発光ダイオードの使用に必要な抵抗の値を求める計算式

質問

発光ダイオード 3.3V／20mAを光らす為に電源としてACアダプター 3.3V／1.5Aを使う場合、必要な抵抗は何オームですか？
また、上記数値が変わっても応用できる計算式の提示もお願いします。

1.5Aは20mAの75倍ですが、これは大電流と言えますか？　“大電流が流れるとダイオードが壊れる”という記述をよく見ますが、ではこのACアダプターを使った場合、瞬時にダイオードが壊れるという事ですか？　それとも、雷が落ちた場合等を想定しているという事でしょうか？

回答No.12

kantaro1985 · ベストアンサー

＞この抵抗有りのほうのグラフでいうと、
LEDの能力一杯を引き出そうとすると（LEDに20mA流す場合）電源が4.3Vぐらいは必要という事になると思いますが、その場合、電圧オーバーして電源が6.3Vになった場合、結局、過電流が流れると思いますが、その場合、抵抗器を付けても無意味のように思われますが。

なぜ、無意味という結論に至ってしまうかなぁ。
よく考えて欲しいです。
まず、何故2Vの電圧オーバーがあるとかんがえたのか？
回答No5の補足で、2Vというのを導き出しているようだけど、これも、回答No5の内容を誤って解釈した結果、2Vという数字になってしまっています。

通常、ACアダプタの電圧変動は±10%以下ぐらい。
3.3Vが2V変動したら、相手の機器を壊しまくると思いますよ。

そこで、仮にプラス0.5Vの変動があると仮定しましょうか。（これでもかなり大きめ）
ACアダプター3.3V抵抗無しと、5VのACアダプターで、5Vの時に20mAとなるように85Ωの抵抗を入れた物と比較します。

抵抗無しでは、3.3Vで20mAですが、3.8Vでは、回答No6に添付したグラフの上限を超えて60mA近くまで流れます。
定格の3倍近い電流です。
でも、抵抗85ΩでACアダプター5V,20mAとした場合、5.5Vまで変動しても25mA程度に留まります。
定格は、オーバーしていますが、抵抗無しの時のように3倍近い電流が流れるのとでは全く異なります。
85Ωを100Ωにしておけば、5.5Vでも22mA程度ですし、5Vで18mA程度になるので、充分に実用になるでしょう。

つまり、抵抗無しでは電源電圧＝LED電圧なので垂直線との交点になりますが、抵抗を入れれば斜めの線との交点になるので、その分、電圧変動に対する電流変化を少なくする事が出来るのです。

分かっていただけたでしょうか？

補足

抵抗器が使われる意味がやっと解りました。ありがとうございました。

＞抵抗無しでは垂直線との交点になりますが、抵抗を入れれば斜めの線との交点になる
という説明がイメージが湧き易かったです。

回答No.13

kantaro1985

すいません。
先ほどの回答、添付ファイルが添付出来ていなかったようです。

回答No.11

kantaro1985

＞抵抗から出る電流が0の場合の話はしていません。
＞抵抗がカット出来た電流が0の場合と言いたかったので、その場合、抵抗から出る電流は3.3Vになると思いますが。

私が書いた直線の意味をはき違えておられるようですね。
抵抗から出る電流が3.3Vというのも意味がわかりませんし。

まずは、電流とは何か、電圧とは何か、そして抵抗とオームの法則を、ただ単に公式を覚えるだけではなく、その式の持つ意味を正しく理解しましょう。

私が書いた直線は、この直線全体が、電源電圧が3.3Vの時の直線です。

そしてこのグラフの横軸は電源電圧ではなく、LEDに加わっている順方向電圧Vfです。

だから、電源電圧3.3Vの時の電流はゼロではなく、LEDの特性曲線との交点が、電源電圧3.3Vの時の電流です。

前述のように、傾きはオームの法則で決まるので、電源電圧が変わると、このラインか平行移動します。
例えば抵抗値をそのままにして、電源電圧が5Vになると、If=0mA,Vf=5Vの点まで、傾きは同じままで平行移動します。

「抵抗でカット出来る電流」というフレーズを多用されていますが、抵抗で電流をカット出来るという考え方をしない方がいいです。
余計に分かりにくくなる原因になると思いますので。
むしろ、抵抗とLEDのバランス点に収束すると考えた方がわかりやすいと思います。

すいません。
今日、私は午前中にちょっとした手術を受けまして、全身麻酔が切れた直後から回答を再開したので、文章が整理しきれていないのと、図を描いて説明出来なかったので、少し分かりにくい説明になっていたかもしれません。
その点はご了承願います。

補足

何度もすいません。

この抵抗有りのほうのグラフでいうと、
LEDの能力一杯を引き出そうとすると（LEDに20mA流す場合）電源が4.3Vぐらいは必要という事になると思いますが、その場合、電圧オーバーして電源が6.3Vになった場合、結局、過電流が流れると思いますが、その場合、抵抗器を付けても無意味のように思われますが。

回答No.10

kantaro1985

＞この抵抗有りの図の電圧降下特性でいうと、電源3.3Vの場合は抵抗でカット出来る電流値は0なので全く電流をカット出来ないという意味で合ってますか？

違います。

直列接続だと、抵抗に流れる電流とLEDに流れる電流はイコールなので、抵抗の電流がゼロということは、LEDの電流もゼロです。

現実の回路では有り得ない点だと言えますが、抵抗自身の特性は固定で、LED側の電流の流れにくさが変化した（実際には変化しませんが）場合のラインが、この直線です。
抵抗の特性が固定で、電流がゼロのポイントとは、LEDの電流の流れにくさが無限大、つまりLEDが断線に等しい状態が、この
If＝0
電源電圧＝LED印加電圧
という状態です。

