通過Raspberry Pi使用LED和電機(jī)：如何處理大電流

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

本文最初發(fā)布在deviceplus.jp網(wǎng)站上，而后被翻譯成英語。

在本系列文章中，主要是通過使用Raspberry Pi創(chuàng)建的簡單項(xiàng)目來學(xué)習(xí)電子設(shè)計(jì)的原理及基礎(chǔ)知識(shí)。此次的分享嘉賓是伊藤尚未先生，一位媒體藝術(shù)家和作家，以講解“更深層次的原理”而聞名。上一篇文章中我們談了LED燈閃爍的原理，接著我們來學(xué)習(xí)如何通過Raspberry Pi處理稍大的電流以控制電機(jī)。

目錄

前言

LED的結(jié)構(gòu)

LED的性能

兩種亮度表述方式：坎德拉和流明

色溫

廣角型和窄角型

適配選型

嘗試通過Raspberry Pi控制電機(jī)

大電流的處理方法

PWM控制

結(jié)論

1. 簡介

在上一篇文章中，我們嘗試用Raspberry Pi上的GPIO來點(diǎn)亮LED，由于只要涉及到處理電子元器件，就必須留意流過電子元器件的電流，所以我們用電阻器對(duì)流過LED的電流進(jìn)行了限制。

我們也探討了可以用歐姆定律來計(jì)算。如今市場中的LED琳瑯滿目，所以需要仔細(xì)閱讀不同LED的額定參數(shù)表和技術(shù)規(guī)格書。在電路設(shè)計(jì)過程中，沒有比注意電壓和電流更重要的了。

電壓過高或電流過大均可造成損壞，好不容易設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品如果因?yàn)殡妷弘娏鲉栴}功虧一簣，實(shí)在令人扼腕。

可能會(huì)著火甚至爆炸

但是，即使出現(xiàn)這種情況，也不要輕言放棄（我也有這種經(jīng)歷），失敗乃成功之母，但也絕不提倡“刻意破壞”作品！除了損壞外，還有可能出現(xiàn)元器件爆炸或過熱等情況，可能會(huì)使人受傷甚至引起火災(zāi)，因此必須格外注意。

言歸正傳，接下來我們會(huì)再稍微詳細(xì)地探討一下LED的性能。

2. LED的結(jié)構(gòu)

子彈頭LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

子彈頭LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

實(shí)際發(fā)光器件是中間圓盤中的那個(gè)小芯片。圓盤就像一個(gè)反射器，罩殼頂部設(shè)計(jì)成透鏡形狀，方便燈光散射。

部分產(chǎn)品的陽極側(cè)也可能會(huì)連接一個(gè)圓盤，所以并不能全部通過內(nèi)部引線框架的形狀來確定LED的結(jié)構(gòu)。

3. LED的性能

有兩種亮度表述方式：坎德拉和流明。

仔細(xì)閱讀LED的技術(shù)規(guī)格書后發(fā)現(xiàn)，亮度表述方式有兩種，即“cd（坎德拉）”和“l(fā)m（流明）”。兩者均采用數(shù)字的方式表示亮度，即數(shù)值越大亮度越高，但各自的含義存在本質(zhì)區(qū)別。

將光源發(fā)出的光視作“線”（即光束）時(shí)，光源的發(fā)光總量用“l(fā)m（流明）”來表示。在實(shí)際應(yīng)用中，某些器具因?yàn)樾螤畹脑?，由于透鏡和反射器的作用，光線可能無法向背面散射，而是朝向一個(gè)方向發(fā)射，將單位立體角的光通量稱為光強(qiáng)，用“cd（坎德拉）”表示。

此外，大家可能還知道亮度單位“l(fā)x（勒克斯）”，表示光接收表面的亮度（照射在單位面積上的光通量）?；A(chǔ)知識(shí)大概就這些。

順便提一下，這種常見的子彈頭LED，由于樹脂罩殼內(nèi)的反射作用，光線多少會(huì)從背面漏出來一些。但如在功率LED的背面配置一塊鋁基板，不僅可用來散熱，也能阻擋光從背面漏出來。從具體產(chǎn)品看，會(huì)發(fā)現(xiàn)功率LED的亮度多用流明(lm)來表述，可能是考慮到這樣的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而選用的單位吧。

