[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung für wenigstens
eine Leuchtdiode.
[0002] Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Leuchtdioden (LED's) und
- genauer gesagt - auf das Gebiet der Verwendung von derartigen LED's zu Beleuchtungszwecken.
Obwohl die Verwendung von LED's für Anzeige (Display)-Anwendungen seit langem bekannt
ist, hat sich die Verwendung dieser Leuchtdioden für Beleuchungszwecke erst in letzter
Zeit entwickelt. Der Grund dafür ist u.a., daß die Ausbeute (Lichtleistung pro Watt)
erst in letzter Zeit derartige Werte erreicht hat, daß der Wirkungsgrad von LED-Beleuchtungseinrichtungen
zufriedenstellend ist. Insbesondere die für die Erzeugung von weissem Licht notwendigen
blauen LED's haben erst in letzter Zeit einen befriedigenden Wirkungsgrad erreicht.
[0003] Die Verwendung von LED's zu Beleuchungszwecken, insbesondere in einer Matrixanordnung,
um somit einen Art Strahler zu bilden, ist beispielsweise aus dem US-Patent US-A-6
016 038 bekannt.
[0004] Figur 12 zeigt eine Ansteuerschaltung, wie sie in Produkten vorliegt, die von der
Firma Colour Kinetics vertrieben werden und die im wesentlichen dem genannten US-Patent
entsprechen.
[0005] Die Leuchtdiode LED wird dabei mit einer Konstantstromquelle KSQ angesteuert. Die
Konstantstromquelle weist einen Bipolartransistor auf, wobei die Leuchtdiode LED mit
dem Kollektor eines NPN-Transistors verbunden ist. Der Emitter des Transistors Q1
der Konstantstromquelle KSQ ist mittels eines Ohm'schen Widerstands R2 mit Masse verbunden
und über die PWM-Schaltung zur Regelung des Stroms zum Steueranschluss des Transistors
Q1 zurückgekoppelt. Der NPN-Transistor stellt einen schaltbaren Stromabfluß (auch
als Stromsenke oder auf Englisch "current sink" bezeichnet) dar. Mittels des Ohm'schen
Widerstandes R2 wird der Diodenstrom erfaßt und mittels Änderung der Basisspannung
auf einen Sollwert geregelt.
[0006] Wie in Figur 12 ersichtlich und insbesondere auch aus der US-A-6 016 038 oder der
GB-A-2 333 593 bekannt, wird zum Dimmen der Leuchtdiode LED ein Impulsbreitenmoduliertes
(PWM) Signal an den Basisanschluß des Transistors Q1 gelegt. Der Vorteil des PWM-Signals
ist, daß die Leuchtdiode LED, die Änderungen des Stromflusses praktisch instantan
umsetzt, entweder voll oder gar nicht angesteuert ist. In diesen Zuständen ist der
Wirkungsgrad deutlich größer im Vergleich zu Zwischenwerten, in denen ein Diodenstrom
zwischen Null und maximalem Stromfluß durch die Leuchtdiode LED fließt. Zum Dimmen,
das durch ein externes Steuersignal an einer PWM-Steuerschaltung vorgegeben wird,
wird gemäß dem genannten US-Patent das Tastverhältnis des PWM-Signals an dem NPN-Transistor
Q1 (bei konstanter Frequenz) verändert. Durch Erhöhung der Totzeiten des PWM-Signals
wird die für das menschliche Auge wahrnehmbare Leuchtkraft der LED gedimmt.
[0007] Allgemein besteht bei der Verwendung von LED's zu Beleuchtungszwecken das Problem
hoher Wärmeentwicklung, da die LED's und die zugehörigen Ansteuerschaltungen (Konstantstromquelle
etc.) sehr dicht in die Matrixanordnungen gepackt werden müssen, um eine ausreichende
Leuchtkraft zu erreichen. Ein Problem stellt dabei auch die Wärmeentwicklung an dem
Stromfühler-Meßwiderstand R2 dar, der emitterseitig in die Gegenkopplung der Konstantstromquelle
geschaltet ist.
[0008] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ansteuerschaltung für Leuchtdioden
mit Konstantstromquellen auf der Rückkopplungsseite des Transistors der Konstantstromquelle
zu verbessern.
[0009] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst,
die jeweils effizienzsteigernde Maßnahmen auf der Rückkopplungsseite des Transistors
vorschlagen.
[0010] Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist also eine Ansteuerschaltung für wenigstens
eine Leuchtdiode vorgesehen, die eine Konstantstromquelle aufweist. Die Konstantstromquelle
weist einen Operationsverstärker auf, dessen Ausgang mit dem Steueranschluß eines
(externen) Transistors verbunden ist. Die Leuchtdiode ist mit einem ersten ausgangsseitigen
Anschluß des Transistors in Serie geschaltet. Ein zweiter ausgangsseitiger Anschluß
des Transistors ist zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zurückgekoppelt.
