LEDの種類と特性

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■問題
電気回路 ― 基礎

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，5V電源で白色LEDを点灯させるための回路です．この回路で，LEDに流れる電流を約20mAとするための抵抗(R₁)の値として適切なのは次の(a)～(d)のどれでしょうか．なお，使用しているLEDは表1のような仕様のものとします．

図1　5V電源で白色LEDを点灯させるための回路
LEDに流れる電流を約20mAとするための抵抗値は?

表1　図1で使用している白色LEDの仕様⁽¹⁾

(a)220Ω　(b)150Ω　(c)92Ω　(d)22Ω

■ヒント

　まず，LEDに流れる電流が約20mAとなる抵抗値を計算するために，どのような情報が必要かを考えます．その情報が表1のどの項目かがわかれば，抵抗値は簡単に計算できます．

■解答

(c)92Ω

　抵抗値を計算するために必要な情報は「順電圧」です．特性欄の順電圧(V_F)の項目を見ると，順電流(I_F)が20mAのときに3.2Vであることが分かります．LEDに流れる電流が20mAとなる抵抗の値は，電源電圧から順電圧を引いたものをLED電流で割ることで求めることができます．「R₁=(5-3.2)/20m=90」となるので，この値に最も近いのはCの92Ωということになります．

■解説

●LEDの色と特性
　LED(Light Emitting Diode)はダイオードの1種です．電流を流すことでさまざまな色で発光します．構造は，一般的なダイオードと同じで，N型半導体とP型半導体を組み合わせたものです．しかし，一般的なダイオードがシリコンを素材とするのに対し，LEDは，化合物半導体が使われます．使われる化合物半導体は発光色によって異なり，一例として，赤外線ではGaAs(ガリウム・ひ素)が，赤色はInGaAlP(インジウム・ガリウム・アルミニウム・リン)が，青色ではInGaN(インジウム・ガリウム・窒素)などが使用されています．
　また，LEDは電流を流したときの電圧が，一般的なダイオードよりも大きくなります．一般的なダイオードの電流を流したときの電圧が0.6V～0.7Vであるのに対し，赤外線LEDは1.4V程度で，青色LEDは3.1V程度というように，発光色によって異なります．白色LEDの多くは，青色LEDをベースに，蛍光体で他の色を発光させて白色に見えるようにしているため，電流を流したときの電圧は青色LEDと同等のものが多いようです．

●LEDの仕様書の見方
　表1は，LEDの仕様書の一部を抜粋したものです．この中の絶対最大定格は，他の半導体と同様，その値を越えて使用すると，デバイスが破壊してしまう可能性がある，という規格です．表1の順電流(I_F)は発光させるために順方向に流す電流のことで，パルス順電流(I_FP)は別途定義されたパルス幅で駆動したときに，越えてはいけない順方向電流のことです．また，逆電圧(V_R)は，LEDに加えてはいけない逆方向の電圧を表しています．この電圧があまり高くないため，一般的にLEDに交流電圧を加えることは望ましくありません．
　表1の特性の中の順電圧(V_F)は，LEDを発光させたときの順方向電圧のことです．流す電流によって若干変化するため，条件としてI_Fの大きさを定義しています．この製品は，20mAの電流を流したときの順方向電圧の標準値は3.2Vであることが分かります．
　次の行の光度はLEDの明るさを表しており，単位はcd(カンデラ）です．この明るさも流す電流によって変わるため，条件としてI_Fの大きさを定義しています．
　なお，明るさを表す別の単位としてlm(ルーメン)がありますが，ルーメンはすべての方向の光の総量で，カンデラは特定方向の光の強さを表しています．そのため，同じLEDでも，レンズ等で指向性を強くした場合，カンデラの値は大きくなります．一般的に照明器具ではルーメンが使用され，LED単体では，カンデラが使用されています．

●電流制限抵抗の値の計算
　LEDの電流を特定の値にしたいとき，もっともシンプルな方法は図1のように，電源(V₁)とLEDの間に抵抗を挿入します．この抵抗のことを電流制限抵抗と呼びます．
　次に必要な明るさからLEDに流す電流値(I_F)を決めます．LEDに流れる電流と抵抗(R₁)に流れる電流は同じため，LEDの順方向電圧をV_Fとすると，式1が成立します．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　そして，抵抗の値は式1を変形して式2のように求めることができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　問題の条件を当てはめると，抵抗の値は式3のように90Ωとなり，24シリーズの抵抗から選ぶと92Ωとするればよいことになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

●LEDの順電圧のシミュレーション
　図2は，赤色LEDと白色LEDの順電圧をシミュレーションするための回路です．赤色LEDのQTLP690Cと白色LEDのNSPW500BSに電圧源(V₁)を接続し，V₁の値を0Vから3.5Vまで変化させたときの，それぞれのLEDの電流をシミュレーションします．LEDのモデルはLTspiceに標準で登録済みのものを使用しています．

図2　赤色LEDと白色LEDの順電圧をシミュレーションするための回路
V₁の値を0Vから3.5Vまで変化させたときのLED電流を調べる．

　図3は，LED電流のシミュレーション結果です．それぞれのLEDの順電流が20mAとなる電圧を読み取ると，赤色LEDの順電圧は1.9V程度で白色LEDの順電圧は3.3V程度となっていることが分かります．

図3　2種類のLEDの順電圧のシミュレーション結果
赤色LEDの順電圧は1.9Vで，白色LEDの順電圧は3.3V．

●電流制限抵抗を入れたときの電流シミュレーション
　図4は，白色LEDと直列に電流制限抵抗を入れたときの，LED電流をシミュレーションするための回路です．抵抗値は，92Ωとし，電源電圧を0Vから6Vまで変化させます．

図4　電流制限抵抗を入れたときの電流をシミュレーションする回路
V_ccの値を0Vから6Vまで変化させる．

　図5は，図4のシミュレーション結果です．図3と比べると電流の傾きが緩やかになっており，電源電圧が5VのときのLED電流は約19mAとなっていことが分かります．

図5　電流制限抵抗を入れたときのシミュレーション結果
電源電圧5VのときのLED電流は約19mAとなっている．

●実際のLEDで発光する電圧を確認する
　色の異なる5種類のLEDで，実際に発光する電圧を確認してみます．表2が今回使用した5種類のLEDの仕様を抜粋したものです．「DC Forward Voltage」が順電圧で，「Lununouns Intensity」が光度です．光度の単位はcdを1000分の1としたmcd(ミリ・カンデラ)が使用されています．「Domi. Wavelength」は，光の波長を表すもので，赤が最も波長が長く，青が短くなっています．

表2　実験に使用した5種類のLEDの仕様を抜粋したもの⁽²⁾

　写真1は，抵抗(560Ω)と5種類のLEDを配置したブレッド・ボードの写真です．数字は電圧計で測定した電源電圧を表示しています．LEDは左から，赤色，黄色，緑色，青色，白色，の順番です．左上が電源電圧1.6Vのときの発光のようすです．赤色LEDのみが微かに発光しています．右上が電源電圧1.8Vのときのもので，赤色LEDと黄色LEDが発光しています．左下が2.3Vのときのもので，緑色LEDも発光しています．右下が2.8Vのときのもので，すべてのLEDが発光してます．