DE102008031029A1

DE102008031029A1 - Elektronisches Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008031029A1
Application number: DE102008031029A
Authority: DE
Inventors: Dirk Gehrke
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: DE102008031029B4; US8264806B2; US20090323238A1

Abstract

Es wird ein elektronisches Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung bereitgestellt. Die Schutzschaltung umfasst einen ersten Knoten, der mit einer Anode der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt werden kann, und einen zweiten Knoten, der mit einer Kathode der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt werden kann. Zwischen den ersten und den zweiten Knoten ist eine Spannungserfassungsstufe geschaltet. Die Spannungserfassungsstufe kann einen Überspannungszustand zwischen dem ersten und dem zweiten Knoten erfassen. Ferner umfasst die Schutzschaltung einen Thyristor, der an seiner Anode mit dem ersten Knoten und an seiner Kathode mit dem zweiten Knoten und mit der Spannungserfassungsstufe gekoppelt ist. Bei Erfassung des Überspannungszustands im Normalbetrieb wird der Thyristor durchgesteuert, so dass der Strom durch den Thyristor fließen kann.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein ein elektronisches Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung.
HINTERGRUND
Bei vielen Anwendungen werden lichtemittierende Vorrichtungen, wie zum Beispiel Leuchtdioden (LEDs), in einer Kette angesteuert, d. h. derart, dass viele LEDs miteinander in Reihe geschaltet sind. Wenn jedoch eine LED in der in Reihe geschalteten LED-Kette ausfallen sollte, so kann dadurch ein Zustand mit offenem Stromkreis entstehen, in dem dann die ganze LED-Kette außer Funktion ist. Dies bedeutet einen Zeitverlust, während die schadhafte LED aufgefunden und repariert wird, was äußerst lästig ist und gefährlich sein kann, wenn die LED-Kette bei Anwendungen zum Einsatz kommt, bei denen es um Sicherheit geht, beispielsweise bei der Straßenbeleuchtung, Notbeleuchtung oder dergleichen. Besonders bei LEDs mit hoher Helligkeit, die oft bei diesen Anwendungen wie z. B. Straßenbeleuchtung, Festkörperbeleuchtung und Notbeleuchtung eingesetzt werden, die mit geringen Wartungskosten verbunden sein und eine lange Lebensdauer haben sollen, ist diese Situation äußerst unerwünscht. Weitere Anwendungen, die weniger kritisch sind, bei denen ein LED-Ausfall jedoch Auswirkungen hat, sind LED-Hintergrundbeleuchtungen für Flüssigkristallanzeige-Fernseher und -Bildschirme (LCD-Fernseher und -Bildschirme), bei denen man von Hintergrundbeleuchtungen mit Kaltkathodenröhren (KK) weg zu LED-Hintergrundbeleuchtungen übergeht.
LEDs können aufgrund einer elektrostatischen Entladung (ESD) leicht ausfallen, was zu einem Überspannungszustand führt. Wird die LED außerhalb ihres normalen oder Umgebungsspannungsbereichs betrieben, so führt dies zu einer Beschädigung. Es bestehen Lösungen zum Schutz von LEDs vor ESD, bei denen eine Einzeldiode verwendet wird, die innerhalb derselben Baugruppe in einer Antiparallel-Konfiguration zu der LED geschaltet ist. Dadurch kann die LED vor elektrostatischen Entladungen von bis zu 2 kV geschützt werden. Diese Lösung bietet der LED zwar Schutz für den Fall einer ESD, sie verhindert jedoch nicht den Funktionsverlust einer ganzen LED-Kette im Falle eines Ausfalls von nur einer LED in der Kette. Sollte die LED aus irgendeinem Grunde ausfallen, so wird der Betrieb daher dennoch unterbrochen, während die ausgefallene LED in der in Reihe geschalteten LED-Kette ermittelt und ausgetauscht wird, wodurch auch Kosten entstehen.
KURZFASSUNG
Dementsprechend schafft die Erfindung ein elektronisches Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung. Die Schutzschaltung umfasst einen ersten Knoten, der mit einer Anode der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt werden kann. Ein zweiter Knoten kann mit einer Kathode der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt werden, und zwischen den ersten und den zweiten Knoten ist eine Spannungserfassungsstufe geschaltet. Die Spannungserfassungsstufe kann einen Überspannungszustand zwischen dem ersten und dem zweiten Knoten erfassen. Ferner umfasst die Schutzschaltung einen Thyristor (auch als steuerbarer Gleichrichter (SCR) bekannt), der an seiner Anode mit dem ersten Knoten und an seiner Kathode mit dem zweiten Knoten und mit der Spannungserfassungsstufe gekoppelt ist. Bei Erfassung eines Überspannungszustands (z. B. im Normalbetrieb) wird die Steuerelektrode des Thyristors durchgesteuert, so dass Strom durch den Thyristor fließen kann.
