DE4119204C2 - Ansteuerschaltung für eine Elektroluminiszenz-Leuchte zur Konstanthaltung der Leuchtenintensität während der Leuchtenlebensdauer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung zum Beaufschlagen einer Elektroluminiszenz-Leuchte.

Elektroluminiszenz-Platten ergeben bei vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei Kraftfahrzeug- oder Flugzeug-Instru­ mententafeln, eine Alternative zur Beleuchtung durch Glühlampen. Gleichmäßige Lichterzeugung ohne Farbverschiebung, kom­ pakte Größe und geringe Wärmeabgabe lassen Elektroluminis­ zenz-Platten für solche Anwendungen ideal erscheinen.

Es gibt jedoch bestimmte Eigenschaften von Elektroluminis­ zenz-Platten und üblichen Ansteuersystemen, die die Einsatz­ fähigkeit bei diesen Anwendungen begrenzen. Dazu gehört ins­ besondere, daß bei längerem Betrieb einer Elektroluminis­ zenz-Platte mit konstanter Spannung die Intensität des abge­ gebenen Lichts abnimmt, so daß eine solche Platte nur eine begrenzte Lebenszeit hat. Zusätzlich ändert sich bei konstanter Ansteuerung die Intensität des emittierten Lichts, wenn sich die Temperatur ändert. Feuchtigkeit und Umgebungstemperatur beeinflussen die Lebenszeit der Platte. Auch ist die Ein­ schaltintensität höher als die Abschaltintensität. Gegenwär­ tig gebräuchliche Inverterplatten-Beleuchtungssysteme müssen so ausgelegt werden, daß sie außerordentlich hohe Intensi­ tätspegel bei Beginn des Leuchtenbetriebs zulassen, um aus­ reichende Intensität am Ende der Lebensdauer zu garantieren.

Bekannte Inverter-Ansteuerschaltungen, wie beispielsweise die in der US 4 319 164 beschriebene Schaltung, suchen die Intensitätsänderungen durch Verwendung indirekter Verfahren auszugleichen. Diese Verfahren benutzen die Abnahme der Platten-Kapazität, die mit dem Altern der Platten eintritt. Am gebräuchlichsten ist es, das Inverterplattensystem so auszulegen, daß die Ansteuerspannung und -frequenz mit abnehmender Plattenkapazität erhöht wird. Das wird dadurch erreicht, daß das Platten-Ansteuersystem als abgestimmter LCR-Oszillator ausgelegt wird. Bei diesem indirekten Verfahren ergibt sich jedoch nur eine unzureichende Steuerung zur Aufrechter­ haltung des Lichtabgabepegels.

Eine Schaltung, die zum Messen der Lichtintensität einer lichtaussendenden Vorrichtung eine lichtempfindliche Diode verwendet, um die Lichtintensität im wesentlichen konstant zu halten, ist in der Zeitschrift Electronics, 9. Januar 1975, Seite 110 offenbart.

Die US 4,182,977 offenbart beispielsweise eine Schaltung, wie sie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist, welche die Lichtintensität einer lichtaussendenden Vorrichtung für deren Betriebslebensdauer im wesentlichen konstant hält.

Die US 4,467,246 offenbart eine weitere Schaltung zur Regelung der Lichtintensität einer Lichtquelle. Diese Schaltung enthält einen Komparator (OP2), dessen Ansteuerung vergleichbar mit der Ansteuerung des ersten Vergleichers beim Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung zu schaffen, welche eine Konstanthaltung der Leuchtenintensität auch bei störenden elektrischen Einflüssen (z. B. kapazitiv eingekoppeltes Rauschen) erreicht.

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Schaltung, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Die vorliegende Erfindung ergibt ein direktes Verfahren zum Steuern der Lichtintensität einer Elektroluminiszenzplatte (Dimmen) und zur Absolut-Steuerung der Lichtintensität beim Altern der Leuchte oder beim Betrieb derselben unter wechselnden Temperaturbedingungen.

