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LED電子工作 【 ボタン電池や乾電池で点灯させる方法 】

ここでは、100円ショップなどでも手に入るボタン電池(3V)やアルカリ乾電池を使って、 初心者の方でもできる、電池でLEDを点灯させる方法について、いくつかご紹介します。

LEDをボタン電池(3V)で光らせる

砲弾型LED
一般的に、LEDの自作・工作には、上の画像のような「砲弾型LED」と呼ばれるタイプがよく使われています。
砲弾型LEDは、極性の見分け方も簡単で、配線もしやすく、初心者でも扱いやすいのでおすすめです。

砲弾型LEDとボタン電池の極性
砲弾型LEDの極性は、足の長い方がアノード(プラス)になっています。
電池は、100円ショップで売っているボタン電池のCR2032。「3V」と書いてあるリチウムボタン電池なら他のでも使えます。
※電圧の小さな1.5Vの電池では1個では光りません。

LEDはボタン電池(3V)で簡単に光る
砲弾型5mmLEDの白をボタン電池に挟んで点灯させた様子。
「白・電球色・青・青緑」は、 必要な電圧が3.2V前後なので、3Vのボタン電池に挟むだけで簡単に点灯できます。
※LEDとボタン電池の極性を合わせてLEDの端子を挟む。
※ボタン電池は3Vなので、もし間違えて逆につないでもLEDが壊れることはありません(LEDの逆耐圧は5〜6Vが普通)。

LEDはボタン電池(3V)で並列3個くらいまで
このように並列でつなぐと、3つくらいまでは何とか点灯できるという感じです。

※ボタン電池の内部抵抗により、LEDの数を増やすほど(流れる電流が増えるほど)、電池の電圧が下がってしまい暗くなる。

赤・橙・黄・黄緑などの場合、電圧が1.8V〜2.2V程度と低いので、 3Vのボタン電池に保護抵抗なしで直接つなぐと、LEDが劣化・焼損する可能性があります。
赤などのLEDはボタン電池(3V)でも劣化の可能性がある
砲弾型LEDの場合、実際に挟んでみればとても明るく光り、問題なく使えるように見えますが、 LEDに電流が流れすぎて劣化している可能性があります。

ホビーやちょっとした実験で使う分には、使えないことはないという感じですが、 厳密には劣化して寿命が大きく縮まる可能性がありますので、あまりおすすめはしません。 (特に、チップLEDなど、使うLEDの品種やボタン電池の種類によってはLEDが焼損する場合もあります)

なお、緑は、黄緑や青緑など種類により電圧が大きく異なります。
黄色がかった「黄緑」などは、1.8V〜2.2V程度(赤や黄色などのグループに入る)、
青緑は、2.8V〜3.6V程度(白や青などのグループに入る)というように、種類により大きく異なるので注意が必要。

このように、簡単に光らせてみることはできますが、基本的にはLEDのスペック(最適に使用するための電圧や電流) を確認して、正しく使いましょう。

LED点灯の基本をおさらい

●LEDの極性について
LEDには、アノードとカソードと呼ばれる極性(プラスとマイナス)があります。
電源につなぐときは、アノードにプラス(+)側を、カソードにマイナス(−)側を接続します。
※向きを間違えてつなぐと光りません。また、ある一定以上の電圧が逆方向で加わると壊れてしまいます。


●LEDの電圧・電流について
LEDを最適に点灯させるために加える電圧の値は、発光色により大体以下のように決まっています。

赤・橙・黄・黄緑・純緑のLED・・・・・・・・1.8〜2.2V程度
白・電球色・青・青緑・・・・・・・・・3.2V前後


※電子部品のお店でLEDの説明に「電圧:3.1V」とか「順電圧:3.1V」、「VF:3.1V」などと記載されているもので、 この電圧を「順方向電圧(記号:VF)」といいます。
※電源電圧とは違うので混同しないようにしましょう。

また、LEDが最も能力を発揮する電流の値は、一般的に約20mAといわれています。
※LEDに流れる電流を「順方向電流(記号:IF)」といいます。

ただし、LEDは0.1Vなどのわずかな電圧の変化でも大きく電流値が変化するので注意が必要です。
原則としては、手持ちのLEDのデータシート(スペック)を見て、適切な電圧を確認しましょう。

