三只 LED 循环灯电路

Electronics Jul 5, 2026 12 min read

三只 LED 循环灯电路原理详解

一、电路图与总体结构

该电路由三只 9013 NPN 三极管 构成，本质上是一个带有 RC 延时的 三级环形振荡器。

三个基本单元依次相互控制：

V1 集电极 ── C2 ──→ V2 基极
V2 集电极 ── C3 ──→ V3 基极
V3 集电极 ── C1 ──→ V1 基极

因此形成闭合控制环：

V1 → V2 → V3 → V1 → ……

每只 LED 都串联在对应三极管的集电极回路中：

• V1 导通时，LED1 点亮；
• V2 导通时，LED2 点亮；
• V3 导通时，LED3 点亮。

电容负责把某一级集电极的快速电压变化传递到下一级基极；10kΩ 电阻再缓慢恢复下一级基极电压，从而产生延时和循环闪烁。

核心理解

LED 本身并不产生循环。真正产生周期变化的是 V1、V2、V3 与 C1、C2、C3 构成的 RC 环形振荡器，LED 只是显示每只三极管当前的导通状态。

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二、三极管 B、C、E 各极及作用

三只 9013 都是 NPN 三极管，连接方式相同。

1. 基极 B

基极位于三极管符号左侧，是控制端。

• V1 基极连接 R1 和 C1；
• V2 基极连接 R3 和 C2；
• V3 基极连接 R5 和 C3。

当基极电压比发射极高约 0.6～0.7V 时，三极管开始明显导通。

$$V_{BE}\approx 0.6\sim0.7\text{V}$$

2. 集电极 C

集电极位于三极管符号上方，连接对应 LED 的限流支路和耦合电容：

• V1 集电极连接 LED1、R2 和 C2；
• V2 集电极连接 LED2、R4 和 C3；
• V3 集电极连接 LED3、R6 和 C1。

集电极既是 LED 的驱动节点，也是送往下一级的控制输出节点。

3. 发射极 E

三只三极管的发射极全部接电源负极公共线。

因此，只要某只三极管的基极电压足够高，它就会形成从集电极到发射极的导电通路。

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三、各元件的作用

1. R1、R3、R5：基极偏置与充电电阻

三个电阻均为 10kΩ：

+3V → R1 → V1 基极
+3V → R3 → V2 基极
+3V → R5 → V3 基极

它们有两个主要作用：

1. 给三极管基极提供导通电流；
2. 给对应耦合电容缓慢充电，使被拉低的基极电压逐渐恢复。

例如，V2 基极被 C2 拉低后，R3 会持续从电源正极向该节点提供电流，使 V2 基极电压慢慢回升。

2. R2、R4、R6：LED 限流电阻

三个电阻均为 100Ω，用于限制 LED 和三极管集电极电流。

LED 电流可粗略估算为：

$$I_{LED}\approx\frac{V_{CC}-V_F-V_{CE(sat)}}{R}$$

以红色 LED 为例，假设：

• 电源电压 $V_{CC}=3\text{V}$；
• LED 正向压降 $V_F\approx1.8\text{V}$；
• 三极管饱和压降 $V_{CE(sat)}\approx0.2\text{V}$；
• 限流电阻 $R=100\Omega$。

