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LEDの基本 発光ダイオード（Light Emitting Diode 以下、LEDと呼ぶ）は身近な表示素子で、赤色、青色 などの 発光色があり、形状も丸型、角型、7SEG-LEDなどさまざまです。 LEDを光らせるためには「電流」を流せば良いわけですが、あらためて基本的なことを解説 します。 ★LEDの基本回路 図1 a ) にLEDを点灯させる基本回路を示します。 LEDには2つの極性があり、 アノード → A と表記 カソード → K と表記 ダイオードと同じようにLEDも電流が流れる極性があり、図1 a ) のように アノードに電源のプラス側を接続すれば電流が流れて点灯します。 これとは逆に図1 b ) の接続ではLEDに電流が流れず、点灯しません。 このようにLEDは電流が流れることにより点灯（発光）します。 言い方を変えれば、点灯させるためには「アノード(A)を正の極性、カソード(K)を負の極性」 となる電圧（電流）を印加すればよく、これを「順方向」と言い、図1 b ) の接続を 「逆方向（電圧）」と言います。 なお、抵抗Rは流れる電流を制限するためのもので「電流制限抵抗」と呼ばれます。  図2は「やってはいけない回路」です。 図2 a ) は電流制限抵抗がありませんので、LEDに過大電流が流れるためLEDの破壊に つながります。 図2 b ) は電源に交流電源を用いた場合です。 LEDもダイオードと同じように図1 b ) のような接続では電流は流れませんが、流れない電圧方向 （これを逆電圧と言います）での絶対最大定格値が低いので、図2 b ) のような 交流電圧では逆電圧 が印加されますから、これも素子破壊につながります。 （一般的にLEDの逆電圧の最大定格値は3V～5V程度） このような場合、なんらかのLED保護回路が必要です。  ★LEDの特性 LEDの特性を図3に示します。 順方向で電圧を印加すると「ある電圧以上」から電流が流れはじめ、これを順電流(記号ではIF)と言い、 点灯する明るさは電流に比例します。 この時の「アノード・カソード間電圧」を順電圧VFと言い、 電流値が大きくなるほどVFの値も大きくなります。 この説明では「電圧(VF)を印加した結果の電流(IF)」としましたが、 「電流が流れた結果の電圧」 とも言えます。 逆方向の場合は、電流はほとんど流れませんが、「ある値以上の逆電圧」で急激に逆方向 の電流が流れはじめ、素子を破壊する恐れがあります。 この逆方向電圧は最大定格としてLEDのデータシートに 掲載されています。 一般的には3V～ 5V程度で、逆方向電圧が印加される場合に注意が必要です。 また、順方向電流IFも最大定格項目の1つで、これも「絶対に超えてはいけない値」です。 表1に主なΦ5 LEDの規格を示します。 順電圧VFは規定の順電流（例えば、10mA、20mA)が流れた場合の値です。 表1は標準(typ)値で、順電圧は発光色、型番により異なります。 緑色などはVFが2.2V、3.7Vとかなり異なるものがありますので、「緑色は約2V」などと思い込ま ないで、 データシートでの確認が必要です。  表1 主なΦ5 LED
★電流制限抵抗の求め方
図４のように、この回路は 電源 E に抵抗 R およびLEDが直列接続されていますから、
LEDに流れる電流も抵抗に流れる電流も同じです。 電流 IF は抵抗の両端電圧を抵抗値で割ればよいので(オームの法則、I ＝ V｜R) この両端電圧は電源 E から VF を引いたものですから、 抵抗両端電圧 ＝ E - VF 電流 IF はこの両端電圧を抵抗で割ったものですから、  ①を変形して、 
 ★必要な電源電圧 LEDは順方向電圧VFを印加することにより電流が流れることになりますが、「電流を流した 結果の電圧(VF)」 であるとも言えます。 十分な明るさで点灯する条件は図5 a ) のように E ＞ VF であり、かつ、抵抗両端電圧が確保できる値 です。例えば、図5 b ) のように十分に明るい時のVFの値が2.0VとなるLEDでは、電源電圧が 1.5Vでは 電流を流すことができません。 したがってこの場合、電源電圧は2V以上が必要な条件で、電源に1.5Vの乾電池を用いると すれば2本を 直列接続します。  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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設計例 ★LEDが1個の場合 LEDを点灯するための電流値に決まりはありません。 一般的には1mA～10mA程度になりますが、近年は「高輝度タイプ」が増えてきましたので、 用途によっては1mAくらいで十分明るいものがあります。 つまり、同じ電流値でも用いるLEDにより輝度が異なり、 用いるLEDで十分な明るさとなるような電流値にすれば良いわけです。 この例ではLinkmanの「BL503V2CA3B01」（Φ5 赤）を用いて5mA流れるようにしてみます。 （図6) ▼BL503V2CA3B01 http://www.marutsu.co.jp/shohin_934/ データシートのVF値は規定の電流値20mAでの値ですが、5mA時のVF値が不明です。 ただし、LEDにはVF値のバラツキもありますので単純な表示用途ではVF値に神経質になる 必要はなく、この例では20mA時のVF値(1.8V)で計算します。 計算結果は図6のように240Ωとなり、用いる抵抗はカーボン抵抗（抵抗誤差±5%）です。   各部の電流、電圧確認は図8のように行います。 デジタルテスタの「DCVファンクション」（直流電圧測定）で抵抗両端電圧を 測定し、これを 電流値に換算します。 この換算結果はカーボン抵抗の抵抗誤差（±5%)を含みますが大抵の用途ではこの方法で 良いと思います。 これにより回路を切断することなく、手早く確認出来ます。 VF値は電源電圧から抵抗両端電圧を引いた値です。 
