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は流れる電流値で明るさが変わるなどの点灯の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の電流制限抵抗の場合の、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、220Ωの抵抗器にも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し、220ΩとLED間の電圧を実測しても、そのようになっています)

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っているはずです。確かめてみましょう。

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ともに、かなり暗くなりましたが、それでも、十分に光っています。

PR

LED2個を直列につなぐと、両方に同じ電流が流れて発光するのですが、それぞれのLEDで電圧低下するので、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、その前に、3個直列の場合をみてみます。

さらにもう一つ直列に加えて、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、LED2つ直列では、少しは光っていたのですが、3つになると、すべてのLEDは光っていません。

LEDをたくさん直列してつなぐと、電流不足か電圧不足になって発光しなくなるようです。

前ページで見たように、LED1つあたりで、約2Vの電圧降下があるので、3つになると、5V電源では無理ということでしょう。

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 2Vxn個 以上の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ったので、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、やはりダメでした。

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。 しかし、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、つまり、電圧を上げていって、ある電圧に達すると、光リ出す・・・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、100Ω・51Ωと抵抗が減ったので、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。

PR


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、前ページの特性グラフから、1.7Vで点灯し始めるとすれば、1.7x3=5.1V と、点灯するかしないかの数字ですので、結果は、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。(赤色が電流が流れやすかったのでしょう)

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「赤色LED」だけが少しだけ光っているという状況です。

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程度では、LEDでも光やすさがあって、それに電流を取られて、全部が「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。

簡単には、LED1つで約2Vの電圧が降下するので、6V以上の電圧が必要になる・・・と考えておくといいでしょう。

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読むだけで、自分で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てみました。

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?

LEDを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ことが予想されます。

そして、その中のLEDの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達すると、一気に電流が流れてしまうために、一瞬ですべてのLEDが切れてしまったと考えていいでしょう。

イメージ的ですが、7V÷3=2.33V では、特性グラフ(前ページに例)を見ると、60mA以上の電流が流れてしまうので、一瞬で切れてしまうことがわかります。

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が点灯できるような充分な電圧になったときに、急に大きな電流が流れたのですが、もしも、電流制限抵抗を使っていれば一瞬で切れることはないでしょう。

しかし、LEDの仕様の違うものを直列にする場合は、明るさのばらつきがでそうですから、色などの仕様の異なるLEDを直列につなぐ場合は、すべて同じように光らせるのには、ある程度の難しさがありそうですね。

PR


以上、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ので、それぞれのLEDに電流が流れて、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ります。 しかし、電流制限抵抗に流れるのと同じ電流が、2つのLEDに分けられるので、LEDには約半分ずつの電流(この場合は、6~7mA)程度が流れているということです。

しかし、半分の明るさにはならないで、「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、合計の電流を実測すると 14.2mA が流れていますが、赤が明るく点灯していて、他の2つはほとんど点灯していません。

PR


このように違う種類のLED3つを並列につなぐと、それぞれのLEDに平均に電流が流れてくれないで、電流を流しやすいLED(この場合は赤色)に電流が流れてしまうようで、結果は、この写真のように、極端に明るさの差が出てしまいました。

 

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200→100Ωに変えて、全体の電流量を高めてみると、しっかりと光るようになりました。

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

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)でしょうが、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、15mA仕様のLEDなので、少し大きすぎます。 だから、このまま点灯させていると、寿命が早まるでしょう)

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、もちろん、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ってくれない不安定さは残ります。


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言うことでこの表を見るといいでしょう。

直並列で点灯させることを考える場合には

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な感じですね。

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を点灯させてみよう

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を点灯できそうだという感じがしますね。

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。 

抵抗器に流れる電流量で個数の限界が決まる

このときの総電流は、 I=E/R から、電流制限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。

市中には、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結構、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。

PR


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方法が一般的ですが、これは、点滅する間隔が短いと、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、それを利用して、たくさんのLEDを同時点灯しているように見せよう・・・と考えられたのがこの「ダイナミック点灯」と呼ばれる方法です。

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が、ここでは触れません。(こちらに関連記事あり

ただ、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(手持ちのLEDがあまりないのですが) 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 となって、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程度の電流量でも2V15mAの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がその中に1つあります。これはしかたがないですので、気になれば他のものに付け替えるといいでしょう。

暗いものは別のものに取り替えたり、微妙に抵抗値の「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。

PR


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。 

点灯するのですが、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  

→ INDEX(目次)のページへ 

 次のページ ArduinoのセンサキットのLED



Page Top▲
(来歴)R1.12記事作成   R3.12記事を分離して2つに   最終R4.8に見直し
PR
  
「やのまん」では、ジグソーパズル以外のいろいろなパズル・ゲームも販売しており、無料会員登録で、3000以上送料無料、20%OFFの特典が・・・。

電子工作記事

関連する最初の記事にリンクしています。

目次(INDEX)のページ

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)
  基本の回路
  互換性
  ダーリントン接続

電界効果トランジスタFET(1記事)
  J-FET
  MOS-FET

発振(3記事)
  ブロッキング発振
  PUTを利用した発振
  弛張発振
  水晶発振器
  マルチバイブレータ

電子工作に使うパーツ類(10記事)
  CdSセル
  スイッチの基礎
  メカニカルリレー
  その他のスイッチ
  リレーを使った自己保持回路
  ホールIC
  磁気抵抗素子
  メロディーIC
  サーミスタと温度センサIC
  光を利用する発光受光素子

オペアンプ(5記事)
  単電源と両電源
  コンパレータ
  増幅回路
  発振回路

タイマーIC 555(2記事)
  タイマー回路
  発振回路 

ECM用ミニアンプ試作(1記事)

デジタルIC(3記事)
  10進カウンタIC
  シフトレジスタIC
  ボルテージデタクタ
  システムリセットIC
  バイナリカウンターIC

★応用のページのINDEX(目次)

★関連記事のINDEX(目次)


PR


その他の記事

工具鋼のカタログの見方
工具鋼データ
工具鋼のカタログには、熱処理の数値や図表が掲載されていますが、その見方や内容を知れば、工具の特性などが見えてきます。

焼入れするステンレスのウンチク
ステンレスの焼入れ
ステンレス全般の簡単な説明と、マルテンサイト系ステンレスの熱処理特性などについて説明しています。

熱処理の基本を学ぼう
焼入れ
金鋸を使って作ったナイフを自宅のガスコンロを利用して実際に熱処理をしながら、熱処理作業や熱処理用語について説明しています。