DE3644347A1 - Verfahren zum betreiben einer leuchtdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Leucht­ iode mit Stromimpulsen.

Es ist beispielsweise aus "Das Opto-Kochbuch", Texas Instruments, 1975, Seite 265 bekannt, Leuchtdioden (Lumineszenzdioden, LEDs) mit einem gepulsten Strom anstelle eines glatten Gleichstromes anzusteuern. Dadurch wird es ermöglicht, die Leuchtdiode während der Impulsdauer mit einem gegenüber dem maximal zulässi­ gen Gleichstrom erheblich höheren maximal zulässigen Impuls­ spitzenstrom zu betreiben, um auf diese Weise eine vergleichs­ weise höhere Leistung der von der Leuchtdiode abgegebenen Strahlung zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren der eingangs angegebenen Art die Leuchtdiode mit während der Impulsdauer zeitlich an­ steigenden Stromimpulsen beaufschlagt.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß während der Impulsdauer durch das Ansteigen des die Leuchtdiode ansteuernden Stromimpulses ein weitgehend konstanter Verlauf der von der Leuchtdiode abgegebenen Strah­ lungsleistung erzeugt wird. Während nämlich bei der herkömm­ lichen Ansteuerung der Leuchtdiode mit rechteckförmigen Strom­ impulsen aufgrund der Erwärmung der Leuchtdiode durch den durch sie fließenden Strom die Leistung der abgegebenen Strahlung während der Impulsdauer merklich abfällt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dieser Leistungsabfall durch den zeitlichen Anstieg des Stromes während der Impulsdauer weitgehend kompensiert, so daß eine besonders hohe mittlere Strahlungsleistung erzielt wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß aufgrund des erzielten gleichmäßigen Verlaufs der abgegebenen Strahlungsleistung die Lebensdauer der Leuchtdiode erheblich verlängert wird. Während nämlich bei dem bekannten Verfahren zu Beginn der Impulsdauer eine hohe Anfangsstrahlungs­ leistung erzeugt werden muß, um wegen des Leistungsabfalls der Strahlung eine vorgegebene mittlere Strahlungsleistung zu er­ halten, treten derartige Leistungsspitzen bei der Ansteuerung der Leuchtdiode nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf; vielmehr entspricht hierbei der zeitliche Verlauf der Strahlungs­ leistung auch deren Mittelwert, so daß die Leuchtdiode nicht unnötig belastet wird.

In diesem Zusammenhang wird gemäß einer Weiterbildung des er­ findungsgemäßen Verfahrens jeder Stromimpuls am Anfang sprung­ haft auf einen Anfangswert ansteigend und von dort während der Impulsdauer bis auf einen gegenüber dem Anfangswert höheren Endwert ansteigend gewählt. Durch den Sprunganteil in dem Strom­ verlauf wird gleich zu Beginn der Impulsdauer eine Strahlung vorgegebener Leistung erzeugt, die aufgrund des dann kontinuier­ lich bis auf den Endwert ansteigenden Stromes und der damit verbundenen Erwärmung der Leuchtdiode weitgehend konstant bleibt.

Der Stromimpuls steigt in vorteilhafter Weise zwischen dem An­ fangs- und Endwert zumindest annähernd linear an. Während näm­ lich durch den Sprunganteil in dem Stromverlauf ein exponentiell abklingender Anteil der Strahlungsleistung hervorgerufen wird, ergibt sich aus dem linear ansteigenden Anteil des Stromes ein umgekehrt verlaufender Anteil der Strahlungsleistung, so daß sich durch geeignete Dimensionierung des Stromanstiegs im Hin­ blick auf den leuchtdiodenspezifischen Strahlunsabfall ein über die gesamte Impulsdauer nahezu konstanter Verlauf der Strahlungsleistung erzielen läßt. Zusätzlich läßt sich ein linear ansteigender Stromverlauf ohne großen schaltungstechni­ schen Aufwand erzeugen.

Zur Erzielung einer maximalen Strahlungsleistung ohne die Leuchtdiode zu überlasten wird der Strom vorzugsweise so gewählt, daß der Anfangswert niedriger und der Endwert höher als der bei Beaufschlagung der Leuchtdiode mit Rechteckimpulsen gleicher Impulsdauer maximal zulässige Diodendurchflußstrom ist.

