ラズパイ!(6)電子工作の第一歩、LEDの点灯~仕組みの勉強編~

はじめに

前回までで、ラズパイの基本構築と温度対策が完了。
いよいよ本題の電子工作に入ります。

初心者なので、グッズがいろいろそろっている
スターターキットを購入。

◇OSOYOO(オソヨー) Raspberry Pi 学ぶ電子工作キット 初心者演習用パーツセット
LEDや抵抗、ブレドボード、ジャンプワイヤなどが入っている。

テスターも購入。
◇HANMATEK テスター デジタルマルチメーター

まず本を読んでみたが・・・

読んでいる本

今更の紹介ですが、ラズパイを触るにあたっては
一冊の本を参考にしてきています。

◇みんなのRaspberry Pi入門 第4版
※表紙にも対象はPi3だってちゃんと書いてあるのに、4Bを買ってしまった私…

ラズパイの基本構築、Pythonの基礎、電子工作の基礎、という形で
初心者の私が知らない・知りたいことが
1冊にまとまっている印象です。

といっても頭から読んだだけでスッとわかるものでもないので、
この本を軸に進めて、わからないところをググっては触り、
学んだことをアウトプットする、
というサイクルでやっています。

今日やろうとしているページ

この本の240ページあたりから、「最初の一歩」として
LEDとスイッチの講座が始まるので
さっそく読んでみました。

LEDの仕様がザーッと書いてあり、GPIOピンとの接続のしかたとか
安全に電気を流すための計算方法などが書かれていますが…

抵抗値=(電源電圧ー順電圧)÷流したい電流

という式を見て、早速つまずく。

オームの法則、「電圧=電流×抵抗」という暗記文句は覚えてたけど
電源電圧から順電圧を引くのはなんで?とか
そもそも順電圧ってどういうこと?とか
流したい電流って誰が決めるの?とか

そのあたりがよくわからないので、先に勉強することに。

電圧と電流について

まず、そもそも「電圧」と「電流」の違いもピンと来ていないので
中学理科を一度やり直すことにしました。

【中2 理科 物理】 直列回路の電流・電圧 (16分)
https://youtu.be/VEzzn7tsgoc

家庭教師で有名なトライさんによる、
『映像授業TryIt』という
YouTubeのサービス。

この動画、本当にわかりやすかったです。
「抵抗(電熱線)」「電流計」「電圧計」もまとめてお勉強。
恐ろしいくらい忘れていました。

ただ、たぶん理解を促すための比喩なんだと思うのですが
「電気の粒の勢い」と「一秒間に流れた電気の粒の数」って
聞きようによっては同じに聞こえるような…
「勢い」っていうのがもう少し具体的にわかるといいのかも。
でもなんとなく理解できたように思います。

ひとまず、今回のLEDの電気回路では、
回路内に抵抗(電熱線)をおくことにより、
・LEDにかかる電子の勢い(電圧)を調節する
・回路全体に流れる粒量(電流)を調節する
が目的ということで良いのか…

ラズパイのGPIOピンにつなぐので、
トライさんのような直列回路にはならないみたいなんですが
イメージとしてはこんな感じ。

・LEDのV+抵抗のV=電源のV
・LEDのA=抵抗のA=電源のA

LEDについて

次に、今回の対象であるLEDの基本知識を学びました。

LED素子販売・LED製品製造事業を手掛けておられる
草心デジタル有限会社さんのサイトにあった、
LEDトピックスというページが大変わかりやすかったです。
・LED用語集
・LEDの抵抗値の計算方法

私なりの言葉で書くと、
・LEDにかける電子の勢い(電圧)は、順電圧とイコールか少し高めで良い
・電気を流すと「順電圧」分だけ電圧が生じる
・順電圧より低い電圧をかけても光らない
・回路全体に流す粒量(電流)は、順電流を絶対に超えてはならない
・電流が大きいほど明るく光るが消耗もする

で、順電圧と順電流はLEDによって違うそうなので
私のもっているLEDのデータシートを探したのですが
キットの中に見当たりません。。。
OSOYOOさんのサイト のものとおそらく同じと考えて、

順電圧(赤) 1.8-2.3V
順電流    20mA

ということにします。

本のアドバイスも参考に、回路全体に流す電流は
「1mA」にしようと思います。

LEDにかかる電圧については、回路で調節するのではなく
LEDを繋いだ時点で値が決まっている(?)という理解で良いのだろうか?
(抵抗はあくまで抵抗値しか調節できないので
 電流値も電圧値も任意では両者とも決定できないぞ・・・?)

取り急ぎ、電圧については“かけたい”ではなく”消費する”に
日本語を書き換えました。
※最小から最大まで幅があるようですが、真ん中の2.0Vで計算することにします。

で、
・LEDのA=抵抗のA=電源のA
なので

こうなります。

抵抗値の計算

ここで、ラズパイに戻って、
ラズパイの電源電圧は3.3Vだそうです。

で、さらに
・LEDのV+抵抗のV=電源のV
なので

こうなります。

これでようやく、抵抗値を求めることができました。
1.3V ÷ 1mA = 1.3kΩ

ただしスターターキットの中には、
1kΩの抵抗と、200mΩの抵抗は入っていたのですが
ちょうど1.3kΩになる組み合わせがありません。

電流の1mAというのはあくまでアドバイス値であり、
20mA以内であれば大丈夫なので
今回は1kΩの抵抗で
回路を作ろうと思います。

疲れたので今日はここまで。