楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

LEDで遊んでみよう

  

ここでは、LEDの点灯、電流値と明るさ、直並列につなぐとどうなるのか・・・などを実際に点灯させてみていきましょう。

LEDはいろいろな種類がありますが、一般的には砲弾型の普通タイプでいいので、100個程度のセット品は結構安いのですが、いろいろな種類を10~20個ずつぐらいを購入しておくと楽しく遊べます。

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LEDを点灯させるための基本回路


  

LEDを点灯するための基本回路図図1 標準的な回路

LEDの特性例 図2 LEDの特性例

図1は基本的な「LEDの点灯回路」です。 バッテリー(電源)に直接LEDをつなぐと、図2のグラフに見るように、電圧が少し高いと、電流が流れすぎて、焼け切れてしまいます。

砲弾型とよばれるタイプのLEDは、「2V・15mA」という仕様のものが一般的で、このグラフでは2Vの電圧を加えれば20mA程度の電流が流れて点灯します。

1.7V以上の電圧が加わればLEDが点灯しはじめて、電圧が高くなるにつれて電流値が増えるのですが、2.1V以上の電圧をかけると30mA以上の電流を流れて、LEDが焼け切れてしまう恐れがあるので、電流を制限する抵抗等が必要になります。

図2では、2V時の電流は20mAですが、2.1Vになると30mA、2.2Vになると危険範囲の点線表示になっていますね。

後で実験しますが、必要以上に電流をたくさん流しても、大して明るくならないで寿命を短くするだけです。 最初にこれを覚えておきましょう。

直列の抵抗は、電圧と電流を制限するためのもの

通常の使い方は上の図1のように、2V・15mAのLEDであれば、2V以上の電源電圧にして、回路に抵抗を直列に入れて、LEDに加わる電圧に下げることと電流を一定値にする必要があります。

LEDには2V・15mAのもの以外に、白色LEDとよばれる3Vや3.5Vなどのものがあり、これらはそれぞれ、3V、3.5V以上の電圧が必要になる・・・ということです。

仕様がわからない場合は、2V・15mAのものと考えておくと3V仕様のものは点灯しないので区別できます。

過電流によって点灯しなくなった場合は、ダイオードですので、テスターの低抵抗レンジで確認できます。(きっちり明示区分して保管する癖をつけておきましょう) 

LEDは一方向に電流が流れる「ダイオード」ですので、この点灯に必要な電圧のことを「順電圧」といいます。

逆方向には非常に電流が流れにくいということですし、電源電圧が低いと点灯しません。

また、ここでは電流制限用に抵抗器を使いますが、定電流ダイオードを使う場合もありますし、また最近では、直接電源につないでも正常に点灯するLEDも販売されています。


LEDにはいろいろな種類があります

砲弾型LED

電子工作では、写真のような3mmと5mm砲弾型のLEDがよく使われます。 

現在ではさらに、大電力で非常に高輝度に発光するものや、3色や七色に点灯するものなどもあって、沢山の種類のものが販売されています。(一例はこちら

そして、「LEDは熱に弱い」ということを覚えておいてください。

高い電圧を加えると切れてしまうのは、電流による熱で切れてしまうことですし、周囲温度が高いところで使用しても寿命が短くなります。 

ここでは、主に、2Vタイプの普通型LEDで説明していきます。

LEDの特性

LEDは、上のグラフのように、流す電流が増すと明るく輝くのですが、言い換えると、必要な電流を流すためにはそれに応じた電圧が必要です。

LEDの特性例 再掲のグラフ

しかし、グラフに見られるように、電圧を少し上げただけでも、急に電流が増えるので、電流制限抵抗を併用します。(縦軸は対数目盛りであることに注意)  

このグラフには書いていないような高い電圧(例えば、3V)を電流制限抵抗なしでLEDに加えると、100mA以上の電流が流れてしまって、瞬時に壊れてしまう・・・ということがこのグラフから読み取れます。

