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

LEDで遊んでみよう:LEDの基本知識

  

この記事は、電子工作を楽しみたい初心者の方用のもので、LEDの点灯方法、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LEDを使って点灯させることで、色々な使い方を知って、応用して遊べるようにしようという内容です。

LEDにはいろいろな種類がありますが、ここでは、一般的に取り扱いやすい砲弾型(3mm・5mm)の普通タイプを10~20個程度を準備しておいていろいろな実験をしてみましょう。

砲弾型LED

LEDは、アマゾンなどでまとめて購入すると1つあたり10円以下で購入できるようになりましたので、多めに用意しておくといろいろなことで遊べます。

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LEDを点灯させるための基本回路


砲弾型の普通タイプ(高輝度LEDでないもの)は「2V15mA」という仕様のものが一般的です。

これは、2Vの電圧をかけて15mA以下の電流を流して使用するのが標準ですよ・・・・・という意味です。

点灯させるための基本回路は次のようになります。  

LED点灯の標準回路図1 標準的な回路

このLEDを点灯させるには、およそ2Vの電圧が必要ということですので、電源には乾電池2個を直列にして3V使えばOKです。 1.5Vの乾電池1つでは正常な状態で点灯させることが出来ません。

そして、その余分な電圧の (1.5Vx2こ)-2V=1V を抵抗器を使って下げるとともに、15mA以上の電流が流れないように抵抗器の値を決めるのですが、このあと、一緒に計算して、そして実際に点灯するまでをやっていきます。

電流制限の必要性

このHPでは5Vの直流電源を使うことを標準にしていますので、ここでは、乾電池ではなく、その5V電源を用いて説明します。(5Vの電源は、ほかのページでも多用します。こちらの記事を参考にして5Vの電源を用意しておくと便利です)

上の回路図の抵抗Rは「電流制限抵抗」といわれるもので、LEDに適当な値の抵抗Rを直列にすることで、電圧の低下と電流の制限を同時に行うためのものです。(これは後で説明します)

下はLEDの特性図の1例です。 

これを見ると、1.7V程度の電圧で1mA程度の電流が流れ始めて、2.1V程度を加えると、30mAの電流が流れて点灯する・・・ということが示されています。

それ以上の電圧部分は点線になっています。これは、2.1V以上の電圧を加えると、電流が流れすぎて、寿命を短くしてしまう(または、場合によっては焼損する)・・・というので点線になっています。

LEDの明るさは、電流量で変わるのですが、砲弾型のLEDは、高輝度LEDと言われる白色LEDなどのように明るく光りません。つまり、仕様が2Vで15mAの電流以上の電流を流しても、寿命が短くなるだけと考えておきましょう。

LEDの特性例 図2 LEDの特性例

グラフにTa=25°とあります。 これは周囲温度が25℃の場合のグラフで、一般的なLEDは周囲温度が高いとすぐに焼け切れてしまいます。 

つまり、LEDは正しく使用すると長寿命なのですが、周囲温度が高くなると、発光部分の温度が高くなりすぎて、電流を多く流したときと同様に、すぐに切れてしまいます。 

早期焼損の原因は、「電圧」によるものではなく、電流により生じる「熱」が原因です。 

そのために、LEDを正しく点灯させるためには、抵抗を使って電流や電圧を調整してやるとともに、十分に放熱できるように設置する必要があります。

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から、5Vの電源であれば(5-2)=3V、10Vの電源であれば、(10-2)=8Vを抵抗器を使って下げてやればいいのです。

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5Vであれば、(5V-2V)=3V の電圧を「抵抗器を直列につなぐ」ことで、電圧と電流を調整する方法が一般的です。 

LED回路再掲標準的な回路(再掲)

直列にすれば、この回路であれば、LEDと抵抗器に同じ電流が流れますので、オームの法則を用いて計算で抵抗値を求めることが出来ます。

オームの法則 R=E/I から、電源電圧が5Vであれば、
 R=(5-2)V/0.015A=200Ω の抵抗をつなげばいい・・・ということになります。0.015Aは15mAです。

