這篇文章將幫助你提高二進(jìn)制時(shí)鐘的亮度。它還將指導(dǎo)你選擇組件，以在所有LED上提供一致的亮度，尤其是在激活了額外的LED段時(shí)。

在之前的文章“設(shè)計(jì)二進(jìn)制時(shí)鐘:理解多路復(fù)用約束”中，我們探索了一種具有“最低限度”顯示亮度的功能性二進(jìn)制時(shí)鐘。那篇文章確定了多路復(fù)用顯示器在微控制器當(dāng)前處理方面的局限性，以及由于多路復(fù)用過(guò)程本身導(dǎo)致的亮度降低。它將多路復(fù)用與脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)進(jìn)行了比較。6列4行 LED 矩陣中的每個(gè)LED都以總時(shí)間的1/6開(kāi)啟，相當(dāng)于約17%的占空比。此外，由于所選微控制器的限制，LED 電流被限制為13mA。這些限制共同提供了一個(gè)不太理想的顯示。

在本期中，我們保留了17%占空比的6列4行顯示器。為了提高亮度，我們將使用行和列驅(qū)動(dòng)晶體管來(lái)增加 LED 的電流。我們使用脈沖40mA電流代替13mA，這種謹(jǐn)慎實(shí)施的方法將 LED 的電流提高到約兩倍于其連續(xù)電流。如圖1所示，結(jié)果比原始設(shè)計(jì)有了顯著改善。這是通過(guò)適度增加電路復(fù)雜性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。

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圖 1 :具有列和行驅(qū)動(dòng)器的多路LED燈顯示01:35:46的高亮度二進(jìn)制時(shí)鐘圖片。

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圖 2 :多路顯示的列和行驅(qū)動(dòng)的原理圖

免責(zé)聲明:

大多數(shù) LED 燈有兩個(gè)額定值。一種是連續(xù)電流，通常伴隨著25°的溫度規(guī)定。第二個(gè)額定值是較高的脈沖電流，通常適用于“閃爍”多路顯示。

通過(guò)在更高的電流下操作 LED，我們可以回收在復(fù)用過(guò)程中失去的一些亮度。這可能是具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)過(guò)程，因?yàn)樵诳山邮艿牟僮骱陀捎谶^(guò)度 LED 加熱而導(dǎo)致的不可靠性之間存在細(xì)微的界限。通常，復(fù)用 LED 可以在滿額定連續(xù)電流下工作，并且可能高達(dá)兩到三倍。

你必須查閱并仔細(xì)解釋數(shù)據(jù)手冊(cè)。對(duì)于大批量生產(chǎn)，你可能需要咨詢制造商的應(yīng)用工程師之一。對(duì)于本文中介紹的一次性實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)將其視為學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，并看看它將帶你走向何方。

改進(jìn)設(shè)計(jì)

在上一篇文章中，我們使用了 PNP晶體管列驅(qū)動(dòng)器。這些晶體管將把一組公共陽(yáng)極 LED 燈拉到正軌上。然后由微控制器直接驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的行。微控制器將陰極拉向地，完成電路以打開(kāi) LED。在這種配置中，微控制器吸收電流的能力是限制因素。解決方案是同時(shí)使用行驅(qū)動(dòng)和列驅(qū)動(dòng)晶體管。

技術(shù)提示 :本應(yīng)用程序中的行和列晶體管用作開(kāi)關(guān)。重要的是要完全打開(kāi)晶體管，使最大電壓施加到LED。在“完全打開(kāi)”的情況下，晶體管被驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)(閉合開(kāi)關(guān))。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是將電路配置為強(qiáng)制beta狀態(tài)。這可以通過(guò)假設(shè)選擇電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。這通常是，但并不總是足以，使晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)。請(qǐng)參閱文章正文了解例外情況。

復(fù)雜性

最初，我計(jì)劃保留前一篇文章中介紹的 2N3906 1 PNP 列驅(qū)動(dòng)程序。這是有效的，但是當(dāng)多個(gè)LED在任何給定列中被激活時(shí)，LED亮度會(huì)變暗。審查表明，電阻器的計(jì)算是正確的。進(jìn)一步研究表明，2N3906 不適合大電流操作。

問(wèn)題在于大電流下的增益降低。回想一下，電阻器是為強(qiáng)制beta操作而選擇的。在這種配置下，電阻器的選擇使基極電流為集電極電流的十分之一。這種規(guī)定通常會(huì)使晶體管達(dá)到飽和。不幸的是，2N3906 的情況并非如此。我要求它在它的信封之外操作。

像許多晶體管一樣，2N3906 數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了各種集電極電流下的電流增益。一個(gè)應(yīng)該引起我注意的數(shù)據(jù)點(diǎn)是集電極電流為100 mA時(shí)的30 (min)直流增益。與我們選擇的強(qiáng)制beta值10相比，這并沒(méi)有留下太多的空間。但是，當(dāng)單個(gè)列中的所有LEDS被激活時(shí)，所選的160 mA會(huì)變得更糟。

圖3給出了晶體管的歸一化增益作為集電極電流的函數(shù)。在IC=10 mA，溫度為25°時(shí)，我們看到峰值為1.0，可以近似為增益100。圖表標(biāo)記了與1、2、3和4個(gè)LED燈相關(guān)的電流。觀察到增益明顯下降。事實(shí)上，在4個(gè)LED燈活動(dòng)的情況下，160 mA的增益低于我們選擇的強(qiáng)制beta。晶體管不是處于飽和狀態(tài)，而是在其線性范圍內(nèi)工作。增加(非飽和)VCE電壓降表現(xiàn)為L(zhǎng)EDS變暗。顯示器是明亮的，每列一個(gè)LED燈，但隨著移動(dòng)LED燈被激活，逐漸變暗。

圖 3 :隨著LED燈數(shù)量的增加，晶體管直流增益顯著降低。

解決方案

解決方案是選擇與應(yīng)用更匹配的晶體管 ，其中一個(gè)不錯(cuò)的選擇是MPSA56。這是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樵摼w管在集電極電流為100 mA時(shí)的最小增益為100，而原始 2N3906 的增益為30。有了這個(gè)改變，所有顯示的數(shù)字的LED亮度是一致的。

接下來(lái)，我們考慮 LED 的電流限制。這是通過(guò)每一行的串聯(lián)電阻(r11到R14)來(lái)控制的。這個(gè)電阻是在整個(gè) LED 上施加完整的 5 VDC的情況下計(jì)算的。我們將使用40 mA電流，這大約是 LED 連續(xù)額定電流的兩倍。如前所述，我們處于灰色地帶。增加的電流可能導(dǎo)致 LED 壽命縮短。

我們可以計(jì)算列驅(qū)動(dòng)器的電阻器。我們假設(shè)IB=40mA的強(qiáng)制beta條件。另外，請(qǐng)注意，在任何給定時(shí)間，可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)4個(gè)LED燈，產(chǎn)生160 mA的基極電流:

最后，我們計(jì)算行驅(qū)動(dòng)晶體管的基極電阻:

這個(gè)計(jì)算出來(lái)的行驅(qū)動(dòng)器基極電阻器被降低到680 Ω，將晶體管推向更深一點(diǎn)的飽和狀態(tài)。這降低了VCE約0.5 VDC。這是一個(gè)微妙但明顯的變化。

一些想法

列和行驅(qū)動(dòng)器的增加減輕了微控制器的低電流能力。其結(jié)果是增加了顯示亮度，而電路復(fù)雜性卻略有增加。