Im Hinblick auf die Erzeugung von Stromimpulsen dem oben ange­ gebenen Verlauf zur Ansteuerung der Leuchtdiode ist erfindungs­ gemäß vorgesehen, daß in einer Steuereinrichtung eine dem Ver­ lauf der Stromimpulse entsprechende Steuerspannung erzeugt wird, mit der eine in Reihe mit der Leuchtdiode an einer Versorgungs­ spannung liegende steuerbare Widerstandsanordnung gesteuert wird. Dabei erfolgt die Steuerung der Widerstandsanordnung durch die Steuerspannung nahezu leistungslos, so daß sich die Steuerspannung als energiearmes Signal ohne Berücksichtigung der jeweiligen Leistungsaufnahme der Leuchtdiode erzeugen läßt.

In diesem Zusammenhang wird eine Ansteuerung weiterer Leucht­ dioden zusätzlich zu der einen Leuchtdiode mit besonders geringem Steuerungs- und Schaltungsaufwand dadurch erreicht, daß zur An­ steuerung der weiteren Leuchtdioden mit diesen jeweils an der Stromversorgung in Reihe liegende weitere Widerstandsanordnungen aus derselben Steuereinrichtung gesteuert werden.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Stromimpuls herkömmlicher und der erfindungsgemäßen Art zur Ansteuerung einer Leuchtdiode und

Fig. 2 die aus der Ansteuerung nach Fig. 1 resultierenden zeit­ lichen Verläufe der Strahlungsleistung;

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Leuchtdiode und in

Fig. 4 ist eine weitere Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mehrerer Leuchtdioden dargestellt.

Fig. 1 zeigt in einem Strom-Zeit-Diagramm I(t) die herkömm­ liche Art der Ansteuerung einer Leuchtdiode durch einen gestri­ chelt dargestellten Stromimpuls I 1 in Rechteckform. Der Impuls­ spitzenstrom während der Impulsdauer T kann in Abhängigkeit von der Impulsdauer T und der nachfolgenden Impulspause bis zu einem folgenden, hier nicht gezeigten Stromimpuls ein Vielfaches des für den Dauerbetrieb der Leuchtdiode maximal zulässigen Gleich­ stroms betragen. Zahlenbeispiele hierfür sind in der eingangs erwähnten Literaturstelle "Opto-Kochbuch" enthalten.

Aus der Ansteuerung der Leuchtdiode mit dem Stromimpuls I 1 folgt ein in Fig. 2 in einem Strahlungsleistungs-Zeit-Diagramm Φ (t) gestrichelt dargestellter Verlauf Φ 1 der Strahlungsleistung der Leuchtdiode. Die Zahlen an der Ordinate stellen lediglich relative Meßwerte dar. Der gezeigte Strahlungsverlauf Φ 1 erreicht zu Beginn des Stromimpulses I 1 sein Maximum und fällt während der Impulsdauer T aufgrund der Erwärmung der Leuchtdiode infolge des durch sie fließenden Stromes I 1 etwa exponentiell ab. Infolgedessen liegt das Maximum der Strahlungsleistung Φ 1 erheb­ lich über dem zeitlichen Mittel der Strahlungsleistung Φ 1 während der Impulsdauer T, so daß aufgrund der hohen Kurzzeitbelastung die Lebensdauer der Leuchtdiode herabgesetzt wird.

Fig. 1 zeigt ferner in ausgezogener Linienführung einen weite­ ren Stromimpuls I 2 zur Ansteuerung der Leuchtdiode nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren. Dabei wird die Leuchtdiode mit einem Strom beaufschlagt, der zu Beginn des Stromimpulses I 2 sprung­ haft einen Anfangswert I 2 a erreicht und nachfolgend während der Impulsdauer T auf einen Endwert I 2 e ansteigt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel erfolgt dieser Anstieg linear; der Stromver­ lauf kann jedoch auch nach anderen Gesetzmäßigkeiten ansteigend gewählt sein.

