СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОДИОДАМИ В СВЕТОДИОДНОЙ МАТРИЦЕ
CIRCUIT ARRANGEMENT AND METHOD FOR ADDRESSING LEDS IN MATRIX CONFIGURATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к схемному устройству для управления светодиодами (светоизлучающие диоды, сокращенно LED) в светодиодной матрице, причем каждым светодиодом матрицы можно управлять отдельно путем активации соответствующего устройства управления столбцом в сочетании с активацией соответствующего устройства управления строкой, причем, кроме того, для каждой строки предусмотрено устройство смещения, содержащее первый порт смещения для электрического соединения с катодами светодиодов соответствующей строки и второй порт смещения для электрического соединения с анодами светодиодов соответствующей строки.
Уровень техники
В определенных управляющих состояниях на светодиодах светодиодной матрицы имеет место, по существу, обратное напряжение. На фигуре 1 в качестве простейшего примера изображена матрица 2×2 (матрица два на два). Протекающий при этом обратный ток (показан пунктиром) за счет миграции материала приводит к отказу светодиодов. Существует потребность в предотвращении обратного напряжения в матрице, что позволит удешевить конструкцию матрицы, не уменьшая срок ее службы.
В связи с этим патентная заявка ЕР 1916880 В1 раскрывает принцип решения задачи обратного напряжения. На фигуре 2 изображена эквивалентная электрическая схема с предложенным в заявке ЕР 1916880 В1 решением в матрице 2×2. При активации светодиода 11 на него переходит, например, прямое напряжение 3,4 В. Чтобы светодиод 22 не работал в обратном направлении, на него через делитель напряжения R22A_H / R22A_L и R22C_H / R22C_L подают напряжение смещения 0,2 В. По правилу Кирхгофа на светодиоды 21 и 12 неизбежно должно переходить напряжение 3,6 В. Это позволило бы устранить проблему миграции материала, однако светодиоды 21 и 12 вследствие напряжения, приложенного в прямом направлении, будут светиться более или менее сильно, в зависимости от цвета.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка схемного устройства, исключающего возникновение вредного обратного напряжения на светодиодах и свечение неактивных светодиодов.
Эта задача решена схемным устройством с признаками, раскрываемыми в пункте 1 формулы изобретения, и способом с признаками, раскрываемыми в пункте 13 формулы. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы.
Описываемое изобретением схемное устройство, предназначенное для управления светодиодами в светодиодной матрице, содержащей m столбцов и n строк, причем каждым светодиодом матрицы можно управлять индивидуально путем активации соответствующего устройства управления столбцом в сочетании с соответствующим устройством управления строкой, для каждой строки содержит устройство смещения, содержащее первый порт смещения для электрического соединения с катодами m светодиодов этой строки и второй порт смещения для электрического соединения с анодами m светодиодов этой строки. Иными словами, первый порт смещения устройства смещения соединен с катодами m светодиодов этой строки, а второй порт смещения устройства смещения соединен с анодами m светодиодов этой строки.
Согласно изобретению, каждый светодиод матрицы соединен через (несветящийся) полупроводниковый диод с соответствующим портом устройства управления столбцом, причем n полупроводниковых диодов, назначенных этому столбцу, электрически соединены друг с другом одним из своих электродов, в частности через устройство управления столбцом. Использование полупроводниковых диодов выгодно тем, что они поглощают большую часть возникающего обратного напряжения. Таким образом, несветящиеся полупроводниковые диоды снимают возникающее обратное напряжение с чувствительных к обратному напряжению светодиодов. Подключение обоих портов смещения к катоду и аноду соответствующего светодиода позволяет целенаправленно регулировать падение напряжения на каждом элементе параллельного пути, не имеющего активного управления.
Для применимости данного изобретения количество m столбцов и количество n строк не может быть равно единице, так как в противном случае параллельный путь без активного управления станет невозможным. Разумеется, столбцы и строки взаимозаменяемы и отражают, в частности, лишь вид электрического подключения, а не обязательное геометрическое расположение светодиодов друг относительно друга.
