はじめての電子工作でLEDを点灯させてみよう 3/4

ここでは、会社の若い人に初めて電子工作をやってもらった様子や内容を紹介しています。これは3ページ目です。(→はじめから読んでみる

このページでは、LEDを点灯させることで、初めて電子工作をする場合に必要な知識などを実習で説明していった内容です。これから電子工作を始めようとする方も、「こんなかんたんなこと・・・」と思わないで、できれば実際に回路を組んでみて、ここにある内容を確認いただくといいでしょう。

LEDを点灯させてみましょう

LEDという言葉と、それが何なのかは、ほとんどの人が知っているのですが、点灯のさせ方は学習しないとわからないでしょう。

ここでは、実習時に説明した内容を書いていますが、実際に回路を組んで、確認しながら進んで頂くといいでしょう。まだやったことのない方は、これらをやっていただくと、LEDも意外と奥が深いことに驚かれると思います。

LEDの例 LEDの基本回路

これは「砲弾型」とよばれるLEDです。今では、高輝度のLEDが広くでまわっているので、少し古い感じですが、基本のLEDは今でもこのタイプがよく使われて言うますし、そんなに明るくなくてもいい用途もまだまだ多いので、ここではこれを用います。

足の長さが長いほう(+ アノード)から短い方(- カソード)に電気が流れて発光します。上右が基本の回路ですネ。

長い方の足に電池のプラス側をつなぎます。実習では単3電池4本を直列にして、キットでは付属の220Ωの抵抗を使うようになっています。(キットでは、ブレッドボードを使いますので、はんだ付けなどはしません)

キットには砲弾型のものが10個付属しています。これを使って回路を作って、点灯してみましょう。

[ここで質問]下図のように、このLEDの一つに1.5Vの乾電池を直接つなぐとどうなるのでしょう?

LEDを直結する 単3電池1本または2本を直列につなぐと・・・

この図は、正しい接続の仕方ではありません。 これは危険だ・・・という人もいますが、この実験は一度やってみてください。

結果は ・・・・ 単3乾電池1本をつなぐだけでは、何も起こらないはずです。

しかし、新品の乾電池は1.65V程度の電圧があるので、よく見ると、LEDの一部が光っているかもしれません。 ともかく、乾電池1個(1.5V)では、発光させるための電圧が低すぎるために点灯しません。・・・これが答えです。(正解しましたか?)

そして、単3電池2つを直列にした状態(3V)でLEDをつなぐと、どうなるのでしょう?(これは実験する必要はありません。なぜなら・・・)

答えは、ぴかっと光って一瞬でLEDがOUTになリます。(これをイメージできましたか?)

この実験は、普通はやってはいけないのですが、私の生徒さんのほとんどは、取説(テキスト)を読まないでこのような「乾電池の直結」して、そして、LEDを壊します。

大して危険なことではありませんので、最初にこの強い光を発してLEDが一瞬で使えなくなることを体験しておくのはムダではないと思うので、LEDはもったいないのですが、その光り方とLEDが焼き切れるところを経験してみてください。

そうすれば、(後で説明しますが)LEDには定電流化が必要なことやオームの法則を使って計算できること・・・が理解しやすくなります。

これは、LEDに流れる電流が大きすぎてLEDが内部の発熱で瞬時にきれてしまったのですが、そのためには、LEDの規格値以下に電流値を下げることが必要で、上図の電流制限抵抗や直列の場合の抵抗とLEDに流れる電圧をテスターで確かめる・・・ということへの理解が進むでしょう。

砲弾型LEDに限らず、3Vで点灯させる高輝度LEDでも、100個ぐらいをまとめて購入すると単価は10円程度と安価ですので、まとめ買いしておくのもいいでしょう。結構使いみちがあリます。Amazonのリンクを張っておきます。

