楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

ArduinoのセンサキットのLEDモジュール

  

こちらでLEDの使い方などを紹介しました。

Amazonのサイトを見ていたところ、ワンボードマイコンのAruduino用で安価なセンサーセットを見つけました。その中に、いくつかのLEDモジュールがあったので、それらはアナログ用途でも使えそうですので、簡単にそれを紹介します。

Arduinoとは

Arduino(アルディーノ、アルデュイーノなどと呼ばれる)は、比較的簡単にデジタルで動作するものが作れる総合開発環境ツールとしてイタリアで開発されたワンボードコンピュータです。

このようなシングルボードコンピュータとよばれるものは他にもたくさんありますが、Raspberry Pi(ラズベリーパイ)とArduinoが有名で、WEBの記事や販売されている関連商品も多いようです。

Amazonだけでなく、マルツさん、秋月さん、共立さんなどのサイト(こちらのわたしのページを参考に)でもパーツの取り扱いも多く、WEBにも関連記事もたくさんあるので、デジタル回路で遊びたい方は、ぜひ検討されるといいでしょう。

このHPではデジタル分野はほとんど扱っていませんが、Arduino には、PWMというアナログ出力端子があり、それを利用して、LEDやモーターを使えるようになっているので、センサー類などではアナログ関連に使えます。

ここで紹介するLEDも、Arduinoを使ってデジタル的に信号処理すれば、いろいろな色を発色させたり、色の移り変わりなどをプログラムによって実現できるのですが、ここでは、普通のLEDのアナログ的使い方ができるかどうかを試しています。

私が購入したAmazon の関連ページ(アマゾンページにリンク)  ですが、ここにはいろいろな製品が掲載されています。しかし、輸入品が多いために、絶えず商品が入れ替わっているかもしれません。 同じものがなくても、同様のものは販売されていますので、興味があればのぞいてみてください。

購入したのはこんなセットです

センサキットの外観

このようにたくさんのモジュールがいっぱいのセットされているにも関わらず、全部で2000円以下と安い価格で販売されています。

LEDのほかにこのHPで取り上げている「DC・低電力・アナログ」で使えそうなスイッチ類やセンサもありそうなのでで、なにかに使えるかなぁ?・・・と思って購入したのですが、そうでもなくて、完全にデジタル用で、アナログ的に使いにくいものもあります。

しかし、モジュール1つあたりにすると平均すれば50円以下なので、「センサとは何か」「どのように使ったらいいのか」を考えるのには手頃なセットですし、何かの工夫をすると、いろいろ電子工作に使えそうです。

そうはいっても、Aruduinoを使わないなら、いろんなLEDを部品単品で購入するほうが無駄がないし、モジュール化されているのがかえって使いにくく、説明書もついていないので、あえてこれをわざわざ購入することはおすすめしません。 

興味ある方はチェックしていただくといいのですが、ざっと眺めて、使えそうなものを、セットではなくて単品で購入してもいいでしょう。


セットのLEDモジュールは5種類

使えそうなLEDモジュール

写真のようにちいさな部品で、すべてモジュール化されているので、これをそのままブレッドボードに挿しても使えます。 ブレッドボード用のジャンパ線をつかうと扱いやすいでしょう。


写真の手持ちのジャンパー線を使いましたが、新規に購入するなら、柔らかくて10cm程度のものが扱いやすい感じがしますし、ジャンパーピント合わせて使うのがベターでしょう。

ワイヤとジャンパ線

どんなモジュールなのか

このセットには、写真と名前が書いてあるだけで、説明書も何もついていません。

WEBを調べると、たくさんの記事がありますし、モジュールに表示もあるのですが、内部がどのように接続されているのか・・・などは全くわからないので、それを調べるて行きます。

テスターチェックは要注意

いきなりテスターの抵抗レンジで導通を見るのは要注意です。

テスターの抵抗レンジは電圧をかけて抵抗を測るので、コイルやコンデンサ等が回路に入っていると、変な電圧がかかって壊す危険性があるので、テスターでの導通試験は安易にしない・・・というのが鉄則です。

しかし、これらはLEDとモジュール抵抗だけのようですので、LEDの足とモジュールからでている足の導通を測って、余分な抵抗がつながっていないことなどを調べました。

テスターの抵抗レンジの電圧や電流量はテスターの取扱説明書に記載されていますので、事前に確認しておくと安心です。

私の持っているものは、200Ωレンジの短絡状態では、2.8V・2mAとなっています。 だから、LEDにつなぐ極性があえばLEDは1mA程度の電流が流れれば光ってくれるはずですので、大抵のものは、テスターをつなげば、ちょっとだけでも点灯してくれるはずです。

