LEDの基礎知識

はじめに

小学校の理科の実験で、乾電池の正極（＋端子）と負極（－端子）に豆電球の２本の電線を繋いだら光りました（図1）。今どきの小学校ではLEDに代わっているかもしれませんね。LEDは豆電球と同じ方法で点灯させてよいのでしょうか？（図2）。

本連載では、全６回にわたって、LED照明電源を例に、CADの使い方から基板のしくみまで、基本の中の基本を解説します。第７回目以降は、最新のKiCAD7を使いながら、実務に使える計測アダプタ基板などを製作する予定です。

高効率＆長寿命！発光する半導体素子"LED"

LED（Light Emitting Diode）は、電気信号を光に変換する半導体デバイスです。発光ダイオードともいいます（図3）。

電球はフィラメントを赤熱させることで光らせますが、LEDは電気エネルギーを直接光に変換するため、電力から光への変換効率が高いのが特徴です。寿命が圧倒的に長いのも大きなメリットです。

青色LEDが発明されて以来、イルミネーションや信号機、車載用ヘッドライト、室内照明、懐中電灯、カメラのフラッシュ、液晶のバックライトなど、その応用は爆発的に増えました。青色光の波長によって励起される蛍光体を組み合わせることで、照明に欠かせない「白色」のLEDを実現できたからです。

LEDは照明以外にも利用されています。システムの動作状態を示すインジケータ、フォトカプラなどの信号の絶縁、赤外線リモコンなどの無線データ通信などです。

2つのキーワード

図4に示すのは、LED"OSDR5113A"（OptoSupply製、赤色）の使用条件が記されたデータシートです。メーカが公開しています。データシートには、たくさんの技術用語が記されていますが、その中から、重要なものをピックアップして解説します。

DC Forward Voltage（直流順方向電圧）

DC Forward Voltageは、V_Fというパラメータで表されます。LED（Light Emitting Diode）は、その名前のとおりダイオードの一種です。アノード（A）に正極（＋）、カソード（K）に負極（－）を接続すると、電流が流れて光ります。

この電流の向きを順方向といい、このときLEDに加わる電圧を「順方向電圧」、流れる電流を「順方向電流」といいます。逆に、アノード（A）に負極（－）、カソード（K）に正極（＋）を接続すると、電流は流れず光りません。この電流の向きを逆方向といい、このときLEDに加わる電圧を「逆方向電圧」、流れる電流を「逆方向電流」といいます。

LEDに電流が流れると、電気エネルギー～光エネルギー変換が行われますが、図5に示すように、ダイオードと同様の性質をもつため、ある一定以上の電圧を加えるまで電流が流れ始めません。LEDも光らせるには、V_F以上の電圧を加える必要があり、必然的に、V_F以上の電圧を出力する電源が求められます（図6）。

一般的なシリコン・ダイオードのしきい値電圧（V_F）は、0.6～0.7Vです。赤色LED"OSDR5113A"のデータシートには、「最大2.5V」と記されています。乾電池の電圧は1.5Vなので、豆電球と同じ1本では不足です。2本以上を直列に接続する必要があります。

Absolute Maximum Rating（絶対最大定格）

一瞬でも超えると壊れる可能性のある値です。半導体や電子部品のデータシートにもこの項目は必ず記載されています。

直流順方向電流の絶対最大定格の記載から、このLEDに流すことができる順方向電流の最大値は"30mA"です。電源とLEDの間に電流を制限する抵抗が必要です。抵抗がないと、絶対最大定格を超える電流が流れて、LEDが発熱して破損します。

電流制限用抵抗の値R_ledは、電源電圧（V_DD）にV_F（=2.5V）を考慮して、次式のオームの法則から求めます。

R_led = (V_DD - V_F) / I_led

ここで、I_ledは順方向電流［A］です。

電子部品の定数は目的しだい

電源電圧（V_DD）が3V（乾電池2本直列）なら、抵抗 R_led=25Ωを挿入して、順方向電流（I_led）を20mA程度に制限します。現実には、E24系列の25Ωに近い、24Ωまたは27Ωを使います（図7）。

抵抗やキャパシタの定数を決めるときは、在庫する電子部品の種類が増えないようにします。購入コストや管理コストが下がるからです。

赤色LEDは、電源スタンバイ状態を示すインジケータによく利用されています。照明用ではなく、光っていることが視認できればよいので、電流制限抵抗を1kΩなどと極端に大きくして輝度を低くしても、インジケータとしての役割を果たせば問題ありません。しかも省エネ効果も得られます（図8）。実際の設計では、目的を考慮して定数を決めています。

出典：
https://www.p-ban.com/technical/ele_ltr/ZEP/vol1/vol1_1.html