车载抬头显示器发射极、集电极输出电路分析

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