Wenn aus einer Kette in Reihe geschalteter lichtemittierender Vorrichtungen eine lichtemittierende Vorrichtung ausfällt, so fällt die gesamte Versorgungsspannung, beispielsweise 20 V, die an der ganzen Vorrichtungskette abfiel, an der einzelnen ausgefallenen lichtemittierenden Vorrichtung ab, was zu einem Überspannungszustand führt (eine momentane scharfe Spitze in der an der lichtemittierenden Vorrichtung abfallenden Spannung). Wenn die Spannungserfassungsstufe einen solchen Überspannungszustand erfasst, wird die Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors erhöht, und die Steuerelektrode des Thyristors empfängt einen Spannungs- bzw. Stromimpuls. Dadurch wird der Thyristor so in einen leitenden Zustand gezündet bzw. geschaltet, dass er von seiner Anode zu seiner Kathode in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Ein vom Überspannungszustand herrührender Überstrom kann dann durch den Thyristor fließen und überbrückt auf diese Weise die lichtemittierende Vorrichtung. Mit anderen Worten, die ausgefallene oder defekte lichtemittierende Vorrichtung wird kurzgeschlossen, und bei einer Reihenschaltung der lichtemittierenden Vorrichtung mit einer Kette weiterer lichtemittierender Vorrichtungen bleibt die ganze Kette lichtemittierender Vorrichtungen weiterhin in Betrieb. Dies bietet den Vorteil, dass keine Unterbrechung des Betriebs der Kette lichtemittierender Vorrichtungen und somit kein unnötiger Aufwand an Wartungszeit oder -kosten entsteht. Die Erfindung schafft ferner eine Einrichtung dafür, den Betrieb einer Kette in Reihe geschalteter lichtemittierender Vorrichtungen aufrechtzuerhalten, ohne dass zusätzlich eine aufwändige externe Schaltungsanordnung erforderlich ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei Produkten, bei denen eine lange Lebensdauer und niedrige Wartungskosten der Kette lichtemittierender Vorrichtungen notwendig sind und/oder bei denen es um Sicherheit geht, wie zum Beispiel dann, wenn die Kette lichtemittierender Vorrichtungen für eine Anwendung wie Straßenbeleuchtung oder Notbeleuchtung eingesetzt wird. Darüber hinaus ist es mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Bauelement möglich, anstelle einer Vielzahl paralleler Ketten lichtemittierender Vorrichtungen, viele lichtemittierende Vorrichtungen zusammen in einer sehr langen Kette in Reihe zu koppeln, da keine Gefahr besteht, dass bei Ausfall von nur einer Vorrichtung in der Kette die gesamte Kette von Vorrichtungen ausfällt.
Das Bauelement kann in vorteilhafter Weise mit einem Melde-(Signalausgangs-)Pin versehen sein, der angibt, ob der Thyristor ausgelöst (gezündet) ist. Auf diese Weise ist es möglich zu ermitteln, ob der Thyristor ausgelöst ist, und somit, ob die lichtemittierende Vorrichtung überbrückt wird. Damit kann der Zustand der Vorrichtung gemeldet werden.
Die Spannungserfassungsstufe kann eine Reihenanordnung aus einer Diode und einem mit dem Thyristor parallelgeschalteten Widerstand aufweisen. In . diesem Fall können die Diode und der Widerstand zusammen in Reihe zwischen den ersten und den zweiten Knoten geschaltet sein. Die Diode kann an ihrer Kathode mit dem Eingangsknoten gekoppelt sein, und dann kann ein Knoten, der die Anode der Diode und den Widerstand miteinander verbindet, mit einer Steuerelektrode des Thyristors gekoppelt sein. Das bedeutet, dass die Diode antiparallel mit der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt ist und eine sehr kostengünstige Lösung für die Spannungserfassungsstufe bereitstellt, die bei Ausfall der lichtemittierenden Vorrichtung einen Überspannungszustand erfasst. Da bei Auftreten eines Überspannungszustands die Diode in Bezug auf die lichtemittierende Vorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt ist, d. h. die Spannung an der lichtemittierenden Vorrichtung zwischen Anode und Kathode oberhalb des zulässigen Bereichs von Betriebsspannungen der lichtemittierenden Vorrichtung liegt, kann Strom in Sperrrichtung durch die Diode fließen. Dies bewirkt einen Strom- bzw. Spannungsimpuls an der Steuerelektrode des Thyristors, der den Thyristor auslöst und dem Strom ermöglicht, in einer Richtung vom ersten Knoten zum zweiten Knoten durch den Thyristor zu fließen (von der Anode zur Kathode des Thyristors), womit die lichtemittierende Vorrichtung überbrückt oder kurzgeschlossen wird.