 →Amazonの安価なLEDセットを購入しておくと、いろいろなことで遊べます。

「キットで遊ぼう電子回路」キットでは乾電池4本で6Vの電源を使いますが、「LEDを点灯させる」というと、すぐに6VをLEDに直結してLEDを焼き切る行動には驚きましたが、これはなぜいけないのか…ということを、上手く順序を追って教えていくということのほうが非常に難しいので、大きな費用や大した危険がないなら、「一瞬でLEDが破損する状態」を体験してもらうのも一つのやり方とおもいました。

LEDはダイオードの一種

LED一つをとっても、最低限知っておかないといけないことがいろいろあります。手を動かしてもらいながら、実習では、一通りの説明をしたのですが、以下を、おさらいのつもりで確認してください。

砲弾型LED LEDの説明図

①LEDは「発光ダイオードLight Emitting Diode」のことで、半導体の素子で、いろいろな形状や仕様のものがあリます。

いろいろなLED部品

②諸元については個々に違いますが、使用する写真のLEDは、Basic 5mm(基本的な5mm砲弾型)と呼ばれるもので、ここでは一般的な「2V 10mA」という数字が基本にして使います。これは、2Vの電圧で10mAの電流を流して使うのが標準的な使い方のLEDです。

6Vの乾電池の電圧では、抵抗(抵抗器)をつかって4V分の電圧を下げて使うことになります。この抵抗値の計算は簡単ですので、後で説明します。

白色(青色)LEDは標準型とは少し違います 白色LEDなどは高輝度LEDとも呼ばれ、多くは3V(あるいは3V 以上)のものが多いのですが、回路設計する場合は、LEDの仕様(電圧と電流値)を確認しておく必要があります。

④足が2本出ていて、アノード(+:長いほう)→ カソード(-:短いほう)に電気が流れます。逆の電圧をかけても光りません。テスターの抵抗値では値が表示しない場合が多いのですが、最も低抵抗レンジ(例えばMax200Ωレンジ)を使うと、極性が合えば、薄っすらと点灯するのが見えます。一度試してみてください。

⑤LEDは熱に弱い・・・ということを意識しておきましょう。 2V10mAのLEDでは、電圧を高くするとたくさんの電流が流れて、発熱して切れてしまいます。電流の制限をしないで2.5V程度の電圧をかけると焼け切れます。

また、10mA用に2倍の20mAの電流を流しても、そんなに明るく光りません。明るくしたい場合は、高輝度LEDを使用します。

また、周囲温度が50℃以上になってくると、切れやすくなります。周囲温度に敏感です。一度切れてしまうと、もとには戻りません。

このために、電流を制限する「抵抗器」を回路中に入れてやる必要・・・に話がつながります。

明るくしたい場合には、少しだけ電圧を上げるか抵抗値を下げて電流を増やす・・・などの方法があるのですが、購入したキットには適当な抵抗器が無かったので、別に購入した10mAと15mAの「定電流ダイオード」でその明るさの違いを体験してもらいました。(結果はもちろん、極端な明るさの差はありません)

さらに、「LEDは熱に弱い」ことを気にしないといけないことや、家庭用のLED照明なども熱がこもらないようにしないと寿命が極端に短くなってしまうことなども知っておくといいでしょう。

もちろん、熱に弱いので、基板などに直接はんだ付けをする場合にも充分に注意が必要です。

⑥使用する電源は基本的には直流を使用しますが、LEDは「ダイオード」ですので、交流であっても、LED1個であれば半波整流するのと同様ですから、交流でも、電圧と電流値が適当であれば、問題なく点灯します。(しかし、実習時には実験しませんでした)

 

DCアダプター12V 購入した12VのDCアダプター(16V近くの出力電圧です)

回路を考えるときのポイントとしては、①乾電池1つ(1.5V)では光らない ②電流を制限しないといけない ③点灯させるには、正しい方向につなぐ・・・などに気をつけます。

話はそれますが、乾電池1本だけを使用したLED電灯がありますね。内部で乾電池1本で3Vを作っているのですが、どのようにしているのかわかりますか? また、痴漢撃退用のスタンガンは、乾電池から超高圧を作り出していますが、これはどうして作られているのでしょう?・・・いくつかの方法があるのですが、このように、ふと思いついたことをどうすればそれができるかと考えることも「電子工作」に繋がります。これらの答えが気になる方は、「直流 昇圧」などでググってみてください。

