DK164680B - Styrekobling for lysemitterende diode - Google Patents

Description

- i -

DK 164680 B

Opfindelsen angår en styrekobling til styring af en lys-emitterende diode med et koblingstrin til kompensation for temperaturindflydelsen på strålingsydelsen som angivet i krav l's indledning. En sådan kobling kendes fra DE-A1-27 5 23 419.

Som bekendt er strålingsydelsen Øq for en lysemitterende diode (i det følgende forkortet LED) ved given lederetningsstrøm afhængig af temperaturen. For at kompensere ud-10 sving i strålingsydelsen 0Q fra LED'er, der stammer fra ændringer i omgivelsestemperaturen, er det kendt at anvende NTC-modstande eller basis-emitter-strækningerne fra transistorer, således som dette fx er beskrevet i tidsskriftet "Elektronik", hæfte 26, 1984, side 90. Sådanne koblinger 15 er dog kun kompensere for langsomme, "statiske" temperaturudsving, men ikke for kortvarige, under driften optrædende, "dynamiske" temperatursvingninger, der fremkaldes af temperaturændringer i diode-spærrelaget på grund af tabseffektændringer, som optræder i spærrelaget.

20

Ved analog dataoverførsel i opto-elektroniske systemer antages der i de fleste tilfælde en lineær sammenhæng mellem ledestrøm Ip og strålingsydelse 0Q inden for det normale arbejdsområde for en LED, dvs. der tages ikke hensyn til 25 ændringer af strålingsydelsen på grund af svingninger i spærrelagstemperaturen. Specielt ved højkvalitets analoge, opto-elektriske datatransmissionssystemer, hvor der sker en direkte intensitetsmodulering af LED'en, kan LED'ens ulineære forhold ikke længere negligeres, således som dette er 30 muligt i digitale, opto-elektriske datatransmissionssystemer eller ved impulsdrift.

Fra DE-Al-27 23 419 kendes en kobling til styring af lysemitterende halvlederelementer, og hvor kortvarige under 35 driften optrædende temperaturindvirkninger på stråleydelsen skal kompenseres. Denne kendte temperaturkompensationskobling er særlig egnet til digital styring af halvlederlase- - 2 -

DK 164680 B

re, hvor der er tale om at gøre enshedsimpulsernes højde temperaturuafhængig. Den er imidlertid ikke egnet til brug i forbindelse med LED, med hvilke signaler med vilkårligt signalforløb, eksempelvis videosignaler, skal overføres.

5 Med den kendte kobling er det ganske vist muligt at kompensere for temperaturpåvirkninger, som har sammenhæng med strømstigninger, altså impulsernes stigende flanke. Ved overførsel af analoge signaler såsom videosignaler er det imidlertid ikke med den kendte kobling muligt i forbindelse 10 med en til overførsel af sådanne signaler benytted LED under alle driftsforhold at kompensere for temperaturændringer, som skyldes den elektriske tabseffekt.

Formålet med opfindelsen er at anvise en styrekobling for 15 en LED, med hvilken kompenseringen af de strålingsydelsen påvirkende temperaturændringer er virksom over et større område.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved den udformning, som er 20 anvist i den kendetegnende del af krav 1.

I henhold til undersøgelser, som blev gennemført i forbindelse med den foreliggende opfindelse, har det herefter vist _ sig, at temperaturændringerne for LED-spærrelaget og 25 dermed ændringerne i strålingsintensiteten for stigende og faldende flanker på LED-styresignalet er forskellige. Den-.ne omstændighed gøres der yderligere rede for i det følgende. Med henblik på temperaturkompensering ved stigende og faldende flanker er der derfor forudset respektive uafhæn-30 gige* ulineære kompensationstrin, der skiftevis kommer i funktion, når en stigende eller faldende flanke optræder. Styrekoblingen, der skelner mellem de stigende og faldende flanker, og som med fordel kan være en differentiatorkob-ling, bevirker omkoblingen til det respektive kompensati-35 onstrin. Herved opnås en forvrængningsfri transmission.

Også ved overførsel af digitale signaler medfører den anviste kobling en mere nøjagtig reproduktion af LED-senderes - 3 -

DK 164680 B

signalforløb.