则：

$$I_{LED}\approx\frac{3-1.8-0.2}{100}=0.01\text{A}=10\text{mA}$$

绿色、黄色 LED 的正向压降通常更高，因此它们的实际电流可能略小。

3. C1、C2、C3：耦合与延时电容

三个电容均为 100μF：

• C2：V1 集电极耦合到 V2 基极；
• C3：V2 集电极耦合到 V3 基极；
• C1：V3 集电极耦合到 V1 基极。

它们有两个核心作用。

传递集电极的快速变化

当某只三极管突然导通时，它的集电极电压会快速下降。由于电容两端电压不能瞬间改变，这个下降会立即传递到下一级基极，使下一级基极电压突然降低。

与基极电阻形成 RC 延时

负向脉冲过去之后，基极电阻又会慢慢给电容和基极节点充电，使基极电压逐渐恢复。

这就是电路不会瞬间全部翻转，而是以肉眼可见速度循环变化的原因。

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四、为什么三极管导通时 LED 会亮

以 V1 和 LED1 为例。

当 V1 导通时，形成如下电流路径：

电源正极
  ↓
LED1
  ↓
R2
  ↓
V1 集电极 C
  ↓
V1 发射极 E
  ↓
电源负极

可以简写为：

+3V → LED1 → R2 → V1(C-E) → 0V

因此：

• V1 导通，LED1 亮；
• V1 截止，LED1 灭。

V1 饱和导通时，其集电极电压通常会下降到约 0.1～0.3V：

$$V_C\approx V_{CE(sat)}\approx0.1\sim0.3\text{V}$$

这个快速下降的集电极电压，同时会通过 C2 影响 V2 基极。

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五、为什么电容能使下一级三极管截止

以 V1 控制 V2 为例。

假设 V1 原来截止，集电极电压较高，接近电源电压：

$$V_{C1}\approx3\text{V}$$

当 V1 突然导通后，集电极电压下降到约 0.2V：

$$\Delta V_{C1}\approx0.2-3=-2.8\text{V}$$

由于 C2 两端电压不能瞬间改变，这个约 $-2.8\text{V}$ 的变化会传递到 V2 基极。

V2 基极电压因此被突然拉低，可能短时间降到 0V 以下。此时：

$$V_{BE2}<0.6\text{V}$$

所以 V2 立即截止。

实际电压不会完全按理想值变化

三极管基极结、电容漏电、电路内阻和寄生参数都会限制负向电压。上述数值用于说明变化方向和机理，而不是精确波形计算。

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六、完整循环过程

由于三个单元参数不可能完全一致，刚接通电源时，总有一只三极管会比其他三极管稍早进入导通状态。

为便于说明，假设 V1 首先成为主要导通级。

阶段 1：V1 导通，LED1 点亮

V1 基极通过 R1 获得电流，V1 导通：

+3V → LED1 → R2 → V1 → 电源负极

LED1 点亮。

与此同时，V1 集电极电压快速下降，这个下降通过 C2 传递到 V2 基极，使 V2 截止：

V1 导通
   ↓
LED1 点亮
   ↓
V1 集电极下降
   ↓
C2 将 V2 基极拉低
   ↓
V2 截止，LED2 熄灭

阶段 2：V2 基极逐渐恢复

V2 虽然被 C2 拉低，但 R3 始终连接电源正极。

于是电流通过 R3 缓慢给 V2 基极节点和 C2 充电：

+3V → R3 → V2 基极节点

V2 基极电压按近似指数规律上升：

$$V_B(t)=V_{CC}-\left(V_{CC}-V_{B0}\right)e^{-t/(R_3C_2)}$$

其中：

• $V_{B0}$ 是 V2 基极刚被拉低时的初始电压；
• $R_3C_2$ 是该级的时间常数。

当 V2 基极恢复到约 0.6～0.7V 时，V2 开始导通。

阶段 3：V2 导通，LED2 点亮

V2 导通后，LED2 的电流路径为：

+3V → LED2 → R4 → V2 → 电源负极

LED2 点亮。

V2 集电极电压快速下降，并通过 C3 把 V3 基极拉低：

V2 导通
   ↓
LED2 点亮
   ↓
V2 集电极下降
   ↓
C3 将 V3 基极拉低
   ↓
V3 截止，LED3 熄灭

随后，R5 开始缓慢恢复 V3 基极电压。

阶段 4：V3 导通，LED3 点亮

当 V3 基极电压恢复到导通阈值后，V3 导通：

+3V → LED3 → R6 → V3 → 电源负极

LED3 点亮。

V3 集电极电压下降，并通过 C1 把 V1 基极拉低：

V3 导通
   ↓
LED3 点亮
   ↓
V3 集电极下降
   ↓
C1 将 V1 基极拉低
   ↓
V1 截止，LED1 熄灭

阶段 5：V1 再次恢复并导通

V1 被 C1 拉低后，R1 又开始给 V1 基极节点和 C1 充电。

当 V1 基极重新升到约 0.6～0.7V 时，V1 再次导通，新的循环开始：

LED1 → LED2 → LED3 → LED1 → ……

实际灯光可能存在重叠

实际电路并不一定表现为“上一只完全熄灭后，下一只才点亮”。由于三极管处于连续变化过程，可能出现某只 LED 逐渐变暗、下一只同时开始变亮，或者两只 LED 短时间微亮的现象。

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七、为什么电路不会停在固定状态

每一级三极管都具有反相作用：

基极电压升高 → 三极管导通 → 集电极电压降低
基极电压降低 → 三极管截止 → 集电极电压升高

三只三极管构成奇数级反相闭环。

如果某一级状态发生变化，它会通过电容影响下一级；下一级经过 RC 延时后又改变状态，再继续影响下一极，最终第三极反过来影响第一极。

因此，电路很难长期停留在一个完全静止且自洽的状态，而会持续发生状态转移。

RC 网络又给这种状态转移加入了时间延迟，所以最终形成低频振荡，而不是瞬间跳变。

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八、闪烁速度与时间常数

每一级的主要时间常数为：

$$\tau=RC$$

以 V2 这一级为例：

$$\tau=R_3C_2$$

代入参数：

$$\tau=10\text{k}\Omega\times100\mu\text{F}=1\text{s}$$

三极管并不会等待电容完全充满，而是在基极电压达到约 0.6～0.7V 时就开始导通，因此实际单级延时并不严格等于 $RC$。

整个循环周期可以粗略理解为三个级延时之和：

$$T\approx t_1+t_2+t_3$$

当三个级参数相同时，可近似写成：

$$T\approx3t_d$$

但实际周期还会受到以下因素影响：

• 三极管电流放大倍数；
• 三极管基极导通电压；
• 电解电容容量误差和漏电；
• LED 正向压降；
• 电阻误差；
• 电源电压；
• 环境温度；
• 三极管饱和程度。

