Elektro-optische Gatterschaltungen zur Steuerung von Elektrolumineszenz-Leuchtfeldern

2.5

Elektro-optische Gatterschaltungen zur Steuerung von Elektrolumineszenz- Leuchtfeldern

H.- N. TOUSSAINT und W. SCHMIDT, Siemens & Halske AG, MGnchen, Deutschland

Elektrolumineszenz-Leuchtfelder (kurz "EL-Leuchtfelder" genannt) sind fHichenhafte Lichtquellen, die durch eine Wechselspannung vonder GroBenordnung hundert Volt zum Leuchten angeregt werden . Die leuchtende ZnS-Schicht ist zwischen zwei Elektroden eingebettet; eine der beiden Elektroden ist lichtdurchHissig . Diese Anordnung hat den Vorteil, daB man durch geeignete Formgebung einer der beiden Elektroden Leuchtflachen mit beJiebigen Konturen herstellen kann, so z. B. auch Ziffern, Buchstaben und andere Symbole (siehe [1 J, [2 j) . Um jeweils mehrere Leuchtzeichen, z . B. die Zahlen von 0 bis 9, in zeitlicher Folge auf der gleichen Flache darstellen zu konnen, setzt man die Zeichen aus mehreren geeignet geformten Leuchtsegmenten zusammen . Mit Hilfe von Gatterschaltungen wird erreicht, daB durch das kodiert ankommende Signal die zugeordneten EL-Leuchtsegmente angesteuert werden. Display devices, to be observed visually, mustbeenlightenedfor a minimum time of the order of one second . Therefore, gate-circuits containing electroluminescent-{EL- )elements and photoconductive-{PW - )elements are well suited for controlling the display devices in spite of the slow response of the PW-elements . The numbers of permissible inputs of "And" - and "Or" -gates are evaluated . Because of the finite ratio of dark- to light-resistance gate circuits possessing 10 inputs are difficult to realize. However considerably larger numbers of input circuits are possible employing the so called "blockable gate" . Graphical design procedures are developed .

Eigenschaften und KenngroBen der verwendeten Bauelemente

Fi.ir die Gatterschaltungen sind die EL-Leuchtsegmente eine kapazitive Last. Die GroBe der durch die EL-Leuchtsegmente dargestellten KapaziUit hangt von der Dicke der Leuchtschicht ab. Je nach Betriebsspannung wahlt man Schichtdicken zwischen 20 und 100 fLm; das ergibt Kapazitatswerte zwischen 700 und 150 pF /cm 2 • Da man die Leuchtschichten nicht beliebig dtinn machen kann, gibt es eine untere Grenze der Betriebsspannungvonetwa 100 Volt. - DerWirkleitwertder EL istselbst

180

H. - N. Toussaint und W. Sch midt

bei 50-Hz-Betrieb gegeniiber dem oben erwahnten kapazitiven Leitwert zu vernachlassigen. Die Leuchtdichte BEL eines EL-Leuchtfeldes hangt von der Betriebsspannung VEL und der Betriebsfrequenz f ab (siehe Bild 1). Bei gleichbleibender Anregung der EL verringert sich ihre Leuchtdichte exponentiell mit der Betriebsdauer. AIs MaB der Leuchtdichteabnahme gibt man iiblicherweise die sogenannte Halbwertszeit an; das ist die Zeit, in der die Leuchtdichte der EL auf 50% ihres Anfangswertes abgesunken ist. Die Halbwertszeit ist der Betriebsfrequenz umgekehrt proportional und liegt bei 50-Hz-Betrieb etwa zwischen 5 . 10 3 und 10 4 Stunden. Ft.-Lambe rts

20 18 16 14 12

t

10

BEL

8

Bild 1. Leuchtdichte BEL als Funktion der Betriebsspannung U EL

6 4 2 0

100

200

V

300

U El -

Zur Ansteuerung der EL-Segmente eignen sich die in der Tabelle gefiihrten Elemente. Die Ubersicht zeigt, daB sich die Leuchtfelder am giinstigsten mit Photowiderstanden (kurz "PW" genannt) steuern lassen. PW sind deshalb giinstig, weil sie wie die EL-Elemente flachenhaft aufgebaut undauchin ihren anderen Eigenschaften (spektrale Empfindlichkeit. Impedanz-Niveau) gut an die EL-Elemente angepaBt sind . Hinzukommt, daBsichder PW von alIen in der Tabelle aufgefiihrten Elementen am billigsten he,rstellen laBt.

