Learning Objectives
- 比較線性穩壓與切換式穩壓，算出線性穩壓的發熱
- 依零件的電流與電池容量，估算作品可以用多久，並用睡眠延長使用時間
- 用 Pico 的 GP29 量電池電壓，寫出低電量警示
- 說出鋰電池、短路與市電的安全守則
拔掉 USB 線之後
到目前為止，開發板都插著電腦的 USB 線：電壓穩定、電流夠用，出了問題拔掉就好。 作品要放到教室角落、裝進背包、放在戶外時，就得自己解決電從哪裡來。這時會遇到三個問題：
- 電壓對不對：電池的電壓會隨著用電慢慢下降，開發板與零件需要穩定的 3.3V 或 5V。
- 電夠不夠用：每個零件都在吃電，電池能撐幾小時？馬達一啟動，電源撐得住嗎？
- 安不安全：電池短路會發燙甚至起火，鋰電池充放電有一定的規則，220V 市電更不是自己動手的範圍。
這一課先算電，再談安全。自造者入門第 02 課的歐姆定律（V = I × R）和功率（P = V × I）在這裡都會用到。
穩壓：把變動的電壓變成穩定的 3.3V
開發板上的晶片要穩定的 3.3V，但電池的電壓不穩定：3 顆 AA 鹼性電池剛裝上約 4.5V 以上，快沒電時剩約 3V。 穩壓器負責把輸入的電壓轉成固定的輸出電壓。常見兩種：
| 線性穩壓 | 切換式穩壓（降壓、升壓、升降壓） | |
|---|---|---|
| 原理 | 像一個自動調整的電阻，多出來的電壓變成熱 | 用開關快速切換，搭配電感與電容轉換電壓 |
| 輸入要求 | 至少比輸出高一點（這段差距叫壓降） | 依種類：降壓要比輸出高，升降壓可高可低 |
| 效率 | 輸出電壓 ÷ 輸入電壓 | 常見八、九成 |
| 優點 | 簡單、便宜、雜訊小 | 省電、發熱少 |
線性穩壓的發熱很好算：發熱（W）＝（輸入電壓 − 輸出電壓）× 電流。
9V 電池 → 線性穩壓 → 3.3V，電流 50 mA
發熱 = (9 − 3.3) V × 0.05 A ≈ 0.29 W
效率 = 3.3 ÷ 9 ≈ 37%，電池有六成多的能量變成熱
Raspberry Pi Pico 板上用的是升降壓切換式穩壓器。依官方資料表：VSYS 是主要的電源輸入，大約 1.8～5.5V 都能產生 3.3V， 所以一顆鋰離子電池（約 3.0～4.2V）或 3 顆串聯的 AA 電池都可以直接接 VSYS。USB 的 5V（VBUS）經過一顆蕭特基二極體接到 VSYS， 二極體可以防止兩個電源互相倒灌。3V3(OUT) 腳可以供電給外接模組，建議負載在 300 mA 以下。
電池的種類與使用時間
| 電池 | 每顆的標稱電壓 | 可以充電嗎 | 適合 |
|---|---|---|---|
| 鹼性電池（AA、AAA） | 1.5V（用到後段約 1.0V） | 不行 | 低耗電、偶爾用的作品 |
| 鎳氫充電電池 | 1.2V | 可以 | 想重複使用、取代鹼性電池 |
| 鋰離子／鋰聚合物 | 約 3.6～3.7V（充飽 4.2V） | 可以，但要專用的充電電路 | 小而輕、電流大的作品 |
| 9V 方形電池 | 9V | 多數不行 | 容量小，不適合馬達與長時間使用 |
電池上的 mAh（毫安小時） 是容量：2000 mAh 大約可以用 200 mA 撐 10 小時、用 20 mA 撐 100 小時。 實際上電池不會用到 100%（電壓降到電路撐不住時就停了），估算時打個折比較保險：
使用時間（小時）≈ 容量（mAh）× 可用比例 ÷ 平均電流（mA）
例：2000 mAh × 80% ÷ 40 mA = 40 小時
省電最有效的方法是讓作品大部分時間睡覺：每 10 分鐘醒來量一次溫度、傳完資料就進入深度睡眠， 平均電流可以降到原本的幾十分之一（ESP32 軌第 15 課會寫深度睡眠的程式）。
下面的電源預算小工具可以把這些算式串起來：選電池、選穩壓方式、勾選零件，看電流、發熱、使用時間與警告。
讓作品自己知道快沒電了
電池沒電時，作品常常不是乾脆地關機，而是開始出怪事：Wi-Fi 連不上、伺服馬達抖動、程式莫名其妙重新開機。 與其讓它出怪事，不如讓它自己量電壓，低於某個值就提醒你換電池，甚至先關掉耗電的功能。
