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を複数個同時に点灯させてみよう

  

前のページ(→こちら)では、LEDの点灯様子を見てきましたが、ここでは、LEDを複数個点灯させる場合を紹介しています。

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

ここでは、電源としてはよく使われる5Vで、220Ωの電流制限抵抗を用いて、これらの明るさや電流値などを見ていきます。

①の回路:LEDが1つの場合

220Ω(実測値は217Ωでした)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を点灯させてみる写真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13.1mAの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、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で、2Vとして問題ないことがわかりました)

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、抵抗が同じでLEDが2個の場合は、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。

LEDに流れる電流を増すには、加える電圧を上げるか、電流制限抵抗の値を変えるか・・・の方法が思いつきますが、ここでは、更に実験を加えてそれから検討することにしましょう。

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ね。

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、ここでは、LEDは光っていません。

LEDを直列すると、電流不足か電圧不足になる・・・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、他は光っていない状況なので、単純に考えても、5Vの電源ではダメのようです。

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、危険ですので、実験しないのが無難です。

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。

LED1つで約2Vの電圧が降下するので、5Vでは3つのLEDを直列すると点灯しないことは明らかですね。

そこで、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?(これも危険な実験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 になったときに、一瞬で全部のLEDがピカっと一瞬だけ明るく光って、すべてのLEDが切れてしまいました。

これはなぜだかわかりますか?

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ので、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。

イメージ的ですが、7V÷3=2.33Vと考えると、特性グラフ(前ページに例)からは60mA以上の電流が流れて、一瞬で切れてしまうことがわかりますが、この実験回路には電流制限用の抵抗をつけていないので、すべてのLEDが点灯できる電圧になったときに、急に大きな電流が流れたと考えられます。

電流制限抵抗があれば一瞬で切れることはないにしても、LEDの仕様の違うものを直列にする場合は、ばらつきの要因になりそうです。色などの仕様の異なるLEDを直列につなぐ場合は注意しなくてはいけません。

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ことと、異種のものを直列にしない・・・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。

しかし、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、LEDの色ごとに差があるはずです。

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(すなわち、光り方が異なっている)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。

しかし、LEDの仕様(例えば色等)が異なると、それぞれのLEDの仕様の明るさは同じにはなりません。


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

この表の黄色が明るくかがやいていることを示しており、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。

つまり、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ということです。

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? ・・・・・ 実験してみましょう。

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」と「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、人間の目には残像が残って、「点滅ではなく点灯されている」という状態に見えるので、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回点滅させて順次に点灯させると、30個のLEDを1つ分の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つがカツカツ点灯できそう・・・という計算になります。

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。

本文の内容は以上ですが、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6.6Vで、217Ωの抵抗(いずれも実測)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)されるので点灯します。

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・・・。

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最小限必要事項のおさらい(4記事)
  記事中で使うもの
  簡単な計算
  電源について
  準備

LEDで遊んでみよう(5記事)
  LEDの基礎
  ArduinoのLEDモジュール
  7セグメントLED
  バータイプLED
  ローソクIC

DCモーターを使ってみよう(4記事)
  小型DCモーター
  DCモーター用のドライバー

バイポーラトランジスタ(3記事)
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ECM用ミニアンプ試作(1記事)

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