Obwód, który pokazujesz, powinien działać, ale jest niepotrzebnie skomplikowany i drogi. Oto coś prostszego i tańszego:
W tej roli będzie działać prawie każdy mały tranzystor NPN, jaki można znaleźć. Jeśli spadek BE tranzystora wynosi 700 mV, dioda LED spadnie 2,0 V, wtedy będzie 600 mV na R1, gdy dioda LED będzie włączona. W tym przykładzie pozwoli to przepłynąć 17 mA przez diodę LED. Zwiększ rezystor, jeśli możesz tolerować słabsze światło z diody LED i chcesz zaoszczędzić trochę energii.
Kolejną zaletą tego obwodu jest to, że kolektor tranzystora może być podłączony do czegoś wyższego niż 3,3 V. Może to być przydatne, jeśli 3,3 V pochodzi z małego regulatora, a prąd LED spowodowałby znaczne obciążenie. W takim przypadku podłącz kolektor do nieregulowanego napięcia. W efekcie tranzystor staje się regulatorem tylko dla diody LED, a prąd diody LED będzie pochodził z nieuregulowanego zasilania i nie wykorzysta ograniczonego budżetu prądu regulatora 3,3 V.
Dodany:
Widzę pewne zamieszanie, jak działa ten obwód i dlaczego nie ma rezystora bazowego.
Tranzystor jest używany w konfiguracji nadajnika emiterów w celu zapewnienia wzmocnienia prądu, a nie wzmocnienia napięcia. Napięcie z wyjścia cyfrowego jest wystarczające do napędzania diody LED, ale nie jest w stanie uzyskać wystarczającego prądu. Właśnie dlatego wzmocnienie prądu jest przydatne, ale wzmocnienie napięcia nie jest konieczne.
Spójrzmy na ten obwód, zakładając, że spadek BE jest stały 700 mV, napięcie nasycenia CE wynosi 200 mV, a zysk wynosi 20. Są to rozsądne wartości, z wyjątkiem tego, że zysk jest niski. Na razie używam celowo niskiego wzmocnienia, ponieważ zobaczymy później, że tranzystor potrzebuje jedynie minimalnego wzmocnienia. Obwód ten działa dobrze, o ile wzmocnienie wynosi od minimalnej wartości do nieskończoności. Przeanalizujemy więc przy nierealistycznie niskim wzmocnieniu 20 dla małego tranzystora sygnałowego. Jeśli wszystko dobrze się z tym zgadza, jesteśmy w porządku z prawdziwymi małymi tranzystorami sygnałowymi, które spotkasz. Na przykład 2N4401, który pokazałem, może na przykład zyskać około 50.
Pierwszą rzeczą do odnotowania jest to, że tranzystor nie może nasycić się w tym obwodzie. Ponieważ baza jest zasilana maksymalnie do 3,3 V, emiter nigdy nie jest większy niż 2,6 V z powodu spadku 700 mV BE. Oznacza to, że zawsze jest co najmniej 700 mV w poprzek CE, co znacznie przewyższa poziom nasycenia 200 mV.
Ponieważ tranzystor zawsze znajduje się w obszarze „liniowym”, wiemy, że prąd kolektora jest prądem bazowym razy wzmocnienie. Prąd emitera jest sumą tych dwóch prądów. Stosunek emitera do prądu bazowego wynosi zatem zysk + 1 lub 21 w naszym przykładzie.
Aby obliczyć różne prądy, najłatwiej jest zacząć od emitera i użyć powyższych zależności, aby uzyskać inne prądy. Gdy wyjście cyfrowe wynosi 3,3 V, emiter jest o 700 mV mniejszy lub o 2,6 V. Wiadomo, że dioda LED obniża 2,0 V, tak że pozostawia 600 mV na R1. Z prawa Ohma: 600mV / 36Ω = 16,7mA. To ładnie zaświeci diodę LED, ale pozostawi niewielki margines, aby nie przekroczyć maksimum 20 mA. Ponieważ prąd emitera wynosi 16,7 mA, prąd bazowy musi wynosić 16,7 mA / 21 = 790 µA, a prąd kolektora 16,7 mA - 790 µA = 15,9 mA. Wyjście cyfrowe może źródła do 4 mA, więc jesteśmy w zakresie specyfikacji, a nawet nie ładujemy go znacząco.