Fig. 2 zeigt - ebenfalls in ausgezogener Linienführung - den durch den Stromimpuls I 2 in der Leuchtdiode hervorgerufenen Ver­ lauf der Strahlungsleistung Φ 2. Diese fällt zunächst nach Beginn des Stromimpulses I 2 aufgrund der Erwärmung der Leuchtdiode von einem Anfangswert ab, wobei jedoch dieser Leistungsabfall durch den zeitlichen Anstieg des Stromes I 2 während der Impulsdauer T kurz darauf ausgeglichen und im weiteren Verlauf der Strahlungs­ leistung Φ 2 weitgehend kompensiert wird. Zur weiteren Glättung des Verlaufs der Strahlungsleistung Φ 2 ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Anstieg des Stromes I 2 während der Im­ pulsdauer T degressiv verlaufend zu wählen, um den kurzzeitigen Leistungseinbruch im anfänglichen Verlauf der Strahlungsleistung Φ 2 zu kompensieren. Wie ein Vergleich der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Strom- und Strahlungsleistungsverläufe I 1, I 2, Φ 1 und Φ 2 zeigt, wird durch Ansteuerung einer Leuchtdiode nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren gegenüber der bisherigen Ansteuerung mit einem rechteckförmigen Stromimpuls I 1 bei einem über die Impulsdauer T im Mittel geringeren Strom eine höhere mittlere Strahlungsleistung erzielt.

Im folgenden wird eine bevorzugte Schaltungsanordnung zur An­ steuerung einer Leuchtdiode nach dem erfindungsgemäßen Verfahren anhand von Fig. 3 beschrieben. Die durch gestrichelte Linien umgrenzten Funktionseinheiten bilden insgesamt eine Steuerein­ richtung S, an deren Ausgangsanschluß A ein dem Verlauf des Strom­ impulses I 2 (Fig. 1) entsprechendes Ausgangssignal U 1 in Ab­ hängigkeit von einem Triggerimpuls U 2 an einem Eingangsanschluß E erzeugt wird. Der Ausgangsanschluß A der Steuereinrichtung S ist mit dem Basisanschluß eines, eine steuerbare Widerstandsan­ ordnung bildenden Transistors TR verbunden, der mit seiner Kollektor-Emitterstrecke in Reihe mit einem Strombegrenzungs­ widerstand R 1 und der anzusteuernden Leuchtdiode LED an einer Versorgungsspannung U _B angeschlossen ist.

Die Steuereinrichtung S besteht aus mehreren, durch die gestri­ chelten Linien umgrenzten Funktionseinheiten in folgender Anordnung. Unmittelbar an dem Eingang E der Steuereinrichtung S ist eine Impulsformerstufe IF angeschlossen. Diese enthält eine Diode D 1, die in Durchlaßrichtung zwischen dem Eingang E und einem als Ausgang der Impulsformerstufe IF dienenden Schaltungs­ punkt P 1 angeordnet ist; an diesem Schaltungspunkt P 1 liegt eine Parallelschaltung aus einem Ladekondensator C 1 und einem Entlade­ widerstand R 2. Zur Eliminierung der Durchlaßspannung ist die Diode D 1 in dem Gegenkopplungszweig eines als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers OV 1 angeordnet, dessen nichtinvertierender Eingang (+) mit dem Eingang E verbunden ist. Bis auf den Entladewiderstand R 2 entspricht diese Schal­ tungsanordnung einem Scheitelwertmesser, wie er aus "Halbleiter­ schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 1978, 4. Auflage, Seite 662 bekannt ist. Wenn die Spannung an dem Eingang E kleiner als die Spannung am Ladekondensator C 1 ist, sperrt die Diode D 1 und der Ladekondensator C 1 entlädt sich über den Entlade­ widerstand R 2 mit einer Zeitkonstante R 2 · C 1; ansonsten ist die Spannung am Ladekondensator C 1 gleich der Spannung am Ein­ gang E. Dementsprechend wird aus dem Triggerimpuls U 2 am Eingang E ein Spannungsimpuls U 3 mit einer im Vergleich zu dem Triggerimpuls U 2 verzögert abklingenden Rückflanke erzeugt.

Der Schaltungspunkt P 1 bildet den Eingang eines der Impulsformer­ stufe IF nachgeordneten nichtinvertierenden Schmitt-Triggers, wie er aus dem obenbezeichneten Buch "Halbleiter-Schaltungs­ technik", Seite 415 bekannt ist. Dieser besteht aus einem Operationsverstärker OV 2, dessen nichtinvertierender Eingang (+) über einen zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OV 2 und dem Schaltungspunkt P 1 liegenden Spannungsteiler R 3, R 4 mitgekoppelt ist; der invertierende Eingang (-) des Operations­ verstärkers OV 2 mit dem Spannungsabgriff eines weiteren, an der Versorgungsspannung U _B liegenden Spannungsteilers R 5, R 6 angeschlossen. Die Spannungsteiler R 3, R 4 und R 5, R 6 sind derart dimensioniert, daß die Ausschaltspannung U _a des Schmitt-Triggers ST größer als Null ist. Sobald der Spannungsimpuls U 3 die Einschalt­ spannung U _e des Schmitt-Triggers ST überschreitet, schaltet dieser an seinem ausgangsseitigen Schaltungspunkt P 2 die positive Versorgungsspannung +U _B ein; unterschreitet der Spannungsimpuls U 3 während seines Verlaufs die Ausschaltspannung U _a des Schmitt- Triggers ST, so schaltet dieser an den Schaltungspunkt P 2 die negative Versorgungsspannung -U _B ein. Dementsprechend ergibt sich der mit U 4 bezeichnete Spannungsverlauf an dem Schaltungs­ punkt P 2.

