LED de multiplexación

Si Q1 y Q2 están saturados cuando están encendidos, la caída de voltaje en R1 se estima en 5V-3V-2*.2V = 1.6V. Entonces, su corriente ahora, asumiendo que Q1 / Q2 está completamente encendido, es 1.6V / 47 ohmios = 34 mA. (¡Confirme cuál es la corriente máxima para su LED, ya que es posible que ya esté más allá de la clasificación máxima!)

Si tiene una opción de LED que puede funcionar más brillante con una corriente más alta, aquí hay algunas opciones:

R1 inferior. Esta es una opción obvia dado el cálculo anterior. Aumentará la sensibilidad a la temperatura a medida que R1 se haga más pequeño.

Confirme que Q1 y Q2 estén completamente saturados cuando estén encendidos. Mida la caída de voltaje del colector al emisor cuando está encendido, si está saturado, la caída debería estar más cerca de 0.2V. Si es significativamente mayor, reduzca R2 y R3 para aumentar la corriente base en consecuencia. Si opera en un amplio rango de temperatura, querrá ir más allá del valor umbral que satura el transistor para permitir la variación de Beta frente a la temperatura (así como la variación frente al dispositivo). Si está limitado por Beta, considere usar transistores de par Darlington.

Cambie el color del LED: 3V sugiere que está usando un LED azul. Los LED rojos generalmente caen 1.8V, lo que le brinda más espacio para una corriente más alta. La caída de tensión en un LED se predice a partir de hc/lambda, donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz y lambda es la longitud de onda del LED. A medida que la longitud de onda disminuye, la caída de voltaje aumenta.

Déjame detallar lo que percibo al leerte:

• Sabe que desea usar LED y cree que estos LED requerirán aproximadamente$3\:\text{V}$para operar (o más, quizás, pero probablemente no menos). Esta idea de "operación" no es precisa, ya que no ha proporcionado un LED específico para considerar ni qué tan brillante debe aparecer cuando se opera. Etc. Pero al menos este es un objetivo vago .
• Quiere operar el multiplexado como "por 16" y con un promedio efectivo de$4\:\text{mA}$. El ojo humano es complejo y, como resultado, las frecuencias de pulsación tienen un impacto en la sensibilidad aparente. Los LED también tienen sus propias complejidades de emisión cuando se pulsan con corrientes una década o más por encima de su promedio. Pero suponiendo que tenga la tasa de multiplexación correcta y que también podamos ignorar los aspectos no lineales de los LED, entonces una regla simple podría ser "suficientemente buena" por ahora. Es decir, planee operar los LED a un nivel de al menos 16X o$16\cdot 4\:\text{mA}=64\:\text{mA}$cima. Esto, por supuesto, implicará un requisito de voltaje aún mayor para cada LED activo, que actualmente tampoco se establece y se desconoce, pero al menos debe reconocerse.
• Dado que se trata de multiplexación x16 (llamemos a cada uno de estos una "fila", y tiene hasta 32 LED (llamémoslos a cada uno de estos una "columna") habilitados por fila (menos está bien, por supuesto), entonces esto significa que cada uno de los 32 controladores de columna (ya sea que estén dispuestos en el lado alto o bajo) limitará la corriente a solo$64\:\text{mA}$. Pero cada interruptor de encendido/apagado del controlador de fila tendrá que admitir la corriente de hasta 32 columnas LED encendidas al mismo tiempo. eso depende de$2\:\text{A}$para cada cambio de fila!!!

Teniendo en cuenta lo anterior por un momento, creo que debe planificar al menos$300\:\text{mV}$sobrecarga para el interruptor BJT en un lado. En$2\:\text{A}$, Podría argumentar aún más si esto fuera solo partes de la caja de chatarra. Pero hay BJT que pueden hacerlo con incluso menos, así que sigamos con ese número para hacer un cálculo rápido de la parte posterior del sobre para ver si estamos en el estadio de béisbol correcto. Dado que me gustaría recomendarle que use una topología de limitador de corriente para cada columna (para que pueda evitar el uso de resistencias de 512 LED; una para cada una, si eso era lo que pensaba), este limitador probablemente requerirá$1.4-1.5\:\text{V}$de su propia. Si también se da cuenta de que operar los LED en$64\:\text{mA}$(más o menos) significará que requerirán algo más que$3\:\text{V}$, entonces creo que puedes ver por qué tener un$5\:\text{V}$el riel de suministro comienza a verse un poco apretado. Sin embargo, aunque creo que es ajustado, también creo que puede lograrse. Entonces, para un cálculo general, diría que las cosas están un poco apretadas y que podría haber problemas... pero si se aplica cuidado y reflexión y se toman algunas decisiones juiciosas, entonces podría ser factible y funcionar satisfactoriamente. para ti.