Efektem netto jest to, że napięcie podstawowe kontroluje napięcie emitera, ale ciężkie podnoszenie w celu zapewnienia prądu emitera odbywa się przez tranzystor, a nie przez wyjście cyfrowe. Stosunek tego, ile prądu LED (prąd emitera) pochodzi z kolektora w porównaniu do podstawy, stanowi wzmocnienie tranzystora. W powyższym przykładzie zysk ten wynosił 20. Na każde 21 części prądu przez diodę LED 1 część pochodzi z wyjścia cyfrowego i 20 części ze źródła zasilania 3,3 V przez kolektor tranzystora.
Co by się stało, gdyby zysk był wyższy? Jeszcze mniej całkowitego prądu LED pochodziłoby z podstawy. Z przyrostem 20, 20/21 = 95,2% pochodzi od kolektora. Przy wzroście 50 wynosi 50/51 = 98,0%. Przy nieskończonym wzroście wynosi 100%. To dlatego obwód ten jest bardzo tollerantem zmienności części. To, czy 95%, czy 99,9% prądu LED pochodzi z zasilania 3,3 V przez kolektor, nie ma znaczenia. Obciążenie wyjścia cyfrowego zmieni się, ale we wszystkich przypadkach będzie znacznie poniżej maksymalnego, więc to nie ma znaczenia. Napięcie emitera jest takie samo we wszystkich przypadkach, więc dioda LED zobaczy ten sam prąd, niezależnie od tego, czy tranzystor ma wzmocnienie 20, 50, 200 lub więcej.
Kolejną subtelną zaletą tego obwodu, o której wspomniałem wcześniej, jest to, że kolektor nie musi być podłączony do zasilania 3,3 V. Jak zmieniają się rzeczy, jeśli na przykład kolektor byłby podłączony do 5 V. Nic z punktu widzenia diody LED lub wyjścia cyfrowego. Pamiętaj, że napięcie emitera jest funkcją napięcia bazowego. Napięcie kolektora nie ma znaczenia, o ile jest wystarczająco wysokie, aby utrzymać tranzystor w stanie nasycenia, którym było już 3,3 V. Jedyną różnicą będzie spadek CE na tranzystorze. Zwiększy to rozproszenie mocy tranzystora, co w większości przypadków będzie czynnikiem ograniczającym maksymalne napięcie kolektora. Powiedzmy, że tranzystor może bezpiecznie rozproszyć 150 mW. Za pomocą prądu kolektora 16,7 mA możemy obliczyć napięcie kolektor-emiter, aby spowodować rozproszenie 150 mW:
Oznacza to, że w tym przykładzie możemy powiązać kolektor z dowolnym przydatnym źródłem zasilania od 3,3 V do 11,6 V. Nie trzeba go nawet regulować. Może aktywnie zmieniać się w dowolnym miejscu w tym zakresie, a prąd LED pozostanie ładnie stały. Może to być przydatne, na przykład, jeśli 3,3 V jest wytwarzane przez regulator o małej zdolności prądowej, a większość z nich jest już przydzielona. Jeśli na przykład zasila go napięcie około 5 V, wówczas obwód ten może pobierać większość prądu LED z tego źródła zasilania 5 V , utrzymując ładnie regulowany prąd LED . I ten obwód jest bardzo tolerancyjny na zmiany części tranzystora. Tak długo, jak tranzystor ma pewne minimalne wzmocnienie, które jest znacznie poniżej tego, co zapewnia większość małych tranzystorów sygnałowych, obwód będzie działał dobrze.
Jedną z lekcji tutaj jest zastanowienie się, jak naprawdę działa obwód. W inżynierii nie ma miejsca na reakcje na szarpnięcie kolanem lub przesądy, takie jak ustawienie rezystora w szeregu z bazą. Umieść jeden, gdy jest potrzebny, ale pamiętaj, że nie zawsze, jak pokazuje ten obwód.
