Arduino UNOで回路を組む前に。LEDと電圧、電流、抵抗などの基礎知識

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基礎

こんにちは、てっちーです。今回はArduino UNOを使って回路を組むために必要な基本知識について整理しました。小学生向けを目指しているのでごく基本的なことですが、知らないと部品やパソコンを壊してしまうこともあるので、一回読んでみてください。

目標

Arduino UNOを使って、回路を組むための基本知識を理解する

LED(発光ダイオード)

ダイオードとは

ダイオードの2つの端子があり、足が長い方は+(アノード)、短い方は-(カソード)と呼ばれ、機能が異なります。+側に-側より高い電圧をかけると電流が流れて-側に+より高い電圧をかけると電流が流れない、面白い性質があります。

LED(発光ダイオード)とは

LEDはダイオードとは、電流が流れたときに発光(光る)するダイオードのことです。LEDの端子の接続を間違えると電流が流れず、光らないので注意が必要です。ダイオードで回路を作るときには端子向きに注意しましょう。

LEDの注意点

ダイオードやLEDは、大きな電流を流すことができます。その電流は、ダイオードやLED自体を破壊してしまうほど大きいです。そのため、ダイオードを電源や乾電池に直接接続しては、絶対にしてはいけません。ダイオードを発光させたいときは必ず抵抗を直列に接続するようにしてください。

もう1点、注意事項があります。LEDはかなり光が強いです。長時間、LEDを直視しない様にしてください。すこし大きめの抵抗を使って少し暗めにするのでも良いと思います。その辺りはご自分で調整してください。

回路イメージもあるので、こちらのサイトを見るとLEDの動きのイメージがわくと思いますので参考にしてみてください。

電圧と電流、抵抗

電圧と電流の違いや抵抗の意味は分かりますか?分からない方のためにイメージがわく程度の簡単な説明をします。

電流は、電気の流れる量の事です。あまりに大きい電流が流れると発生する熱で部品が壊れます。

電圧は、電気の圧力のことです。どれぐらいの力で電気を流すことができるかを表します。電圧が高いと大きい電流が流れます。高い電圧をかけると部品は壊れますが、Arduino UNOは5V(ボルト)が最大電圧なのであまり意識する必要はないでしょう。もし使用する部品を購入する際はどの程度の電圧までかけられるか(耐圧といいます)を部品毎に確認する必要があります。キットで全部まとめて部品を購入している方は、確認は不要でしょう。

抵抗は、電流を流れにくくします。抵抗が大きいと電流が少なくなります。そのため、抵抗がないと電流が大きくなりすぎてしまいます。

電気の流れ方はこの電流・電圧・抵抗のバランスで決まります。その関係はオームの法則として有名です。もし乾電池の+と-を直接つないでしまうとほぼ抵抗がないので、大きな電流が流れて危険です。

ブレッドボードで回路を組む際も、電源(+)とGND(-)を接続しないようにだけは注意しましょう。もしつないでしまうと、最悪の場合は電源を供給しているパソコンが壊れます。あまりに電流が大きい場合はパソコン側で検出して電流を流さないようにすることもあるので、回路を作ったときにパソコン側で電流のメッセージが出た場合は、まずArduinoからUSBケーブルを外した方が良いでしょう。ちなみに電源とGNDをつなげてしまうことを、ショートといいます。

単位

電圧、電流、抵抗の大きさを表すために、それぞれ単位が定められています。それぞれ次の通りです。

電圧 : V [ボルト]
電流 : A [アンペア]
抵抗 : Ω [オーム]

電源とGND(グランド)

電源はプラス側、GND(グランド)はマイナス側を表します。

電源 、プラス側、+、VCC は同じ意味です。場合によっては”5V”(5ボルト)も同じ意味で使います。

GND、マイナス側、- は同じ意味です。

それぞれイメージカラーもあって、電源は赤GNDは黒や青になります。配線は色が異なっていても特性は同じですが、イメージカラーに色を合わせて使った方がミスを減らすことができます。できるだけ、使用する色は統一するようにしましょう。

Arduino UNOのボードに書かれている文字を見ると、”5V“と”GND“と書かれている箇所があります。そこが、電源(5V)とGNDの場所になります。ブレッドボードに引き出す場合は、ここから接続するようにしてください。

ブレッドボード

先ほどから、ぽつぽつ話に出ているブレッドボードの説明です。ブレットボードは、はんだ付けをせずに回路を組めるボードです。たくさんの穴が開いていて、内部でつながっています。それを利用して、穴に配線や部品を挿すことで回路を組みます。

上下にある+の赤色のラインと青色のラインは横につながり真ん中にある穴は縦方向につながっています。全部は大変なので、参考までに一部を黄色の線でつなげてみました。黄色の線が切れているところはつながっていないので気を付けてください。また上下の赤のラインは電源(5V)用、青のラインは-側の水色のラインはGND用です。こちらもミスを減らすために、色を合わせるようにようにしましょう。

まとめ

今回、覚えてほしいことをまとめました。うろ覚えでも覚えておけば、またこちらのページを見ればよいので、もう一度確認しておいてください。

  • LED(発光ダイオード)は、+と-がある。使う時は端子を間違えないようにする。
  • LEDを使用するときは、抵抗を直列に接続する。
  • 電源とGNDを絶対に接続しない(ショートさせない)。
  • 電源には赤、GNDは黒か青を使用する。
  • ブレットボードは、部品や配線を挿すことで回路を組むことができる。
  • 単位は次のとおり
    • 電圧 : V [ボルト]
    • 電流 : A [アンペア]
    • 抵抗 : Ω [オーム]
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