LEDが切れてしまう原因は、「電圧」というよりも、電流による「熱」が原因ですね。

この特性のグラフの左上にTa=25°と書かれているように、周囲温度も重要です。遮熱、放熱に気をつけないといけないということです。

LEDは適正に使用すると数万時間の寿命ですが、温度と流す電流によって、寿命が極端に短くなってしまいます。

電流制限抵抗値は簡単に計算できます

LEDの仕様は、2Vの電圧を加えて15mA程度の電流で点灯させるのが標準です。

高輝度LEDなどでは3.5V・15mA となっていますが、その仕様が分かれば、制限抵抗値を決める計算ができます。



LED(ここでは1つだけ)を点灯させるとして計算してみます。

LEDでは 2V の電圧降下があるのですから、例えば、電源の電圧が3Vであれば、(3V-2V)=1V の電圧を「抵抗器を直列につなぐ」ことで、電圧降下と電流制限をさせる方法が一般的です。 

LEDを点灯するための基本回路図標準的な回路(再掲)

直列にすれば、LEDと抵抗器に同じ電流が流れるので、余分な1VとLEDに流す電流を15mA として、オームの法則を用いて抵抗値を求めます。

オームの法則 R=E/I から、電源電圧が3Vであれば、
 R=(3-2)V/0.015A=67Ω の抵抗をつなげばいい・・・ということになります。

もしも、3Vではなく、12Vの電源を用いるのであれば、LEDでの電圧低下は2Vですので、抵抗器によって (12-2)=10V の電圧を下げて、さらに 15mA が流れればいいので、 10V/0.015A=667Ω の抵抗器を直列につなげばいいことになります。

もしもそれ以上に明るくしたいならば、抵抗値を小さいものにして、電流を増やせばいいのですが、後で示しますが、寿命を短くするだけで、そんなに明るくなりません。 

20mA をLEDに流したいなら、 10/0.02=500Ω の抵抗に変えれば、若干ですが明るくなります。 

(注)LEDそのものの性能で明るさが決まりますので、明るいものがいいなら、高輝度タイプのものなどを使います。

下の図は、①青字が3Vの電源を用いたとき、②赤字は12Vの電源を用いたときの計算値です。 

このように、同じ電流値15mAになるように抵抗値を決めると、同じ程度の明るさで点灯します。

LED点灯の回路測定例

それでは、LEDを使った時の様子をいくつか実験してみましょう。

LEDに流す電流と明るさ

ここでは、2V・15mAの黄色のLEDに半固定抵抗を用いて電流値を変えて明るさを比較してみました。

これで見ると、5mA以下になると減光しますが、10mA以上ではあまり明るさに違いがないことがわかります。 

つまり、明るさはLEDの種類(型番)によって決まっており、必要以上に電流を流しても、寿命が短くなるだけで、あまり明るくならないということです。

ここでは、1mAでも、点灯しているのがわかりますが、もっと小さな電流値の場合を見てみますと・・・

30μA程度で、電極に色がついて発光しているのがわかります。

この電流制限抵抗値は、毎回詳しく計算する必要もありません。 私は、5Vの電源をよく使いますが、このときは何も考えないで220Ωの抵抗を用います。これより小さくするのは寿命を低下させますが、500Ω程度でも気にすることはないということです。

計算値では (5-2)/220≒0.014 で、14mA程度の電流になっていて適当な電流になっていますが、このような実験を一通り自分でやってみるといいでしょう。

LEDは「ぱっ」と一瞬でFull点灯するでしょうか?

LEDの点灯中の電流値実測例

重要な実験ではありませんが、LEDは、普通は「ぱっ」とついている感じですが、どうなのでしょうか?

ここでは5Vの電源で実験します。 この電源はこちらで紹介したものです。 

上の写真のように、電源電圧5V、電流制限抵抗220Ωにすると、13.78mA の電流が流れて、この写真のように点灯しているのがわかります。

計算値では、 (5-2)/220=0.0136A ですので、ほぼ計算通りになっています。

見た目にはすぐに点灯して明るく光っているように見えますが、その電流値の時間経過を調べてみると、実際には、明るさが安定するまでに時間がかかっていることがわかりました。

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下のグラフのように、少しの電流の差ですが、電流値が安定するまでに30秒程度の時間がかかっているのですが、それでも、見た目には明るさの違いはわかリません。 先ほどの電流値の違いでの明るさを見たように、10mA以上流れていると、明るさの違いは、見た目にはわからないのでしょう。

実測結果

その他のLEDについて点灯直後と30秒後の電流値を見ると、若干ですが違っています。 これも、一つの実験例ですが、ずっと点灯させていて周囲温度が変われば、当然流れる電流値が変わるのですが、これについても、見た目ではわからない明るさの違いです。