De ulineære kompensationstrin omfatter med fordel begge en RC- og/eller RL-kobling. Tidskonstanten for disse koblin-5 ger kan være forskellig.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor 10 fig. 1 viser udgangssignalet for en LED, der er styret med et firkant-signal uden anvendelse af styrekoblingen i henhold til opfindelsen, fig. 2 et ækvivalentdiagram for de termiske forhold i en LED, 15 fig. 3 strålingseffektens afhængighed af lederetningsstrømmen ved en LED, fig. 4 en udførelsesform for styrekoblingen ifølge opfindelsen, fig. 5 et udførelseseksempel for et kompensationstrin, så-20 ledes som det kan anvendes i forbindelse med den foreliggende opfindelse, fig. 6 en anden udførelsesform for styrekoblingen ifølge opfindelsen, og fig. 7 en tredje udførelsesform for styrekoblingen ifølge 25 opfindelsen.

Som allerede nævnt afhænger strålingsydelsen for en LED ikke kun af lederetningsstrømmen, men også af spærrelagstem-peraturen: 0 = f (I T )

Spærrelagstemperaturen afhænger igen af den i spærrelaget optrædende tabseffekt , der findes som produktet af spændingsfaldet U„ for LED'en i lederetningen, og lederet- 35 * ningsstrømmen Ιρ:

P = u ’ I tot F F

DK 1646B0 B

- 4 -

Med stigende lederetningsstrøm stiger strålingsydelsen dog; imidlertid tiltager tabseffekten i spærrelaget også, således at spærrelagstemperaturen Tg også stiger. Med stigende spserrelagstemperatur aftager strålingsydelsen dog.

5

Virkningsgraden (rj) for e LED er forholdet mellem strålingseffekt og elektrisk effekt P

- p° 10 tot afhænger således af temperaturen. I et temperaturområde

-60 °C <TS<+100°C

gælder der for temperaturkoefficienten TK

15 TK rSi - 0,6%/°C

i forhold til den maksimale strålingsydelse ved den elektriske maksimalværdifor P. , .

tot

Ved jævnstrømsstyring eller ved styresignaler med langsomme 20 signalændringer, henholdsvis ved lave frekvenser, er strålingsydelsens afhængighed af ledestrømmen praktisk taget -lineær, og små ulineariteter kan negligeres ved en sådan stort set analog datatransmission. Der er tilstrækkelig tid til rådighed for varmeudligningen mellem spærrelaget og 25 halvlederplader, henholdsvis LED'huset, til ved gradvis ændring af lederetningsstrømmen at udligne den derved skiftende tabseffekt, henholdsvis spærrelagstemperatur.

Antagelsen af lineære forhold for LED'en ved omsætning af 30 ledestrømmen til strålingseffekt kan imidlertid ikke opretholdes for transmissionen af mere højfrekvente signaler, som fx fra videosignaler og digitale data, fx fra firkant-impulssignaler. Dette tydeliggøres ved de efterfølgende undersøgelser;

Fig. 1 viser forløbet af strålingsydelsen Øq ved tilførsel af en firkantimpuls med en frekvens på 1 kHz. Som LED blev der anvendt en infrarød-LED af typen 1A148 (ASEA HAFO).

35

DK 164680 B

- 5 -

Lederetningsstrømmen Imax androg 100 mA, og lederetnings- strømmen I . androg 10 mA, således at der ved dette eksem-mm pel fås et strømsving ΔΙ på 90 mA.

5 Som det i fig. 1 angivne optiske udgangssignal for dioden viser, optræder der oversving på flankerne. Som det yderligere vises, udviser oversvingningen på den stigende flanke en tidskonstant tder ikke er lig med, men mindre end tidskonstanten for oversvingningen på den faldende 10 flanke.

Disse termiske forhold for LED'en tydeliggøres ved hjælp af det i fig. 2 viste ækvivalentdiagram:

15 Når den stigende flanke AB (sammenlign fig. 1) optræder, befinder kontakten S i dette ækvivalentdiagram sig i den viste koblingsstilling, således at det af kondensatoren og 1*2 bestående RC-led virker, hvorved tidskonstanten T

^ciV

20 På tidspunktet for den faldende flanke CD (sammenlign fig.

1) befinder kontakten sig i den punkteret viste kontaktstilling, således at RC-leddet C2R2 er vir^somt^ hvorved T2^c2r2.