Entonces, primero echemos un vistazo a un interruptor de fila típico. En este caso hablo de una de las 16 filas que necesitan operar con un cumplimiento de corriente de hasta$2\:\text{A}$:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Intencionalmente he tratado de mantener esto sin complicaciones para los BJT, en la medida de lo posible. Para hacer eso, he decidido hacer$Q_{r_A}$operar como un seguidor de emisor y no en saturación, lo que habría hecho que la unidad base fuera un problema grave. Operar como emisor-seguidor significa que podemos confiar en el más completo$\beta$valor del BJT y esto disminuye en gran medida la corriente requerida necesaria para operarlo. Aquí, supongo que$\beta\ge 100$es una suposición aceptable para$Q_{r_A}$.

Un problema serio con la topología anterior es que requiere que el colector de$Q_{r_A}$estar por encima del voltaje base, cuando está activado. Si todo lo que tienes se está escapando de un solo$5\:\text{V}$suministro, entonces esto no va a funcionar. Y creo que tienes claro que todo se está escapando de una sola$5\:\text{V}$suministrar.

Si, en cambio, convertimos$Q_{r_A}$para tener que actuar como un interruptor saturado en lugar de operar como un seguidor de emisor, entonces estaríamos atascados necesitando una corriente base de aproximadamente$20\:\text{mA}$. Eso no va a volar bien.

Por lo tanto, siguiendo con los BJT, un enfoque es utilizar la configuración de Darlington para reducir aún más el requisito de cumplimiento actual de pines de E/S. Para lograr esto, agregue otro BJT de la siguiente manera:

^{simular este circuito}

Como puedes ver, se ha vuelto un poco más complicado. Pero al menos debería funcionar bien. Ha escrito que no puede obtener FET, por lo que este sería un enfoque que usa solo BJT.

El diseño es el siguiente:

1. La corriente de cumplimiento máxima para$Q_{r_B}$es$2\:\text{A}$. Como debe operar como un interruptor, debemos suponer que$\beta\le 10$. (O tal vez$\beta\le 15$, pero esto es solo una cuestión de con qué te sientas cómodo). Esto significa que la corriente base para$Q_{r_B}$es sobre$200\:\text{mA}$.
2. La siguiente pregunta será sobre la disipación para$Q_{r_B}$. Dado que la corriente del colector es tan alta, todo esto depende de la$V_{\text{CE}_\text{SAT}}$. Podría estar en cualquier lugar desde aproximadamente$50\:\text{mV}$para un D45H11 (paquete grande TO-220) para quizás$600\:\text{mV}$para alguna pequeña señal BJT como un 2N3906. Básicamente, creo que esto significa que buscará un dispositivo empaquetado TO-220 aquí. Así que vamos con el D45H11 en empaque TO-220, por ahora.
3. El voltaje base-emisor para el D45H11 será del orden de aproximadamente$800\:\text{mV}$(Lo aumentaré un poco para estar más seguro). Suponiendo que$Q_{r_C}$está saturado cuando está encendido , tenemos que calcular que el voltaje del colector para$Q_{r_A}$será sobre$1\:\text{V}$. Entonces a partir de esto podemos calcular$R_{r_\text{LIMIT}}\approx \frac{5\:\text{V}-1\:\text{V}-850\:\text{mV}}{200\:\text{mA}}\approx 15\:\Omega$.
4. Para que el divisor sea "rígido" con respecto a la corriente base requerida para$Q_{r_C}$, la corriente del divisor debe ser de aproximadamente$2\:\text{mA}$. (Alrededor de 10 veces la corriente base requerida). Suponiendo una salida de pin de E/S ligeramente cargada de aproximadamente$4.8\:\text{V}$, eso$R_{r_2}\approx \frac{4.8\:\text{V}-850\:\text{mV}-650\:\text{mV}}{2\:\text{mA}}\approx 1.5\:\text{k}\Omega$y$R_{r_1}\approx \frac{850\:\text{mV}+650\:\text{mV}}{2\:\text{mA}-200\:\mu\text{A}}\approx 820\:\Omega$.

Este sería el conductor de la fila del lado alto. Ahora, el controlador limitador de corriente del lado bajo podría tener el siguiente aspecto:

^{simular este circuito}

En este caso, habilita tantas de estas columnas como sea apropiado (hasta las 32) cuando se activa una fila.

Por lo tanto, los dispositivos '595 admiten 32 bits de columna y se programan con una palabra de 32 bits antes de activar una de las filas del lado alto. Luego, mantiene presionada la fila activada durante el período apropiado y la apaga nuevamente. Vuelva a programar la cadena '595 para los siguientes 32 bits de columna y luego active la siguiente fila en secuencia.

Algo así, de todos modos.