前述のように、これは現実の回路の動作ではLEDが断線しない限りは、有り得ないポイントで、このラインは仮想線になります。

仮想線とLEDの特性曲線の交点が動作点です。

この仮想線の傾きですが、抵抗の、抵抗値を決めたら、オームの法則に従って横軸電圧、縦軸電流の直線を引きます。
これを左右反転させると、私が書いたグラフの直線の傾きになります。
電源電圧の値をゼロ点に合わせてください。

左右反転させる意味とは、電圧が上昇すると電流が上昇するという抵抗の特性を、見方を変えて、電流が増えれば抵抗による電圧降下が増えて、LEDにかかる電圧が減るというグラフに変換するということです。

補足

＞抵抗の電流がゼロということは、LEDの電流もゼロです。

抵抗から出る電流が0の場合の話はしていません。
抵抗がカット出来た電流が0の場合と言いたかったので、その場合、抵抗から出る電流は3.3Vになると思いますが。

じゃ、抵抗有りの図でいうと3.3Vの場合はLEDに流れる電流は理論的には0になるという事ですか？

回答No.9

kantaro1985

＞電圧を上げると逆に電流は下がるというのは何か解せないです。抵抗器というのはそういう性質なんですか？

抵抗ですから、当然、電圧を上げると電流が増えます。
しかし、このグラフの横軸はLEDのVf、つまりLEDにかかっている電圧が横軸です。
供給源の電圧が一定であり、抵抗とLEDが直列接続されていれば、Vfは、

Vf=(電源電圧)-(抵抗にかかっている電圧)

になります。

つまり電流が増えれば、抵抗による電圧降下が増える→LEDに加わる電圧が減る
というのを表したのが、この直線です。

この直線と、LED自身の特性曲線が交わる点が、実際の動作点になります。

補足

この抵抗有りの図の電圧降下特性でいうと、電源3.3Vの場合は抵抗でカット出来る電流値は0なので全く電流をカット出来ないという意味で合ってますか？
つまり、この抵抗を使った場合、3.3V以上の電源の場合、
抵抗を使ってないのと実質同じ状態なので回路に過剰に電流が流れるという事ですか？

回答No.8

ohkawa3

回答(6)(7)さん
的確な情報提供に感謝します。
回答(2)(3)(5)

回答No.7

kantaro1985

回答No.6再出です。

直列抵抗を入れる意味とは、添付の図のような事です。

LEDのIf-Vf特性は、図のように急峻に立ち上がるため、抵抗無しでも点灯させることは可能ですが、わずかな電圧変化で簡単に過電流領域に入ってしまいます。
抵抗を入れることで、抵抗の電圧降下直線との交点が動作点になるため、少し電圧変化しても、電流値の変化が少なくなります。

抵抗は単純に電流減らすという意味だけでなく、バラツキによる影響度を小さくする効果があるということです。

補足

詳しい説明、ありがとうございます。

つまり、この場合、抵抗を付けた時点で3.3V電源となるようなやり方が理想という事のようですね。
この抵抗有りの図でいうと、途中から電流値が0に向かっていますが、電圧を上げても電流は一定以上は流れないというなら解りますが電圧を上げると逆に電流は下がるというのは何か解せないです。抵抗器というのはそういう性質なんですか？

回答No.6

kantaro1985

まず、順方向電圧Vfは電流値で変化する事と、バラツキ、温度特性があることを理解する事。
（If-Vf特性の一例を添付します）
それと、20mAというのが、絶対最大定格の順電流であるならば、20mA以上は流さないような設計にすること。
もし20mAが推奨動作電流であるなら、それに近い電流を流せばいい。
その数値が絶対最大定格なのか推奨値なのかをしっかり把握してください。

回答No.5

ohkawa3

＞発光ダイオード 3.3V，ACアダプター 3.3Vの場合は抵抗器は不要という事ですか。
抵抗器なしでも支障ない場合もあると思いますが、過電流となる危険もあるので、100Ω程度を直列に挿入することをお勧めした次第です。

発光ダイオード の順方向電圧3.3VA、ACアダプター 出力電圧3.3Vにはバラツキがあると想定して、条件が悪くても壊れない設計をしたほうがいいでしょう。

補足

その説明でいうと、以下の計算式のようになり、つまり電源が2Vぐらいはオーバーし得るという事だと思いますが、でも、オーバーした場合に備えて100Ωの抵抗器を使った場合、電圧が2Vオーバーしない場合は通常は1.3Vしか電圧が無い事になり、ちゃんと発光しないのではないですか？

電源5.3V，LEDの順電圧が3.3Vの場合
R　＝　｛E－（Vf×N）｝/I
R　＝　｛5.3－（3.3×1）｝/0.02
100　＝　2/0.02

あと、電圧が同一でない場合にだけ過電流が流れる可能性が在り、電圧が同一の場合は電流値は無視して良いような値という事かですか。

回答No.4

69015802

ダイオードには順方向電圧降下というものがあります。これは発光ダイオードでも数値こそ違え同様にあります。発光ダイオードの場合1～1.5V位です。ですので抵抗値を計算する場合電源電圧からこの順方向電圧降下を引かなければなりません。
また20ｍAが標準定格なのか最大定格なのかもわかりません。最大定格ならこの値を越えないように抵抗値を決めなければなりません。通常半導体の抵抗は最大定格を言う場合が多いので20ｍAを越えないように抵抗値を決めるべきでしょう。

回答No.3

ohkawa3

直列に接続する抵抗器の抵抗値の求め方は、次のURLの情報を参考にすればよいでしょう。
https://www.ele-lab.com/led11.php