[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur voneinander unabhängigen Ansteuerung
einer Anzahl n von lichtemittierenden Dioden (LEDs).
[0002] In Anzeigeeinrichtungen eingesetzte LEDs benötigen für eine gut sichtbare Indikation
einen Strom zwischen ca. 1mA und 50mA bei einer Flußspannung von 1,5..2V. Werden mehrere
solcher LED-Anzeigeelemente benötigt, z.B. zur Realisierung einer Bargraph-Anzeige,
muß ein entsprechend groß dimensioniertes Netzteil vorgesehen werden. Batteriebetrieb
scheidet oftmals wegen der hohen Stromaufnahme der Anzeigeeinrichtung aus.
[0003] Nachfolgend ist der Stand der Technik am Beispiel des in Fig. 4 gezeigten integrierten
Dot/Bar-Display Treibers LM3914 / LM3915 von National Semiconductor erläutert.
[0004] Die LEDs L1 bis L10 der bekannten Schaltungsanordnung sind parallel angeordnet. Bei
einer Beschaltung der Anordnung als Bargraph (Balkenanzeige) steigt der benötigte
Strom proportional zur Anzahl der aktivierten LEDs:
[0005] Bekannte Maßnahmen zum Erreichen eines stromsparenden Betriebs sind:
- Betrieb der Ansteuerschaltung als Dot-Display (nur jeweils eine LED ist aktiviert).
- Verwendung stromsparender LEDs mit hohem Wirkungsgrad.
- Verwendung sogenannter "Flasher-Schaltungen", bei denen die LEDs mit sehr kurzen Strompulsen
hoher Stromstärke mit geringem Mittelwert betrieben werden (z.B. mittels dem Baustein
LM3909 von NS).
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ansteuerung einer Anzahl
n von LEDs anzugeben, die auch beim Einsatz von Standard-LEDs zu einem vergleichsweise
niedrigen Stromverbrauch führt.
[0007] Diese Aufgabe wird durch eine Ansteueranordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben
und der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand von Zeichnungsfiguren, die
Ausführungsbeispiele anzeigen, zu entnehmen.
[0008] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine erfindungsgemäße Ansteueranordnung für zwei LEDs;
- Fig. 2
- eine entsprechende Anordnung für drei LEDs;
- Fig. 3
- eine entsprechende Anordnung für eine beliebige Anzahl n von LEDs;
- Fig. 4
- eine Ansteueranordnung gemäß dem Stand der Technik;
- Fig. 5
- eine Darstellung von sich überlappenden Taktsignalen.
[0009] Erfindungsgemäß wird anstelle einer Parallelschaltung eine prinzipielle Reihenschaltung
der anzusteuernden LEDs vorgenommen. Dies ist aufgrund der relativ geringen Flußspannung
der LEDs möglich. Die maximale Anzahl n der in Reihe zu schaltenden LEDs hängt von
der Höhe der zur Verfügung stehenden Versorgungs-spannung ab. Die Knotenpunkte der
in Reihe geschalteten LEDs werden jeweils mit einem Portausgang der Ansteuerschaltung
verbunden. Die Portausgänge müssen in der Lage sein, wahlweise auf Masse, Versorgungsspannung,
in den hochohmigen Zustand und auf Taktausgang geschaltet werden zu können. Dies erfordert
in der Praxis sog. "multi-function push-pull ports", wie sie z.B. bei Standard-Mikrocontrollern
vorhanden sind. Mit einem einfachen Mikrocontroller der Preisklasse 1 bis 2 DM läßt
sich so eine LED-Bargraphanzeige realisieren, die bei 5V Versorgungsspannung den Stromverbrauch
halbiert. Bei höheren Versorgungsspannungen ist der Faktor zur Stromeinsparung noch
höher, kann in der Praxis jedoch nicht mehr so einfach mit Standard-Mikrocontrollern
realisiert werden, aus Gründen der bei solchen Mikrocon-trollern begrenzten zulässigen
Versorgungsspannung.
[0010] Das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung und deren Arbeitsweise wird anhand der
Fig. 1 erläutert.
[0011] Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der die Anzahl der LEDs n=2 ist. Es ist eine Ansteuervorrichtung
A vorhanden, die ein Mikrocontroller sein kann. Die Ansteuervorrichtung A weist -
nicht bezeichnete - Anschlüsse für eine Versorgungsspannung V
DD und Masse GND sowie Portausgänge P1 und P2 auf. Nicht dargestellt sind Eingänge der
Ansteuervorrichtung A für Steuersignale oder zur Eingabe von Steuerungspro-grammen.
