通过Raspberry Pi使用LED和电机:如何处理大电流

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。

在本系列文章中,主要是通过使用Raspberry Pi创建的简单项目来学习电子设计的原理及基础知识。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。上一篇文章中我们谈了LED灯闪烁的原理,接着我们来学习如何通过Raspberry Pi处理稍大的电流以控制电机。

目录

  1. 前言
  2. LED的结构
  3. LED的性能
  • 两种亮度表述方式:坎德拉和流明
  • 色温
  • 广角型和窄角型
  • 适配选型
  1. 尝试通过Raspberry Pi控制电机
  • 大电流的处理方法
  • PWM控制
  1. 结论

1. 简介

在上一篇文章中,我们尝试用Raspberry Pi上的GPIO来点亮LED,由于只要涉及到处理电子元器件,就必须留意流过电子元器件的电流,所以我们用电阻器对流过LED的电流进行了限制。

我们也探讨了可以用欧姆定律来计算。如今市场中的LED琳琅满目,所以需要仔细阅读不同LED的额定参数表和技术规格书。在电路设计过程中,没有比注意电压和电流更重要的了。

电压过高或电流过大均可造成损坏,好不容易设计出来的产品如果因为电压电流问题功亏一篑,实在令人扼腕。

LED using the GPIO on Raspberry Pi

可能会着火甚至爆炸

但是,即使出现这种情况,也不要轻言放弃(我也有这种经历),失败乃成功之母,但也绝不提倡“刻意破坏”作品!除了损坏外,还有可能出现元器件爆炸或过热等情况,可能会使人受伤甚至引起火灾,因此必须格外注意。

言归正传,接下来我们会再稍微详细地探讨一下LED的性能。

2. LED的结构

子弹头LED的内部结构如下图所示:

LED setup

子弹头LED的内部结构

实际发光器件是中间圆盘中的那个小芯片。圆盘就像一个反射器,罩壳顶部设计成透镜形状,方便灯光散射。

部分产品的阳极侧也可能会连接一个圆盘,所以并不能全部通过内部引线框架的形状来确定LED的结构。

3. LED的性能

有两种亮度表述方式:坎德拉和流明。

仔细阅读LED的技术规格书后发现,亮度表述方式有两种,即“cd(坎德拉)”和“lm(流明)”。两者均采用数字的方式表示亮度,即数值越大亮度越高,但各自的含义存在本质区别。

将光源发出的光视作“线”(即光束)时,光源的发光总量用“lm(流明)”来表示。在实际应用中,某些器具因为形状的原因,由于透镜和反射器的作用,光线可能无法向背面散射,而是朝向一个方向发射,将单位立体角的光通量称为光强,用“cd(坎德拉)”表示。

此外,大家可能还知道亮度单位“lx(勒克斯)”,表示光接收表面的亮度(照射在单位面积上的光通量)。基础知识大概就这些。

LED capacity

顺便提一下,这种常见的子弹头LED,由于树脂罩壳内的反射作用,光线多少会从背面漏出来一些。但如在功率LED的背面配置一块铝基板,不仅可用来散热,也能阻挡光从背面漏出来。从具体产品看,会发现功率LED的亮度多用流明(lm)来表述,可能是考虑到这样的产品结构而选用的单位吧。

色温

色温的单位为“K”(开尔文)。比如:在熔炉中敲打铁钉时,铁钉会逐渐变红,并发出红光,这种现象称为“热辐射”;随着温度升高,颜色会变黄。热辐射规定了温度变化引起的颜色变化,并以符号来表示。

特别是白光LED的光线颜色包从含浅白色到橙色的各种颜色,称为灯泡色温,色温值越高,颜色越浅。

广角型和窄角型

也有“半角”等表述方式,角度代表光的扩散范围,具体取决于罩壳透镜和引线框架的结构。例如,亮度相同的LED,如果是窄角型LED,光线中心最亮,其周围突然变暗,而如果是广角型LED,则光线扩散范围较广,而且能一定程度上均匀照亮。

适配选型

现在大家对LED已经有了一定的了解,以后选型时相信大家能够选择适合需求的LED。

例如,对于某些作品来说越亮越好,当然,也需要结合预算;但如果主要用于照明,那么最好选用亮度较高的LED。如果主要用于显示,则选择亮度不高的LED也可以。比如在夜间或光线较暗的地方,如果采用亮度较大的7段LED,则会出现字母显示模糊不清且很难看清数字的情况。

4. 尝试通过Raspberry Pi控制电机

接下来,我们来谈谈Raspberry Pi。

如何使用Raspberry Pi控制LED以外的其他设备?例如,需要的电流比LED电流更大的设备(比方说电机),该如何控制?