あまり役に立つ実験ではないかもしれませんが、なんでもやってみると、身近に感じられますから、ぜひいろいろ試してみてください。

LEDの色によって明るさが違うように感じますが・・・

次に、上右のグラフを見ると、4種類8つのLEDを、すべて220Ωの抵抗を使ってLEDを点灯したときの電流値を見ると、LEDの色で流れている電流値がかなり異なっています。

電流値の高いほうが明るい感じです。

抵抗器はテスターを使って1Ω以内のものに揃えて使っていますが、色(種類)によって明るさに差が出ているようです。 

ここではLEDを並列につないでいるので、各LEDに加わる電圧は等しいので、この明るさの違いは、流れる電流量が違うため・・・だと言えます。

同時に購入した2V・15mAの5mm砲弾型とよばれる4種類のLEDですが、下の写真のように、並列に4種類8個を並べて点灯させると、明らかに明るさに違いがあることがわかります。(右側から明るい順に並べています)

点灯状態

そして、グラフに見るように、見た目の明るさは、流れている電流値の大きいほうが明るく輝いています。 後で実験しますが、電流値を合わせると、かなり見え方は近づいてきます。

種類の違うLEDを一緒に点灯させる場合

種類(色や仕様)の違うものを組み合わせて同時点灯させたときに、同じような光り方に見えるようにするのは工夫がいりそうです。

さらに、普通タイプと高輝度タイプのLEDを同時点灯しようとすると、電圧仕様や輝度も異なるので、さらに大変そうです。。

点灯状態2

上の写真は、2V普通タイプ3つと高輝度のものを2つを並列につなぐと、電圧不足で高輝度のものは点灯しませんし、区分して点灯させてみても、製品によってかなり明るさが違います。

このように、違う仕様のLEDを同時に組み込んで見え方を揃えようとすると、結構難しそうですね。

そこで次のようなことを調べてみました。

流す電流値を同じにすれば、同じように光るか?

点灯状態3

これは、5mm普通タイプの「赤と緑」「赤と透明赤」のそれぞれに10mAの電流を流したときのLEDの様子です。

半固定抵抗を使って、流れる電流が0.02mA以内の誤差になるようにして15mA程度の電流を流した時の写真ですが、(これは後で実験しますが) 並列につなぐと、各LEDに流れる電圧を同じなるのですが、上左のように、電流が流れやすい側のLEDが明るく光ります。

これを、並列ではなく、個別に電流調整をして同じ電流値にすると、同じ程度の発光になります。

つまり、LEDは流す電流値で明るさが決まる・・・ということがわかります。

しかしそれでも、LEDの見え方の違いがあります。 これは人間の目の特性もあって、「見え方を合わせる」のは大変だということがわかります。 

*****

次は、たくさんのLEDを一度に点けるための、直列つなぎ、並列つなぎについて点灯の様子を実験してみます。 

その前に、小中学校では電池と豆球で、直列つなぎと並列つなぎを習ったのですが、その豆球の明るさがどの様になったのか・・・を思い出してください。

【寄り道です】電灯の直列と並列についてのおさらい

ここでは家庭用の電球で考えましょう。

白熱電球では、「ワット数」で明るさが変わりますね。 これは、家庭の回路は下図の上のように電気器具が「並列」につながれているためですが、これを直列にすると、全く逆に明るさになります。

ワット数の違いによる電灯の明るさイメージ

並列の場合は、それぞれの電球に加わる電圧が等しいという事になり、ワット数の大きい電球が明るく輝きます。

家庭用の電気器具は並列で使うことを前提にしているので、100Wと10Wの電球で言えば、P=IE=E2/R からR=E2/P から、100Wの電球のフィラメントは (100x100/100=)100Ω、10Wの電球は(100x100/10=)1000Ωのニクロム線の抵抗値にして作られています。

フィラメントに電流が流れると、電流の熱作用で発熱し、それに見合った「色温度」の光を発するという理屈ですが、各電気器具に加わる電圧が100Vで等しいので、P(電力)=IE=E2/R から、Rが小さいほうが電流をたくさん消費するので、より明るくなります。 