これによって、(あとに書いていますが)モジュールの1つのLEDが不良品であることを発見できました。

LEDは極性(電流を流す方向)があります

砲弾型では、足の長いアノード側からカソード側に電流が流れて発光しますが、モジュールになっていると、それを確かめないといけません。

テスターを使ってみると、予想通り、2mAの電流でも、不良品以外は(光は弱いですが)発光しました。

写真に見るように、小さな抵抗器のようなものがついています。それがLEDに接続されていないことなどもテスターでわかりました。

それでは確認していきます

一般的には、LEDには、古くからある順電圧が2V程度のものと、白色LEDのように3-3.5Vのものに大別できます。

もちろん、モジュールになっていますので、どちらがアノードなのかもわかりませんが、通電して点灯すれば、アノードからカソードに電流が流れているし、逆につなぐとLEDが点灯しません。

LEDの点灯回路

今回は、7色に点滅する「7color flash」というLEDが不良品であることがわかり、たまたま手持ちしていた同じ仕様のものに替えて使いました。

日本製であれば「クレーム返品」で取り替えてくれるかも知れませんが、何しろ安価な外国製ですので、目をつむりました。

モジュールは次の5つ

① 3色砲弾型のLEG(RGB LED)
② 7色に点滅する砲弾型LED(7color LED)
③ 3色の表面実装LED(SMD LED)
④ 3mm砲弾型の2色LED(Two color 小)
⑤ 5mm砲弾型の2色LED(Two color 大)

③のSMD LED以外は砲弾型のLEDです。

LEDには、①砲弾型 ②表面実装タイプSMD ③その他 チップオンボードCOB と呼ばれる表面実装タイプを製品化したものやテープ状に連ねて販売されているもの・・・など、様々なものがあり、従来からある順電圧2V程度のものと、3V以上の高輝度タイプのものがあります。

このSMD・CODというのは、足がない実装タイプのもので、一般に電子工作でブレッドボードなどで使う場合は、足のついた砲弾型のものが使いやすいのですが、このタイプは非常に明るいものなので、明るいLEDを使いたいなら、SMDの1点発光タイプや、ここにあるような3点発光タイプを使うといいでしょう。

簡単に各モジュールを紹介します。

3色砲弾型のLED(RGB LED)

3色LEDモジュール 

3色LED2

3色LED3

RGB LEDの青 RGB LEDの緑

足が4本でています。

3本の足に RGB と表示があるので、マイナス「-」と、他のそれぞれの端子の1つに電圧をかかれば、その色に発光します。

ただ、これを使ってアナログ的にいろいろな色の発光をさせるのは困難なようです。

LEDに加わる電圧や距離を変えることで明るさを変えて色を調節することができるかもしれませんが、この記事の後のほうで「光の3原色」実験をした様子を紹介していますが、うまくいきませんでした。


7色に点滅する砲弾型LED(7color flash)

7色LEDモジュール

7色LEDモジュール点灯の様子

7色LEDモジュール2

このLEDは、電圧をかけるだけで、次々に色が変わるLEDので、非常にカラフルに点滅しています。

このLEDについては別に購入していたこともあって、こちらでも紹介しています。

このLEDは、デジタルでしか使えないというものではなく、アナログ的使い方でも派手に点滅してくれるので、このLEDだけで使っても結構楽しめます。

発光させているときの電流値を測ると、色によって異なり、8.5~18mAの間で変動していました。


3色の表面実装LED(SMD LED)

SMD3色LED

SMD3色LED2

SMD3色LED3 緑色単色発光

4本の足が出ています。これは、上の砲弾型のRGBと同様で、RGBそれぞれの端子とマイナスをつなぐと単色の赤緑青の色で、非常に明るい発光をします。

このタイプのLEDで色の変化などを楽しむためには、アナログ的な使い方では無理なようで、2色を同時に発光させても、光の3原色チャートにある色になりませんし、もちろん、3色を混合しても「無色」の「白色LED」のような光にはなりません。

アナログで使うのであれば、赤緑青の単色表示する使い方程度しかできませんが、非常にあかるく、LED1個に3色が組み込まれていて、それを別々に発光させることができるので、スペースを取らないで明るい光源として使うことができます。

3色同時発光させると、下の写真のように、非常に明るいのですが、写真のような「変な色」になりました。

こういう使い方は良くないのでしょう。もちろん、これは、デジタル的に発光させると、3色混合していろいろな色になるのでしょう。

SMD3色LED4 全色同時発光


3mm砲弾型の2色LED(Two color 小)

2色LEDモジュール

2色LED点灯

2色LED2

2色LED3

足が3本でており、そのうち2本をつなぐと「赤と緑」が切り替わって発光します。

この結線はボードの表示と全く異なっていて、(下の5mmタイプもつなぎ方は同様ですが)次のようになっています。

2色LED結線図

これは、例えば、スイッチを入れる前は「赤」が点灯しており、スイッチを入れると何かが作動してLEDが「緑」に変わる・・・という使い方を見たことがありますので、そういう用途にはもってこいですね。

LED2個分の場所を1つのLEDでまかなえるようにと考えられているので、アナログ的な使い方でもOKですね。

5mm砲弾型の2色LED(Two color 大)

