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[導(dǎo)讀]摘要:對(duì)大功率數(shù)碼管(LED)的功耗進(jìn)行了分析和計(jì)算,指出大功率LED不能簡單地用七段譯碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),而必須進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。以5英寸數(shù)碼管為例,對(duì)其譯碼驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了對(duì)比研究,指出在各種驅(qū)動(dòng)電路中,基于數(shù)字芯片M

摘要:對(duì)大功率數(shù)碼管(LED)的功耗進(jìn)行了分析和計(jì)算,指出大功率LED不能簡單地用七段譯碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),而必須進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。以5英寸數(shù)碼管為例,對(duì)其譯碼驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了對(duì)比研究,指出在各種驅(qū)動(dòng)電路中,基于數(shù)字芯片MC1413的驅(qū)動(dòng)電路是最優(yōu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提出方法的可行性。
關(guān)鍵詞:大功率數(shù)碼管;驅(qū)動(dòng)電路;MC1413;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言
    數(shù)字系統(tǒng)大多需要進(jìn)行數(shù)碼顯示,而顯示器是進(jìn)行數(shù)碼顯示不可或缺的組成部分。各種節(jié)日慶典、文娛等戶外大型活動(dòng)中,經(jīng)常采用大功率數(shù)碼進(jìn)行顯示器。然而,大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)困難,系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和抗干擾能力較差。同時(shí),系統(tǒng)的過壓、過流和瞬間掉電保持需進(jìn)行專門的電路設(shè)計(jì),而使系統(tǒng)更加復(fù)雜,也降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,從而大大限制了數(shù)碼管的廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)大功率數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)問題,以5英寸數(shù)碼管為例,對(duì)其功耗進(jìn)行了分析和計(jì)算,設(shè)計(jì)了各種譯碼驅(qū)動(dòng)電路并進(jìn)行了對(duì)比研究,對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提出方法的可行性。

1 數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動(dòng)電路
1.1 典型的譯碼驅(qū)動(dòng)電路
    數(shù)碼管按照其工作原理的不同有共陰和共陽兩種,對(duì)應(yīng)共陰和共陽兩種常用的譯碼器,而對(duì)于高壓大電流數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng),由于常用的譯碼器無法滿足其驅(qū)動(dòng)要求,因此,一般采用共陽數(shù)碼管并采用對(duì)應(yīng)的共陽譯碼器驅(qū)動(dòng),例如常用的74247譯碼器,其驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。


    其中VCC接芯片系統(tǒng)電源(一般為+5 V),VDD另接獨(dú)立的高電壓大電流電源,例如,對(duì)于5英寸數(shù)碼管,其驅(qū)動(dòng)電壓大約為15 V。該電路從原理上來看是正確的,但是穩(wěn)定性極差,特別是長期連續(xù)工作時(shí)性能更不穩(wěn)定,原因在于譯碼器74247無法滿足大功率數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)要求。[!--empirenews.page--]
1.2 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算
    下面以5英寸共陽數(shù)碼管為例,進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算。假設(shè)一數(shù)碼管用于某一秒電路個(gè)位的顯示,并設(shè)該數(shù)碼管每一段的正常工作電流為ID。正常工作時(shí),若其顯示數(shù)字“0”,則應(yīng)有其中6段被點(diǎn)亮,顯然,此時(shí)1 s之內(nèi)數(shù)碼管的工作電流為6ID,類似的可以計(jì)算出顯示其他數(shù)字時(shí)的工作電流,其工作電流波形如圖2所示。


    由圖2可以計(jì)算出數(shù)碼管工作電流的平均值為:
   
    查詢相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)便可知每一種型號(hào)數(shù)碼管每一段的正常工作電流ID,由式(1)和式(2)便可計(jì)算出該數(shù)碼管工作于秒電路個(gè)位時(shí)的平均電流和有效電流。以S50013B型5英寸共陽數(shù)碼管為例,查設(shè)計(jì)手冊(cè)可知,每一段的正常工作電流為ID為60 mA。
    由式(1)和式(2)知,該數(shù)碼管工作于秒電路個(gè)位時(shí)的平均電流和有效電流分別為300 mA和313.2 mA。
1.3 穩(wěn)定性分析
    由圖1的典型驅(qū)動(dòng)電路可知,數(shù)碼管正常工作所需的功率由外電源VDD提供,例如,使一個(gè)位于秒電路個(gè)位的S50013B型5英寸共陽數(shù)碼管正常工作,電源VDD需提供的電流是313.2 mA。表面看來,只要電源VDD的功率足夠大,圖1所示的電路便可正常工作。其實(shí)不然,仔細(xì)分析圖1的工作原理,不難看出,數(shù)碼管每一段的工作電流雖然均由電源VDD提供,但是該工作電流同時(shí)也全部灌入到譯碼驅(qū)動(dòng)器74247內(nèi)部。一片譯碼驅(qū)動(dòng)器74247正常工作時(shí)可承受的灌電流能力是40 mA,而一個(gè)位于秒電路個(gè)位的S50013B型5英寸共陽數(shù)碼管正常工作時(shí),灌入芯片74247的平均電流和有效電流分別為300 mA和313.2 mA,均遠(yuǎn)大于芯片74247的灌電流承受能力。
    可見,大功率數(shù)碼管,如S50013B型5英寸數(shù)碼管,不能簡單地用7段譯碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),而應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。
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2 譯碼驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)以上分析,大功率數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路必須進(jìn)行功率放大設(shè)計(jì)。
    三極管共射放大電路是常見的功率放大電路。同時(shí),為了加強(qiáng)電路的抗干擾性和穩(wěn)定性,三極管放大電路與光耦隔離電路結(jié)合起來使用是較為理想的選擇??紤]到大功率數(shù)碼管每一段的工作電流均比較大,因此,應(yīng)該對(duì)數(shù)碼管的每一段驅(qū)動(dòng)電流均進(jìn)行放大,以數(shù)碼管的一段(a段)為例,其驅(qū)動(dòng)放大電路如圖3所示。


