine Löschoder Bleichspannung zugeführt wird. Dieses Phänomen wird als »Speichereffekt« bezeichnet

Bei der zweiten Art von ECD-Elementen entsteht die Kolorierung durch eine elektrisch induzierte chemische Reduktion einer farblosen Flüssigkeit, und es entsteht ein farbiger unlöslicher Film auf der Kathodenoberfläche. Bei Abwesenheit von Sauerstoff verbleibt der gefärbte Film unverändert, solange kein Strom fließt.

von ECD-Zellen sei noch auf die folgenden vorteilhaften und charakteristischen Eigenschaften solcher Elemente hingewiesen:

1. Der Sicht- oder Abstrahlwinkel ist extrem weit;

2. eine Mehrzahl von Farben ist wählbar;

3. für einen einzigen Betriebszyklus Färben/Bleichen beträgt die Verlustleistung mehrere bis mehrere zehn mj/cm², wobei die gesamte Verlustleistung proportional ist zur Anzahl der Wiederholungszyklen;

4. es lassen sich Speichereffekte erreichen, durch die der Färbungszustand für mehrere Stunden bis zu mehreren Tagen aufrechterhalten werden kann, nachdem die Färbungsspannung abgeklemmt wurde, solange die ECD-Zellen in einem elektrisch offenen Zustand gehalten werden. Zur Aufrechterhaltung der Speicherwirkung wird keinerlei extern zuzuführende Leistung benötigt.

Das Schaltbild der F i g. 4 zeigt die Anordnung einer typischen Konstantspannungs-Anstcuerschaltung für ein Sieben-Segment-ECD-Ziffernanzeigeelement, dessen einzelne Segmente beispielsweise in der in F i g. 3 veranschaulichten Anordnung aufgeteilt sind. In der Fig.4 sind zur Erleichterung der Obersicht lediglich drei Segmente Si, S₂ und 5₃ veranschaulicht Die Treiberschaltung nach Fig.4 umfaßt im wesentlichen eine Speisequelle B, Polaritäts-Wählschalter SHOi und SW₀₂, die miteinander gekoppelt sind sowie Segmentschalter SWu SW₂ und SW₃.

Soll nur ein spezielles Segment S₁ koloriert werden, so werden die Wählschalter SW₀\ und SVkOi mit den jeweils unteren Klemmen in Kontakt gebracht und nur der Segmentschalter SiVi wird geschlossen, um die Verbindung zum Segment Si herzustellen. In diesem Augenblick fließt ein elektrischer Strom von der Gegenelektrode 9 über den Elektrolyten zur Segmentes elektrode Si, so daß sich das Segment S\ färbt

Ist ein ausreichender Färbungszustand am Segment Si erreicht, so wird wenigstens einer der Wählschalter SW bzw. SW⁷O₂ auf einen Zwischenzustand gebracht

■ und gehalten, um den Stromfluß zu unterbrechen. Das Segment S_t verbleibt so im gefärbten Zustand. Alternativ dazu wird die Speicherbedingung für das Segment Si hergestellt, wenn der Segmentschalter SW₁ offen ist, selbst wenn die Wählschalter SW_m und SW₀₂ in Kontakt mit den unteren Anschlußklemmen bleiben. Der Farbton läßt sich durch selektive Änderung der Einschaltperiode der jeweiligen Segmentschalter SW_U SW₂ und SW₃ einstellen.

Soll anschließend das Segment Si gelöscht werden, so werden die Wählschalter SHOi und SW₀₂ mit den oberen Klemmen in Kontakt gebracht und nur der mit dem Segment Si verbundene Segmentschalter SlVi wird geschlossen. In diesem Augenblick fließt ein Strom von der Segmentelektrode Si über den Elektrolyten zur Gegenelektrode 9, so daß das Segment Si gelöscht wird. Der Grad des Bleichens läßt sich ebenfalls durch Verändern der EIN-Schaltperiode des Segmentschalters SW₁ steuern.

