LEDの電流制限抵抗

1. LED (発光ダイオード)
2. 電流制限
- 2-1. LEDの電流について
- 2-2. LEDに流せる最大電流
- 2-3. V_F (順方向電圧降下)
- 2-4. 逆耐圧
3. 制限抵抗 (電流制限抵抗)と計算方法
- 3-1. 電流制限抵抗
- 3-2. 計算に使う法則
  - 3-2-1. オームの法則
  - 3-2-2. キルヒホッフの第一法則 (電流則)
  - 3-2-3. キルヒホッフの第二法則 (電圧則)
- 3-3. 計算まとめ
4. 計算例
5. シミュレーションで確認
5. LEDが複数個あるとき

LED (発光ダイオード)

LED(=Light Emitting Diode、発光ダイオード)はダイオードの一種で、ほかのダイオードと同じように一方向にだけ電流が流れます。電流が流れる方向が順方向です。

これはLEDの回路図記号で、アノード(Anode)からカソード(Cathode)の方向へ電流が流れます(回路記号の三角形の向きに電流が流れると覚えればOK)。

砲弾型LEDの場合は、長い方の足がアノードです。なので、長い方を電源の＋に近いほうにつなぎます。

(回路図記号･･･正確には電気用図記号と呼ぶそうです)

電流制限

LEDの電流について

LEDの光の強度は電流で決まります。

電圧と光の強度は直接は関係していません。
実際は、電圧増加 → 電流増加 → 光量増加のような関係はありますが。

電流で制御するLEDですが、電流が大きすぎると壊れてしまいます。そのため、LEDに流れる電流を制限する必要があります。

すぐに壊れなかったとしても

寿命が短くなる
まぶしすぎて目に優しくない
消費電力が上がる

などの懸念があり、あまり推奨されません。

電流を制限する方法は

LEDドライバIC
定電流回路
電流制限抵抗 ← この記事で説明します

などがあります。

LEDに流せる最大電流

LEDのデータシートに載っています。

例として秋月電子のサイトで特性が近そうで色が違うLEDをピックアップしてきました。

色	型番	標準電流	V_F	逆耐圧
赤	OSR5JA3Z74A	30 mA	2.1 V	5.0 V
緑	OSG5TA3Z74A	30 mA	3.1 V	5.0 V
青	OSB5YU3Z74A	30 mA	3.1 V	5.0 V
白	OSW4YK3Z72A	30 mA	3.1 V	5.0 V

どれも標準電流が30 mAとなっているので、実際の回路で使用するときにはLEDを流れる電流が30 mAを超えないようにする必要があります。

表の標準電流という言葉は販売ページに書いてあったものです。
データシートを確認するとAbsolute Maximum RatingのDC Forward Current に30 mAとあるので、最大電流と同義と考えてよさそうです。

V_F (順方向電圧降下)

順方向に電流を流すために、LEDにある値以上の電圧(←LED製品ごとに決まっている)をかける必要があります。

これがV_Fの大きさです。

一般的にLEDのV_Fは、赤色で2 V前後、青色や白色は3～3.6 V程度です。上の表もそうなっています。

電源の電圧は少なくともV_Fは必要なので、1.5 Vの乾電池1本ではLEDを点灯させられません。乾電池1本で点灯させるためには昇圧回路が必須となります。

逆耐圧

アノードとカソードを逆につないで電圧をかけたときに耐えられる電圧です。この電圧までなら逆方向に電流は流れません。

逆方向に耐圧以上の電圧をかけると電流が流れ始めます。そしてLEDが壊れます。

制限抵抗 (電流制限抵抗)と計算方法

電流制限抵抗

LEDに流れる電流を制限するためにLEDに直列に接続する抵抗が電流制限抵抗です(下の回路図ではR4)。単に制限抵抗ともいいます。

計算に使う法則

オームの法則

抵抗値Rは、「その抵抗にかかる電圧Vを、抵抗を流れる電流Iで割る」と求められます。言い換えると「電圧と電流は比例し、その比例定数が抵抗」でもあります。

\[R = \frac{V}{I}\]

キルヒホッフの第一法則 (電流則)

回路全体で、電流は増えたり減ったりしない
枝分かれした回路に流れる電流の和は、枝分かれする前の電流と等しい

要するに、さっきの図の回路なら電源(BAT1)と抵抗(R4)とLED(D5)には同じ電流が流れるということです。

キルヒホッフの第二法則 (電圧則)

閉じた回路で電圧の方向を一方向に決めたとき、各素子の電圧の和は0

さっきの図でいうと

電源(BAT1)の電圧(の和)
負荷(R4とD5それぞれ)で降下する電圧の和

が等しいということ。

計算まとめ

オームの法則と、キルヒホッフの法則で計算します。ポイントを整理します。

キルヒホッフの第一法則より、抵抗とLEDには同じ大きさの電流が流れる
データシートなどを見てLEDに流す電流を自分で決める (数mAぐらい)
LEDのV_F(順方向電圧降下)特性より、LEDにかかる電圧はV_F[V]
キルヒホッフの第二法則より、抵抗にかかる電圧は「電源電圧－V_F」
抵抗に流れる電流と抵抗にかかる電圧から、オームの法則で抵抗値を求める

計算例

先ほどの回路を例にして抵抗値を計算してみます。

この後に載せるシミュレーションと同じ条件にします。

電源電圧は12 V
LEDのV_Fは3.14 V
LEDに流す電流を5 mA

この条件を満たすための抵抗値を求めてみます。

LEDと抵抗に流れる電流をIとすると \(I = 0.005\)
抵抗にかかる電圧VRとすると \(V_R = V – V_F\)
求める抵抗値をRとする
オームの法則よりRを求める

\[ R = \frac{V_R}{I} = \frac{V-V_f}{I} = \frac{12-3.14}{0.005} = 1772 \]

となって、1772 Ωの抵抗を使うとLEDの電流が5 mAになります。

シミュレーションで確認

LTspiceでざっと確認してみました。適当にピックアップしたNSCW100というLEDに約5 mAを流すための抵抗値を求めました。

LEDのV_Fはデータシートを見るべきなのですが、今回はシミュレーションから値を拾いました。V_F = 3.14 Vとしています。電源電圧は12 Vとしました。

\[R = \frac{12-3.14}{0.005} = 1772\]

となり(さっきと同じ計算ですが)、約1.8 kΩの抵抗を直列に入れればよいということになります。下の画像は1.8 kΩでシミュレーションした結果です。

抵抗を流れる電流が4.9 mAとなっていて、求めた抵抗値は正しいことが確認できました。

LEDが複数個あるとき

LEDが複数ある場合の検討は別記事にまとめました。

複数LEDの制限抵抗計算

LED (発光ダイオード)