Quedan preguntas sobre el uso de un 74LS595 (no indica la familia). La familia LS (que todavía no se encuentra con poca frecuencia en la actualidad) está especificada para obtener$400\:\mu\text{A}$y tal vez hundirse tanto como$8\:\text{mA}$. Al abastecerse, el voltaje de salida será quizás$3.6\:\text{V}$, no la$4.8-5\:\text{V}$Supuse en el circuito anterior. Entonces, el valor de una de las resistencias que di ya es incorrecto (sin embargo, lo estaba sobrecargando, suponiendo que el cumplimiento de la corriente de la unidad de salida fuera de más de$1\:\text{mA}$.) La otra parte de la pregunta es si$400\:\mu\text{A}$es suficiente. Puede ser. Pero$\frac{64\:\text{mA}}{\beta\ge 100}=640\:\mu\text{A}$y eso es quizás un problema. Si asumes la$\beta$es más alto que el que está en funcionamiento, probablemente pueda arreglárselas.

Pero esta será una pregunta para que usted se preocupe. Es posible que necesite una resistencia pull-up para ayudar a la salida cuando HI (la corriente agregada de esta resistencia se hundirá, cuando LO, pero la salida baja probablemente pueda manejar la adición si tiene cuidado al calcular el valor de la resistencia pull-up).

Una versión modificada del límite actual es entonces:

^{simular este circuito}

Para esto calculé$\frac{3.6\:\text{V}-1.5\:\text{V}}{400\:\mu\text{A}}\approx 5.6\:\text{k}\Omega$.

En resumen, creo que su situación es un poco apretada pero que puede ser viable.

El D45H11 (o su complemento, el D44H11, si invierte los arreglos de lado alto frente a lado bajo) presentará un nivel bastante bajo.$V_{\text{CE}_\text{SAT}}$cuando se opera como un interruptor (quizás$100\:\text{mV}$o incluso un poco menos) y puede manejar fácilmente el cumplimiento y la disipación de corriente requeridos (que serán bastante bajos y probablemente apenas por encima de la temperatura ambiente al tacto). Ciertamente puede seleccionar otra cosa, pero es casi seguro que no será una señal pequeña dispositivo ( no cualquier cosa empaquetada en un TO-92). Debido a las corrientes de cumplimiento requeridas, el circuito de control base es más complejo, lo que da como resultado el uso de un total de tres BJT. También el$15\:\Omega$resistencia tendrá que soportar al menos$1\:\text{W}$, que ya es grande, y podría tener mejores especificaciones al doble de eso o$2\:\text{W}$solo para estar absolutamente seguro. Entonces, esta parte del circuito tendrá al menos dos partes grandes. (En el lado algo afortunado, solo tienes 16 de estos y eso es mejor que si fueran 32).

El circuito de regulación de corriente requerirá alrededor de$1.5-1.6\:\text{V}$de gastos generales, también. Debido a que la corriente del colector y$V_{\text{CE}_\text{SAT}}$será lo suficientemente bajo para un dispositivo de señal pequeño empaquetado en TO-92, puede usar dispositivos BJT más pequeños aquí. Además, ninguna de las resistencias se disipa mucho, por lo que también pueden ser pequeñas.

Al hacer una limitación de corriente activa en cada columna, en lugar de usar una resistencia para cada LED, usa 32 circuitos limitadores de corriente en lugar de 32 circuitos de conmutación más 16 veces 32 o 512 resistencias. Considero que los circuitos de límite de corriente son solo un poco más complejos y valen la pena para salvar todas esas resistencias.

En conjunto, creo que puede esperar ver tanto como alrededor$1.6-1.7\:\text{V}$caída en el circuito que rodea cualquier LED en particular, dejando hasta $3.4-3.5\:\text{V}$para el propio LED. Esto podría ser suficiente para ti. Pero sin las especificaciones LED, es difícil saberlo con certeza. Pero al menos tiene una idea de qué buscar en su LED cuando opera a aproximadamente$65\:\text{mA}$.

Acabo de probar una prueba completa de 512 LED en LTSpice, con comportamiento de multiplexación incluido (puedo proporcionar la lista de conexiones, si es necesario, pero es larga). Parece funcionar como se indicó anteriormente. Así que estoy feliz ahora.

(En el diagrama anterior, he usado símbolos convenientes (existentes) de la biblioteca LTSpice en lugar de desarrollar diagramas personalizados. Esto significa que podría ver un símbolo de "tubo de vacío de tetrodo" en el esquema, por ejemplo. Pero la única razón es que fue conveniente. Escribí "subrutinas" SUBCKT cortas para aquellos que replican el circuito BJT. Por lo tanto, sigue siendo un circuito BJT incluso si la imagen parece un poco extraña).