抵抗値が少ない、すなわち、ワット数の大きなもののほうが明るいということです。

もう一方の「直列つなぎ」では・・・家庭等の電灯を直列にして使うことはないと思いますが、

もしも、直列にすると、 P=IE=I2・R で、各々の電灯には同じ電流Iが流れるので、Rが大きいほうが電力を使って明るく輝くことがわかります。

ここでは、「直列では、抵抗器などの部品に流れる電流が等しい」「並列では、抵抗器などの部品加わる電圧が等しい」・・・ということを覚えておいてください。

さて、つぎは、LEDの場合について実験をします・・・

LEDは、100V電灯のように、たくさんの電流は流れませんので、電灯とは少し違うのですが、ここからは、LEDを直列並列につなぐと、どのようになるのかを見ていきましょう。

LEDを2つで 直列と並列の場合

LEDが2つの場合では、LED1つの順電圧(電圧低下)が2V程度なので、2個直列にすると、単純には、4Vの電圧が必要なので、ここでは 5V の電源を使います。

このような例で点灯の仕方をみていきます。 ①がLEDが一つの場合で、②はLEDが2つの直列つなぎの場合、③が並列つなぎの場合です。
LEDの接続例

LEDの明るさや電流値がどうなるのか、実験して確かめてみましょう。

①の回路:LEDが1つの場合

220Ω(実測値217Ω)の電流制限抵抗を接続して黄色のLEDを接続したところ、下の写真のように通常に点灯しています。(実測した電流値は13.1mAです)

LEDをつけてみる写真1

この場合では、抵抗器とLEDを直列につないでいるので、抵抗器にもLEDにも同じ電流が流れているということです。(このことが大事です)

そして、電流が抵抗とLEDの2つを通過して電源電圧の4.94V(実測)の電圧降下が起きているのですから、このときに、抵抗器での電圧降下は、E=IRから、0.0131Ax217Ω≒2.84V です。

すなわち、LEDでの電圧降下は、4.94-2.84=2.10V という計算値になります。

(当初は、LEDの電圧降下を2Vとして計算していましたが、このように、2.1Vですので、当たらずとも遠からず・・・でしたね)

電圧を下げていくと・・・

LEDを点灯させるために必要な電圧とは、言い換えると、LEDでの電圧降下分と言えます。 「LEDの順電圧は**Vである」という言い方をされる場合があります。

上の例では2.1Vでしたが、それでは、2.1V以下では点灯しないのでしょうか?

上で示した特性のグラフでは、1.7Vのときに1mAの電流が流れて点灯することが示されていましたが、これを実際に確かめるために、2V程度から徐々に電圧を下げていくと、・・・。

徐々に暗くなっていき、1.6V程度で消灯しました。電圧が足りなければ、電流が流せなくなります。

LEDの仕様である2V・15mA はこの状態が明るさと寿命のバランスがいいところ・・・ということのようです。

それでは、本題に戻りましょう。

②の回路:LEDが2個で直列の場合

②のように2つのLEDを直列につなぐと、どうなるでしょうか?

LEDの直列回路

「直列」ですので、抵抗とLED1とLED2 にはすべて同じ電流が流れます。そして、それぞれが個別に電圧降下がおきて、その合計が電源電圧と等しくなります。

ブレッドボードに回路を組んでみた様子は、このようになりました。

LEDを2個直列にした点灯

電流を測ると LEDが1つの場合は13.1mAでしたが、2個+220Ωでは、4.8mA になりました。

LEDが1つ余分に加わったので、両方のLEDがかなり暗くなりましたが、それでも、十分に光っています。

LED2個を直列につなぐと、両方に同じ電流が流れるのですが、それぞれのLEDで電圧低下するので、特性グラフにあったように、1つのLEDに流れる電流が少なくなって暗くなっているのがこの状態です。

さらにもう一つ直列にしてLEDを3つつなぐと・・・

LED3個を直列にして点灯

このように、どのLEDも光らなくなりました。完全に電圧不足です。

このときの電流値を測定すると0ではないのですが、1mA以下です。 暗いところで見ると、前にやった実験のように少しは光っているのかもしれませんが、見た目ではLEDは光っていません。

LEDへの電流不足は電圧不足のため・・・ということです。

電流をたくさん流れるようにするためには・・・

電流を流すためには十分な電圧が必要ですので、方法としては、 ①電流制限抵抗の抵抗値を下げる ②電源の電圧を上げる・・・ などの方法が考えられます。

ここではまず、220Ωの抵抗で電流と電圧を制限しているので、電流制限抵抗の抵抗値を小さくする方法を試してみましょう。

1/2、1/4の抵抗器では、市販されているものでは、100Ω、51Ωというのが手元にあるので、それに付け替えてどのようになるかを試してみます。

51Ωでの点灯状況

しかし、220Ωの抵抗を 約1/4の 51Ωにしましたが、やはりダメです。

写真では見にくいですが、かすかに赤色の一部が光っていますが、全体は光っていない状況で、単純に考えても、5Vの電源ではダメです。

ただし、このときの電流値は、100Ωの時52μA、51Ωで55μA と、ごく少し流れています。 LEDはダイオードですので、目で見てわからなくても、順方向に電流が流れているということで、これは、電圧を上げていくと、光るということでしょう。

