如何通过最大4mA的GPIO引脚驱动20mA LED

我有一个带有GPIO的IC，我想用它来驱动LED。

由于设备将依靠电池运行，因此当LED熄灭时，请优先使用低电量（可能为零）。

GPIO开启时提供3.3V电压，关闭时提供0.0V电压。

它还具有最大4mA的限制。

LED的正向电流为20mA，期望的正向电压为2.0V。

当LED打开时，它很可能在低千赫兹范围内闪烁（使用PWM）。

戳一戳之后，我相信这可能是我需要的电路类型。

问题1：我是否接近正确的道路。

问题2：用于第（5）项（晶体管或Mosfet）的正确组件是什么？如何找到一个组件（在当地的Frys，RadioShack，Online）以及如何识别（指定）？

问题3：选择项目（5）是否会对电阻器项目（3）的欧姆值产生影响？除了适用于3.0V电源和2.0V LED的正常欧姆定律。

问题4：如果需要，电阻项目（2）的欧姆值为多少？

您显示的电路应该可以工作，但是不必要的复杂和昂贵。这是更简单，更便宜的东西：

您可以找到的几乎所有小型NPN晶体管都可以起到这种作用。如果晶体管的BE压降为700 mV，LED压降为2.0 V，那么当LED点亮时，R1两端将有600 mV。在此示例中，这将允许17 mA的电流流过LED。如果您可以忍受LED发出的较低光并希望节省一些功率，则可以将电阻调高一些。

该电路的另一个优点是可以将晶体管的集电极连接到高于3.3 V的电压。这不会改变流经LED的电流，只会改变晶体管上的电压降，从而不会耗散多少电流。如果3.3 V来自小型稳压器，并且LED电流会增加相当大的负载，这将很有用。在这种情况下，请将集电极连接到未调节的电压。实际上，晶体管成为仅用于LED的调节器，LED电流将来自未调节的电源，不会耗尽3.3 V调节器的有限电流预算。

添加：

我看到这个电路如何工作以及为什么没有基极电阻有些困惑。

该晶体管用于发射极跟随器配置，以提供电流增益，而不是电压增益。来自数字输出的电压足以驱动LED，但不能提供足够的电流。这就是为什么电流增益有用但电压增益不必要的原因。

让我们看一下该电路，假设BE压降为固定的700 mV，CE饱和电压为200 mV，增益为20。这些都是合理的值，除了增益低之外。我现在故意使用低增益，因为稍后我们将看到晶体管仅需要最小增益。只要增益从最小值到无穷大，该电路就可以正常工作。因此，对于一个小信号晶体管，我们将以20个不切实际的低增益进行分析。如果一切正常，那么您会遇到的任何真正的小信号晶体管都可以。例如，在这种情况下，我展示的2N4401可以指望获得约50的增益。

首先要注意的是，该电路中的晶体管不会饱和。由于将基极驱动至最高3.3 V，因此由于700 mV的BE压降，发射极永远不会超过2.6V。这意味着整个CE始终至少有700 mV的电压，远高于200 mV的饱和水平。

由于晶体管始终处于“线性”区域，因此我们知道集电极电流是基极电流乘以增益。发射极电流是这两个电流之和。因此，发射极与基极的电流比为增益+1，在我们的示例中为21。

要计算各种电流，最简单的方法是从发射极开始，并使用上述关系式获得其他电流。当数字输出为3.3 V时，发射极小700 mV，即2.6V。已知LED下降2.0 V，因此R1两端留有600 mV。根据欧姆定律：600mV /36Ω= 16.7mA。这样可以很好地点亮LED，但留有一点余量，不会超过其20 mA的最大值。由于发射极电流为16.7 mA，因此基极电流必须为16.7 mA / 21 = 790 µA，集电极电流为16.7 mA-790 µA = 15.9 mA。数字输出可提供高达4 mA的电流，因此我们处于规格范围之内，甚至没有明显地加载它。

净效应是基极电压控制发射极电压，但是提供发射极电流的繁重工作由晶体管完成，而不是数字输出。来自集电极的LED电流（发射极电流）与基极之比是晶体管的增益。在上面的示例中，增益为20。对于每21个LED电流，有1个数字输出和20 V的3.3 V电源通过晶体管的集电极。

