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LEDの順電圧(VF)とは?

順方向電圧(順電圧)とは

LEDには、アノード(A)とカソード(K)と呼ばれる極性(プラスとマイナス)があり、正しい方向に電圧を加えないと電流が流れません。

LEDを光らせるには、LEDのアノード(A)に電源のプラス側を、カソード(K)にマイナス側を接続して電圧を加える必要があります。
このような、LEDが発光する正しい方向のことを「順方向」といいます。

LEDは逆方向には電流は流れませんが、順方向でもある一定の電圧を超えなければ電流は流れません。 そして、超えた途端に大きな電流が流れるという特性があり、この電圧を「順方向電圧(順電圧)」といいます。 つまり、LEDを発光させるために必要な電圧です。

順方向電圧は記号「VF」、単位「V(ボルト)」で表されます。
LEDの基本駆動回路
LEDには最適に使用するための電流や電圧の最大値が決まっていて、これらの値を「定格」といいます。
また、少しでも超えてはいけない値を「絶対最大定格」といいます。

LEDの発光色と順電圧(VF)

LEDは、その種類により順電圧(VF)が異なります。
一般的に、赤・橙・黄・黄緑のLEDはおよそ「1.8〜2.2V程度」
白・電球色・青・緑(黄色がかっていない純緑や青緑)のLEDはおよそ「3.2V前後」です。
緑は、黄緑や青緑など種類により大きく異なり、2.2V程度のもから3.6V程度のものもあります。

LEDは、0.1Vの電圧の変化でも影響を受ける敏感な発光素子なので、少し間違えると過大な電流が流れて劣化したり壊れてしまう場合があります。
製品のデータシート(スペック)を見て、適切な値になるように使用しましょう。

データシートの順電圧の値の見方

実際にメーカーや販売店で配布されているデータシート(スペック表)を見てみましょう。

販売店では、単に「電圧:1.8〜2.2V」や「VF:1.8〜2.2V」と製品の仕様欄に書かれているだけで、 詳細なデータシートがない場合もあります。
メーカーのデータシート(PDF)がある場合は、下の図のように 「電気的・工学的特性(英語表記の場合は、Electrical -Optical Characterristics)」 という表に、順方向電圧(順電圧)VFの値が記載されています。


上は、あるメーカーのデータシートの一部を抜き出したもの。日本語で表記されている例です。
図の赤枠で囲った部分が順電圧(VF)の項目で、規定の順電流(IF=20mA)が流れたのときの値です。
(逆に、LEDに順電流20mA流すために必要な順電圧の値と言うこともできます)
(⇒ 「順電流(IF)」についての解説はこちら


これは、別のメーカーの例。実際にはこのような英語表記ものが多いです。
「Electrical -Optical Characterristics」という表内の赤枠で示した「DC Forward Voltage」が順電圧の値です。 基本的に「VF」という記号を覚えておけば、順電圧について記載されている欄だとすぐに分かります。
※右上の「Ta=25℃」は、周囲温度が25℃の時という意味です。

なお、LEDは製造段階で1つ1つに特性のバラツキがあるため、「min./typ./max.」(「最小値/標準値/最大値」を表します) というように3つ値が記載されて範囲が示されますが、通常は、typ(標準値)を参考に考えます。

データシート全体の見方はこちらのページで詳しく解説しています。

順電流-順電圧特性を見てみる

データシートには、「電気的・工学的特性」のほか、「順電流-順電圧特性」のグラフもあります。
「電気的・工学的特性」では、LEDを使う上での基準となる値(定格値)を確認できますが、 「順電流-順電圧特性」では、より詳細な順電流と順電圧の関係性について把握することができます。

まず、「電気的・工学的特性」の表の赤枠で、このLEDは「順電圧VFが3.2V(標準)のとき、順電流IFが20mA流れる」 ということが分かります。

「順電流-順電圧特性」のグラフを見ると、やはり順電圧が3.2Vのとき、LEDに流れる順電流は20mAであることが確認できます。

さらに見ると、順電圧(VF)の値が3.0Vのときには、流れる順電流(IF)は10mA程度だと分かります。
そして、VFの値が3.3Vになると、IFは25mAほどになります。

つまり、3.2Vでは、最適とされる20mA流れますが、わずか0.1Vオーバーして3.3Vになると、25mA流れてしまい、 定格20mAを超えてしまいます。
このLEDの絶対最大定格は30mAなので、壊れてしまうことはないにしても、 この環境で使い続けると寿命を縮めてしまう可能性があるわけです。

このように、LEDはわずか0.1V単位で、流れる電流値が大きく変動しますので、定格よりもある程度余裕を持った値で使うことが 推奨されます。

順電圧の注意すべき特性「周囲温度−順電圧特性」

「周囲温度−順電圧特性」は、周囲温度の変化と順電圧がどのように関係しているかを表したグラフです。

これは、あるメーカーの1608サイズのチップLED(赤色)のデータシートの「周囲温度−順電圧特性」のグラフです。

LEDに順電流(IF)を20mA流すために必要な順電圧(VF)が、周囲温度の変化によりどのように変化するかを表したグラフです。
周囲温度の25℃の時、VFは2.1Vとなっています。
そして、周囲温度が高くなるに伴い、LEDの順電圧(VF)が下がっていくことが分かります。
つまり、温度が上がると、低い電圧でもたくさん電流が流れるようになるわけです。

「順電圧−順電流特性」のグラフのところで解説したとおり、LEDはわずかな電圧の変化で、流れる電流の値が大きく変化します。
例えば、大きな電流を流すことで強く発光させることができる「パワーLED」というタイプのチップLEDを使う場合には、 この温度上昇によるVFの変化には特に注意が必要です。

大きな電流を流すと、LEDはその分強く発熱するため、温度が上昇します。
この温度上昇に伴い、VFの値が小さくなります(電流が流れやすくなります)。
VFが小さくなると、さらに大きな電流が流れるようになるので、温度がさらに上昇し、VFがまた下がります。
そうすると、さらに大きな電流が流れ・・・、という循環が繰り返される、いわゆる「熱暴走」が起きてしまう危険性があります。
そして、熱暴走により絶対最大定格を超えてしまうとLEDが破壊してしまいます。

このように、LEDは低電圧駆動、つまり定格の範囲内で電圧がかかるように回路を組んでも、順電圧(VF)の変化により、 電流値が安定して駆動するとは限りません。
そのため、LEDに流れる電流が無条件で一定となる、定電流の回路を組むことが原則となります。

※なお、逆に低温環境になると順電圧(VF)が高くなり、流れる電流が少なくなるため、 低電圧駆動では、明るさが減少することになります。

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