ちなみに、LEDを2個にもどすと・・・

2個直列100Ω 2個直列50Ω

先の220Ωで4.8mA でしたが、抵抗が減ったので、それにつれて電流が流れてすべてが点灯しています。

基本的には、電流が明るさを決めます。 しかし、充分な電圧がないと電流自体を流すことができないということのようです。 

抵抗をなくせばどうなる?  

この実験は危険です。まず、結果だけを見ておいてください】 

電流制限抵抗がなければ、LEDに乾電池を直接つなぐのも同じことですので、これは、たくさん電流が一気に流れて、LEDが壊れたり、熱が発生して破裂する危険性があります。

ここでは、私が、安全を確保して実験をやっていますが、個別には実験しないほうが無難です。

LEDの危険な使用例写真7

このように、2つのLED直列の場合はかなり明るく点灯します。

電流値を測定すると、49.8mAも流れています。 両方のLEDに同じ電流が流れていますので、この状態を続けていると、どちらかのLEDはまもなく焼け切れて、両方とも消灯するでしょう。


さて、3つですが・・・

 

LED3つにすると・・・

LEDの間違った使用例1写真8

このように制限抵抗無しでLED3つを直列にすれば、計算上はかつかつに点灯しそうですが・・・ 写真のように、赤色LEDだけがかすかに光っていて、その他は消灯状態です。

このときの電流値は0.06mAでした。 2つの場合よりさらに電圧不足であるために、「流れやすい」種類のものだけが少しだけ光っているという状況になっているようです。

もちろん、先のLED特性のグラフや実験から、1mA 流れれば光るはずですが、0.06mA程度でLEDのバランスもあって、目に見えて「ひかる」という状態までいっていないということでしょう。

さてここで、5Vから電圧を徐々に少し高くしていくと、

・・・ どうなると思いますか?(これも危険ですからやらないでください)

危険なことは承知で、注意深くその様子を見たのですが、徐々に電圧を上げて、7V 近くまで電圧を上げると、急に全部のLEDがピカっと明るく光って、切れてしまいました。

これはなぜでしょうか?

これは、直列につないでいて、さらに、電流が制限されないで電圧を上げていくと、電流が流れやすい「赤」→「黄」→「緑」の順で点灯可能な電圧になっていくのですが、1つでも電圧が足らないと電流がほとんど流れませんが、全部が光るだけの電圧になると一気に電流が流れてしまうからだと考えていいでしょう。

LEDの仕様のばらつきがあれば、余計にこのような状態になりやすいのでしょう。

電流制限用の抵抗があれば、問題はないのですが、それがなければ、すべてが点灯できる電圧になったときに、無限に電流が流れます。

さらに、LEDの種類が違うことも条件を悪くします。 ですから、このような実験はやらないほうが無難です。

ここまでの結論では、「3つを直列にすると、5Vの電源では電圧が不足して、電気を流せない」ということでとどめておきます。

後で、多数のLEDを直並列した実験をしますので、ここでは、電流制限抵抗は大事なものであるということを覚えておいて、次の「並列」の場合について見てみましょう。

LED2個を並列につなぐと・・・

LEDを並列につなぐと、それぞれのLEDに同じ電圧がかかりますし、それぞれのLEDに電流が流れるので、両方とも点灯します。

LED2個を並列で点灯

並列にすると各LEDにかかる電圧は電源と同じ電圧が加わるものの、電流が2つのLEDに分かれるので、LEDには約半分ずつの電流(6~7mA)程度が流れていると考えられます。

半分の明るさというのではなくて、「少し暗くなったかなぁ」という程度です。

3つのLEDを並列につなぐとどうなるのでしょう

LED3個を並列につないでみた

3つのLEDを並列につなぐと、合計の電流は 14.2mA が流れていますが、赤が明るいものの、他の2つはほとんど点灯していません。

3つのLEDに平均に電流が流れればいいのですが、並列につないでいれば、電気を流しやすいLED(この場合は赤色)に電流が流れるので、この写真のように、明るさの差が出てしまっています。

