透過Raspberry Pi閃爍LED專案學習歐姆定律、GPIO和電晶體知識

Published by Deviceplus 編輯團隊 at 2023.07.12

[目錄]

前言
從閃爍LED學起
歐姆定律
Raspberry Pi的GPIO
透過電晶體控制LED
關於閃爍LED的更多知識
閃爍LED專案開發
如何應用我們的設計？

前言

在過去幾年中，隨著電子行業的發展，微控制器變得非常流行。現在，我們可以使用緊湊的小型元件來感知和控制各種事物，包括光、聲音、運動和圖像，這感覺很神奇。我小時候的未來夢想正在慢慢實現，這令我感慨萬千。

電子製作的內容已經發生了變化，早已不再是用電晶體制作收音機的時代了。進入媒體藝術領域以後，我把電子作品視為工具和材料，就像畫筆和顏料，幫助我在藝術領域更充分地表現自己。藝術的表達方式有很多種，而另一方面，愛好動手製作的這類人被稱為“創客”。當我看到很多地方都在舉辦相關活動時，我感慨“興趣愛好”作為一種亞文化的概念已經發生了變化。

現在，我喜歡用Raspberry Pi進行電子設計，人們可以輕鬆訪問該系統的各種資源。其作業系統還安裝了多種應用程式，而且簡單易用。

本文使用的Raspberry Pi 3 Model B＋

從閃爍LED學起

“閃爍LED”，顧名思義，您會在電路中看到LED燈交替點亮和熄滅。當然，讓LED燈閃爍很簡單，我們可以利用電晶體和電容等元件重現電路的構建。順便說一下，下圖這個電路是在我的電子作品中經常使用的一種電路，叫做非穩態多諧振盪器電路。該電路由兩個電晶體、兩個電容、四個電阻和一個LED組成。這些元件焊接在電路板上，用乾電池供電。

電路示例：非穩態多諧振盪器

作品示例：鐵路標誌

在該電路中，LED燈會以大約一秒的間隔閃爍。如果想改變燈的閃爍速度，我們得改變電容的容值和電阻值。要加快閃爍速度，就要減小的電容容值。

我們可以透過微控制器實現這個調整。
透過Raspberry Pi的GPIO輸出點亮LED非常簡單且易於處理。這方面內容很多書籍中都有介紹，而且市面上有許多功能模組化的專用擴展板，都能提供相關詳細資訊。但是，他們並沒有深入探討構建電子電路所需的一些最基本的重要知識，所以讓我們在這裡回顧一下。請回憶一下小學和初中科技課本上學到的知識。

歐姆定律

歐姆定律的描述為：電流=電壓/電阻。我學習這個定律的時候，該公式被寫成I = E/R。現在的公式是A = V/Ω，對吧？

貌似現在的教科書用的基本都是這個公式，“A（安培）= V（伏特）/Ω（歐姆）”強調的是單位本身，可能更直觀易懂。

您可能會在參考書中看到這樣的圖，但是請注意自己對這個公式的記憶方法。對了，我有一個動物園的朋友，他是這樣記憶這個公式的：

“地平線將地球分為上下兩部分，天空中有海鷗，海中有魷魚和章魚”

現在，我們就以電池點亮LED為例來說明歐姆定律的實際應用。您可以將LED連接到電源（此處為電池），但由於LED是一種二極體，因此電流有一個方向：將A（陽極）連接到電源正極，將K（陰極）連接到電源負極。

這個連接方向雖然正確，但實際上如果這樣直接連接，LED可能會損壞。為避免損壞元件，流過元件的電流大小必須正確。

正確的電流值請參考元件的額定參數表（技術規格書）。我們以一個參數為3.5V/20mA的白光LED為例，這種電參數可以解釋為“如果電壓電流位於這個安全範圍內，那麼不會損壞”。換句話說，“如果電參數超出這個範圍，它可能會損壞。”

因此，適用於該LED的最佳電壓為3.5V，流過的最佳電流為0.02A。

首先，如果電壓為3.5V，就得考慮使用電壓更高的電源，比如一個由四節乾電池組成的6V電源。嚴格來說，一節新電池的電壓可能接近1.6V。當然，目前我們先按照四節電池總電壓為6V進行討論，稍後再介紹全新電池的電壓情況。

我想把6V中的3.5V電壓施加到LED上，那麼剩下的2.5V就得施加到另一個元元件上。這可以透過分壓來實現，因此LED需要串聯一個負載，一個簡單的電阻器即可。

我們來回想一下微型燈泡串聯和並聯的實驗情況，它們的亮度不一樣。負載（微型燈泡）串聯時，電路電壓分配到兩個微型燈泡上，負載加倍，所以流過電路的電流為1/2，微型燈泡較暗。

微型燈泡存在個體差異（比如疲勞程度），這會導致負載有所不同

分壓之後，每個元件得到一部分電壓。現在，我們返回來討論LED。由於LED是半導體，我們不將其視為負載。因此即使是分壓電路，電路中的電流也得透過除LED以外的元件進行計算。

流過電路的電流應該是20mA，那麼我們應該使用多大的電阻呢？這可以使用歐姆定律計算。因為“電阻=電壓/電流”，2.5V/0.02A=125Ω，所以LED應串聯一個125Ω的電阻。電路電壓由LED和電阻器分壓。