25 •Ύ ^ er derved mindre end Indgangsspændingen Ue for LED'en optræder på ækvivalentdiagrammet ved modstanden Rq for strøm- henholdsvis spændingskildeafslutningen, og udgangsspændingen, der svarer til udgangsstrålingsydelsen Øq 30 for LED'en, bliver udtaget over modstanden R2·

For en LED-lederetningsstrøm Imax på 100 mA andrager tidskonstanten ved dette eksempel 30 jas og for Im^n = 10 mA andrager tidskonstanten ^2 ca. 45 ps.

De tidligere beskrevne termiske forhold for LED'erne, henholdsvis fænomenet med oversvingningen ved anvendelse af 35 - 6 -

DK 164680 B

LED'en til højfrekvente eller impulssignaler med hurtige amplitudeændringer bliver i det følgende angående de derved optrædende fysiske forløb nærmere belyst og forklaret med henvisning til fig. 3.

5

Som det allerede er anført, afhænger spærrelagstemperaturen T og dermed strålingsydelsen 0 af den i LED'en optrædende

D O

elektriske tabseffekt, som for størstedelens vedkommende bliver omsat til varme i spærrelaget. For eksemplet med en 10 infrarød-LED af typen 1A148 andrager lederetningsspændingsfaldet U„ 1,3 volt ved I . på 10 mA og 1,8 volt ved I

F mm r 3 max på 100 mA. Deraf fås tabseffekterne P. . (I . ) = 13 mW og tot mm 5 ic P. . (I ) = 180 mW.

-*-5 tot max

Udsvinget i tabseffekt P ^ andrager således 167 mW.

I fig. 3 er strålingsydelsen 0Q optegnet i afhængighed af den påførte gennemgangsstrøm Ip. Bogstaverne A, B, C, D 20 svarer til signalpunkterne A, B, C og D i fig. 1. Ved de efterfølgende forklaringer henvises der såvel til fig. 1 som til fig. 3.

I punkt A, når altså ledestrømmen Ip antager sin minimale 25 værdi I ^ , er spærrelaget relativt koldt. Som det allerede er anført, er strålingsydelsen, henholdsvis virkningsgraden for en LED desto større, jo koldere spærrelaget er.

I punkt A er strålingsydelsen 0om^n for (sammenlign fig. 3). Ved springet i fremspændingen, henholdsvis lede-30 retningsstrømmen, fra Im^n til Imax, ^vs* fra Pun^t A til B virker den derved stigende elektriske tabseffekt ikke straks, men kun forsinket på en opvarmning af spærrelaget, således at virkningsgraden for LED'en, hvad angår temperaturforholdene, i begyndelsen forbliver den samme, og der 35 derfor i punkt B fås en strålingsydelse, der ligger over strålingsydelsen 0Qmax· Spærrelaget bliver dog derefter opvarmet, således at virkningsgraden svarende til kurveforløbet efter punkt B i fig. 1 synker, og strålingsydelsen - 7 -

DK 164680 B

0 i fig. 3 indstiller sig. I fig. 3 befinder man sig altså nu i punkt C. Det øvre kurveforløb i fig. 3, hvorpå punkterne Δ og B ligger, fås ved en stort set konstant temperatur T^. Denne temperatur er mindre end den stort 5 set konstante temperatur T2/ hvorved man får det i fig. 3 viste nedre kurveforløb, hvorpå punkterne C og D ligger.

Med andre ord fås det øvre kurveforløb med punkterne A og B for et koldere spærrelag, og det nedre kurveforløb med punkterne D og C fås for et varmere spærrelag i LED'en.

10

Spærrelaget har i punkt C nået en termisk stationær tilstand, som indstiller sig ved, at spærrelaget efter en bestemt tid er i termisk ligevægt med huset.