もしも、5V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。

さらに、もう少し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、寿命を短くするだけで、そんなに明るくなりませんが、計算してみましょう。 

5Vの電源で20mA をLEDに流したいなら、 (5-2)/0.02=150Ω の抵抗に変えれば、若干ですが明るくなります。

少し寄り道します。 

電流を多く流しても寿命を短くするだけ

これは、電流量を変えてLEDの光り方の写真を取ったものです。露出を変えていますので、イメージとしてこの写真を見てください。

電流量によるLEDの輝度比較

これは、うすオレンジの砲弾型LED(2V・15mAの仕様)を使って、半固定抵抗器を使って、LEDに流れる電流値を変えて点灯させたものですが、電流量が多くなると、若干は明るくなっているようですが、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・・・ですので、、15mA前後の電流量になるようにして使用します。 

ここでは、LEDには、「必要以上に電流を流さない」ということを覚えておきましょう。

定電流ダイオードを使う方法もあります

通常の使い方は上の図1のように、LEDと抵抗器を直列にして2V・15mAになるようにしてLEDを点灯させますが、抵抗器を用いない方法として、定電流ダイオードを用いる方法があります。

定電流ダイオードの例

これを使うと、面倒な抵抗計算をする必要もありませんし、下の写真のように、広い電圧範囲で電圧をそんなに気にしないで使用できるので便利ですが、1/8W抵抗器が1つ数円なのに対して、定電流ダイオードは30-50円程度しますので、ここではできるだけ抵抗器を使うようにしています。

定電流ダイオードを使ったLED点灯

砲弾型5mmLEDも定電流ダイオードも「ダイオード」の一種です。極性があります。そして、3倍に電圧を変えても、少し明るくなった程度というところも見ておいてください。

ここで、LEDと定電流ダイオードのV1・V2の電圧・電流を測ると、10Vの場合はV1=2.15V、V2=7.85V、A=15mAで、3Vの場合は、V1=1.95V、V2=1.05V、A=5mA と、定電流ダイオード側で電圧・電流調整をしているようです。

なぜ2V以上の電圧がひつようなのでしょうか

2V以上の電圧が必要なのかという理由はわかりましたか?

1.5Vで15mAしか流れない電源であれば問題ないのですが、乾電池やDCアダプターなどの電源は、500mAや1Aの電流を流す能力があるので、2V以上の電圧が直接LEDに加わると、電流が流れすぎて切れてしまいます。

上の図2の特性グラフでは、2.0Vで20mA、2.2Vでは45mA、2.4Vでは100mA者電流が流れてしまうので、安全のために抵抗器を直列につないで「電流制限」を描けているということです。 

LEDには2V・15mAのもの以外に、白色LEDや高輝度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2Vでは点灯しないので区別できます。

【参考】LEDが切れていないかどうかの確認はテスターでも出来ます。 LEDはダイオードの1種ですので、過電流によって点灯しなくなった場合は、テスターの低抵抗レンジで確認できます。 そして、いろいろな種類が混ざらないように、きっちり区分して保管する癖をつけておきましょう。


LEDはどれぐらいの最少電流で点灯する?

5mm砲丸型のLEDは15mA程度が適正電流ですが、電流値が5mA程度に減ってくると暗くなってきます。 1mAでも点灯しているのですが、もっと少ない電流の場合も確認してみました。

極小電流でのLEDの光り方

30μA(=0.03mA)程度でも、電極に色がついて発光しているのがわかりますが、このあたりが発光の限界でしょう。

以上から、5-20mA程度であれば適当な明るさで点灯するので、電流制限抵抗値は、少しぐらい抵抗値がちがっても問題ないので、毎回詳しく計算する必要もないので、5Vの場合は200Ω程度と覚えておくのがいいでしょう。 

私は、5Vの電源をよく使いますが、ほとんど、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。(自分で一度試験しておくといいでしょう)

次に、確認の意味で、ちょっと荒っぽい実験をやってみました。

加える電圧を下げていくとどうなる?

