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で遊べそうですか

  

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。このHPは「直流・低電力・アナログ」のものを取り上げて、何か電子工作で遊べそうなものや方法を紹介していますが、このセットの中に、ここで使えそうなモジュールがいくつかあったので、その中のLEDのモジュールについて取り上げてみます。

Arduinoについて

Arduinoは、アルディーノ、アルデュイーノなどと呼ばれる、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。

同様のものに、Raspberry Pi(ラズベリーパイ)が有名で、この他に、シングルボードコンピュータとよばれるものはたくさんありますが、ArduinoとRaspberry Piが特に有名で、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。

このページでは、デジタルは扱わないのですが、Arduino には、PWMというアナログ出力端子があり、LEDやモーターを使えるようになっているので、センサー類などもアナログ関連のものがセットに入っているのでしょう。

ここで紹介するLEDも、デジタル的に処理すれば、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で実現できるようですが、アナログ的に使うとどうなるのでしょうか?

私が購入したAmazon の関連ページを参考にしてください。(ページにリンク)  絶えず商品が入れ替わっているようですので、同じものがなくても、同様のものは販売されています。

私が購入したのはこんなセットです

たくさんのモジュールがいっぱいのセットで、全部で2000円以下でした。

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るので、他の機会に使ってみるつもりです。

デジタル用なので使いにくいものもありますが、モジュール1つあたりにすると50円以下で、「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ので、いろいろ電子工作を試したい方には楽しめるように思います。

しかし、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、使い方なども、きっとわかりやすいと思います。


私の購入したセットには5種類のLEDがありました

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が、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。

ジャンパ線はいろいろのものが販売されています。今回、モジュールからブレッドボードへは、「オス・メス」のタイプを使いましたが、「オス・オス」「オス・メス」「メス・メス」タイプがあり、ブレッドボード用のピンのセットも販売されていますので、これらを用意しておくと使いやすく、ボード上もスッキリしまので、気長に電子工作を続けるのであれば、これらの種類全部を揃えておいてもいいかも知れません。


写真のジャンパー線は若干長目でしっかりしたものですが、小さいブレッドボードであれば、柔らかい短い線のものが使いやすいです。

まず、モジュールがどんなものか、観察しましょう

このセットには、写真と名前が書いてあるだけで、説明書も何もありません。モジュールから「足」が出ていて、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・・・などをよく観察してみましょう。

電子部品を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あると、電子部品の中には、導通試験をすると壊れてしまうものもあります。

今回の部品はLEDですので、特に問題なさそうだったので、LEDの足とモジュールからでている足の導通を測り、まず、抵抗などはつながっていないことを調べて、それから、モジュールの足を調べました。

テスターの抵抗レンジの電圧や電流量は取扱説明書に記載されているので、一度見ておいてください。気づかない使い方の記事もありますので、参考になるでしょう。

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の大抵のものは、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。

このようなテスターの使い方や測定の注意点は徐々に覚えて慣れていくようにするといいでしょう。

このArduinoのセンサキットには、仕様書やデータシート、取扱説明書というのは何もついていませんが、幸いに、WEBでいろいろな記事があるので、それらから情報を得るのもいいですし、ともかく、最初から、テスターでむやみに導通を見るなどをしないほうが無難です。

LEDはダイオードですので極性(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。チェックしてみると、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ってきます。

それでは準備です

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ので、今まで使っている5Vの電源をつかって点灯させるには、電流を30mA以下にして3V程度で試験するのが良いと考えて、次のような回路で試験することにします。

LEDに3V30mAを加えられるようにオームの法則から (5-2)V/0.03A=100Ω なので、100Ωの抵抗器を直列にしてつないで点灯の状態を見ます。

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、表示も参考にして、つないでみます。変なつなぎ方をしても、点灯しないだけで問題ありません。

点灯している状態では、アノードからカソードに電流が流れて発光しています。

今回は、7色に点滅する「7color flash」というLEDが不良品だったので、同じ仕様の手持ちのものがあったので、それをはんだ付けをし直して修理しました。

出荷時にきちんと検査されていないのか、明らかに不良品ですが、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、何しろやすい外国製ですので、目をつむることにしました。

点灯してみました

モジュールは次の5つです。

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、テープ状になったもの・・・など様々なものがあります。そして、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、高輝度タイプのものは、非常に明るいのが特徴です。

このSMD・CODなどは、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でで使う場合は、足のついた砲弾型が使いやすく、非常に明るいものを望むなら、SMDの1点発光タイプや、ここにあるような3点発光タイプを使えばいいでしょう。

それでは、順にモジュールを紹介します。

3色砲弾型のLED(RGB LED)

 

RGB LEDの青 RGB LEDの緑

足が4本でていて、RGBと表示があるので、マイナス「-」とそれぞれの端子の1つに電圧がかかれば、その色に発光します。

ここに紹介するモジュールは、マイコン(ワンボードパソコンAruduino)でプログラムすると、どんな色も出すことができるという使い方で用意されているものです。 アナログ的に色を変えようとすると、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のですが、実際にやってみると、かなり感覚的なものでいい加減な状態にしかなりません。(これについては、この記事の後のほうで実験しています)


7色に点滅する砲弾型LED(7color flash)

先に書いたように、修理して新しい手持ちのLEDに付け替えて発光させています。

電圧をかけるだけで、何もしないでも次々に色が変わって非常にカラフルに点滅しています。このLEDについては、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い感じがします。逆に言えば、アナログ的使い方で充分に使えます。派手に点滅してくれるので、それで結構楽しめます。

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の間で周期的に変動していました。1個10円以下で、うまく作られています。


3色の表面実装LED(SMD LED)

