Learning Objectives
- 說明為什麼 GPIO 不能直接驅動馬達、繼電器線圈這類需要大電流的零件
- 用 NPN 電晶體或 MOSFET 做低側開關，估算基極電阻
- 說明續流二極體保護了什麼，以及它要怎麼接
- 用繼電器模組控制另一個電路，並用遲滯避免來回切換
腳位的力氣有限
GPIO 腳位能輸出的電壓是 3.3V（ESP32、Pico）或 5V（多數 Arduino），能提供的電流也很有限： 一支腳位大約只能安全提供十幾到幾十毫安（mA），確切的上限要看晶片的規格書，而且整顆晶片所有腳位加起來還有總量限制。
點亮一顆 LED（約 10 mA）沒問題，但是：
| 零件 | 常見的需求 |
|---|---|
| 小型直流馬達、風扇 | 5V 以上，一百到數百 mA，啟動瞬間更多 |
| 繼電器的線圈 | 5V 或 12V，數十 mA |
| 一整條 LED 燈條 | 5V 或 12V，可能好幾安培（A） |
這些都超過腳位能負擔的範圍。直接接上去，輕則推不動，重則讓開發板當機或燒壞腳位。
解決的方法是加一個開關：讓腳位只負責「按開關」，真正的大電流從另一個電源，經過開關流到零件。 這一課的兩種開關：
- 電晶體（transistor）：沒有機械零件、切換很快（可以配合 PWM 調速），適合直流的馬達、燈條。
- 繼電器（relay）：用電磁鐵吸動一片金屬接點，控制端與負載端完全分開，可以切換另一個電源的電路。
電晶體當開關
NPN 雙極性電晶體（BJT）
NPN 電晶體有三支腳：基極（B）、集極（C）、射極（E）。 從基極流進一點點電流，就允許集極到射極流過大很多的電流，倍數叫電流增益（hFE），小訊號電晶體常見幾十到幾百倍。
最常見的接法是低側開關：負載接在正電源與集極之間，射極接地，GPIO 經過一顆基極電阻接到基極。
+5V ──┬──────────┐
│ │
[負載] 續流二極體（陰極朝 +5V）
│ │
├──────────┘
C
GPIO ─[1kΩ]─ B NPN
E
│
GND ──┴── 開發板的 GND（共地）
基極電阻怎麼估？假設負載要 100 mA、電晶體的 hFE 最小是 100：
至少需要的基極電流 = 100 mA ÷ 100 = 1 mA
用 1kΩ：基極電流 =（3.3V − 0.7V）÷ 1000Ω = 2.6 mA
2.6 mA 是需要量的 2.6 倍，足夠讓電晶體完全導通（稱為飽和），這時它像一個閉合的開關，自己不太發熱。 0.7V 是基極到射極的電壓降，實際數值以規格書為準。
MOSFET
MOSFET 用電壓控制：閘極（G）幾乎不需要持續的電流，導通時的電阻很小，適合幾安培的負載。 要注意選擇邏輯準位（logic-level）MOSFET：規格書上要寫明閘極只加 3.3V（或更低）時就能完全導通。 常見的做法是在 GPIO 與閘極之間串一顆小電阻，再用一顆約 10kΩ 的電阻把閘極拉到 GND，開機時腳位還沒設定，MOSFET 也會保持關閉。
兩個一定要記得的事
- 共地：馬達的 5V 電源與開發板必須接同一個 GND，基極（閘極）的電壓才有共同的參考點。
- 續流二極體：馬達、繼電器線圈都是線圈（電感）。電流突然被切斷時，線圈會產生很高的反向電壓， 可能擊穿電晶體。在線圈兩端反向並聯一顆二極體（陰極接正電源那一端），讓電流在線圈與二極體之間繞圈慢慢消失。 常見選用 1N4007 這類整流二極體。
逐步看：用 MOSFET 和 PWM 調整風扇轉速
GPIO25 接到 MOSFET 的閘極，MOSFET 開關一顆 5V 風扇。腳位輸出 PWM：工作週期越高，MOSFET 導通的時間越長，風扇轉得越快。 電路畫面上的「直流馬達」卡片代表風扇，數字是轉速的比例。
繼電器
繼電器裡面有一個線圈和一組會被吸動的接點：
| 接腳 | 意思 |
|---|---|
| COM | 共用端 |
| NO（Normally Open，常開） | 線圈沒通電時和 COM 分開，通電時接通 |
