第1回 LEDの基礎知識

著者：善養寺薫　　企画・編集：ZEPエンジニアリング

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。

図1　豆電球を光らせるときは1本の乾電池に直結した

図2　LEDも豆電球と同じ回路でOK？

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）。

図3　LEDのいろいろ

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。

図4　LEDの使い方はデータシートから正しい情報を得る

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-光エネルギ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）。

図5　LEDは$V_F$を超えると電流が急増する特性をもつ

図6　LED用の電源は$V_F$以上を出力できる必要がある

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。
\begin{align} R_{led}=\dfrac{V_{DD}-V_F}{I_{led}} \end{align}
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）。

図7　壊さない程度にできるだけ明るく点灯させたいなら、電流制限抵抗は24Ωになる

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。〈善養寺薫〉