Anordnung zur Ansteuerung von LEDs

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine stromsparende Anordnung zur Ansteuerung einer Anzahl n von lichtemittierenden Dioden LED (L1 bis Ln). Bei dieser Anordnung sind in abwechselnder Folge jeweils eine LED (L1,L2...Ln) und ein nachgeschalteter Strombegrenzungswiderstand (R/n) in einer Reihenschaltung angeordnet, und die jeweils einem Strombegrenzungswiderstand (R/n) folgenden Knotenpunkte (K1 bis Kn) der Reihenschaltung sind jeweils mit einem Portausgang (P1 bis Pn) einer Ansteuervorrichtung (A) verbunden. Die Portausgänge (P1 bis Pn) der Ansteuervorrichtung (A) sind wahlweise in einen der Zustände (Z(P_i)): hochohmiger Zustand (H), getakteter Ausgang (T, T*), Versorgungsspannung (1 = V_DD) oder Masse (0 = GND) schaltbar.

Beschreibung

[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 := V_DD

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 := V_DD

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 := V_DD

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 (P₁ ...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 P₁=0, so fließt ein sehr viel größerer Strom I₁ durch diese LED:

[0028] Der Effektivwert soll in beiden Fällen gleich sein, d.h. I₁ muß mit dem Tastverhältnis T getaktet werden:

[0029] Einsetzen von I₁ 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.

Ansprüche

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 (V_DD) 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 (V_DD) 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 = V_DD) 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.

Zeichnung