Gemäß der nachstehend beschriebenen Ausführungsform wird eine elektrische Schaltung geschaffen mit Mitteln zum Erfassen der Lichtintensität der Elektroluminiszenzplatte, um daraus eine Ausgangs-Ansteuerspannung für das Inverterplatten-Beleuchtungssystem zu ergeben, die einen ausgewählten Intensitätspegel aufrechterhält. Die Ausführung der Schaltung besteht dabei aus drei Operationsverstärkerstufen. Die erste Stufe enthält Mittel zum Erfassen der Lichtintensität der Elektroluminiszenzplatte und zum Schaffen eines der erfaßten Lichtintensität proportionalen Signals. Die zweite Stufe umfaßt Mittel zum Vergleichen des Lichtintensitätspegels mit einem dem gewünschten Intensitätspegel proportionalen Vergleichspegel, um als Ergebnis dieses Vergleichs ein Signal zu schaffen, das proportional einer erforderlichen Intensitätszunahme oder -abnahme ist zum Aufrechterhalten der gewünschten Intensität oder des Vergleichspegels. Die dritte Stufe, die auf das Ausgangssignal der zweiten Stufe reagiert, umfaßt Mittel zum Zuführen und Überwachen eines Ansteuer-Spannungspegels zu dem Plattenin­ verter.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine allgemeine graphische Darstellung der Ausgangs-In­ tensität einer Elektroluminiszenzleuchte über der Betriebszeit mit Angabe eines ge­ wünschten Intensitätspegels,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Schaltbild des Inverters für das An­ steuersystem gemäß Fig. 2, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Hysteresever­ haltens beim Ein- und Ausschalten einer Elek­ troluminiszenzleuchte.

In Fig. 1 ist längs der Ordinatenachse 11 die Intensität des abgegebenen Lichts und längs der Abszissenachse 13 die Be­ triebszeit einer Elektroluminiszenzplatte aufgetragen. Die Gerade 10 stellt die gewünschte Mindest-Intensität für eine Elektro­ luminiszenzleuchte dar, d. h. die nötige Helligkeit, die bei Verwendung der Leuchte in einer Kraftfahrzeug-Instrumen­ tentafel erforderlich ist. In diesem Fall ist diese Helligkeit 10 die von einem Kraftfahrzeug-Fahrer geforderte maximale Helligkeit, und es ist ein Dimmer vorgesehen, damit der Fahrer bei Bedarf die Intensität herabsetzen kann. Die maxima­ le Intensität 12 zeigt den Intensitätswert, den eine typi­ sche Leuchte erzeugen kann. Wie zu sehen ist, nimmt die maxi­ male Intensität 12 mit der Zeit ab. Die Lebensdauer der Elek­ troluminiszenzleuchte beim Einsatz in einer Kraftfahrzeug-In­ strumententafel endet, wenn die maximale Intensität 12 unter den Mindest-Intensitätswert 10 fällt.

Das Gebiet zwischen der maximalen Intensität 12 und der Min­ dest-Intensität 10 stellt in der Zeichnung die Überschußin­ tensität dar. Die Auslegung des Beleuchtungssystems muß außerordentlich hohe Intensitätspegel beim Beginn der Be­ leuchtungs-Alterungskurve zulassen, um ausreichende Intensi­ tät am Ende der Platten-Lebenszeit zu garantieren. Der Be­ trieb bei Intensitätspegeln über der Mindest-Intensität 10 setzt die Lebensdauer der Platte herab und beschleunigt ihre Alterung. Bei dieser Ausführung wird die Elektroluminiszenz­ platte so angesteuert, daß ihre Abgabe-Intensität im wesent­ lichen konstant am Mindestpegel 10 oder einem anderen festge­ setzten Pegel liegt, so daß die Lebensdauer der Leuchte ge­ steigert wird.

Der Pegel 15 an der Intensitäts-Ordinate 11 stellt die ge­ wünschte niedrigste zugelassene Intensität dar, und der Pegel 19 zeigt die Intensität Null für die Leuchte an. Der durch die Klammer 17 dargestellte Bereich der Ordinate 11 ist der Dimmbereich, d. h. der Bereich, in welchem der Fahrer den Intensitätspegel der Leuchte einstellen kann. Beim Kraftfahrzeug-Einsatz ist es wünschenswert, daß die Elektroluminiszenzplatten-Ansteuerung einen solchen niedrig­ sten zulässigen Intensitätspegelwert 15 besitzt, daß die Leuchte nicht abgeschaltet werden kann. Die Einstellung des Dimmbereichs wird später erklärt.

Die Schaltung in Fig. 2 ist dazu ausgelegt, die Leuchte wäh­ rend ihrer Lebenszeit konstant zur Abgabe der Mindest-Inten­ sität 10 oder nach Wunsch des Fahrers unter dieser Intensi­ tät anzusteuern, wodurch ihre Lebensdauer erhöht wird.