 

十分な電流を流すと・・・ちゃんと光りました

そこで、電流制限抵抗値を小さな値に変えて、全体の電流量を高めると、しっかりと光ります。

それぞれの電流は測っていませんが、色によって差があるはずです。

3個並列100Ω 十分に点灯

220Ωから100Ωの制限抵抗に変えると、写真のように全体では 29.6mAの電流が流れています。

E=IR から、抵抗における電圧降下は、0.0296x100=2.96(V)なので、それぞれのLEDには 約2Vの電圧がかかっており、計算上では、29.6÷3≒10mA の電流が流れている状態なので、全てが光っている・・・という状態になっています。

もちろん、それぞれのLEDに流れる電流値は同じではないのですが、それぞれが光る程度に十分な電流が流れているということですね。


さらに抵抗値を下げて 51Ω にしてみました。

すると、54.4mA が流れて、3つともが、非常に明るく光ります。 (54.4÷3≒18.1mA平均と、少し大きすぎるので、このままでは短時間で焼け切れるでしょう)

このように、若干の特性の違いがあっても、適当な電圧と電流であれば、並列つなぎをすることでたくさんのLEDを点灯させることがわかりました。

以上のまとめ

LEDが3つのまでについての、直並列の結果を表にまとめてみました。

測定結果一覧電流はmA

黄色が明るく、橙→赤と暗くなっていき、無色は点灯していないことを示しています。電流値が高くなるほど明るく光っています。

表中の電流値をLEDの個数で割った値が10mA程度以上になるとLEDが明るく点灯しているはずです。

直並列で点灯させることを考えると・・・

以上から、LEDを並列にして、抵抗値を調節して適当な電流が流れるようにすると、、ある程度の数のLEDを同時に点灯できそうです。

また、直並列の併用であれば、「2VxLEDの個数」分の電圧を利用して直列の個数を決めて、並列にするLEDに対して、LED1つあたり10mA程度の電流を流せばかなり多くのLEDを点灯させることができそうだ・・・と予想できます。

もちろん、直列ではLEDの1つが切れるとその組(列)すべてが消灯してしまいますし、並列でも、1つが消灯すると、明るさのバランスがくずれて全体の明るさが変わる・・・ということになるのですが、これを念頭に、実際に、多数のLEDを点けることに挑戦してみましょう。

多数個のLEDを点灯させるためには

安定してLEDが光る範囲の電流制限抵抗を用いて、過電流が流れないようにしておいて、複数個のLEDを並列につなげば、多数個のLEDを点灯できそうですね。

しかし、たくさんのLEDを並列に付けると総電流値も増えて心配なのですが、どれくらい同時点灯できるのでしょうか? ・・・・・ やってみましょう。

5mm砲弾型の持ち合わせが少なかったので、ここでは、3mmの砲弾型を用いて、数を増やすとどうなるかを実際にやってみました。

並列ですので、各LEDには同じ電圧が加わり、LEDの数が増えると、総電流を増やさなければなりません。

そこで、電源5Vで電流制限抵抗を100Ωにして、8個づつ並列にしていったときの電流値や光の具合を見てみます。

8個→16個→24個と増やしていった時の電流値を見てください。

LED8個 LED16個
LED24個 LED24個の光り方

写真ではわかりにくいですが、すべてのLEDは点灯しています。

ただ、光り方(輝度や明るさ)はLEDの色によって異なるのは、今まで見てきたように、「しかたない」としておきましょう。 

また、緑色→黄色→赤色の順で明るいのですが、これについても「しかたない」・・・としておきます。

まず、黄色8個に緑色8個と加えると、すこし黄色の輝度は低下しました。 このとき、総電流値は28.1mA→29.0mAと若干増えていますが、ほとんど増えていません。

