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LEDの順電流(IF)とは?

順方向電流(順電流)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。

そして、順方向に電圧を加えた時に、LEDに流れる電流を「順方向電流(順電流)」といいます。
記号は「IF」で、単位は「mA(ミリアンペア)」で表されます。

※なお、このときにLEDに生じる電圧降下を「順方向電圧降下(順電圧・順方向電圧とも呼ばれる)」といい、記号「VF」で表されます。
つまりLEDを点灯させるのに必要な電圧のことです(※電源電圧とは異なります)。
順方向電圧について詳しくはこちら
LEDの基本駆動回路

LEDの明るさは流す電流の値で決まる

LEDは、この順方向電流(IF)の値により明るさが変わります。
たくさん電流を流せばそれだけ明るく光りますが、流しすぎると壊れてしまいます。

それでは、どれくらい電流を流せば良いかというと、 LEDが最も能力を発揮する順方向電流は、 「一般的に約20mA」といわれています。

これはLEDの定格電流として一般的に言われる値ですが、 正確にはLEDの種類により最適な値は異なりますので、データシートで確認することが必要です。

なお、一瞬たりとも超えてはいけない値として、「絶対最大定格」というものがあります。
「絶対最大定格」は、LEDを使う時の限界値のことで、電流値の他にも記載されていますが、 これを超えると劣化したり壊れることがあるという値です。

販売店では「標準電流:20mA・最大電流:30mA」や「IF:20mA」、「定格電流(標準):20mA」など、 お店によりいろいろな表記の仕方で、推奨される値などが仕様欄に書かれています。

※なお、大出力で点灯できるLEDパッケージ(いわゆるパワーLED)の場合、順電流が100mAなど、 大きな値になっていたりしますが、これは1つのLEDパッケージ内に複数のLED素子が配線されているためです。
(※20mA×5(LED素子の数)=100mA)
パワーLEDは強い熱を発するので、使用する場合は放熱器を取り付けるなどの熱対策が必須になります。

定格値を超えた電流を流すとどうなるか

実際にLEDに電流を流しすぎるとどうなるのでしょうか。

例えばチップLEDに最大定格を超える電流を流すと、パチッと音を出して煙が上がり、一瞬で光らなくなることがあります。 これは内部のLED素子(半導体)が焼損してしまって光らなくなるケースで、LEDが黒っぽく変色する場合もありますが、 外観にはあまり変化がなく、壊れているのかどうか判別がつかない場合もあります。

また、LEDがとても明るく光り、触ると熱くはなっているものの、問題なく使えているように見える場合もあります。 こういう場合、使用できないこともないようにも見えますが、内部のLED素子が急速に劣化している可能性があります。
このような状況で長期間使用していると、LEDの劣化が早まり、寿命が著しく低下してしまうことが考えられます。

実は、定格値を超えても意外と使えてしまうことも少なくないですが、 LEDを最適に、長寿命で使用したいのであれば、定格値よりやや控えめな値で使うのが好ましいといえます。
(例えば、定格値20mAの場合、10mA〜15mA程度で使う。これくらいでも十分明るく光ります)

データシートで絶対最大定格を見る

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。
データシートは、日本語で記載されたものや英語表記のものがあり、各値の表示方法もいろいろあります。

メーカーのデータシート(PDF)には、「絶対最大定格」の順電流の値が記載されています。
※なお、販売店では仕様欄に「順方向電流(IF):20mA」などと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。

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絶対最大定格の順電流(IF)の値で、30mAを超えてはいけないという意味です。


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。
「Absolute Maximum Rating(絶対最大定格)」という表内の赤枠で示した「Forward Current」が絶対最大定格の順電流の値です。
※「IF」という順電流の記号を覚えておけば、場所がすぐに分かります。

データシートで基準となる順電流(IF)の値を見る

絶対定格は超えてはいけない限界の値ということで上の表でわかりました。 では、使うときに基準となる値はどこに記載されているのでしょうか。 下はあるメーカーのLEDのデータシートを抜き出したもの。


「電気的・工学的特性」の表の中に、「順電圧(VF)」という項目がありますが、 これは、そのLEDがもっとも性能を発揮するときの最適な順電圧の値を記載した項目となっており、 この順電圧の時に流れる順電流(IF)の値とセットで記載されています。(上図、赤枠の丸で囲った値)

