LEDの直流つなぎと並列つなぎでの電流・電圧の状態
同色で同仕様のLED2個をつなぐ場合でそれを見てみましょう。ここではLEDの電圧降下は3Vのものを使う場合で見ていきます。
このときに注意するのは、同じ仕様のLEDでないとこのようになりません。
また、これを頭で考えたり、計算してみるのもいいのですが、回路を組んで、実際に下のように測定してみると、面白い状態になっているのがわかりますので、一度自分でやってみてください。
下の図は、5Vの電源で、同じLED2個を並列と直列につないだ状態です。
左図の「並列」の場合
両方のLEDには3Vの電圧がかかっています。
LEDが2個なので、電流は2つのLEDに分割されて、それぞれのLEDには「全電流の半分の電流(5mA）」になって、LEDは1個の明るさは前よりも暗くなっています。
3つ並列にすると1つのLEDには、回路の電流の1/3の3.3ｍAに、4つ並列にすると2.5ｍAになるように、回路に流れる電流が、それぞれのLEDに等分されています。
これを明るく点灯させるには、抵抗値を小さくして、全体の電流を高めて、LED2個では2倍の20mAに、LED3個では3倍の30mAになるようにすると、もとのような明るさになります。
3個を点灯させるために30ｍA流すには、2V/0.03A≒67Ω の抵抗値にすれば、各LEDには10ｍAの電流が流れて、1つの場合と同じように光るでしょう。
右図の「直列」の場合
抵抗と2つのLEDで電圧降下があるのですが、LED2個で6Vの電圧がないと光らないので、5Vの電源では、電圧不足で点灯しません。
電源電圧が5Vの場合の電流と電圧値を図に書きいれていますが、実際にこのようになることをやってみると面白いですよ。
ここでは、LEDが光っていないので「電流が流れていない」のですが、電圧は、LEDがそれぞれ5Vの半分の2.5Vずつの電圧降下があり、抵抗には電圧がかかっていない状態が測定されます。
これを頭で考えるのは難しいし、LEDは、点灯の度合いで電流値の変動があるので、実験ではうまくできないかもしれませんから、ここでは、電源電圧を5Vから徐々に上げていって、6.1V にしたときの場合を計算を交えて考えてみましょう。
5.5Vに上げたときは、やはりLEDは光らないので、抵抗に流れる電流は0mAで、電圧も0Vですが、それぞれのLEDには、2.75Vの電圧かかかっているという状態になっています。
電源電圧を6.0Vにあげると、LEDが小さく点滅します。点灯しているときは電流が流れていますが、1ｍA以下で、それも安定しません。 そして・・・
電源電圧が6.1Vになると、200Ωの抵抗には0.1Vの電圧がかかるので、0.1/200＝0.0005 の、つまり、0.5ｍAの電流が流れて、かなり安定してちょっとだけ光っている状態が見られるはずです。その時のLEDの電圧は、それぞれ3.0V前後になっています。
このように、順電圧（LEDを点灯させるために必要な電圧）が3VのLEDを直列つなぎで増やす場合は、2個であれば6V、3個であれば9V以上の電源電圧が必要になります。
高輝度LED5つを同時に点灯させてみる
そこで次に、同色の5つのLEDを並列つなぎと直列つなぎで点灯させた様子を見てみましょう。
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調べてみると、電圧降下の程度（順電圧）が色によって異なっていて、下のように、電圧に対する電流値が異なるので、ここでは、同色のものでその様子をみることにします。
オームの法則を使って並列つなぎで使う抵抗値を求めてみましょう
目標の電流量に近づけるために、ここでは、上のグラフから、赤色が2Vではなく2.1Vを、 緑色は3Vではなくて2.7V を使って電流制限抵抗の値を計算してみましょう。
1つのLEDを5ｍA程度の電流を流して点灯させるので、5球では25ｍA必要です。
5Vの電源では、
赤色5球では R=E/I＝（5-2.1）/0.025＝116Ω 、緑色5球では同様に、 （5-2.7）/0.025＝92Ω の抵抗器を使えばいいことになります。
ここでは、手持ちの抵抗器を使うので、150Ω と 100Ω を使います。
すると、赤色5球では I=E/R＝(5-2.1）/150＝19ｍA の電流が、また、緑色5球では I=（5-2.7）/100＝23ｍA の電流なので、LED1つにはその1/5の電流が流れて点灯するはずです。
5個を並列つなぎで点灯させてみました
うまく点灯しています。
この時、赤色5球の全電流は19ｍAの計算値に対して、実測では 19.8ｍA です。
