這篇文章將幫助您提高二進位時鐘的亮度。它還將指導您選擇組件，以在所有 LED 上提供一致的亮度，特別是在啟動其他 LED 段時。
在上一篇文章「設計二進位時鐘：了解多工的限制」中，我們探索了一種具有「最低限度足夠」顯示亮度的功能性二進位時鐘。該文章指出了多工顯示器在微控制器的電流處理方面的局限性以及由於多工過程本身導致的亮度降低。它將多工與脈寬調變（PWM）訊號進行了比較。 6 列 x 4 行 LED 矩陣中的每個 LED 開啟總時間的 1/6，相當於約 17% 的佔空比。此外，由於所選微控制器的限制，LED 電流被限制為 13mA。總之，這些限制提供了一個不太出色的顯示。
這一次，我們保留佔空比為 17% 的 6 列 x 4 行顯示器。為了提高亮度，我們將使用行和列驅動電晶體來增加 LED 的電流。我們將使用 40mA 脈衝電流，而不是 13mA。這種謹慎實施的方法使 LED 的電流比其連續電流高出約兩倍。結果如圖 1 所示，比原始設計有了顯著改進。這是透過適度增加電路複雜性來實現的，如圖 2 所示。
圖 1 ：高亮度二進位時鐘的圖片，採用多路 LED 以及列和行驅動器，顯示 01:35:46。
圖 2 ：用於多路顯示的列和行驅動器的電路圖。
是否可以透過增加電流來過度驅動 LED 以提高亮度嗎？
大多數 LED 有兩個額定電流。一種是連續電流，通常伴隨 25°C 的溫度規定。第二個額定值是較高的脈衝電流，通常適用於「閃爍」多工顯示器。
透過以更高的電流運行 LED，我們可以回收多工過程中損失的一些亮度。這可能是一個具有挑戰性的設計過程，因為可接受的操作與由於 LED 過熱而導致的不可靠性之間存在細微的界限。通常，多工 LED 可以在全額定連續電流下工作，甚至可能高出兩倍或三倍。
您必須仔細閱讀並理解規格書。對於大批量生產，您可能需要諮詢其中一個製造商的應用工程師。對於本文中介紹的一次性實驗，請將其視為學習機會，看看它會帶您做什麼。
改進了列和行驅動晶體管的設計
在上一篇文章中，我們使用了 PNP 電晶體列驅動器。這些電晶體會將一組共陽極 LED 拉至正極電源軌。然後，各行由微控制器直接驅動。微控制器將陰極拉向地，完成電路以打開 LED。在此配置中，微控制器吸收電流的能力是限制因素。解決方案是同時使用行和列驅動電晶體。
技術提示：此應用中的行和列電晶體用作開關。完全導通電晶體非常重要，這樣才能對 LED 施加最大電壓。對於「全導通」狀態，電晶體被驅動至飽和狀態（閉合開關）。實現此目的的一種方法是將電路配置為強制 Beta 狀態。這可以透過假設 I_C =10I_B. 選擇電阻器來完成。這通常足以（但並不總是足以）使晶體管進入飽和狀態。請參閱文章正文以了解例外情況。
有關晶體管飽和及強制 beta 工作點的更多資訊可在這文章中找到。它探討了強制 beta 的電阻器計算以及較高集電極電流的複雜性。
由於增加電流而使電晶體飽和的複雜性
最初，我計劃保留上一篇文章中介紹的 2N3906 PNP 列驅動器。這種方法有效，但當任意給定列中的多個 LED 被啟動時，LED 亮度會變暗。審查表明電阻計算是正確的。進一步調查表明，2N3906 不適合較高電流操作。
問題是在較高電流下增益降低。回想一下，電阻是為強制 beta 操作而選擇的。透過這種配置，選擇電阻器使得基極電流是集極電流的十分之一。這項規定通常會使電晶體進入飽和狀態。不幸的是，2N3906 的情況並非如此。我要求它在其範圍之外運作。
與許多電晶體一樣，2N3906 規格書（以 onsemi 為例） 顯示了各種集電極電流下的電流增益。應該引起我注意的一個數據點是，集電極電流為 100mA 時，直流增益為 30（最少）。與我們選擇的強制 beta 的 10 相比，這並沒有留下太多的空間。但是，當單列中的所有 LED 都啟動時，對於所選的 160mA 來說，情況會變得更糟。
圖 3 顯示了電晶體的歸一化增益與集電極電流的函數關係。I_C =10mA 、溫度為 25°C 時，我們看到峰值為 1.0，增益近似為 100。觀察增益顯著下降。事實上，當 4 個 LED 處於活動狀態時，160mA 時的增益低於我們選擇的強制 Beta。電晶體不是處於飽和狀態，而是在其線性範圍內工作。增加的（非飽和） V_{CE} 壓降表現為 LED 變暗。每列有一個 LED 時，顯示器很亮，但隨著更多 LED 被激活，顯示器會逐漸變暗。
圖 3：圖表顯示，隨著 LED 數量的增加，電晶體直流增益顯著降低。
為多工顯示選擇合適的大電流電晶體
解決方案是選擇更適合應用的電晶體。下一個方便使用的電晶體是 MPSA56。這是一個不錯的選擇，因為對於 100mA 的集電極電流，此電晶體的最小增益為 100，而原始 2N3906 的增益為 30。透過此更改，所有顯示數字的 LED 亮度都保持一致。
接下來，我們考慮 LED 的電流限制。這是透過每行的串聯電阻（R11 至 R14）控制的。此電阻是在假設 LED 上施加滿 5VDC 電壓的情況下計算的。我們將使用 40mA 電流，該電流大約是 LED 連續電流額定值的兩倍。如前所述，我們處於灰色地帶。電流增加可能會導致 LED 壽命縮短。
R_{LED} = \dfrac{V_{Supply} – V_{LED}}{I_{LED}} = \dfrac{5.0 – 2.3}{0.040} \approx 68\, \Omega
我們可以計算列驅動器的電阻。我們假設 I_{LED} = 40 mA 的強制 beta 條件來執行此操作。另請注意，在任何給定時間最多可驅動 4 個 LED，從而產生 160mA 的集電極電流：
R_{ColumnDrive} = \dfrac{V_{Supply} – V_{BE}}{I_{B_ColumnDrive}} = \dfrac{5.0 – 0.9}{0.016} \approx 220\, \Omega
最後，我們計算行驅動電晶體的基極電阻：
R_{RowDrive} = \dfrac{V_{Supply} – V_{BE}}{I_{B_RowDrive}} = \dfrac{5.0 – 0.8}{0.004} \approx 1\, k\Omega
計算出的行驅動器基極電阻降低至 680ohm，以使電晶體進一步飽和。這使 V_{CE} 降低了大約 0.5VDC。這是一個輕微但明顯的改變。
完結前的感想
增加列驅動器和行驅動器減輕了微控制器的低電流能力。結果是增加了顯示亮度，同時電路複雜度略有增加。
使用高於連續額定值的脈衝電流操作 LED 時，請務必仔細閱讀規格書規格。增加顯示器亮度和燒毀 LED 之間是十分細微的分隔。
請分享您的專案結果，特別是如果您能夠融入這些想法。