2 . 5 Elektro-optische Gatterschaltungen zur Steuerung von . . .

181

Tabelle der Schaltelemente fUr EL-Segmente Schalt elemente, elektris ch ge steuert:

Relais

DreischichtTransistor

Vierschicht Transistor

Magnetkern

Ferro-Elektril
Vorteile:

Galvan. Trennung zwischen Ein- und Ausgang

Einfache Schaltung

Gute Anpassung an TransistorSchaltung

Galvan . Trennung zwischen Ein- und Ausgang

FUichenhafte Anordnung istmoglich

Nachteile:

GroBes Volumen; geringe Spannungsfestigkeit ; teuer

Transistoren Teuer mit hoher Durchbruchspannung notwendig; relativ teuer

Hohe Impedanzen sind schwer darstellbar

Zur Steuerung ist sehr hohe Gleichspannung notwendig

Schaltelemente, opti sch gesteuert:

Photowiderstand

Vorteile:

Flachenhafte Anordnung; gute Anpassung an die EL; hoher Quantenwirkungsgrad; billig

Nachteile:

(trage)

Photodiode

Symmetrischer Phototransistor

pnpn-Photoschalter

Es sind nur Dioden mit hoher Sperrspannung in Antireihenschaltung verwendbar ; niedriger Qua ntenwir kungs gr ad; teuer

Es sind nur Transistoren mit hoher Sperrsparumng verwendbar; teuer

Als Wechselstromschalter wenig geeignet ; teuer

Die relativ groi3e Tragheit des PW im Vergleich zu anderen Schaltelementen start bei dieser Anwendung nicht, da ja die visuell wahrzunehmenden Leuchtsymbole mindestens fUr die Dauer einer Sekunde leuchten mUssen. Aus dem gleichen Grund kann man die verh1HtnismaBig groi3e Arbeitsgeschwindigkeit einiger anderer Schaltelemente nicht als Vorteil werten .

182

H .- N . Toussaint und W . Schmidt

In den naehfolgend zu betraehtenden Gattersehaltungen wird der PW als Se halter verwendet, d. h., sein Dunkelwiderstand muB groB, sein Hellwider stand muB klein gegen die Lastimpedanz sein. Der Hellwiderstand des PW hangt bei gegebenem PW -Material und bei gegebenen Elektrodenabmessungen von der Intensitat der Steuerliehtquelle und der optise hen Anpassung an die Steuerliehtquelle ab. Der "effektive" Dunkelwider stand ist dureh das PW-Material, die Elektrodenabmessungen und zusatzlieh dureh das Streulieht benaehbarter Steuerliehtquellen bestimmt. Als Steuerliehtquellen fUr die PW in den Gattersehaltungen eignen sieh vor all em flachenhafte Liehtquellen. AuBer den EL-Elementenkommen noeh in Frage: flachenhafte Gasentladungslampen, Halbleiter-Lumineszenz-Dioden und Gltihlampen. Die beiden letztgenannten Gruppen sind wegen ihrer relativ niederen Betriebsspannung vor all em fUr den Ubergang von Transistor- zu EL-PW-Gatter-Sehaltungen geeignet. Gatterschaltungen und deren Bemessung

Das kodiert ankommende Eingangssignal wird im einfaehsten Fall mit Hilfe von Und- und Oder-Gattern in ein Ausgangssignal umgesetzt, dureh das gleiehzeitig mehrere zugeordnete EL-Segmente zum Leuehten erregt werden.

Aufbau einfacher Und- und Oder-Gatter

Diese Gattersehaltungen sind folgendermaBen aufgebaut. Das Und-Gatter besteht aus mehreren in Reihe gesehalteten PW, wobei jeder PW einen optiseh ansteuerbaren Eingang des Gatters darstellt. Mit diesen PW in Reihe gesehaltet liegt ein EL-Leuehtsegment, das als Ausgang des Gatters dient (siehe Bild 2). Das Oder-Gatter besteht aus der Parallelsehal-

U o 1"'..1

Gatter-

Bild 2. Und - Gatter

~

Ausgang

2. 5 Elektro-optische Gatterschaltungen zur Steuerung von. . .

