イルミネーションなどでLEDを多数個を点灯する場合の様子を見ましょう。
【注意】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を、家庭で使うイルミネーション用に使うと、2～3mA程度の電流量でも十分明るいので、あえて砲弾型の2Vタイプの普通のLEDを使わなくてもいいのですが、ここでは、考え方を知るために、普通タイプを使っています。
LEDを直列・並列にして点灯させると・・・
LEDは、電流量で明るさが変化します。 そのために、回路内で、多数のLEDを同時に点灯させた場合のつなぎ方による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ましょう。
LEDの数が増やせば・・・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、当然、個々のLEDは暗くなります。
ただ、直列につなぐ場合②と並列につなぐ場合③では、LEDの数が増えれば、LED1つあたりに流れる電流量は減って暗くなります。
ここでは、電圧と抵抗を同じにしていますが、電流の減る様子は全く違う所を見ておいてください。
丸Aは電流計で、数字は電流mAの実測値です。
LEDを直列にすると、LEDによる電圧降下のために、全体に流れる電流値が低下します。 また、並列にすると、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。
この様子をもう少し詳しく見ていきます。
PRLED1つを点灯させた場合の電圧と電流
理解しやすいように、たくさんの箇所で、電圧・電流を実測しています。
LEDが1つの場合（上の図の①）測定値では、4.9Vの電源電圧では、LEDによって2.2Vの電圧降下があります。 抵抗値は200Ωです。
抵抗200Ωに流れる電流量は、 2.7V/200Ω＝0.0135A と計算できます。
回路全体には、実測で13mAの電流が流れており、計算値とほぼ合っています。
もちろん、計器にも電流が流れ、測定による計器の損失などがあって、すべての数字が合致しないこともありますが、このような実験でも、①回路に流れる電流が等しいこと ②各部品の電圧降下の和と電源の電圧が等しい・・・ ということがわかります。
電圧低下の数字をみると、抵抗器で2.7V、LEDで2.2Vの電圧降下をしており、そして、抵抗器とLEDは直列の回路ですので、回路全体に同じ電流が流れている・・・というところを見ておいてください。
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【LEDの実験や工作には、あらかじめ、LEDをたくさん用意しておくと便利です】
関連のページでは何回も案内していますが、文章を読んだだけで内容を理解するのは難しいので、まず、ある程度の数量のLEDを揃えておいて、自分で実験すると便利です。
LEDの種類は大変多いのですが、まず、砲弾型のLED数色を100個程度持っていれば、いろいろなことで使い道があります。 Amazonや楽天に、安価なセット品がいろいろ販売されています。 そして、これから電子工作を始める方は、こちらの記事の、電子工作を5000円で始めるスタータ用の部品類を参考にして、揃えていただくと理解しやすいでしょう。
抵抗とLEDのセットも販売されています。
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LEDを直列や並列にして増やしていくと・・・
LEDの数を増やすと、直列つなぎや並列つなぎにする方法でも、その電流値をみると、いずれの場合も、LED1個に流れる電流が減っていて、暗くなっています。
このとき、
直列は全回路の部品に同じ電流が流れる 並列では、並列にする部品には、同じ電圧がかかる。
という基本事項を覚えておくといいでしょう。
数を増やしたことで暗くなったLEDを、明るく点灯させるには、LED1つあたりに流れる電流値を増やせばいいのです。
それをオームの法則A＝V/R で考えると、 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。
それを、直列つなぎと並列つなぎでやってみます。
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LEDの直列つなぎの場合