Erfindungsgemäß ist auf der Rückkopplungsseite des Transistors ein Bauteil vorgesehen,
daß das Potential der Rückkopplungsseite des Transistors wenigstens um den Wert einer
Offsetspannung des Operationsverstärkers anhebt, wenn durch die Leuchtdiode kein bzw.
nur ein infinitesimaler Strom fließt.
[0011] Selbstverständlich ist durch diese Definition auch ein Bauteil umfaßt, daß das Potential
auf der Rückkopplungsseite des Transistors immer um einen vorbestimmten Wert größer
oder gleich der Offsetspannung des Operationsverstärkers anhebt. Ein solches Bauteil
ist typischerweise eine Spannungsquelle.
[0012] Alternativ kann das Bauteil auf der Rückkopplungsseite eine weitere Diode und insbesondere
eine Leuchtdiode sein, die dem Spannungsabfall und den Stromfluß in eine weitere Lichtleistung
umsetzt. Vorteilhafterweise ist die Leuchtdiode auf der Rückkopplungsseite eine rote
Leuchtdiode, da die Flußspannung von roten Leuchtdioden niedriger ist als die von
grünen oder blauen Leuchtdioden.
[0013] Das genannte Bauteil kann in Serie zu einem Ohm'schen Widerstand geschaltet sein.
Der Ohm'sche Widerstand sorgt für einen gewissen. Linearanteil der Rückkopplungsseite.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ansteuerschaltung
für eine Leuchtdiode vorgesehen, die eine Konstantstromquelle mit einem Transistor
aufweist. Die Leuchtdiode ist in Serie zu einem ersten ausgangsseitigen Anschluß des
Transistors geschaltet. Ein zweiter ausgangsseitiger Anschluß des Transistors ist
dem Steueranschluß (Basis bzw. Gate) des Transistors zurückgekoppelt. Auf der Rückkopplungsseite
des Transistors ist eine weitere Leuchtdiode vorgesehen.
[0014] Diese weitere Leuchtdiode kann insbesondere in Serie zu einem Ohm'schen Widerstand
geschaltet sein. Vorteilhafterweise ist die weitere Leuchtdiode eine rote Leuchtdiode,
deren Vorteile bereits oben erläutert wurden. Der Transistor kann ein Bipolartransistor
sein. An den Steueranschluß des Transistors können insbesondere Impulsbreitenmodulierte
Spannungssignale angelegt werden. Das Dimmen der wenigstens einen Leuchtdiode erfolgt
dann durch eine Änderung des Tastverhältnisses und/oder der Frequenz der Impulsbreitenmodulierten
(PWM) Spannungssignale an dem Steueranschluß des Transistors.
[0015] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung betrifft Maßnahmen, durch welche die
Ansteuerschaltung in ihren Abmessungen möglichst kompakt gehalten werden kann. Um
dies zu erreichen, besteht die Ansteuerschaltung zumindest teilweise aus einer Mehrlagenschaltung,
in die passive Bauelemente - z.B. Widerstände, Leiterbahnen und dergleichen - integriert
sind. Diese Integration ist insbesondere dann möglich, wenn die Leuchtdioden mit hohen
Frequenzen betrieben werden, da dann in der Schaltung entsprechend niedrigere Kapazitäts-
bzw. Induktivitätswerte verwendet werden können. Im vorliegenden Fall hat sich ein
Frequenzbereich von 200 kHz bis 1 MHz als besonders geeignet herausgestellt. Eine
durch die Frequenzerhöhung zunächst bedingte erhöhte Abstrahlung von elektromagnetischen
Hochfrequenz-Feldern kann durch geeignete Abschirmmaßnahmen vermieden werden, die
- aufgrund der reduzierten Abmessungen der Schaltung - einfach vorgenommen werden
können.
[0016] Die Integrierung von Bauelementen kann beispielsweise durch eine mehrlagige Leiterplatten-Technik
erfolgen. Vorzugsweise wird die Mehrlagenschaltung durch eine LTCC- (Low Temperature
Cofired Ceramic) Struktur realisiert, welche aus mehreren übereinander angeordneten
niedrig-sinternden Keramikschichten oder -folien besteht, zwischen denen sich Leiterbahnen
befinden. Gegenüber der herkömmlichen Leiterplattentechnik kann mit dieser in den
letzten Jahren neu entwickelten und beispielsweise aus der EP 0 581 206 A2 bekannten
LTCC-Technik eine nochmalige Miniaturisierung der Schaltung erreicht werden. Dabei
können neben den Leiterbahnen insbesondere auch Induktivitäten und Kapazitäten in
die Mehrlagenschaltung integriert werden. Ferner bietet das Keramik-Material den Vorteil,
daß es Wärme relativ gut leitet, was bedeutet, daß bei gleichem Bauvolumen größere
Leistungen erzielt werden können, da Verlustwärme besser abgestrahlt wird. Vorzugsweise
wird die Wärmeableitung durch Einbetten der Keramikstruktur in ein metallisches Gehäuse
nochmals erhöht. Auf diese Weise kann auch eine effektive Abschirmung der von der
Ansteuerschaltung in die Umgebung abgestrahlten Hochfrequenz-Felder erzielt werden.