183

tung mehrerer PW, die als unabhangig ansteuerbare optische Eingange der Schaltung dienen. In Reihe zu diesen PW ist als Ausgang des Gatters ein EL-Segment geschaltet (siehe Bild 3) .

Bild 3. Oder-Gatter

Bemessungsgrundlagen

Zur Bemessung der Gatterschaltungen werden folgende GroBen als gegeben vorausgesetzt: 1. Die Betriebswechselspannung: Die untere Frequenzgrenze der Spannung liegt bei etwa 50 Hz. Man wahlt bei geforderter Helligkeit des EL-Elementes die niedrigst mogliche Frequenz, da die Lebensdauer des EL-Elementes umgekehrt proportional zur Frequenz fist. - Von der Spannungsamplitude Uo und der Frequenz f hangt die Leuchtdichte BEL des EL-Segmentes ab, das als Ausgangselement der Gatterschaltung dient. 2. Die Impedanz X EL des EL-Elementes: Ihr Wert errechnet sich aus der Beziehung X EL = 1/2 "Tt f c F; fist die Betriebsfrequenz, F die Flache des EL-Segmentes und c die Kapazitat je Flacheneinheit. Im folgenden wird c = 300 pF / cm 2 angenommen. 3. Das Verhaltnis a von Dunkel- zu HeUwiderstand des PW: Dieses Verhaltnis ist abhangig vom PW-Material, von der GroBe des Streulichtes benachbarter SteuerlichtqueUen und selbstverstandlich von der Amplitude der eigenen SteuerlichtqueUe des PW. (Zusatzlich hangt der Wert von a von der Zeit ab, die man der PWSchicht laBt, urn nach einer vorangegangenen Belichtungsanderung ihren Dunkel - bzw. HeUwiderstand anzunehmen.) Bestimmt werden soU:

184

H. - N. Toussaint und W. Schmidt

1. die maximal zuHissige Zahl n der Eingange der Gatterschaltung und 2. die notwendige Elektrodenanordnung der PW. Zur Abschatzung der Zahl der maximal zulassigen Eingange lassen sich beide Gatterschaltungen noch vereinfachen, indem man die Reihen- bzw. Parallelschaltung der PW durch einen einzigen PW ersetzt, dessen resultierender Widerstandswert Rr bzw. dessen resultierender Leitwert Gr ist (siehe Bild 4) . Diese vereinfachte Gatterschaltung muBfolgenden zwei Funktionsbedingungen gentigen:

Bild 4. Gemeinsames Ersatzschaltbild fUr Und- und Oder-Gatter

1 . Flir den Fall des durchgeschalteten Gatters (bei dem das EL-Segment leuchtet) solI die Spannung U ELh am EL-Segment einen wahlbaren Betrag, z. B . 90 % der Betriebsspannung U o annehmen . (Mit UELh ist dann die tatsachliche Leuchtdichte B des EL-Segmentes festgelegt. ) 2. Flir den Fall des gesperrten Gatters solI das EL-Segment nicht mehr leuchten . Die Spannung UELd muB deshalb kleiner als ein bestimmter Grenzwert sein, der im folgenden mit 25 V angenommen wird . Zwischen der Betriebsspannung mit der Amplitude U o und den Wechselspannungen der Amplituden U pw am PW und U EL am EL-Segment besteht die Beziehung:

Weiterhin gilt , daB sich die Impedanzen der Elemente EL und PW wie deren Spannungen verhalten, da die Elemente elektrisch in Reihe geschaltet sind. Berticksichtigt man dies, so kann man aus den beiden oben angegebenen Funktionsbedingungen den notwendigen Dunkelwiderstandswert R rd und den notwendigen Hellwiderstandswert R rh des resultierenden PW herleiten.

