7段数码管显示驱动电路参数推导
7段数码管价格低廉驱动简单,能够显示数字0~9、字符A、b、C、d、E、 F、P、q、L等,被广泛应用于电子产品的简单数据的显示。比如温控仪的温度及设置参数的显示、电子钟的时间显示、电梯的楼层显示等。
以前感觉7段数码管的驱动电路很简单,而且项目从来没用过,因此没有深入分析思考。最近为单片机教材《单片机原理及应用—基于Proteus和 Keil C》做了一块配套的单片机课程实验板,实验板上有2个2位共阴7段数码管用于简单信息显示。刚开始设计电路如下:
电路焊接完成后测试时发现动态显示时数码管的亮度很低。怀疑电阻的取值可能不太合适,在网上查阅了很多资料后更换了电阻值,问题解决。现在把电阻值的估算过程总结如下。
51单片机I/O口的驱动能力有限,因此在P0口和数码管段码之间增加了74LS245来增加端口驱动能力。R1~R7、R11~R17起到限流的作用,用以保护数码管。数码管点亮时,公共端电流很大,如果直接把公共端连接到单片机引脚,大电流将会灌入单片机引脚,容易导致引脚损坏,因此增加三极管Q1、Q2、Q3、Q4。三极管作为开关管,导通时数码管驱动电流大部分从C→E通道流入电源地,小部分灌入单片机引脚。三极管作为开关管工作在饱和区和截止区。当三极管导通时数码管点亮,三极管工作在饱和区。
首先计算最大字电流。4个数码管,每一个包含8段,每一段工作时平均电流是3mA的话,则最大电流为4*8*3=96mA,约等于100mA。从集电极电流和放大倍数之间的关系图可知Ic= 100mA时,Hfe>200。理论上Ib=0.5mA就可以使三极管饱和导通。饱和导通时三极管压降Vbe=0.7V,R=(5-0.7)/Ib=4.3K。为了使三极管可靠导通,一般取基极保护电阻R=1~2K。
接下来计算数码管段限流电阻取值。首先计算段电流,一般红色LED压降约为1.6V,绿色LED压降约为1.8V。静态显示时段电流约为3mA,4个数码管轮流动态显示,为了使显示亮度和静态显示时一样,驱动电流需要提高4倍,于是动态显示时段驱动电流需要达到3*4=12mA,R=(Vcc-1.6)/(3*4)=0.28K,因此用300Ω的电阻就差不多了。这个电阻的取值直接影响数码管的显示亮度。
按照上边的推导,更换电阻后,数码管的亮度增加了很多。
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