| NC（Normally Closed，常閉） | 線圈沒通電時和 COM 接通，通電時分開 |
線圈這一側是控制電路，接點那一側是負載電路，兩邊沒有電的連接，所以可以用 3.3V 的開發板控制另一個電源的電路。 繼電器的線圈要數十 mA，一樣不能直接接在 GPIO 上，所以市售的繼電器模組通常已經做好電晶體、續流二極體與指示燈， 有些還加了光耦合器；你只要接 VCC、GND 與一支訊號腳。有的模組是低電位觸發（訊號腳寫 0 才吸合），使用前看清楚模組的說明。
繼電器的缺點：切換慢（數毫秒）、會發出聲響、接點有使用次數的壽命，不適合 PWM 這種快速開關。
市電安全：繼電器的接點規格常寫著 250V AC，但 110V／220V 市電可能造成觸電與火災。 控制家電要由合格的電機人員處理，或直接使用合格的智慧插座；本課程不提供任何市電的接線方式，練習時只控制低電壓直流的負載。
逐步看：按一下切換繼電器
繼電器模組的訊號腳接 GPIO26（這個模組是高電位觸發），按鈕接 GPIO4。 程式每 0.1 秒讀一次按鈕，只在「剛按下」的那一刻切換繼電器。每 0.1 秒讀一次也剛好避開了按鈕的彈跳（第 07 課）。
溫控風扇與遲滯
用繼電器做溫控風扇，最直覺的寫法是「超過 28°C 就開，否則關」。 但溫度在 28°C 附近上下跳動時，繼電器會一下吸合、一下釋放，不只吵，接點也會很快磨損。
改成兩個門檻：超過 28°C 才開，降到 26°C 以下才關，中間的 2°C 維持原狀。這叫遲滯（hysteresis）， 冷氣、電熱水瓶的溫控都是這樣做的。
if temp > 28:
relay.value(1) # 太熱：開風扇
elif temp < 26:
relay.value(0) # 夠涼：關風扇
# 26～28°C 之間：維持原本的狀態
下面的模擬裡，溫度感測模組輸出 0～3.3V，對應 0～50°C（示意）。溫度會在 28°C 附近上下跳動幾次，再升高、最後降下來。
小測驗：電晶體
為什麼不建議把小型直流馬達直接接在 GPIO 腳位上？
下面的程式估算基極電流，以及 hFE＝100 時最多能讓多少集極電流流過，會印出什麼？
v_gpio = 3.3
v_be = 0.7
r_b = 1000
i_b = (v_gpio - v_be) / r_b
print(round(i_b * 1000, 1), "mA", round(i_b * 100 * 1000), "mA")
繼電器線圈兩端並聯的續流二極體，主要保護什麼？
小測驗：繼電器與遲滯
希望開發板沒有通電（或程式當掉、腳位輸出 0）時，負載一定是關閉的，負載應該接在繼電器的哪兩個接點？
下面的程式模擬遲滯控制，會印出什麼？
temps = [27.5, 28.3, 27.9, 28.4, 26.5, 25.8]
on = 0
changes = 0
for t in temps:
new = on
if t > 28:
new = 1
elif t < 26:
new = 0
if new != on:
changes += 1
on = new
print(on, changes)
專題想用繼電器控制 110V 的檯燈，下列哪一個做法正確？
重點整理
- GPIO 的電流與電壓有限，馬達、繼電器線圈、燈條要經過開關元件驅動。
- NPN 電晶體做低側開關：負載接在電源與集極之間，GPIO 經過基極電阻控制；基極電流要給足，讓電晶體飽和。
- MOSFET 用電壓控制，選邏輯準位的型號，閘極加下拉電阻；兩者都要和負載電源共地。
- 線圈類負載（馬達、繼電器）要並聯續流二極體，陰極接正電源端。
- 繼電器隔離控制端與負載端，常開（NO）接點在斷電時是斷開的；溫控這類應用用遲滯避免來回切換。
- 市電只由合格人員處理，練習時只控制低電壓直流負載。
下一課介紹三種馬達：直流馬達要用 H 橋才能反轉，伺服馬達看脈波寬度，步進馬達照順序讓線圈通電。