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Oberbegriff
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Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung beziehen sich auf die Erzeugung kurzer Lichtimpulse durch geeignete Ansteuerung mindestens einer Leuchtdiode, im Folgenden auch mit LED bezeichnet.
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Allgemeine Einleitung
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LIDAR wird in Zukunft eine wichtige Rolle spielen bei ADAS und autonomen Fahren. Strenge Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfordern hier zuverlässige und empfindliche Systeme, damit in Extremsituationen die richtigen Entscheidungen getroffen werden können. Hierfür notwendige kurze Lichtpulse sind in vielen Anwendungen von Bedeutung. Falls nötig, wird oft auf teurere Laserdioden zurückgegriffen, um Pulse kürzer als ca. 10ns zu ermöglichen. Eine Hauptanwendung für gepulste Lichtquellen ist die Lichtlaufzeitmessung zur Distanzbestimmung (Bsp. Flash LIDAR). Da die Information der Messung in den Flanken der Pulse steckt, ist eine Verkürzung der Pulslänge gleichbedeutend mit einer Verbesserung der Effizienz, was unmittelbar in eine Verbesserung der Performance umgesetzt werden kann. Insbesondere bei LIDAR Systemen mit hoher Reichweite ist die Systemperformance limitiert durch die zulässige Emissionsleistung. Eine effiziente Lichtquelle ist demnach mindestens genau so entscheidend für die Systemperformance wie ein empfindlicher Sensor. Im Allgemeinen werden LIDAR-Systeme mit durch Spiegeln ablenkbaren LaserStrahlen verwendet.
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Hier entsteht jedoch das Problem der hohen Energiedichte. Diese kann Augen schädigen.
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Flash LIDAR Systeme werden heute mit dedizierten Infrarot-Pulsquellen realisiert und sind in ihrer Reichweite und Empfindlichkeit durch eine gesetzliche limitierte Sendeleistung zur Einhaltung der Augensicherheit begrenzt.
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Kurze Lichtimpulse gepulster Lichtquellen haben somit eine herausragende Bedeutung für die Lichtlaufzeitmessung zur Distanzbestimmung. Die Effizienz solcher Lichtlaufzeitmessungen wird hierbei bei bestimmten Verfahren durch die Pulslänge bestimmt. Eine Verkürzung der Pulslänge erhöht die Effizienz, da dann bei gleichbleibender mittlerer Lichtleistung eine höhere Reichweite erzielt werden kann.
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Stand der Technik
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LIDAR Systeme im automobilen Bereich werden heute generell mit dedizierten Beleuchtungsquellen gebaut. Hierdurch ist man aus Akzeptanzgründen auf den nicht sichtbaren Wellenbereich beschränkt und muss mit geringen Ausmaßen bezüglich des in den Kfz zur Verfügung stehenden Bauraums auskommen. Beide Limitierungen wirken sich unter Berücksichtigung der Augensicherheit mindernd auf die maximale Sendeleistung und damit auf die Performance des Systems aus. Hier ist dringend eine Reichweitenvergrößerung erforderlich. Wie im Folgenden weiter ausgeführt ist, ist eine Schlüsselfrage die Erzeugung kurzer Lichtimpulse mit Leuchtdioden (LEDs) oder Laserdioden.
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LED-Pulse werden nach dem Stand der Technik durch schaltbare Strom- oder Spannungsquellen erzeugt. Hierbei entstehen typischerweise Anstiegs- und Abfallzeiten in der Größenordnung von 10ns. Diese sind bedingt durch das Umladen der Sperrschichtkapazität in Verbindung mit parasitären Komponenten der Diode und deren Anschlüssen.