2V・10mAの砲弾型LED

LEDについては、結構、奥が深いので、いろいろな楽しみ方があります。実習では十分できませんでしたが、以下を読んで、興味があれば、やっていただくと面白いでしょう。

この2Vは「順方向降下電圧forward drop」のことで、「LEDを1つ使うと2Vの電圧降下をします・・・」という仕様ですから、LED5個を直列につなぐと2x5=10V以上の電圧をかけないと光らないということになります。(実際にやってみると、LEDの特性のばらつきで均等に光らない場合もありますが・・・)

12VのACアダプターを使用すると、12÷2=6 なので、6つぐらいまでであれば、直列にして全部を同時に光らせることができますね。(さらに電流値に注意が必要だということも頭に入れておいてください)

そして10mAについては、10mA程度の電流が流れると光ります・・・というもので、仕様書には推奨電流(Suggested using current):15-18mA や、許容電流(Max current):20mA などが表示されています。

充分な発光には推奨電流の15mA程度を流し、20mA以上は流すな!・・・ということです。

 

このタイプのLEDはすべて同じような仕様で、20mA以上の電流を流すとLEDが破損しやすくなりますので、寿命が短くなるので、必要以上は電流を流さないようにします。瞬時に切れませんが、寿命が低下します。

さらに、電圧が2Vを越えると、電圧でLEDを痛めるのではなくて、たくさんの電流が流れやすくなって、電流の熱作用で焼け切れてしまいます。これに注意しないといけないことになります。

推奨電流を超えても、実際には、非常に明るくはなリませんので、もしも、もっと明るくしたい場合は、このLEDでは無理ということになり、高輝度タイプなど、別の種類をさがす必要があります。

LEDへの電流を制限する必要があります

LEDを点灯させるには、20mA以下になるように電流を制限するために「抵抗」を直列に入れたり、電流制限用のダイオードを直列に入れる必要があります。

LEDの点灯回路

LEDと抵抗器を直列にすることで、両方に同じ電流が流れて、それぞれで電圧が低下します。LEDの電圧低下量は(仕様から)2Vで、6Vの電源であれば、4Vを下げるように抵抗値を計算して決めます。(以下に説明しています)

この「直列」に入れて電流を制限するというのは大事なことなので、じっくり説明したかったのですが、やはり少しでも計算が入ると、みんな敬遠するし、さらに、オームの法則とキルヒホッフの法則などは中学・高校でならったはずですが、みんな忘れていますし、ともかく、計算するのはみんなが嫌いなようなので、ここでは、抵抗を直列にすると電流が制限されてLEDが破損しない・・・ということだけでもおぼえてもらうことだけにしました。

 

電流制限抵抗値の計算

実習ではやりませんでしたが、この計算は、LEDの電子工作をするにはこれは必要な内容です。

抵抗器もLEDも、回路の中では電圧降下がおきます。そららを直列にすることで、同じ電流が回路に流れるので、LED1個を点灯させる場合の推奨電流15mA(=0.015A)を流そうとすると、抵抗値でオームの法則を使って計算することが出来ます。

オームの法則は、電圧(E)=電流(I)x抵抗(R) でしたね。

LED1個を点灯させる場合を考えて1.5Vx4=6Vの直流電源につなぐとすると、抵抗によって6-2=4V を低下させてやればいいので、

R=E/I=4/0.015≒267Ω の抵抗器を使えばいいのですが、キットのテキストでは、220Ωを使うようになっています。

キットには適当な抵抗器が入っていませんし、この抵抗値で各部の電流や電圧を実際に測定するのが課題になっているのですが、これでも問題はないのでしょうか? ショット寄り道して計算してみます。

