3.7.Электрический расчет драйверов сид-дисплея

В задании на курсовой расчет для построения индикаторного устройства рекомендуется использовать одноразрядные СИД-индикаторы двух типов: с общим катодом (ОК) и с общим анодом (ОА). Электрические схемы этих типов индикаторов приведены на рис. 3.10, а, б, условное графическое изображение (УГО) – на рис. 3.10 в.

Электрические эквивалентные схемы управления СИД-индикаторами с ОК и ОА представлены на рис. 3.11, а и б соответственно.

а	б	в
Рис. 3.23. Электрические схемы и УГО 7-сегментных СИД-индикаторов

В цепи каждого светодиода (сегмента) включен ключ (K1…K7), который замыкается в соответствии с кодом индикатора, который должен быть высвечен на конкретном разряде. Резисторы R1, …, R7 используются для задания величины тока нормального свечения каждого сегмента СИД-индикатора. Нужный разряд индикатора выбирается ключом K8.

а

б

Рис. 3.24. Эквивалентные электрические схемы включения СИД-индикаторов ОА и ОК

Различие схем управления СИД-индикаторами ОА и ОК состоит в особенностях работы ключей. Ключи K1, …, K7 в схеме ОА должны управлять втекающим током одного сегмента, а одноименные ключи в схеме ОК – вытекающим током одного сегмента.

Ключ K8 должен управлять суммарным током сегментов в обоих вариантах от нулевого уровня (СИД-индикатор выключен) до I_sb + I_sc (код единицы) и I_sa + I_sb + I_sc + I_sd + I_se + I_sf + I_sg (код восьмерки), но с учетом особенностей включения. Расчет ключей K8 необходимо выполнять на максимальный код, соответствующий коду включения всех сегментов. Приведем пример расчета схемы 4-разрядного СИД-индикатора для вариантов, представленных в табл. 3.2. Таблица взята из материалов, рекомендуемых для курсового расчета и размещенных на компакт-диске.

Как видно из табл. 3.2, ток нормального свечения индикаторов (I_F) ОК и ОА одинаков и составляет 20 мA. Для динамического режима работы приборов ток, обеспечивающий такую же яркость в импульсном режиме, должен быть в Q раз больше (Q – скважность).

Таблица 3.5. Пример СИД-индикаторов, рекомендуемых для расчета

Тип	Общий	I		IF тип (мА)	VF тип (В)	Цвет	Фирма
		(lum)	(mcd)
HDSP-7501	Анод	5,4		20	2,0	red	Hewlett Packard
HDSP-7503	Катод	5,4		20	2,0	red	Hewlett Packard

Таким образом, получаем I_s = I_Fимп = I_F  Q = 20  4 = 80 мА, I_sum = = 80  7 = 560 мА. Током I_s должны управлять ключи K1, …, K7, а током I_sum  ключ K8.

Для реализации ключей K1, …, K8 могут быть применены интегральные микросхемы и транзисторы. Для транзисторного варианта на рис. 3.12 представлена электрическая схема одного разряда СИД-индикатора с ОК.

Как указывалось выше, импульсный ток зажигания одного сегмента СИД-индикатора I_s = 80 мА. На такой импульсный ток коллектора должны быть выбраны транзисторы VT1…VT7. Коллекторный ток транзистора VT8, управляющего включением одного разряда СИД-дисплея, I_sum = = 560 мА.

Рис. 3.25. Электрическая схема управления одним разрядом СИД-индикатора с ОК

Рассмотрим выбор транзисторов VT1...VT7. Воспользуемся справочником по электронным компонентам, который поставляется на компакт-диске дисциплины. Для доступа к справочнику необходимо зайти в каталог «СправочникПоППприборам\V1» и запустить программу inquiry.exe. После воспроизведения рекламного ролика выводится стартовое окно выбора основных параметров транзисторов.