電流は抵抗の両端電圧を測定して電圧値に換算する。 参考として確認風景を写真1に、使用部品、機材を表2に示します。 表2
LEDの極性は「リードの長いほうがアノードA」です。 電池スナップは「ブレッドボード用」を用いると接続に便利で、また、テスタのテストリード に 「クリップアダプタ」を用いています。  （計算結果が半端な場合）  ところで、1440Ω（1.44KΩ）の抵抗は市販されていません。 このような場合、計算結果が市販されている抵抗値に近いものを用います。 LEDの電流制限抵抗は一般的にカーボン抵抗（誤差±5%)が用いられ、表3 のような 抵抗値になります。 数値は1.0～9.1までの24個（種類）で、例えば、 E ＞1.2 → 1.2Ω 12Ω 120Ω 1.2KΩ 12KΩ 120KΩ E ＞1.5 → 1.5Ω 15Ω 150Ω 1.5KΩ 15KΩ 150KΩ のようになり、このような数列を「E24系列」と言います。 図9の計算結果は1440Ω（1.44KΩ）ですから、この場合、1.3KΩまたは 1.5KΩのカーボン抵抗を用います。 表3 E24系列
★LEDが直列の場合 図10はLEDを2個直列接続し、制限抵抗が1本の場合です。 この例では電源Eと各部の関係が、 E ＜ VR + (2×VF) ですからLEDに電流を流すことが出来ず点灯しません。  このようにLED直列接続では電源電圧に注意が必要で図11のように電源電圧を4.5V以上 にします。 発光色「青」などはVF値が3V以上ですからLED直列接続では 特に電源電圧に注意が必要です。  図12に直列接続時の電流制限抵抗値の求め方を示します。 各LEDに「赤」、「青」などを混在してもかまいませんが、直列接続ですから各LEDに流れる 電流値 は同じです。  図13に計算例を示します。 計算結果は480Ωになりますが、E24系列の中から470Ωのカーボン抵抗を用います。  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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接続の注意点 ★やってはいけない接続 図14は「やってはいけない接続（回路）」です。 複数のLEDを並列接続し、電流制限抵抗は各LEDに共通の1本です。 LEDは同じ型番でも特性(VF）にバラツキがあるので、 各LEDに流れる電流が同じになるとは限りません。 LEDは流れる電流値により明るさが変わりますから、電流値が異なると複数のLED接続では 明るさにバラツキが出ます。 したがって、この接続は不可です。  表4は同じ型番のLEDを1mA流した場合のVF値を測定した結果で、 最大値が1.94V、最小値 は1.711Vです。 表4 順方向電圧VF 実測値 IF = 1mA時 （赤LED サンプル数50)
図15に実験結果を示します。LED1にVFが「1.711V」のもの、LED2に「1.94V」のものを用い各LED に 1mA（つまり、Rには2mA)流すつもりの回路ですが実際には LED1 → 1.80mA LED2 → 0.23mA 電流値がかなり異なり、LED1は「明るく」、 LED2は「かなり暗い」結果です。  ★並列接続時は電源電圧を高くしたほうが明るさの バラツキが少なくなる 図16は同じLEDを複数接続する例です。 電流制限抵抗はそれぞれ用意(R1,R2)しますが、電源電圧が低いと明るさに ばらつきが生じる可能性があります。  図17は各電源電圧においてLEDに約1mA流した実験結果です。 R1,R2を同じ値にしますが、抵抗値誤差がありますので、実際の測定は抵抗値誤差を排除 する目的で同じ抵抗器を 用いています。 各電圧時における各LEDの電流を測定し、その比率をパーセントで表わします。 電源電圧 3V → 80.7% 電源電圧 5V → 92.1% 電源電圧 9V → 96.1% 電源電圧 12V → 97.3% 電源電圧が高いほどLED間の電流誤差が少なくなることが分かります。  このように電源電圧により各LEDへの電流誤差が発生しますが、電流誤差を少なくする ために必要な 電源電圧の目安は図18のようにします。 電流制限抵抗の両端電圧(VR)がLEDのVF値以上となるようにし、この例では3.6V以上 となります。 ただし、この方法は「あくまでも目安」ですので、実際の確認が必要です。  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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まとめ ★順電圧VFをデータシートで確認し、必要な電源電圧を用いる。 ★基本回路   ★やってはいけない回路  ★電源電圧に注意  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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