LEDを点灯させるためには、2V程度の電圧があれば、かなり小さな電流値であってもLEDが点灯したのですが、それでは、2Vより電圧が低い場合はどうなるのか・・・というと、上の特性グラフでは1.7V以下になると、電流が流れなくなり点灯しないということになります。 それを実際に確認しましょう。

LEDの点灯確認

これを実際に確かめるために、ちょっと荒っぽいやり方ですが、可変直流電源装置を使って、電流制限抵抗をつけずに直接LEDに電圧を加え、2V程度から徐々に電圧を下げていきました。 2V以上加えると、電流が流れすぎるので注意しながら実験すると・・・・・。

徐々に暗くなっていき、1.6V程度で消灯しました。

つまり、電流制限抵抗のあるなしに関わらず、特性グラフにあったように、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・・・ということですね。

(注)2V以上を加えると、大きな電流が流れるので、この実験をするときには充分に注意してくださいね。

次に、明るさの時間変化を確認しました。

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、実際はどうなのでしょうか?

ここでは5Vの電源で実験しています。 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 なので、ほぼ計算値通りになっています。

しして、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。 しかし、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。



下左のグラフのように、少しの電流の差ですが、電流値は徐々に増えています。

ここでは、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変化はわかリません。 

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(青棒)と30秒後の電流値(赤棒)を比較すると、、若干ですが違っています。(減っているものもあります)

これも、実験した1例にすぎませんが、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りますし、見た目ではわからない程度の明るさの差だと言えます。(次で取り上げていますが、LEDの色で輝度の違いがあるようです)

このような実験は、あまり役に立つ物ではありませんが、なんでもやってみると、LEDが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?

上右の棒グラフを見ると、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。

色による見え方は別にして、電流値の高いほうが明るいように見えています。

使用した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ても、LEDの色(すなわち種類)によって明るさに差があるようです。 

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すが、LEDの種類によって流れる電流量が違うために明るさの差が出ているということが予想されます。

もちろん、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、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るはずです。

これはこの後で実験していますが、各LEDに流れる電流値を合わせると、見た目の明るさはほとんどおなじになってくるのですが、つまり、目に見える色に対する感じ方ではなくて、LEDに流れる電流値で見える明るさが決まるようです。

このことは、例えば、いろいろな色のLEDを同じような見え方に同時点灯するのには、工夫がいるということになります。

種類の違うLEDの同時点灯には工夫が必要になりそう

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つと右側2つは、高輝度のものを5つ並列につなぐと、高輝度のものは電圧が不足しているために点灯しません。

また、下の2つの写真のように、普通タイプでも、高輝度タイプでも、区分して電圧を適正に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るようにしようとすると、色々の難しさがありそうですね。

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」のそれぞれ個別に電流を流したときのLEDの様子です。

上で実験したように、ただ、電圧を合わせるだけでは、LEDによって明るさの程度が変わりますが、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電流を調節すると、見た目での光り方は同じ程度なってきます。

つまり、LEDの基本的な仕様が同じ種類のものでは、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。 これは人間の目の色に対する特性もあるので、「見え方を合わせる」のは大変だということがわかります。

このページの内容は以上です。

*******

次のページでは、LEDを直列や並列にして点灯させる場合について見ていきますが、中学校で習った直列並列のおさらいを書いています。忘れた人も多いでしょうから、さらっと、見ておいてください。

→次のページ:LEDをいくつかを同時に点灯させる


【参考です】 電灯の直列と並列についてのおさらい

小学校では、家庭用の電球で明るさがどうなるかを習いました。

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に、白熱電球は、「ワット数」が多いほど明るく光ります。 しかし、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

まず、おなじみの並列の場合を考えてみましょう。

並列の場合

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。

直列の場合

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。

そして次のページでは、LEDの場合について直列にしたり並列にした場合の光り方などを実験をして、イルミネーションなどを作る場合を考えてみます。

→ 次のページ:LEDを複数個点灯させた場合は・・・

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