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LED(発光ダイオード)の使い方



 
 

LED(発光ダイオード)の使い方

LED(発光ダイオード)とは、電流を流すと発光する半導体です。
LEDの形状は、一般的な砲弾型LEDや、デジタル時計などで数字を表示する「7セグメントLED」、電光掲示板などの文字を表示する「ドットマトリクスLED」、照明等に使われる「パワーLED」、極小サイズの「チップLED」など、様々な形状のものが流通しています。 LEDを使用する一番のメリットは、電力から光への変換効率が優れていることと、白熱電球や蛍光灯に比べて寿命が長いことです。
そのため、近年では建物の照明や車のヘッドライト、液晶画面のバックライトなど、あらゆる光源がLEDに置き換えられつつあります。
また、色調についても光の三原色を組み合わせることで全ての色を再現できるほか、赤外線や紫外線など目に見えない光を発するLEDもあります。
それでは、LEDを使う上での注意点を解説していきます。

 
 

極性(向き)に注意!

一般的なLEDには電極が2つあります。
それぞれの電極は、アノード(A)とカソード(K)と呼ばれ、アノードにプラス側、カソードにマイナス側を接続します。


これを反対に接続すると光りません。(厳密には少し光ることもありますが、これは壊れる前兆、または既に壊れている場合があります)
また、LEDは一般ダイオードと違って逆電圧に非常に弱く、僅か数Vの逆電圧で壊れることもあります。
一般ダイオードの用途として、逆電流を流さないようにするために使われることが多いですが、LEDはこの用途には不向きです。
どうしてもLEDに逆電圧がかかってしまう場合は、LEDと並列に逆方向のダイオード(下図 D1)を接続することで、LEDにかかる電圧を概ね1V以下に抑えることができます。


 
 

LEDは熱に弱い

LEDは熱に弱い性質があります。
特に注意したいのが、はんだ付けです。
はんだゴテで長時間LEDに熱を加えると壊れてしまうことがあります。
LEDのはんだ付けはできる限りやり直しのないように、一発で仕上げるのが鉄則です。
とはいえ、失敗することもあるので、その際は一度LEDを冷やしてからやり直ししましょう。
一般的なリフローやフローの温度条件が保証されていないLEDは少ないですが、中にはそのようなものもありますので、設計時に確認が必要です。
(弊社に実装を依頼される際、熱に弱い部品がある場合は事前にお申し付けください。)

設計的な注意点としては、LEDの周囲に発熱体を配置しないことです。
基板のパターンや基材を伝ってLEDが高温になります。
はんだ付けの温度ほどではなくても、長時間高温に晒されるとLEDの寿命が短くなります。(だんだん光が暗くなっていく)

もう1点、パワー系LEDは、LED自体が非常に多くの熱を発するため、対策しないと自己発熱で壊れます。
自己発熱で壊れるなんてLEDの設計ミスじゃないのか!と怒る方もいらっしゃいますが、そういうものなので、どうか受け入れてください。
普通の基板(FR-4など)を使われる場合は、LED端子にベタを広く取って放熱します。
それでも放熱が足りない場合や、スペースが限られる場合は、アルミ基板などの上にLEDを実装して放熱性を上げることもあります。

 
 

必ず電流制限を!

白熱電球(豆電球)は「定格電圧」が定められています。
つまり、「この電球は○○V以上の電圧をかけないでくださいね〜」と言っています。
逆に言うと、白熱電球はこの電圧さえ守っていれば、壊れることは無いのです。(寿命は除く)

LEDの場合は「定格電流(順方向電流)」で規定されます。
他にも条件はありますが、ほとんどの場合、定格電流を守っていれば問題となることはありません。
よく、データシートの順方向電圧を見て、「順方向電圧が2.2V(typ)だから、LEDに2.0Vくらい印加しておけばOK!」と言う方がいらっしゃいますが、これは大きな間違いです。
順方向電圧と順方向電流の関係は、LEDのロットや個体、周囲環境によってばらつきますので、最悪の場合2.0Vをかけただけでも定格電流を超えてしまうこともあります。
また、LEDは流れる電流で明るさが変わりますので、電圧固定でも個体バラツキによって明るさが大きく変わってくることもあります。
このような理由から、LEDを駆動する際は、「一定の電圧を加える」のではなく、「一定の電流を流す」という考えで設計します。

 
 