如果收益更高会怎样？整个LED电流中甚至更少的电流来自基极。增益为20时，来自收集器的20/21 = 95.2％。收益为50时为50/51 = 98.0％。无限增益为100％。这就是为什么该电路实际上非常容忍零件变化的原因。LED电流的95％或99.9％来自于通过集电极的3.3 V电源都无关紧要。数字输出上的负载将发生变化，但是在所有情况下，它都将大大低于其最大负载，因此这无关紧要。发射极电压在所有情况下都相同，因此无论晶体管增益为20、50、200或更大，LED都会看到相同的电流。

我之前提到的该电路的另一个微妙优势是集电极无需连接至3.3 V电源。例如，如果集电极连接到5 V，情况如何变化？从LED或数字输出的角度来看都没有。请记住，发射极电压是基极电压的函数。集电极电压只要高到足以使晶体管保持不饱和即可，该电压已经达到3.3V。唯一的区别是晶体管两端的CE下降。这将增加晶体管的功耗，在大多数情况下，这将成为最大集电极电压的限制因素。假设晶体管可以安全地耗散150 mW。利用16.7 mA的集电极电流，我们可以计算出集电极到发射极的电压，从而引起150 mW的功耗：

这意味着在此示例中，我们可以将集电极与3.3V至11.6 V的任何便捷电源相连。甚至不需要对其进行调节。它可能会在该范围内的任何地方波动，并且LED电流将保持稳定。例如，如果3.3 V由电流能力很小的稳压器提供，并且其中大部分已经分配，​​这将很有用。例如，如果它使用大约5 V的电源供电，则该电路可以从该5 V电源获得大部分LED电流，同时仍保持LED电流处于良好的调节状态。并且，该电路非常容忍晶体管部件的变化。只要晶体管具有某个最小增益（该增益远低于大多数小信号晶体管提供的增益），电路就可以正常工作。

这里的课程之一就是思考电路的实际工作原理。在工程学中，膝盖弯曲或迷信总是无法将电阻与基极串联在一起。在需要时放置一个，但请注意，并非总是如此，如本电路所示。

如今，许多LED都非常亮，并且在4mA 甚至更低的电流下仍表现出色，这将为您节省额外的外部组件。我通常使用的LED在1mA时（对于我的应用）工作得非常好！

只需在LED上串联一个电阻即可，其大小足以限制电流。请检查数据表中是否指定了整个设备的最大电流。

因此，请检查您的LED是否足够亮，并直接用一个串联电阻从GPIO引脚直接连接：

$R = \frac{U_{drop}}{I_{LED}}\ = \frac{3.3-2.0\text{V}}{4\text{mA}} = \frac{1.2\text{V}}{4\text{mA}}= 300\Omega$

将其向上舍入为下一个E12值至330$\Omega$ 为了安全起见。

我知道您的问题是关于分立元件的，但是我认为通常情况下，您最好考虑使用基于IC的缓冲器或线路驱动器。例如，ULN2803是一个八进制缓冲器（8个I / O），将从GPIO引脚汲取的电流小于2mA，但每个输出可驱动高达500mA的电流。（这是反相逻辑，因此您的代码需要考虑到这一点）。显然，您希望为LED使用限流电阻。

评论原始帖子中的拟议原理图：

使用像这样的分立NMOS FET晶体管作为开关会很好。

• MOSFET的栅极不需要串联电阻。
• 选择一个阈值电压低于您的电源电压约1V的FET，以确保在导通时它将完全进入饱和状态，然后MOSFET两端的压降将很低。（MOSFET开关非常好。）
• LED电流将通过ILED =（VCC-Vf-Vds）/ R设置。对于所示的数字，并假设FET两端为0.2V，R =（3.3-2.0-0.2）/ 20mA = 51或56ohms（最近的标准值）

注意：通常，LED阳极与电源相连，电阻与阴极串联。这可以通过减少开关时电路中必须充电/放电的电容量来缩短开关时间，因为阴极电压在断开时会“塌陷”到阳极电压。

如另一幅海报所述，如果LED所需的电流足够低，则可以直接使用GPIO。在开漏模式下，它与外部FET的行为相同（但反相）。但是我不建议长时间在超过1mA的电流下运行uC端口。该IC可能不会设计用于像这样的大恒定电流（可能是电迁移或自热问题）。