基本的には、LEDの順電流の値は、この値を基準にして考えます。
順電圧以外の項目においても、すべて条件20mAとなっているので、この値を基準に計測されていることが分かります。

※なお、販売店の仕様欄に記載されている「IF:20mA」のような記載は、 この値を記載したもので、この電流値で使用すると最適と考えて良いです。

電流-電圧特性を見る

さらに、ある順電圧のとき、どれだけLEDに電流が流れるのかという相関性がわかる「順電圧-順電流特性」のグラフもあります。
下図は、上記の「電気的・工学的特性」の表のと同じLEDのデータシートの順電圧-順電流特性のグラフです。


先ほどの、電気的・工学的特性の表では「2.1Vのとき20mA」ということでした。
このグラフで見ても、VF=2.1VのときIF=20mAであることが分かります。

そしてもう少し見てみると、VF=2.0VのときにはIFは9mA〜10mAくらいになっています。
つまり、これはLEDの基本的な特徴でもありますが、たった0.1V増えただけで、LEDに流れる電流が倍になっています。
また、VF=1.9VのときはIFが2mA程度なので、わずか0.2Vの変化で一気に10倍の電流値の変化があることが分かります。
(「VF=1.9V IF=2mA」 ⇒ 「VF=2.1V IF=20mA」)

このように、LEDは、わずかな電圧の変化にも敏感に影響を受けますので(特にこの例のようにグラフの傾斜が急な場合)、 電圧の値は大体こんなもので良いだろうと適当な回路を組むと、簡単にLEDが壊れてしまうことがあるので注意が必要です。

抵抗値の計算の基本

それでは、LEDを1個だけ点灯する場合の基本となる回路をご紹介します。

上で見たデータシートの「定格 2.1V 20mAの赤色LED」を、 「乾電池3本(4.5V)」を使って点灯させる場合の回路を考えてみます。
順電圧(VF)についてはこちら

LEDに2.1Vの電圧を加えたとき、20mAの電流が流れるということなので、そうなるように回路を組みます。 乾電池は、1個1.5Vなので、1.5V×3本=4.5V です。
このままだと、LEDに電流が流れすぎて壊れてしまうので、電流制限抵抗を使います。

LEDに加える電圧を2.1Vにしたいので、4.5V−2.1V=2.4V の電圧を抵抗器に加えれば良いとわかります。
※なお、このようにLEDと抵抗で電圧を分けることを「分圧」といいます。
分圧

次に、LEDに流れる電流を20mAにするための抵抗値を、オームの法則を使って計算します。

オームの法則の計算式

電圧を求めるとき: 電圧E(V)=電流I(A)×抵抗R(Ω)
電流を求めるとき: 電流I(A)=電圧E(V)÷抵抗R(Ω)
抵抗を求めるとき: 抵抗R(Ω)=電圧E(V)÷電流I(A)

なので、抵抗値は、2.4V÷0.02A=120Ω となります
(※1A=1000mAなので、20mA=0.02A)

このような計算の流れをまとめて、抵抗値を求めるときには次の式で計算します。
抵抗値を求める計算式
※なお、電源はもちろん乾電池3本の場合以外でも計算できます。

先ほどの計算を当てはめると、
(電源電圧4.5V−LEDの両端電圧2.1V)÷LEDに流れる電流0.02A=120Ω となります。


それでは、「定格 3.0V 20mAの白色LED」を点灯させる場合はどうなるでしょうか。
電源は同じ「乾電池3本(4.5V)」としたときの抵抗値を求めてみましょう。

さっきと同様に計算式に当てはめて、
(4.5V−3.0V)÷0.02A=75Ω の抵抗器を使えば良いということになります。

※なお、計算の結果に求められた値の抵抗器が、お店を探しても売っていないという場合もあります。 その場合は、その数値より少し大きい値で近い抵抗値のものを使うと良いでしょう。

<例>単3電池3本(4.5V)で、定格「2.0V 20mA」の赤色LEDを点灯する場合。
(4.5V−2.0V)÷0.02A=125Ω 125Ωというのが無いので「130Ω」を使う。
(低い方の値の抵抗を使ってしまうと定格を超えた電流が流れて、 LEDが劣化したり壊れてしまう可能性があるので大きめの値のものを使いましょう)

※抵抗計算は面倒、計算が合っているのか自信がない・・・という場合は、 抵抗器の代わりに「CRD(定電流ダイオード)」を使う方法もあります。

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