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

  

ここでは、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を使って点灯させてみましょう。

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の電流で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を点灯するための基本回路図図1 標準的な回路

電源は乾電池2個以上であればOKで、この回路では、1.5Vの乾電池1つでは点灯させることが出来ません。
このHPでは5Vを常用していますので、ここでは5Vの電源を使用します。(5V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い、LEDに適当な値の抵抗Rを直列にすれば、適正な電圧と電流で使うことが出来ます。(これは後で説明します)

下はLEDの特性図の1例です。 ここでは、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が、それ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・・・ということが読み取れます。

このグラフは、必要な電流を流すために必要な電圧の関係を示しており、基本的には、明るさは電流値で決まるということが示されています。

LEDの特性例 図2 LEDの特性例

これは周囲温度が25℃の場合のもので、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、適正電流で使っていても、熱がこもると焼ききれてしまい点灯しなくなります。

そのために、標準回路にあるように、抵抗を使って電流や電圧を調整してやる必要があります。

電流を多く流しても寿命を短くするだけ

2V15mAのLEDは15mAの電流が流れるように設計して使うのが適当な明るさで長寿命です。 たくさんの電流を流しても、そんなに明るくはなりません。(明るくしたい場合は、それ用に作られたLEDを使う必要があります)

これはうすオレンジのLED(2V・15mAの仕様)を使って、半固定抵抗器を使って電流値を変えて点灯させたものですが、10~20mAが適当で、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・・・ということがわかります。 

最初にこれを覚えておきましょう。

直列の抵抗は、電圧と電流を決めるためのもの

通常の使い方は上の図1のように、LEDと抵抗を直列にして2V・15mAのLEDであれば、2V以上の電源電圧にして点灯させます。

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。

電流制限抵抗値は計算で求めます

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、電圧と電流を調整する方法が一般的です。(その他の方法では、電流制限用のダイオードを使う方法などがあります) 

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ます。 ここでは5Vに電源を使うとすると、3Vを抵抗を用いて電圧を下げることになります。

これには、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。

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。 

LEDはどれぐらいの最少電流で点灯する?

上の写真で、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。

30μA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、電流制限抵抗値を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、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。

(参考)加える電圧を下げていくと・・・ 1.6Vで消灯

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。 それを確認しましょう。

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。 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。

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、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。

しかし、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感じに見えます。

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ますが、色(すなわち種類)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、各LEDに流れる電流値を合わせると、かなり見え方は近づいてきます。 色の見え方ではなく、電流値による明るさの影響が大きい・・・ということです。

だから、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ですね。

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の種類が同じであれば、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。

このページは以上です。

*******

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、ここで、ちょっとしたおさらいを書いていますので、忘れていれば思い出しておいてください。 

→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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最小限必要なことのおさらい(1-2)

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