15 i punkt C springer lederetningsstrømmen nu igen fra ^max til I in (sammenlign fig. 3), og strålingsydelsen 0Q aftager tilsvarende (sammenlign fig. 1). Først forbliver spærrelaget dog varmt, således at LED'ens strålingsydelse falder under værdien 0οπ,^η på grund af temperaturforholdene, 20 og strålingsydelsen derfor får undersving (sammenlign fig.

ID). Da der på grund af den ikke længere tilstedeværende lille elektriske tabseffekt ikke bliver tilført spærrelaget yderligere indre varme, kan dette afkøles ved varmeafgivelse til huset, således at strålingsydelsen 0om^n derved 25 ifølge det i fig. 1 efter punktet D viste kurveforløb gradvis stiger og i diagrammet i fig. 3 når punktet A, hvor strålingsydelsen andrager værdien 0 . .

3 3 omxn

Nu begynder det næste cyklusforløb.

30

Den hidtil meddelte erkendelse er opnået ved undersøgelser og eksperimenter, som blev gennemført i forbindelse med den foreliggende opfindelse. Med henblik på at kompensere signalforvrængningen, der optræder i forbindelse med de termi-35 ske forhold for en LED, sådan som det tidligere indgående blev beskrevet, er styrekoblingen ifølge opfindelsen blevet foreslået, og hvoraf der er vist et udførelseseksempel i

DK 164680B

- 8 - fig. 4.

Indgangsspændingen U„, der ligger på indgangen af styrekob- bå lingen, bliver forstærket i en første forstærker 41 og ført 5 til et kompensationstrin 42, der er således opbygget, at det netop omformer strøm- henholdsvis spændingsforløbet til styringen af LED'en, således at de på grund af LED'ens termiske forhold optrædende forvrængninger, såsom oversvingninger, bliver kompenseret. Udgangssignalet fra kompensa-10 tionstrinet 42 kan yderligere forstærkes ved hjælp af en anden forstærker 43.

I fig. 5 er der vist et udførelseseksempel for kompensationstrinet. Indgangsspændingen Ug føres via en skillekon-15 densator til forbindelsespunktet for to modstande og R2, der ligger mellem driftsspændingen U+ og stel og tjener som spændingsdeler. Forbindelsespunktet mellem modstandene Rx og R2 er forbundet med basis for en pnp-transistor T^ Emitter for denne transistor Ti er via en kollektormodstand 20 r^ forbundet med stel. Denne kollektormodstand R^ ligger parallelt med en seriekobling af en kondensator C2 og en -modstand R^. Forbindelsespunktet mellem modstand R^ og kollektor for den første transistor Ti er forbundet med basis for en anden transistor T2 af npn-type, hvis kollektor 25 er ført til driftsspændingskilden U+ via en kollektormod-stand R,., og hvis emitter ligger til stel via en emitter-modstand R^. Kollektoren for den anden transistor T2 er forbundet med basis for en tredje transistor T^ af pnp-ty-pe, hvis emitter via en emittermodstand Rg er ført til 30 driftsspændingskilden U . Kollektoren for den tredje transistor T^ er forbundet med en LED 1, hvis katode ligger til stel.

Denne styrekobling, der i fig. 5 er vist som eksempel på et 35 kompensationstrin, som det ifølge den foreliggende opfindelse bliver . anvendt, omformer LED-styresignalet U ved hjælp af et RC-led C2R2 på en sådan måde, at forvrængninger .

- 9 -

DK 164680 B

af LED-udgangssignalet, som hidrører fra LED'ens termiske forhold, bliver kompenseret. Det vil sige, signalet, hvormed LED'en bliver styret, bliver ifølge opfindelsen netop sådan omformet, at der stort set fås et omvendt proportio-5 nalt signalforløb til oversvingsforløbet af udgangssignalet for LED 1.

Selvfølgelig er det uden videre muligt for en fagmand at vælge et andet kompensationstrin end det i fig. 5 viste og/ 10 eller at udforme kompensationstrinet således, at der sker en optimal kompensation af de termisk betingede forvrængninger, der optræder ved anvendelsen af LED'en i impulsdrift eller ved transmission af videosignaler. Specielt kan der anvendes et LR-led i stedet for et RC-led.