Die Diode in der Spannungserfassungsstufe kann als Zener-Diode ausgeführt sein. Wenn die Zener-Diode so gewählt ist, dass ihre Durchbruchspannung (Zener-Spannung) gleich der Spannung zwischen der Anode und der Kathode (der Spannung an der lichtemittierenden Vorrichtung) im Überspannungszustand ist, fließt Strom in Sperrrichtung der Zener-Diode, wenn der Überspannungszustand erreicht wird. Dies bewirkt, dass die Steuerelektrode des Thyristors diesen durchschaltet. Der Strompfad des Thyristors wird dann geöffnet, so dass Strom vom ersten Knoten zum zweiten Knoten durch den Thyristor fließen kann, damit die lichtemittierende Vorrichtung kurzgeschlossen oder überbrückt wird. Da der Strom die lichtemittierende Vorrichtung nur dann überbrücken kann, wenn die an der lichtemittierenden Vorrichtung anliegende Spannung die Durchbruchspannung der Zener-Diode übersteigt, kann die Schutzschaltung nicht irrtümlicherweise ausgelöst werden. Mit anderen Worten, die lichtemittierende Vorrichtung wird nur bei Erreichen des Überspannungszustands von der Schutzschaltung kurzgeschlossen.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Thyristor in Form von zwei Transistoren ausgeführt sein, d. h. eines PNP- und eines NPN-Bipolartransistors. Die Diode in der Spannungserfassungsstufe kann weiterhin als Zener-Diode ausgebildet sein, und die Zener-Diode kann zwischen die Basisanschlüsse der zwei Transistoren geschaltet sein. Ein oder mehrere Widerstände kann bzw. können mit der Zener-Diode in Reihe geschaltet sein. Der aus den beiden Bipolartransistoren bestehende Thyristor wird dann durchgeschaltet, wenn die Durchbruchspannung der Zener-Diode erreicht ist, was bedeutet, dass der Überspannungszustand erreicht ist. Dann wird der Strompfad des Thyristors geöffnet, so dass Strom durch die beiden Bipolartransistoren fließen kann, d. h. durch den Thyristor vom ersten Knoten zum zweiten Knoten, damit die lichtemittierende Vorrichtung kurzgeschlossen bzw. überbrückt wird.
Alternativ kann die Spannungserfassungsstufe einen zwischen den ersten und den zweiten Knoten geschalteten Thermistor aufweisen. Der Thermistor kann dabei so ausgelegt sein, dass er eine Spannung liefert, die sich mit der Temperatur an der Steuerelektrode des Thyristors ändert. Der Thermistor kann ein Widerstand mit entweder einem positiven Temperaturkoeffizienten oder einem negativen Temperaturkoeffizienten sein. Hat der Thermistor einen positiven Temperaturkoeffizienten, so erhöht sich die Spannung am Widerstand in Abhängigkeit vom Temperaturanstieg. Der Thermistor kann aber auch als Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten ausgeführt sein; dies bedeutet, dass die Spannung am Widerstand mit ansteigender Temperatur abnimmt.
Die Spannungserfassungsstufe kann ferner eine Vergleichseinrichtung aufweisen, die an ihrem Eingang einen Spannungsabfall am Thermistor empfangen kann und deren Ausgang mit der Steuerelektrode des Thyristors gekoppelt ist. Das heißt, sollte die Temperatur der lichtemittierenden Vorrichtung so ansteigen, dass sie außerhalb des Umgebungsbetriebsbereichs liegt, so nimmt der Spannungsabfall an dem Thermistor zu oder ab (je nachdem, ob der jeweilige Thermistor einen positiven oder einen negativen Temperaturkoeffizienten hat), was dazu führt, dass der Ausgang der Vergleichseinrichtung einen hohen Pegel annimmt. Da die Steuerelektrode des Thyristors mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung gekoppelt ist, wird die Steuerelektrode des Thyristors daher so angesteuert, dass sie den Thyristor durchschaltet und Strom in einer Richtung vom ersten Knoten zum zweiten Knoten durch den Thyristor fließen kann, womit die lichtemittierende Vorrichtung überbrückt wird. Die Vorrichtung wird dann kurzgeschlossen, bevor sie wegen Überhitzung ausfällt. Dies bietet den Vorteil, dass die lichtemittierende Vorrichtung bei einer höheren Umgebungstemperatur zuverlässig arbeiten kann, da sie automatisch überbrückt wird, wenn ihre Betriebstemperatur auf eine Temperatur außerhalb des zulässigen Bereichs ansteigt.
Außerdem könnte die lichtemittierende Vorrichtung den Betrieb wieder aufnehmen, sobald sich der Thermistor auf eine Temperatur innerhalb des Umgebungstemperaturbereichs abgekühlt hat. Diese Funktionalität ließe sich beispielsweise anhand einer Hysterese implementieren. Darüber hinaus könnte die Vorrichtung mit einem Signalausgangs-(Melde-)Pin versehen sein, der dazu verwendet werden könnte zu bestimmen, ob der Thyristor ausgelöst (gezündet) ist. Auf diese Weise ist eine Meldung der Übertemperatur der lichtemittierenden Vorrichtung möglich.
