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

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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

　

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