В предпочтительном варианте осуществления под электрически соединенными друг с другом электродами полупроводниковых диодов понимают аноды полупроводниковых диодов. Это выгодно тем, что светодиодные чипы, обычно устанавливаемые для светодиодных дисплеев со стороны катода электропроводящим клеем, можно располагать на том же опорном потенциале.
В качестве альтернативы или дополнения в каждой строке может быть реализовано электрическое соединение устройства смещения с катодами m светодиодов, по меньшей мере, через один резистор, в частности, через m резисторов.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения устройство смещения содержит делитель напряжения. В особенно выгодном варианте здесь можно использовать многоэлементный активный делитель напряжения, по меньшей мере, с двумя отводами, рассчитанный на электрическое соединение с анодами или катодами светодиодов соответствующей строки.
Делитель напряжения может содержать, по меньшей мере, один резистор. В особенно предпочтительном варианте осуществления делитель напряжения дополнительно содержит диод, в частности, стабилитрон. Этот вариант выгоден тем, что делитель напряжения независимо от тока способен реализовать определенную разность потенциалов. В частности, при снятии поперечного тока с активного делителя напряжения можно свести к минимуму обратное воздействие на делитель напряжения, что позволяет обойтись без ненужного низкоомного исполнения делителя и обусловленных этим потерь.
В следующем предпочтительном варианте осуществления напряжения смещения анодов, генерируемые соответствующими устройствами смещения для каждой строки, различаются для каждой из m строк. Это позволяет учитывать изменение тока светодиодов и/или прямого напряжения светодиодов, например, вследствие использования светодиодов различного цвета.
Предпочтительно, схемное устройство рассчитано на подачу во время работы на неактивированные светодиоды напряжения не более 0,5 В в прямом направлении, предпочтительно, не более 0,2 В в прямом направлении, что позволяет увеличить расстояние от предельного напряжения свечения, при котором возникает первое световое излучение светодиода. Это позволяет надежно предотвратить непроизвольное свечение неактивированного светодиода.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения, на неактивированные светодиоды подают напряжение не менее 0,0 В в прямом направлении, предпочтительно, не менее 0,1 В в прямом направлении, чтобы предотвратить повреждение светодиодов обратным током.
В следующем предпочтительном варианте осуществления устройство смещения выполнено с возможностью подавать различные напряжения смещения анода на m светодиодов строки с различными значениями тока и/или прямого напряжения. Это позволяет, в частности, использовать различные светодиоды даже в пределах одной строки.
Предпочтительно, описываемое изобретением схемное устройство можно использовать в индикаторном устройстве, в результате чего будет получено описываемое изобретением индикаторное устройство.
Кроме того, подобное индикаторное устройство можно применить в бытовом приборе, в результате чего будет получен описываемый изобретением бытовой прибор.
Описываемый изобретением способ управления светодиодами в светодиодной матрице, содержащей m столбцов и n строк, содержит этапы соединения первого порта устройства смещения с катодами m светодиодов в светодиодной матрице, причем устройство смещения соединено с m светодиодов той же строки, и соединения второго порта устройства смещения, назначенного этой строке, с анодами m светодиодов этой строки. Кроме того, способ предусматривает установку полупроводникового диода для соединения каждого светодиода матрицы с соответствующим портом устройства управления столбцом, причем n полупроводниковых диодов, назначенных одному столбцу, электрически соединены друг с другом одним из своих электродов. Иными словами, каждый светодиод матрицы подключен к полупроводниковому диоду таким образом, чтобы ток, подаваемый соответствующим портом устройства управления столбцом на соответствующий управляемый светодиод, протекал через полупроводниковый диод.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено детальное описание изобретения со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых изображено:
Фигура 1: общий принцип работы светодиодной матрицы 2×2 с соответствующим устройством управления столбцом и строкой, известной из уровня техники.