Необходимо установить отметки выбора в полях: «Малая мощность (до 0,3 Вт)», «Проводимость (p–n–p)», «Граничная частота (от 30 мГц до 300 МГц)», «Обычные транзисторы» и нажать «Вывод». На экране появится список транзисторов, удовлетворяющих выбранным условиям. Следует отклонить сразу германиевые транзисторы и обратить внимание на те из кремниевых, которые предназначены для работы в импульсном режиме (у этих транзисторов столбец I_{К, и макс} не пуст). При выборе обращать внимание на то, чтобы запас по току коллектора не был бы очень большой. Для данного варианта можно предложить использовать транзисторы типа KT3107, параметры различных модификаций которых приведены в табл. 3.3.

Все транзисторы типа КТ3107 подходят по току коллектора, различия заключаются в коэффициенте h21э. Остановимся на транзисторе КТ3107Г. Транзистор для управления разрядами СИД-индикатора может быть найден аналогично. Предлагается остановить выбор на транзисторе КТ603В (табл. 3.4).

Таблица 3.6. Некоторые параметры импульсных транзисторов типа КТ3107

Тип прибора	KT3107A	KT3107Б	KT3107Г	KT3107Г1	KT3107Ж
IК макс (мА)	100	100	100	100	100
IК, и макс (мА)	200	200	200	200	200
h21э	70…140	120…220	70…140	120…220	180…460
VКЭ нас (В)	0,5	0,5	0,5	0,2	0,5
fгр (мГц)	200	200	200	200	200
PК макс (мВт)	300	300	300	300	300

Таблица 3.7. Некоторые параметры импульсных транзисторов типов КТ603, 2Т603

Тип прибора	KT603A	KT603Б	KT603В	KT603Г	2T603Г
IК макс (мА)	300	300	300	300	300
IК, и макс (мА)	600	600	600	600	600
h21э	10…80	60	10…80	60	60…180
VКЭ нас (В)	1	1	1	1	0,8
fгр (мГц)	200	200	200	200	200
PК макс (мВт)	500	500	500	500	500

Имея параметры транзисторов VT1 и VT8 и предполагая, что они работают в режиме насыщения, можно вычислить значения резисторов:

R_i = (V_cc – V_КЭнасi – V_КЭнас8 – V_F) / I_s, где i = 1…7. (3.1)

Подставляя в (3.1) значения для выбранных транзисторов из табл. 3.2...3.4, получим величину 18,75 Ом, которую можно округлить до целого значения 18 Ом.

Величины резисторов R8…R14 следует вычислять из выражения

R_i = (V_cc – V_БЭнас1 – V_OL1) / I_Б1, I_Б1 = I_Кнас1 / h21э_мин, i = 8…14. (3.2)

Замечание. Обозначения параметров транзисторов взято из табл. 3.3, 3.4, а параметров микросхемы DD1.1  из [5].

В (3.2) предполагается использование одинаковых транзисторов для всех сегментов (VT1…VT7). Величина тока базы транзистора VT1 (I_Б1₎ подставляется для наихудшего варианта выбора транзистора (по параметру h21э), при условии, что режим насыщения еще будет сохранен.

Для обеспечения режима отсечки в базовой цепи VT1 должен быть дополнительно (относительно схемы рис. 3.11) введен ключ DD1.1. Назначение этого элемента  выключить сегмент A СИД-идикатора при нулевом значении управляющего кода. Для этого выходное напряжение ключа V_OH1 должно обеспечивать закрытое состояние транзистора VT1. Для кремневого транзистора V_БЭ в закрытом состоянии должно быть не более 0,7 В, т. е. V_OH1 ключа DD1.1 должна быть не менее 4,3 В. Таким образом, ключ DD1.1 может быть типа КМОП или ключом с открытым коллектором (в последнем случае на выходе необходимо устанавливать дополнительный «подтягивающий» резистор).

Для рассмотренного численного примера ток базы транзистора (3.2) должен быть I_Б1 = I_SA / h21э_мин = 80 / 70 = 1,14 мА. Ток I_OH1 = I_Б1 вместе с напряжением V_OH1 задают параметры для выбора типа ключа DD1.1. Наиболее просто сделать выбор с помощью [5, табл. П2.3]. Здесь можно найти несколько вариантов ключей, наиболее удобным из которых является ключ типа 561ЛН2 [5, с. 865], для которого имеем: V_OL = 0,4 и I_OH/V_OH = = 1,6 мА /4,6 В). Последняя запись означает, что ключ при выходном напряжении 4,6 В обеспечивает вытекающий ток 1,6 мА.