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Aus der
EP 0 470 780 A2 ist eine Vorrichtung zur Verbesserung der Pulsform einer LED bekannt. Eine H-Brücke aus vier Bipolar-Transistoren (
1 der
EP 0 470 780 A2 und deren Bezugszeichen 12, 14, 24, 26) wird genutzt, um eine LED (Bezugszeichen 18 der
EP 0 470 780 A2 ) zu treiben. Die in der
EP 0 470 780 A2 offenbarte H-Brücke weist den Nachteil auf, dass sie in Sperrrichtung zwei Widerstände (Bezugszeichen 20 und 22 der
EP 0 470 780 A2 ) aufweisen muss, um infolge der Nutzung auftretende Querströme in den beiden H-Brücken zu begrenzen. (Siehe Spalte 2 Zeilen 49 bis 51 der
EP 0 470 780 A2 ). Dies limitiert das Ausschaltverhalten der in der
EP 0 470 780 A2 vorgeschlagenen Treiberschaltung wesentlich gegenüber dem hier vorgeschlagenen Verfahren und der hier vorgeschlagenen Vorrichtung. Des Weiteren umfasst der in der
EP 0 470 780 A2 vorgeschlagene Schaltkreis eine Stromquelle (Bezugszeichen 16 der
EP 0 470 780 A2 ), die die Integration zumindest eines weiteren Stromquellentransistors in den Schaltkreis erfordert. Die H-Brücke der
EP 0 470 780 A2 ist somit nicht spannungsversorgt, sondern stromversorgt aus der besagten Stromquelle (Bezugszeichen 16 der
EP 0 470 780 A2 ). Diese zusätzliche Stromquelle verursacht einen zusätzlichen Chipflächenbedarf bei Integration in einen integrierten mikroelektronischen Schaltkreis. Entsprechend der technischen Lehre der
EP 0 470 780 A2 wird die LED im ausgeschalteten Zustand betrieben, indem der erste High-Side-Transistor der ersten Halbbrücke (Bezugszeichen 24 der
EP 0 470 780 A2 ) ausgeschaltet ist und der zweite High-Side-Transistor der zweiten Halbbrücke (Bezugszeichen 26 der
EP 0 470 780 A2 ) ausgeschaltet ist und der erste Low-Side-Transistor der ersten Halbbrücke (Bezugszeichen 12 der
EP 0 470 780 A2 ) eigeschaltet ist und der zweite Low-Side-Transistor der zweiten Halbbrücke (Bezugszeichen 14 der
EP 0 470 780 A2 ) ausgeschaltet ist. Im ausgeschalteten Zustand ist entsprechend der technischen Lehre der der
EP 0 470 780 A2 die Leuchtdiode (Bezugszeichen 18 der
EP 0 470 780 A2 ) also nur mit ihrer Anode über den ersten Low-Side-Transistor der ersten Halbbrücke (Bezugszeichen 12 der
EP 0 470 780 A2 ) mit der Stromquelle (Bezugszeichen 16 der
EP 0 470 780 A2 ) verbunden. Hier sei auf die Timing-Diagramme in
1 der
EP 0 470 780 A2 hingewiesen. Die LED (Bezugszeichen 18 der
EP 0 470 780 A2 ) ist also im ausgeschalteten Zustand nicht mit einer Energiequelle verbunden, da die Kathode der LED in diesem Zustand gemäß der technischen Lehre der
EP 0 470 780 A2 nicht beschaltet ist. Die technische Lehre der
EP 0 470 780 A2 sieht nun vor, das Einschaltverhalten der LED (Bezugszeichen 18 der
EP 0 470 780 A2 ) zu optimieren. Kurz nach dem Einschalten des ersten High-Side-Transistors (Bezugszeichen 24 der
EP 0 470 780 A2 ) und der zweiten Low-Side-transistors (Bezugszeichen 14 der
EP 0 470 780 A2 ) wird mit einer Verzögerung τ der zweite High-Side-Transistor (Bezugszeichen 26 der
EP 0 470 780 A2 ) und übernimmt einen Teil des Stroms der Stromquelle (Bezugszeichen 16 der
EP 0 470 780 A2 ). Das Ausschalten erfolgt ausschließlich über den ersten Low-Side-Transistor (Bezugszeichen 12 der
EP 0 470 780 A2 ). Besonders nachteilig ist dabei, dass der Ausräumstrom durch die Stromquelle (Bezugszeichen 16 der
EP 0 470 780 A2 ) begrenzt ist und damit die Ladung Q
LED=C
LED*U
LED in der LED (Bezugszeichen 18 der
EP 0 470 780 A2 ) nur in der damit festgelegten Zeit t
LEDaus= Q
LED/I
Quelle=C
LED*U
LED/I
Quelle ausgeschaltet werden kann. Der Entladevorgang wird dabei durch die Widerstände (Bezugszeichen 20 und 22 der
EP 0 470 780 A2 ) behindert und daher vergrößert. Eine Vorrichtung gemäß der technischen Lehre der
EP 0 470 780 A2 ist somit geeignet einen besonders steilen Anstieg der Lichtleistung hervorzurufen. Die Schaltung ist aber nicht geeignet, um einen kurzen Lichtpuls einer LED zu erzeugen. Die technische Lehre der
EP 0 470 780 A2 löst somit das Problem der Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse mittels einer LED nicht.