Фигура 2: эквивалентная электрическая схема матрицы 2×2 с управлением потенциалом, известная из уровня техники.
Фигура 3: эквивалентная электрическая схема матрицы 2×2 с управлением потенциалом в соответствии с настоящим изобретением.
Фигура 4: вариант осуществления описываемого изобретением схемного устройства матрицы 2×2 с зависимым от строки напряжением смещения.
Осуществление изобретения
Ниже со ссылкой на фигуру 1 описана примерная светодиодная матрица в конфигурации 2×2. Начиная с общего опорного потенциала GND, первый источник I10 тока и второй источник I20 тока через переключатель S10 или S20, соответственно, соединены с устройством управления строкой светодиодной матрицы. При этом переключатель S10 первого устройства управления строкой соединен с катодом LED11, а также с катодом LED12. Кроме того, переключатель S20 второго устройства управления строкой соединен с катодом LED21 и катодом LED22. Кроме того, аноды LED11 и LED21 через переключатель S01 первого устройства управления столбцом соединены с питающим потенциалом VCC. Кроме того, аноды LED12 и LED22 через переключатель S02 второго устройства управления столбцом соединены с питающим потенциалом VCC. Таким образом, например, при замкнутом переключателе S01 устройства управления столбцом и замкнутом переключателе S10 устройства управления строкой ток будет протекать через LED11. При этом, например, на LED11 будет иметь место падение напряжения в прямом направлении 3,4 В. Переключатели S02 и S20 при этом разомкнуты. Таким образом, возникает параллельный путь (показанный на фигуре 1 пунктиром) к LED11, проходящий через LED21, LED22 и LED12, причем LED21 и LED12 работают в прямом направлении, a LED22 - в обратном направлении. В результате на LED21 и LED12 имеет место падение напряжения в прямом направлении величиной около 0 В, в то время как на LED22 имеет место падение напряжения в обратном направлении величиной 3,4 В.
Для предотвращения обратного напряжения на LED22 в уровне техники применяют устройство 12 смещения, показанное, например, на фигуре 2. При этом устройство 12 смещения содержит первый делитель напряжения, состоящий из последовательно включенного резистора R22A_H и резистора R22A_L, причем резистор R22A_H соединен с питающим потенциалом VCC, а резистор R22A_L - с опорным потенциалом GND. Кроме того, устройство смещения содержит делитель напряжения, состоящий из последовательно включенного резистора R22C_H и резистора R22C_L, причем резистор R22C_H соединен с питающим потенциалом VCC, а резистор R22C_L соединен с опорным потенциалом GND. При этом точка соединения обоих резисторов R22A_H и R22A_L выведена на первый порт 14 смещения устройства 12 смещения, а точка соединения резисторов R22C_H и R22C_L - на второй порт 16 смещения. Для наглядности последовательное соединение переключателя S01 устройства управления столбцом, LED11, переключателя S10 устройства управления строкой и источника I10 тока между обоими потенциалами VCC и GND показано в одной линии. При этом параллельно LED11 расположено последовательное соединение LED21, LED22 и LED12, причем LED21 и LED12 расположены в прямом направлении, a LED22 - в обратном направлении. При этом точка соединения катода LED21 и катода LED22 соединена со вторым портом 16 смещения, а точка соединения анода LED22 и анода LED12 - с первым портом 14 смещения. Подобно предыдущему примеру, в этом случае на LED11 также имеет место падение напряжения 3,4 В. В соответствии с правилом Кирхгофа, обозначенным М1, на LED21, LED22 и LED12 в целом также должно иметь место напряжение 3,4 В. В показанном примере потенциал настроен таким образом, чтобы на LED22 имело место низкое прямое напряжение порядка 0,2 В или, иными словами, обратное напряжение -0,2 В. Остаточное напряжение делится между LED21 и LED12, причем как на LED21, так и на LED12 падение напряжения в прямом направлении составляет 1,8 В.