普通タイプの2V用LEDが1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。
さらに、5Vの電源では、LED2つまでは問題ないのですが、3つになると、2ｘ3＝6Vの電圧降下があるので、5Vの電源では、電圧不足になります。
抵抗器をそのままにして、LED2個を直列につないだ場合を測定すると、下の図のように、抵抗器にもLEDにも、同じ4mAの電流しか流れなくなりました。
つまり、LEDを明るく発光させるだけの十分な電圧がないので、電流が十分に流せなくなって、LEDが暗くなったようです。
・・・・・ これらは、頭で考えてもいいのですが、簡単な回路をブレッドボードに組んで、電圧と電流をはかってみると直感できますので、手を動かしてやってみてください。
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。
これでは、LEDの光は暗くなってしまいますね。
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い・・・ということのようです。
LEDに流れる電流を増やすには
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。
次に、まず、電圧を上げた場合をみてみましょう。
5Vの電源電圧を2倍の10Vにすると・・・
電圧を5V→10Vと2倍にすると、計算値では、I=V/R＝（10－2－2）/200＝30ｍA と、かなり大きな電流が流れると予想できます。
5Vから10Vに変えて実際に測定すると、26mAも流れています。
実際の測定結果
このように、LEDを直列につなぐと、2VタイプのLEDでは、1個あたり2Vの電圧が低下するので、それを補うために高い電圧にすると、多くの電流を流すことができることがわかります。
多数のLEDを点灯させる回路を作ろうとすると、2VタイプのLEDを2つ点灯させるには、2ｘ2＝4Vが、5このLEDでは、2ｘ5＝10V、n個のLEDを直列で点灯させようとすると、（2ｘn）Vの電圧の電源が必要です。
すなわち、5Vの電源では、3個以上のLEDを直列にして明るく点灯させるのは、根本的に無理があると言えます。
そしてさらに、LEDの特性のばらつきを考慮すると、直列にするLEDの個数に見合った、十分に高い電源電圧を用意して、そこで、余分な電圧を抵抗器をつけて落とすとともに、電流の制限をする・・・という回路が一般的な方法だということになります。
例えば、20このLEDを直列で点灯しようとすれば、最低でも20ｘ2＝40Vが必要ですので、たとえば、直流48Vを用意して、各LEDに10mAの電流を流して点灯させようとすると、48－（2ｘ20）＝8 と、8Vの電圧が余分なので、その8Vを下げるための抵抗器を直列に繋げばいいことになります。
計算上では、 R=V/A＝（48-40）/0.01＝800Ω の抵抗器を使えばいいということになります。
もちろん、市販されている1/8Wの抵抗器でのそれに近い数値は680Ωか1kΩになってしまいます。
念のために、それらの両方の場合に流れる電流値を計算してみると、 I=V/Rから、1kΩでは8ｍA 、680Ωでは12ｍA程度の電流が流れて点灯することが計算できます。
このように、直列つなぎの場合は、電圧を高くする必要がありますが、10ｍA程度の非常に小さい電流で回路ができることが利点です。
少ない電流なので、直列つなぎは、発熱が小さいことも優れています。
PR直列つなぎのもう一つの対策 ： 抵抗値を下げる
電源電圧を上げる以外に、200Ωの抵抗値を下げる方法について確認してみます。
電流制限抵抗200Ωを、半分の100Ωにしたところ、流れる電流が4mA→7mAに増えました。
まだまだ、抵抗が大きすぎるようですが、もしも、抵抗器がないと、どうなるのでしょう？
少し難しいのですが、5Vで2個のLEDをつなぐと、電圧が高すぎて、電流が流れすぎになりそうです。
そこで、どれくらいの抵抗値にするといいのか・・・は、計算で確認できます。
電源電圧5Vで、LED2個を直列につないで15ｍAの電流が流れるようにするには、オームの法則の式を変形して、 R=V/A＝（5-2-2）/0.015≒67Ω になります。
以下は余談ですが、考えてみてください
計算値は67Ωですが、67Ωの市販品がないので、それに近い抵抗器は100Ωにすればいいのですが、ここでもう一度、上の図をみてください。