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Aus der
US 9 603 210 B1 ist ein LED-Treiber, der eine komplementäre Ausgangsstufe für die Erzeugung von Kurzzeit-Lichtpulsen umfasst, bekannt.
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Aus WESEN, Bjorn [et al.]: „Fastest way of doing on/off-modulation of a LED?. 22
nd June 2011, edited 23rd June 2014. 4. S. URL: https://elecgtronics.stackexchange.com/questions/15818/fastest-way-ofdoing-on-off-modulation-of-a-led [abgerufen am 23.01.2018] ist die Nutzung zweiter Halbbrücken zur Ansteuerung einer LED bekannt. Aus „TPS28226 High-Frequency 4-A Sink Synchronous MOSFET Drivers“, einer Applikationsschrift der Fa. Texas Instruments und „2A Synchronous Buck Power MOSFET Driver“ einer Applikationsschrift der Fa. Microchip zum Microchip-Produkt MCP14628 sind Halbbrückentreiber ohne LED-Nutzung bekannt. Hieraus lässt sich eine Halbbrückenansteuerung ohne die Stromquelle der
EP 0 470 780 A2 in der Zusammenschau konstruieren.
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Aus der
EP 2 761 978 B1 ist eine solche H-Brückenschaltung zur Ansteuerung von LED-Leuchtmitteln unterschiedlicher Farbe und Polung bekannt. Allerdings dient die Umpolung hier der Auswahl verschiedener Farben. Die LEDs unterschiedlicher Farbe sind in der technischen Lehre der
EP 2 761 978 B1 unterschiedliche gepolt, so dass die Spannungsumpolung zu einer Änderung der abgestrahlten Farbe der Gesamteinrichtung führt. Die Vorrichtung der
EP 2 761 978 B1 ist somit nicht zur Abstrahlung kurzer Lichtpulse geeignet und vorgesehen.
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Aus der
EP 0 762 651 A2 ist das Einschalten einer LED mit einem zunächst höheren Strom gefolgt von einem niedrigeren Betriebsstrom zur Erzielung steiler Einschaltflanken bekannt.
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Die
US 9 681 514 B1 beschreibt einen Dimmer für eine Lichtquelle. Die Lichtquelle umfasst dabei eine Push-Pull-Stufe, wobei der Ausgang durch eine positive und eine negative Versorgungsspannungsleitung mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Die Kombination einer Lichtpulsquelle mit einer TOF-Kamera ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 105 482 A1 bekannt.
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In der Zusammenschau lösen die obigen Schriften lediglich das Problem einer kurzen Anstiegszeit, nicht aber eines kurzen Lichtpulses. Schon gar nicht lösen sie das Problem der großen auszuräumenden Speicherladung, das beim Ausschalten der flächenmäßig und damit kapazitätsmäßig in der Regel großen Leuchtmittel-LEDs entsteht. Die obigen Schriften, sofern sie sich mit Pulsformung befassen, richten sich auf das Steuern von für die Signalübertragung vorgesehenen und darauf optimierten LEDs und Laserdioden. Das Kapazitätsproblem von Leuchtmittel-LEDs, das die Nutzung als Messmittel behindert, lösen alle aufgefundenen Schriften auch in der Zusammenschau nicht.