Замечание. Выбранный ключ – инвертирующий, таким образом, требуется программная инверсия кода при загрузке в регистр временного хранения данных (регистр 1 на рис. 3.11).

Подставляя параметры выбранного транзистора в выражение (3.2), получим R_i = 3,36 кОм, i = 8…14. Полученное значение следует округлить до 3,3 кОм.

Аналогично (3.2) может быть получено выражение тока I_Б8 и резистора R15

I_Б8 = I_sum / h21э_мин8, R15 = (V_OH3 – V_БЭнас8) / I_Б8. (3.3)

Подставляя из табл. 3.3 численные значения, получим I_Б8 = 56 мА. Ключ DD3 должен обеспечивать ток I_OH8 = I_Б8. Найти такие ключи весьма затруднительно. Выход может быть найден следующим образом:

1. Попытаться, если это возможно, уменьшить ток базы VT8. Для этого следует выбрать транзистор с большим значением h21э_мин, например КТ603Б (h21э_мин = 60). В данном случае ток базы уменьшится до 9,33 мА. Таким током базы может управлять ключ 1533АП26 [7, с. 852];

2. Использовать ключ с открытым коллектором, который имеет ток I_OL не менее требуемого значения тока базы. В этом случае ток базы I_Б8 должен задаваться дополнительным резистором, подключенным между открытым коллектором и источником питания, а ключ  переключать этот ток на себя в выключенном состоянии VT8. Такие ключи существуют, например 7439 [5], который имеет I_OLмакс = 80 мА.

Допустимо совместное использование решений по пп. 1 и 2. Остановимся на этом варианте. Схема включения транзистора VT8 будет иметь вид, показанный на рис. 3.13.

Рис. 3.26. Схема включения транзистора VT8

Принимаем VT8 типа КТ603Б, тогда I_Б = 9,33 мА, R15 + R16 = V_cc/I_Б8 =
= 537 Ом. Эту величину сопротивления следует разделить как R15 = 20 Ом и R16 = 510 Ом.

В задании на курсовой расчет в качестве БИС индикации (имеются в виду регистры 1 и 2 по схеме рис. 3.11) предложено использовать любой прибор (см. 2.7). Будем использовать для хранения 7-сегментного кода и стробов разрешения БИС 555ИР22. Функциональная схема устройства индикации приведена на рис. 3.14.

Генератор частоты сканирования может быть построен на свободном таймере прибора 8155. Требуемая для обновления регистров 1 и 2 ППОП должна запускаться с частотой F_scan = 200 Гц. При наличии тактовой частоты F_clk = 2 мГц для получения частоты F_scan необходим делитель частоты с модулем пересчета M_scan = F_clk / F_scan = 2  10⁶ / (2  10²) =10⁴.

Таймер прибора 8155 имеет коэффициент пересчета 2¹⁴, следовательно, он может быть использован для генерации запросов прерывания по входу R5.5 (вопросы программирования таймера рассмотрены в 6.4).

Поскольку вход прерывания R5.5 потенциальный, то для исключения повторного срабатывания ППОП на входной потенциал, равный «1», необходимо предусмотреть снятие его с входа R5.5 до окончания прерывания. Такое управление может быть создано с помощью D-триггера (DD6.1 на рис. 3.14), который устанавливается по входу С выходным сигналом переполнения таймера (D = 1) и сбрасывается по входу R сигналом, сформированным в ППОП.

В задании на курсовой расчет, как правило, указывается два типа СИД-индикаторов (зеленого и красного цвета). Часто эти индикаторы имеют разные токи сегментов.

Рис. 3.27. Функциональная схема устройства индикации (показан один разряд)

Чтобы учесть эту особенность для подключения двух разных индикаторов необходимо использовать различные резисторы (R1…R7 на схеме рис. 3.14) с разными номиналами, рассчитанными на разные токи сегментов.

Расчет транзисторов управления сегментами (VT1…VT7) следует выполнить на больший ток, подключенного СИД-индикатора, а транзисторы управления разрядами (VT8 и VT8’) использовать разные.