DE2749767C3 - Schaltungsanordnung zur Helligkeitssteuerung von Leuchtdioden in Leuchtdiodenfeldern - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Helligkeitssteuerung von Leuchtdioden in LeuchtdiodenfeldernInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine 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 pulslängenmoduliert
als Leuchtdiodensteuergröße dient.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der Zeitschrift »Electronics Australia«, April 1975, S. 35
oben, bekannt.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet von Leuchtdiodenfeldern 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 Leuchtdioden geschieht in bekannter Weise über Verstärker, die eine dem
darzustellenden Signal proportionale Spannung erzeu-
lü gen 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 Halbleiter-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 Impulsgenerators 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
•io 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 automatisehe 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 am Ausgang des [Comparators eine pulslängen 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 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,
F i g. 5 ein in Blockschaltbildform dargestelltes Ausführungsbeispiel 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
Rechteckimpulfifolge erzeugt, welche als Leuchtdiodenspannung UL für die Ansteuerung der einzelnen Dioden
des Leuchtdiodenfeldes herangezogen wird. Im vorliegenden 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 Steuerspannungen
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 Komparator.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Art der Helligkeitssteuerung liegt darin, daß durch die Variation
der Referenzspannung des Komparator der Kontrastumfang und auch die Helligkeit des gesamten
Bildwiedergabeteils mittels einer oder mehrerer Hilfsspannungen zu beeinflussen ist Es läßt sich somit die
Grundheiligkeit 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 Fig.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
UG 1 zu der eigentlichen Puls-Ausgangsspannung L'7? eine nur noch mittlere Grundhelligkeit, weil kleinere
Steuerspannungen US 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 USO und {/St/anspricht.
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 USO 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 Fig.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 Ausgangssignal.-n
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 Fig.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 F i g. 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 Zeitfunktion 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 USi, US2 bis USn für die
Bildhelligkeit jeweils Komparatoren K1 bis Kn
zugeführt. Diesen Komparatoren sind Treibstufen (Verstärker) TR1 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 FG wird die als Referenzsignal dienende Puls-Ausgangsspannung UR
erzeugt und dem zweiten Eingang der Komparatoren K1 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 TR 1 bis TRn den Leuchtdioden LD1 bis LDn zugeleitet werden und
diese verlustfrei aktivieren. Der Funktionsgenerator FG wird durch einen Taktgeber TG angesteuert, welcher
die Taktfrequenz der puls-Ausgangsspannung UR festlegt Die Frequenz des Taktgebers TG soll ein
Vielfaches der höchsten Bildpunktfrequenz betragen. Mit den Bauelementen K1 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 SF1 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 5El und SE2 gewonnenen Werte werden
einem Differenzverstärker DF zugeleitet, dessen Ausgangssignal auf einen Summierverstärker A V1 gegeben
wird. Mittels eines einstellbaren Potentiometers PM 1 kann diesem Summierverstärker A Vl eine einstellbare
-, Bezugsspannung zugeleitet werden, so daß der Einfluß der vom Differenzverstärker DF gelieferten Differenzspannung
größer oder kleiner gehalten werden kann. Die am Ausgang des Summierverstärkers A V1
anstehende Gleichspannung wird dem Funktionsgene-
Ki rator FG zugeleitet und dort als Hilfs-Gleichspannung
UG 1 bzw. UG 2 der Puls-Ausgangsspannung UR in der in F i g. 2 erläuterten Weise hinzugefügt. Damit kann die
mittlere Grundhelligkeit der Bildwiedergabeeinrichtung beeinflußt werden.
ι r, Zur Einstellung der Dynamik dient ein Potentiometer
PM2, 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 Fig. 5 dargestellten Schaltungsteile vorgesehen. Die Steuerspannungen
USi bis USn gelangen über einen Summierverstärker .4V3 auf einen Gleichrichter GR,
dem parallel zwei ÄC-Glieder, RCi und RC2,
nachgeschaltet sind.
Die Änderung des Dynamikumfangs wird durch den Ausgang des /?C-Gliedes RC2 mit der Zeitkonstante
r 2 (zur Unterdrückung kurzzeitiger Schwankungen) gesteuert welcher mit einem Summierverstärker A V 2
verbunden ist. Der zweite Eingang dieses Summierverstärkers AV2 ist über das einstellbare Potentiometer
PM 2 mit einer entsprechenden Vergleichsspannung versorgt. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers
j5 A V2 wird dem Funktionsgenerator FG zugeleitet und
beeinflußt diesen so, daß die Amplitude der Puls-Ausgangsspannung UR entsprechend verändert wird.
Das KC-Glied RCi mit der Zeitkonstante τ 1 liefert
sein Ausgangssignal einem dritten Eingang des Summierverstärkers AVi, 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 muß also entsprechend hoch gewählt werden.
Die An- und Abschaltung der Leuchtdioden wird zweckmäßig pro darzustellenden Bildpunkt mehrfach
vorgenommen.
Die Amplitude der Puls-Ausgangsspannung UR wird zweckmäßig etwa gleich der Amplitude der höchsten
Leuchtdiodenspannung UL gewählt Dies hat den Vorteil, daß im wesentlichen der ganze Ämpiitudenbereich
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 Komparatoren
K i bis Kn des Bildwiedergabeteils benutzt werden kann.
Die Stellglieder PMX und PM2 in Fig.5 können
zweckmäßig von Hand bedient werden, wozu entsprechende,
hier nicht dargestellte Einstellknöpfe vorzusehen sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
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 pulslängenmoduliert
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)m\t 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
Zeitkonstantenglted (RCi) geführten Steuerspannungen
(US 1 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 t/S/^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,
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.
Priority Applications (1)
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DE2749767A DE2749767C3 (de) | 1977-11-07 | 1977-11-07 | Schaltungsanordnung zur Helligkeitssteuerung von Leuchtdioden in Leuchtdiodenfeldern |
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