Das elektronische Bauelement umfasst ferner vorteilhaft eine zusätzliche Diode, die mit dem Thyristor parallelgeschaltet ist, wobei sie an ihrer Anode mit dem zweiten Knoten und an ihrer Kathode mit dem ersten Knoten verbunden ist. Mit anderen Worten, die zusätzliche Diode ist antiparallel mit dem Thyristor und der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt. Diese zusätzliche Diode ist so ausgebildet, dass sie die lichtemittierende Vorrichtung vor elektrostatischer Entladung (ESD) schützt. Daher fließt im Falle einer elektrostatischen Entladung, zum Beispiel bis zu 2 kV, Strom in Sperrrichtung der Diode, wodurch die lichtemittierende Vorrichtung kurzgeschlossen und vor dem durch die elektrostatische Entladung hervorgerufenen Überspannungszustand geschützt wird.
Das erfindungsgemäße elektronische Bauelement kann in einer Baugruppe für eine lichtemittierende Vorrichtung implementiert sein. Diese Baugruppe für die lichtemittierende Vorrichtung kann dann eine lichtemittierende Vorrichtung umfassen, die mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Bauelement so gekoppelt ist, dass die Anode der lichtemittierenden Vorrichtung mit dem ersten Knoten und die Kathode der lichtemittierenden Vorrichtung mit dem zweiten Knoten gekoppelt ist. Bei dieser Baugruppe für die lichtemittierende Vorrichtung kann die lichtemittierende Vorrichtung auf einem ersten Chip und das elektronische Bauelement auf einem vom ersten Chip getrennten zweiten Chip vorgesehen sein. Die Bauelementbaugruppe so aufzuteilen, dass die lichtemittierende Vorrichtung auf einem Chip und die Schutzschaltung in dem erfindungsgemäßen Bauelement auf einem anderen, gesonderten Chip vorgesehen ist, bietet den Vorteil einer Bauelementbaugruppe, die sehr flexibel ist, und bestehende Designs können ohne weiteres angepasst werden. Weiterhin bedeutet die Anordnung der Schutzschaltung auf einem von der lichtemittierenden Vorrichtung getrennten Chip, dass es möglich ist, Bauelementbaugruppen zu bilden, die das erfindungsgemäße Bauelement sowie eine lichtemittierende Vorrichtung irgendeiner anderen Art enthalten. Außerdem bedeutet die Anordnung des erfindungsgemäßen Bauelements auf einem von der lichtemittierenden Vorrichtung getrennten Chip, dass jegliche Wärme, die von der lichtemittierenden Vorrichtung erzeugt wird, nicht der Schutzschaltung zugeführt wird und somit die Funktion der Schutzschaltung nicht stört.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen vereinfachten Schaltplan einer Bauelementbaugruppe mit einem elektronischen Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 einen vereinfachten Schaltplan einer Bauelementbaugruppe mit einem elektronischen Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
3 einen vereinfachten Schaltplan einer Bauelementbaugruppe mit einem elektronischen Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
4 einen detaillierteren Schaltplan einer Bauelementbaugruppe mit einem elektronischen Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
5 einen vereinfachten Schaltplan einer Bauelementbaugruppe mit einem elektronischen Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist ein vereinfachter Schaltplan einer Bauelementbaugruppe mit einem elektronischen Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Eine Bauelementbaugruppe 1 weist zwei Chips auf: einen ersten Chip 2 mit einer lichtemittierenden Vorrichtung LED und einen zweiten Chip 3 mit einer darauf vorgesehenen Schutzschaltungsanordnung zum Schutz der lichtemittierenden Vorrichtung LED. Die lichtemittierende Vorrichtung LED ist zwischen eine Anode A und eine Kathode C geschaltet, wobei ihre Anode mit der Anode A und ihre Kathode mit der Kathode C verbunden ist. Die auf dem getrennten Chip 3 vorgesehene Schutzschaltung weist eine Zener-Diode Z auf, deren Kathode mit der Anode A gekoppelt ist und deren Anode mit einem Widerstand R gekoppelt ist, wobei der Widerstand R ebenfalls mit der Kathode C gekoppelt ist. Die Zener-Diode Z und der Widerstand R sind miteinander in Reihe geschaltet, wobei ein die Zener-Diode Z und den Widerstand R miteinander verbindender Knoten mit der Steuerelektrode CG eines Thyristors T verbunden ist. Der Thyristor T ist zwischen die Anode A und die Kathode C geschaltet, wobei seine Anode TA mit der Anode A und seine Kathode TC mit der Kathode C gekoppelt ist. In einer Antiparallel-Konfiguration bezüglich des Thyristors T ist eine Diode D geschaltet, wobei ihre Kathode mit der Anode A und ihre Anode mit der Kathode C verbunden ist.
Wenn die lichtemittierende Vorrichtung LED ausfallen sollte, wird dadurch ein Spannungsstoß bzw. eine Spannungsspitze, d. h. ein plötzlicher momentaner Spannungsanstieg, zwischen der Anode A und der Kathode C verursacht, anders ausgedrückt, ein Überspannungszustand. Die Zener-Diode Z ist so gewählt, dass ihre Durchbruchspannung gleich einer vorbestimmten Spannung ist, bei der ein Überspannungszustand auftritt.
