Raspberry Piで 一緒に「Lチカ」しましょう (前編)

Raspberry Piで 一緒に「Lチカ」しましょう (前編)

前回はラズベリーパイの設定を簡単にご紹介しました。今回は、ラズベリーパイの醍醐味と言える簡単な電子回路の制御を行います。ラズベリーパイと電子回路は、メイン基板上に用意されたGPIOポートに電子回路を接続するだけでよく、特別なインターフェイスは必要ありません。前編、中編、後編の三回に分けてもっとも基本的なLEDをチカチカ点滅させる制御、略して「Lチカ」をしてみましょう。

電子回路のお話

前回コラムはこちらから。
まずは、電子回路の部分のお話をします。LEDを点灯させる回路はどのように回路を組んだらよいでしょうか。

まず、思いつくのは以下のような回路ですね。

さて、ここで実際の電圧、定格電流が記載されています。まずは、電圧ですがGPIOポートから出力される電圧(VCC)は 3.3[V]です。また、今回使用するLED(LED1)の定格を確認すると「2[V], 20[mA] 」となっています。(部品のスペックは必ず確認しましょう)

このまま電源とLEDを直接接続してしまうとLEDを破損させてしまうので、抵抗器(R1)を入れて、規定内の電圧/電流に抑える必要があります。LEDにこの定格電流を流す時には、何オームの抵抗を接続すればよいでしょうか。

まず、LED1にかかる電圧を3.3[V]から2[V]に落とすので、3.3[V]-2[V]=1.3[V]がR1の両端にかかるようにすればよいことになります。また、電流をLED1に20[mA]流したいわけですから、抵抗(R1)も直列接続なので同じ20[mA]となります。

つまり、R1にかかる電圧、電流はそれぞれ 電圧(V) = 1.3[V], 電流(I) = 20[mA]  となればよいわけですね。(電流はミリアンペア( 1/1000 [A] )であることに注意)

後は、昔学校で習った「オームの法則」 R=V/I の公式に当てはめると

R = V/I = 1.3/(20/1000) = 1.3/20×1000 = 65[Ω]

というわけで、65[Ω]の抵抗を入れればよいことになります。ギリギリで攻める必要はないのでそれ以上の抵抗を入れてあげればLEDを破損させずに済みます。ただし、抵抗が大きければ大きいほどLEDの輝度は下がります。

これで電子回路部分の基本設計は完成です。

電気回路について非常にわかりやすく以下のサイトに記載されておりますので、苦手な方や遥か昔に学校で習ったけれど忘れてしまった方はご参照ください。

「電気の資格とお勉強」
http://eleking.net/k21/k21t/k21t-ohm.html

しかしながら・・・もうひとつの考慮事項

これで完了かと思いきや、LEDを保護するという意味で、抵抗値を決めましたがもうひとつ考えないといけないことがあり、それはラズベリーパイ本体のことです。

https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/power/README.md

こちらに記載されているように、GPIO全体で50[mA], ピン毎では16[mA]が安全な電流値であると記載されています。先ほどの回路は、LEDの定格に合わせて20[mA]を流すことを想定していますので、これではラズベリーパイの寿命を縮めたり、最悪の場合壊れてしまうかもれしれません。

そこで、電流を16[mA]として再計算すると、

R= V/I = 1.3/(16/1000) = 1.3/16 x1000=81.25[Ω]

となります。いずれにしても、キリが良い100[Ω]程度を用意しておくとよいでしょう。

ラズベリーパイ GPIOポートとの接続

次に電子回路とGPIOポートの接続について考えます。まずは、こちらの図をご参照ください。GPIOポートのピンアサインが示された図でピンをクリックすると右側に説明が出ます。

先ほど作った回路図の電源部分をこのGPIOポートが担うことになります。各説明の小さい数字が物理的なピン番号 (1から40番まで)、右側が機能(役割)になります。上記の回路図の直流電源のプラス極が 「BCM xx」 として設定でき、マイナス極が 「Ground」 のピンに相当します。基本的には 「BCM xx」、また 「Ground」 と書かれたピンは複数ありますが、基本的には特に場所は問いません。

今回の例では、プラス側を物理ピン番号11番(BCM17), マイナス側を 物理ピン番号14番(Ground)に接続します。最終的にLEDを点灯させるときにはプログラム側でピン番号11番(BCM17)を指定して通電させてあげればよいわけです。

※注意※ 今回はRaspberry Pi2 Model Bで説明しますが、モデルによってGPIOのピンアサインが異なる場合があり、異なるピンに接続すると機器を破損される恐れがあるため接続前によくご確認ください。

実際に接続してみましょう。(基本回路)

それでは、実際に接続してみましょう。まず、必要となるのは以下のパーツになります。

  • LED
  • 抵抗器   (今回は100[Ω])
  • リード線
  • ブレッドボード

直接、部品同士をハンダ付けしてもよいのですが、回路を組み替えたいときに、部品を挿し直すだけで良いブレッドボードというものを使います。穴が裏側で縦に接続されており、穴に挿すだけで接続できるので今回のように色々と試したいときに便利です。但し、すぐに抜けてしまうというデメリットもありますので、回路が決まったら別基板にハンダ付けして固定しましょう。なお、一番最初に示した基本的な電子回路を実際に接続するとこんな感じになります。

そして、ラズベリーパイとGPIOポートを連携させた回路がこちらになります。ラズベリーパイと接続しただけでまだラズベリーパイ側はポートのスイッチがオフの状態なので残念ながらLEDは点灯しません。

まとめ

いかがでしたでしょうか。今回は電子回路を作成し、Raspberry Pi2 に接続してみました。
回路が正常であればRaspberry Pi2 のGPIOのピンに3.3[V]の電圧をかければLEDが点灯するはずですので、それはまた次回。どうぞお楽しみに!

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