说起模型制作用的直流电机,非常有名的要数万宝至马达公司生产的电机了。我们以标准的FA-130RA电机为例来介绍吧。

DC motor

外包装性能表上标注的电压和电流分别为1.5V-3V和500mA,这种电机通常多用于模型和玩具,所以一般根据干电池电源来设置其电压。

voltage setting

电机通过磁场中线圈接收的力来驱动电机旋转。另外,由于线圈本身会产生电抗等看不见的电阻,所以难以掌握电流的情况。

暂且只能以包装上标注的3V和500mA为准。

以2SC1815晶体管为例,由于流经晶体管集电极的电流高达150mA,所以500mA电流高于其额定电流值。这种情况该如何处理呢?

对此有几种处理方法。

大电流的处理方法

例如,可使用电机驱动专用扩展板或电机驱动器IC,具体选用哪种方法取决于扩展板和IC的功能,所以可直接根据正转、反转和制动等使用方式来选用。

另一种方法是使用继电器。继电器是与线圈(即电磁体)接触的一种机构,所以有些继电器可能需要配备晶体管(与LED那篇一样)等来驱动线圈单元。可以说,与开关一样,只要在额定范围内,电源(100V)即可正常导通和关断。

另外,使用时会产生物理接触,所以其使用寿命取决于使用频率。还可采用易用性相同、由半导体组成的SSR(固态继电器)。

SSRs Solid State Relays

图片为透明封装的继电器(可看到内部线圈)

以上列出了几种不同的方法,可能还有些我不太了解的方法和产品,总之我认为最好选用符合目标作品需求的方法。

现在,让我们回到最基本的做法,用晶体管来尝试驱动。

我选择的是可承载较大电流的2SC2655L,其集电极额定电流高达2A,这么高的电流这还不足以驱动这台直流电机吗?与LED那篇的介绍一样,可以通过电路来连接。

connect with the same circuit as the LED

电路是用来驱动电机的电路,从GPIO通过一个1kΩ电阻器将晶体管的基极与集电极相连接,电路示意图如下:

circuit turns a motor

面包板组装示意如图如下:

breadboard assembly

我在Scratch上使用了和上一篇文章一样的程序,也就是说,只是改变了LED等器件,程序可以采用相同的程序。虽说如此,运行起来却完全不同,这是因为电机与LED不同,并不是那种可以突然开启、突然停动的器件。

我暂且尝试了以下的形式。声明GPIO,将引脚4设置为输出,然后每秒重复开关10次。

program on Scratch

我在电机上配有风扇,暂且将它当做电风扇来用吧。可以说这是一个风扇实验设备,可在面包板上尝试各种不同的配置。

通过开关的ON/OFF即可转动电机。

那么,如何控制转速呢?

最近一些电风扇能够间歇性送微风,例如“微风模式”,我们也可尝试实现这种模式。

PWM控制

PWM是一种常用的数字控制方法。

PWM即“脉冲宽度调制”,本质上是一种通过调节快速信号周期中的脉冲宽度来改变一个周期ON/OFF状态的方法。如果处于ON时间长的状态(如Fig. 2),则其电量将大于ON时间短的状态(如Fig. 3)下的电量,换句话说,直流电机在Fig. 2状态下转速较快,反之亦然。

pulse width modulation

现在,让我们尝试在Scratch中来构建。声明GPIO,将引脚4设置为PWM输出,创建变量”power4″并将初始值设置为0。

在计算模块中将”power4″输出到GPIO4。另外,也可将屏幕中的变量显示模式设置为滑块显示,通过滑动按钮来控制风量。此时,如将滑块最大值设置为“1023”,则风扇将全速运转。

pulse width modulation

接下来就可以尝试自动停止送风、重新开始送风、重复该模式的运行方式了。另外,我们还会尝试导通LED。
还是通过PWM控制,LED也会随风扇转速变化而变亮和变暗。

电路图如下所示:

circuit diagram

面包板如下图所示:

breadboard diagram

Scratch程序如图所示:

scratch diagram

提高变量值,并使该状态按最大值保持5秒;然后降低变量值,在0处保持5秒,如此重复。LED的亮度也随之变化。

看起来我们的作品越来越像实验设备了!

大家觉得怎么样?现在我们得到的是一个可以清凉一夏的风扇。

4. 结论

虽然只是一名媒体艺术家,但做实验时我更感觉自己像个工程师,至少看起来像,构建这样一个设备会让人产生这种感觉。

从某种意义上说,这次我们做出了工程师才能做出来的作品。在下一篇文章中,我们将尝试使用传感器,同时还会更深入地思考相应的原理和组装方面的问题。

毕竟,就像作画一样,只有充分掌握了颜料的特性和工具的使用方法后,才能创作出艺术作品。

DevicePlus 编辑团队
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