2.5 Elektra-aptische Gatterschaltungen zur Steuerung van . . .

185

Bestimmung der maximal zulassigen Anzahl n der Gatter-Eingange

Die EinzelwidersUi.nde des Und- bzw. Oder-Gatters sind nach der eingangs gemachten Voraussetzung durch ihr materialbedingtes Verhaltnis a von Dunkel- zu Hellwiderstand charakterisiert. Zum andern sind die obigen Funktionsbedingungen nur dann erfiillt, wenn die resultierenden Widerstande unter den ungiinstigsten Aussteuerbedingungen (beim OderGatter 1 PW, beim Und-Gatter (n-l) PW belichtet) die Werte R rd und Rrh annehmen . Aus dem unbedingt notwendigen Verhaltnis der resultierenden Widerstande Rrd/Rrh = af und dem materialbedingten Verhaltnis a = Rd/Rh eines PW folgt die Anzahl n der maximal zulassigen Gattereingange zu n = a/ af. An einem Beispiel solI nun gezeigt werden, mit welchen Werten n der Anzahl maximal zulassiger Eingange man im Fall des einfachen Undund Oder-Gatters rechnen darf . Der Wert des Verhaltnisses a von Dunkel- zu Hellwiderstand wird mit 80 angenommen . Dieser Wert entspricht etwa derzeitigen PW, wenn man eine Einstelldauer der PWWerte von einer halben Sekunde zuHillt . Der Kapazitatsbelag des ELElementes ist mit c = 300 pF/ cm 2 vorgegeben. lm oberen Teil von Bild 5 ist der bereits erw1i.hnte Zusammenhang zwischen der Anzahl n der maximal moglichen Eingange und dem unbedingt notwendigen Verhaltnis af von Dunkel- zu Hellwiderstand angegeben. Das durch das PW-Material gegebene Verh1i.ltnis von Dunkel- zu Hellwider stand ist hierbei mit einem Wert von a = 80 angenommen . Der Wert des unbedingt notwendig en Verhaltnisses af von Dunkel- zu Hellwiderstand hangt seinerseits wieder von der gew1i.hlten Betriebsspannung und -frequenz ab . Als Betriebsfrequenz wurde im vorliegenden Beispiel 50 Hz gewahlt . Bezliglich der Abhangigkeit des Parameters af von der Betriebsspannung sollen zwei Spezialfalle betrachtet werden. 1 . Die an dem EL-Segment im durchgeschalteten Zustand des Gatters liegende Spannung VE~h solI gleichbleibend 220 V betragen. Sofern die beiden Funktionsbedingungen erflillt bleiben soIl en, mui3 sowohl der HeIlwiderstand Rrh als auch der Dunkelwiderstand R rd mit zunehmender Betriebsspannung Vo groi3er werden . Der HeIlwiderstand nimmt hierbei in groi3erem Mai3e zu als der Dunkelwiderstand, so dai3 der Parameter af = Rrd/Rrh mit der Betriebsspannung abnimmt (gestrichelte Kurve im unteren Teil von Bild 5) . 2. Die an dem EL-Segment im durchgeschalteten Zustand liegende Spannung V ELh solI zur Betriebsspannung Vo im festen Spannungsverhaltnis VELh/V O = 0,9 liegen . Hier bleiben die beiden Funktionsbedin-

186

H. - N. Toussaint und W. Schmidt

gungen clann erfiillt, wenn der Hellwiderstand R rh seinen Wert beibehalt und wenn der Wert des Dunkelwiderstandes R rd zunimmt. Der Parameter af = Rrd/Rrh wachst deshalb mit zunehmender Betriebsspannung (ausgezogene Kurve im unteren Teil von Bild 5). Wie man dem Diagramm in Bild 5 entnimmt, ergeben sich bei dies em einfachen Gatter allenfalls acht mogliche Eingange, selbst wenn man die Betriebsspannung beziiglich einer maximalen Zahl von Eingangen optimal wahlt. Hierbei ist jedoch noch nicht beriicksichtigt, daB auch die Leuchtdichte des ansteuernden EL-Elementes mit der Betriebszeit schwindet. Dies fiihrt zu einer Erhohung des PW -Hellwiderstandes und damit zu einer Abnahme der Verhaltniszahl a = Rd/Rh' Mitzunehmender Alterung nimmt also die Zahl n der moglichen Gattereingange ab. Urn diesen EinfluBder Alterung moglichst klein zu halten, wurde in diesem Beispiel der 50-HzBetrieb gewahlt.