Der Schaltungspunkt P 2 bildet den Eingang einer Integrierstufe IS (vgl. "Halbleiter-Schaltungstechnik", Seite 195) mit einem Operationsverstärker OV 3, dessen invertierender Eingang (-) über einen Integrierkondensator C 2 an einem Schaltungspunkt P 3 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OV 3 und über einen Widerstand R 7 mit dem Schaltungspunkt P 2 verbunden ist. Parallel zu dem Integrierkondensator C 2 ist eine Diode D 2 und parallel zu dem Widerstand R 7 eine weitere Diode D 3 mit einem Vorwider­ stand R 8 derart angeordnet, daß die Integrierstufe IS nur für positive Eingangsspannungen an dem Schaltungspunkt P 2 als Inte­ grator wirkt, dagegen für negative Eingangsspannungen als Umkehr­ verstärker mit einem Verstärkungsfaktor Null, d. h. sperrend wirkt. Dementsprechend ergibt sich aus dem Spannungsverlauf U 4 am Schaltungspunkt P 2 der mit U 5 bezeichnete Spannungsverlauf an dem den Ausgang des Integriergliedes IS bildenden Schaltungspunkt P 3.

Der Schaltungspunkt P 2 ist weiterhin mit dem Eingangsanschluß P 4 eines Umkehrverstärkers IV angeschlossen. Dieser enthält in an sich bekannter Weise (vgl. "Halbleiter-Schaltungstechnik", Seite 107) einen Operationsverstärkers OV 4, dessen invertierender Eingang (-) über einen Widerstand R 9 mit dem Ausgang des Opera­ tionsverstärkers OV 4 am Schaltungspunkt P 5 und über einen Widerstand R 10 mit dem Schaltungspunkt P 4 verbunden ist. An dem Schaltungspunkt P 5 wird ein gegenüber dem Spannungsverlauf U 4 invertierter und mit dem Faktor R 9/(R 9 + R 10) gewichteter Spannungsverlauf U 6 erzeugt.

Der Integrierstufe IS und dem Umkehrverstärker IV ist eine Addierstufe AS mit zwei von den Schaltungspunkten P 3 und P 5 ge­ bildeten Eingängen nachgeordnet. Die Addierstufe AS (vgl. "Halbleiter-Schaltungstechnik", Seite 189) enthält einen als Umkehraddierer geschalteten Operationsverstärker OV 5, dessen invertierender Eingang (-) über einen Widerstand R 12 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OV 5 und über ein Widerstands­ teilernetzwerk, bestehend aus den Widerständen R 13, R 14, R 15 und R 16 mit den Schaltungspunkten P 3 und P 5 verbunden ist. Dem Ausgang des Operationsverstärkers OV 5 ist über ein Potentio­ meter R 17 ein als Spannungsfolger geschalteter Operationsver­ stärker OV 6 nachgeordnet, dessen Ausgang über eine Diode D 4 mit dem Ausgang A der Steuereinrichtung S verbunden ist. In dem Widerstandsteilernetzwerk R 13 bis R 16 mit dem als Umkehraddierer geschalteten Operationsverstärker OV 5 werden die Spannungen U 5 und U 6 mit unterschiedlichen Faktoren gewichtet und unter Um­ kehrung ihres Vorzeichens addiert. Der so gewonnene Spannungs­ verlauf wird über das Potentiometer R 17 in einstellbarer Ab­ schwächung dem Spannungsfolger OV 6 zugeführt und nachfolgend durch die Diode D 4 gleichgerichtet. An dem Ausgang A der Steuer­ einrichtung S erhält man damit einem dem gewünschten Stromimpuls I 2 (Fig. 1) zur Ansteuerung der Leuchtdiode LED entsprechenden Spannungsverlauf U 1.

