這篇文章將幫助你提高二進制時鐘的亮度。它還將指導你選擇組件，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。

在之前的文章“設計二進制時鐘:理解多路復用約束”中，我們探索了一種具有“最低限度”顯示亮度的功能性二進制時鐘。那篇文章確定了多路復用顯示器在微控制器當前處理方面的局限性，以及由于多路復用過程本身導致的亮度降低。它將多路復用與脈寬調(diào)制（PWM）信號進行了比較。6列4行 LED 矩陣中的每個LED都以總時間的1/6開啟，相當于約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)動晶體管來增加 LED 的電流。我們使用脈沖40mA電流代替13mA，這種謹慎實施的方法將 LED 的電流提高到約兩倍于其連續(xù)電流。如圖1所示，結(jié)果比原始設計有了顯著改善。這是通過適度增加電路復雜性來實現(xiàn)的，如圖2所示。

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

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圖 2 :多路顯示的列和行驅(qū)動的原理圖

免責聲明:

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

通過在更高的電流下操作 LED，我們可以回收在復用過程中失去的一些亮度。這可能是具有挑戰(zhàn)性的設計過程，因為在可接受的操作和由于過度 LED 加熱而導致的不可靠性之間存在細微的界限。通常，復用 LED 可以在滿額定連續(xù)電流下工作，并且可能高達兩到三倍。

你必須查閱并仔細解釋數(shù)據(jù)手冊。對于大批量生產(chǎn)，你可能需要咨詢制造商的應用工程師之一。對于本文中介紹的一次性實驗，請將其視為學習機會，并看看它將帶你走向何方。

改進設計

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

技術(shù)提示 :本應用程序中的行和列晶體管用作開關(guān)。重要的是要完全打開晶體管，使最大電壓施加到LED。在“完全打開”的情況下，晶體管被驅(qū)動到飽和狀態(tài)(閉合開關(guān))。實現(xiàn)這一點的一種方法是將電路配置為強制beta狀態(tài)。這可以通過假設選擇電阻來實現(xiàn)。這通常是，但并不總是足以，使晶體管進入飽和狀態(tài)。請參閱文章正文了解例外情況。

復雜性

最初，我計劃保留前一篇文章中介紹的 2N3906 1 PNP 列驅(qū)動程序。這是有效的，但是當多個LED在任何給定列中被激活時，LED亮度會變暗。審查表明，電阻器的計算是正確的。進一步研究表明，2N3906 不適合大電流操作。

問題在于大電流下的增益降低?；叵胍幌拢娮杵魇菫閺娭芺eta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)定通常會使晶體管達到飽和。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)手冊給出了各種集電極電流下的電流增益。一個應該引起我注意的數(shù)據(jù)點是集電極電流為100 mA時的30 (min)直流增益。與我們選擇的強制beta值10相比，這并沒有留下太多的空間。但是，當單個列中的所有LEDS被激活時，所選的160 mA會變得更糟。

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，我們看到峰值為1.0，可以近似為增益100。圖表標記了與1、2、3和4個LED燈相關(guān)的電流。觀察到增益明顯下降。事實上，在4個LED燈活動的情況下，160 mA的增益低于我們選擇的強制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LEDS變暗。顯示器是明亮的，每列一個LED燈，但隨著移動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用更匹配的晶體管 ，其中一個不錯的選擇是MPSA56。這是一個很好的選擇，因為該晶體管在集電極電流為100 mA時的最小增益為100，而原始 2N3906 的增益為30。有了這個改變，所有顯示的數(shù)字的LED亮度是一致的。

接下來，我們考慮 LED 的電流限制。這是通過每一行的串聯(lián)電阻(r11到R14)來控制的。這個電阻是在整個 LED 上施加完整的 5 VDC的情況下計算的。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。增加的電流可能導致 LED 壽命縮短。

我們可以計算列驅(qū)動器的電阻器。我們假設IB=40mA的強制beta條件。另外，請注意，在任何給定時間，可以驅(qū)動多達4個LED燈，產(chǎn)生160 mA的基極電流:

最后，我們計算行驅(qū)動晶體管的基極電阻:

這個計算出來的行驅(qū)動器基極電阻器被降低到680 Ω，將晶體管推向更深一點的飽和狀態(tài)。這降低了VCE約0.5 VDC。這是一個微妙但明顯的變化。

一些想法

列和行驅(qū)動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，而電路復雜性卻略有增加。