イルミネーションなどでLEDを多数個を点灯する場合で、直列や並列にした場合の電流の流れ方などを見てみましょう。
（参考）近年は高輝度LEDやディスプレイ用の面発光タイプの明るいLEDも安価になって、イルミネーションなどに使いやすくなっています。 高輝度LEDは2～3mA程度の電流量でも十分明るいのですが、基礎的な状態を見るために、あえて明るすぎない2Vタイプの普通のLEDを使っています。
LEDを直列・並列につなぐ
LEDは、電流量で明るさが変化します。 電流が一定以上流れないように抵抗器で電流制限したうえで、複数のLEDを同時に点灯させた場合のちがいをみましょう。
LEDを多数個つなぐ場合に、直列つなぎ②と 並列つなぎ③ があります。 ここでは、理解しやすいように、2V用のLEDを2個に増やして、電流の状態を実測して確認しています。
PRLEDの数が増やせば電流が分散してそれぞれが暗くなる
LEDを1つ点灯させている回路に、もう1つのLEDを追加すると、個々のLEDは電流が分散されて暗くなります。
ただ、直列につなぐ場合②と並列につなぐ場合③ では、LEDの数が増えるにつれて、いずれも、LED1つあたりに流れる電流量は減って暗くなるのですが、ここでは、電圧と抵抗を同じにしているので、電流の減る様子は違ってきます。
丸A記号は電流計を示しています。ピンク数字は電流mAの実測値です。
【直列の場合】 LEDを直列にすると、抵抗器をふくむ回路に同じ電流が流れます。LEDで電圧降下は生じるので、LEDを増やすとLEDの電圧が下がり、電流が流せなくなります。
【並列の場合】 並列にすると、LEDが増えたことで電流を分け合って、1つあたりのLEDに流れる電流が低下します。
いずれもそれぞれのLEDに流れる電流が少なくなって暗くなるのですが、この様子をもう少し詳しく見ていきます。
PRLEDを増やした時の電圧と電流の変化
 |
ANMBEST 1500点電子部品DIY品揃えキット、3mm LEDランプ、5mm LEDランプ、セラミックコンデンサ、電解コンデンサ、三極真空管トランジスタ、ダイオードトランジスタ、抵抗器 新品価格 |
LEDを2つにした時の各所の電圧・電流の実測しています。
【直列にして増やすと】
LEDを直列にして増やすと、抵抗器を含み回路全体に同じ電流が流れるのですが、各部品で電圧降下が生じるので、それぞれのLEDを十分に輝かせる電圧が不足して電流量が低下しています。
LED1つで約2Vの電圧降下があるので、5Vの電源では3つのLEDを直列につなぐと、完全に電圧不足になります。
対策は、元の電源電圧を高くするか、電流制限抵抗を小さくする方法が考えられます。
この状態を計算で確かめてみましょう
電源電圧5V、抵抗器200Ωで、LED1つで2Vの電圧低下をするとすれば、LEDが1つの場合（上の図の①）は、オームの法則A＝V/R＝（5-2）/200＝0.015A すなわち15mAと予測でき、実測値は13mAとなっています。（実際の測定値で計算すると誤差は小さくなるでしょう）
LEDを2つ直列にすると、A=V/R＝（5-2-2）/200＝0.005 となり、1つの場合は13mAだったのが4mAと、1/3の電流値になってしまうことが計算でわかりますね。
【並列にLEDを増やすと】
また、LEDを並列にして増やすと、LED部分にかかる電圧が同じで、電圧低下はないのですが、電流が2つのLEDに分散されて、LED1つの場合に比べて1/2に電流値が減るので暗くなります。
ここでも、抵抗器によって電流が制限されているので、LED2つを並列にすると、LEDの仕様が同じであるとすれば、それぞれのLED部分に流れる全電流が分配されて、LED2つの場合は1/2に、3つを並列にすると1/3になることが予想されます。
計算上では、LEDに流れる全電流が15mAであれば、2つを並列につなぐと1/2の7.5mAになります。実測値は13mA→7mAでした。
明るい状態にする対策は、電圧増か電流制限緩和での電流増
LEDの数を増やしたことで暗くなった対応策は、LED1つあたりに流れる電流値を増やせばいいのですから、それをオームの法則のA＝V/R から考えると、 電流値Aを大きくするためには、 ①電源電圧を上げる、 ②抵抗器の抵抗値を下げる という対策が考えられます。
PRLEDの直列つなぎの対策
普通タイプの2V用LED1つで2Vの電圧降下があるので、2つになれば、4Vの電圧降下が起きてしまって、充分な電流を流せなくなるので暗くなってしまいます。
ここではわかりやすいように2倍の電圧（10V）にしたところ、26mAと、多すぎるくらいの電流が流れて明るく輝きました。
また、電流制限用の抵抗器を半分の100Ωにしても、2倍弱の電流が流れて、少し明るくなりました。
この状態を、計算で確かめてみましょう
2VタイプのLEDですので、それぞれで2Vの電圧降下をしており、抵抗器Rに流れる電流は、 I=V/R＝（5－2－2）/200＝0.005A つまり、5ｍA と計算できます。（実測値は4mAでした）
この電流量ではLEDは暗くなってしまいます。 つまり、LED1つに加わる電圧が低くなって、充分な電流を流す力がなくなったということのようです。