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Aufgabe der Erfindung
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Um LIDAR Systeme besser und zuverlässiger zu machen, muss die Empfindlichkeit des Systems erhöht werden, um zum Beispiel die Reichweite zu erhöhen oder die Sichtbarkeit von dunklen Objekten zu ermöglichen. Dies kann entweder durch einen empfindlicheren Sensor oder durch eine erhöhte Sendeleistung geschehen. Sensoren werden heute schon nah an physikalischen Limits betrieben, während die Sendeleistung gesetzlichen Beschränkungen unterliegt. Eine maßgebliche Verbesserung kann also nur durch eine Verbesserung der Lichtquelle unter Berücksichtigung der geltenden gesetzlichen Beschränkungen erreicht werden.
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Wie im Folgenden erläutert wird, ist hierbei eine wesentliche Teilaufgabe, nicht nur steile, sondern auch kurze Lichtimpulse ohne langsame Anstiegs- und Abfallzeiten der Pulsweite, welche durch parasitäre Effekte bedingt werden, zu erzeugen.
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Durch die vorgeschlagene technische Lösung soll die Anstieg- und Abfallzeiten eines LED Lichtpulses massiv verkürzt werden, um extrem kurze Pulse zu erzeugen (<1ns). Somit können kostengünstige LEDs in Applikationen wie Flash LIDAR effizient und leistungsstark eingesetzt werden. In diversen Anwendungen könnten so folglich teurere Laserdioden durch LEDs ersetzt werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 3 gelöst.
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Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Lichtquelle, insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen, vorgeschlagen.
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Es wird hier eine lichtpulsfähige Lichtquelle, insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen, vorgeschlagen, die einer Leuchtdiode (LED1) als Leuchtmittel aufweist und gleichzeitig als Beleuchtungsmittel oder Scheinwerfer geeignet ist. Die Leuchtdioden von Fahrzeugscheinwerfern weisen eine hohe Kapazität und damit Trägheit auf. Es wird vorgeschlagen, dass zur Überwindung dieser Trägheit die Lichtquelle einen ersten Betriebsmodus aufweist, in dem die Leuchtdiode (LED1) als Leuchtmittel für Beleuchtungszwecke eingesetzt wird, und dass die Lichtquelle einen zweiten Betriebsmodus aufweist, in dem die Leuchtdiode (LED1) als Leuchtmittel für die Erzeugung von Lichtpulsen (LP) in einer Funktion als Teilvorrichtung einer optischen Messvorrichtung eingesetzt wird. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Lichtquelle eine Push-Pull-Stufe (P) zur Ansteuerung und Versorgung eine ersten Anschlusses der Leuchtdiode (LED1) aufweist. Der zweite Anschluss der Leuchtdiode (LED1) wird aus einer Mittenpotenzialleitung (GND) versorgt. Das Potenzial der Mittenpotenzialleitung (GND), im Folgenden Mittenpotenzial genannt, liegt zwischen einem ersten Potenzial und einem zweiten Potenzial, dass die Push-Pull-Stufe (P) an den ersten Anschluss der Leuchtdiode (LED1) anlegen kann. Liegt das erste Potenzial am ersten Anschluss der Leuchtdiode (LED1) an, so soll die Leuchtdiode leuchten. Der Betrag der Potenzialdifferenz zwischen dem Potenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) und dem zweiten Potenzial ist dabei größer als der Betrag der Potenzialdifferenz zwischen dem Potenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) und dem ersten Potenzial, um Ladungsträger schnell aus der Leuchtdiode (LED1) auszuräumen.