100Ωの抵抗でも、目標の15mAどころか、7mAしか流れていません。 これは実際の値と「呼び値」との違いから、この誤差が生じています。
ここでもう一度、念のために、1つづつ確かめてみますと・・・。
まず、このときの電源電圧が5Vではなくて4.9Vになっています。 また、上の図でLEDの電圧降下を測っていますが、2Vではなくて2.1Vとなっています。 抵抗は100Ωです。 どうも、これらの微妙な違いが原因のようです。
それを使って再計算すると、 I=V/R＝（4.9－2.1－2.1）/100＝0.007 となり、実測値と計算値が合致しています。
そこで・・・
いくらの抵抗にすれば15mA流れるのかを計算しましょう
7mAの電流でも、そこそこ明るく点灯しているのですが、想定した15mAの電流を流すためには、（実測値を使って） R=V/I＝（4.9-2.1-2.1）/0.015≒47 から、47Ωの抵抗を使うといいことがわかります。
これらが、オームの法則を使って、簡単に計算できることも、面白いことですね。
5Vの電源では、直列で2このLEDが目一杯
ちなみに、5Vの電源で20このLEDを直列にして点灯できるか・・・といえば、これは、電圧が低いので無理です。
つまり、LED1つで2Vが必要ですから、5Vの電源では、LED3つも無理で、2つを点灯させるのが精一杯になります。
20こを点灯させるには、2Vｘ20この40V以上の電源を用意しないといけません。
この直列つなぎではなく、LEDを並列つなぎにすると、5Vの電源で20個のLEDを点灯させることができます。 その場合の様子を見ましょう。
PRLEDの並列つなぎ
並列つなぎでは、並列につないだLEDに同じ電圧が加わります。
下の回路では、抵抗200Ωによって、回路に流れる電流量が14mAに制限されているので、並列につないだそれぞれのLEDに流れる電流は等分されるので、やはり、それぞれのLEDは暗くなってしまいます。
抵抗を介しているので、回路に流れる電流は決まっているために、LED2つを並列にすると、1つあたりでは、総電流量の1/2になり、5つ並列にすると、1つあたりの電流量が1/5になってしまいます。
そこで、一般的には・・・
LEDを点灯させる回路では、下の図のように、それぞれのLEDに対して抵抗器をつけて、独立させた回路にするのが一般的です。
1つの抵抗器でLEDをたくさん並列つなぎにして点灯すると、総電流量が増えるので、大きな容量の抵抗器が必要になり、発熱も大きくなるので、下のように分散させることが多いのです。
この方法にすれば、LEDを50個点灯させる場合は、それぞれのLEDに合計50個の抵抗器をつけます。
ここで、LEDの個数が増えると、総電流が増えて、抵抗器も大きいものが必要になるということをみるために、1つの抵抗器の場合での電流をみていきます。
LED2個の並列つなぎで各LEDの電流を15ｍA程度まで高めるには・・・
そのためには、A=V/R なので、電源電圧を高くするか、抵抗値を小さくする方法が考えられます。
そこでまず、直列の場合にやったように、電圧を2倍の10Vにした場合の例です。
電源電圧を2倍にする方法では・・・
同様に回路を組んで電源の電圧を2倍の10Vにすると、5Vのときには7mAだった電流が、19mAになりました。
計算値でも、A=V/R から、Rは同じなので、電圧が2倍になると、2倍の電流が流れると予想できます。 実験結果を見ると、少し多いですが、ほぼ予想通りになりました。
（注）計算で言えば、LED2つで15＋15＝30mA が流れるようにするには、V=A・R＝0.03ｘ200＝6V にすればいいのですが、ここでは、イメージを持っていただきたいので、2倍の電圧にしています。
ただ、ここで、電流による発熱に注意が必要です
全体では39mAの電流が流れると、1/8ワット型の抵抗器に手を触ると、熱くなっています。 （しつこいようですが、この状態を計算してみると、I=V/R＝（10－2－2）/200=40mA と、実測と計算があっています）
つまり、39mAの電流が流れているので、1/8W型の抵抗器では小さすぎるかもしれませんので、計算で確かめてみましょう。
W（電力）=A（電流）ｘV（電圧）＝I2ｘR=0.039x0.039x200≒0.3W となります。 つまり、1/8W型（0.125W）の抵抗器では、発熱で抵抗器が破損する危険性があります。