因此，$3RC$ 只能用于量级估算，不能作为精确周期公式。

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九、如何调整闪烁速度

1. 减慢闪烁

增大基极电阻或耦合电容，例如：

10kΩ → 22kΩ
100μF → 220μF

RC 时间常数增大，基极恢复速度变慢，LED 循环速度随之降低。

2. 加快闪烁

减小基极电阻或耦合电容，例如：

10kΩ → 4.7kΩ
100μF → 47μF

RC 时间常数减小，LED 循环速度提高。

3. 改变单只 LED 的持续时间

若只改变某一级的 R 或 C，该级对应的延时会单独改变。

例如增大 R3 或 C2，主要会延长 V2 从被拉低到重新导通的等待时间，使三个灯的节奏不再完全均匀。

基极电阻不宜过小

基极电阻过小会使基极电流和电容充放电电流增大，三极管更容易深度饱和，也可能破坏原本的循环节奏。实际调整时应逐步修改并观察波形或闪烁效果。

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十、电解电容的极性

以 C2 为例：

• 正极连接 V1 集电极；
• 负极连接 V2 基极。

在多数稳定阶段，截止三极管的集电极电压接近 3V，而下一级基极通常在约 0～0.7V，因此集电极一侧平均电位更高，适合作为电解电容正极。

C3 和 C1 的连接原则相同：

• C3 正极接 V2 集电极，负极接 V3 基极；
• C1 正极接 V3 集电极，负极接 V1 基极。

切换瞬间，电容可能短时间承受轻微反向电压。低压实验电路通常仍能工作，但从严格的可靠性设计角度看，这并不是电解电容最理想的工作条件。

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十一、上电时为什么不确定哪只 LED 先亮

理论上三个单元完全相同，但实际器件一定存在误差，例如：

• 三极管放大倍数不同；
• $V_{BE}$ 不完全相同；
• 电容初始电压和漏电不同；
• 电阻存在误差；
• LED 正向压降不同；
• PCB 布线和寄生参数不同。

因此，上电瞬间总有一个单元稍早建立导通状态，并触发后续循环。

第一次点亮的可能是 LED1，也可能是 LED2 或 LED3；但进入稳定振荡后，状态传播方向由 C2、C3、C1 的连接顺序决定。

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十二、故障排查

1. 三只 LED 全部不亮

重点检查：

• 电源极性和电压是否正确；
• 9013 的实际引脚排列是否与原理图一致；
• 三只发射极是否真正连接电源负极；
• LED 极性是否接反；
• 电解电容是否接反或损坏。

9013 的实物引脚不能只凭外观判断

不同厂家、不同封装批次的 9013 引脚排列可能存在差异。装配前应查对应型号的数据手册，或使用万用表确认 B、C、E，不能直接把原理图中的左右方向当作实物引脚顺序。

2. 只有一只 LED 常亮

可能原因包括：

• 某只耦合电容开路；
• 下一级基极线路断开；
• 某只三极管损坏；
• 某个 10kΩ 电阻开路或阻值错误；
• 电容极性接反导致漏电严重；
• 三极管 C、E 接反，增益过低。

3. LED 同时亮，但不循环

可能是：

• 耦合电容容量过小或未正确连接；
• 基极电阻过小，三只三极管均长期导通；
• 电源电压异常；
• 三极管集电极与发射极接反；
• 电容漏电过大，不能形成有效负向脉冲。

4. 闪烁过快或过慢

检查 R1、R3、R5 和 C1、C2、C3 的实际参数。

电解电容通常误差较大，因此即使标称值相同，三个灯的持续时间也可能略有不同。

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十三、核心工作逻辑总结

本级三极管导通
        ↓
本级 LED 点亮
        ↓
本级集电极电压快速下降
        ↓
耦合电容把下一级基极拉低
        ↓
下一级三极管暂时截止
        ↓
下一级基极通过 10kΩ 电阻缓慢恢复
        ↓
下一级三极管重新导通
        ↓
状态继续向后传播

最终形成：

V1 → V2 → V3 → V1 → ……

这就是三只 LED 能够持续循环闪烁的根本原因。

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