设计一个 LED 亮度提高且一致的多路二进制时钟

时间:2024-04-17来源:DigiKey

这篇文章将帮助你提高二进制时钟的亮度。它还将指导你选择组件,以在所有LED上提供一致的亮度,尤其是在激活了额外的LED段时。

在之前的文章“设计二进制时钟:理解多路复用约束”中,我们探索了一种具有“最低限度”显示亮度的功能性二进制时钟。那篇文章确定了多路复用显示器在微控制器当前处理方面的局限性,以及由于多路复用过程本身导致的亮度降低。它将多路复用与脉宽调制(PWM)信号进行了比较。6列4行 LED 矩阵中的每个LED都以总时间的1/6开启,相当于约17%的占空比。此外,由于所选微控制器的限制,LED 电流被限制为13mA。这些限制共同提供了一个不太理想的显示。

在本期中,我们保留了17%占空比的6列4行显示器。为了提高亮度,我们将使用行和列驱动晶体管来增加 LED 的电流。我们使用脉冲40mA电流代替13mA,这种谨慎实施的方法将 LED 的电流提高到约两倍于其连续电流。如图1所示,结果比原始设计有了显著改善。这是通过适度增加电路复杂性来实现的,如图2所示。


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图 1 :具有列和行驱动器的多路LED灯显示01:35:46的高亮度二进制时钟图片。


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图 2 :多路显示的列和行驱动的原理图

免责声明:

大多数 LED 灯有两个额定值。一种是连续电流,通常伴随着25°的温度规定。第二个额定值是较高的脉冲电流,通常适用于“闪烁”多路显示。

通过在更高的电流下操作 LED,我们可以回收在复用过程中失去的一些亮度。这可能是具有挑战性的设计过程,因为在可接受的操作和由于过度 LED 加热而导致的不可靠性之间存在细微的界限。通常,复用 LED 可以在满额定连续电流下工作,并且可能高达两到三倍。

你必须查阅并仔细解释数据手册。对于大批量生产,你可能需要咨询制造商的应用工程师之一。对于本文中介绍的一次性实验,请将其视为学习机会,并看看它将带你走向何方。

改进设计

在上一篇文章中,我们使用了 PNP晶体管列驱动器。这些晶体管将把一组公共阳极 LED 灯拉到正轨上。然后由微控制器直接驱动单独的行。微控制器将阴极拉向地,完成电路以打开 LED。在这种配置中,微控制器吸收电流的能力是限制因素。解决方案是同时使用行驱动和列驱动晶体管。

技术提示 :本应用程序中的行和列晶体管用作开关。重要的是要完全打开晶体管,使最大电压施加到LED。在“完全打开”的情况下,晶体管被驱动到饱和状态(闭合开关)。实现这一点的一种方法是将电路配置为强制beta状态。这可以通过假设image选择电阻来实现。这通常是,但并不总是足以,使晶体管进入饱和状态。请参阅文章正文了解例外情况。

复杂性

最初,我计划保留前一篇文章中介绍的 2N3906 1 PNP 列驱动程序。这是有效的,但是当多个LED在任何给定列中被激活时,LED亮度会变暗。审查表明,电阻器的计算是正确的。进一步研究表明,2N3906 不适合大电流操作。

问题在于大电流下的增益降低。回想一下,电阻器是为强制beta操作而选择的。在这种配置下,电阻器的选择使基极电流为集电极电流的十分之一。这种规定通常会使晶体管达到饱和。不幸的是,2N3906 的情况并非如此。我要求它在它的信封之外操作。

像许多晶体管一样,2N3906 数据手册给出了各种集电极电流下的电流增益。一个应该引起我注意的数据点是集电极电流为100 mA时的30 (min)直流增益。与我们选择的强制beta值10相比,这并没有留下太多的空间。但是,当单个列中的所有LEDS被激活时,所选的160 mA会变得更糟。

图3给出了晶体管的归一化增益作为集电极电流的函数。在IC=10 mA,温度为25°时,我们看到峰值为1.0,可以近似为增益100。图表标记了与1、2、3和4个LED灯相关的电流。观察到增益明显下降。事实上,在4个LED灯活动的情况下,160 mA的增益低于我们选择的强制beta。晶体管不是处于饱和状态,而是在其线性范围内工作。增加(非饱和)VCE电压降表现为LEDS变暗。显示器是明亮的,每列一个LED灯,但随着移动LED灯被激活,逐渐变暗。

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图 3 :随着LED灯数量的增加,晶体管直流增益显著降低。

解决方案

解决方案是选择与应用更匹配的晶体管 ,其中一个不错的选择是MPSA56。这是一个很好的选择,因为该晶体管在集电极电流为100 mA时的最小增益为100,而原始 2N3906 的增益为30。有了这个改变,所有显示的数字的LED亮度是一致的。

接下来,我们考虑 LED 的电流限制。这是通过每一行的串联电阻(r11到R14)来控制的。这个电阻是在整个 LED 上施加完整的 5 VDC的情况下计算的。我们将使用40 mA电流,这大约是 LED 连续额定电流的两倍。如前所述,我们处于灰色地带。增加的电流可能导致 LED 寿命缩短。

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我们可以计算列驱动器的电阻器。我们假设IB=40mA的强制beta条件。另外,请注意,在任何给定时间,可以驱动多达4个LED灯,产生160 mA的基极电流:

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最后,我们计算行驱动晶体管的基极电阻:

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这个计算出来的行驱动器基极电阻器被降低到680 Ω,将晶体管推向更深一点的饱和状态。这降低了VCE约0.5 VDC。这是一个微妙但明显的变化。

一些想法

列和行驱动器的增加减轻了微控制器的低电流能力。其结果是增加了显示亮度,而电路复杂性却略有增加。

关键词: DigiKey LED

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