一般的には、安全のため、抵抗器は、使用する電力量の2～3倍のワット数の抵抗器を使うこととされていますので、40ｍAの電流を常時流そうとすると、0.3Wx2 以上の1Wタイプ程度の大きな抵抗器が必要です。
「LEDは省エネの部品・・・」と言われるのですが、使用するLEDの個数が増えて、回路に流れる電流が増えると、発熱も多くなることに注意が必要です。
時々、熱くなっていないかどうかを確かめる癖をつけておくことも大切です。
並列つなぎで抵抗値を下げた場合
ここでは、実験せずに、計算による確認をします。
5Vの電源電圧で、200Ωの抵抗値を下げて、1つのLEDに15mA流すようにする場合を考えてみましょう。
並列のLED2つで30ｍA流すので、 R=V/I＝（5－2）/0.03＝100Ω で、100Ωの抵抗器に変えればいい・・・ということになります。
さらに、5個のLEDを並列にする場合では、全体では、15mAｘ5＝75mA の電流が流れるので、 （5－2）/0.075＝40Ω にすればいいことになります。
たくさんのLEDを一度に点灯させてみよう・・・というのが目標でしたので、たくさんのLEDを並列につなぐ場合には、このように計算して、その電流量に見合ったワット数の市販の抵抗値があれば、1つの抵抗器でたくさんのLEDを点灯ができそうなので、5Vなどの小さい電圧の回路では、LEDを数多く同時点灯させようとすると、並列つなぎにして、大きなワット数の抵抗器を使って点灯できることがわかります。
実際にLED多数を同時点灯させる場合は、電流をたくさん流すことによる発熱対策が必要になるのですが、ともかく、「LEDをたくさん同時点灯させる」ということについて、もう少し考えていきましょう。
PRたくさんのLEDを同時点灯させる場合は・・・
LEDを直列や並列につなぐ場合には、電源の電圧を上げたり、抵抗器で電流を調整することで、多くのLEDを点灯できそうだということをみてきましたが、もう一度問題点を見ていきましょう。
直列・並列つなぎ それぞれ長所も短所もあります
『直列つなぎ』にすれば、1つのLEDが切れると、全てが消えてしまうのですが、その反面、一筆書きのように配線できるし、流す電流が少ないので熱に対する心配もなく、配線が簡単・・・などが便利なところです。
LEDの個数を増やすに連れて、必要なだけの電源の電圧を上げていけば、小さな電流で多くのLEDが点灯できる・・・という利点がありますが、感電には注意が必要になるかもしれません。
『並列つなぎ」にすれば、それぞれのLEDに同じ電圧が加わるので、LED個々の製品の特性を気にしないで、比較的簡単にLEDの数を増やして、同時点灯ができます。
高輝度LEDでは、1つあたり、2～5mAの電流で、かなり明るいので、イルミネーションなどで多数個のLEDを点灯させる場合には、低電圧の電源で使えるので、基本的には、この並列つなぎのほうが扱いやすいでしょう。
ここでは、5Vの電源を使って、LEDの多数この点灯を、並列つなぎで考えていくのですが、直列、並列ともに、LEDを増やして、明るく点灯させると、当然、電力（電圧ｘ電流）が増えていくので、熱に対する対応をしっかり考える必要があります。
抵抗器の配置・LEDの配分も重要
LED1個で15mAが流れるので、多数個のLEDをつなぐ場合は、抵抗器の大きさを意識する必要が出てきます。
200Ωの抵抗を単独で使うとすると、ワット数P=VA＝AxAxR＝0.015ｘ0.015ｘ200＝0.045W で、小さな1/8W（0.125W）の抵抗器では、安全見て、2つのLEDしか使えませんし、50Ωでも、5～6こが限度です。
大きなW数の抵抗は扱いにくいですから、電流を制限させる抵抗器の付け方も、回路ごとにするか、いくつかをまとめて少なくするか・・などの回路や部品配置を考える必要があります。
その時には、例えば、直並列の併用にして、ブロックごとに光る強さを変えたり、色によって光り方の違うLEDの光り方を調節したり・・・ということもできるので、種類の違うLEDでも、光り方の違いを調節するなどで光の演出もできるでしょう。
ここでは、具体例は取り上げませんが、まず、出来上がりをイメージして、回路を試作して、自分なりの「電飾」を作ってみるのも面白いでしょう。
ただ、実際にそれで大きなイルミネーションなどを作ろうとすると、LEDごとの特性の違いや、使用中の温度変化などで、流れる電流量が変化して、光り方の状態が変わる・・・などの問題が内在しており、これは、ケースバイケースで調整が必要になるのですが、どうしようもないのですが、その考え方を知っておれば、対応はできるでしょう。