Die Schalter der F i g. 4 können selbstverständlich als elektronische Schalter etwa als Transistor-Analogschalter ausgeführt sein.

F i g. 5 veranschaulicht eine typische Konstantpotential-Ansteuerschaltung für ECD-Elemente. In diesem Fall ist eine Bezugs- oder Referenzelektrode 14 in einer ECD-Zelle vorhanden. Der Darstellung in Fig.4 entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugshinweisen angegeben.

Die Ansteuerschaltung vom Konstantpotentialtyp umfaßt als wesentliche Baugruppen einen Operationsverstärker 15 und eine Konstantpotential-Versorgungsquelle 16 zur Festlegung des Potentials an der Bezugselektrode 14. Bei ECD-Elementen werden im allgemeinen im Grenzbereich zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten auftretende Reaktionen ausgenutzt, die durch den Stromfluß durch den Elektrolyten auftreten. Um eine stabile Reaktion sicherzustellen, ist es erforderlich, daß die zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten vorhandene Potentialdifferenz auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Die Konstantpotential-Ansteuer- oder Treiberschaltung ist so ausgelegt, daß eine bestimmte Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten auftritt.

Soll das Segment Si gefärbt werden, so wird der Segmentschalter SWi geschlossen und die Konstantpotential-Versorgungsquelle 16 gibt eine für den Färbungsvorgang erforderliche Einstell- oder Setzspannung V_se, ab. Das Potential des Elektrolyten wird durch die Bezugselektrode 14 abgetastet und wird einer Negativ-Eingangsklemme des Operationsverstärkers 15 zugeführt Der Operationsverstärker 15 gibt dann eine die Gegenelektrode 9 beaufschlagende Ausgangsspannung ab, so daß das Potential an der Bezugselektrode mit der Setzspannung V_x, übereinstimmt. Auf diese Weise wird die Potentialdifferenz zwischen dem Elektrolyten und der Segmentelektrode Si auf einem durch die Setzspannung V_x, festgelegten Wert gehalten. Hat die Färbung einen bestimmten gewünschten Pegel oder Sättigungsgrad erreicht, so wird der Segmentschalter SW] geöffnet, so daß das ECD-Element jetzt im sogenannten Speicherzustand steht

Soll das Segment Si gebleicht oder gelöscht werden, so wird der Segmentschalter SWj geschlossen und die Konstantpotential-Versorgungsquelle 16 gibt eine dem Bleichvorgang zugeordnete andere Setzspannung — V_x, ab. Die Betriebsabläufe sind im Prinzip die gleichen wie die bei der Kolorierung. Die Setzspannungen V_x, und — V_x, liegen bei etwa +1 V bzw. etwa -IV.

Für die soweit beschriebenen bekannten Ansteuerschaltungen vom Konstantspannungstyp bzw. Konstantpotentialtyp ist es wichtig, daß der Ausgangspegel der Versorgungsquelle auf einem bestimmten Wert fixiert bleibt, um stabile Betriebsbedingungen sowohl bei der Kolorierung als auch beim Bleichen sicherstellen zu können. In neuester Zeit besteht jedoch auch er Wunsch, ECD-Elemente in kleine tragbare Geräte, beispielsweise batteriegespeiste Uhren und tragbare batteriegespeiste Meßgeräte, einzubauen. Als gebräuchlichste Gleichstromversorgungsquelle wird hierbei eine Manganzelle verwendet, die unter der Bezeichnung SUM-I gehandelt wird. Der Ausgangspegel dieser Manganzelle SUM-I schwankt unter Betriebsbedingungen im Bereich von etwa 1,5 V bis etwa 0,9 V. Aus diesem Grund ist eine Schaltungsmaßnahme zur Kompensation der Schwankungen des Ausgangspegels der Stromversorgungsquelle erforderlich.

