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


　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。


結線図ブレッドボード


　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。


■220Ω抵抗のLED点灯(明るい)


220Ω


■1kΩ抵抗のLED点灯(中くらい)


1kΩ


■10kΩ抵抗のLED点灯(暗い)


10kΩ


　LESSON2の内容は説明書ではここまでですが、デジタルマルチメータ―を持っているので、各箇所の電圧を測って、電流値を予測し、消費電力の概算をしてみましょう。


　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。


\( I_F \)（Forward Current：順方向電流）－\( V_F \)（Forward Voltage：順方向電圧）特性


測定を増やした結果は以下の通り


実測抵抗値 抵抗電圧 VR V_R IF I_F VF V_F
9.95kΩ 3.000V 0.302mA 1.755V
7.11kΩ 3.173V 0.446mA 1.772V
5.124kΩ 3.196V 0.624mA 1.787V
1.998kΩ 3.060V 1.532mA 1.834V
995Ω 2.830V 2.844mA 1.879V
658Ω 2.840V 4.316mA 1.911V
442.6Ω 2.810V 6.349mA 1.931V
222.5Ω 2.780V 12.494mA 2.020V


　\( I_f - V_f \)特性は以下のとおりです。


IF (mA) VF (V)
0.302 1.755
0.446 1.772
0.624 1.787
1.532 1.834
2.844 1.879
4.316 1.911
6.349 1.931
12.494 2.02


　グラフにすると以下のような感じ


If-Vf特性


　つまり、このような表をみて、最大の明るさ付近である12mAで2Vになるあたりを使いたいなと思ったら、ソース電圧\( V_S \)と\( V_f \)の差から\( 5 - 2 = 3 \)という値から \( 3 \div ( 12 \cdot 10^{-3}) = 250 \)と計算して、必要な抵抗は\( 250[Ω] \) あたりだと計算できます。したがって抵抗の算出式は


\[ R = \frac{V_S - V_f}{I_f} \]


　となりますね。自分で抵抗を決められるようになるね。


　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。


　回路図部分でマウスホイールを動かすと拡大縮小ができて、なにもないところをドラックアンドドロップすることで回路図全体を移動できる仕組みになっています。


　ブレッドボードを追加するには、Arduino Unoを追加したときのような感覚で、ブレッドボードを回路図表示部分にドラッグアンドドロップすればよいです。抵抗とLEDも同じようにドラッグアンドドロップでブレッドボード内の所望の位置で配置しましょう。


　配線はブレッドボードの穴や、Arduino Unoの端子の穴などの接点にカーソルを持っていくと四角いアイコンになるので、そこでクリックして、また接点や穴の位置でクリックすると2点間が結線されます。色は上部のツールバーみたいな部分で選べます。


　マルチメータ―も存在していますので、同じように結線をすると、シミュレーション開始したときに測定ができるようになっています。今回は電圧計だけを使いました。


　抵抗値は抵抗をアクティブにしたときに現れる設定ダイアログから抵抗値を指定できます。LEDは特性は選べなくて、色だけが選べます。こちらもスターターキットと同じく謎のLEDですね。


全体図


  • 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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