車載抬頭顯示器發射極、集電極輸出電路分析

抬頭顯示器

N年前設計過一款具有胎壓、溫度顯示功能的集成在后視鏡的抬頭顯示器。

在后視鏡的鏡片上嵌入LED數碼管，通過LIN協議與主機通信。

實時接收從主機發送過來的溫度、胎壓等數據，并通過數碼管顯示出來。

集電極輸出電路

除了LIN通信，該設備比較重要的功能是數碼管的顯示控制。

在該項目之前，已經有前輩設計了以下的電路：

集電極輸出電路

電路很簡單，采用NPN三極管驅動數碼管，LED接在三極管的集電極，串入1K的電阻限流。

LED由增加一些保護電路的車上的電池供電；

看上去無懈可擊，當單片機輸了高電平時，NPN三極管飽和導通；

流過LED的電流為Vbat/R1，電流決定于C極的電壓。

壞就壞在電池供電上，電池所提供的電源并不是一個恒定的電壓，

而在典型值為12.8V，在9V-16V之間波動的電壓，

而且碰到甩負載或者感性負載突然斷開時，其電源可高達幾十Ｖ甚至上百Ｖ。

所以LED的工作電流在9mA-16mA之間，甚至會瞬間高達幾百mA。

我們知道，LED的亮度取決于流過的電流；

因此，顯示亮度會隨電池電壓的變化而變化，甚至看上去很順眼的顯示，

會因為汽車的啟動或熄火、空調的開啟或者關閉、甚至突然顛簸，亮度會突然增加或者降低，

非常影響視覺感受。

發射極輸出

我做了一個改動，將電阻R1由集電極移到了發射極，并將阻值由1K改成了390Ω。

由原來的開關電路改成了射極跟隨器。

對于射極跟隨器，三極管工作于放大狀態，

其集電極的負載電流主要取決于基極電壓以及發射極的電阻，而基本上不受C極的電源影響。

從而在電池電壓變化時，流過LED的電流能保持恒定，

LED的顯示亮度能保持一致，更不會出現瞬間變亮、變暗的情況。

電路分析

假設三極管Ｑ1工作于放大狀態，該電路等效為以下電路：

等效電路(BE極壓降未標上)

三極管Q1的Ｃ極是一個受控電流源，受控于Ｂ極電流，

假設單片機輸出高電平為VOH，

節點1的電壓為V，流過三極管B極的電流為Ib，

三極管B、E極的等效電阻為rBE，

三極管B、E極的導通電壓為VBE，

對于節點1，根據節點電流法，流入該節點的電流總和為0，

該節點有3條分支，可以得到等式：

節點電流法

同時，利用基爾霍夫電壓定理，有：

基爾霍夫電壓定理

聯立上述兩個方程，消去V，得到Ib，

B極電流

由于(1+β)*R1>>rBE，(1+β)*R1>>R2，進一步近似，得到：

Ib近似值

C極電流為：

C極電流

進一步近似：

C極近似電流

可以看到，從三極管的B極往里看，其輸入電阻比較大，可以被忽略。

所以B極的電壓為VOH在R2、R3串聯回路中，R3得到的分壓；

而C極的電流為B極輸入電壓除以E極的負載電阻。

從而，C極電流的典型值為：

5*4.7/(4.7+1)/390=10mA。

此時，三極管CE極的壓降為：

CE極壓降

當VBAT>9V時，VCE=9-5-2=2>0，

所以，在VBAT的全范圍內，三極管Q1都可以處于放大狀態。

即，流過LED的電流不受電池電壓的影響，恒定為10mA左右。

本文來源物聯網全棧開發

審核編輯：湯梓紅