NPN + LED
小信号控制大电流。
用较小的基极电流控制LED电流。
- NPN · NPN 型晶体管
- n-type / p-type / n-type. N–P–N 表示三个半导体区域:n 型、p 型、n 型。n 型的多数载流子是电子,p 型的是空穴。这里用小基极电流控制 LED 电流。
- LED · 发光二极管
- Light-emitting diode. 正向电流流过时会发光的半导体元件。在本电路中,电阻负责限制电流。
实验台
改变电路设置,预测读数,再检查挑战结果。这些是教学模型,每课都会说明模型的假设。
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两条电流路径。
简化NPN:增益100,VBE 0.7 V,饱和VCE 0.2 V,LED 2 V。这些是模型假设。
基极电流经过Rb和B–E;集电极电流经过Rc、LED和C–E。饱和时Rc限制电流。
难度
搭建 · 点亮
开启电源和基极信号。LED电流为5–20 mA。
需要提示?
Rb = 10 kΩ,Rc = 330 Ω。
探索 · 熄灭
保持电源开启,关闭基极信号。LED电流应为零。
需要提示?
基极驱动在5 V和0 V之间切换。
独立解题 · 高效控制
打开信号:达到饱和,LED为8–12 mA,基极≤0.20 mA。
需要提示?
Rb = 33 kΩ,Rc = 330 Ω。实际设计需为增益变化留出余量。
延伸阅读与电路配方
小信号,独立的功率路径
NPN 晶体管的小基极电流可以控制集电极电流。LED 的能量来自电源。基极信号控制能量的路径,并不创造能量。这就是电子控制的起点。
Ib ≈ (Vin − 0.7) / Rb; Ic ≤ (5 − 2 − 0.2) / Rc
Rb = 10 kΩ 时,基极电流约 0.43 mA。Rc = 330 Ω 将饱和 LED 电流限制在约 8.48 mA。模型的集电极—发射极电压约为 0.2 V。
增益不是保证
模型在放大区使用增益 100。真实增益随器件、电流和温度变化,可靠的开关设计需要裕量。
输入再大也不再有效
饱和后,LED 电流主要由电源和串联电阻决定。继续增大基极电流,不会始终得到其 100 倍的 LED 电流。
地是共同参考点
独立信号源需要与开关电路建立正确的公共参考。否则,“输入 5 V”对晶体管可能毫无意义。
值得避开的误区
电机或继电器不只是更大的 LED。感性负载关断时可能产生高压,驱动器需要合适的续流保护和电流额定值。本实验不模拟这种保护。
晶体管已经饱和。减小 Rb 后,LED 电流……
- 一定加倍
- 主要受 Rc 限制
- 变为零
延伸阅读
基极电流增加,但 Rc 和可用电压已经限制了集电极电流。
信号控制指示灯
关闭再打开基极信号,观察两路电流。
约 0.43 mA 控制约 8.48 mA。两路电流走不同的路径。
驱动更小,亮度相同?
保持 Rc 不变,减小基极电流。
在增益为 100 的理想模型中,约 0.091 mA 仍可使其饱和。真实开关电路不保证如此。