[0012] Zwei LEDs L1, L2 sind in einer Reihenschaltung angeordnet, wobei jeder LED L1, L2
ein Strombegrenzungswiderstand R/2 nachgeschaltet ist. Die beiden Einzelwider-stände
R/2 haben den halben Wert eines Geamtwiderstands R. Der ersten LED L1 der Reihenschaltung
ist die Versorgungsspannung V
DD zugeführt. Jeweils dem Strombegrenzungswiderstand R/2 in der Reihenschaltung folgende
Knotenpunkte K1, K2 sind mit entsprechenden Portausgängen P1, P2 verbunden.
[0013] Die Portausgänge P
i können die folgenden Zustände Z annehmen:
mit
0 := GND
1 := VDD
H := Tristate (Definition als Eingang, also hochohmig)
T:= getakteter Ausgang
[0014] Damit ergibt sich das folgende Ansteuerschema für die LEDs:
P1 |
P2 |
L1 |
L2 |
H |
H |
Aus |
Aus |
T |
H oder 1 |
Ein |
Aus |
1 |
T |
Aus |
Ein |
H |
0 |
Ein |
Ein |
[0015] Eine zusätzliche Überlegung ist noch bezüglich des Zustandes T, getakteter Ausgang
erforderlich. Zum einen sollte die Frequenz des Taktausgangs größer ca. 100Hz sein,
um ein "Flimmern" zu vermeiden. Bezüglich des Tastverhältnisses gilt die Anforderung,
daß der mittlere Strom durch die LEDs unabhängig von der Anzahl der aktivierten LEDs
sein sollte. Im allgemeinen führt die mathematische Herleitung des Tastverhältnisses
auf einen nichtlinearen Zusammenhang zu den Größen V
DD und V
L (=Durchflußspannung der LEDs). Sind beide LEDs aktiviert ergibt sich bei V
DD=5V, Strombegrenzungs-Gesamtwiderstand R=270Ω und bei Verwendung roter LEDs ein Strom
von 3,1mA durch beide Dioden L1, L2 bei einer Flußspannung V
L von ca.1,65V. Würde der Ausgang P1 statisch mit"0" angesteuert, ergäbe sich bei diesen
Verhältnissen ein Strom von ca. 12,4mA durch LED L1. Damit der Strom bei Einzelansteuerung
der LEDs den gleichen Mittelwert erhält, muß das Tastverhältnis des Taktausgangs einen
Wert von 25%, entsprechend 3:1 = (High zu Low), erhalten.
[0016] Das gezeigte Prinzip läßt sich generell auch für eine LED-Anzahl n>2 anwenden. Allerdings
wird man dann nicht mit einfachen Mikrocontroller-Schaltungen direkt arbeiten, sondern
eine Ansteuervorrichtung verwenden, die mit größeren Versorgungs-spannungen betrieben
werden kann. Das Ansteuerungsschema für n>2 wird ebenfalls etwas komplexer und man
benötigt verschiedene, teils überlappende Taktsignale. Die Fälle n=3 und größer werden
im folgenden behandelt.
[0017] Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit drei LEDs L1, L2, L3 und mit jeweils einem nachgeschalteten
Strombegrenzungswiderstand R/3, der in diesem Fall jeweils den Widerstandswert eines
Drittels des Gesamtwiderstands R hat.
[0018] Die Portausgänge P
i können die folgenden Zustände Z annehmen:
mit
0 := GND
1 := VDD
H := Tristate (Definition als Eingang)
T:= getakteter Ausgang
T*:= getakteter Ausgang
[0019] Die Taktausgänge T und T* weisen die gleiche Signalform auf. Jedoch sind die"0"-
Zustände gegeneinander nichtüberlappend verschoben, wie in Fig. 5 dargestellt. Die
Bestimmung des Tastverhältnisses dieser Rechtecksignale folgt aus den Überlegungen
zu gleichen Mittelwerten der LED-Ströme und wird unten für den allgemeinen Fall der
beliebigen Anzahl n hergeleitet.
