原理图设计及电路原理分析

1.原理图设计

利用NPN三极管的导通和截止两种状态来控制驱动LED的发光；同时利用有多个LED同时发光（如）的特点，可以让一个NPN三极管驱动3个、4个LED。如图3.35所示。

图3.35　本任务方框图

1）驱动方案选择

（1）一个三极管驱动多个LED（并联）。

优点：需要的电源电压低；一只LED损坏，其他的LED仍然会亮。

缺点：驱动电流大，元件较多（每个LED都需要一个限流电阻）。

（2）一个三极管驱动多个LED（串联）。

优点：驱动电流小；元件较少（每路LED只需要一个限流电阻）。

缺点：需要的电源电压高，一只LED损坏，所有的LED全部不亮。

本书制作的“电动车尾灯闪烁器”所使用的电源电压为12 V，较高。

2）并联方案的能耗考虑

假定每只LED正常发光时，需要的工作电流是5 mA，如果全部使用并联接法，则21只LED同时点亮时，需要的电流为5 mA×21＝105 mA，从12V电源中消耗的电功率为

并联方案的材料方面考虑：并联驱动，需要21只限流电阻。

3）串联方案的能耗考虑

假定每只LED正常发光时，需要的工作电流是5 mA，使用串联型的接法，则21只LED分6组同时点亮时，需要的电流为5 mA×6＝30 mA，从12 V电源中消耗的电功率为

串联方案的材料方面考虑：串联驱动21只LED，分6组，只需6只限流电阻。

4）串联驱动方案与并联驱动方案相比的优点

（1）节能。

串联型驱动与并联型驱动相比，每块板节省电功率为

（2）节省材料成本。

串联型驱动与并联型驱动相比，每块板节省电阻15只，电阻按单价0.05元／只，则节省材料成本为

即每块板节省材料成本0.75元。

（3）节省生产成本。

串联型驱动与并联型驱动相比，生产成本可减少。假设电阻类元件的生产成本是0.02元／只，则节省成本为即每块板节省材料成本0.3元。

共计节省成本为1.05元／块。

所以，本书选择既节能又省钱的串联型驱动LED阵列形式的电路设计。

具体实现的电路原理图如图3.36所示。

图3.36　电路原理图

2.原理分析(www.xing528.com)

当NPN三极管的基极电压大于0.6 V时，三极管饱和导通，此时VCE≤0.3 V，12 V电源经过限流电阻，加到第一个LED的正极、负极，依次到第二个LED、第三个LED等，到三极管的C极、到E极、到电源的负极，LED发光；反之，加到三极管的基极电压小于0.4 V时，三极管截止，此时LED没有电流流过，不发光。

（1）三极管的饱和与截止（以VT6驱动LED L1、、L3、为例）。

L为高电平（VH）时，经R15加到VT6的B极，VBE≥0.6 V，VT6饱和导通，LED发光。

L为低电平（VL）时，经R15加到VT6的B极，VBE≤0.3 V，VT6截止，LED不发光。

三极管的饱和条件是：IB≥IC／β；VBE≥0.6。三极管饱和后的现象是：VCE≤0.3 V。

计算方法：

三极管的截止条件是：IB＜IC／β；VBE≤0.3 V。

计算方法：IB＝（VL－VBE）／R15－VBE／R16≈VL／R15，因为此时VBE很小，约等于0。

如果因为VL实际电平比较高而导致VBE不能小于0.3 V，此时三极管不能可靠截止，应调小R16的值来确保可靠截止，但必须同时兼顾它的饱和条件不被破坏。

（2）限流电阻的设计（LED工作电流的选择设计）。

在进行限流电阻设计前，必须了解LED的工作特性。

1）LED的极限工作条件

在任何情况下，都不要超过极限工作条件，否则器件会出现异常或永久损坏。这里选用的LED其极限工作条件（或称为极限额定工作条件）如表3.25所示。

表3.25　LED的极限额定工作条件

2）LED的典型工作特性

一般情况下，器件的典型工作特性都会给出该器件的主要指标参数。例如，LED，则会给出工作电压、发光波长、发光亮度以及发光角度等主要参数指标，如表3.26所示。

［在25℃环境下电性／光学特性］

表3.26　LED的典型工作特性

由表3.26可知，该LED典型的正向电压（或正向压降）为3.2 V时IF＝20 mA。如图3.37中的黑色粗曲线交于纵坐标是20 mA，则对应的横坐标是3.2 V。依此曲线推测，如果纵坐标的工作电流为10 mA时，则对应的横坐标（正向压降）为3.0 V。

图3.38显示的是LED相对发光亮度与正向电流的关系，从图中可以看出，发光亮度与正向工作电流呈现非线性关系。比如：IF＝40 mA，相对发光强度是2.0，但当增加1倍时（即IF＝80 mA），相对的发光强度没有增加1倍，仅为3.5。即说明工作电流增加可以增加亮度，但是不能线性增加。

图3.37　LED的正向电压与正向电流的关系曲线

图3.38　LED的相对发光亮度与正向电流的关系曲线

总结：根据LED的特性，结合“电动车尾灯闪烁器”的电源工作电压。选择正向工作电流IF＝5 mA，则其正向工作电压VF＝2.0～2.5 V（根据图3.38所示推测）。假定VF＝2.0 V，针对图3.36中的L组、R组、M1组（4个LED串联）电路，有

式中，VCC为电源电压，即VCC＝12 V；VCEO为三极管的饱和压降，VCEO≈0 V；VF为LED的正向工作电压（正向工作压降），VF＝2.0 V；IF为LED的正向工作电流，IF＝5 mA。

由式（3.12）得

结合工程实际，取R17＝820Ω。

同理得出，图3.36中的L′组、R′组、M2组（3个LED串联）电路中的限流电阻R26的值约为1.2 kΩ（有兴趣的同学可以自行演算）。

由于不同LED生产厂家及LED产品型号不同，上述所用的图表中的参数会有所不同，所以在初步设计完成后需要测量每组LED的工作电流，如果得出的实际工作电流与理论值相比偏大或偏小，可将限流电阻改小或改大，以达到理想的设计要求。