,

20 16

t

12

n

8

\

\

1"- """--....

4 0

10

20

' f-

\

160

\-t

200

Bild 5. Abhangigkeit der maximal moglichen Anzahl n der Gattereingange von der Betriebsspannung

I

280

,

50

UELh = 0,9 Uo

~

\

I I

320 360

40

\f =~(UO )

Uo 240

~

30

I

.',

,'f = f (U o) It- U ELh = 220 V

o

10

20

30

40

' fAufbau der sperrbaren Gatterschaltung

Eine Gatterschaltung, die eine groBere Anzahl von Eingangen zulaBt als das einfache Und- bzw. Oder-Gatter, ist das sogenannte "sperrbare

50

2.5 Elektro-optische Gatterschaltungen zur Steuerung von. . .

187

Gatter" (siehe Bild 6). Dieses Gatter besteht aus der Reihenschaltung eines PW 1 mit einem EL-Segment, ' wobei parallel zu dem Segment ein PW 2 geschaltet ist. Die beiden PW 1 und PW 2 dienen als zueinander inverse Eingange; d. h., wenn der PW 1 beleuchtet ist, ist gleichzeitig

Bild 6. Ersatzschaltbild des sperrbar en Gatters

EL-Segment

der PW2 unbeleuchtet und umgekehrt. Die beiden PW sind j eweils wieder als resultierende Widerstande einer Anzahl n 1 bzw. n2 von parallel oder in Reihe geschalteten PW aufzufassen.

Bestimmung der maximal zulossigen Anzahl n der Eingonge des sperrbaren Gatters Auch fi.ir das sperrbare Gatter gelten die eingangs angegebenen Funktionsbedingungen, und entsprechend wie beim einfachen Und- und OderGatter lassen sich aus dies en Bedingungendie Zahlen nl und n2 der zuHissigen Eingange herleiten. Bezeichnet man die Hell- bzw. Dunkelwiderstandswerte des PW 1 mit Rrlh bzw. Rr1d und die Hell- bzw. Dunkelwiderstandswerte des PW 2 mit Rr2h bzw . R r2d , so sind folgende Widerstandswerte einander zugeordnet: Rrl h und Rr2d beim durchgeschalteten Gatter und R r1d und Rr2h beim gesperrten Gatter. Diebeiden EL-Spannungen VELd bei gesperrtem Gatter und V ELh bei durchgeschaltetem Gatter hangen im einzelnen von folgenden GroBen ab: VELd

f (R rld , R r2h , X EL , V o),

V ELh

f (R r1h , R r2d , X EL , Vo).

Bekannt sind von diesen GroBen: die durch die Funktionsbedingungengeforderten Spannungen VELd und VELh, die Impedanz X EL des EL-Segmentes und die Betriebsspannung Vo . Die Funktionen Rr2h = f (Rrld)

188

H.- N . Toussaint und W . Schmidt

und RrIh = f (R r2d ) zwischen den durch die Funktionsbedingungengeforderten Widerstandswerten der resultierenden PW sind in Bild 7 aufgetragen. Die Eigenschaften der Schaltung lassen sich aus dieser graphischen Darstellung folgendermafien ablesen: Die Funktion Rrl h = f (R r2 d) ist die Grenzkurve fUr Wertepaare, die die erste Funktionsbedingung erfUllen, nach der die Spannung des EL-Segmentes z. B. einen Wert von 0,9· U o annehmen solI. 8

G.tter durchgesch.ltet

MO

t R,lh

6 R"h

= f (R,2d)