[0017] Bei den oben genannten Frequenzen kann ein Großteil der Bauelemente der Ansteuerschaltung
in die Mehrlagenschaltung integriert werden. Die verbleibenden passiven Bauelemente
sowie Halbleiter-Baugruppen sind allerdings nach wie vor an der Oberfläche bzw. außerhalb
der Keramikstruktur anzubringen. Um auch hierfür einen möglichst geringen Platzbedarf
zu erzielen, werden die Halbleiter-Baugruppen vorzugsweise mittels der bekannten Flip-Chip-
(FC) Technik auf dem Keramiksubstrat montiert. Dabei wird zwischen dem gehäuselos
montierten Halbleiter sowie den Kontakten auf der Oberfläche des Trägersubsträts eine
Kunststoffschicht eingebracht, die zum einen senkrecht zur Kontaktierungsebene elektrisch
leitfähig und in der Kontaktierungsebene isolierend wirkt und die zum anderen die
sich bei einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Halbleiterbaugruppe und
des Keramiksubstrats ergebenden Spannungen aufnimmt und somit eine Zerstörung der
Halbleiterbaugruppe verhindert.
[0018] Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und Bezug nehmend
auf die begleitenden Figuren der anliegenden Zeichnungen näher ersichtlich.
- Fig. 1
- zeigt eine schematische Ansicht einer Ansteuerschaltung für ein LED-Array mit Leuchtdioden
(LED's) verschiedener Farben (R, G, B),
- Fig. 2
- zeigt eine Ansteuerschaltung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, bei dem auf
der Rückkopplungsseite der Konstantstromquelle eine Verbesserung vorgenommen wurde,
die Vorteile beim Dimmen bringt,
- Fig. 3
- zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles von Figur 2,
- Fig. 4
- zeigt eine Ansteuerschaltung gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung,
- Fig.
- 5a-10 zeigen die Fertigungsschritte einer Mehrlagen-Keramik- (LTCC) Struktur,
- Fig. 11
- zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer LTCC-Struktur, und
- Fig. 12
- zeigt eine Ansteuerschaltung für eine Leuchtdiode gemäß dem Stand der Technik.
[0019] Bezug nehmend auf Figur 1 soll zuerst ein allgemeine Ansicht einer Ansteuerschaltung
für LED-Arrays, d.h. genauer gesagt, von Arrays mit Leuchtdioden verschiedener Farben
(R, G, B) erläutert werden. Ein AC/DC-Konverter stellt eine im wesentlichen geregelte
Ausgangsspannung V+ bereit. Im ersten Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist für jede
der verschiedenen Farben an LED's (R, G, B) eine Konstantstromquelle KSQ_R, KSQ_G,
KSQ_B vorgesehen, die von einer PWM (Impulsbreitenmodulation)-Steuerschaltung PWM_R,
PWM_G bzw. PWM_B angesteuert werden. Es ist auch möglich, eine Konstantstromquelle
für LED-Arrays verschiedener Farben bereitzustellen. Den PWM-Steuerschaltungen PWM_R,
PWM_G, PWM_B wird ein externes Steuersignal, beispielsweise von einem Bus her zugeführt,
das Dimmstellungen für die verschiedenen LED-Arrays LED_R, LED_G bzw. LED_B vorgibt.
[0020] Figur 2 zeigt eine Ansteuerschaltung für wenigstens eine LED 1, die einen Operationsverstärker
OP verwendet.
[0021] Der Stromfluß durch die Leuchtdiode LED1 entspricht dem Stromfluß durch den Emitterwiderstand
R3.
[0022] Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist mit dem Steueranschluß des externen
Transistors Q1 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Ausgang des
Operationsverstärkers mit der Basis eines NPN-Bipolartransistors Q1 verbunden. Durch
die Rückkopplung liegt an dem Emitterwiderstand R3 die Spannungsdifferenz V
c-V
EIN an, so daß der Strom durch den Widerstand R3 und somit durch die Leuchtdiode LED1
(der Basisstrom ist vernachlässigbar klein)
beträgt.
[0023] Das Potential der Gegenkopplungsseite des Transistors Q1 ist durch eine Konstantstromquelle
V
c angehoben. Die Potentialanhebung ist dabei wenigstens so groß wie eine durchschnittliche
Offsetspannung, wie sie bei Operationsverstärkern typischerweise auftritt und liegt
daher im Bereich von wenigstens etwa 2 mV.
[0024] Die Schaltung von Figur 2 hat folgende Vorteile beim Dimmen der Leuchtdiode LED mittels
Impulsbreitenmodulierter Signale (PWM-Signale):
[0025] Wenn die Konstantstromquelle V
c auf der Gegenkopplungsseite des Transistors nicht vorgesehen sein würde, könnte in
der Ausschaltzeit der PWM-Signale (in denen V
ein = 0 ist) eine Offsetspannung an den Steueranschluß (Basis des Transistors Q1) anliegen.