Die Leuchtenansteuerschaltung bzw. der Inverter 14 versorgt die Elektroluminiszenzleuchte 26 über Leitungen 20 und 24 mit Energie. Die Elektroluminiszenz­ leuchte 26 gibt entsprechend der durch den Inverter 14 zu­ geführte Energie Licht ab. Eine in der Nähe der Leuchte 26 angebrachte Photodiode 28 erfaßt die Intensität des von der Leuchte 26 ausgesandten Lichts. Die Photodiode ist über Lei­ tungen 30 und 32 an dem Operationsverstärker 34 angeschlos­ sen. Ein Widerstand 38 (5 MΩ) koppelt den Operationsverstär­ ker 34 über Leitungen 30 und 39 mit Erde 18. Der Widerstand 36 (5 MΩ) ergibt Rückkopplung vom Ausgang des Operationsver­ stärkers 34 zu seinem invertierenden Eingang über Leitung 32. Dieser erste Operationsverstärker 34 wirkt als Strom/ Spannungs-Wandler. Wenn die Intensität des von der Leuchte 26 abgegebenen Lichts wächst, nimmt der Strom durch die Pho­ todiode 28 zu. Mit der Zunahme des Stroms durch die Photodio­ de 28 steigt die Spannung an Leitung 50 an. Die Spannung an Leitung 50 ist, da die Leuchte 26 pulsierendes Licht emit­ tiert, ein pulsierendes Signal.

Das Signal an Leitung 50 kommt über den Widerstand 80 (10 kΩ) zum invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstär­ kers 78, und zwar über Leitung 82. Der Kondensator 84 (1 µF) und der Widerstand 86 (1 MΩ), die zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers an Leitung 79 und dem invertierenden Eingang an Leitung 82 geschaltet sind, wirken als Integra­ tionsschaltung für den Verstärker. Dieser Anteil der Schal­ tung integriert das Ausgangssignal des ersten Operationsver­ stärkers und vergleicht das Signal mit einem Referenzsignal an Leitung 76. Das Referenzsignal an Leitung 76 wird durch die Widerstände 68 (50 kΩ), 94 (50 kΩ), 122 (10 kΩ) und 120 (10 kΩ) zusammen mit den Potentiometern 72 (10 kΩ) und 88 (5 kΩ) erzeugt. Die Widerstände 68 und 94 sind über die Lei­ tung 66 mit einer positiven Spannungsquelle V+ verbunden und mit den Potentiometern 72 bzw. 88 über die Leitungen 70 bzw. 92. Die Potentiometer 72 und 88 sind in der gezeigten Weise über Leitung 74 geerdet. Der einstellbare Abgriff des Poten­ tiometers 72 ist mit dem Widerstand 120 verbunden, der wie­ derum zur Leitung 76 führt. Der einstellbare Abgriff des Po­ tentiometers 88 ist mit dem Widerstand 122 verbunden, der auch zur Leitung 76 führt. Das Referenzsignal wird durch Ein­ stellen der Potentiometer 72 und 88 bestimmt.

Das Potentiometer 88 steuert die zulässige Mindest-Intensi­ tät der Leuchte. Wie später erklärt wird, ist es erwünscht, die Mindest-Intensität der Leuchte so einzustellen, daß die Leuchte durch den Fahrer nicht abgeschaltet werden kann. Um das Potentiometer 88 richtig einzustellen, wird zunächst das Potentiometer 72 so eingestellt, daß die Intensität der Leuchte durch Einstellen dieses Potentiometers 72 so gering wie möglich ist. Das Potentiometer 88 wird dann so einge­ stellt, daß die Elektroluminiszenzleuchte 26 sich an dem un­ tersten erwünschten Intensitätspegel befindet. Das Potentio­ meter 88 wird dann für den Fahrer unzugänglich angebracht. Das Potentiometer 72 kann dann durch den Fahrer so einge­ stellt werden, daß die Intensität der Leuchte gesteuert wird (Dimmung), wobei die untere Intensitätsgrenze immer durch das Potentiome­ ter 88 bestimmt ist. Die obere Intensitätsgrenze der Elektro­ luminiszenzleuchte 26 hängt von den Werten des Widerstands 66 und des Potentiometers 72 ab.