色溫

色溫的單位為“K”（開爾文）。比如：在熔爐中敲打鐵釘時(shí)，鐵釘會(huì)逐漸變紅，并發(fā)出紅光，這種現(xiàn)象稱為“熱輻射”；隨著溫度升高，顏色會(huì)變黃。熱輻射規(guī)定了溫度變化引起的顏色變化，并以符號(hào)來表示。

特別是白光LED的光線顏色包從含淺白色到橙色的各種顏色，稱為燈泡色溫，色溫值越高，顏色越淺。

廣角型和窄角型

也有“半角”等表述方式，角度代表光的擴(kuò)散范圍，具體取決于罩殼透鏡和引線框架的結(jié)構(gòu)。例如，亮度相同的LED，如果是窄角型LED，光線中心最亮，其周圍突然變暗，而如果是廣角型LED，則光線擴(kuò)散范圍較廣，而且能一定程度上均勻照亮。

適配選型

現(xiàn)在大家對(duì)LED已經(jīng)有了一定的了解，以后選型時(shí)相信大家能夠選擇適合需求的LED。

例如，對(duì)于某些作品來說越亮越好，當(dāng)然，也需要結(jié)合預(yù)算；但如果主要用于照明，那么最好選用亮度較高的LED。如果主要用于顯示，則選擇亮度不高的LED也可以。比如在夜間或光線較暗的地方，如果采用亮度較大的7段LED，則會(huì)出現(xiàn)字母顯示模糊不清且很難看清數(shù)字的情況。

4. 嘗試通過Raspberry Pi控制電機(jī)

接下來，我們來談?wù)凴aspberry Pi。

如何使用Raspberry Pi控制LED以外的其他設(shè)備？例如，需要的電流比LED電流更大的設(shè)備（比方說電機(jī)），該如何控制？

說起模型制作用的直流電機(jī)，非常有名的要數(shù)萬寶至馬達(dá)公司生產(chǎn)的電機(jī)了。我們以標(biāo)準(zhǔn)的FA-130RA電機(jī)為例來介紹吧。

外包裝性能表上標(biāo)注的電壓和電流分別為1.5V-3V和500mA，這種電機(jī)通常多用于模型和玩具，所以一般根據(jù)干電池電源來設(shè)置其電壓。

電機(jī)通過磁場中線圈接收的力來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。另外，由于線圈本身會(huì)產(chǎn)生電抗等看不見的電阻，所以難以掌握電流的情況。

暫且只能以包裝上標(biāo)注的3V和500mA為準(zhǔn)。

以2SC1815晶體管為例，由于流經(jīng)晶體管集電極的電流高達(dá)150mA，所以500mA電流高于其額定電流值。這種情況該如何處理呢？

對(duì)此有幾種處理方法。

大電流的處理方法

例如，可使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用擴(kuò)展板或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC，具體選用哪種方法取決于擴(kuò)展板和IC的功能，所以可直接根據(jù)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)等使用方式來選用。

另一種方法是使用繼電器。繼電器是與線圈（即電磁體）接觸的一種機(jī)構(gòu)，所以有些繼電器可能需要配備晶體管（與LED那篇一樣）等來驅(qū)動(dòng)線圈單元。可以說，與開關(guān)一樣，只要在額定范圍內(nèi)，電源（100V）即可正常導(dǎo)通和關(guān)斷。

另外，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生物理接觸，所以其使用壽命取決于使用頻率。還可采用易用性相同、由半導(dǎo)體組成的SSR（固態(tài)繼電器）。

圖片為透明封裝的繼電器（可看到內(nèi)部線圈）

以上列出了幾種不同的方法，可能還有些我不太了解的方法和產(chǎn)品，總之我認(rèn)為最好選用符合目標(biāo)作品需求的方法。

現(xiàn)在，讓我們回到最基本的做法，用晶體管來嘗試驅(qū)動(dòng)。

我選擇的是可承載較大電流的2SC2655L，其集電極額定電流高達(dá)2A，這么高的電流這還不足以驅(qū)動(dòng)這臺(tái)直流電機(jī)嗎？與LED那篇的介紹一樣，可以通過電路來連接。

