使用三极管提高单片机IO口驱动LED的能力的设计

2万 · 2022-3-6 23:10

学过单片机应该都知道。单片机的IO口可以输出三种状态：高电平、低电平、高阻。一般不同封装和颜色的驱动电压和电流都有些许差异，具体要参照使用LED的规格书。这里演示为2V/20mA就可额定工作条件的LED。

那么利用IO口的低电平状态可以设计如图方式1的驱动LED方法（这个也是不用三极管情况下常用的方式），利用IO口的高电平状态可以设计如图方式2的驱动LED方式。

那么大家实际搭好电路和载入驱动程序后，方式1可以完美运行，但是方式2的灯却不能亮。为什么呢?这就要引入灌电流和拉电流的概念来解释了。

1、灌电流：图中第（1）个连接方式中，单片机输出低电平时，电流方向由外部进入单片机，称为灌电流，电流由外部电源提供。
2、拉电流：图中第（2）个连接方式中，单片机输出高电平时，电流方向由单片机输出到外部，称为拉电流，电流由单片机提供，可理解为“外部元件从单片机取电”。

如果你查看单片机的规格书，你会发现IO口允许外部灌入电流可以达到几十mA，但是对所有IO口合计的总灌入电流是有限制的，所以你需要同时驱动几个LED亮，可能是行不通的。而再来看单片机的拉电流是uA级别的，根本无法驱动外部LED。那么为什么高电平状态，驱动能力这么弱呢？原因是IO口内部集成了较大的上拉电阻，而到GND是有一个开关管（阻抗非常低、可以忽略）控制的。

上面仅仅讲述了单片机IO口的情况，那么举一反三，很多IC的GPIO口都会有灌入电流和拉电流的限制，所以在使用的时候要注意这个电流的限制。

可以知道使用方式1驱动LED对LED数量是有限制的。另外如果LED发生损坏短路，也会有电流直接流入IO口，可能造成单片机损坏。就有人引入了三极管来解决这些问题，IO口只负责控制三极管通断即可。应尽可能选三极管饱和后Vce压降小的。这里饱和后Vce=0.1V。LED 2V/20mA驱动，那么三极管Ic=20mA。限流电阻R1=（5-2-0.1）V/20mA=145Ω，145不是标称值，那么实际选择150Ω的电阻，实际Ic=（5-2-0.1）V/20mA=19mA。

然后确认三极管的放大倍数Hfe，假设是100，那么三极管B极电流是19mA/100=0.19mA。

也就是说如果IO口需要驱动这个LED，必须支持的最小输出电流至少为0.19mA。这个电流非常小，多个串口同时驱动多个LED，压力也没那么大。

但是假如你用的这个ICIO口最大输出电流只有0.1mA，还是无法满足怎么办，那么就需要NPN+PNP两个三极管组合来解决了。

参照上图，如果只用一个NPN管来驱动LED，那么Ic电流=25mA，那么KRC103S 基极电流Ib=Ic/Hfe=25mA/150=0.167mA，很明显驱动不了。那么再加入一个PNP管KRA102S，PNP管基极电流Ib=Ic/Hfe=25mA/100=0.25mA，然后NPN管导通其Ic=0.25mA，那么IO口的电流就只有0.25mA/150=0.002mA。这样一来控制IC就能驱动LED了。

1万 · 2022-3-7 11:59

内部上拉电阻较大，可以外部并联一个小的上拉电阻，就可以直接驱动LED了。

只看该作者 · 2022-3-7 19:11

本帖最后由 QuakeGod 于 2022-3-7 19:12 编辑

这个原理明白就行了，实际工作中肯定不能这么干。
为了一个LED，多加了那么多元件。
你一个三极管就要1毛钱，两个就2毛钱，电阻倒是不贵，1分钱10个，但是贴片加工费每个又要3分钱。
这加起来，成本增加快4毛钱了。
一个74HC04D也就2毛钱，加上贴片1毛钱，也才3毛，里面带6个反相器，完美解决这个问题，还剩5个给其他用。

当然，这个电路也不是没有用处，在输出需要高电压，比如12V，或者需要大电流，比如100mA以上，甚至1A,2A的时候。还就得需要这样的电路形式。
不过呢，即便用这样形式的电路，一般也不用单片机的高电平输出来驱动，驱动能力倒是其次，
主要是，单片机在复位的时候，会默认输出高电平，这个时候，执行单元就会误动作，而此时单片机还没工作，程序是没法控制的。
而这个误动作很多时候是系统所不允许的。所以大部分时候，都是设置成单片机管脚低电平输出有效。