[0020] Damit ergibt sich das folgende Ansteuerschema für den in Fig. 2 dargestellten Fall
mit drei LEDs:
P1 |
P2 |
P3 |
L1 |
L2 |
L3 |
H |
H |
H |
Aus |
Aus |
Aus |
T |
H |
H |
Ein |
Aus |
Aus |
1 |
T |
H |
Aus |
Ein |
Aus |
T |
T* |
H |
Ein |
Ein |
Aus |
1 |
1 |
T |
Aus |
Aus |
Ein |
T |
1 |
T |
Ein |
Aus |
Ein |
1 |
T |
T* |
Aus |
Ein |
Ein |
H |
H |
0 |
Ein |
Ein |
Ein |
[0021] Die für eine beliebige LED-Anzahl n gültige Ansteueranordnung ist in Fig. 3 dargestellt
und bedarf bezüglich der Anordnung keiner weiteren Erläuterung.
[0022] Die Portausgänge P
i einer solchen Anordnung können die folgenden Zustände Z annehmen:
mit
0 := GND
1 := VDD
H := Tristate (Definition als Eingang)
T:= getakteter Ausgang
T*i:= getakteter Ausgang i
[0023] Die Taktausgänge T und T
∗ und T
∗i weisen die gleiche Signalform auf. Jedoch sind die "0"-Zustände gegeneinander nichtüberlappend
verschoben. Wie man leicht erkennt, läßt sich durch geeignete Wahl der Portzustände
Z(P
i) jede beliebige LED einzeln ansteuern.
[0024] Im folgenden soll auf die Bestimmung des Tastverhältnisses der Taktausgänge näher
eingegangen werden. Offensichtlich muß die Versorgungsspannung V
DD größer sein als die n-fache Diodenflußspannung V
L:
[0025] Es wird die folgende Konvention getroffen:
[0026] Sind alle LEDs eingeschaltet (P
1 ...P
n-1 = H, P
n = 0), fließt der Gesamtstrom I
ges durch die LEDs:
[0027] Ist dagegen nur eine LED angesteuert und würde die Ansteuerung statisch erfolgen,
z.B. mit P
1=0, so fließt ein sehr viel größerer Strom I
1 durch diese LED:
[0028] Der Effektivwert soll in beiden Fällen gleich sein, d.h. I
1 muß mit dem Tastverhältnis T getaktet werden:
[0029] Einsetzen von I
1 und I
ges ergibt das Tastverhältnis T:
[0030] Das bereits betrachtete Beispiel für n=2 und V
DD=5V führt mit V
L=1,65V auf einen Wert von k=3. Einsetzen ergibt für T den Wert 0,25.
Mit n=3 und V
DD=7,5V ergibt sich mit V
L=1,65V eine Wert von k=4,5. Die Berechnung von T ergibt für diesen Fall 0,14.
1. Anordnung zur Ansteuerung einer Anzahl n von lichtemittierenden Dioden LED (L1 bis
Ln), wobei
a) in abwechselnder Folge jeweils eine LED (L1,L2...Ln) und ein nachgeschalteter Strombegrenzungswiderstand
(R/n) in einer Reihenschaltung angeordnet sind,
b) der ersten LED (L1 ) der Reihenschaltung eine Versorgungsspannung (VDD) zugeführt ist,
c) die jeweils einem Strombegrenzungswiderstand (R/n) folgenden Knotenpunkte (K1 bis
Kn) der Reihenschaltung jeweils mit einem Portausgang (P1 bis Pn) einer Ansteuervorrichtung
(A) verbunden sind,
d) die Ansteuervorrichtung (A) mit der Versorgungsspannung (VDD) sowie der zugehörigen Masse (GND) verbunden ist, und
e) die Portausgänge (P1 bis Pn) der Ansteuervorrichtung (A) wahlweise in einen der
Zustände (Z(Pi)): hochohmiger Zustand (H), getakteter Ausgang (T, T∗), Versorgungsspannung (1 = VDD) oder Masse (0 = GND) schaltbar sind.
2. Ansteueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ansteuervorrichtung
(A) ein Mikrocontroller verwendet ist.
3. Ansteueranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den "getakteter
Ausgang"-Zustand (T) eines Portausgangs (P1 bis Pn) ein Tastverhältnis gewählt ist,
und im Fall mehrerer Portausgänge (P1 bis Pn) mit dem Zustand getakteter Ausgang (T,
T∗) eine geeignete zeitliche Impulsüberlappung gewählt ist, um bei wechselnder Anzahl
gleichzeitig eingeschalteter LEDs einen etwa gleichbleibenden Strom durch die LEDs
zu erreichen.