通过Raspberry Pi闪烁LED项目学习欧姆定律、GPIO和晶体管知识

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

本文最初发布在deviceplus.jp网站上，而后被翻译成英语。

Devices Plus的电子制作系列文章已经形成了一个庞大的体系。读者们也很喜欢根据我们的文章制作一些自己的作品。

然而，最近一位读者表示，“虽然我可以做出作品，但是我并没有真正掌握背后的原理。”确实，谈到电力、电子、电路和程序等内容，有些东西并不是那么简单，有时很难理解背后的基本原理。甚至我们编辑部的人员有时也会感到头疼！

此次的分享嘉宾是伊藤尚未先生，一位媒体艺术家和作家，以讲解“更深层次的原理”而闻名。本文将以闪烁LED灯项目为例讲述一些基本原理。要学的东西很多，所以我们直接学习最为重要的部分。当然，学完原理之后，我们还要理论联系实际，学以致用。

[目录]

前言

从闪烁LED学起

欧姆定律

Raspberry Pi的GPIO

通过晶体管控制LED

关于闪烁LED的更多知识

闪烁LED项目开发

如何应用我们的设计？

前言

在过去几年中，随着电子行业的发展，微控制器变得非常流行。现在，我们可以使用紧凑的小型器件来感知和控制各种事物，包括光、声音、运动和图像，这感觉很神奇。我小时候的未来梦想正在慢慢实现，这令我感慨万千。

电子制作的内容已经发生了变化，早已不再是用晶体管制作收音机的时代了。进入媒体艺术领域以后，我把电子作品视为工具和材料，就像画笔和颜料，帮助我在艺术领域更充分地表现自己。艺术的表达方式有很多种，而另一方面，爱好动手制作的这类人被称为“创客”。当我看到很多地方都在举办相关活动时，我感慨“兴趣爱好”作为一种亚文化的概念已经发生了变化。

现在，我喜欢用Raspberry Pi进行电子设计，人们可以轻松访问该系统的各种资源。其操作系统还安装了多种应用程序，而且简单易用。

本文使用的Raspberry Pi 3 Model B＋

从闪烁LED学起

“闪烁LED”，顾名思义，您会在电路中看到LED灯交替点亮和熄灭。当然，让LED灯闪烁很简单，我们可以利用晶体管和电容等元件重现电路的构建。顺便说一下，下图这个电路是在我的电子作品中经常使用的一种电路，叫做非稳态多谐振荡器电路。该电路由两个晶体管、两个电容、四个电阻和一个LED组成。这些器件焊接在电路板上，用干电池供电。

电路示例：非稳态多谐振荡器

作品示例：铁路标志

在该电路中，LED灯会以大约一秒的间隔闪烁。如果想改变灯的闪烁速度，我们得改变电容的容值和电阻值。要加快闪烁速度，就要减小的电容容值。

我们可以通过微控制器实现这个调整。
通过Raspberry Pi的GPIO输出点亮LED非常简单且易于处理。这方面内容很多书籍中都有介绍，而且市面上有许多功能模块化的专用扩展板，都能提供相关详细信息。但是，他们并没有深入探讨构建电子电路所需的一些最基本的重要知识，所以让我们在这里回顾一下。请回忆一下小学和初中科技课本上学到的知识。

欧姆定律

欧姆定律的描述为：电流=电压/电阻。我学习这个定律的时候，该公式被写成I = E/R。现在的公式是A = V/Ω，对吧？

貌似现在的教科书用的基本都是这个公式，“A（安培）= V（伏特）/Ω（欧姆）”强调的是单位本身，可能更直观易懂。

您可能会在参考书中看到这样的图，但是请注意自己对这个公式的记忆方法。对了，我有一个动物园的朋友，他是这样记忆这个公式的：

“地平线将地球分为上下两部分，天空中有海鸥，海中有鱿鱼和章鱼”

现在，我们就以电池点亮LED为例来说明欧姆定律的实际应用。您可以将LED连接到电源（此处为电池），但由于LED是一种二极管，因此电流有一个方向：将A（阳极）连接到电源正极，将K（阴极）连接到电源负极。

这个连接方向虽然正确，但实际上如果这样直接连接，LED可能会损坏。为避免损坏器件，流过器件的电流大小必须正确。

正确的电流值请参考器件的额定参数表（技术规格书）。我们以一个参数为3.5V/20mA的白光LED为例，这种电参数可以解释为“如果电压电流位于这个安全范围内，那么不会损坏”。换句话说，“如果电参数超出这个范围，它可能会损坏。”