Wenn die im Überspannungszustand zwischen der Anode A und der Kathode C an der LED anliegende Spannung größer als die Durchbruchspannung der Zener-Diode Z (die Zener-Spannung) ist, fließt deshalb Strom in Sperrrichtung durch die Zener-Diode Z von ihrer Kathode zu ihrer Anode, und die Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors steigt daher an (es kommt zu einem Stromimpuls bzw. einem Spannungsimpuls an die Steuerelektrode des Thyristors T). Die Steuerelektrode des Thyristors T wird dann so gezündet, dass sie den Kanal des Thyristors T öffnet und der Thyristor T ausgelöst wird, so dass Strom in einer Richtung von der Anode A zur Kathode C durch den Thyristor T fließt, wodurch die lichtemittierende Vorrichtung LED kurzgeschlossen wird. Das heißt, dass in dem Fall, dass die lichtemittierende Vorrichtung LED mit einer Kette weiterer lichtemittierender Vorrichtungen in Reihe geschaltet ist, die weiteren lichtemittie renden Vorrichtungen weiterhin arbeiten, da ein durch den Thyristor T fließender Strom den Leerlaufzustand der ausgefallenen lichtemittierenden Vorrichtung LED überbrückt. Selbst wenn an der Steuerelektrode des Thyristors T keine Spannung mehr anliegt bzw. kein Strom mehr zugeführt wird, bleibt der Thyristor T dennoch leitend, um die LED kurzzuschließen. Mit anderen Worten, der Thyristor T bleibt sogar nach dem durch den Überspannungszustand verursachten momentanen Spannungsimpuls an seiner Steuerelektrode CG in seinem Durchlasszustand ausgelöst. Solange seine Anode TA positiv vorgespannt bleibt, kann er erst dann gelöscht werden, wenn der Anodenstrom unter den vom Hersteller vorgegebenen Haltestrom fällt. Der Thyristor T kann jedoch gelöscht werden, wenn der äußere Stromkreis bewirkt, dass seine Anode TA negativ vorgespannt wird.
Ferner schützt die Diode D im Falle des Auftretens eines Spannungsstoßes aufgrund von elektrostatischer Entladung (ESD) die LED bei einer ESD von bis zu 2 kV vor der ESD. Dies liegt daran, dass die Durchbruchspannung der Diode D so gewählt ist, dass dann, wenn die aufgrund der ESD an der LED anliegende Spannung über die Durchbruchspannung der Diode D ansteigt, Strom durch die Diode D in ihrer Sperrrichtung von ihrer Kathode zu ihrer Anode fließt, wodurch die lichtemittierende Vorrichtung LED überbrückt und vor dem Überstrom aufgrund der ESD geschützt wird.
In der 2 ist ein vereinfachter Schaltplan einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Thyristor T (steuerbarer Gleichrichter) kann durch zwei gekoppelte bipolare Flächentransistoren T1 und T2 ausgeführt sein. Der Transistor T1 ist ein NPN-Transistor und der Transistor T2 ist ein PNP-Transistor, wobei der Basisanschluss von T1 mit dem Kollektor von T2 und der Basisanschluss von T2 mit dem Kollektor von T1 gekoppelt ist. Der Emitter von T2 entspricht der in 1 gezeigten Thyristoranode TA, und der Emitter von T1 entspricht der in 1 gezeigten Thyristorkathode TC. Die Zener-Diode Z ist zwischen die Basisanschlüsse von T1 und T2 geschaltet, wobei ein Widerstand R1 zwischen den Kollektoranschluss von T1 und die Anode A geschaltet ist und ein Widerstand R2 zwischen den Kollektoranschluss von T2 und die Kathode C geschaltet ist. Die Triggerspannung und die Einschaltspannung des von den Transistoren T1 und T2 implementierten steuerbaren Gleichrichters können wie folgt berechnet werden. Die Werte sind lediglich beispielhaft angegeben.
Triggerspannung (Spannung, bei der der Thyristor bzw. steuerbare Gleichrichter ausgelöst wird) = Zener-Spannung + V_BE (Ti) + V_BE (T2),
worin die Zener-Spannung die Durchbruchspannung der Zener-Diode Z ist, V_BE (T1) die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 ist und V_BE (T2) die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T2 ist.
Beispielsweise ist bei einer Zener-Spannung von 6,5 V und einer Basis-Emitter-Spannung V_BE von 0,7 V für beide Transistoren T1 und T2 die
Triggerspannung = 6,5 V + 0,7 V + 0,7 V = 7,9 V, und die
Einschaltspannung = (Ion × R1) + V_CE,
worin Ion der Strom durch die Thyristoranordnung ist, wenn diese ausgelöst ist, R1 der Widerstand des Widerstands R1 ist und V_CE die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T1 ist.
Beispielsweise ist, wenn Ion = 750 mA, R1 = 2 Ω und 0,2 V ≤ V_CE ≤ 0,4 V,
die Einschaltspannung = (750 mA × 2 Ω) + (0,2 V ≤ V_CE ≤ 0,4 V) = 1,7 V bis 1,9 V.
