3.6. 电子学基础

要用 GPIO 引脚驱动任何外部器件，都需要在引脚的另一侧搭建一个电路。基础电子学中的三个概念——电压、电流，以及它们通过电阻建立的关系——会出现在每一个这样的电路中。

3.6.1. 电压、电流、电阻

• 电压（伏特，V）是电路中两点之间的电位差。芯片的供电轨相对于地可能为 3.3 V；被拉高的 GPIO 引脚同样处于 3.3 V。

• 电流（安培，A，或毫安，mA）是电荷通过导线的流动。电流总会回流到它的起点，因此要让任何电流流动，电路都必须从电源到地形成一个完整的回路。

• 电阻（欧姆，Ω）表示路径对这种流动的阻碍程度。电阻的作用是在已知电压下把电流设定为一个已知的值。

欧姆定律把它们联系在一起：

欧姆定律的三种形式。

用文字表述：电阻两端的电压等于流过它的电流乘以电阻。已知三者中的任意两个，便可通过代数运算求出第三个。

3.6.2. 二极管

二极管是一种双端器件，它只在一个方向（从阳极到阴极）导通电流，而在另一个方向阻断电流。

二极管只能从阳极向阴极导通。LED 是一种在导通时会发光的二极管。

二极管还具有正向电压（Vf）——即电流沿导通方向流动时它两端的压降。一旦施加的电压达到 Vf，二极管就大致表现得像一根导线；低于此值时，几乎没有电流流过。

3.6.3. LED

发光二极管（LED）是一种把其导通电流转换为可见光或红外光的二极管。亮度随电流变化；颜色由 LED 的化学成分决定，而非由驱动方式决定。

典型的 LED 正向电压：

• 红色：1.8 -- 2.2 V

• 绿色或黄色：2.0 -- 2.4 V

• 蓝色或白色：2.8 -- 3.4 V

指示用 LED 的合适工作电流为 5 -- 20 mA。电流越大越亮，但会缩短 LED 的寿命，并且可能超出 GPIO 引脚的驱动上限。

3.6.4. 限流电阻

把 LED 直接接在 GPIO 引脚与地之间，会让几乎不受限制的电流流过：一旦达到正向电压，LED 看起来就像一个近似短路。在引脚与 LED 之间串联一个串联电阻可将电流设定到安全值。

串联电阻设定 LED 的电流。

供电电压在电阻和 LED 之间进行分配：LED 上承担其正向电压，其余部分由电阻承担。根据欧姆定律：

R = (Vsupply - Vf) / If

对于一个由 3.3 V GPIO 引脚以 10 mA 驱动的红色 LED（Vf ≈ 2.0 V）：

R = (3.3 - 2.0) / 0.010 = 130 Ω

在实践中，应选取最接近的较大标准值（150 Ω 或 220 Ω）。结果是 LED 稍暗一些，但安全裕度更健康。当对精确亮度无要求时，200 -- 470 Ω 是一个合理的默认选择。

3.6.5. 为什么每个部分都重要

每个 GPIO 输出电路的形态都源自上面的四个概念：

• 电压决定了引脚处可用的能量。一个 3.3 V 的 GPIO 拥有 3.3 V 的电压，可分配给接在它与地之间的任何器件。

• 二极管（本例中是 LED）以其正向压降的形式消耗掉一部分电压，并拒绝沿错误方向导通——它决定了导通方向和固定的分担份额。

• 限流电阻消耗掉剩余的电压，把剩下的预算转化为受控的电流。如果没有它，LED 会汲取引脚所能提供的全部电流——通常足以毁掉其中之一或两者。

• 欧姆定律使得电阻的阻值可以计算：给定剩余电压和期望电流，R 便可通过代数运算得出。

电压、电流、电阻、二极管，再加上一个变换后的方程，就足以设计出所有基本的 GPIO 输出级电路。

这些相同的部件一直都隐藏在板载 LED 的背后。machine.LED("LED_RED").on() 之所以能点亮 LED，是因为摄像头的电路板已经提供了它周围的一切——限流电阻、通往地的导线、LED 本身——而该类只是切换它们背后硅片的 GPIO。“一行代码点亮一个 LED”的说法是正确的；它只是“驱动那个电路”的简短说法而已。剥去这层抽象，剩下的正是上面那个电路。

machine.Pin 是同一块硅片，只是去掉了周围的部件后暴露出来。脚本直接控制引脚的电压；电阻（按欧姆定律取值）、LED 以及通往地的回流路径都由你来提供。这同样的四个概念会以略有不同的组合，重新出现在按键去抖、PWM 滤波和电机驱动的背后。