Somit wäre der Transistor Q1, wenn auch nur sehr gering, leitend und ein geringer
Strom würde auch in diesen Ausschaltphasen durch die Leuchtdiode LED1 fließen. Somit
wäre die Leuchtdiode LED1 auch in den Ausschaltphasen unbeabsichtigterweise nicht
ausgeschaltet. Im Ergebnis lassen sich durch die Offsetspannung somit nicht unbegrenzt
kleine Dimmstufen erreichen, da die Offsetspannung ohne Vorsehen der Konstantstromquelle
V
c immer für einen kleinen Stromfluß durch die Leuchtdiode LED1 sorgt.
[0026] Mittels der Konstantstromquelle V
c auf der Gegenkopplungsseite (Emitterseite) des Transistors Q1 wird das Potential
auf der Gegenkopplungs (Emitter) -seite des Transistors Q1 auf ein höheres Potential
als das Potential des Steueranschlusses angehoben. Im Beispiel von Figur 2 liegt somit
das Potential des Emitters des Transistors Q1 auf einem höheren Potential als die
Basis des Transistors Q1, so daß jeglicher Stromfluß sicher unterbunden wird (die
"Diode" Basis-Emitter sperrt). Im Ergebnis wird somit in den Ausschaltphasen der PWM-Signale
jeglicher Stromfluß unterbunden, so daß die Leuchtdiode LED1 sicher ausgeschaltet
ist. Selbstverständlich muß die Spannung V
ein während der Einschaltphasen der PWM-Signale deutlich über dem Potential der Konstantspannungsquelle
V
c liegen.
[0027] Figur 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles von Figur 2, bei der anstelle
der Konstantspannungsquelle V
c ein elektronisches Bauteil mit nichtlinearer Strom-Spannungscharakteristik, d.h.
genauer gesagt, eine Diode LED2 eingesetzt wird. Allgemein wird auf der Rückkopplungsseite
des Transistors ein Bauteil verwendet, das bei Nullstrom bzw. infinitesimal kleinem
Strom durch die Leuchtdiode LED1 bereits ein Anheben des Potentials an der Rückkopplungsseite
bewirkt. Wie in Figur 3 gezeigt, kann dieses Bauteil eine Diode und insbesondere eine
Leuchtdiode LED2 sein, die zur Steigerung der Lichterzeugung der LED-Anordnung dient.
Diese weitere Leuchtdiode LED2 auf der Rückkopplungsseite des Transistors kann als
vollständiger bzw. wie in Figur 3 gezeigt, teilweiser Ersatz des Stromdetektor-Widerstands
R3 in der Konstantstromquelle dienen. Die zweite LED2 auf der Rückkopplungsseite des
Transistors Q1 stellt sozusagen eine Stromdetektor-Leuchtdiode dar.
[0028] Durch dieses Bauteil, das bei Nullstrom oder sehr kleinem Strom einen Spannungsanhub
auf der Rückkopplungsseite bewirkt, wird der Stromfluss durch die Leuchtdiode LED1
in den Auschaltphasen sicher unterdrückt.
[0029] Neben der Spannungsquelle und der Diode kommt jedes Bauteil in Frage, das im Bereich
geringer Ströme einen sehr großen Widerstandswert aufweist.
[0030] Gemäß dem Aspekt der Erfindung, wie er in Figur 2 und 3 dargestellt wird, werden
Restströme durch die LED 1 verhindert, die bei Konstantstromquellen KSQ mit Operationsverstärker
OP in den Ausschaltphasen T
off der steuernden PWM-Signale, die zum Dimmen der LED-Arrays variiert werden, bedingt
durch Offsetspannungen des Operationsverstärkers OP auftreten. Gerade in unteren Dimmbereichen
behindern die LED-Restströme die Realisierung niedriger Dimmstufen. Zur Reduktion
dieser Ströme wird gemäß der Erfindung das Emitter- bzw. Source-Potential des Bipolar-
bzw. MOS-FET-Transistors mittels einer Spannungsquelle soweit angehoben, daß die Offsetspannungen
des Operationsverstärkers während der Ausschaltphase T
off kompensiert bzw. überkompensiert werden.
[0031] Figur 4 zeigt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Dabei wird wiederum
von dem in Figur 5 dargestellten Stand der Technik ausgegangen, und insoweit sich
die Bauteile gleichen, wird auf die eingehende Beschreibung von Figur 5 verwiesen.
In Figur 4 ist bei einer Ansteuerschaltung mit einer Konstantstromquelle KSQ mit reiner
Stromgegenkopplung (ohne Operationsverstärker OP) der Stromdetektor-Widerstand an
der Rückkopplungsseite teilweise durch eine Leuchtdiode LED2 ersetzt, die einen Teil
der auf der Rückkopplungsseite anfallenden Spannung in Licht umwandelt. Es wird somit
die Lichtausbeute unter Verringerung der Wärmeentwicklung verbessert.
