やりたいことから始める赤外線エアコンIoT (3/5)

第3章：赤外線送信の仕組み — IR LED とトランジスタの選定と抵抗計算

1. 送信に必要なもの

受信した信号を再現するには、同じように赤外線 LED を 38kHz で点滅させる必要があります。ここで考えるべきは：

赤外線 LED：940nm 帯のものが一般的。型番が分かっていれば極性や定格が確定できる。
電流の ON/OFF スイッチ：Pico の GPIO から直接大電流を流す設計にはしない。GPIO は「指令」を出すだけに留め、LED 電流は別の経路（電源）から流す。
電流制限：LED に抵抗なしで電源をつなぐと壊れる可能性がある。

2. なぜトランジスタが必要か

Pico の GPIO は最大でも数 mA 程度しか出力できません。しかし IR LED はある程度の電流（今回は初期 10mA 級から試す）を流した方が遠くまで届きます。このギャップを埋めるのがトランジスタです。NPN トランジスタを「電子スイッチ」として使い、GPIO が HIGH の時だけ LED に電流を流します。

3. データシートを確認するとどうなっているか

3-1. IR LED（OSI5LA5A33A-B）

OptoSupply OSI5LA5A33A-B（秋月電子商品ページ）確認結果

波長：940nm（赤外線リモコン用標準帯域）
順電圧（Vf）：約 1.6V（典型値）
DC 順電流最大定格：100mA
パルス順電流最大定格：1,000mA（条件：パルス幅 10ms 以下、デューティ比 1/10 以下）
放射強度：100mW/sr
半減角：30°
Pin 配置：Pin 1 = Anode（アノード）、Pin 2 = Cathode（カソード）

データシートを確認すると、極性と定格が確定しました。ただし「DC 最大 100mA」は絶対最大定格であり、連続で 100mA 流してよいという意味ではありません。パルス駆動の条件付きで 1,000mA まで許容されますが、今回は安全側から始めます。

3-2. NPN トランジスタ（BC337-40BU）

ON Semiconductor BC337/338 Datasheet（秋月 105998）確認結果

型式：NPN トランジスタ
コレクタ・エミッタ間電圧（VCEO）：45V
最大コレクタ電流（IC）：800mA
パッケージ：TO-92
直流電流増幅率（hFE）：250〜630（BC337-40 グレード）
Pin 配置（平らな面を手前、足を下に）：左から Pin 1=Collector、Pin 2=Base、Pin 3=Emitter

データシートを確認すると、800mA の余裕があり、今回の約 10mA 級の IR LED 駆動には圧倒的に十分であることが分かります。また、足順が明確に定義されているため、ブレッドボード上での向きを間違えにくいです。

選定：OSI5LA5A33A-B（940nm IR LED）+ BC337-40BU（NPN トランジスタ）
理由：LED は型番確定で極性（1=Anode, 2=Cathode）と定格が分かる。トランジスタは GPIO 電流不足を補い、800mA 余裕あり。両方ともメーカー資料で足順が確定している。

4. 抵抗値を計算する

トランジスタの BASE（制御端子）と IR LED（出力端子）の両方に抵抗を入れます。値は「どれだけの電流を流したいか」から導きます。

4-1. BASE 抵抗（2kΩ）

BASE-EMITTER 間はダイオードに近い性質を持ち、約 0.7〜1.0V の電圧降下があります。GPIO から流れる電流を 1mA 程度に抑えたいと考えると：

Ib ≒ (3.3V - 0.7V) / 2000Ω ≒ 1.3mA

手元に 2kΩ の抵抗があったため、これを使用します。BC337-40BU の hFE は 250 以上なので、1.3mA のベース電流であればコレクタ電流は 300mA 以上の駆動能力があり、今回の用途には十分すぎます。

4-2. LED 電流制限抵抗（330Ω）

IR LED の順電圧を 1.6V、USB 給電時の VBUS を約 5V とすると、トランジスタの電圧降下を無視した上限寄りの概算は：

Iled ≒ (5V - 1.6V) / 330Ω ≒ 10.3mA

実際にはトランジスタの COLLECTOR-EMITTER 間にも少し電圧がかかるため、LED 電流はこれよりわずかに小さくなります。最初の動作確認では安全側の約 10mA 級から始めます。

IR LED直列抵抗	上限寄りの概算電流※	今回の扱い
330Ω	約10.3mA	最初に使用。安全側で送信確認する。
220Ω	約15.5mA	手元にあれば次の候補。330Ωで距離不足のときに検討する。
100Ω	約34mA	最初から使わない。LED定格だけでなくパルス幅・デューティ比・BC337-40BUの駆動条件を確認してから検討する。

※ VBUS=5V、LED 順電圧=1.6V、トランジスタの電圧降下を無視して計算した値。実際の電流は少し小さくなる。

最初は 330Ω で始める
100Ω にすると概算 34mA まで増えます。LED の連続／パルス定格、デューティ比、トランジスタの駆動条件を確認してから抵抗値を下げる。最初は安全側の 330Ω で動作確認。

5. 送信回路の全体図

図2：IR LED 送信回路。GPIO は「スイッチの指令」だけを出し、LED 電流は VBUS 側から流れる。

6. 38kHz 搬送波の生成実験

赤外線受信モジュールは単に IR LED を点灯しただけでは反応しにくい。赤外線リモコンでは数十 kHz の搬送波で高速点滅させる必要があります。Pico では PWM で 38kHz の搬送波を作れます。

from machine import Pin, PWM
from time import sleep_ms

pwm = PWM(Pin(18))
pwm.freq(38000)
pwm.duty_u16(32768)   # 約50% duty
sleep_ms(1000)
pwm.duty_u16(0)
pwm.deinit()

この段階ではエアコンを動かす必要はありません。PL-IRM1838B で自分の送信を自分で受信して確認するか、スマートフォンのカメラで IR LED が点滅しているかを見る方法もあります（機種によって赤外線カットが強く見えないことがあるため、PL-IRM1838B での確認がより確実です）。

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