然而，市場上並沒有阻值是125Ω的電阻。最接近的電阻阻值為120Ω和130Ω。如果選用120Ω，那麼根據歐姆定律，電路的電流為25/120 = 0.0208333。這個值超過了20mA，因此我們應選用130Ω的電阻。電流不超過20mA就可以了。

現在，我們討論使用全新乾電池的情況。如果每節電池的電壓是1.6V，那麼總電壓就是6.4V。如果電阻上的電壓為2.9V，那麼經過計算其阻值為145Ω。所以，選用一個150Ω的電阻足夠了。當然，電阻越大電路越安全，但是LED會變的更暗。請根據自己的設計環境選擇適當的阻值。該電阻被稱為限流電阻，因為它的作用就是控制流過電路的電流。

Raspberry Pi的GPIO

Raspberry Pi有許多稱為GPIO的輸入/輸出埠，可用於控制外部設備。我沒有描述這方面的細節，那我該如何解釋電信號是如何產生的呢？

比如，用這個端子能否點亮LED？

當然可以！然而，如前所述，不同LED的額定參數不同。比如，如果我們要點亮一個紅色2.0V 20mA的LED，需要使用一個限流電阻。GPIO的輸出電壓為3.3V，那麼分給限流電阻的電壓為1.3V，透過的電流為20mA。不過，Raspberry Pi的GPIO最大只能提供16mA的電流，根據歐姆定律，限流電阻應為“1.3V/0.016 = 81.25Ω”，所以我使用了100Ω電阻。雖然這樣無法達到該LED的額定性能，但是足以點亮它。您可以很容易地在麵包板上做一下這個實驗。

實現LED燈閃爍最好的方法還是使用Scratch。

聲明GPIO，將GPIO4設為輸出，然後向GPIO4輸出ON (Hi)。
如果使用左圖程式，LED會一直處於點亮狀態所以要用OFF（low）來關閉它

如果按照上面的左圖程式組裝，每秒最多可開關10次

現在，我們已經設法製作出了閃爍的LED燈，但是，如前所述，Raspberry Pi的GPIO的輸出電流存在限制。如果您想使用白光或藍光3.5V LED，或者連接多個LED（想要更亮一些），或者使用大功率、超亮LED，怎麼辦呢？此時，單個GPIO輸出很難實現這種功能。因此，我們需要使用另一個電源供電，並構建一個單獨的電路來驅動LED。LED可以使用專用LED驅動器進行驅動，但是本節介紹一種使用電晶體的簡單驅動方法。

透過電晶體控制LED

本文使用的是NPN型電晶體2SC1815（目前與2SC1815L、KSC1815等相容）。電晶體的作用是放大和開關。

我們給基極一個輸入，電流就會從集電極流向發射極。此時，基極的輸入信號就被放大成一個較大的電流信號。這個過程稱為開關。換句話說，模擬處理的過程是放大，數文書處理的過程是開關。由於這是透過Raspberry Pi操作的，我們可以將其看成是一個開關功能。

NPN電晶體符號及外形示例

NPN電晶體的基極得到一個正輸入後，集電極和發射極就會導通。如果是PNP型電晶體，就需要一個負輸入。

根據2SC1815的額定參數表，流過集電極的電流可達150mA。電晶體產品是根據放大係數分級的，在Y級別中，放大係數為120至240。我們假設放大係數為200，要達到150mA的集電極電流，那麼流過基極的電流應該為0.75mA。這意味著GPIO只需要輸出一個很小的電流。

這裡我們連接了一個10kΩ電阻，作為基極的輸入。LED採用白光3.5V 20mA，並透過外部乾電池供電，因此電路的電壓為6V。根據前文的討論，我們還給LED串聯了一個150Ω的限流電阻。

我們按照下圖連接好各個元件。

現在，我們把電晶體基極連接到Raspberry Pi的GPIO。首先，我們用麵包板進行實驗。

剩下的就需要寫程式了。但是，您可以像在Scratch中一樣使用之前的程式。當然，如果所連接的GPIO引腳變了，那麼應該在程式中更改引腳編號。

基本步驟如下，聲明使用GPIO，設置該引腳輸出、輸入等，然後輸出ON（Hi）或OFF（Low）。由於正輸入透過ON (Hi) 輸出施加到電晶體的基極，因此集電極和發射極之間導通，LED點亮。

程式中可能會描述PullUp和PullDown，但這裡沒有必要，因為引腳已經連接了一個10kΩ電阻到電晶體的基極，作為下拉電阻使用。換句話說，這是硬體設置。

關於閃爍LED的更多知識

如何才能讓LED燈閃爍呢？這並不難，因為我們可以用程式來控制ON（Hi）輸出或OFF（Low）輸出。想像一下，第一個輸出是OFF (Low)，然後輸出ON (Hi)，並保持1秒，然後輸出OFF (Low)，也保持1秒，然後再次輸出ON(Hi)，只要這樣反復即可。那麼，我們就會看到LED燈在閃爍。這個Scratch程式例子就是前面文中提到的那個示例。