Fig. 4 zeigt, warum es günstig ist, die Leuchte 26 nicht ab­ schalten zu lassen. Die Linie 114 zeigt, daß bei Anstieg der an der Leuchte 26 anliegenden Spannung die Intensität des von der Leuchte abgegebenen Lichts Null bleibt bis zum Errei­ chen einer Schwellenspannung 124. Die Linie 109 zeigt, daß an der Schwellenspannung 124 die Leuchte einschaltet und Licht emittiert. Linie 116 zeigt, daß die Intensität des durch die Leuchte 26 emittierten Lichts mit der Größe des die Schwellen­ spannung überschreitenden Spannungswertes zunimmt.

Linie 110 zeigt, daß bei abnehmender Spannung die Intensität des Lichts der Leuchte 26 bis zu einem Intensitätspegel 126 abnimmt mit einem Abschaltspannungspegel 118, der unter dem Einschaltspannungspegel 124 liegt. Die Pfeile 111 zeigen die Richtung zunehmender bzw. abnehmender Spannung.

Da die Elektroluminiszenzleuchten keine vollständige Lineari­ tät, sondern eine bestimmte Hysterese zeigen, neigen die Leuchten zum Flackern, wenn Spannungen in der Nähe der Schwellenwerte angelegt werden. Dieses Flackern wird durch schwankende Ansteuerspannung erzeugt. Um das Flackern der Leuchte zu verhindern, wird das durch das Potentiometer 88 erzeugte Signal so gesetzt, daß die Spannung an Leitung 76 immer hoch genug ist, um das Abschalten der Leuchte zu ver­ hindern.

Das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers 78 ist eine Funktion der Differenz zwischen der Spannung an Leitung 82 (d. h. an Leitung 50) und an Leitung 76. Je höher die Span­ nung an Leitung 82, umso kleiner ist die Spannung an Leitung 79 (dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 78). Je höher die Spannung an Leitung 76, umso höher ist die Span­ nung an Leitung 79.

Durch Einstellen des Potentiometers 72 wird die Leuchte heller bzw. dunkler, je nachdem, wie die Differenz zwischen den beiden Eingangswerten am Verstärker 78 zu- oder abnimmt. Der Verstärker 78 gleicht auch das Altern der Leuchte 26 aus. Durch Altern emittiert die Leuchte eine geringere Licht­ intensität bei gleicher anliegender Spannung. Wenn die Licht­ intensität der Leuchte abnimmt, nimmt auch die Spannung an Leitung 50 ab. Dadurch wächst die Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen des Verstärkers 78 an, so daß das Ausgangs­ signal des Verstärkers anwächst, was wiederum eine Erhöhung der Helligkeit der Leuchte in später zu beschreibender Weise als Ausgleich für das Altern bewirkt.

Das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers 78 ist durch den Widerstand 81 (100 kΩ) mit dem dritten Operations­ verstärker 76 über Leitung 58 gekoppelt. Der Kondensator 67 (1 µF) ist zwischen Leitung 58 und Erde angeschlossen, um Rauschsignale von Leitung 58 auszufiltern. Der dritte Opera­ tionsverstärker 56 ist in einer Regelschleife geschaltet zum Steuern des Leistungstransistors 42. Leitung 54, die Ausgangs­ leitung des Operationsverstärkers 56, ist über den Wider­ stand 45 (39 kΩ) und Leitung 44 mit der Basis des Transi­ stors 42 verbunden.

Der Kollektor des Leistungstransistors 42 ist mit der V+-Span­ nungsversorgung und der Emitter mit Leitung 22 und dem Wider­ stand 48 (100 kΩ) verbunden. Der Widerstand 48 ist mit Lei­ tung 52 verbunden, die am invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers 56 und am Widerstand 60 (50 kΩ) angeschlos­ sen ist, der wiederum über Leitung 61 geerdet ist. Die Wider­ stände 48 und 60 wirken als Spannungsteiler, der zur Rück­ kopplung des Operationsverstärkers 56 dient. Die Rückkoppel­ schleife ergibt nicht nur ein Mittel zum Steuern des Ansteu­ ersignals in Leitung 22, sondern setzt insbesondere auch den Pegel des ka­ pazitiv eingekoppelten Rauschens in der Versorgungsleitung herab.

Die Kondensatoren 46 (1 µF) und 47 (2200 µF) helfen beim Aus­ filtern des Stromversorgungsrauschens und beim Isolieren der Leistungszuführleitung 66 gegen durch Spannungsspitzen vom Inverter-Transformator 106 (Fig. 3) erzeugtes Rauschen.

