Arduino Mega 2560 LESSON:2 異なる値の抵抗を使用してLEDの輝度を変更する
概要
LESSON2です。異なる値の抵抗を使用してLEDの輝度を変更するという内容です。ブレッドボードを使うLESSONになっています。
ブレッドボードは上記のような形式で、薄緑の線で描いた部分が内部で繋がっています。この接続をうまく利用していくつかの回路を仮で実現する簡易的な回路作成器になります。接点数がおおいほど内部抵抗が多くなるので誤差が大きくなっていきます。
このLESSONで使う回路は以下のようなものです。
LEDがTinkercadでは右にしかプラス端子を持ってこれないのでクロスするカタチで結線されていますが、＋5V→抵抗(220Ω/1kΩ/10kΩ)→LED→GNDという回路です。
実物では、DC5Vを供給するのにPCとUSB接続しているときは、入力電圧が不安定になり、4.78～4.90Vで揺らいでいました。PD充電にすると5.030～5.035Vで比較的安定。付属の9V DC Inputを利用すると5.015Vでかなり安定している感じでした。付属の9V DC Inputを利用するようにして最終的に実験しました。また、配線が多すぎる取り回しをしたので、220Ωの抵抗を取り付けている状態でMega 2560のDC5Vピン→抵抗の+側の電圧を測ると20.8mV、LEDのマイナス側→Mega 2560のGNDピン側の電圧を測るGND側で73mVの電圧降下があり合計94mVの電圧降下が確認されました。わりかしロスするので高い電流になればなるほど、回路部品以外での電圧降下が顕著になります。
- 10(9.95)kΩ 抵抗部=3.000V、LED部=1.755V 抵抗+LED(電源-GND)=4.760V
- 1(0.995)kΩ 抵抗部=2.830V、LED部=1.879V 抵抗+LED(電源-GND)=4.850V
- 220(222.5)Ω 抵抗部=2.780V、LED部=2.020V 抵抗+LED(電源-GND)=4.800V
- 10kΩ：約0.302mA
- 1kΩ：約2.84mA
- 220Ω：約12.49mA
抵抗があることで、引き込む電流が変化していることに注目すべきですね。つまり、これは抵抗が大きいのが付いてる方がLEDは暗くなり消費電力が抑えられていることを意味します。消費電力は
\[ W=I^{2}R=VI \]
で計算できるので
| 抵抗 | 電流 | 抵抗の消費電力 | LEDの消費電力 | 回路全体 |
| 9.95kΩ | 約0.302mA | 約0.905mW | 約0.529mW | 約1.44mW |
| 995Ω | 約2.84mA | 約8.05mW | 約5.34mW | 約13.8mW |
| 222.5Ω | 約12.49mA | 約34.7mW | 約25.2mW | 約60.0mW |
ELEGOOのLessonでは安全に実験できる構成が示されている。一方、付属LEDの型番やデータシートが確認できないため、その部品固有の定格や特性までは分からない。そこで今回は、教材で使用される範囲を大きく外れない範囲で実測し、おおまかな \(I_F-V_F\) 特性を確認してみることにする。それは明日以降ということで。
Tinkercadでも同じ実験をしてみた。実物でないとわからないことも多かったので、Tinkercadだけで学習しなくてよかったかもしれない。でもこちらでも各種電圧測定をやっておこう。理想形の答えがここにあるだろう。
- 10kΩ 抵抗部=3.23V、LED部=1.77V 抵抗+LED(電源-GND)=5V
- 1kΩ 抵抗部=3.11V、LED部=1.89V 抵抗+LED(電源-GND)=5V
- 220Ω 抵抗部=2.980V、LED部=2.02V 抵抗+LED(電源-GND)=5V
| 抵抗 | 電流 | 抵抗の消費電力 | LEDの消費電力 | 回路全体 |
| 10kΩ | 約0.323mA | 約1.04mW | 約0.572mW | 約1.62mW |
| 1kΩ | 約3.11mA | 約9.67mW | 約5.88mW | 約15.6mW |
| 220Ω | 約13.55mA | 約40.4mW | 約27.4mW | 約67.7mW |