電路是用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電路，從GPIO通過一個(gè)1kΩ電阻器將晶體管的基極與集電極相連接，電路示意圖如下：

面包板組裝示意如圖如下：

我在Scratch上使用了和上一篇文章一樣的程序，也就是說，只是改變了LED等器件，程序可以采用相同的程序。雖說如此，運(yùn)行起來卻完全不同，這是因?yàn)殡姍C(jī)與LED不同，并不是那種可以突然開啟、突然停動(dòng)的器件。

我暫且嘗試了以下的形式。聲明GPIO，將引腳4設(shè)置為輸出，然后每秒重復(fù)開關(guān)10次。

我在電機(jī)上配有風(fēng)扇，暫且將它當(dāng)做電風(fēng)扇來用吧?？梢哉f這是一個(gè)風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可在面包板上嘗試各種不同的配置。

通過開關(guān)的ON/OFF即可轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。

那么，如何控制轉(zhuǎn)速呢？

最近一些電風(fēng)扇能夠間歇性送微風(fēng)，例如“微風(fēng)模式”，我們也可嘗試實(shí)現(xiàn)這種模式。

PWM控制

PWM是一種常用的數(shù)字控制方法。

PWM即“脈沖寬度調(diào)制”，本質(zhì)上是一種通過調(diào)節(jié)快速信號(hào)周期中的脈沖寬度來改變一個(gè)周期ON/OFF狀態(tài)的方法。如果處于ON時(shí)間長的狀態(tài)（如Fig. 2），則其電量將大于ON時(shí)間短的狀態(tài)（如Fig. 3）下的電量，換句話說，直流電機(jī)在Fig. 2狀態(tài)下轉(zhuǎn)速較快，反之亦然。

現(xiàn)在，讓我們嘗試在Scratch中來構(gòu)建。聲明GPIO，將引腳4設(shè)置為PWM輸出，創(chuàng)建變量”power4″并將初始值設(shè)置為0。

在計(jì)算模塊中將”power4″輸出到GPIO4。另外，也可將屏幕中的變量顯示模式設(shè)置為滑塊顯示，通過滑動(dòng)按鈕來控制風(fēng)量。此時(shí)，如將滑塊最大值設(shè)置為“1023”，則風(fēng)扇將全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

接下來就可以嘗試自動(dòng)停止送風(fēng)、重新開始送風(fēng)、重復(fù)該模式的運(yùn)行方式了。另外，我們還會(huì)嘗試導(dǎo)通LED。
還是通過PWM控制，LED也會(huì)隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化而變亮和變暗。

電路圖如下所示：

面包板如下圖所示：

Scratch程序如圖所示：

提高變量值，并使該狀態(tài)按最大值保持5秒；然后降低變量值，在0處保持5秒，如此重復(fù)。LED的亮度也隨之變化。

看起來我們的作品越來越像實(shí)驗(yàn)設(shè)備了！

大家覺得怎么樣？現(xiàn)在我們得到的是一個(gè)可以清涼一夏的風(fēng)扇。

4. 結(jié)論

雖然只是一名媒體藝術(shù)家，但做實(shí)驗(yàn)時(shí)我更感覺自己像個(gè)工程師，至少看起來像，構(gòu)建這樣一個(gè)設(shè)備會(huì)讓人產(chǎn)生這種感覺。

從某種意義上說，這次我們做出了工程師才能做出來的作品。在下一篇文章中，我們將嘗試使用傳感器，同時(shí)還會(huì)更深入地思考相應(yīng)的原理和組裝方面的問題。

畢竟，就像作畫一樣，只有充分掌握了顏料的特性和工具的使用方法后，才能創(chuàng)作出藝術(shù)作品。

DevicePlus 編輯團(tuán)隊(duì)

設(shè)備升級(jí)版適用于所有熱愛電子和機(jī)電一體化的人。

審核編輯黃宇