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抵抗器とは

抵抗器とは、電気回路の抵抗 (電気抵抗) を大きくするための部品です。

抵抗を大きくする目的は、ほかの部品 (LEDなど) に電圧がかかり過ぎないようにしたり、電流が流れ過ぎないようにするためです。

とくに、LEDの点灯回路においては、“電流制限抵抗” と呼ばれることがあります。
LEDを含む回路の抵抗を大きくし、電流を流れにくくするのが、電流制限抵抗の役目です。

抵抗器を使ったLED点灯回路には、次の特徴があります。

• 安価 (種類によるが、ひとつ10円以下)
• 最大電力が大きい。
• △抵抗値の計算が必要
• △電圧によって電流 (明るさ) が変化する
• △LEDの個数を変えるたびに抵抗も変える必要あり
• △電圧降下の分は電力の損失となる

作りたい回路によって、抵抗器と定電流ダイオードを使いわけます。

抵抗値について

適当な抵抗器を選ぶうえで重要なのが、抵抗値と定格電力です。
まずは、抵抗値について説明します。

一般的な抵抗器には固有の抵抗値が決められており、その大きさを “Ω”(オーム) という単位で示します。
このオームの値が大きいほど、抵抗器の抵抗は大きく、電流は流れにくくなります。

抵抗値は、抵抗器本体の “カラーコード” から読み取ります。

なかなかボリューミーな表ですが、本体のカラーコードの色と、表にある値から抵抗値を計算します。(単位の読み方や乗数は下の付録を参照のこと)

上の写真の左の抵抗器は、“橙 (だいだい) ・橙・茶・金” となっています。

このように、カラーコードが４本の場合は、左から２本が有効数字 (二桁)、３本目が乗数、４本目が許容差を表します。

ということで、“橙・橙・茶・金” は、
33 × 10 ^1 = 33 × 10 = 330[Ω](±5%)
となります。

右のように、カラーコードが５本の場合、左の３本が有効数字 (三桁)、４本目が乗数、５本目が許容差です。(５本目はすこしだけ太い)

よって、“橙・橙・黒・黒・茶” は、
330 × 10 ^0 = 330 × 1 = 330[Ω](±1%)
となります。

もうすこし詳しい話をすると、上の２つの抵抗器は種類が違います。

左は “炭素皮膜抵抗器 (カーボン抵抗器)” といって、安価ですが、許容差が大きい (精度が低い) です。

右は、“金属皮膜抵抗器”(通称・キンピ) といって、許容差が小さく、高価です。

ぶっちゃけ、LEDの点灯回路に許容差は気にしなくていいです。

付録として、乗数と単位の表を載せておきます。

３桁ごとに、ミリオーム、オーム、キロオーム、メガオーム (メグオーム)、ギガオームとなります。

定格電力について

抵抗器では、抵抗と電流に応じた熱が発生します。
発熱量が放熱量を上回ると、抵抗器は焼けて壊れてしまいます。

そのため、抵抗器には定格電力が決められています。

定格電力の単位は “W (ワット)” であり、“1W” や “1/4W” のように表示されます。

主な定格電力は上のとおりです。ただし、抵抗器本体から定格電力を見分けるのは難しいです。

LEDの仕様

電流制限抵抗の抵抗値を計算するためには、LEDの仕様の確認が必要です。

LEDの仕様は 、メーカーが発行する “データシート” に記載されています。

抵抗値の計算に必要なのは、LEDの標準電流と、“V_f”(順方向電圧)” です。

上の例では、標準電流が20mA (ミリアンペア)、V_f”(順方向電圧)が2.1V (ボルト) です。

• 標準電流：メーカーが推奨する電流値。これを超えると寿命が短む
• 順方向電圧 (V_f)：LEDの点灯に必要な電圧
• 順方向電流 (I_f)：LEDに流してよい最大の電流であり、超えると焼損する。

データシートがないときや、調べるのが面倒なときのために、目安の値を書いておきます。あくまで目安です。

市販されているLEDは、標準電流が15〜20mAというものが多いです。

順方向電圧 (V_f) は発光色によって異なり、赤，橙，黄，黄緑が1.8〜2.1V程度、青緑，青，紫，白が2.8〜3.4V程度です。
紫外線 (UV) は、3.4V程度が多いです。

LEDの標準電流と順方向電圧 (V_f) が定まったら、いよいよ計算です。

抵抗器の選び方と計算

LED点灯回路の電流制限抵抗の抵抗値は、以下の式で求められます。

ここで、Rは電流制限抵抗の抵抗値、Vは電源の電圧、V_f1+V_f2+…+V_fnはLEDの順方向電圧 (V_f) の合計、Iは回路の電流です。

順方向電圧 (V_f) の合計ですが、LEDを直列につないだときは、それぞれの順方向電圧 (V_f) を足していきます。LEDが１つだけなら、そのLEDの順方向電圧 (V_f) だけです。

回路の電流は、LEDに流したい電流です。LEDが直列のときは、すべてに同じ電流が流れます。

具体的には、1mA以上で、標準電流以下の値にすることが多いです。
電流が大きいほど明るくなりますが、消費電力や発熱も大きくなります。

電源電圧は、リチウム一次電池が3V，USBが5V，整流後のコンセントが141Vです。(ってコンセントは危険なのでやめましょうね)

ソーラー発電に使う鉛蓄電池は１つ14.4Vですが、回路によっては、ソーラーパネルの公称開放電圧 (V_oc) である22V程度が発生する場合があります。
この場合、抵抗の値を見直して電流を抑えるか、定電流ダイオードを使ってください。

例えば、電源電圧が14.4V、LEDが２つで順方向電圧 (V_f) がそれぞれ1.8Vと3.4V、電流を15mAとすると、必要な電流制限抵抗は、
{14.4 - (1.8V + 3.4V)} / 0.015 = 613[Ω]
となります。

しかしながら、613Ωという抵抗器はないので、近い値である620Ωというのを選びます。(E24系列の場合)
計算の結果より小さい値の抵抗器を使うときは、LEDの標準電流を超えないように注意が必要です。

この回路の例は、またあとで使います。

消費電力の計算と定格電力

最後に、抵抗器での消費電力が定格電力に収まるかを計算します。それによって、適当な定格電力の抵抗器を選びます。

“ジュールの法則” のうち、電圧と抵抗を使うパターンがわかりやすいです。わざわざ電流を求めなくてよいので。

６番の式に、抵抗器にかかる電圧と、抵抗値を代入します。
ここの抵抗値は、実際に使う抵抗器の抵抗値です。(上の例なら、613Ωではなく620Ωということ)

では、電源電圧14.4V、LEDの順方向電圧 (V_f) が1.8Vと3.4V、電流制限抵抗が620Ωのとき、抵抗器での消費電力は、
{14.4 - (1.8V + 3.4V)} ^2 / 620 = 0.137[W]
と求まります。

厳密には、回路の電流によってLEDの順方向電圧 (V_f) も変化するのですが、微小ですから無視してかまいません。

で、0.137Wなので、定格電力が “1/4W (0.25W)” 以上の抵抗器を選ぶとよいです。(およそ2〜2.5倍)
“1/6W (0.166W)” は、ちょっとギリギリですので。

まとめ

• LEDの標準電流と順方向電圧 (V_f) を確認
• 上記の値と電源電圧より、電流制限抵抗の適当な抵抗値を求める
• 計算結果に近い値の抵抗器を選ぶ
• 電流制限抵抗での消費電力を計算する
• 定格電力に余裕のある抵抗器を選ぶ