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Dies steht ausdrücklich im Gegensatz zur allgemein üblichen technischen Lehre In der Die in Spalte 3 Zeile 42 bis Zeile 47 wird beispielsweise davon ausgegangen, dass eine Gegenspannung an der Leuchtdiode aus Lebensdauergründen zu vermeiden ist. Gerade dieser Zustand einer Gegenspannung wird in der vorliegenden Offenbarung aber genutzt, um die Ladungsträger auszuräumen. Seit der Offenbarung der EP 0 470 780 A2 ist nun jedoch einige Zeit vergangen. Moderne Fertigungsmethoden mit guten Cpk-Werten können sicherstellen, dass solche Sperrspannungen Leuchtdioden nicht mehr so schädigen, dass die Lebensdauerziele verletzt werden. Es wurde daher erfindungsgemäß erkannt, dass im Gegensatz zum publizierten Stand der Technik bei einem sorgfältigen Qualitätsmanagement sehr wohl eine Polung der Leuchtdioden in Sperrrichtung technisch möglich ist und dass die Sperrspannung mehr als das doppelte oder mehr als das dreifache oder mehr als das fünffache oder mehr als das zehnfache oder mehr als das zwanzigfache oder mehr als das fünfzigfache der Flussspannung der Leuchtdiode (LED1) betragen kann. Beispielsweise wurden Ausräumspannungen von 20V, 40V und 60V erprobt, während die Flussspannungen bei 1,2V für eine Serienschaltung aus wenigen Leuchtdioden als Leuchtdiode (LED1) lag. Wichtig hierbei ist die Abstimmung der Zeit, die diese Spannung an die Leuchtdiode angelegt wird. Um Lawineneffekte zu vermeiden, sollte die Spannung nach dem Ausräumen der Ladungsträger wieder „normalisiert“ werden. Beispielsweise ist es sinnvoll, die Leuchtdiode über einen (in den Zeichnungen nicht eingezeichneten) dritten Schalter oder Transistor nach dem Ausräumen der Ladungsträger kurzzuschließen. Hierfür muss natürlich die treibende Push-Pull-Stufe (P) zuvor abgeschaltet werden.
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Die Lichtquelle weist zumindest eine Leuchtdiode (LED1) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss als Leuchtmittel auf. Bei einer solchen Leuchtdiode kann es sich im Sinne dieser Erfindung auch um die Verschaltung mehrerer Leuchtdioden und weiterer elektronischer Bauteile, wie beispielsweise Widerstände, handeln. Die vorgeschlagene Lichtquelle weist dabei einen ersten Betriebsmodus auf, in dem die Leuchtdiode (LED1) als Leuchtmittel für Beleuchtungszwecke eingesetzt wird, und einen zweiten Betriebsmodus auf, in dem die Leuchtdiode (LED1) als Leuchtmittel für die Erzeugung von Lichtpulsen (LP) in einer Funktion als Teilvorrichtung einer optischen Messvorrichtung eingesetzt wird. Die Lichtquelle weit eine Push-Pull-Stufe (P) zur Ansteuerung und Versorgung des besagten ersten Anschlusses der Leuchtdiode (LED1) mit elektrischer Energie auf. Die Push-Pull-Stufe (P) besitzt hierzu einen Ausgang (OUT) aufweist, der mit dem ersten Anschluss der Leuchtdiode (LED1) zum Zwecke dieser Energieversorgung verbunden ist. Die Push-Pull-Stufe (P) kann im Betrieb einen ersten Zustand einnehmen kann, in dem der erste Anschluss der Leuchtdiode (LED1) mit positiver elektrischer Energie aus einer ersten Versorgungsspannungsleitung (VCC1), das auf einem ersten Potenzial gegenüber einem Mittenpotenzial einer Mittenpotenzialleitung (GND) liegt, über den Ausgang (OUT) der Push-Pull-Stufe (P) versorgt wird. Die Push-Pull-Stufe (P) kann einen zweiten Zustand einnehmen kann, in dem der erste Anschluss der Leuchtdiode (LED1) mit negativer elektrischer Energie aus einer zweiten Versorgungsspannungsleitung (-VCC1), die auf einem zweiten Potenzial gegenüber dem Mittenpotenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) liegt, über den Ausgang (OUT) der Push-Pull-Stufe (P) versorgt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann die Push-Pull-Stufe (P) einen dritten Zustand einnehmen, in dem der erste Anschluss der Leuchtdiode (LED1) nicht mit positiver oder negativer elektrischer Energie über