働かないひとになる

電球とLEDのちがい

まずは、LEDの点灯に定電流ダイオードがなぜ必要かを知るために、電球とLEDの比較です。

LEDが普及する前、電池で使える光源といえば、電球でした。

電池と電線と電球をつないだら光るというのは、小学校の理科で習ったはずです。

電球は、電源の電圧の変化に対して、電球を流れる電流が素直に変化するため、電圧の管理 (電池の本数) だけで点灯させることができました。

翻って、LEDは電流の変化が素直ではありません。
LEDにかかる電圧が一定に達すると、ワッと電流が流れる、という性質を持つのです。

そのまま電流を流すと、LEDは焼けて壊れてしまいます。

ですから、電流を制限する必要があるのです。

電流を制限する方法は、定電流ダイオードか抵抗器を使うのが一般的です。

• 電球は指定された個数の電池をつなぐだけでよい
• LEDは電流が急に増えるため、電流の制限が必要
• 定電流ダイオードや抵抗器を使う

定電流ダイオードとは

今回は、LEDの電流制限に “定電流ダイオード” を使うお話です。(抵抗器は次回の予定)

定電流ダイオードとは、その名のとおり、電流を一定に保つ部品です。

定電流ダイオードの詳しい仕組みについては割愛しますが、前々回の記事で紹介した “電界効果トランジスター (FET)” が内部に使われており、純粋なダイオードではありません。

定電流ダイオードを使った回路には、次の特徴があります。

• 電流や抵抗の計算が不要
• 電源の電圧が変化しても、明るさは一定
• LEDを直列につないでも、明るさは一定
• △抵抗器よりも高価である (１個60円くらいします)
• △最大20mA (ミリアンペア) 程度の製品しかない
• △電圧降下の分は電力の損失となる

……ということで、状況とコストによって、定電流ダイオードと抵抗器を使い分けます。

定電流ダイオードを選ぶ

では、気になる定電流ダイオードの選び方です。

電流が大きければ大きいほど、LEDは明るくなります。

しかし、LEDには標準となる電流が決められており、この電流を超えると、LEDの寿命が大きく縮みます。

一般的なLEDは、15〜20mAを標準電流としていることが多いです。

定電流ダイオードは、懐中電灯や照明の用途には標準電流に近い値のものを選び、パイロットランプなど表示用にはより小さいもの (おおむね1〜10mA) を選ぶとよいです。

上に書いたのはあくまでも目安であり、本来は、LEDのスペックが記載された “データシート” が必要です。データシートは、メーカーのホームページで公開されています。

参考として、データシートの見方を説明します。

用語の確認をしておきます。

• Item：項目
• Condition：条件
• Value：値
• Unit：単位
• I_f (Forward Current)：順方向電流
• V_f (Forward Voltage)：順方向電圧

重要なのは、“I_f” (順方向電流) です。この電流を超えると、LEDが焼き切れてしまいます。ここでは、30mAとなっています。

標準電流は、“V_f” (順方向電圧) の条件列にある “I_f” (順方向電流) ということが多いです。ここでは、20mAとなります。

また、定電流ダイオードにも最高使用電圧 (V_max) が決められています。定電流ダイオードの両端が最高使用電圧を超えないよう注意が必要です。

• 電流が大きいほど、LEDは明るい
• 標準電流を超えると、寿命が縮みやすい
• 順方向電流 “I_f” の最大値を超えると壊れる

定電流ダイオードの使い方

LED点灯回路に定電流ダイオードを使う際のお話です。

まず、定電流ダイオードには、アノード (プラス側) とカソード (マイナス側) の極性があります。

カソードに線 (カソードマーク) があります。つまり、線のあるほうがマイナス側です。

下のように、図記号で表すとわかりやすいかもしれません。

なお、電流の制限効果があるのは、順方向のみです。逆方向では、内部の抵抗による微小な電圧降下だけが生じます。
極性を間違っても、基本的には定電流ダイオードは壊れませんが、その場合、LEDは壊れる可能性があります。

回路の例

いよいよ、定電流ダイオードを使ったLED点灯回路の例です。

……その前に、電源の紹介です。

• ソーラー発電の蓄電池から入力 (最大14.4V)
• 降圧コンバーター (1〜14.4V)
• 電圧計
• ブレッドボード

電源の電圧を変化させて、LEDの明るさがどう変化するかを記録します。

まずは、定電流ダイオードとLEDが一つずつの場合。もっともオーソドックスな回路です。

1.5mAという微小な電流ですが、点灯しています。

この回路で、電源の電圧を調整してみます。

上から、11V、5V、3Vです。
写真ではビミョーですが、6〜7V以上で安定しています。

次は、定電流ダイオードを並列にする場合。

合計の電流がLEDに流れるため、明るくなります。

電流の値が異なっていてもよく、並列にできる個数は無制限です。LEDの順方向電流 “I_f” には注意してください。

LEDを直列にする場合。

すべてのLEDに同じ電流が流れるため、すべて点灯します。

ただし、LEDの個数の上限は、電源の電圧に依存します。(次回の記事で説明する予定)

最後は、LEDを並列にする場合です。この回路はオススメしません。

LEDの特性のバラツキによって、それぞれのLEDに流れる電流が等しくならないことがあります。
このため、明るさや寿命もバラつきます。

LEDを増やしたいときは直列にするか、新しいセット (定電流ダイオードとLED) を並列にします。