电子说
抬头显示器
N年前设计过一款具有胎压、温度显示功能的集成在后视镜的抬头显示器。
在后视镜的镜片上嵌入LED数码管,通过LIN协议与主机通信。
实时接收从主机发送过来的温度、胎压等数据,并通过数码管显示出来。
集电极输出电路
除了LIN通信,该设备比较重要的功能是数码管的显示控制。
在该项目之前,已经有前辈设计了以下的电路:
集电极输出电路
电路很简单,采用NPN三极管驱动数码管,LED接在三极管的集电极,串入1K的电阻限流。
LED由增加一些保护电路的车上的电池供电;
看上去无懈可击,当单片机输了高电平时,NPN三极管饱和导通;
流过LED的电流为Vbat/R1,电流决定于C极的电压。
坏就坏在电池供电上,电池所提供的电源并不是一个恒定的电压,
而在典型值为12.8V,在9V-16V之间波动的电压,
而且碰到甩负载或者感性负载突然断开时,其电源可高达几十V甚至上百V。
所以LED的工作电流在9mA-16mA之间,甚至会瞬间高达几百mA。
我们知道,LED的亮度取决于流过的电流;
因此,显示亮度会随电池电压的变化而变化,甚至看上去很顺眼的显示,
会因为汽车的启动或熄火、空调的开启或者关闭、甚至突然颠簸,亮度会突然增加或者降低,
非常影响视觉感受。
发射极输出
我做了一个改动,将电阻R1由集电极移到了发射极,并将阻值由1K改成了390Ω。
由原来的开关电路改成了射极跟随器。
对于射极跟随器,三极管工作于放大状态,
其集电极的负载电流主要取决于基极电压以及发射极的电阻,而基本上不受C极的电源影响。
从而在电池电压变化时,流过LED的电流能保持恒定,
LED的显示亮度能保持一致,更不会出现瞬间变亮、变暗的情况。
电路分析
假设三极管Q1工作于放大状态,该电路等效为以下电路:
等效电路(BE极压降未标上)
三极管Q1的C极是一个受控电流源,受控于B极电流,
假设单片机输出高电平为VOH,
节点1的电压为V,流过三极管B极的电流为Ib,
三极管B、E极的等效电阻为rBE,
三极管B、E极的导通电压为VBE,
对于节点1,根据节点电流法,流入该节点的电流总和为0,
该节点有3条分支,可以得到等式:
节点电流法
同时,利用基尔霍夫电压定理,有:
基尔霍夫电压定理
联立上述两个方程,消去V,得到Ib,
B极电流
由于(1+β)*R1>>rBE,(1+β)*R1>>R2,进一步近似,得到:
Ib近似值
C极电流为:
C极电流
进一步近似:
C极近似电流
可以看到,从三极管的B极往里看,其输入电阻比较大,可以被忽略。
所以B极的电压为VOH在R2、R3串联回路中,R3得到的分压;
而C极的电流为B极输入电压除以E极的负载电阻。
从而,C极电流的典型值为:
5*4.7/(4.7+1)/390=10mA。
此时,三极管CE极的压降为:
CE极压降
当VBAT>9V时,VCE=9-5-2=2>0,
所以,在VBAT的全范围内,三极管Q1都可以处于放大状态。
即,流过LED的电流不受电池电压的影响,恒定为10mA左右。
本文来源物联网全栈开发
审核编辑:汤梓红
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