その他にも、実際に回路を作ってみると、いろいろな調整や検討が必要になるかもしれませんが、ここまで、いろいろ横道にそれながらLEDを見てきましたので、「簡単ではないが、できないことはなさそうだ」・・・というイメージは持っていただけるでしょう。
PRそこで、今回は、このような、難しい検討は抜きにして、ともかく、50個のLEDを並列つなぎにして、実際に、同時に点灯できるのかどうかを、いろいろやって見ながら確認してみようと思います。
もちろん、このやり方がベストの方法ではないのですが、ここでは、あえて、電流や熱の問題を見ていくために、多数のLEDを点けるときの対策なども考えながら、砲弾型のLED（上で用いたものと同種類））を用いて、数を増やすとどうなるかを、頭の中でイメージしながら、実際にやっていこうと思います。
1→5→10→20こを並列につなぐと・・・
並列つなぎでは、各LEDには同じ電圧が加わり、LEDの数が増えると、1つあたりの電流量が 1/n に減ります。 まず、この状況を確認してみます。
下の写真は、電源5Vで電流制限抵抗を200Ωにして、順に数を増して点灯させた様子です。（写真ではわかりにくいのですが、各LEDは、ほぼ均一に光っています）
通常はこのような1つの抵抗器で点灯させるやり方ではなく、LEDそれぞれに抵抗器をつけるのが一般的ですが、ここでは、問題点を探るために、あえてこのようなやり方をしています。
写真のように、20このLEDをつないでも、全てが点灯しています。
ここでは、抵抗器によって、総電流量が15ｍAに制限されているので、LEDの数が増えても総電流量はほとんど変わらないので、LED1つあたりの電流量が減り、明るさが減少しています。
計算では、回路には （5-2）/200＝0.015 と15mAの電流が流れているので、LED5個では 15/5＝3mA、LED10個では1.5mA、20個では0.75mAの電流になってしまっています。
しかし、0.75ｍAという少ない電流でも、結構明るく光っていることに驚きます。（これは2Vタイプの普通のLEDですが、3V高輝度タイプでは、もっと明るく輝きます）
写真ではLED先端のレンズの位置や写真を撮る方向の影響で、写真の写り方が違っていますが、ほぼ全部が同じ明るさで光っています。
しかし、LEDが増えると、明らかに、個々の明るさは低下しています。
抵抗器の抵抗値を下げて明るさを上げてみる・・・
次に、電流制限のための抵抗値を小さくして、電流量を増やしてみるとどうなるのでしょうか・・・。
I=V/R＝（5-2）/10＝300mA が全体に流れるようになるのですから、LED1つだけの電流を15mAと仮定すると、 300/15＝20こ となるので、抵抗の小さい10Ωの抵抗器にすれば、20個程度のLEDを個々に15ｍA流して、明るく点灯できると予想できます。
R=5Ωにすると、（5-2）/5＝600mAなので、600mA/15mA=40 で、40個のLEDの同時点灯ができるし、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。（総電流値0.015ｘ200＝3Aなので要注意）
PRここでは、まず、使用している電源は1Aの許容値ですから、LEDの特性の微妙な違いもあることを考えて、ともかく、10Ωの抵抗器で、50このLEDを用意して、その点灯の様子を見てみます。 若干暗いのですが。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を点灯させてみました
大きなセメント抵抗（5W）を使って点灯させた状態です。
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、電流計を見ていても、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、実測では6mAでした。 6mAでも、暗いということはありませんが、試しに、LEDを30こに減らすと10ｍAになり、20個では、13ｍAになりました。
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。 そして、個数が変わると、電流量に反映して光ります。
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