そして、個々のLEDには3.5～3.9ｍA 流れています。
緑色5球の全電流は23ｍAの計算値に対して22.3ｍAで、個々のLEDには4.2～4.7ｍA の電流が流れています。
この状態で、写真のようにほぼ同じように点灯しています。（もちろん、実測値ですので誤差はありますが）ほぼ予想通りの結果です。
注：実験しているとわかるのですが、電流は常に変動しています。また、上のグラフはLED1つの数値で、さらに計測器の誤差、温度の誤差などもあるので、細かい数字の差にはこだわらないようにすることも必要でしょう。
LED5つを直列つなぎで点灯させる
直列につなぐ場合は、5球のLEDと抵抗で電圧降下が起きるので、5Vの電源では電圧不足です。
もしも、LEDの電圧降下が2V程度のものを5個直列につなぐ場合は 10V以上、3VのLEDでは 15V程度 以上の電源電圧が必要になります。
そこで、ここでは別の電源を用意して実験をしてみます。
上の並列の場合と同様に、赤色5球と緑色5球に16Vの電圧を加えて、各LEDに5ｍA流して点灯しようとして、電流制限抵抗の値を計算しますと … 。
赤色5球の場合は、 R=E/I=［16-（2.1ｘ5）］/0.005＝1100Ω です。 また、緑色5球の場合は R=［16-（2.7ｘ5）］/0.005＝500Ω となります。
手持ちの抵抗器で、1100Ωは（1K+100）Ω、500Ωは510Ω を用いて点灯させてみます。
もちろん、実際には個々のLEDの電圧降下の値はそれぞれ違うでしょうが、ともかくこれで点灯させてみます。
5個を直列つなぎで点灯させた様子
写真なので明るさが違って見えていますが、どちらも明るく点灯しています。
この時の各回路に流れる全電流を測定したところ、2Vタイプの赤色は5.9ｍA、3Vタイプの緑色は5.3ｍA で、それぞれのLEDには、直列の回路なので、全部のLEDに同じ電流が流れて光っています。
一般的には、LED個々に抵抗器をつけて点灯させるのが無難
このように、特性が似ているLEDであれば、直列つなぎや並列つなぎで多数個のLEDを同時に点灯させることができますが、「並列つなぎ」では、LEDの数を増やすと電流量が増えていきますから、抵抗器の発熱とワット数に注意しないといけません。
また、直列つなぎでは、点灯する個数毎に必要な電圧が増えていくので、20V以上の電圧を扱う場合は、感電に注意が必要ですし、1つのLEDが切れると、全部が消えてしまう場合もでてきます。
だから、いろんなことを気にかけるよりも、個々のLEDに小さな抵抗器をつけて並列で多数個のLEDを点灯させるのが無難で、このようなつなぎ方は、常時しないと思いますが、ともかくやってみました。
高輝度LEDは1mAの電流でも十分に明るい
前のページでも実験したように、高輝度LEDは1ｍA程度の電流でも結構明るく輝きます。
電流を小さくすると、抵抗1つで、例えば30個を同時点灯するのも簡単にできます。
1例ですが、かなり細かい作業になりますが、砲弾型ではなく、下のような「面発光の微小LED」を使って並列つなぎをうまく使ってディスプレーを作るのも面白いと思います。
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色の違うLEDの直列つなぎや並列つなぎは難しい
同じ特性であれば、電流消費や電圧降下程度は同じ程度ですから、電流制限抵抗を1つにしての並列つなぎや直列つなぎが可能です。
しかし、特性の違い（例えば、色の違い）があれば、電流消費や電圧降下が異なりますから、個々の電流。電圧のバランスが崩れて、うまく点灯しません。
場合によっては、特定のLEDに電流が集中して焼損するなどの危険性が出てきます。
下が違う色のLEDを組み合わせて点灯した様子です。
写真は5Vの電源に200Ωの抵抗で、色の違うLEDを並列つなぎにした例で、このように、点灯しないLEDが出てきます。
だから、制限抵抗を共有した仕様の違うLEDの複数個の点灯は、調整が大変なので、やらないのが無難でしょう。
基本は「1つのLEDに対して1つの電流制限抵抗を使う」
セットで購入した5色のLEDは色ごとに特性が違います。
そこで、5Vの電源で同じ制限抵抗220Ωを用いて点灯させてみると、白8.8ｍA 赤11.4ｍA 緑9ｍA 黄11.9ｍA 青9.1ｍA と、流れる電流値が異なっていますが、そんなに違和感のない程度で発光しています。
前のページでみたように、まず、200Ωで点灯して、明るすぎるようなら 510Ωや1ｋΩ でもいい … という感じで使うようにすればLEDはいろいろなことで使いこなせるでしょう。