[0032] Auch wenn ein nur teilweiser Ersatz des Ohm'schen Widerstandes R2 hinsichtlich der
Linearität der Rückkopplungsschleife vorteilhaft ist, kann der Stromdektektor-Widerstand
R2 in der Rückkopplungsschleife alternativ auch vollständig durch die LED2 ersetzt
werden.
[0033] Es bietet sich bei den Ausführungsbeispielen von Figur 3 bzw. Figur 4 an, als Leuchtdiode
LED2 in der Rückkopplungsschleife eine rote Leuchtdiode zu verwenden, da die Flußspannung,
d.h. der notwendige Spannungsabfall an der Diode, der minimal für eine Aussendung
von Licht durch die Leuchtdiode notwendig ist, bei roten Leuchtdioden niedriger ist
als bei grünen oder blauen bzw. weißen.
[0034] Im folgenden soll nunmehr auf den strukturellen Aufbau der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltungen
eingegangen werden, der sich insbesondere bei der Verwendung von Steuerfrequenzen
im Bereich von 200 kHz bis 1 MHz anbietet. Für die Integrierung der passiven Bauelemente
bietet sich die bereits erwähnte LTCC-Mehrlagenschaltung an. Die Herstellung einer
derartigen Keramik-Mehrlagenstruktur soll nun anhand der Figuren 5a-10 erläutert werden.
[0035] Den Grundbäustein einer LTCC-Struktur bildet eine ca. 100-130 µm dicke niedrig sinternde
Keramikfolie - beispielsweise aus Aluminiumoxid, das mit Glaspartikeln und weiterem
Füller-Material vermischt ist - wie sie in Fig. 5a in Draufsicht gezeigt ist. Der
erste Bearbeitungsschritt besteht darin, in die Keramikfolie 10 Durchkontaktierungslöcher
11 zu stanzen. Fig. 5b zeigt die entsprechend bearbeitete Keramikfolie 10 im Schnitt
I-I der Fig. 5a. Vor dem Brennprozess beträgt der Durchmesser der Durchkontaktierungslöcher
11 in etwa 250 µm. Im nächsten in den Figuren 6a und 6b dargestellten Arbeitsschritt
werden die Durchkontaktierungslöcher 11 dann mit einem leitfähigem Material, üblicherweise
mit einer Leiterpaste, die einen relativ hohen Feststoffanteil enthält, gefüllt.
[0036] Entsprechend der gewünschten schaltungstechnischen Struktur werden dann auf die Oberseite
der Keramikfolie 10 Leiterbahnen 12 aufgedruckt (Fig. 7). Dies erfolgt üblicherweise
mittels Siebdruckverfahren. Dabei werden für die Durchkontaktierungen und für die
Leiterbahnen Silber-, Silber/Palladium-, Gold- oder Kupferpasten verwendet. Um Durchbiegungen
zu vermeiden wird die Materialzusammensetzung der Leiterpasten so gewählt, daß diese
beim späteren Sintern in gleichem Maße wie die Keramikschichten 10 selbst schrumpfen.
[0037] Die eben beschriebenen Bearbeitungsschritte werden zunächst für jede Keramikfolie
10 getrennt durchgeführt. Die einzelnen Lagen gestanzter und bedruckter Keramikfolien
10 werden dann übereinander angeordnet und ausgerichtet, wie dies in Fig. 8 gezeigt
ist. Anschließend werden sie in einer Pressform gestapelt und unter Zuführung von
Wärme und Druck laminiert, so daß sich eine zusammenhängende Keramikstruktur bildet.
Diese wird schließlich zu einer hochfesten Keramikstruktur gesintert, wobei sich -
wie in Fig. 9 gezeigt ist - ein homogenes Keramiksubstrat 13 mit einem darin integrierten
zusammenhängenden Leiterbahnen-Netz 14 bildet.
[0038] In dem in Fig. 10 gezeigten abschließenden Bearbeitungsschritt werden dann die nicht
in die Keramikschaltung integrierbaren Bauteile, beispielsweise diverse Halbleiterbaugruppen
15 an der Oberseite des Keramiksubstrats 13 befestigt und kontaktiert. Dabei können
nachträglich auch auf die Oberseite Leiterbahnen 16 aufgebracht werden. Schließlich
wird der gesamte Komplex mit Anschlüssen versehen und mit einem metallischen Gehäuse
umgeben, das zum einen die Wärmeableitung erhöht und zum anderen die während des Betriebs
entstehenden hochfrequenten elektromagnetischen Felder abschirmt.