    由于光耦不僅具有隔離作用,還具有一定的電流放大功能,因此圖3所示的放大驅(qū)動(dòng)電路具有較大的電流放大倍數(shù),同時(shí),具有較好的抗干擾性。但是,由于一個(gè)數(shù)碼管有7段,因此一個(gè)大功率數(shù)碼管需要7個(gè)如圖3所示的放大電路,勢(shì)必增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,從而大大降低系統(tǒng)的可靠性。需要指出的是,采用三極管光耦放大電路來驅(qū)動(dòng)大功率數(shù)碼管,選用共陰譯碼器(如74248)和共陰型數(shù)碼管較為方便。
    為了簡化電路設(shè)計(jì),也可采用CMOS系列的譯碼器CD4511。它具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、7段譯碼及較大的驅(qū)動(dòng)電流。可直接驅(qū)動(dòng)較大功率的共陰型數(shù)碼管。該方案雖然電路設(shè)計(jì)較為簡單,但是,采用CD4511譯碼時(shí)數(shù)碼管顯示的數(shù)字“6”和“9”不夠美觀。
    為了實(shí)現(xiàn)大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電流的放大,同時(shí)也使數(shù)碼管顯示的數(shù)字美觀規(guī)范,本文提出一款基于驅(qū)動(dòng)器MC1413的大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
    MC1413是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列反相驅(qū)動(dòng)器,由7個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成,每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7 kΩ的基極電阻,在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。MC1413輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行,因此,接口電路連接比較簡單。


    采用MC1413的大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。圖中VCC接5 V的芯片電壓,VDD接數(shù)碼管的工作電源電壓,例如供5英寸共陽數(shù)碼管的15 V電壓。由于采用的是74248譯碼器,與CD4511譯碼器相比,數(shù)碼管顯示的數(shù)字比較美觀。同時(shí),由于MC1413工作電壓高,工作電流大,灌電流可達(dá)500 mA,并且能夠在關(guān)斷時(shí)承受50V的電壓,故可直接驅(qū)動(dòng)功率數(shù)碼管而無需進(jìn)行電流放大,從而既保證了驅(qū)動(dòng)功率的要求,也大大簡化了電路設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的可靠性。
    可見,采用圖4所示的MC1413驅(qū)動(dòng)電路,電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠,是驅(qū)動(dòng)大功率數(shù)碼管的理想器件。

3 結(jié)語
    這里設(shè)計(jì)了一款計(jì)時(shí)電路,實(shí)現(xiàn)秒、分和小時(shí)的計(jì)時(shí)。秒發(fā)生電路由NE555實(shí)現(xiàn),采用了6只S50013B型5英寸共陽數(shù)碼管分別進(jìn)行秒、分和小時(shí)的數(shù)字顯示,譯碼驅(qū)動(dòng)電路采用大功率驅(qū)動(dòng)電路,由MC1413實(shí)現(xiàn)5英寸數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。經(jīng)長時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)測(cè)試,該樣機(jī)電路工作穩(wěn)定可靠,電路芯片發(fā)熱正常。為了進(jìn)行對(duì)比研究,將數(shù)碼管改由共陰譯碼器74248直接驅(qū)動(dòng)。經(jīng)長時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)測(cè)試,此時(shí)樣機(jī)電路工作極不穩(wěn)定,電路芯片,尤其是74248嚴(yán)重發(fā)熱。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:大功率數(shù)碼管不能簡單地用七段譯碼器直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng),其驅(qū)動(dòng)電路必須進(jìn)行功率放大設(shè)計(jì);采用MC1413驅(qū)動(dòng)大功率數(shù)碼管,電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠,是驅(qū)動(dòng)大功率數(shù)碼管的理想器件。

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