In der 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines in einer Baugruppe 1 für eine lichtemittierende Vorrichtung implementierten elektronischen Bauelements gezeigt.
Die Schaltung gleicht derjenigen, die mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde, und die gleichen Elemente werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Bauelementbaugruppe 1 umfasst ebenfalls eine auf einem Chip 2 vorgesehene lichtemittierende Vorrichtung LED, die zwischen eine Anode A und eine Kathode C geschaltet ist, wobei ihre Anode mit der Anode A und ihre Kathode mit der Kathode C verbunden ist. Die Schutzschaltung nach dieser Ausführungsform hat jedoch eine Konfiguration, die von der der oben beschriebenen ersten Ausführungsform verschieden ist, und sie ist auf einem vom Chip 2 getrennten, weiteren Chip 4 vorgesehen.
Bei dieser Ausführungsform ist ebenfalls ein Thyristor T mit seiner Anode TA mit der Anode A und seiner Kathode TC mit der Kathode C so verbunden, dass er mit der lichtemittierenden Vorrichtung LED parallelgeschaltet ist, wenn die Chips 2 und 4 miteinander gekoppelt sind. Diese Ausführungsform unterscheidet sich jedoch darin von der ersten Ausführungsform, dass die Steuerelektrode CG des Thyristors T mit dem Ausgang eines Komparators CMP verbunden ist. Eine Reihenanordnung aus den Widerständen R3 und R4 ist zwischen die Anode A und die Kathode C geschaltet, und ein die Widerstände R3 und R4 miteinander verbindender Knoten ist mit einem ersten Eingang des Komparators CMP verbunden. Eine Reihenanordnung aus einem Thermistor RT und einem Widerstand R5 ist ebenfalls zwischen die Anode A und die Kathode C geschaltet, parallel zur Widerstandsanordnung R3 und R4. Ein den Thermistor RT und den Widerstand R5 miteinander verbindender Knoten ist mit einem zweiten Eingang des Komparators CMP verbunden. Der Thermistor RT kann vorzugsweise einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, derart, dass die an ihm anliegende Spannung in Abhängigkeit von einem Anstieg der Temperatur ansteigt. Als Alternative kann jedoch bei einer modifizierten Schaltung ein Thermistor mit einem negativen Temperaturkoeffizienten verwendet werden, derart, dass die an ihm anliegende Spannung in Abhängigkeit von einem Temperaturanstieg fällt.
Der Temperaturkoeffizient des Thermistors RT (entweder positiv oder negativ) und die Widerstandswerte der Widerstände R3, R4 und R5 sind so gewählt, dass die Spannungen am ersten und am zweiten Eingang des Komparators CMP bei Betrieb der LED in ihrem normalen Umgebungstemperaturbereich gleich sind, so dass der Ausgang des Komparators zum Beispiel niedrig ist. Wenn die lichtemittierende Vorrichtung LED jedoch zu heiß wird, d. h. ihre Temperatur über ihre Umgebungsbetriebstemperatur ansteigt, dann erhöht sich die Spannung am Thermistor RT (sofern er einen positiven Temperaturkoeffizienten hat) bzw. verringert sich (sofern er einen negativen Temperaturkoeffizienten hat). Das heißt, dass zwischen den Spannungen am ersten und am zweiten Eingang des Komparators CMP eine Differenz vorhanden ist, was eine Spannungserhöhung am Ausgang des Komparators CMP hervorruft. Dadurch erhöht sich die Spannung an der Steuerelektrode CG des Thyristors T, wodurch die Steuerelektrode des Thyristors T dazu veranlasst wird, den Thyristor T zu öffnen, so dass dann Strom in einer Richtung von der Anode A zur Kathode C durch den Thyristor T fließt. Dies hat zur Folge, dass die lichtemittierende Vorrichtung LED überbrückt bzw. kurzgeschlossen wird und sich abkühlen kann. Mit abnehmender Temperatur der LED verringert sich die Spannung am Thermistor RT (wenn der Thermistor RT einen positiven Temperaturkoeffizienten hat) bzw. erhöht sich (wenn der Thermistor RT einen negativen Temperaturkoeffizienten hat). Schließlich werden die Spannungen an beiden Eingängen des Komparators CMP somit gleich, wenn die LED wieder ihre Umgebungsbetriebstemperatur erreicht, und der Ausgang des Komparators CMP ist beispielsweise niedrig. Der Strompfad des Thyristors T bleibt jedoch offen, und unter Kurzschließen der lichtemittierenden Vorrichtung LED fließt noch immer Strom durch den Thyristor T, bis entweder die Leistungszufuhr zum Thyristor T abgeschaltet oder der Thyristor T in Sperrrichtung gepolt wird. Die LED kann deshalb am oberen Ende ihres Umgebungsbetriebstemperaturbereichs zuverlässig arbeiten, da die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform es zwangsläufig ermöglicht, dass die LED überbrückt wird, sollte ihre Temperatur so ansteigen, dass sie außerhalb des Umgebungsbetriebsbereichs liegt.