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。

ただし、このタイプのLEDも同様で、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限界があります。

そのまま2色を同時に発光させても、光の3原色を混合したもののようになりませんし、もちろん、3色を混合して「無色」の「白色LED」のような光にはなりません。

アナログで使うとすれば、赤緑青を切り替えて、単色表示する使い方がいいのでしょうか。

非常にあかるいし、1個で3色発光しますので、スペースを取らないで使えます。

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、赤みの強い「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、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。


3mm砲弾型の2色LED(Two color 小)

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。

ただ、この結線はボードの表示と全く異なっており、(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。

これは、例えば、スイッチを入れる前は「赤」が点灯しており、スイッチを入れる何かが作動してLEDが「緑」に変わる・・・という使い方になっているものを見たことがあります。

LED2個分の場所を1つのLEDでまかなえるようにと考えらているので、このような使い方であれば、アナログ的には使えそうですね。

5mm砲弾型の2色LED(Two color 大)

この結線の仕方も、上の3mmのものと同じです。

いろいろの色を点灯させたときの電流値

参考になるかどうかわかりませんが、点灯時の電流値を示します。

7色に点滅するLEDは色によって電流値が8.5~18mA程度に変動していたのですが、その他の多色LEDも点灯している色によって消費電流が違っています。

また、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。

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もいいようですね。

どういう使い方が考えられますか?

電子工作の楽しみは、「何ができるのか」を考えて、そしてそれをやってみて、うまくできたときの満足感を楽しむものだと思っていますが、さて、これらのLEDはどのような使い方をすると、面白いことができるのでしょうか。

本来これらはマイコン(ワンボードパソコンAuduino)用のものです。

マイコンであれば、どの色をどういう状態で光らせるのかを高速で切り替えできるので、極端に言えば、プログラミングすることで、3色LEDでは、どんな色でも作り出すことができます。これらのLEDはそのためのLEDといっていいのかも知れません。

しかしここではアナログでなにかすることを考えることが課題です。

1球で多色が作り出せるのは面白いですし、スペースも取らないで色表示できますので、当然そのような使い方はできるでしょう。

しかし、アナログでうまく色が変わるのでしょうか。

テレビやモニターのディスプレーは、ちいさな赤緑青のドットを点滅させて、あらゆる色を作り出しています。

これは「光の3原色」としてよく目にするものですが、アナログ的にはどうなるのかを実験してみましょう。

光の三原色を混合すると・・・

高輝度3mm砲弾型LEDの白色と青色が手元にあったので、光が散乱しないように内径4mmのアルミパイプに入れて、白色には赤と緑のシートを貼り、3つの色を出すように加工しました。

色見では赤が負けるので、回路では、緑と青には1kΩの半固定抵抗を付けて明るさを調整できるようにしています。


3本束ねて発光させた状態ですが、これを別々に手に持って白い紙に照射して、ボリュームで色を調整しながら、混合の色が出せるかどうかやってみました。

結構、出したい色にするのが難しく、2種類や3種類を同時発光させるだけでは、上の3原色のチャートのようになるので、これはかなり大変で、きれいな色になってくれません。

3つ重ねて太陽光のように透明にするのも難しく、見ている限りは、太陽光線のようになっているのかどうかもわかりません。しかし、狭い範囲なら、白っぽく透明な色にできそうな感じはします。

もちろん、赤と緑を点けるとチャートのように黄色になる・・・というようには簡単にいきません。

目視ではかなり明るくて、どうしても「色を見よう」という気持ちが働くので、写真に取ると、違った色になっていますし、重なった部分で連続的に色が変化しています。本格的にやろうとすれば、レンズを付けて「平行光線」にしたり、でてくる光が、均一になるようにするなどの対策をしないと、うまくいかないようです。

最も、このフィルターも、英単語練習用の字消用のシートですので、標準の光の3原色の波長になっているかどうかもわからないのですが、これで、「うまく調整すれば、それなりになりそうだ」という感じがわかりました。

直視しないで色を混合できるようにするために、光を散乱させるためのクッキングペーパーを、発光用の筒先とこの写真のように、トイレットペーパーの芯の端部につけて、下からスイッチで切り替えながらON-OFFして照射してみました。

この写真のように、3色で無色透明にしたかったのですが、「赤と緑で黄色、3色合わせると無色透明」の状態に見えるようにするのは至難の業です。あと数ひねりしないといけない感じです。

私の机上のPCは、アナログとデジタルのディスプレイを同時に2画面で使っています。これには、小さな赤緑青のドットに光を当てて、1千何百万色の発色をしているのですが、ここに至るまでは、いろいろな試行錯誤などもあって、すごい道のりがかかっているのでしょう。だから、何でも1回でうまくいくはずはありません。

結果としてはデジタル用のモジュールは使えそうでしょうか?

まず、点灯させることは問題ありませんでした。 次に、何に使うか、どのように使うかということですが、単色ごとに切り替えて使うのも問題なさそうです。

そして、次の課題の「色の混合」ですが、かなり課題がありそうです。ただ、人間の目は「残像」があるので、例えば、発振回路を用いて周期を調整すると色調整ができそうな感じがしますし、クッキングペーパーのはさみ方を工夫すればうまく散光して、太陽光に近づくかも知れません。・・・。

ただ、それができると、次は、何をしようか・・・ということに考えることが発展していきます。

このように、いろいろ考えて、手を使って試してみる・・・というのが電子工作の楽しみだと考えていますので、終りがないものです。今回はここまでにします。

**********

このHPは、電子工作のヒントになりそうなものを取り上げています。完結する記事は少ないですし、書籍に書いてあるように、きっちりとした理論に基づくものでもありません。とりあえず、考えて、そしてそれをやってみる・・・という内容です。何かのヒントになれば幸いに思います。

→ 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 その他の電子工作のヒントになる記事を書いています。


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