Pico 板子內部已經準備好了：VSYS 經過兩顆電阻分壓成三分之一，接到 GP29（ADC3）。 VSYS 最高約 5.5V，除以 3 後不到 1.9V，在 ADC 的 3.3V 範圍以內（分壓的原理在第 04 課）。 所以程式只要讀 GP29，再乘回 3 倍，就是電池的電壓。
Pico W 的 GP29 和無線晶片共用，讀取前後要注意 Wi-Fi 的狀態；這一課以 Pico 為例。
逐步看：量電池電壓並亮起低電量警示
模擬的電池從 4.5V 慢慢降到 3.2V 左右。看第 10 行把讀值換回電壓，以及最後一次讀取時警示燈亮起。 上方電路畫面裡，「VSYS÷3」顯示的百分比是 GP29 的電壓占 3.3V 的比例。
用電安全守則
短路
短路是電源的正極和負極之間，幾乎沒有電阻就接在一起。依歐姆定律，電阻接近 0 時電流會非常大： 導線發燙、麵包板融化、電池發熱甚至起火。常見的原因：杜邦線鬆脫碰到另一排、金屬鑷子或螺絲起子同時碰到兩個接點、零件腳剪下來掉在電路板上。
- 接線、改線前先斷電，接好、檢查過再通電。
- 第一次通電時用手感覺零件有沒有發燙、聞有沒有焦味，有就立刻斷電（第 05 課教過用三用電錶找短路）。
- 電池盒或電池組可以串一顆保險絲：電流太大時保險絲先熔斷，保護後面的電路。
開發板的腳位不是電源
GPIO 只適合送「訊號」。RP2040 的 GPIO 驅動能力預設約 4 mA，最多可以設定到 12 mA； LED 可以直接接（加限流電阻），馬達、繼電器、大量 LED 不能直接接在腳位上，要用電晶體或驅動板（第 08、09 課）。 大電流的零件另外用電源供電時，記得把兩個電源的 GND 接在一起（共地），訊號的高低電位才有共同的參考點。
鋰電池
鋰離子與鋰聚合物電池能量密度高，用錯時危險也高：
- 只用專用的鋰電池充電電路：先定電流、再定電壓充電，充飽要停止，不能一直涓流充電。
- 電池要有（或另外加上）保護電路：防止過充、過放、過電流，以及在允許的溫度範圍外充放電。沒有保護的裸電池不要直接用。
- 不要在冰點以下充電；充電或使用時電池或充電器明顯發燙，就停止使用。
- 外觀鼓脹、破損、漏液的電池不要再用，也不要丟一般垃圾，交給電池回收。
- 不刺穿、不擠壓、不拆解；正負極不要碰到金屬物品，攜帶時把接點包起來。
220V 市電
插座的 110V／220V 交流電可以致命。控制家電（燈、電扇、電熱器）的電路要由合格的電機人員處理， 這門課只用開發板、電池與 USB 供電。需要讓作品「開關家電」時，選用已經通過安規認證的成品（例如智慧插座）， 用程式控制它，不要自己拆插頭、剪電線、把繼電器接進市電。
小測驗：算電
9V 電池經過線性穩壓器輸出 3.3V，電路用 50 mA。用下面的程式算穩壓器發熱（瓦），會印出什麼？
print(round((9 - 3.3) * 0.05, 3))
2000 mAh 的電池，打 8 折估算，作品平均用 40 mA。下面的程式會印出什麼（小時）？
print(2000 * 0.8 / 40)
作品醒著時用 60 mA、睡覺時用 1 mA。只醒著 10% 的時間，平均電流是多少？下面的程式會印出什麼？
print(round(0.1 * 60 + 0.9 * 1, 1))
小測驗：安全
伺服馬達用另一組電池供電，訊號線接 Pico 的 GP16，結果馬達亂抖。最可能漏了什麼？
下列關於鋰離子電池的做法，哪一個是錯的？
想讓作品在溫度太高時打開家裡的電風扇（插 110V 插座），比較安全的做法是？
重點整理
- 線性穩壓：多出來的電壓變成熱，發熱＝（輸入 − 輸出）× 電流，輸入要高於輸出加壓降；切換式穩壓效率高、發熱少。
- Pico 板上是升降壓切換式穩壓，VSYS 約 1.8～5.5V 都能用；3V3(OUT) 建議 300 mA 以下；GP29 讀到 VSYS 的三分之一。
- 使用時間 ≈ 容量 × 可用比例 ÷ 平均電流；讓作品大部分時間睡覺，是延長電池壽命最有效的方法。
- 腳位只送訊號，大電流零件另外供電並共地。
- 接線前斷電、小心短路；鋰電池用專用充電電路與保護電路，鼓脹就停用；市電交給合格人員。
下一課拿起烙鐵：把排針焊到開發板上，讓作品從麵包板變成可以帶走的電路。