さらに赤8個を加えると、急に、緑・黄が減光しました。

赤色は総じて電気が流れやすいために、そちらに電力が食われているようですね。そして、その時も、総電流値は29.0mA→29.7mA と、少ししか増えていません。

数を増やしても総電流は増えていない・・・・・ つまり、LEDは非常に省エネだということがわかりますね。 

抵抗器に流れる電流で個数の限界が決まる

このときの総電流は、 I=E/R から、抵抗器に流れる電流は、
(5-2)/100=30mA という計算値になります。

そして、実際の測定値も24個を点灯させると、上の写真のように実測値は 29.7mA と、計算値の30mAに近づいています。

つまり、この抵抗値では、LED24個程度が同時点灯の限界・・・と言えそうです。

実際にそうなのかを確認してみましょう。

この条件では24個程度の個数が本当に限界なのかどうかを確認するために、さらに手持ちの5mm砲弾型LEDを加えていくと、・・・・

30.7mA からは増えないで、それ以上のLEDをつなぐと、今まで均一だった点灯状態が不安定になってきます。

つまり、電流の限界値近くになると、もうそれ以上の電流が流せないので、LEDの特性の差が出てきて不安定な光り方になるのでしょう。

電流が飽和した状態

このように、たくさんのLEDを並列にして、同じ明るさで点灯させる場合には、ただ多くをつなぐといいのではなくて、まず計算をして総電力量から点灯させるLED個数を決めるといいことになります。

もちろん、LEDの種類の違いがあれば、明るさの見え方が違うので、工夫をしないと同じような見え方にならない・・・ということが推測できますね。

市中に、たくさんのイルミネーションLEDが点灯しているのを見かけますが、このような実験をしてみると、均一に光らせるのが難しいということがわかります。

ただ、順番につないでいるだけではうまくいかないので、イルミネーション製作には、いろいろな「苦労」が隠れていることもわかってきます。

多数個のLEDを付ける場合

LEDのダイナミック点灯

ここまでは、アナログ回路でLEDの点灯を見ていますが、LEDの個数が増えると、流れる電流が増えますし、熱対策なども必要になります。

そのため、しばしば、デジタル回路を用いて、「ダイナミック点灯」という方法が取られます。



一般的には、「タイマーIC」た「カウンターIC」を用いて、多数のLEDを順番に断続的に点滅させるのですが、点滅の間隔が短いと、人間の目には「点灯されている」という状態に見えということでたくさんのLEDを同時点灯させることができます。

これについては、デジタル回路を紹介する機会があれば紹介します。(こちらに関連記事あり

例えば、ダイナミック点灯回路で、毎秒30回点滅させるようにすると、30個のLEDを1つのLED電流で点灯させることが出来る事になり、省電力化が可能になります。

それを使わずアナログ的に多数個を点灯させる実験

ここではデジタル的な方法を使わずに、アナログですが、単純に、多くのLEDを点灯させる方法を考えてみましょう。

ともかくたくさんのLEDを同時につけようとすれば、並列にすることが基本でした。

さらにいくつかの抵抗を並列に使って、それぞれの抵抗に対してLEDを何個も「並列」にするグループ化が良さそうです。 

つまり、100個を1つの組にするのではなく、50個x2や25個x4のように分割した構成にすると、電流値と抵抗での発熱も分散されるので、かなりの数のLEDを同時点灯できそうです。

接続例

もちろん、LEDごとの特性や見え方の違いが出てくるのは仕方ないことですし、さらに、つなぐ数のバランスを取ったり、抵抗値を加減するなどで、明るさや見え方を調整する必要が出る可能性はありますが、ともかく、今までのおさらいも兼ねて、直列と並列を組み合わせて「直並列」でたくさんのLEDを同時点灯させさせることを試してみましょう。

多数のLED用の回路例

LEDは3mmの砲弾型を使用して、12Vの電源と220Ωの抵抗で(あまり多くはありませんが) 計18個のLEDをつないでみます。

12Vであれば、220Ωに10mAの電流を流すとすれば、抵抗での電圧低下は、E=IRから、220x0.01=2.2V、12-2.2=9.8Vなので、2Vの順電圧のLEDであれば直列分で5つがカツカツという数字になると計算できます。