15

Som allerede nævnt blev det yderligere fastslået ved undersøgelser i forbindelse med den foreliggende opfindelse, at oversvingningen ved en stigende signalflanke "klinger af" med en anden og mindre tidskontant ^ end oversvingningen 20 ved en faldende flanke, hvis tidskonstant ^2 ^or "^klipningen" er større (sammenlign med diagrammet i fig. 1 såvel som ækvivalentdiagrammet ifølge fig. 2). Dette fænomen med forskellige tidskonstanter for oversvingsforholdene ved stigende og faldende flanke kan forklares fysisk på følgen-25 de måde:

Ved spring i lederetningsstrømmen fra I ^ til ^max (sammenlign fig. 1) fra punkt A til punktet B, altså ved et positivt spring, opvarmes spærrelaget relativt hurtigt på 30 grund af den elektriske tabseffekt. Den lille halvleder-plade står i varmeforbindelse med LED'ens hus og afgiver denne varme kontinuerligt. Da der på grund af den under impulsbredden værende maksimale lederetningsstrøm Imax stadig tilledes varme til spærrelaget, henholdsvis halvleder-35 chip'en på grund af den indre, elektriske tabseffekt, forbliver spærrelaget hele tiden væsentligt varmere end huset.

- 10 -

DK 164680 B

Hvis så den lille halvlederplade kommer i termisk ligevægt med LED-huset, er den stationære tilstand nået.

Ved springvis overgang af lederetningsstrømmen fra Imax til 5 I (fra punkt C til punkt D i fig. 1) formindskes tabseffekten i spærrelaget springvist. Den lille halvlederplade kan dog kun afgive sin varme relativt langsomt til LED-hu-set, således at spærrelagstemperaturen også kun langsomt aftager, og diodens strålingsydelse tilsvarende kun lang-10 somt, dvs. langsommere tiltager, end den ved skift af lederetningsstrømmen fra I . til I (dvs. fra punkt A til punkt B i fig. 1) aftager til den stationære tilstand. Det vil sige, at der for den stigende flanke og faldende flanke fås forskellige tidskonstanter, hvor er mindre end 'T^· 15

Dette andet, i sammenhæng med den foreliggende opfindelse fastslåede, fænomen gør det muligt endnu bedre at kompensere de på grund af termiske forhold frembragte dynamiske forvrængninger ved LED'er. Et andet, særlig fordelagtigt 20 udførelseseksempel bliver i det følgende belyst ved hjælp af fig. 6. LED-styrespændingen U_ bliver i givet fald til- ti ført såvel et omskiftertrin 62 som et koblingstrin 63, der kan skelne mellem den stigende og faldende flanke af LED-styresignaet, dvs. et differentieringstrin 63. Udgangssig-25 nalet for differentiatoren 63 skifter omskifterkoblingen 62 til den øvre eller nedre koblingstilstand afhængig af, om der er konstateret en stigende eller faldende flanke, således at styresignalet U„ enten når til LED 1 via et kompen- Γι sationstrin 64 eller via et kompensationstrin 65 og i givet 30 fald via en anden forstærker 66.

Som det tidligere er forklaret, optræder der ved den stigende flanke et andet oversvingsforhold end den faldende flanke, dvs. tidskonstanterne ^ og er forskellige.

35 Med henblik på at kompensere optimalt ved begge oversvingstilstande bliver der ved disse to forskellige forvrængninger anvendt særskilte, forskellige kompensationstrin 64 og - 11 -

DK 164680 B

65, der ved hjælp af differentiatoren 63 og omskiftertrinet 62 skiftevis bliver gjort virksomme i kompensationskoblingen i afhængighed af forekomsten af en stigende eller en faldende flanke. På denne måde fås en optimal kompensation 5 for de termisk betingede forvrængninger ved højkvalitets LED-transmissionssystemer.

Ifølge en anden udformning af opfindelsen er differentiatoren 63 således udformet, at den kun ved forekomsten af 10 flanker med en bestemt mindstestejlhed leverer et udgangssignal til omkobling af omkoblingstrinet 62. Når stejlheden er mindre end mindstestejlheden, bliver der ikke skiftet om mellem kompensationstrinene 64 og 65.