В следующем варианте осуществления, показанном на фигуре 3, между LED22 и LED12 включен дополнительный полупроводниковый диод D22, ориентация которого совпадает с LED22. Иными словами, LED22 и полупроводниковый диод D22 расположены в обратном направлении. При этом данный вариант осуществления может быть построен на схемах, изображенных на фигурах 1 и 2. Устройство 12 смещения в этом варианте осуществления содержит два источника U22A и U22C напряжения, связанные с общим опорным потенциалом GND и соединенные, соответственно, с первым портом 14 смещения и вторым портом 16 смещения. Кроме того, точка соединения катода LED21 с катодом LED22 через соединительный резистор R22C соединена со вторым портом 16 смещения, а точка соединения анода LED22 с катодом полупроводникового диода D22 соединена через соединительный резистор R22A с первым портом 14 смещения. Расположение остальных элементов идентично фигуре 2. Предложенный изобретением полупроводниковый диод D22 в данном примере обеспечивает распределение потенциала, что будет описано ниже. На LED21 и LED12 в прямом направлении имеет место падение напряжения 0,1 В, кроме того на LED22 имеет место падение напряжения 0,1 В в прямом направлении или, иными словами, -0,1 В в обратном направлении. При этом полупроводниковый диод D22 воспринимает основную часть обратного напряжения величиной около 3,3 В в обратном направлении. Описанная схема использует обычные кремниевые диоды, например, стандартный тип 1N4148, последовательно со светодиодами, воспринимающими обратное напряжение. Кремниевые диоды способны выдерживать обратный ток в течение длительного времени и поэтому подходят для этой цели. Чтобы исключить воздействие отрицательного напряжения на любой из светодиодов, светодиоды нагружают небольшим положительным напряжением через схему соответствующей размерности. Один последовательно включенный кремниевый диод без дополнительных подключений благодаря своему низкому обратному току насыщения будет способен замедлить, но не полностью предотвратить процесс миграции материала в светодиоде. Так как полупроводниковый диод D22, включенный последовательно с LED22, воспринимает обратное напряжение, управление потенциалом возможно за счет выполнения уравнения Кирхгофа для М1, без непроизвольного свечения светодиода. Соединительные резисторы R22a и R22C можно считать внутренним сопротивлением источников U22A и U22C или прибавкой к ним.
На фигуре 4 изображена светодиодная матрица 2×2, в которой реализован предложенный изобретением принцип для каждого светодиода матрицы. Начиная с базовой конфигурации, показанной на фигуре 1, последовательно каждому светодиоду включен дополнительный полупроводниковый диод, то есть теперь LED11 соединен с переключателем S01 через полупроводниковый диод D11, LED12 соединен с переключателем S02 через полупроводниковый диод D12, LED21 соединен с выключателем S01 через полупроводниковый диод D21, a LED22 соединен с переключателем S02 через полупроводниковый диод D22. Добавочный резистор R10 или R20 в данном случае заменяет источник I10 или I20 тока (см. фиг. 1), причем R10 и S10, равно как и S20 и R20, поменялись местами. Таким образом, добавочные резисторы R10 и R20 можно непосредственно соединить со светодиодной матрицей, поэтому в простейшем случае устройства управления столбцом и строкой, представленные здесь простыми переключателями, могут быть выполнены в виде NPN- или PNP-транзисторов.