因此，适用于该LED的最佳电压为3.5V，流过的最佳电流为0.02A。

首先，如果电压为3.5V，就得考虑使用电压更高的电源，比如一个由四节干电池组成的6V电源。严格来说，一节新电池的电压可能接近1.6V。当然，目前我们先按照四节电池总电压为6V进行讨论，稍后再介绍全新电池的电压情况。

我想把6V中的3.5V电压施加到LED上，那么剩下的2.5V就得施加到另一个元器件上。这可以通过分压来实现，因此LED需要串联一个负载，一个简单的电阻器即可。

我们来回想一下微型灯泡串联和并联的实验情况，它们的亮度不一样。负载（微型灯泡）串联时，电路电压分配到两个微型灯泡上，负载加倍，所以流过电路的电流为1/2，微型灯泡较暗。

微型灯泡存在个体差异（比如疲劳程度），这会导致负载有所不同

分压之后，每个元件得到一部分电压。现在，我们返回来讨论LED。由于LED是半导体，我们不将其视为负载。因此即使是分压电路，电路中的电流也得通过除LED以外的元件进行计算。

流过电路的电流应该是20mA，那么我们应该使用多大的电阻呢？这可以使用欧姆定律计算。因为“电阻=电压/电流”，2.5V/0.02A=125Ω，所以LED应串联一个125Ω的电阻。电路电压由LED和电阻器分压。

然而，市场上并没有阻值是125Ω的电阻。最接近的电阻阻值为120Ω和130Ω。如果选用120Ω，那么根据欧姆定律，电路的电流为25/120 = 0.0208333。这个值超过了20mA，因此我们应选用130Ω的电阻。电流不超过20mA就可以了。

现在，我们讨论使用全新干电池的情况。如果每节电池的电压是1.6V，那么总电压就是6.4V。如果电阻上的电压为2.9V，那么经过计算其阻值为145Ω。所以，选用一个150Ω的电阻足够了。当然，电阻越大电路越安全，但是LED会变的更暗。请根据自己的设计环境选择适当的阻值。该电阻被称为限流电阻，因为它的作用就是控制流过电路的电流。

Raspberry Pi的GPIO

Raspberry Pi有许多称为GPIO的输入/输出端口，可用于控制外部设备。我没有描述这方面的细节，那我该如何解释电信号是如何产生的呢？

比如，用这个端子能否点亮LED？

当然可以！然而，如前所述，不同LED的额定参数不同。比如，如果我们要点亮一个红色2.0V 20mA的LED，需要使用一个限流电阻。GPIO的输出电压为3.3V，那么分给限流电阻的电压为1.3V，通过的电流为20mA。不过，Raspberry Pi的GPIO最大只能提供16mA的电流，根据欧姆定律，限流电阻应为“1.3V/0.016 = 81.25Ω”，所以我使用了100Ω电阻。虽然这样无法达到该LED的额定性能，但是足以点亮它。您可以很容易地在面包板上做一下这个实验。

实现LED灯闪烁最好的方法还是使用Scratch。

声明GPIO，将GPIO4设为输出，然后向GPIO4输出ON (Hi)。
如果使用左图程序，LED会一直处于点亮状态所以要用OFF（low）来关闭它

如果按照上面的左图程序组装，每秒最多可开关10次

现在，我们已经设法制作出了闪烁的LED灯，但是，如前所述，Raspberry Pi的GPIO的输出电流存在限制。如果您想使用白光或蓝光3.5V LED，或者连接多个LED（想要更亮一些），或者使用大功率、超亮LED，怎么办呢？此时，单个GPIO输出很难实现这种功能。因此，我们需要使用另一个电源供电，并构建一个单独的电路来驱动LED。LED可以使用专用LED驱动器进行驱动，但是本节介绍一种使用晶体管的简单驱动方法。

通过晶体管控制LED

本文使用的是NPN型晶体管2SC1815（目前与2SC1815L、KSC1815等兼容）。晶体管的作用是放大和开关。

我们给基极一个输入，电流就会从集电极流向发射极。此时，基极的输入信号就被放大成一个较大的电流信号。这个过程称为开关。换句话说，模拟处理的过程是放大，数字处理的过程是开关。由于这是通过Raspberry Pi操作的，我们可以将其看成是一个开关功能。