2色LED大

2色LED大2

2色LED大3

この結線の仕方も、上の3mmのものと同じです。大きさが違うだけのようです。

いろいろの色を点灯させたときの電流値

先に示した電流制限抵抗100Ωで加える電圧を5V,4V,3Vにしたときの点灯時の電流値を示します。

点灯時の電流実測値

重要な数字ではありませんが、こちらの記事で見たように、LEDの明るさは電流量で決まりますので、たとえデジタル的な処理をしたとしても、色を混ぜて使う場合は、その調整が結構難しそうな感じがします。

7色に点滅するLEDは発光する色によって電流値が8.5~18mA程度に変動していますが、これは単体でも使えそうなので問題はないのですが、多色LEDの場合は、点灯している色によって消費電流が違っていますから、用途によっては、見え方の調整が必要になるかもしれません。

表面実装のSMDは、他の電源で電圧を下げて測定したところ、100Ωの固定抵抗はそのままですので、結構低い電圧でもきちんと光っています。これは、結構使いみちがありそうですね。

それらのほかでは、3色のLED(RGB LED)は、もっと電圧を高めて、多くの電流を流して使うのがいい・・・などもあって、実際に使う場合は、いろいろなことを考えてやる必要がありそうです。

次に、「色を混合する実験」をしてみます。


色の混合はアナログでは難しそう

本来これらのモジュールはマイコン(ワンボードパソコンAuduino)用に作られていますので、各色の点滅時間をデジタル制御することで色の混合もできそうです。

マイコンを使うと、どの色をどういう状態で光らせるのかをプログラミングをすれば、3色LEDでは、原理的にはどんな色でも作り出すことができるのですが、ここでは、アナログ的になにかができないかを考えてみるために、色の混合実験をしてみました。

LED1球で多色が作り出せれば、スペースも取らないで色表示できて面白そうなのです。

しかし、アナログ的なやり方でやると、意外と難しいことがわかりました。

光の3原色

これは「光の3原色」としてよく目にするものですが、結論を言えば、こういう状態を作り出すには、平行光線にして散光しない工夫が必要で、単に、3色の光を混合しても、このような状態にするのはかなり難しく、結局は、このようないろの分離状態にはできませんでした。

光の三原色の実験をするための準備

実験の方法として、①高輝度3mm砲弾型LEDの白と青色のものを使って、 ②アルミパイプに入れて光の直進性を増し、 ③赤と緑のシートを貼って、3つの色を出すようにし、 ④さらに、明るさを変えられるようにしました。

これで上のチャートのようになるかどうかをやってみました。

単色光を当てる工夫

光の3原色の実験回路

ブレッドボードに組んだ様子

点灯の様子

この筒を発光させ、白い紙に照射しながらボリュームで色を調整して、混合した時の色を見たのですが・・・。

光の合成の様子

結構、これが大変な作業で、なかなか、上のチャートのような色を出せません。 

やはり平行光線にはならず、やろうとするとレンズ装置が必要な感じです。大変な作業です。

ただ、光の各色を重ねていくと、最終的には、透明な光になる感じはつかめます。

なんとか色の混合を実現したかったので、・・・

シェードの対策1

空間で色を混合する方法として、クッキングペーパーをトイレットペーパーの芯の端部につけて、下から3つの色の光を入れて、スイッチで切り替えながらON-OFFしてペーパー面に照射させてみました。

しかしこれも、先の三原色チャートのような状態にはなりません。

シェードで合成した様子

【ディスプレーの発色】 3色混合でよく引き合いに出される、PCのディスプレーですが、これは、ディスプレー表面の小さな赤緑青のドットに光を当てて、いろいろな色を出しているという原理ですが、以上のかんたんな実験をしただけでも、今使われているような製品を作るまでの苦労を感じましたので、いい経験になりました。

こういうことをやって見るだけでも、有意義ですので、何か工夫をしてチャレンジしてください。

結論として、このセンサーセットの評価は・・・

アナログで使うには、購入する必要はない感じがします。

アナログ的にも使えないことはないのですが、本来はデジタル用に使うことで考えられていますので、わざわざこれを購入するよりも、個別に購入したほうが無駄が生じません。

ただ、非常に安いものですし、なにかに使えるかどうかを考えることだけでも楽しいものですし、何かの材料がないと遊べませんので、キットを持っていても、全く不必要・・・だとは感じないと思います。

今回はここまでにして、これ以上の深堀りはしないでおきます。

→ Amazonの電子工作用LEDのページへのリンク

ともかく、何かのヒントになれば参考にしていただき、自分流の電子工作を楽しんでください。



→ INDEX(目次)のページへ その他の電子工作へのヒントに


  
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最小限必要なことのおさらい(1-1)

最小限必要なことのおさらい(1-2)

電子工作に使う電源のいろいろ(1-3)

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