LEDの順電圧ついて詳しくはこちらで解説しています。
LEDの順電流ついて詳しくはこちらで解説しています。

LEDをボタン電池1個(3V)で使う場合

赤などのLEDをボタン電池で使う場合は保護抵抗を付ける
白や電球色、青などのLEDをボタン電池(3V)につなぐ場合は、基本的に保護抵抗なしでも問題ありませんが、 赤や橙、黄色、黄緑など、順電圧の低いLEDを使う場合は、保護抵抗を直列に付けます。

※抵抗器には極性が無いので、どちらの向きでつないでも大丈夫です。
また、LEDのアノード・カソードどちらの側につけても良い。

※なお、LEDの駆動は「電源電圧>順電圧」で抵抗を入れて回路を組むのが原則で、 白などの発光色の場合「電源電圧<順電圧」となる場合がありますが、実際には性能いっぱいではないだけで、 ほとんどのLEDは3Vで十分に明るく光ります。

オームの法則
抵抗値は、オームの法則を使って求められます。

ここでは、LEDのスペックで「順電圧:1.8V(20mA時)」という赤色LEDを使う場合で考えてみます。

※電子部品屋さんでLEDを買うときに「順方向電圧:1.8V(20mA)」などのように記載されていたりします。 これは、LEDの順電圧が1.8Vのときに、順電流が20mA流れて最適に使えますという意味です。

3.0Vのボタン電池を使うので、3.0V-1.8V=1.2V の電圧が余分にLEDにかかってしまうので、 この分を抵抗にかけるように分圧すれば良いということです。
オームの法則
電源に、抵抗器とLEDが直列に接続されていますので、LEDに流れる電流と抵抗器に流れる電流は同じです。 順電流は20mAですから、上のオームの法則により、抵抗値は、
抵抗(Ω)=電圧(V)÷電流(A) で求められる
ので、 1.2V÷0.02A(20mA)=60Ω となります。

しかし、60Ωという値の抵抗器はないので、この場合これより少し大きめで近い値のものを使います。
※近い値で小さい値の方を使うと、電流が20mAより多く流れるので、大きい値の方を使います。

使うLEDの種類が変わっても、考え方は同じなので、同様の計算で必要な抵抗の値が求められます。

LEDを乾電池2本(3V)で使う場合

LEDを乾電池2本(3V)で使う場合
アルカリ乾電池2本でも、1.5V×2本=3.0V となるので、リチウムボタン電池(3V)1個の場合と考え方は基本的には同じです。
なお、ボタン電池と同じ3Vですが、乾電池の場合は赤や黄などのLEDをそのままつなぐと、 ほぼ確実に劣化・焼損してしまいますので、必ず保護抵抗が必要です。

ここでは、順電圧1.9Vのときに15mA流れる黄色LEDを使う場合を想定して考えてみます。

抵抗にかかる電圧は、3.0V−1.9V=1.1V となるようにすれば良いので、
オームの法則【電圧(V)÷電流(A)=抵抗(Ω)】により抵抗値は、
1.1V÷0.015A(15mA)≒73.3Ω となり、75Ωの抵抗器を使えばよいと分かります。

LEDを乾電池3本(4.5V)で使う場合

LEDを乾電池3本(4.5V)で使う場合
乾電池3本だと、1.5V×3=4.5V となります。
4.5Vだと、白や電球色、青などのLEDでも抵抗が必要になります。

「2.1Vで20mAの赤色LED」を点灯する場合で考えてみます。
抵抗にかける電圧は、4.5V−2.1V=2.4V にすれば良いので、2.4V÷0.02A(20mA)=120Ω となります。

では、「3.0Vで15mAの白色LED」の場合どうなるでしょうか。
(4.5V−3.0V)÷0.015A=100Ω となります。

このように、LEDを一つだけ使うというときは簡単です。
LEDを複数点灯したい場合は並列につなぎます。
2.0V前後の赤色LED2個などの場合は、乾電池3個(4.5V)なら直列でも使えます。
並列の場合、抵抗のつけ方などにも多少のポイントがあるので、 これについては別ページで詳細をご紹介予定。

流れる電流を一定にする「CRD(定電流ダイオード)」とは

抵抗計算は面倒・・・自信がない、という場合は、抵抗の代わりにCRD(定電流ダイオード)を使う方法もあります。
CRD(定電流ダイオード)は、電圧の値に関わらず流れる電流を一定にするパーツです。