4

20

40

60

80 MO 100

2(/"\----~R,.d

.'-J.-_-;-~ -'\.. af2 =

Bild 7. Zur graphischen Bemessung des sperrbaren Gatters

9,6

'f. =

IM\ ~

'12 =

-

40

4 R, 'h

6 ,.h

=

f (R"d) MO

8

~

U o = 220V UElh = 200 V UEld = 25 V f = 50 Hz

Gatter gesperrt

Diese Forderung wird auch von all den Wertepaaren erfUllt, die sich in dem schraffierten Bereich zwischen der Grenzkurve und der KoordinatenachsefUr Rr2d befinden. - Die Funktion Rr2h = f (R rId ) istdie Grenzkurve fUr Wertepaare, die die zweite Funktionsbedingung erfUllen, nach der die Spannung an dem EL-Segment hochstens 25 V sein soll. Wertepaare, die diese Forderung erfUllen, befinden sich in dem schraffierten Bereich zwischen der Grenzkurve und der Koordinatenachse fUr Rrl d . Die notwendigenVerhaltnisse afl und af2 vonDunkel- zuHellwiderstandswerten werden in Bild 7 durch die Neigung der Verbindungsgeraden von zwei jeweils zugeordneten Werten R rId , RrIh bzw. R r2d , Rr2h wiedergegeben . Wie man Bild 7 entnimmt, sind die notwendigen Verhaltnisse afl = RrId/RrIh und af2 = Rr2d/Rr2h Uber die Funktionen RrIh = f (R r2d ) und Rr2h = f (RrId) voneinander abhangig. LaBt man eines der beiden Verhaltnisse afv konstant, so ergeben sich fUr das andere Verhaltniskleinere Werte, wenn man die Widerstande R rvh und Rrvd in der Nahe des Koordinaten-Mittelpunktes wahlt. Die untere Grenze der wahlbaren PWWerte ist jedoch durch die Verlustleistung der PW gegeben.

2. 5 Elektro-optische Gatterschaltungen zur Steuerung von . . .

189

Urn die Verhltltnisse an einem Beispiel zu erlltutern, sollen ftir den Hellund Dunkelwiderstand der beiden resultierenden Widerstande PW I und PW 2 die sich ergebenden Werte ftir den Fall angegeben werden, daB der resultierende Wider stand PW I aus acht parallel geschalteten Einzel-PW und der resultierende Wider stand PW 2 aus zwei parallel geschalteten Einzel-PW besteht. Nimmt man das gegebene Verhltltnis von Dunkel- zu Hellwiderstand wieder zu a = 80 an, so erhaIt man mit Hilfe der Beziehung n = a/af ftir die acht Eingange das notwendige VerhaItnis afl = 10 . FUr die beiden sperrenden Eingange findet man das notwendige VerhaItnis af2 = 40. Tragt man in der graphischen Darstellung von Bild 7 das VerhaItnis afl = 10 ein, sofindet man tiber die Funktionen Rrl h = f (R r2d ) und Rr2h = f (RrId) ein zugehoriges VerhaItnis af2' 1st dieses Verhaltnis af2 kleiner als das geforderte af2 = 40, so ist das Schaltungsproblem lOsbar. In unserem Fall ergibt sich af2 = 9,6, also ein sehr viel kleinerer Wert als af2' Die verbleibende Reserve kann man nun gleichmaBig auf die beiden Gruppen von Eingangen verteilen, indem man z. B. ein afl = 5 < afl und ein ai2 = 17 < af2 wahlt. - Wtirde man die gegebenen Reserven voll ausntitzen, so wtirden sich bei zwei parallel geschalteten Einzel-PW anstelle von PW 2 insgesamt 39 parallel geschaltete Einzel-PW anstelle des resultierenden PW I ergeben.