[0039] Fig. 11 zeigt nochmals in vergrößerter Darstellung einen Bereich der LTCC-Struktur
im Schnitt. Dabei sind noch die Trennlinien zwischen den einzelnen ursprünglichen
Keramikschichten eingezeichnet, auch wenn sich - wie zuvor beschrieben - nach dem
Laminieren und Sintern eine homogene Keramikstruktur 13 bildet. Wie auf der rechten
Seite der Abbildung zu sehen ist, können sich dabei die vertikal verlaufenden Leiterbahnen
11, die durch die im ersten Verfahrensschritt herausgestanzten Durchkontaktierungslöcher
gebildet werden, auch über mehrere Ebenen erstrecken. Der wesentliche Vorteil der
Verwendung einer LTCC-Struktur besteht darin, daß nicht nur Leiterbahnen 11 bzw. 12
sondern auch andere passive Bauelemente in die Mehrlagenschaltung integriert werden
können. Im Rahmen des in Fig. 7 gezeigten Bearbeitungsschrittes können neben der Leiterpaste
für die allgemeinen Leiterbahnen 12 beispielsweise auch andere Materialien mit bestimmter
Leitfähigkeit auf die Oberseite einer einzelnen Keramikschicht 10 aufgebracht werden,
so daß auf diese Weise ein Widerstand 21 vollkommen in die Keramikstruktur 13 integriert
werden kann. Neben den üblichen Durchkontaktierungslöchern 11 können aber beispielsweise
auch größere vertikal verlaufende Löcher in eine Keramikschicht 10 eingestanzt werden.
Diese können dann mit einem Material 20 mit einer bestimmten Dielektrizitätskonstante
gefüllt werden, so daß durch die in Fig. 11 gezeigten Schichtanordnung Leiterbahn
- Dielektrikum 20 - Leiterbahn in das Keramiksubstrat 13 integrierte Kapazitäten realisiert
werden können.
[0040] Ferner könnte eine Induktivität innerhalb der Keramikstruktur 13 durch eine auf eine
einzelne Keramikschicht 10 aufgedruckte spiralenartige Leiterbahn realisiert werden.
[0041] Denkbar wäre allerdings auch, die verschiedenen Wicklungen der Induktivität auf mehrere
Leiterbahn-Ebenen zu verteilen. Derartige Strukturen werden auch als planare Induktivitäten
bezeichnet. Zur Erhöhung der Induktivität, könnte ferner auch eine Öffnung oder Ausnehmung
in dem Keramiksubstrat 13 vorgesehen werden, die mit einem geeigneten Kern-Material,
beispielsweise Ferrit, gefüllt wird.
[0042] Für die in die Mehrlagenschaltung integrierten Bauelemente können nur Induktivitätsund
Kapazitätswerte bis zu einer bestimmten Höhe erreicht werden. Diese Werte sind allerdings
für einen ordnungsgemäßen Betrieb der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung bei Frequenzen
im Bereich zwischen 200 kHz und 1 MHz ausreichend.
[0043] Allerdings können bei der LTCC-Technik nicht sämtliche Bauelemente der Ansteuerschaltung
in die Mehrlagenschaltung 13 integriert werden. Beispielsweise wird der Operationsverstärker
durch eine Halbleiter-Baugruppe 15 gebildet, die nicht in die Keramikschicht 13 integriert
werden kann. Vorzugsweise werden dann solche Halbleiter-Baugruppen 15 an der Oberseite
der Mehrlagenschaltung 13 mittels Flip-Chip-Technik kontaktiert. Dabei wird zwischen
die Oberseite des Keramiksubstrats 13 und die ungehäuste Halbleiterschaltung 15 ein
anisotrop elektrisch leitender Kunststoff eingebracht, der senkrecht zur Flip-Chip-Kontaktierungsebene
elektrisch leitfähig und in der Kontaktierungsebene isolierend wirkt. Als elektrisch
leitende Partikel enthält der Kunststoff beispielsweise unregelmäßig geformte Metallstückchen
oder aber auch kleinere Kügelchen oder Fasern, welche eine Kontaktierung zwischen
den Oberflächenkontakten 18 des Keramiksubstrats 13 und den Anschlußpads 17 der Halbleiterbaugruppe
15 bewirken. Ferner nimmt dieser Kunststoff 18 auch Spannungen auf, die sich durch
eine unterschiedlich thermische Ausdehnung des Keramikmaterials und der Halbleiterbaugruppe
15 ergeben können. Diese Flip-Chip-Technik ermöglicht eine sehr hohe Kontaktierungsdichte,
so daß sie ebenfalls zu einer Volumenreduzierung des gesamten Schaltung beiträgt.
Auch die Leuchtdioden selbst können mit dieser Technologie auf die Oberseite der Mehrlagenschaltung
15 aufgebracht werden. Selbstverständlich können auch Widerstände 22 oder Induktivitäten
der Schaltung als diskrete Teile an der Oberfläche angeordnet werden.
[0044] Durch die vorliegende Erfindung werden somit bei Ansteuerschaltungen für LED's mit
Konstantstromquellen Verbesserungen auf der Rückkopplungsseite des Transistors der
Konstantstromquelle vorgenommen, wobei durch zuletzt beschriebenen Weiterbildungen
eine Ansteuerschaltung mit äußerst kompakten Abmessungen realisiert werden kann.
1. Ansteuerschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode (LED1), aufweisend eine Konstantstromquelle
(KSQ) die einen Operationsverstärker (OP) aufweist, dessen Ausgang mit dem Steueranschluß
eines Transistors (Q1) verbunden ist, wobei die Leuchtdiode (LED1) mit einem ersten
ausgangsseitigen Anschluss des Transistors (Q1) in Serie geschaltet ist und ein zweiter
ausgangsseitiger Anschluß des Transistors (Q1) zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärker
(OP) zurückgekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Rückkopplungsseite des Transistors (Q1) ein Bauteil (Vc, LED2) vorgesehen
ist, daß das Potential der Rückkopplungsseite des Transistors (Q1) wenigstens um den
Wert einer Offsetspannung des Operationsverstärkers (OP) anhebt, wenn durch die Leuchtdiode
(LED1) kein bzw. nur ein infinitesimaler Strom fließt.
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bauteil eine Spannungsquelle (Vc) ist.
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bauteil eine weitere Diode (LED2) ist.
4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Diode eine Leuchtdiode (LED2).
5. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bauteil in Serie mit einem Ohm'schen Widerstand (R3) geschaltet ist.
6. Ansteuerschaltung für eine Leuchtdiode,
aufweisend eine Konstantstromquelle mit einem Transistor (Q1), wobei die Leuchtdiode
(LED1) in Serie zu einem ersten ausgangsseitigen Anschluss des Transistors (Q1) geschaltet
ist und ein zweiter ausgangsseitiger Anschluß des Transistors (Q1) zu dem Steueranschluß
des Transistors (Q1) zurückgekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Rückkopplungsseite des Transistors (Q1) eine weitere Leuchtdiode (LED2) vorgesehen
ist.
7. Ansteuerschaltung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Leuchtdiode (LED2) in Serie zu einem Ohm'schen Widerstand (R2) geschaltet
ist.
8. Ansteuerschaltung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Leuchtdiode eine rote Leuchtdiode (LED2) ist.
9. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor ein Bipolartransistor (Q1) ist.
10. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß an dem Steueranschluß des Transistors(Q1) Impulsbreitenmodulierte (PWM) Spannungssignale
angelegt sind.
11. Ansteuerschaltung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungssignale Frequenzen im Bereich zwischen 200 kHz und 1 MHz aufweisen.
12. Ansteuerschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese mindestens eine Mehrlagenschaltung (13) aufweist, in die passive Bauelemente
(20, 21) der Ansteuerschaltung integriert sind.
13. Ansteuerschaltung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrlagenschaltung aus mehreren übereinander angeordneten Leiterplatten besteht,
an deren Ober- und/oder Unterseiten Leiterbahnen aus einem leitfähigen Material aufgebracht
sind und die zum Verbinden von verschiedenen Leitungsebenen Durchkontaktierungslöcher
aufweisen, die ebenfalls mit einem leitfähigen Material gefüllt sind.
14. Ansteuerschaltung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Mehrlagenschaltung um eine LTCC-Struktur (13) handelt, welche aus
mehreren übereinander angeordneten niedrig sinternden Keramikschichten (10) besteht,
zwischen denen sich Leiterbahnen (12) befinden, wobei die Keramikschichten (10) Durchkontaktierungslöcher
(11) zum Verbinden von Leiterbahnen (12) unterschiedlicher Ebenen aufweisen.
15. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mehrlagenschaltung (13) von einem metallischen Gehäuse umgeben ist.
16. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß Halbleiterbaugruppen (15) auf der Oberfläche der Mehrlagenschaltung (13) mittels
Flip-Chip-Technologie befestigt sind.
1. Control circuit for at least one light emitting diode (LED1),
having a constant current source (KSQ) which has an operational amplifier (OP) the
output of which is connected with the control terminal of a transistor (Q1), wherein
the light emitting diode (LED1) is connected in series with a first output-side terminal
of the transistor (Q1) and a second output-side terminal of the transistor (Q1) is
fed back to the inverting input of the operational amplifier (OP),
characterized in that,
on the feedback side of the transistor (Q1) there is provided a component (Vc, LED2)
which raises the potential of the feedback side of the transistor (Q1) at least by
the value of an offset voltage of the operational amplifier (OP) when no or only infinitesimal
current flows through the light emitting diode (LED1).
2. Control circuit according to claim 1,
characterized in that,
the component is a voltage source (Vc).
3. Control circuit according to claim 1,
characterized in that,
the component is a further diode (LED2).
4. Control circuit according to claim 3,
characterized in that,
the diode is a light emitting diode (LED2).
5. Control circuit according to any preceding claim,
characterized in that,
the component is connected in series with an ohmic resistance (R3).
6. Control circuit for a light emitting diode,
having a constant current source with a transistor (Q1), wherein the light emitting
diode (LED1) is connected in series to a first output-side terminal of the transistor
(Q1) and a second output-side terminal of the transistor (Q1) is fed back to the control
terminal of the transistor (Q1),
characterized in that,
on the feedback side of the transistor (Q1) there is provided a further light emitting
diode (LED2).
7. Control circuit according to claim 6,
characterized in that,
the further light emitting diode (LED2) is connected in series with an ohmic resistance
(R2).
