3.6. 電子學基礎

要從 GPIO 接腳驅動任何外部裝置，接腳的另一端都需要一個電路。基礎電子學中的三個概念——電壓、電流，以及兩者透過電阻所建立的關係——會出現在每一個這類電路裡。

3.6.1. 電壓、電流、電阻

• 電壓（伏特，V）是電路中兩點之間的電位差。晶片的供電軌相對於接地可能為 3.3 V；被驅動為高電位的 GPIO 接腳同樣處於 3.3 V。

• 電流（安培，A，或毫安培，mA）是電荷在導線中的流動。電流總會回到它的源頭，因此要讓任何電流流動，電路必須形成一個從供電端回到接地端的完整迴路。

• 電阻（歐姆，Ω）代表路徑對電流流動的阻礙程度。電阻的作用是在已知電壓下將電流設定為一個已知的值。

歐姆定律將三者連結在一起：

歐姆定律的三種形式。

用文字表達：電阻兩端的電壓等於流過它的電流乘以電阻值。已知三者中的任意兩個，便可透過代數運算求得第三個。

3.6.2. 二極體

二極體是一種雙端元件，它只在一個方向（從陽極到陰極）導通電流，並在另一個方向阻擋電流。

二極體只會從陽極往陰極導通。LED 是一種在導通時會發光的二極體。

二極體還有一個順向電壓（Vf）——當電流在導通方向流動時，它兩端的電壓降。一旦施加的電壓達到 Vf，二極體的行為就大致像一條導線；低於該值時，幾乎沒有電流流動。

3.6.3. LED

發光二極體（LED）是一種將其導通電流轉換為可見光或紅外光的二極體。亮度會隨電流增減；色彩則由 LED 的化學成分決定，而非由驅動方式決定。

典型的 LED 順向電壓：

• 紅色：1.8 -- 2.2 V

• 綠色或黃色：2.0 -- 2.4 V

• 藍色或白色：2.8 -- 3.4 V

指示用 LED 的合適工作電流為 5 -- 20 mA。較高的電流會更亮，但會縮短 LED 的壽命，也可能超出 GPIO 接腳的驅動上限。

3.6.4. 限流電阻

將 LED 直接接在 GPIO 接腳與接地之間，會讓幾乎不受限制的電流流過：一旦達到順向電壓，LED 看起來就近乎短路。在接腳與 LED 之間加入一個串聯電阻，可將電流設定在安全值。

串聯電阻設定 LED 的電流。

供電電壓在電阻與 LED 之間分配：LED 降下其順向電壓，電阻降下其餘的部分。根據歐姆定律：

R = (Vsupply - Vf) / If

對於由 3.3 V GPIO 接腳以 10 mA 驅動的紅色 LED（Vf ≈ 2.0 V）：

R = (3.3 - 2.0) / 0.010 = 130 Ω

實務上，選取最接近且較大的標準值（150 Ω 或 220 Ω）。結果是 LED 略微暗一些，但有更健康的安全裕度。當不在意確切亮度時，以 200 -- 470 Ω 作為合理的預設值是個明智的選擇。

3.6.5. 為何每個部分都重要

每個 GPIO 輸出電路的樣貌，都源自上述四個概念：

• 電壓決定接腳上可用的能量。3.3 V 的 GPIO 有 3.3 V 可以分配給接在它與接地之間的任何元件。

• 二極體（在此例中為 LED）會以其順向電壓降的形式消耗掉一部分電壓，並拒絕在錯誤方向導通——它決定了方向以及固定的分配份額。

• 限流電阻消耗掉剩餘的電壓，並將剩下的預算轉換為受控的電流。少了它，LED 會抽取接腳所能供應的任何電流——通常足以摧毀其中之一或兩者。

• 歐姆定律使得電阻值可以被計算出來：在已知剩餘電壓與所需電流的情況下，R 可透過代數運算求得。

電壓、電流、電阻、二極體，以及一條重新整理過的方程式，就足以設計出每一個基本的 GPIO 輸出級。

這些相同的元件一直都藏在板載 LED 的背後。machine.LED("LED_RED").on() 之所以能點亮 LED，是因為相機的電路板早已提供了它周圍的一切——限流電阻、通往接地的導線、LED 本身——而這個類別只是切換它們背後晶片上的 GPIO。「一行程式碼點亮一顆 LED」的說法是對的；它只是「驅動那個電路」的一種簡短說法。把這層抽象剝開，剩下的正是上面的那個電路。

machine.Pin 就是同一塊晶片，只是沒有周圍那些元件被暴露出來。指令碼直接控制接腳的電壓；你則自行提供電阻（依歐姆定律決定大小）、LED，以及通往接地的回流路徑。這四個相同的概念，會以略有不同的組合形式，再次出現在開關防彈跳、PWM 濾波以及馬達驅動的背後。