初級者のLED点灯(パーツ編)

 私は電子回路は苦手な方ですが、初心者向けの解説やよく知っている方から教わったりして発光ダイオード(LED)を用いた点灯について、勉強させてもらいました。それをもとに最近製作した車両ではLEDを用いて、テールライトなどのライトを点灯させるようにしています。

 そうした初級者の私が使っている発光ダイオード(LED)の点灯方法について書いてみました。
 少しでも同じような方の参考になればと思います。

抵抗

 抵抗は基本的に電流を流れにくくするもので、右のような記号で表されます。

 抵抗の単位にはΩ(オーム)が使用され、この値が大きいほど電流は流れにくくなります。

 流れる電流(I(A))と抵抗(R(Ω))そして抵抗の両端にかかる電圧(V(V))の間には

    V=IR

というオームの法則が成り立ちますので、これを利用して流したい電流に応じた抵抗値を選択します。

ダイオード

 ダイオードには基本的に電流をアノード(A)からカソード(C)の一方向にしか流さない性質があり、アノード側に"+"、カソード側に"−"をつないだときにのみ電流が流れます。

 ダイオードといっても色々な種類があり、LEDもダイオードの一種ですし、一般的な交流を直流に変えたり電流の流れる向きを制限する整流ダイオードやそれを組み合わせたブリッジダイオード、流れる電流の大きさを制限する定電流ダイオード(CRD)などがあります。

整流ダイオード

 整流ダイオードは基本的には電流の流れる向きを制限する最も一般的なダイオードで、上のような記号で表されます。

 写真では、右側の白帯がついている方がカソードになり、左側のアノードを+、右のカソードを−につなぐと電流が流れます(これを順方向といいます)が、逆につないでも(逆方向)電流は流れません。

 点灯に使用する際には、LEDが逆電圧に弱いため、テールライトを片側だけ点灯させるときなど、LEDに大きな逆電圧がかからないようLEDに直列に入れています。

 代表的な整流ダイオードであるシリコンダイオードでは、約0.7V以上の電圧が順方向にかかると電流が流れはじめ、電流が流れている間、その両端電圧はほとんど変わりません。

 これを利用して下のような回路を組むと、2つのダイオードを直列につないだ両端が約1.5V程度の定電圧となるため、麦球などの定電圧出力を得ることができます。

ブリッジダイオード


 ブリッジダイオードは、左の回路図のように整流ダイオードを4つ組み合わせたもので、入力電圧のプラスマイナスの向きにかかわらず、出力の電圧が同じになるようにする働きがあります。

 室内灯を点灯させるときなどに進行方向にかかわらずLEDにかかる電圧の向きが同じになるように使用します。

 ブリッジダイオードでも電流が流れるときに電圧降下は生じますので、入力電圧に比べ約1.5V出力電圧は低くなります。

発光ダイオード (LED)

 一定の向きに電流を流すことで光を出すダイオードで、右のような記号で表します。

 右上の写真の上が赤色LED、下が白色LEDですが、赤色LEDでも下のように色がほとんど付いていないものもあります。LEDでは写真のように脚の長さの違いでアノードとカソードの区別がされており、足の長い方がアノードです。またレンズの中の構造もアノード側とカソード側で違うので、それを見比べても見分けることができます。

 下の写真はチップ式のLEDです。写真のようにパッケージに入れられて売られているのが一般的です。写真のは約2mm×3mmの大きさが3つ入ったものですが、寸法的にはもっと小さなものもありますので、ヘッドライトケースの中など狭い部分にも入れることができます。色も写真の白色の他、各色揃っています。ただ小さく元々プリント基板などに実装するためのものなので、リード線のハンダ付けは少し大変です。カソード側には写真のチップの上側に見られるように、黒いマークが入っています。

 これらのLEDはカソード側に+電圧がかかる逆電圧に弱く、大きな逆電圧がかかり電流が流れると壊れますので、使用する際には数V以上の逆電圧はかからないようにします。

 ヘッドライトや蛍光灯としては白色ダイオード、テールライト用には一般的な赤色ダイオード、白熱灯として電球色のものを用いることが多いです。ただし電球色は秋葉原の電気屋でも私の行く店では余り見かけませんので、電球色として使用する場合は、白色ダイオードにクリアオレンジを塗ったり、オレンジ系のLEDを用いています。

 LEDも通常の電球のように流れる電流が多いほど明るくなりますが、やはり電流が流れすぎると壊れますので、次に示す定電流ダイオードか抵抗をLEDと直列に入れ、LEDに電流が流れすぎないようにします。

 その際の流す電流の大きさとしては、LEDをテールライトとして使用するには5〜10mA、ヘッドライトとして使用する場合には10〜15mA、室内灯の場合は15mAを目安としています。どの場合も20mA以上の電流は流さない方が良いでしょう。最近主流になっている高輝度LEDは電流が小さくてもかなり明るく点灯します。

 LEDにも電流が流れる(発光する)電圧があり、青や白色のLEDでは約3.5V程度、赤・黄・橙色のLEDでは約2V以上の電圧をかける必要があります。

定電流ダイオード (CRD)

 基本的にかかった電圧にかかわらず、流れる電流の大きさを一定にするためのダイオードで、上のような記号で表されます。写真では右側の青帯がある方がカソードになります。

 LEDと直列に入れ、LEDに流れる電流の大きさを一定に保ち保護するために使用します。電流値としては数種類ありますが、模型に使用するものとしては5.6mA, 10mA, 15mAあたりかと思います。LEDと同様逆電圧には余り強くありませんので、逆電圧がかかる場合には整流ダイオードと一緒に使った方が良いでしょう。

 電流を制限しLEDを保護するには一番最初に書いた抵抗も使用されますが、抵抗を使った場合、電圧の変化により流れる電流も変化します。それに対しCRDを使った場合には、低電圧では電流値が電圧と共に増えますが、およそ4.5〜5V以上かかると定格電流で一定となります。また価格的には抵抗が100本単位で約500円程度からあるのに対し、CRDは1本約50円程度で1本あたりの単価が約1桁違いますので、財布には抵抗の方がやさしいといえます。

コンデンサ(キャパシタ)

 コンデンサには大きく分けて「電気を蓄える」働きと「交流は通すが、直流は通さない」という2つの働きがあり、右のような記号で表されます。

 LED点灯に用いる場合には「電気を蓄える」働きを使用することが一般的で、LEDと並列に入れ、集電不良などで明かりがちらつくのを抑えることができます。

 「電気を蓄える」ためには電解コンデンサ(写真右)や電気二重層コンデンサ(写真左)が用いられます。これらには極性があり、通常"−"側が白帯で示されます。普通の電解コンデンサには数10〜数100Vの電圧をかけても問題ありませんが、電気二重層コンデンサはかけられる最大電圧が5V程度なので、12Vかかる模型では次に示す3端子レギュレータを用いて両端にかかる電圧を抑えています。

3端子レギュレータ

 3端子レギュレータは一定の電圧を出力するICの一種です。

 模型では電圧が0〜12Vで変化するので、3端子レギュレータを用いることで一定の出力電圧を得ることができ、LEDや電気二重層コンデンサなどを保護することができます。

 具体的には常点灯回路のところで示しますが、GNDを共通にしてGNDとITPUT間に入力することで、GNDとOUTPUTの間に一定の電圧が出力されます。

その他、参考になる情報

 LEDを用いた一般的な発光回路などについては、LED通販もしているオーディオQのサイトにも書かれていますので、参考になるかと思います。


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