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。

图 3 :随着LED灯数量的增加，晶体管直流增益显著降低。