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ることで、その中のLEDのモジュールをアナログ的に使えるかどうかを見てみました。

Arduinoとは

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。

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、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。

このページではデジタルを扱う内容はありませんが、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、それらは使えます。

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(ページにリンク)  にはいろいろな製品が掲載されていますが、輸入品が多いために、絶えず商品が入れ替わっているようです。 しかし、これと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

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Arudinoなどでなければ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価格なので、いろいろ電子工作を試したい方には楽しめる感じがします。

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、モジュール化されているのも使いにくいことも多く、説明書もないので、特に使う目的も持たずにこれを購入するのはおすすめしません。


私の購入したセットには5種類のLEDがありました

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、「オス・オス」「オス・メス」「メス・メス」タイプなどが市販されており、今回は、これらのモジュールからブレッドボードに配線するために、「オス・メス」のタイプを使いました。


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、この写真のものよりも、もっと柔らかい、もっと短い線のものが使いやすいですので、新規に購入するなら、柔らかくて10cm程度のものがいいでしょう。

ワイヤとジャンパ線

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。テスターでの導通はやらないのが無難でしょう。

なぜなら、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って、まず、抵抗などが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ます。

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程度の電流で光ってくれるはずですので、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。

テスターの使い方には応用すれば便利な機能があります。 取説を読んで、測定の注意点などについても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。 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こと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。

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どで使う場合は、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)

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本でていて、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)

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

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

電圧をかけるだけで、何もしないでも次々に色が変わるもので、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。このLEDは購入価格は1個2円か3円でした。うまく作られています。


3色の表面実装LED(SMD LED)

SMD3色LED

SMD3色LED2

SMD3色LED3

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ね。

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、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


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。

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。

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。

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

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。

点灯時の電流実測値

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程度に変動します。 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。通常は明るくしたいのであれば15mA~30mA程度を流すのが一般的です。

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、それが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。 

さて、そうすると、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ことですし、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。

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、アナログ的にこのような光の混合をやってみるとどうなるのか・・・を実験してみましょう。

光の三原色を混合すると・・・

まず、光を散乱させないで集中させるための工夫がいります。

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。

単色光を当てる工夫

色見では赤色が負けるので、回路の緑と青には1kΩの半固定抵抗を付けて電流値を調整して、明るさが調整できるようにしています。

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

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。

光の合成の様子

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と、上の3原色のチャートのようになるはずというのですが、これがかなり大変で、うまくきれいな色になってくれません。

さらに、3つの色を重ねて、太陽光のように透明な光にするのも非常に難しく、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、よくわかりません。

しかし、狭い範囲では、白っぽく透明な色になっているのがわかります。3原色のチャートのようにするのは、このようなやり方では無理だということだけは感じます。

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・・・ということも、簡単にいきません。

混合色を目視しても、かなり明るく、また、どうしても「色を見よう」という気持ちが働くので、それを写真に撮ると、目で見た色とは違った色になっていますし、重なった部分ではチャートのようにならないで、連続的に色が変化しています。

この実験を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、それなりにチャートにあるような混合色になりそうだ」という感じだけは感じられます。(感じるだけで、できません)

シェードの対策1

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。

シェードで合成した様子

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。

私の机上で使っている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。

このディスプレーの発光の原理は、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させて、それを平均したような色を目で感じているのですが、考えてみると、ここに至るまでは、いろいろな試行錯誤と長い道のりがあったのでしょう。

何でも1回でうまくいくはずはありませんし、やってみなければ次に進めません。 この記事を見て何かひらめいたら、ぜひやってみて確かめてくださいね。

結果としてはデジタル用のモジュールは使えましたか?

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。・・・。

このように、手を使って試してみること自体が電子工作の楽しみだと考えていますので、このような安価な部品でも、結構遊べます。 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。ここには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・・・という内容だけですが、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。



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