大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：對大功率數(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，對其譯碼驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了對比研究，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)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 1。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23。然而，大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)困難，系統(tǒng)的熱

2、穩(wěn)定性和抗干擾能力較差4。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 5。本文針對大功率數(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)行了對比研究，對驅(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，對應(yīng)共陰和共陽兩種常用的譯碼器，而對于高壓大電流數(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

3、并采用對應(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。圖 174247 驅(qū)動(dòng)共陽數(shù)碼管電路圖其中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。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

4、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所示圖 2 數(shù)碼管工作電流波形由圖2 可以計(jì)算出數(shù)碼管工作電流的平均值為 :iav=1n n1j=0ij=5id(1)類似地，可以計(jì)算出數(shù)碼管工作電流的有效值為 :i=1t t0(i2j)dt=1nn1j=0i2j=5.22id(2)查詢相關(guān)數(shù)據(jù)手冊便可知每一種型號(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)手冊可知，每一段的正常工作電流為

5、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742

6、47 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?？梢?，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)。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。考慮到大功率數(shù)碼管每一段的工作

7、電流均比較大，因此，應(yīng)該對數(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 所示圖 3 三極管光耦放大驅(qū)動(dòng)電路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 6。它具

8、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?？芍苯域?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，每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 2.7 k 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

9、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 50 v 的電壓 7，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?？梢?，采用圖 4 所示的 mc1413驅(qū)動(dòng)電路

10、，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。圖 4 采用 mc1413的驅(qū)動(dòng)電路 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)實(shí)驗(yàn)測試，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)實(shí)驗(yàn)測試，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。參考文獻(xiàn)1康華光 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分m. 北京 : 高等教育出版社， 2002.2郝云芳 , 郭濤 . 簡單實(shí)用的高精度倒計(jì)牌設(shè)計(jì)j . 電子元器件應(yīng)用 ,2007(8):4550.3李毅梅 . 實(shí)用按鈕控制倒計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)j . 電子元器件應(yīng)