In der 4 ist die auf dem Chip 4 vorgesehene Schutzschaltung aus 3 detaillierter gezeigt, wobei der Thyristor T bzw. der steuerbare Gleichrichter mittels eines NPN- und eines PNP-Bipolartransistors T1 bzw. T2 implementiert ist, sowie mit der in 2 gezeigten Widerstandsanordnung aus R1 und R2. Die Anordnung der Widerstände R3, R4, R5 und RT und der Komparator CMP entsprechen der 4. Die Funktionsweise der in 4 gezeigten Schaltung entspricht der oben anhand von 3 beschriebenen.
Bei einer alternativen Ausführungsform könnten die auf dem Chip 4 vorgesehenen und in den 3 und 4 gezeigten Schutzschaltungen zum Kurzschließen oder Überbrücken der lichtemittierenden Vorrichtung LED in dem Falle, dass ihre Temperatur über den Umgebungsbetriebsbereich ansteigt, auch mit einer Hysterese ausgeführt sein. Auf diese Weise kann die Schutzschaltungsanordnung, sobald sich die lichtemittierende Vorrichtung LED wieder auf eine bestimmte Temperatur innerhalb ihres Umgebungsbetriebsbereichs abgekühlt hat, ausgeschaltet werden, so dass die LED nicht mehr überbrückt wird und den Betrieb wieder aufnehmen kann. Dann kann die lichtemittierende Vorrichtung LED in einem dedizierten Temperaturbereich betrieben werden, ohne Gefahr zu laufen, dass sie beschädigt wird, während sie bei hohen Temperaturen betrieben wird. Außerdem wird, wenn bei steigender Temperatur eine Kette von lichtemittierenden Vorrichtungen überbrückt wird, weniger Wärme abgeführt, wodurch sich das ganze System abkühlen kann. Auf diese Weise können die lichtemit tierenden Vorrichtungen eine nach der anderen wieder zu laufen beginnen. Damit kann das System insgesamt unter Überhitzungsbedingungen zuverlässiger werden.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem anderen Beispiel eines elektronischen Bauelements 1 mit einem ersten Chip 2, auf dem eine lichtemittierende Vorrichtung LED vorgesehen ist, und einer auf einem zweiten Chip 5 vorgesehenen Schutzschaltung. Wiederum ist der zweite Chip 5 von dem ersten Chip 2 getrennt. In diesem Fall ist ein Thyristor bzw. eine Anordnung mit einem steuerbaren Gleichrichter durch einen PNP-Transistor T2 und einen NPN-Transistor T3 mit einem Doppelemitter-Aufbau realisiert. Einer der Emitteranschlüsse des Transistors T3 ist mit einem Meldepin P gekoppelt. Der Pegel des Emitterstroms Ie am Meldepin P kann dann den Zustand des Thyristors (steuerbaren Gleichrichters) anzeigen, d. h. ob er ausgelöst ist oder nicht. Der Basisanschluss des Transistors T2 ist mit dem Kollektor des Transistors T3 gekoppelt, und der Basisanschluss des Transistors T3 ist mit dem Kollektor des Transistors T2 gekoppelt. Der Emitter des Transistors T2 ist mit der Anode A gekoppelt, und der andere Emitter des Transistors T3, der nicht mit dem Meldepin P gekoppelt ist, ist mit der Kathode C gekoppelt. Ein Widerstand R1 ist zwischen die Anode A und eine Zusammenschaltung des Basisanschlusses des Transistors T2 und des Kollektors des Transistors T3 geschaltet. Ein Widerstand R2 ist zwischen die Kathode C und eine Zusammenschaltung des Basisanschlusses des Transistors T3 und des Kollektors des Transistors T2 geschaltet. Mit der Anordnung des steuerbaren Gleichrichters ist eine Diode D parallelgeschaltet, deren Anode mit der Kathode C und deren Kathode mit der Anode A verbunden ist.