den Ausgang (OUT) versorgt wird. Dieser Zustand wird im Allgemeinen als Tri-State-Zustand bezeichnet. Der zweite Anschluss der Leuchtdiode (LED1) wird mit elektrischer Energie aus einer Mittenpotenzialleitung (GND) versorgt. Dieses Mittenpotenzial wird typischerweise durch eine Systemmasse gebildet. Das Potenzial der Mittenpotenzialleitung (GND), im Folgenden Mittenpotenzial genannt, liegt bevorzugt zwischen dem ersten Potenzial der ersten Versorgungsspannungsleitung (VCC1) und dem zweiten Potenzial der zweiten Versorgungspannungsleitung (-VCC1). Im Gegensatz zum Stand der Technik wird der Betrag der Potenzialdifferenz zwischen dem Potenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) und dem Potenzial der zweiten Versorgungsspannungsleitung (-Vdd) größer gewählt als der Betrag der Potenzialdifferenz zwischen dem Potenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) und dem Potenzial der ersten Versorgungsspannungsleitung (Vdd). Es wurde nämlich erfindungsgemäß erkannt, dass bei Fertigung der Leuchtdioden mit hohen cPK-Werten die im Stand der Technik zu findende Meinung, dass Leuchtdioden nicht mit einer Gegenspannung beaufschlagt werden sollten z.B. EPXXXXXX, für solche Leuchtdioden aus hochqualitativen Fertigungslinien nicht unbedingt zutreffend ist. Durch eine erhöhte Gegenspannung in Sperrrichtung wird die in der Leuchtdiode (LED1) gespeicherte Ladung nicht durch strahlende Rekombination abgebaut, sondern vorwiegend durch Absaugung durch das angelegte Gegenfeld. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass Leuchtdiode (LED1) dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung abzugeben, wenn sie mit elektrischer Energie versorgt wird. Um hier Eindeutigkeit zu schaffen ist dieser Fall im Sinne dieser Schrift so definiert, dass dann die LED so mit der Push-Pull-Stufe (P) und dem Mittenpotenzial verbunden ist, dass elektromagnetische Strahlung emittiert wird, wenn sie mit positiver elektrischer Energie versorgt wird. Der Fachmann mag einwenden, dass die LED in geringem Maße auch elektromagnetische Strahlung emittiert, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt wird. Diese exotische Betrachtung wurde hier zur Vereinfachung nun außen vor gelassen, sodass die Leuchtdiode hier insoweit als ideal betrachtet wird, dass sie nur bei Bestromung in einer Richtung Licht emittiert.
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Vorteil der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße Anlegen einer betragsmäßig gegen über dem Betrag der vorgesehenen Flussspannung der Leuchtdiode erhöhten Sperrspannung wird die optische Ausschaltzeit der Leuchtdiode signifikant verkürzt und somit die Pulsdauer signifikant vermindert. Entgegen der im Stand der Technik zu findenden Auffassung, dass dies die Lebensdauer der Leuchtdiode verkürzt, wurde festgestellt, dass bei ausreichend kontrollierten Fertigungsbedingungen die Lebensdauerziele erreicht werden können. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
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Zu den Figuren
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Figur 1
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1 zeigt die vorgeschlagene Push-Pull-Stufe (P). Sie ist hier schematisch und vereinfacht dargestellt, um das Prinzip besser beschreiben zu können. Sie weist einen ersten Schalter in Form eines ersten Transistors (T1) auf, bei dem es sich auch um eine komplexere Verschaltung mehrerer elektronischer Bauelemente gleicher Funktion handeln kann. Der erste Transistor (T1) ist mit seinem ersten Anschluss (1) mit der ersten Versorgungsspannungsleitung (VCC1) verbunden. Der erste Transistor (T1) ist mit seinem zweiten Anschluss (1) mit dem ersten Anschluss (3) des zweiten Transistors (T2) verbunden. Der zweite Transistor (T2) ist mit seinem zweiten Anschluss (4) mit der zweiten Versorgungsspannungsleitung (-VCC1) verbunden.