In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mehrerer Leuchtdioden LED 1 . . . LEDn gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Die einzelnen Leuchtdioden LED 1 . . . LEDn sind über ihnen zugeordnete steuerbare Widerstandsanordnungen bestehend aus den Transistoren T 1 . . . Tn und einen einzigen Vorwiderstand RV an einer Versorgungsspannung U _B angeschlossen. Die Basisan­ schlüsse der Transistoren T 1 . . . Tn sind mit einer entsprechenden Zahl von Ausgängen A 1 . . . An eines Demultiplexers DMUX verbunden, der in Abhängigkeit von der Ansteuerung seiner, der Zahl der Aus­ gänge A 1 . . . An entsprechenden Anzahl von Adreßeingängen X 1 . . . Xn ein an einem Analogeingang AE anliegendes Analogsignal an den jeweils ausgewählten Ausgang A 1 . . . An durchschaltet. Der Eingang AE des Demultiplexers DMUX ist mit dem Ausgang A der in Fig. 3 gezeigten Steuereinrichtung S verbunden, die an ihrem Eingang E mit einer Folge der in Fig. 3 gezeigten Trigger­ impulse U 2 beaufschlagt ist. Dementsprechend liegt an dem Eingang AE des Demultiplexers DMUX eine Folge von Spannungsimpulsen U 1 der in Fig. 3 gezeigten Art an. Der Eingang E der Steuerein­ richtung S steht weiterhin mit dem Takteingang ZE einer Zähl­ einrichtung Z in Verbindung, deren Ausgänge Q 1 . . . Qn mit den Adreßeingängen X 1 . . . Xn des Demultiplexers DMUX verbunden sind. Die Zähleinrichtung Z kann beispielsweise einen 1-ausn-Kodierer mit einem vorgeordneten und mit dem Signal U 2 als Zählsignal be­ aufschlagten Dualzähler (vgl. "Halbleiter-Schaltungstechnik", S. 456 bzw. 492) enthalten. Mit dem Triggerimpuls U 2 der Impuls­ folge am Eingang E der Steuereinrichtung S wird der jeweils nächste Ausgang unter den Ausgängen A 1 . . . An des Demultiplexers DMUX zur Übertragung eines Spannungsimpulses U 1 an den zugeord­ neten Transistor T 1 . . . Tn übertragen, über den die zugehörige Leuchtdiode LED 1 . . . LEDn mit Stromimpulsen I 2 beaufschlagt wird. Bei n Leuchtdioden LED 1 . . . LEDn werden die Leuchtdioden LED 1 . . .LEDn nacheinander zeitlich versetzt mit jeden n-ten Triggerimpuls U 2 angesteuert, wobei entsprechend dem erfindungs­ gemäßen Verfahren eine besonders hohe Strahlungsleistung der Leuchtdioden LED 1 . . . LEDn erzielt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Leuchtdiode mit Strom­ impulsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (LED) mit während der Impulsdauer (T) zeitlich ansteigenden Stromimpulsen (I 2) beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromimpuls (I 2) am Anfang sprunghaft auf einen Anfangswert (I 2 a) ansteigend und von dort während der Impulsdauer (T) bis auf einen gegenüber dem Anfangswert (I 2 a) höheren Endwert (I 2 e) ansteigend gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpuls (I 2) zwischen dem Anfangs- und Endwert (I 2 a, I 2 e) zumindest annähernd linear ansteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangswert (I 2 a) niedriger und der Endwert (I 2 e) höher als der bei Beaufschlagung der Leuchtdiode (LED) mit Rechteck­ impulsen (I 1) gleicher Impulsdauer (T) maximale zulässige Dioden­ durchflußstrom gewählt ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Steuereinrichtung (S) eine dem Verlauf der Strom­ impulse (I 2) entsprechende Steuerspannung (U 1) erzeugt wird, mit der eine in Reihe mit der Leuchtdiode (LED) an einer Versor­ gungsspannung (U _B ) liegende steuerbare Widerstandsanordnung (TR) gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung weiterer Leuchtdioden (LED 1 . . . LEDn) mit diesen jeweils an der Stromversorgung (U _B ) in Reihe liegende weitere Widerstandsanordnungen (T 1 . . . Tn) aus derselben Steuer­ einrichtung gesteuert werden.