基礎電學觀念





想更完整的認識Arduino嗎?

讓我們先認識一下基礎的電學觀念

以及數位與類比訊號的差異吧!


電壓與接地

圖1:電壓與接地說明

✅ 電壓代表高電位與低電位間的「電位差」,代表推動電流能力的大小,常用單位是伏特(簡寫V)

*Arduino的電壓大小為5伏特

✅ 高電位稱為正極,低電位稱作負極或是接地(簡稱GND)

圖2:水壓對比電壓


電流

圖3:水位差產生水流

✅ 電在導體中流動的現象,稱為電流。常見的導體包含銅、鐵...等等。

*常見的電線材質為銅

✅ 電流會從正極流向負極。如果電流固定往同一個方向流動,我們稱為直流電。


圖4:水流對比電流


常見沒有形成電流的原因

圖5:常見電流不導通的原因

✅ 如果導線兩端都接在正極或是都接在負極

沒有電位差所以沒有電壓 → 燈泡沒電不會發光

✅ 如果電線中間被剪斷了

正極與負極沒有導體相連 → 燈泡沒電不會發光

圖6:常見水流不導通的原因


電壓、電流結論

✅ 正極又稱做高電位(+)、負極又稱為低電位(-)

✅ 正負極之間產生壓差(或稱電位差)

✅ 有電位差,才有電流的產生

✅ 電流從高電位流向低電位

✅ 通常預設低電位為 0 V(伏特)

✅ 沒有電位差或電路中斷,電就不會導通


數位/類比 訊號

✅ 數位訊號與類比訊號的差異

數位訊號:將電壓以數位電壓的方式呈現。分為高電位(5V)與低電位(0V)兩種。在Arduino分別代表1與0

類比訊號:將電壓以類比電壓的方式呈現。以類比訊號輸出時,在高電位(5V)與低電位(0V)之間切割成256份(0~255有256個個數字)。以類比訊號輸入時切割更仔細,會切成1024份(0~1023)

✅ 比較數位與類比訊號的簡單範例:

按鈕開關只有開與關兩種可能性,因此按鈕開關是數位元件。

溫度感應模組可以感應多種溫度,例如0~40度...等等,因此溫度感應模組是類比元件。

PWM(數位模擬類比)

✅ 使用數位訊號控制外部元件,只有高電位與低電位兩種效果。

如果我們在開與關的週期內,控制通電時間的比例,就能讓輸出的效果產生變化。

例如在一個週期中,10%的時間通電,90%的時間斷電,就會產生只運作10%的效果

這樣的做法就稱為脈衝寬度調變 Pulse-Width Modulation (PWM),通電的時間稱為工作週期


PWM訊號範例

✅ 在Arduino中,類比輸出的範圍是0~255。因此

類比輸出0,代表工作週期0%,完全斷電(LED熄滅)

類比輸出127,代表工作週期50%,一半時間通電(LED半亮)

類比輸出255,代表工作週期100%,完全通電(LED全亮)