オームの法則の式 V=AR→A=V/R なので、電源電圧Vを上げるか、制限抵抗の値を小さくすれば、電流は増えるはずです。
そこで、5Vの電源電圧を2倍の10Vにすると、I=V/R＝（10－2－2）/200＝30ｍA という計算値になるという予測です。実測値は26mAになっています。
同様に、抵抗器が200Ωの場合で、回路にすべて同じ電流が流れ、LED1つで2Vの電圧低下があるとすると、I=V/R＝（5-2-2）/200＝0.005 で、100Ωにすると I=V/R＝（5-2-2）/100＝0.01 つまり2倍の電流が流れると予測できます。 （実測値は4mA→7mAでした）
LEDの並列つなぎの対策
電圧を2倍にすると、全体の電流も、それぞれのLEDに流れる電流量も2倍以上になっています。（実測値は7mA→19mAでした）
これを計算で確認してみましょう
電源電圧5Vの場合は、全体に流れる電流量は オームの法則A=V/R＝（5-2）/200＝0.015A で、10Vにすると、A=V/R=（10-2）/200＝0.04A と、約2.7倍になると予想できます。（LED1つに流れる実測値は7mA→19mA と約2.7倍になっています）
ここで、抵抗値を下げる場合については、電流制限抵抗器を直列につないでいるので、ここでは、抵抗値を1/2にすると I=V/Rなので、全体の電流量は倍増し、それぞれのLEDに流れる電流量も倍増することから、この回路での実測等は確認していません。
直列つなぎと並列つなぎの長所と短所
例えば、2VタイプのLED（10mAの電流を流して点灯させる）を10個を直列つなぎまたは並列つなぎで点灯させる場合で考えてみましょう。
直列つなぎでは、最低でも2Vｘ10個＝20Vの電圧が必要になり、電圧が確保されれば適当な抵抗を使うと、直列つなぎでは回路に同じ電流が流れるので、すべてを明るく点灯できます。
それに対して、並列つなぎでは2Vの電源でOKですが、各LEDに10mAの電流が流れるように抵抗値を決めて点灯させると、全電流は0.01ｘ10＝100mAの電流が流れます。
実用性を考えると、電流が少なく、発熱が少ない長所のある直列つなぎですが、1つのLEDが消えるとすべてが消えてしまうという短所があります。
並列つなぎでは、1つが消えても、他のそんなに影響はないのですが、たくさんの電流が流れるので、熱の対策を考えなければならないので、一長一短があるというようですね。
並列つなぎで多数個をつないで点灯させてみました
並列つなぎでは、電流制限用の抵抗値を小さくして総電流量を増やすとたくさんのLEDを明るく点灯できるはずです。
例えば、10Ωの抵抗器にすれば、I=V/R＝（5-2）/10＝300mA が全体に流れるようになり、LED1つの電流を15mAと仮定すると、 300/15＝20こ のLEDを明るく点灯できると予想できます。
さらに R=5Ωでは40個の、さらに、1Ωの抵抗器の変えれば、200このLEDを並列にして明るく光らせる・・・ ということが計算で予想できます。（この場合は、総電流値0.015ｘ200＝3Aなので要注意です）
PRここでは、使用している電源は1Aの許容値なので、LEDの特性の微妙な違いもあることを考えて、10Ωの抵抗器で 50こ のLEDの点灯させてみます。
上の計算では300mAで50このLEDでは、各LEDの電流量は 300/50＝6mA と、若干暗いかもしれませんが、ともかくやってみます。
【重要事項】 このときの注意点としては、LEDの個数を、少ない状態から順に数を増やすと、LEDの個数が少ない時点で電流が流れすぎて、LEDが焼き切れるので、一気に50こを点灯させる必要があります。
また、300mAの電流が10Ωの抵抗器に流れるので、電力＝VI＝I2R＝0.3x0.3x10＝0.9Wなので、2～3W程度の大きな抵抗器が必要になります。
10Ωの抵抗で50このLEDを点灯させた様子です
ここでは、セメント抵抗（5W）を使って、下のように、これで50個のLEDが点灯できることがわかりました。
砲弾型LEDは、前面にレンズがあるので、写真では明るさに差があるように写っていますが、同じ程度の明るさで点灯しています。
問題の電流ですが、実測値で262mAの電流が流れています。 そうなると、5Wの大きな抵抗器でも、すぐに熱を持って熱くなってきます。
そして、熱があがるにつれて、抵抗器自体の抵抗値が下がるので、電流計を見ていると、どんどん、総電流値が増えていきます。
こうなると、正確な電流はわからないのですが、このように、周囲温度の影響や発熱による影響は変化していくので、注意しながら実験しないと危険です。
50この場合では、1つのLEDに流れている電流は、実測で6mAでした。 試しに、LEDを30こに減らすと10ｍAになり、20個では、13ｍAになり、電流量を反映して明るくなっています。
下の写真ではLEDのレンズの向きで明暗がありますが、それぞれは、ほぼ同じ程度に光っています。
電流値と熱に気を付けながら、LEDの多灯同時点灯に挑戦してみるのも楽しい電子工作ですよ。
→ Amazonの電子工作用LEDのページへのリンク
→ 次ページ LEDのいろいろな点灯
→ INDEX（目次）のページへ
PR
Page Top▲