これを使えば、電圧の値を気にせず抵抗の計算なしで簡単にLEDを点灯できます。
CRD(定電流ダイオード)
5mmくらいのガラスに入った小さなパーツが定電流ダイオード。
定電流ダイオードには、LEDと同じように極性があり、 青い帯のある側がカソードになっています。

名前のとおり、電圧が変動しても一定の電流が流れるようにできるパーツです。
電流が10mA流れるようにする「E-103」や、15mA流れるようにする「E-153」というように、 流す電流の値ごとに種類があるので、流したい電流値のものを選びます。
※ガラス部分に10とか15という電流値を表す数字が刻印されているので、見た目で区別がつきます。

LEDは、一般的に性能を最も発揮するのが約20mAといわれていますが、 15mAや10mA程度でも十分に明るく光ります。
実際のところは、性能ぎりぎりいっぱいで使うとLEDの寿命が早く縮まりやすいので、 10mAくらいで使う方が好ましいと言えます。

CRD(定電流ダイオード)の使い方

CRD(定電流ダイオード)

CRDは、LEDのアノード・カソードどちらの端子側につないでもOK。
ただし、前述のとおり極性があるので、向きを間違えないようにしましょう。
※向きを間違えると電流を制御する機能を果たしません。

LEDのアノード端子(足の長い方)につなぐときは、青い帯が上向き(LEDの向き)になるようにつなぎます。
LEDのカソード端子(足の短い方)につなぐときは、青い帯が下向き(LEDと逆向き)になるようにつなぎます。

LEDやCRDの「アノード側は電池のプラス側へ」、「カソード側は電池のマイナス側へ」つなぎます。
LEDやCRDは、アノードからカソードの方向へ電流が流れます。このように覚えておきましょう。

CRD(定電流ダイオード)

※LED駆動は定電流回路が原則
一般的に、LEDは同じメーカー・品番のものでも、製造段階で1つ1つにVF(順電圧)のバラツキがあります。
つまり、同じ電圧を加えても、個々で流れる電流が異なってしまい、複数のLEDをつないだ時に明るさが違うことがあります。
また、LEDは周囲温度の変化によりVFが変化するため、流れる電流が一定になるとは限りません。
このような理由から、LEDを駆動する場合は、定電流回路にするのが原則とされています。
CRDは、VFのバラツキや変動に関わらず、LEDの明るさをほぼ一定にすることができる便利なパーツ というわけです。

コネクタ接続で簡単に使える「ボタン電池ケース」

ボタン電池ケース
「電気のことは苦手・・・自信がない・・・」という方には、ボタン電池ケースがおすすめ。
LEDを簡単に使えるように、すべてが配線された「ボタン電池ケース」があります。

下のように、電池を入れて、LED(コネクタ配線済み)を挿すだけで点灯できます。
LEDが劣化しないよう適切な抵抗も配線されているので、 ハンダ付けの苦労や抵抗計算など、何も心配なくLEDを使えます。
ボタン電池ケースにコネクタでLEDをつなぐ
ボタン電池ケースはスイッチでON/OFF切り替えできる
豊富に種類のあるコネクタ付LEDの中から、使いたいものをチョイスしてつなぐだけ。
100円ショップで売っているボタン電池が使えるので、とっても手軽です。

ボタン電池ケース【CR1220用 スイッチ付】
ボタン電池ケース【CR2032用 スイッチ付】

コネクタ接続で簡単に使える「乾電池ケース」

ボタン電池より長持ちする「乾電池」で使いたいという場合は、乾電池ケースタイプもあります。
タイニィコントローラ(単3電池ケースタイプ)
白・電球色・青など3.0V系のLEDや、赤・黄・緑などの2.0V系のLEDを組み合わせて使えるよう、 適切な回路が組まれています。

LEDも4個まで使えて、組み合わせも自由。下のようにコネクタで好きなLEDをつなぐだけで使えます。
単3電池2本でLED点灯に使えるスイッチ付き乾電池ケース
好きなLEDを4個まで使えて、スイッチでON/OFF切り替えも可能。

単3電池2本でLEDの種類も組み合わせられるスイッチ付き乾電池ケース
LEDも豊富な種類からチョイスしたものを、自由に組み合わせて使えます。
単3電池2本で手軽に使えておすすめです!

タイニィコントローラ4P【常時点灯4本用 スイッチ付】

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