しかし、今まで見てきたように、10mA流さなくてもLEDはそこそこ光りますので、ここでは6つを直列にして3組を並列にした18個を点灯させてみました。

18個のLEDをつけてみた写真19

すると、この写真のように無事点灯しました。

もっとたくさんのLEDを同時点灯させるとすると、このグループを並列にして増やすとともに、総電流量に見合った抵抗で電流値を決めればいいということになります。

懸念していた「色(LEDの種類)」による差については、やはり写真ではわかりにくいのですが、赤色は若干明るいし、緑色の中に、少し暗いLEDが1つあります。

暗いものは別のものに取り替えたり、抵抗値の「調整」をすることは当然必要になってきますが、でも、多数のLEDを点灯させることができることは確認できました。

こうなると、いろいろな電飾なども、計算しながらやっていくと、なんとかうまく出来そう・・・・ということになります。

本編は異常ですが、次に、少し寄り道してみます。

交流でもLEDは問題なく点灯します

LEDは「発光ダイオード」と呼ばれるように、ダイオードですから、本来から「一方にしか電流を流さない」整流作用があります。

そのために、交流であっても、問題なく点灯するはずです。

トランスを利用して100V の電圧を下げて、LEDを点灯してみました。

交流での点灯

電源電圧は実測6.6Vで、217Ωの抵抗を付けて、順電圧3.5Vの白色LEDをつなぐと、写真のように、明るく点灯します。

交流は、プラスマイナスの電流電圧が交互に入れ替わっていますので、LEDはどちら向けにつないでも整流(半波整流)されるので問題ありません。

下のように、10個の白色LEDを交互の向きにつないでみても、下の写真のように、問題なく点灯しています。

交流での点灯2

これも何かの折に覚えておくと使えるかもしれません。

更に寄り道です。

7色に点滅するLEDもあります

アマゾンで7色に自動点滅するLEDがあったので購入しました。

「順電圧3.5-4.0V LED5mm RGB(Fast)」という表示があるMade in Chinaのものですが、100球1パックを購入しました。

1つが10円程度で、嘘みたいに安い価格ですが、点灯させると非常に面白いもので、うまくできています。

変わり種LEDの例

基本の回路で、220Ωの電流制限抵抗にこのLEDをつないだだけですが、色を変えながら点滅します。その様子を動画で撮っています。 →ユーチューブの画像を見る 

また、トランジスタの増幅を利用して、これを使って遊んでいる記事もあります。参考に。

ただ、これを交流で点灯させるとダメでした・・・

電源はこれまで使った5Vで、その他もこのHPで説明用に使っているものです。しかし、これを「交流電源」につないでみました・・・

結果は、うまく点滅しませんでした。 

点灯はしますが、7色の変色も点滅もしません。(LED3つを並列にした写真です)

そして、普通のLEDでは、極性に関係なく点灯しましたが、3つのうちの1つの極性を入れ替えると、3つとも消灯してしまいます。

交流での点灯3

このLEDがどんなものなのかも、どうしてそうなるのかもよくわかりませんが、ともかく「なんでもやってみる精神」でやってみたのですが、ともかく、何でもチャレンジしてみると、その過程で、面白いことに出会えるかも知れませんね。

このように、LEDは気軽に色々なことを実験して楽しめます。Amazonや楽天には、LEDを使った電子工作製品などがたくさん販売されています。下のリンクを参考に何かで遊ぶと結構楽しめますよ・・・。

Amazonの電子工作用LEDのページへのリンク  

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(来歴)R1.12記事作成  R2.2訂正加筆。  R2.8様式2カラムに  最終R3.10に見直し
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電子工作記事の目次

最小限必要なことのおさらい(1-1)

最小限必要なことのおさらい(1-2)

電子工作に使う電源のいろいろ(1-3)

最小限 必要な準備をしましょう

LEDで遊んでみよう

Arduino用センサキットのLEDで遊べそうですか

7セグLEDをアナログ的に使う

バータイプLEDを使ってみる

ろーそくICとはどんなものなのでしょうか

モーターを使って遊んでみよう

DCモーターの回転数を変えてみる

DCモーター用のドライバー

モータードライバーNJU7386を使ってみる

電子工作に使えそうなバイポーラトランジスタ

バイポーラトランジスタの互換性を見てみよう

バイポーラトランジスタのダーリントン接続

電界効果トランジスタFETの基礎

発振によってBEEP音を出してみよう

マルチバイブレータでLED点滅

その他の発振回路:少部品で確実に発振する回路

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電子工作に使えそうなスイッチ類

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サーミスタと温度センサICを紹介します

光を利用する発光受光素子

フォトインタラプタとフォトリフレクタ

オペアンプの使い方(1)オペアンプと電源

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オペアンプの増幅回路

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オペアンプを使った発振回路

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コンデンサマイク用ミニアンプを試作

10進カウンタICとシフトレジスタIC

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バイナリカウンターを使ってみよう

テスターとオームの法則から始まる電子工作

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