乾電池は1.5V以上の電圧があるのが普通なので、仮にすべてが1.6Vとすると、1.6Vx4=6.4V、また、220Ωの抵抗値に流れる電流は、LEDの電圧降下を2.0Vとすると、 I=E/R から I=(6.4-2.0)/220≒0.020 で、20mAの電流が抵抗器とLEDに流れることになることになります。 だから、この程度の電流量では問題ない・・・という執筆者の考えだと言えますね。

このような計算は、面倒臭がらずにやると、いろいろな状態のLEDの点灯が計算できます。

例えば、LEDを3個直列に点灯する場合は、LED1つで2Vの電圧降下があるので、6V以上の電圧が必要だとわかりますから、6.4Vで15mA流したい場合は、 R=E/I=(6.4-6)/0.015=40Ωを使えばいいですし、6.4VでLED3つを並列にする場合は3つのLEDにそれぞれ15mAの電流が流れると、3つで45mAなので、R=E/I=6.4/0.045≒142Ω と計算できるので、その抵抗器に近いものをつければいいことになります。

LEDの直並列 LED3個直列

このように、テキストとは違ったことをすると時間がかかりますが、応用力はつきます。

とりあえず、みんなに実習してもらった時には、このような話をして、回路は「計算で求める」ということをイメージしてもらう程度で時間切れになりました。

オームの法則を1から説明して理解してもらうようになるには、1時間程度では無理のようです。

販売されている抵抗の値はとびとび

抵抗

実際に販売されている固定抵抗器の値は数学的な数列を用いることに決められていて、実際に使う場合は、そのうちで近い値のものを用います。

計算した抵抗値の上を取るか下を取るかですが、近いものがなければ、電流が流れすぎないように大きめのものを採用すればよく、それは計算すれば確認できるのですが、LEDの場合は、ある程度いい加減なものでもそんなに気にすることはありません。

LEDをたくさん点灯させる

実習では時間が取れないので、これについても実習しなかったのですが、LEDの電子工作では、LEDをたくさんつなげて点灯させることも楽しいことです。

LEDのつなぎ方は、直列にするか並列にするかですが、下の図はWEBにあったものを借りていますが、左は直並列、右はLED1つずつに電流制限抵抗をつけている図です。 これらについて考えてみます。

直並列の説明 LEDの並列つなぎ

左図では、このスイッチを入れると、全部(10こ)のLEDが点灯しますし、右は並列で4つのLEDをそれぞれの抵抗を介して光らせています。

LEDを数個を直列にすると、その1組に対して抵抗は1つでいいのは長所ですが、直列にしたLEDの1つでも破損すると、全部が点灯しなくなります。また、少しの特性の差があると、直列の場合は均一な明るさにならないこともでてきます。

そして、これらに合う電圧の電源が必要になります。

例えば、(少し恐怖ですが)交流100V(最大電圧は約144V)で電圧降下が2VのLEDであれば、72個直列にすれば、LEDで整流してくれて点灯するはずです。もしも異常が生じても、1つのLEDが切れれば回路に電気が流れませんので危険ではありませんが、やはり、100V部分にふれると危険なので、普通には、このような方法は取らないで、電圧をそんなにあげないで、直並列を適当に使って回路を考えるのが普通です。

直列の場合の明るさについては、LED1つ一つが同じ仕様のものであれば、同じ明るさになりますが、順方向降下電圧が異なったメーカーや種類の違ったLEDを直列に使うと、明るさにむらがでます。 これらの様子は、やってみないとなんとも言えませんので、是非自分で一度試してみてください。

LEDはいろいろな種類があるし、いろいろな場面で使用できます。それもあって、LEDを使う面白いキットがたくさんあります。 楽天のページなどを見ているだけで、面白いのですが、キットではなくて、少しの部品を購入するだけで、結構遊べる「LED」です。 たとえば、200球で1000円程度の何色かのLEDセットが販売されていますので、LEDの電子工作を楽しんでみてください。

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次のページで最終です。 基本の自己保持回路を考えながら作って見ることに挑戦してもらいました。実習では、部品を小さなユニバーサル基盤にはんだ付けして取り付けて動作をさせてみることを最終目的としました。

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