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Der erste Transistor (T1) weist eine Steuerelektrode (G1) auf, die einen ersten und einen zweiten Zustand annehmen kann. Ist die die Steuerelektrode (G1) des ersten Transistors (T1) im ersten Zustand, so ist der erste Anschluss (1) des ersten Transistors (T1) mit dem zweiten Anschluss (2) des ersten Transistors (T1) niederohmiger verbunden als wenn die Steuerelektrode (G1) des ersten Transistors (T1) im zweiten Zustand ist. Ist die Steuerelektrode (G1) des ersten Transistors (T1) im ersten Zustand, so befindet sich der erste Transistor (T1) in einem Zustand, der im Folgenden als „An“ bezeichnet wird. Ist der Zustand der Steuerelektrode (G1) des ersten Transistors (T1) im zweiten Zustand, so befindet sich der erste Transistor (T1) in einem Zustand, der im Folgenden als „Aus“ bezeichnet wird.
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Der zweite Transistor (T2) weist eine Steuerelektrode (G2) auf, die einen ersten und einen zweiten Zustand annehmen kann. Ist die die Steuerelektrode (G2) des zweiten Transistors (T2) im ersten Zustand, so ist der erste Anschluss (3) des zweiten Transistors (T2) mit dem zweiten Anschluss (4) des zweiten Transistors (T2) niederohmiger verbunden als wenn die Steuerelektrode (G2) des zweiten Transistors (T2) im zweiten Zustand ist. Ist die Steuerelektrode (G2) des zweiten Transistors (T2) im ersten Zustand, so befindet sich der zweite Transistor (T2) in einem Zustand, der im Folgenden als „An“ bezeichnet wird. Ist der Zustand der Steuerelektrode (G2) des zweiten Transistors (T2) im zweiten Zustand, so befindet sich der zweite Transistor (T2) in einem Zustand, der im Folgenden als „Aus“ bezeichnet wird.
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In dem Beispiel der 1 wird die Leuchtdiode (LED1) mit positiver elektrischer Energie aus der ersten Versorgungsspannungsleitung (VCC1) versorgt, wenn der erste Transistor (T1) im Zustand „An“ ist und der zweite Transistor (T2) im Zustand „Aus“ ist. In dem Fall leuchtet die Leuchtdiode (LED1) im Sinne dieser Offenlegung.
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In dem Beispiel der 1 wird die Leuchtdiode (LED1) mit negativer elektrischer Energie aus der zweiten Versorgungsspannungsleitung (-VCC1) versorgt, wenn der erste Transistor (T1) im Zustand „Aus“ ist und der zweite Transistor (T2) im Zustand „An“ ist. In dem Fall leuchtet die Leuchtdiode (LED1) im Sinne dieser Offenlegung nur solange, bis die Ladungsträger durch das Potenzial der zweiten Versorgungsspannungsleitung (-VCC1) abgesaugt sind.
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Um das Problem der großen Diodenkapazität der Leuchtdiode (LED1) zu lösen, die zu einer großen Trägheit des Leuchtsignals der Leuchtdiode (LED1) führt, wird nun vorgeschlagen, dass der Betrag der Potenzeildifferenz zwischen dem Potenzial der ersten Versorgungsspannungsleitung (VCC1) und dem Mittenpotenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) kleiner ist als der Betrag der Potenzeildifferenz zwischen dem Potenzial der zweiten Versorgungsspannungsleitung (-VCC1) und dem Mittenpotenzial der Mittenpotenzialleitung (GND). Diese Bedingung widerspricht den im Stand der Technik aufzufindenden Aussagen, dass eine hohe Sperrspannung Lebensdauervermindernd sei und daher zu vermeiden sei.
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Eine Steuerung (ST) erzeugt die entsprechenden Steuersignale für die beiden Steuerelektroden (G1, G2) der beiden Transistoren (T1, T2).