8. Control circuit according to claim 6,
characterized in that,
the further light emitting diode is a red light emitting diode (LED2).
9. Control circuit according to any preceding claim,
characterized in that,
the transistor is a bipolar transistor (Q1).
10. Control circuit according to any preceding claim,
characterized in that,
there are applied to the control terminal of the transistor (Q1) pulse width modulated
(PWM) voltage signals.
11. Control circuit according to claim 10,
characterized in that,
the voltage signals have frequencies in the range between 200 kHz and 1 MHz.
12. Control circuit according to any preceding claim,
characterized in that,
this has at least one multi-layer circuit (13) in which passive components (20, 21)
of the control circuit are integrated.
13. Control circuit according to claim 12,
characterized in that,
a multi-layer circuit consists of a plurality of circuit boards arranged above one
another, to the upper and/or lower sides of which conductor paths of a conductive
material are applied and which for connecting different conductor planes have through
contact holes which are likewise filled with a conductive material.
14. Control circuit according to claim 12,
characterized in that,
the multi-layer circuit is an LTCC structure (13) which is of a plurality of low temperature
sintering ceramic layers (10) arranged above one another, between which conductor
paths (12) are located, wherein the ceramic layers (10) have through contact holes
(11) for connecting conductor paths (12) of different planes.
15. Control circuit according to any of claims 12 to 14,
characterized in that,
the multi-layer circuit (13) is surrounded by a metallic housing.
16. Control circuit according to any of claims 12 to 15,
characterized in that,
the semiconductor component groups (15) on the surface on the multi-layer circuit
(13) are attached by means of flip-chip technology.
1. Circuit de commande d'au moins une diode électroluminescente (LED1), comportant une
source de courant constant (KSQ) qui comporte un amplificateur opérationnel (OP) dont
la sortie est reliée à la borne de commande d'un transistor (Q1), la diode électroluminescente
(LED1) étant montée en série avec une première borne de sortie du transistor (Q1)
et une deuxième borne de sortie du transistor (Q1) étant relié en rétroaction à l'entrée
inverseuse de l'amplificateur opérationnel (OP), caractérisé en ce que
un composant (Vc, LED2) est prévu du côté de la rétroaction du transistor (Q1),
le potentiel du côté de la rétroaction du transistor (Q1) étant augmenté au moins
de la valeur d'une tension de décalage de l'amplificateur opérationnel (OP) lorsque
la diode électroluminescente (LED1) n'est traversée par aucun courant resp. n'est
traversée que par un courant infinitésimal.
2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant est une source de tension (Vc).
3. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant est une autre diode (LED2).
4. Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode est une diode électroluminescente (LED2).
5. Circuit de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant est monté en série avec une résistance ohmique (R3).
6. Circuit de commande d'une diode électroluminescente comportant une source de courant
constant avec un transistor (Q1), la diode électroluminescente (LED1) étant montée
en série avec une première borne de sortie du transistor (Q1) et une deuxième borne
de sortie du transistor (Q1) étant reliée en rétroaction à la borne de commande du
transistor (Q1), caractérisé en ce qu'une autre diode électroluminescente (LED2) est prévue du côté de la rétroaction du
transistor (Q1).
7. Circuit de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'autre diode électroluminescente (LED2) est montée en série avec une résistance
ohmique (R2).
8. Circuit de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'autre diode électroluminescente est une diode électroluminescente rouge (LED2).
9. Circuit de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transistor est un transistor bipolaire (Q1).
10. Circuit de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des signaux de tension modulés en largeur d'impulsion (PWM) sont appliqués à la borne
de commande du transistor (Q1).
11. Circuit de commande selon la revendication 10, caractérisé en ce que les signaux de tension ont des fréquences comprises entre 200 kHz et 1 MHz.
12. Circuit de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que celui-ci comporte au moins un circuit multicouche (13) dans lequel sont intégrés
des composants passifs (20, 21) du circuit de commande.
13. Circuit de commande selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'un circuit multicouche est constitué de plusieurs cartes de circuits imprimés qui
sont disposées les unes sur les autres, dont la face supérieure et/ou inférieure est
dotée de pistes conductrices en matière conductrice et qui comportent des trous traversants
de contact également remplis de matière conductrice et destinés à relier différents
plans de conduction.
14. Circuit de commande selon la revendication 12, caractérisé en ce que le circuit multicouche est une structure LTCC (13) qui est constituée de plusieurs
couches de céramique (10), faiblement frittées et disposées les unes sur les autres,
entre lesquelles se trouvent des pistes (12) conductrices, les couches de céramique
(10) comportant des trous traversants de contact (11) destinés à relier des pistes
conductrices (12) se trouvant dans des plans différents.
15. Circuit de commande selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le circuit multicouche (13) est entouré par un boîtier métallique.
16. Circuit de commande selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que des modules semi-conducteurs (15) sont fixés à la surface du circuit multicouche
(13) par la technologie à protubérances.