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Konstantpotential-Versorgungsquelle 16 in Verbindung mit einer Konstantspannungsschaltung gemäß der Erfindung:

Die Schaltung umfaßt Transistoren Tr₊ und 7>_, die über Widerstände R₁ bzw. R₂ automatisch vorgespannt sind, die zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode des zugeordneten Transistors Tr₊ bzw. Tr- liegen. Die Transistoren Tr₊ und Tr- wirken als Konstantstromelemente. Der Konstantstromausgang des Transistors Tr₊ ist mit einem veränderbaren Widerstand VRi verbunden, über dem sich eine konstante Spannung aufbaut. Der Konstantstromausgang des Transistors Tr- ist mit einem anderen veränderbaren Widerstand VR₁ verbunden, wodurch über diesem Widerstand VR₂ eine Spannung entsteht.

Die Setzspannungen V_S£., und — V_x,, die an den Abgriffen der veränderbaren Widerstände VR\ und VR₂ abgreifbar sind, ändern sich nicht selbst, wenn die Ausgangspegel der Stromversorgungszellen +B und — B schwanken.

Zur Steuerung der Stromversorgung für die Transistoren Tr₊ bzw. 7>_ sind Schalter Q bzw. G vorgesehen. Zur auswahlweisen Zuführung der Setzspannungen Vjf, und — V_sc, an den Treiber (Operationsverstärker) sind weitere Schalter C₂ bzw. C₃ vorhanden.

Die an einer Ausgangsklemme V₀ abgreifbaren Ausgangssignale gelangen auf den positiven Eingang des Operationsverstärkers 15 in F i g. 5. Die Schalter Q und C₂ sind wirkungsmäßig miteinander verbunden, so daß sie sich gleichzeitig betätigen lassen; entsprechendes gilt für die Schalter C₃ und G.

Wie bereits erwähnt, zeichnen sich ECD-Elemente durch Speichereffekt aus, so daß die Setzspannungen V_x, und — V_se, lediglich während des Karbens und Bleichens benötigt werden. Die normalen Zeitperioden für diese Vorgänge liegen unter mehreren Sekunden.

In der nachfolgenden Beschreibung sei angenommen, daß die ECD-Elemente für Anzeigen von Digitaluhren verwendet werden. Im Abschnitt für die Minutenanzeige ist der Anzeigezustand einmal jede Minute und im Abschnitt für die Stundenanzeige einmal jede Stunde zu ändern. Das heißt ein Kolorations- und/oder Bleichvorgang wird für den Minutenanzeigeabschnitt jeweils einmal pro Minute erforderlich. Sämtliche Segmente befinden sich also während mehr als 50 Sekunden innerhalb der Zeitperiode von einer Minute im Speicherzustand. In diesem Speicherzustand benötigen die ECD-Elemente keinerlei äußere Energiezufuhr. Die Schalter C\ und C₂ stehen nur während des

Färbe Vorgangs im Zustand EIN, so daß über den Transistor Tr₊ und den veränderbaren Widerstand V7?i Ausgang Vb die Setzspannung V_x,+ auftritt.

Andererseits stehen die Schalter d und G nur während des Bleichens der Anzeigeelemente im Zustand EIN, so daß am Ausgang V₀ über den Transistor Tr- und den veränderbaren Widerstand VR₂ die Setzspannung V«, _

entsteht. Im Speicherzustand stehen alle Schalter Q bis G im Zustand AUS, um die Verlustleistung möglichst klein zu halten.

Die einzelnen Schalter in den Schaltkreisen der F i g. 6 können beispielsweise durch MOS-Transistoren oder C-MOS-Transistoren verwirklicht sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Ansteuerschaltung für elektrochrome Anzeigeelemente mit einer Stromversorgungsquelle mit sich ändernder Abgabespannung und einem Treiber zur Erzeugung von den einzelnen elektrochromen Anzeigezellen zuzuführenden Färbungs- und Bleichspannungssignalen, dadurch gekennzeichnet, daß