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Raspberry PiでMOSFETを使おう

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Toshihiko Arai
投稿日: 2020-12-06

はじめに

こんなこと、やります。 - MOSFETの使い方を学ぶ - Raspberry PiでMOSFET（IRF520）の使い方 - PWM信号でLEDライトの明るさをコントロールする

LEDは100均のものを使ってみました。100均のLEDライトは、分解すると高輝度白色チップLEDが10個入ってます。

Raspberry Piのデジタルピンの出力電流は数十mAが限界ですので、10個ものLEDを点灯させようとするとちょっと無理があります。 そこで、MOSTETの登場です。 MOSFETはいわば電流増幅器ですから、複数のLEDやモータなどの高負荷なデバイスをドライブできます。またPWM信号を使えば、負荷にかける電力を変えることができます。つまり、LEDなどの明るさを調光できるのです。

ちなみに、MOSFETの読み方は「モスフェット」や「モスエフイーティー」と読みます。

開発環境

この記事で作業を行なった開発環境はこちらになります。

項目 バージョン
ラズパイ Raspberry Pi zero WH
OS Raspbian 9.13
Python 2.7.13／3.7.0
MOSFET IRF520
LED USB電源LEDライト（100均）

Raspberry Piの選択

この記事では、マイコンボードに Raspberry Pi zero WH を使用しました。みなさんは、お好きなラズパイやArduinoなどをお使いください。Raspberry Piの操作は、MacのターミナルからSSHでリモート操作します。SSHのセットアップは、 をご覧ください。

MOSFETの選択

また、MOSFETは IRF520 を使用しました。NチャンネルにMOSFETで端子配置に気をつければ、他のものでも代用可能です。温度に気をつければ、ドレイン電流を6A〜9Aほど流すことができます。

100均LEDライト

冒頭でも述べましたとおり、100均のLEDライトは10個のLEDが内蔵されていました。配線を調べてみると、次の回路図のようになってました。

10個のLEDはそれぞれ並列に接続されていて、2つの4.7Ωのチップ抵抗（並列）を介して電源へつながってます。抵抗をわざわざ並列にしているのは、抵抗の最大消費電力をオーバーしないようにするためかと思われます。ちなみに、チップ抵抗の読み方は をご覧ください。

また、LEDライトを5V電圧で点灯させたときの消費電流を計測してみたところ、全体では640mAの電流が流れていました。よって、1つあたりのLEDで64mAの電流が必要となります。また、LEDのVF（順方向電圧）は3.4V程度でした。

MOSFET（IRF520）の使い方

それでは、MOSFET IRF520 の使い方を解説していきます。

IRF520の端子配置

まず、 IRF520のデータシート を確認しますと、端子配置は左からゲート（G）、ドレイン（D）、ソース（S）です。

ゲートのスレッショルド電圧は4Vです。Raspberry PiのGPIO出力電圧は3.3Vなので本来はIRF520をそのまま制御することはできないはずです。しかしなぜかギリギリ制御できてしまいました。ものによっては制御できなかったり不安定ですので、ロジックレベルシフターなどを使って信号を3.3Vから5Vに昇圧してお使いになることをお勧めします。

他のMOSFETをお使いの場合は、端子配置がちがう場合がありますのでご注意ください。

MOSFETの使い方

MOSFETの使い方は、次の通りです。

  • ゲートの電位を約4V以下にすると、ドレイン-ソース間は絶縁される。
  • ゲートの電位を約4V以上にすると、ドレイン-ソース間は導通される。

下図のMOSFETの動作のように、ゲート電圧によってスイッチのような働きをするのです。

3〜4Vあたりで動作変化する電圧のことを閾値（しきいち）と呼びます。入力されたゲート電圧と閾値の関係によって、ドレイン-ソース間のオンオフが決まります。また、ゲートの抵抗値はたいへん大きいので、わずかな電流を流せばすみます。よって、Raspberry Piのようなデジタルピンの出力電流でも、高負荷なデバイスを制御できるというわけです。

ちなみに、MOSFETでは高速にそのスイッチをオンオフすることが可能です。ですから、PWM制御の素子として、非常によく使われてます。ここでもPWM制御を行なっていきますが、PWMについての詳しくは をご覧ください。

IRF520はNチャンネルのMOSFETです。MOSFETには極性があり、NチャンネルのMOSFETではドレインからソースへ電流が流れるように負荷をかけることにご注意ください。

Raspberry PiとMOSFETとPWM制御

それでは実際に、Raspberry PiとMOSFETを使ってPWM制御を行なってみましょう。

Raspberry Piの配線

回路図と配線図をこちらに示します。

LEDの部分はお手持ちの高負荷なデバイス（LEDライトやモータなど）に置き換えてください。

また、制御対象（高負荷デバイス）にしようする電圧は、Raspberry Piとは別から供給してください。Raspberry Piが不安定になる可能性があるからです。図中のGPIO14ピンとMOSFETのゲートの間の1kΩの抵抗は、保護用に入れてみましたが無くても構いません。

Raspberry PiでPWM信号を作るには、ソフトウェアPWMとハードウェアPWMがあります。ソフトウェアPWMよりハードウェアPWMのほうが精度が高いです。ただし、ソフトウェアPWMはどのデジタルピンでも使用できるのに対し、ハードウェアPWMはGPIO18とGPIO19のみが対応します。またこれらのピンは、ヘッドフォン端子から音声を出力するのに使用されるため、音声出力時は使用できません。

PWM制御のプログラム

Raspberry Piの配線ができたところで、Pythonでプログラムを書いてLEDを調光してみましょう。

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep
import numpy as np

LED = PWMLED(14)
LED.value = 0
frequcency = 0.5
phase = 3.0 / 4.0 * 2.0 * np.pi # スタート時のvalueを0にするため位相をズラしている
sample_rate = 100.0
duration = 1.0 / sample_rate
d_phase = frequcency * 2.0 * np.pi / sample_rate

while True:
    value = (np.sin(phase) + 1) / 2.0
    LED.value = value
    phase = phase + d_phase
    if phase > 2.0 * np.pi:
        phase = phase % (2.0 * np.pi)    
    sleep(duration)

プログラムの解説

gpiozero と numpy は、pipなどでインストールしてください。PWMLED 関数を使うと、PWMのデューティ比を簡単に変えることができます。プログラムを実行すると、こちらの動画のようにLEDライトが明るくなったり暗くなったりします。

ちなみに、Raspberry Piを使わなくてもPWM信号を作ることができます。詳しくは に書きました。

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