Das Signal an Leitung 22, das Ausgangssignal des Leistungs­ transistors 42, ist das Ansteuersignal für den Inverter 14. Der Operationsverstärker 56 steuert das Signal an Leitung 22. Wenn die Spannung an Leitung 58 zunimmt, steigt die Span­ nung an Leitung 54. Bei steigender Spannung an Leitung 54 wächst die Spannung an Leitung 22, welche die Intensität der Elektroluminiszenzleuchte 26 steuert.

Der Inverter 14 ist über Leitung 16 geerdet. Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Schaltung für den Inverter 14. Leitung 22 ist mit einem Anschluß des Transformators 106 und dem Widerstand 98 verbunden. Die andere Seite des Widerstands 98 ist mit der Leitung 99 verbunden, die wieder an einem ersten Abgriff auf der Eingangsseite des Transformators 106 und der Basis des Transistors 100 angeschlossen ist. Der Emitter des Transi­ stors 100 ist mit Leitung 16 und in der gezeigten Weise über Leitung 104 mit einem zweiten Abgriff des Transformators 106 verbunden. Der Kollektor des Transistors 100 ist mit dem zweiten Ende der Eingangsseite des Transformators 106 verbun­ den. Der Ausgang des Transformators 106 ist mit einem Wider­ stand 108 in der gezeigten Weise verbunden, und mit Leitung­ en 20 und 24, welche die Leistung zur Elektro­ luminiszenzleuchte 26 führen (Fig. 2).

Der Transformator 106, der Widerstand 108 und die Elektrolu­ miniszenzleuchte 26 (Fig. 1) bilden eine sog. RLC-Schaltung (Wi­ derstands/Induktivitäts/Kapazitäts-Schaltung). Die Frequenz des Inverters strebt natürlicherweise zur Resonanzfrequenz der RLC-Schaltung hin. Die Wirkung der Inverterschaltung ist für den Fachmann leicht verständlich und braucht hier nicht weiter erklärt zu werden.

Die beschriebene Schaltung kann so eine Elektroluminiszenz­ leuchte 26 im wesentlichen während ihrer gesamten Lebensdau­ er mit konstanter Intensität betreiben. Obwohl der Fahrer die Lichtintensität verstellen kann, wird sie mit dem Altern der Leuchte während ihrer Lebensdauer nicht schwächer. Die Schaltung eignet sich besonders gut für die Ansteuerung von Elektroluminiszenzleuchten in Kraftfahrzeug- und Luftfahr­ zeug-Instrumententafeln.

Claims (6)

1. Ansteuerschaltung für eine Elektroluminiszenz-Leuchte mit einem Lichtdetektor, der im Betrieb die Intensität des durch die Leuchte ausgesendeten Lichts erfaßt und ein für die erfaßte Lichtintensität repräsentatives Lichtintensitätssignal liefert; mit einem ersten Vergleicher, der im Betrieb das Lichtintensitätssignal mit einem ersten Referenzsignal vergleicht und ein erstes, für den Vergleich repräsentatives Ausgangssignal liefert; mit einem An­ steuersignalgenerator, der im Betrieb ein Ansteuersignal in Abhängigkeit von dem ersten Ausgangssignal erzeugt; gekennzeichnet durch eine Leuchten-Ansteuerschaltung (14), die im Betrieb durch das Ansteuersignal gesteuert wird, um die Elektroluminiszenz-Leuchte anzusteuern; durch einen zweiten Vergleicher (56), der im Betrieb das erste Ausgangssignal mit einem zweiten, für das Ansteuersignal repräsentative Referenzsignal vergleicht und ein zweites, für den zweiten Vergleich repräsentatives Ausgangssignal liefert; und dadurch, daß der Generator (42) auf das zweite Ausgangssignal reagiert.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (42) im Betrieb den Pegel des Ansteuersignals so erhöht, daß die Intensität des von der Leuchte emittierten Lichts erhöht wird, wenn die erfaßte Lichtintensität unter einer Mindest-Lichtintensität liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellschaltung (68, 72) vorgesehen ist, welche im Betrieb das erste Referenzsignal einstellt und/oder begrenzt, um zu verhindern, daß das Ansteuersignal einen vorbestimmten Maximalpegel überschreitet.

4. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (88) vorgesehen ist, der im Betrieb verhindert, daß das Ansteuersignal unter einen vorbestimmten Minimalpegel abfällt.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (88) zum Einstellen des vorbestimmten Minimalpegels einstellbar ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor eine Photodiode (28) enthält.