15 Som det er tydeliggjort ud fra de foregående forklaringer, kræves der i særlig grad kompensation, når styresignalerne ændrer sig relativt hurtigt, dvs. udviser amplitudespring med korte stigetider, som de fx optræder i videosignaler (tr 200 ps).

20 Når signalændringen sker relativt langsomt, er der forholdsvis tilstrækkelig tid til en temperaturudligning mellem spærrelaget og LED-huset, henholdsvis omgivelserne, således at oversving, henholdsvis forvrængning på grund af en 25 kortvarig ændring af spærrelagstemperaturen ikke eller næppe mærkbart forvrænger udgangssignalet fra LED'en.

En anden udførelsesform for opfindelsen består i at forene de i fig. 6 skematisk viste to adskilte kompensationstrin 30 64 og 65 i et kombinationstrin og ved anvendelse af RC- og/ eller LR-led til signalformning af styresignalet til LED'en at foretage en omkobling i det enkelte omskiftertrin mellem to tidskonstantværdier ^ og fx derved, at kondensa tor-, modstands- og/eller selvinduktionsværdien bliver æn-35 dret ved forekomsten af en stigende eller faldende flanke af LED-styresignalet. Derved kan styrekoblingen ifølge op- - 12 -

DK 164680 B

findelsen fremstilles endnu enklere og billigere.

I fig. 7 er der vist en anden meget fordelagtig udførelsesform for styrekoblingen ifølge opfindelsen. Styresignalet 5 UE bliver her via en første forstærker 71 samtidig tilført et første kompensationstrin 72 og et differentieringsled 73, som, afhængigt af om der optræder en stigende eller faldende flanke, omkobler et omkoblingstrin 74, der er koblet efter det første kompensationstrin 72. En udgang fra 10 omkoblingstrinet 74 er forbundet med et andet kompensationstrin 75, og til den anden udgang af omkoblingstrinet 74 er der sluttet en parallelledning 76, hvormed det andet kompensationstrin 75 kan shuntes, henholdsvis gøres uvirksomt. Udgangssignalet for det andet kompensationstrin 75, 15 henholdsvis det første kompensationstrin 72 ved virksom shuntledning 76 føres - ligeledes via en forstærker - til LED 1.

Som allerede anført adskiller tidskonstanterne for for-20 vrængningerne sig for den stigende og faldende flanke af styresignalet. Med kompensationstrin kan man derfor enten -fuldstændig kompensere den ved stigende flanke optrædende forvrængning eller den ved faldende flanke optrædende forvrængning, og der resterer så en vis restforvrængning fra 25 den respektive anden forvrængning. Denne restforvrængning kan kompenseres ved hjælp af et ekstra kompensationstrin, der bliver aktiveret for den respektive flanke, for hvilken der resterer en rest forvrængning. Dette ekstra kompensationstrin er det i fig. 7 viste andet kompensationstrin 75, 50 der ved tilstedeværelsen af den flanke, der endnu ikke er helt kompenseret, bliver gjort virksom ved hjælp af diffe-rentiatoren 73 og omkoblingstrinet 74.

35

Claims (3)

1. Styrekobling til styring af en lysemitterende diode (LED) med et mellem signalkilde og LED anbragt koblings-5 trin, som til kompensation af de strålingsydeIsen påvirkede temperaturændringer, som optræder på grund af den elektriske tabseffekt i LED, indeholder ulineære trin, kendetegnet ved at omfatte to forskellige ulineære elementer indeholdende kompensationstrin (64,65 henholdsvis 72+ 1° 75,72) og et koblingstrin, der skelner mellem den stigende og den faldende flanke af LED-styresignalet (U^) og i afhængighed deraf indkobler det ene eller det andet af de to kompensationstrin mellem signalkilde og LED.

2. Styrekobling ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de ulineære elementer i begge kompensationstrin er RC- og/ell er RL-koblinger.

3. Styrekobling ifølge krav 2, kendetegnet v®d, at tidskonstanterne for de to kompensationstrins RC-°9T/eller RL-koblinger er forskellige. 25