Bestimmung der Elektrodenanordnung der PW Aus der bisherigen Abschatzung kennt man die notwendigen Hell- und Dunkelwiderstandswerte Rrh, Rrd der resultierenden PW und die Zahl n der Eingange. Zum anderen ist das PW-Material mit der Abhangigkeit seines Flachenwiderstandes von der Beleuchtungsstarke und dem Verhilltnis seines Dunkel- zu Hellwiderstandes gegeben. Es bleibt noch die Elektrodenanordnung der Einzel-PW zu wahlen. Man gibt ihr eine solche Form, daB die beleuchtete PW -Schicht den geforderten Hellwiderstandswert Rh eines Einzel-PW annimmt. Im Fall der Reihenschaltung von PW ist der geforderte Hellwiderstandswert Rh des Einzel-PW der n-te Teil des Hellwiderstandswertes Rrh des resultierenden PW. Bei der Parallelschaltung von PW ist der geforderte Hellwiderstand Rh des Einzel-PW etwa gleich dem Hellwiderstand des resultierenden PW. Kennt man diesen Hellwiderstand und ist der Flachenwiderstand rh des PW -Materials bei entsprechender Beleuchtung gegeben, so erhalt man die notwendige Lange L und den notwendigen Abstand d der PW-Elektroden aus der Gleichung Rh = rh d/L. Hierzu solI ein Beispiel gegeben werden. Wurde ein Wert von Rrh = 4,5 MD ermittelt, und setzen sich die Eingange des Gatters aus einer Reihenschaltung von ftinf PW zusammen, so erhalt man ftir den Hellwiderstand des Einzel-PW einen Wert von Rh = 0,9 MD. Hat das PW-Material bei

190

H . - N . Toussaint und W . Schmidt

einer Beleuchtungsstarke von 20 Lux einen FHichenwiderstand rh von 4,7 MQ, so muB das Verhaltnis Ll d = 5,2 sein. FUr einen Elektrodenabstand d = 1 mm ist dann die ElektrodenHinge L = 5,2 mm .

Grenzen der Miniaturisierung Der Raumbedarf der elektro-optischen Gatterschaltungen ist im wesentlichen durch den Fla.chenbedarf der Bauelemente bestimmt. Dem gegeniiber ist die Bautiefe bei geeignetem Aufbau sehr klein . Bei einem solchen Aufbau folgen die als Ansteuerelemente verwendeten EL-Elemente, die als Gattereingange dienenden PW-Elemente und die den Gatterausgang darstellenden EL-Leuchtsegmente jeweils in diinnen Schichten aufeinander . Die Leuchtsegmente stellen eine kapazitive Belastung des Gatters dar. Diese Belastung nimmt mit wachsender Leuchtfla.che undwachsender Frequenz zu . Je groBer diese Last ist, urn so groBer ist auch die vom PW aufzunehmende Verlustleistung. Aus der aufzunehmenden Verlustleistung und der je Fla.cheneinheit zulassigen Verlustleistung errechnet sich schlieBlich die notwendige verlustleistungsbedingte Mindestflache Fp des steuernden PW. Die vom PW aufzunehmende Verlustleistung ist wegen der kapazitiven Last verhiHtnismaBig groB . Selbst wenn man im durchgeschalteten Zustand des Gatters an dem EL-Segment eine Spannung von 90 % der Betriebsspannung fordert, betrligt die vom PW aufzunehmende Wirkleistung noch ungefahr 50 % der dem EL-Leuchtsegment zugefiihrten Blindleistung . Das Gatter muB im durchgeschalteten ZustanddenHellwiderstand Rh haben. Dieser bedingt bei gegebenem Fla.chen-Hellwiderstand rh und bei gegebenem Mindestabstand d der Elektroden (Durchschlagspannung!) eine lichtempfindliche Mindestfla.che FL = rh d 2 jR h . Die Gatterschaltung ist dann optimal bemessen, wenn die lichtempfindliche Mindestfla.che nicht groBer ist als die verlustleistungsbedingte Mindestflache, also FL ~ Fp . In der Praxis rechnet man mit einer "insgesamt notwendigen Mindestflache" Fmin = Fp + ~ F, wobei die Zusatzfla.che ~ F zur optischen und elektrischen Entkopplung der einzelnen Elemente dient; gleichzeitig ist in ihr auch die Elektrodenfla.che des PW enthalten . Die GroBe der Zusatzfla.che hangt im einzelnen (z. B. wegen der Lichtstreuung) vom Aufbau der ELPW -Schichten des Gatters und von deren Materialeigenschaften ab . Der relative Anteil der Zusatzfla.che ~ F an der insgesamt notwendigen Mindestfla.che Fmin nimmt mit abnehmender verlustleistungsbedingter Mindestfla.che Fp zu . In den meisten Anwendungsfallen ist die insgesamt notwendige Mindestflache Fmin der Gatterschaltungen kleiner als die Fl ache F des EL-

2. 5 Elektro-optische Gatterschaltungen zur Steuerung von. . .

