3.6. Elektronik temelleri

Bir GPIO pininden harici herhangi bir şeyi sürmek, pinin diğer tarafında bir devre gerektirir. Temel elektronikten üç kavram – gerilim, akım ve bunlar arasındaki ilişkiyi bir direnç üzerinden tanımlayan bağıntı – böyle her devrede karşımıza çıkar.

3.6.1. Gerilim, akım, direnç

  • Gerilim (volt, V), bir devredeki iki nokta arasındaki potansiyel farkıdır. Çipin besleme hattı toprağa göre 3,3 V’ta olabilir; yüksek seviyeye sürülen bir GPIO pini de aynı 3,3 V’ta durur.

  • Akım (amper, A veya miliamper, mA), bir tel boyunca akan yükün hareketidir. Akım her zaman geldiği yere geri döner; bu yüzden herhangi bir akımın akabilmesi için devrenin beslemeden toprağa kadar eksiksiz bir döngü oluşturması gerekir.

  • Direnç (ohm, Ω), yolun bu akışa ne kadar karşı koyduğudur. Bir direncin amacı, akımı bilinen bir gerilimde bilinen bir değere ayarlamaktır.

Ohm yasası bunları birbirine bağlar:

Üstte V, altta I ve R ile etiketlenmiş üç bölgeye ayrılmış bir üçgen; yeniden düzenlenmiş biçimleri olan V = IR, I = V/R, R = V/I etrafında görünür.

Üç biçimiyle Ohm yasası.

Sözle: bir direnç üzerindeki gerilim, üzerinden geçen akım ile direncin çarpımına eşittir. Üçünden herhangi ikisini bilmek, cebir yoluyla üçüncüyü verir.

3.6.2. Diyotlar

Diyot, akımı tek yönde (anottan katoda) ileten ve diğer yönde engelleyen iki uçlu bir bileşendir.

Bir diyot şematik sembolü -- sağa, dikey bir çubuğa doğru bakan bir üçgen -- solda anot, sağda katot işaretli. LED varyantı, yayılan ışığı gösteren sembolün yanına iki dışa doğru ok ekler.

Bir diyot yalnızca anottan katoda iletir. LED, iletim yaparken ışık yayan bir diyottur.

Bir diyotun ayrıca bir ileri gerilimi (Vf) vardır – akım iletim yönünde aktığında üzerinde oluşan gerilim düşüşü. Uygulanan gerilim Vf değerine ulaştığında diyot kabaca bir tel gibi davranır; bunun altında neredeyse hiç akım akmaz.

3.6.3. LED’ler

Işık yayan diyot (LED), iletim akımını görünür veya kızılötesi ışığa dönüştüren bir diyottur. Parlaklık akımla orantılı olarak ölçeklenir; renk ise sürme tarafından değil, LED’in kimyasal yapısı tarafından belirlenir.

Tipik LED ileri gerilimleri:

  • Kırmızı: 1,8 – 2,2 V

  • Yeşil veya sarı: 2,0 – 2,4 V

  • Mavi veya beyaz: 2,8 – 3,4 V

Bir gösterge LED’i için kullanışlı bir çalışma akımı 5 – 20 mA’dir. Daha yüksek akımlar daha parlaktır ancak LED’in ömrünü kısaltır ve GPIO pininin sürme sınırını aşabilir.

3.6.4. Akım sınırlayıcı direnç

Bir LED’i doğrudan bir GPIO pini ile toprak arasına bağlamak neredeyse sınırsız akımın akmasına izin verir: ileri gerilime ulaşıldığında LED neredeyse bir kısa devre gibi görünür. Pin ile LED arasındaki bir seri direnç, akımı güvenli bir değere ayarlar.

Bir devre: GPIO pini bir R direnci üzerinden LED'in anoduna bağlanır; LED'in katodu toprağa gider. Etiketler pindeki Vsupply'ı, direnç üzerindeki V_R'yi, LED üzerindeki Vf'yi ve döngü boyunca akan If akımını işaretler.

Bir seri direnç LED akımını ayarlar.

Besleme gerilimi direnç ile LED arasında bölünür: LED kendi ileri gerilimini düşürür, direnç geri kalanını düşürür. Ohm yasasına göre:

R = (Vsupply - Vf) / If

10 mA’de 3,3 V’luk bir GPIO pininden sürülen kırmızı bir LED için (Vf ≈ 2.0 V):

R = (3.3 - 2.0) / 0.010 = 130 Ω

Pratikte, en yakın daha büyük standart değeri seçin (150 Ω veya 220 Ω). Sonuç, daha sağlıklı bir güvenlik payına sahip biraz daha sönük bir LED’dir. Tam parlaklık önemli olmadığında makul bir varsayılan olarak 200 – 470 Ω’a yönelin.

3.6.5. Her parçanın neden önemli olduğu

Her GPIO çıkış devresinin biçimi yukarıdaki dört fikirden doğar:

  • Gerilim pinde mevcut olan enerjiyi belirler. 3,3 V’luk bir GPIO, kendisi ile toprak arasına bağlanan her şey üzerinde harcayacak 3,3 V’a sahiptir.

  • Bir diyot (bu durumda bir LED) bu gerilimin bir kısmını ileri düşüşü olarak tüketir ve yanlış yönde iletmeyi reddeder – hangi yönü ve sabit payı belirler.

  • Akım sınırlayıcı direnç kalan gerilimi tüketir ve geriye kalan bütçeyi kontrollü bir akıma dönüştürür. O olmadan LED, pinin sağlayabileceği akımın tamamını çeker – genellikle ikisinden birini ya da her ikisini de tahrip etmeye yeter.

  • Ohm yasası direncin değerini hesaplanabilir kılan şeydir: kalan gerilim ve istenen akım verildiğinde, R cebir yoluyla ortaya çıkar.

Gerilim, akım, direnç, diyotlar ve yeniden düzenlenmiş bir denklem, her temel GPIO çıkış katmanını tasarlamak için yeterlidir.

Aynı parçalar baştan beri yerleşik LED’in arkasında saklanıyordu. machine.LED("LED_RED").on() LED’i yakar çünkü kameranın kartı çevresindeki her şeyi – akım sınırlayıcı direnci, toprağa giden teli, LED’in kendisini – zaten sağlar ve sınıf yalnızca bunların arkasındaki silikonun GPIO’sunu değiştirir. “Tek satır bir LED yakar” görüşü doğrudur; bu yalnızca “o devreyi sür” demenin kısa bir yoludur. Soyutlamayı kaldırın, geriye tam olarak yukarıdaki devre kalır.

machine.Pin, çevresindeki parçalar olmadan açığa çıkarılan aynı silikondur. Betik pinin gerilimini doğrudan kontrol eder; direnci (Ohm yasasıyla boyutlandırılmış), LED’i ve toprağa dönüş yolunu siz sağlarsınız. Aynı dört fikir, anahtar sıçrama bastırma, PWM filtreleme ve motor sürme arkasında biraz farklı kombinasyonlarla geri döner.