BJT 驱动 LED - 高于还是低于?

电器工程 引领 bjt
2022-01-23 00:55:26

我会坦率地承认,在电子产品方面我主要是数字化的,所以可能有助于解释我的困惑(或者只是普遍的无能)。

我收到了有关设计的评论反馈,而一直困扰我的一件事是,在 LED 下方放置 BJT 一直被标记为“错误”。这是一个主要问题还是只是一个惯例,还是审稿人只是烦人?

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

注意:电路是草图,忽略实际零件编号或值。

3个回答

这里的显着区别是电流的去向。

使用 BJT,它不仅仅是“像一个开关一样”——那是你在高层次上看到的最终结果,而不是它实际上做了什么。

实际发生的情况是您将电流施加到基极,然后流过晶体管并从发射极流出到地。同时,它允许更多的电流从集电极向下通过发射极流到地。

带IB、IE和IC的NPN和PNP晶体管图

我们将这两个电流分别称为基极和集电极电流\$I_B\$\$I_C\$

在此处输入图像描述

所以在左边的原理图中,\$I_B\$流过基极电阻,然后是 BJT,然后到地。 \$I_C\$流过 LED 的电阻器和 LED,然后是 BJT,然后接地。 \$I_B\$仅由基极电阻设置。

但是,在第二个电路中,\$I_B\$流过基极电阻,流过 BJT,然后流过 LED 的电阻和 LED。 \$I_C\$也流过 BJT,然后流过 LED 的电阻器和 LED。因此 LED 及其电阻器同时获得\$I_B\$\$I_C\$

因此,电流\$I_B\$由基极电阻和 LED 的电阻以及 LED 两端的电压降设置。此外,LED 电阻上的电压降不仅来自\$I_C\$,而且来自\$I_B\$\$I_C\$ 的组合。

哪个更好?虽然左手电路更容易理解,但右手电路确实有一些优势。在原理图中,基极电流\$I_B\$由两个电阻器设置,可以移除其中一个(基极电阻器),只在电路中使用一个电阻器来限制基极电流和 LED当前的。这可以节省零件,如果您的设计中有很多这样的电路,那么零件的减少很快就会加起来。

如果你的唯一目标是让 LED 发光,那么左边的电路就完美了。原因是因为改变晶体管状态所需的电压非常低 - 通常约为 0.7 V。但是,问题是当晶体管打开时,您的 LED 现在处于“高”电位(称为“高-侧”配置)。所以发生的情况是,如果你不小心将 LED 的阴极短路到地,那么它会立即绕过晶体管并倾倒整个设备的全部电压。如果您的 LED 被封装在某个塑料盒或其他东西中,这是完全可以避免的,但如果用户可以自由操作该东西(例如,如果您的外壳是金属盒),则这是一个非常糟糕的主意。我亲自研究过 LED 非常昂贵且需要避免这个确切问题的应用。

另一种选择是右边的电路。这称为“低端”配置。这样可以避免设备意外与其他金属物体短路时对设备造成任何潜在损坏。然而,权衡是现在基极电压需要变得非常高,以便将晶​​体管的状态从开路更改为短路。请记住,从基极到发射极的电压需要为 0.7 V。但如果当电流流动时发射极电压为 5 V,那么您的基极需要达到 5.5 V。这使得快速转换非常困难。

通常这些问题不是很严重,任何一种配置都有效。但是,在某些情况下,两者都不是很有效。例如,如果需要快速转换,并且需要保护 LED 以防止意外短路。然后您需要使用一些更复杂的变体,例如使用高端 PNP 而不是 NPN。但我们不需要谈论这个,除非你想听。

这两种技术都有优点和缺点。还有一种特殊情况,右手电路具有显着优势。

左侧电路:输入端的逻辑高电平导致集电极的逻辑低电平,从而打开 LED。晶体管充当逆变器,如果集电极正在驱动电路的另一部分(除了 LED),这可能很有用。

优点:

1) 以低控制电压开启。基本上,任何大于 Vbe 的电压(使用合适的限流电阻)。

2) 晶体管饱和。这导致晶体管产生的热量最小 - 如果负载电流很高,这可能很重要。

3) 操作 LED 的电源电压可以是与逻辑电压不同的值。这在使用更高、未调节的电源运行 LED 时通常很有用。


右侧电路:逻辑高电平打开 LED。但是,该电路用作射极跟随器。这有一些后果。

只要晶体管集电极的电压等于或高于芯片逻辑 HI 电压,通过 LED 的电流大约等于 (V logic HI) - Vled - 晶体管 Vbe 压降 - (基极上的微小压降电阻)全部除以 LED 限流电阻。请注意,只要确保晶体管集电极上的电压始终等于或大于 V 逻辑电源,此应用中就不需要基极电阻。

请注意,在计算该电阻器的值时,必须考虑 LED 限流电阻器两端的电压降低。

缺点:集电极上的电源电压必须显着高于 Vled 和 V 逻辑 HI 的总和。这特别禁止该电路与低压逻辑一起使用。

在一个特定的应用中,我更喜欢使用发射极跟随器配置来驱动 LED。如果您仔细观察射极跟随器配置,您可以将其视为恒流吸收器。假设芯片的输出电压始终达到 V 逻辑 HI(CMOS 输出级),您可以仅使用发射极电阻器将 LED 电流设置为所需的任何值。请注意,即使晶体管集电极电压明显高于 V 逻辑,该电流也不会发生明显变化。

这在使用非稳压电源驱动 LED 时很有用。例如,假设输入线路电压变化为正负 20%,则从带有桥式整流器和滤波帽的 12Vac 变压器衍生的直流电源将具有 12Vdc 至约 20Vdc 之间的输出电压。

我使用 5Vdc 轨运行我的 PIC 项目,未调节的电源电压范围从 12V 到大约 40Vdc。PIC 电源很小——只有几毫安。我用非稳压电源为电路中的所有 LED 和继电器供电。使用射极跟随器 LED 驱动器可将 PIC 电源电流保持在所需的最小值,在电源电压变化时保持 LED 亮度恒定。