NPN晶体管符号及外形示例

NPN晶体管的基极得到一个正输入后，集电极和发射极就会导通。如果是PNP型晶体管，就需要一个负输入。

根据2SC1815的额定参数表，流过集电极的电流可达150mA。晶体管产品是根据放大系数分级的，在Y级别中，放大系数为120至240。我们假设放大系数为200，要达到150mA的集电极电流，那么流过基极的电流应该为0.75mA。这意味着GPIO只需要输出一个很小的电流。

这里我们连接了一个10kΩ电阻，作为基极的输入。LED采用白光3.5V 20mA，并通过外部干电池供电，因此电路的电压为6V。根据前文的讨论，我们还给LED串联了一个150Ω的限流电阻。

我们按照下图连接好各个器件。

现在，我们把晶体管基极连接到Raspberry Pi的GPIO。首先，我们用面包板进行实验。

剩下的就需要写程序了。但是，您可以像在Scratch中一样使用之前的程序。当然，如果所连接的GPIO引脚变了，那么应该在程序中更改引脚编号。

基本步骤如下，声明使用GPIO，设置该引脚输出、输入等，然后输出ON（Hi）或OFF（Low）。由于正输入通过ON (Hi) 输出施加到晶体管的基极，因此集电极和发射极之间导通，LED点亮。

程序中可能会描述PullUp和PullDown，但这里没有必要，因为引脚已经连接了一个10kΩ电阻到晶体管的基极，作为下拉电阻使用。换句话说，这是硬件设置。

关于闪烁LED的更多知识

如何才能让LED灯闪烁呢？这并不难，因为我们可以用程序来控制ON（Hi）输出或OFF（Low）输出。想像一下，第一个输出是OFF (Low)，然后输出ON (Hi)，并保持1秒，然后输出OFF (Low)，也保持1秒，然后再次输出ON(Hi)，只要这样反复即可。那么，我们就会看到LED灯在闪烁。这个Scratch程序例子就是前面文中提到的那个示例。

闪烁LED项目开发

我们已经完成了LED灯的闪烁设计，现在，让我们来尝试控制多个LED。让两个LED灯交替闪烁的方法如下。该电路利用了两个GPIO，每个GPIO驱动一个带晶体管的LED。

这是我制作的两个晶体管驱动电路。电路很简单，但是如果您在面包板上组装，电线会很复杂，所以要注意走线情况。Scratch程序的工作原理如下。

我用的是GPIO3和GPIO4。4先点亮，1秒后关闭4，然后3立即点亮，1秒后关闭3，以此类推。重复10次，如果您想一直重复，应该使用“all”模块。

通过此应用，LED的数量可以根据可用GPIO数量增加，4个或10个。它们不仅可以顺序闪烁，而且可以同时全部闪烁，甚至还可以反向闪烁，具体取决于您的程序。

如何应用我们的设计？

顺便说一句，如果说让LED点亮或闪烁只是实验、编程实践和电子制作培训程度的事，那么，最大的问题是如何应用我们的设计。当然，作为圣诞树的装饰或者照明是个不错的选择。然而，光效不仅仅意味着闪亮，还涉及比如投射阴影、混合颜色、反射和折射、光谱和偏振等各种建模元素。

您还可以根据设备使用光效来创作艺术作品。

这是我的作品。

让埴轮【日本的一种陶俑-译注】舞动起来（2010）（C）伊藤尚未

该设备的这一部分依次点亮六个LED。在这里，六个埴轮的影子通过LED灯投射到墙上，但每个影子都投射在同一个位置，所以影子的形状=身体姿势。换句话说，阴影形成了动画。

我用现代技术将静止的陶土造型创作成了一个富有表现力的艺术品，并取名为“舞动的埴轮”。当然，这个作品需要很长时间才能完成。

所有这一切的基础是闪烁LED灯，但是正如您所见，当您知道如何应用它们时，您可以做更多的事情。当然，您不一定非得要创作这种艺术作品，但偶尔发挥创意很有趣，不是吗？

总结

电子设计很有趣，但是除了构建设备，您还可以做些什么？您怎样才能让它更有趣？其实您可以考虑不同的应用场景和表现方式，创作出更加复杂和有趣的内容。然后，您就能百尺竿头更进一步。

DevicePlus 编辑团队

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审核编辑黄宇