Die auf dem zweiten Chip 5 vorgesehene Schutzschaltung kann entweder eine Spannungserfassungsstufe aufweisen, die mit einer zwischen die Basisanschlüsse der Transistoren T2 und T3 geschalteten Zener-Diode ausgeführt ist, wie in 2 (und mit punktierten Linien in 3) gezeigt, oder mit der in 4 gezeigten Thermistor- und Komparatoranordnung. In beiden Fällen wird bei Auftreten eines Überspannungszustands in der lichtemittierenden Vorrichtung LED die Thyristoranordnung bzw. die Anordnung mit steuerbarem Gleichrichter ausgelöst und die LED kurzgeschlossen bzw. überbrückt, so dass Strom durch die Thyristoranordnung fließt. Der Strom Ie vom mit dem Meldepin P verbundenen Emitter des Transistors T3 fließt dann zum Meldepin P, der anzeigt, dass die Thyristoranordnung ausgelöst ist und somit, dass die lichtemittierende Vorrichtung LED ausgefallen ist. Der Strom Ie am Meldepin P kann ein Prozentsatz, zum Beispiel 1% oder 2%, des Stroms in der Thyristoranordnung bzw. der Anordnung des steuerbaren Gleichrichters sein, wenn sie ausgelöst bzw. gezündet wird. Der Auslöse- oder Zündstrom des Thyristors kann beispielsweise 350 mA oder 750 mA betragen, je nach den Anwendungsanforderungen des Bauelements sowie dessen Aufbau. Wenn der Thyristor nicht ausgelöst ist, liegt kein Stromausgang aus dem Meldepin P vor; folglich zeigt dieser Zustand an, dass die LED funktionsfähig ist und nicht von der Schutzschaltungsanordnung kurzgeschlossen wird. Informationen über den Strom Ie am Meldepin können zur Erzeugung einer Wahr/Falsch-Logik auf einem gewünschten Spannungspegel verwendet werden. Ein solcher Strom Ie am Meldepin P kann beispielsweise mittels eines optischen Anzeigegeräts wie etwa einer Lampe angezeigt werden. Der Meldepin P kann auch eine Anzeige liefern, wenn die Temperatur der LED über den Umgebungsbetriebsbereich hinaus angestiegen ist.
Die Erfindung ist vorstehend zwar unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden, sie ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und dem Fachmann werden zweifelsohne weitere Alternativen einfallen, die innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung liegen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der lichtemittierenden Vorrichtung beispielsweise um eine Leuchtdiode (LED). Dies dient jedoch nur zum Zwecke der Veranschaulichung, und das erfindungsgemäße Bauelement kann gemeinsam mit jeder Art von lichtemittierender Vorrichtung verwendet werden, zum Beispiel einem Halbleiterlaser. Zudem können die Schutzschaltungen der in den 2, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen miteinander verwendet werden, alle drei Ausführungsformen zusammen, oder alternativ können die in den 2 und 5 bzw. in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen jeweils zusammen in einer Schutzschaltung zum Einsatz kommen.

Claims

Elektronisches Bauelement mit einer Schutzschaltung für eine lichtemittierende Vorrichtung, wobei die Schutzschaltung folgendes umfasst: einen ersten Knoten, der mit einer Anode der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt werden kann, einen zweiten Knoten, der mit einer Kathode der lichtemittierenden Vorrichtung gekoppelt werden kann, und eine zwischen den ersten und den zweiten Knoten geschaltete Spannungserfassungsstufe, wobei die Spannungserfassungsstufe einen Überspannungszustand zwischen dem ersten und dem zweiten Knoten erfassen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung ferner einen Thyristor umfasst, der an seiner Anode mit dem ersten Knoten und an seiner Kathode mit dem zweiten Knoten sowie mit der Spannungserfassungsstufe gekoppelt ist, derart, dass der Thyristor bei Erfassung des Überspannungszustands durchgesteuert wird, so dass Strom durch den Thyristor fließen kann.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungsstufe eine Reihenanordnung aus einer Diode und einem mit dem Thyristor parallelgeschalteten Widerstand aufweist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode an ihrer Kathode mit dem ersten Knoten gekoppelt ist und ein Knoten, der die Anode der Diode und den Widerstand miteinander verbindet, mit einer Steuerelektrode des Thyristors gekoppelt ist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode eine Zener-Diode ist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungsstufe einen zwischen den ersten und den zweiten Knoten geschalteten Thermistor aufweist, der eine Spannung liefern kann, die sich mit der Temperatur an einer Steuerelektrode des Thyristors ändert.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungsstufe eine Vergleichseinrichtung aufweist, die an ihrem Eingang einen Spannungsabfall an dem Thermistor empfangen kann und deren Ausgang mit der Steuerelektrode des Thyristors gekoppelt ist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 5, das ferner einen Meldepin umfasst, der einen Betriebszustand des Thyristors meldet.
Elektronisches Bauelement nach einem vorhergehenden Anspruch, das ferner eine zusätzliche Diode umfasst, die die lichtemittierende Vorrichtung vor elektrostatischer Entladung schützt, wobei die zusätzliche Diode an ihrer Anode mit dem zweiten Knoten und an ihrer Kathode mit dem ersten Knoten gekoppelt mit dem Thyristor parallelgeschaltet ist.
Baugruppe für eine lichtemittierende Vorrichtung, mit einer lichtemittierenden Vorrichtung, die mit einem elektronischen Bauelement nach einem vorhergehenden Anspruch so gekoppelt ist, dass die Anode der lichtemittierenden Vorrichtung mit dem ersten Knoten und die Kathode der lichtemittierenden Vorrichtung mit dem zweiten Knoten gekoppelt ist.
Baugruppe für eine lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Vorrichtung auf einem ersten Chip und das elektronische Bauelement auf einem vom ersten Chip getrennten zweiten Chip vorgesehen ist.