電流制限の方法

電流を調整する手段として以下のような部品をLEDに直列接続して使います。

・抵抗
  非常に安価なため、LEDの電流制限の多くは抵抗で行われます。
  抵抗値のバラツキやLEDの順方向電圧のバラツキにより多少電流がばらつきます。
  印加電圧が変化する場合は、電流も大きく変化しますので、注意が必要です。

・定電流ダイオード(CRD)
  LEDに直列接続すると電流を一定に保ってくれる便利な部品です。
  抵抗に比べて高価なため使われることは少ないですが、印加電圧が変化しても電流を一定に調整できるため、
  電源電圧が変化する製品などで使われます。
  例えば、自動車のバッテリーは12Vですが、実は10V〜15Vくらいの範囲で電圧が変化します。
  このような環境でも一定の電流を供給し、LEDを一定の明るさで発光させることができます。
  ただ、定電流ダイオードは20mA以下のものがほとんどのため、それ以上の電流の用途には使えません。
  (注)定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)とは別物ですので、ご注意ください。

・LEDドライバーIC
  大電流LEDを駆動する場合や、調光をしたい場合など、様々な要望に合ったLEDドライバーICが流通しています。
  ディスクリートで回路を組んでも良いのですが、ドライバーICを使うことでより簡単に精度よく駆動することができます。

 
 

抵抗での電流制限の方法

下図のように抵抗を直列に接続します。
狙いの電流値に応じて抵抗値を設定します。
抵抗値[Ω] = (電源電圧[V] ― LED順方向電圧[V]) ÷ 流したい電流[A]



電源電圧が高い場合、下図のようにLEDを直列接続できます。
抵抗値[Ω] = (電源電圧[V] ― LED順方向電圧[V] ×3) ÷ 流したい電流[A]

LED順方向電圧の合計が電源電圧未満であれば、LEDは何個接続してもOKですが、LEDの接続数によってメリットデメリットがあるのでご注意ください。
・多くのLEDを直列接続するメリット・・・抵抗で消費される電力が下がるため、トータルでの効率(電力⇒光の変換効率)は高くなります。
・多くのLEDを直列接続するデメリット・・・抵抗にかかる電圧が下がるため、LEDの特性バラツキなどによる電流変化が大きくなります。


では、並列接続する場合はどうでしょうか?
ハイハイ、抵抗を入れればいいんでしょ! とやった結果が下図です。

一見これでも良さそうに見えますが、これは間違いです。
上のLEDの列と下LEDの列に流れる電流が5:5になるとは限らないのです。
LEDの特性バラツキや配線抵抗の差があると、最悪の場合9:1などといった電流比になり、「9」が流れた方は過電流で壊れる可能性があります。
なぜそのようになってしまうか詳細は割愛しますが、LEDにかかる電圧を徐々に上げていったときに、急激に電流が増えるポイントがあり、それによって大きな電流差が発生する恐れがあります。
興味のある方は、LEDのデータシートにある、電圧・電流特性などを見れば理解できると思います。

並列の場合は、下図のように必ず1列ごとに抵抗を入れます。


 
 

プリント基板設計における注意点

・極性を表示しましょう
  部品をはんだ付けする際に迷わないように、シルク印刷でLEDの向きを表示します。
  LEDの回路記号を描くか、カソードに印を付けます。

・配置を検討しましょう
  上でも述べたように、LEDは熱に弱いので、発熱する部品からは遠ざけて配置します。
  また、周囲に背の高い部品を置くと視認性が悪くなるので注意が必要です。

・実装高さを検討しましょう
  リード付きのLEDは、基板から少し浮かしてはんだ付けするといったこともできますし、基板にベタ付けもできます。
  基板から浮かす場合は専用のスペーサーを使うことが多いので、設計時に検討しましょう。
  なお、弊社に部品実装をご依頼いただく際、LEDを浮かせたい場合は事前にお申し付けください。

・レジストの色を検討しましょう
  LEDを照明等の用途に使われる場合、基板からの反射の効率も考慮して、白色レジストを使われることがあります。
  反対に極力反射させたくない場合は、黒色の選択も可能です。

・放熱を検討しましょう
  上でも述べたように、高出力LEDは非常に自己発熱が大きいです。
  また、大電流を流すと電流制限部品(抵抗やLEDドライバ)も発熱します。
  十分な放熱パターン(ベタ)を取るなどして放熱する必要があります。


 
 

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