В общем случае к аноду и катоду каждого светодиода матрицы 2×2 может быть присоединен делитель напряжения, выполненный в виде источника напряжения с внутренним сопротивлением. При этом его характеристики зависят от необходимого напряжения смещения и светодиода. В данном варианте осуществления существующее электрическое соединение между катодом LED11 и катодом LED12 требует наличия трех делителей напряжения на строку, то есть в общей сложности шести делителей напряжения. Это позволяет добиться максимальной гибкости, то есть за счет выбора резисторов адаптировать схему к различным прямым напряжениям и токам светодиодов. Без дополнительных затрат можно использовать в каждой строке различные светодиоды. Если необходимо усилить дифференциацию светодиодов в одной строке, это можно реализовать включением дополнительного добавочного резистора с дополнительной разводкой. Благодаря зависящему от строки напряжению смещения схема работает в любых состояниях, что также позволяет приглушать свечение в широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
В следующем выгодном варианте осуществления единственный и/или общий делитель напряжения строки служит для подключения к анодам светодиодов, связанных с этой строкой через соединительные резисторы. В частности, возможна комбинация делителя напряжения, предназначенного для подключения катодов светодиодов соответствующей строки, с подсоединенным с анодной стороны делителем напряжения, в результате чего получается показанный на фигуре 4 делитель напряжения, содержащий три резистора R10x, R10y и R10z. При этом R10y на одной стороне непосредственно соединен с общим потенциалом анодов LED11 и LED12, а на другой стороны через соединительный резистор R11 с анодом LED11 и далее через соединительный резистор R12 с анодом LED12. Общая точка соединения анодов LED11 и LED12 с резистором R10y соединена с опорным потенциалом GND через резистор R10z. Общая точка соединения резисторов R10y, R11 и R12 также соединена через резистор R10z с питающим источником VCC.
Соответствующее схемное устройство второй строки имеет эквивалентное строение, причем первый знак индексов здесь изменяется с единицы на двойку, например, с R10z на R20z или с LED12 на LED22.
Таким образом, устройство 12 смещения в данном примере содержит три резистора R10x, R10y и R10z, причем точка соединения R10x и R10y представляет собой первый порт 14 смещения, а точка соединения R10y и R10z - второй порт 16 смещения.
Такая схема позволяет регулировать напряжение смещения анодов независимо от прямого напряжения или тока светодиода, а также независимо от переключающего состояния переключателя S10 или S20 строки. Вариант осуществления, представленный на фигуре 4, носит исключительно иллюстративный характер и не может ограничивать защищаемый настоящим изобретением объем. В частности, назначение строк и столбцов взаимозаменяемо, равно как и расположение источников тока, добавочных резисторов и переключателей. Кроме того, можно менять последовательность расположения соответствующего светодиода и связанного с ним полупроводникового диода, не изменяя идею изобретения. Так, LED11 и LED12 одной строки, например, могут быть соединены друг с другом анодами, а не катодами, или же могут вовсе не иметь прямого соединения друг с другом. Также можно поменять местами опорный потенциал GND с потенциалом VCC питания, причем в этом случае потребуется соответствующим образом адаптировать ориентацию светодиодов и полупроводниковых диодов.
Описываемое изобретением схемное устройство может работать в отдельном режиме с использованием всего одного активно управляемого переключателя устройства управления столбцом и всего одного активно управляемого переключателя устройства управления строкой, в результате чего в каждый момент времени горит не более одного светодиода. Также возможен вариант, в котором схемное устройство будет работать в режиме столбца, в котором будет активно управляться один переключатель устройства управления столбцом и любое количество переключателей устройства управления строкой. Использование внешнего управляемого источника тока, как показано на фигурах 1-3, возможно путем активации нескольких переключателей устройства управления столбцом, причем не потребуется распределять предназначенный для одного светодиода ток на несколько светодиодов и, следовательно, яркость свечения отдельных светодиодов не будет уменьшаться.
Таким образом, на примере схемного устройства и соответствующего способа показано, как можно предотвратить возникновение обратного напряжения на светодиодах в светодиодной матрице.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10, 20 светодиодная матрица
12 устройство смещения
14 первый порт смещения
16 второй порт смещения
D11, D12, D21, D22 полупроводниковый диод
I10, I20 источник тока
LED11, LED12, LED21, LED22 светодиод
R10, R20 добавочный резистор
R10x, R10y, R10z, R20x, R20y, R20z резистор делителя напряжения
R11, R12, R21, R22, R22A, R22C соединительный резистор
R22A_H, R22A_L, R22C_H, R22C_L резистор делителя напряжения
S01, S02, S03, S04 переключатель
U22A, U22C источник напряжения смещения