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Figur 2
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2 entspricht der 1 mit dem Unterschied, dass die Spannungsversorgung der ersten Versorgungsspannungsleitung (VCC1) und der zweiten Versorgungsspannungsleitung nicht direkt aus einer Spannungsquelle erfolgen. Vielmehr wird hier vorgeschlagen, durch Ladungspumpen, die Potenzialdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannungsleitung (VCC1) und der zweiten Versorgungsspannungsleitung (-VCC1) zu erhöhen. Dabei wird hier auch die Spannungsdifferenz zwischen dem Mittenpotenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) und dem Potenzial der ersten Versorgungsspannung (VCC1) durch eine erste Ladungspumpe (LPPB) erhöht. Außerdem wird hier auch die Spannungsdifferenz zwischen dem Mittenpotenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) und dem Potenzial der zweiten Versorgungsspannung (-VCC1) durch eine zweite Ladungspumpe (LPMA) erhöht. Die eigentliche Versorgungsspannung ist mit VCC bzw. -VCC bezeichnet. Die Spannungsdifferenz zwischen VCC und -VCC ist also bevorzugt betragsmäßig kleiner als die betragsmäßige Spannungsdifferenz zwischen VCC1 und -VCC1.
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Natürlich können Ladungspumpen auch Weggelassen werden. Dies ist zur Vereinfachung in keiner Figur dargestellt. Eine Möglichkeit ist, dass nur die erste Ladungspumpe (LPPB) zum schnellen Einschalten verwendet wird. Eine andere Möglichkeit ist, dass nur die zweite Ladungspumpe (LPMA) zum schnellen Ausschalten verwendet wird
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Da Ladungspumpen typischerweise nur eine geringe Ladungsspeicherkapazität aufweisen, sind sie für eine dauerhafte Beleuchtung typischerweise nicht geeignet. Es wird für diesen Fall eines gemischten Betriebs zu Mess- und Beleuchtungszwecken vorgeschlagen im Beleuchtungsbetrieb beide Transistoren (T1, T2) in den „Aus“-Zustand zu bringen und beispielsweise mittels eines Multiplexers (MUX) oder weiteren Schalters (T3) eine niederohmige Spannungsquelle mit einer dritten Versorgungsspannungsleitung (VCC3) mit dem Ausgang (OUT) der Push-Pull-Stufe (P) zu verbinden.
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Bevorzugt ist dabei der Betrag der Spannungsdifferenz zwischen dem Potenzial der dritten Versorgungsspannungsleitung (VCC3) und dem Mittenpotenzial der Mittenpotenzialleitung (GND) kleiner als die betragsmäßige Spannungsdifferenz zwischen dem Potenzial der zweiten Versorgungsspannungsleitung (VCC2) und dem Mittenpotenzial der Mittenpotenzialleitung (GND).
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Es wird für diesen Fall eines gemischten Betriebs zu Mess- und Beleuchtungszwecken vorgeschlagen im Messbetrieb zum Zwecke der Erzeugung von Lichtpulsen mittels des Multiplexers (MUX) oder des weiteren Schalters (T3) die niederohmige Spannungsquelle mit einer dritten
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Versorgungsspannungsleitung (VCC3) von dem Ausgang (OUT) der Push-Pull-Stufe (P) zu trennen und statt dessen den ersten Transistor (T1), wie oben beschrieben, zum Einschalten und Aufrechterhalten der Lichtpulsabgabe durch die Leuchtdiode im „An“-Zustand des ersten Transistors (T1) zu verwenden und den zweiten Transistor (T2), wie oben beschrieben, zum Ausschalten der Leuchtdiode (LED1) und zum Ausräumen der Ladungsträger aus der Leuchtdiode (LED1) zu verwenden.
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Figur 3
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3 zeigt die Simulation eines Vergleichs zwischen 3 Treiberschaltungen (Aufzählung von längstem zu kürzesten Puls): Stromtreiber(20mA) (Bezugszeichen c), Spannungstreiber (3.3V) (Bezugszeichen b), vorgeschlagene Push-Pull-Stufe (P) (40V) (Bezugszeichen a). Wie deutlich zu erkennen ist, ist das vorgeschlagene Verfahren wesentlich besser zur Erzeugung kurzer Pulse geeignet, als die anderen Verfahren aus dem Stand der Technik.
