了解三极管三个工作区域及NPN三极管驱动LED电路图

一、预备知识

了解三极管的三个工作区域，截止区，放大区和饱和区。

• 截止区：三极管工作在截止状态，当发射结电压$U_{be}$小于0.6~0.7V的导通电压，发射结没有导通，集电结处于反向偏置，没有放大作用。（发射结和集电结都反偏）
• 放大区：三极管的发射结加正向电压（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），集电结加反向电压导通后，$Ib$控制$Ic$，$Ic$与$Ib$近似于线性关系，在基极加上一个小信号电流，引起集电极大的信号电流输出。（发射结正偏，集电结反偏）
• 饱和区：当三极管的集电结电流$Ic$增大到一定程度时，再增大$Ib$，$Ic$也不会增大，超出了放大区，进入了饱和区。（发射结和集电结都正偏）

二、问题描述

问：如下是一个三极管开关电路，用来驱动LED，电源电压5V，LED1的正向压降是1V，驱动电流20mA，所以R2为200Ω，B极驱动信号是MCU的一个GPIO，高电平输出2.8V，低电平输出0V，求R1的阻值？

NPN三极管驱动LED电路图

三、如何解决

1. 解法1

题目中没有指定三极管型号，可选数字三极管，数字三极管也称带阻三极管，顾名思义，内部自带电阻，常用来做电子开关，功能等同反相器。

数字三极管功能电路图

下图是DTC123YM型号数字三极管电气参数，开启电压，最大不超过3V，输入2.8V符合要求；关闭电压最小是0.3V，我们MCU GPIO低电平输出是0V，符合要求。R1不用计算，选择0R，充当导线即可。

为什么选择数字三极管？

• 使用简单，不用考虑基极电阻大小。
• 近似开关，导通压降极低，下图中典型值仅0.1V，最大是0.3V。

 

DTC123YM电气特性

2. 解法2

使用一般的三极管，如常见的S8050，LED关闭的时候，S8050工作在截止状态，LED亮的时候，S8050工作在什么状态呢？从S8050的输出特性曲线来看，应该是饱和区，饱和区$Vce$的值比较小，开关电路当然需要开关两端的压差越小越好。

LED的驱动电流为$I_C=20mA$，$I_C=20mA$时，从下图可以看出，$I_B=85uA$左右，排除饱和压降，可计算$R1=（2.8-0.7）/85uA=24.7K$

S8050输出特性曲线

根据以上计算，有三个误差：

• 第1个是电阻误差，电阻有5%精度和1%精度；
• 第2个是集电结开启电压的误差，不一定是0.7V；
• 第3个是饱和压降，没有计算进去；

对驱动不同器件来说：

• 驱动LED： 电流越大，LED越亮，但是不能超过最大值，否则LED会损坏或寿命骤减。
• 驱动继电器： 根据线圈内阻和电源电压可计算出驱动电流，依照电流设计即可，网上会有经验公式，为了继电器的有效吸合，会将基极电阻减小一倍，来达到有效吸合，实际运用中，如果有条件，可以实际测试。

四、小结一下

从解法1和解法2，明显可以得出，解法1更方便，选择一个合适的数字三极管即可，不用考虑基极电阻。解法2可以理论与实践相结合，需要考虑的点比较多，相对比较复杂一点，推荐使用数字三极管。
编辑：hfy