车载抬头显示器发射极、集电极输出电路分析

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描述

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

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:

集电极

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:

集电极

节点电流法

同时,利用基尔霍夫电压定理,有:

集电极

基尔霍夫电压定理

联立上述两个方程,消去V,得到Ib,

集电极

B极电流

由于(1+β)*R1>>rBE,(1+β)*R1>>R2,进一步近似,得到:

集电极

Ib近似值

C极电流为:

集电极

C极电流

进一步近似:

集电极

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:

集电极

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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