191

Leuchtsegmentes. Betrachtet man das Gesamtvolumen des EL-Leuchtsymbols einschlie13lich der ansteuernden Gatterschaltung, so wird dieses weitgehend durch das Volumen des Leuchtsymbols allein bestimmt. Es lohnt sich daher in aller Regel nicht, die Gatterschaltung extrem klein aufzubauen. Die Bemessungsregeln wurden unter Mitarbeit von Frl. B. du Bois aufgestellt, woftir wir ihr danken.

Schrifttum [1] Smith, D. H.: Electroluminescence - its Characteristics and Applications. Part 1 Electronic Engineering Febr. 33 (1961) Nr. 396 , S. 68/ 72. Part 2 Electronic Engineering March 33 (1961) Nr. 397 , S. 164/ 170. [2] Strock, L . W.; Greenberg I.: Electroluminescence . IEEE spectrum Nov. 1 (1964) Nr. 11 , S. 68/ 83 .

Diskussion Van Santen, J. G., Philips, Eindhoven: I should like to remark that the conclusions given in points 1 and 2 at page 6 are incorrect. In point 2 for instance it is said that, when the total supply voltage is increased maintaining a fixed ration between this voltage and the voltage across the switched El-element, the demands upon the illuminated PC increase. It can be easily shown that under these circumstances the value of RD has to increase, RH has not to change. On the other hand this is not so important because in practice the possibility to change the supply voltage is very limited for the following reason: Using El-elements as display devices the brightness of these elements (which is rather low) is of primary importance . The brightness can be increased by increasing the frequency and the value of the voltage . A limitation on the increase of the frequency is that the lifetime of the El-element is inversely proportional to the frequency . So a compromise has to be sought in this respect. Let us suppose the frequency of the supply voltage to be chosen, the brightness can be increased by increasing the voltage. To obtain the maximum possible brightness of the switched El-elements it is necessary to chose the voltage across these elements as high as possible with regard to the breakdown voltage . But if the voltage across the elements has the highest possible value that means that the supply voltage cannot be much larger. Thus the ratio between these two

192

H . - N . Toussaint und W . Schmidt

voltages must be close to one . Discussing the possibility of changing the supply voltage has no practical value at all. (These remarks relate to the preprint-version of paper 2.5, The Editor) T 0 u s s a i n t , H. N. und S c h mid t , W. : Seite 6 Spezialfall 1): Ihr Einwand war berechtigt; wir hatten uns unklar ausgedriickt . Seite 6 Spezialfall 2): Auch hier war Ihr Einwand berechtigt; es handelte sich urn einen Schreibfehler. In der vorliegenden Fassung sind beide Einwande, die sich auf die Preprint-Fassung beziehen, bereits beriicksichtigt. Wir danken IhnenfUr diese Hinweise . Ihrer Bemerkung beziiglich des Betriebs von EL-Anzeige-Elementen stimmen wir selbstverstandlich zu . Wir wollten in den von uns beschriebenen beiden Spezialflillen jedoch zeigen, daB die einfachen Gatterschaltungen allenfalls zehn Eingange zulassen, selbst wenn man die Betriebsspannung beziiglich einer maximalen Zahl von Eingangen optimal wahlt .

• K r a use , R. , Brown Boveri, Marinheim: In Ihrem Bericht wurde angegeben, daB die Lebensdauer bzw. die Halbwertszeit von Lumineszenzfeldern abhangig ist von der Betriebsfrequenz und der Betriebsspannung . 1st nicht auch die Kurvenform der Spannung mitbestimmend fUr die Lebensdauer? Toussaint, H. N. und Schmidt, W. : Es ist zu erwarten, daB die Lebensdauer zumindest in geringem MaBe von der Kurvenform der Wechselspannung beeinfluBt wird. Quantitative Angaben hieriiber konnen wir leider nicht machen . In diesem Zusammenhang diirfte jedoch interessieren, daB sich EL-Platten wahrend Betriebspausen in gewissem Ma Be regenerieren konnen . Auch hier fehlen jedoch exakte MeBwerte.