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LEDの特性とその見方

ここでは、LED電子工作の初心者の方にとって最初に知っておくべき「LEDの基本的な特性」についてわかりやすく解説します。 LEDのデータシートにある順電圧や順電流、温度特性や波長分布などの特性値の見方や意味、注意すべき点などまとめています。

LEDの基本的な特性

LEDを点灯させるには電流を流せば良いわけですが、LEDには極性(アノード「+」とカソード「−」)があり、 順方向に電圧を加えることにより、電流が流れ点灯します。そして、LEDの明るさは流す電流の値によって変わります。

LEDを点灯させるために必要な電圧は、LEDの品種によって異なりますが、発光色ごとにおおよその値は決まっていて、 一般的に、赤・橙・黄・黄緑・純緑のLEDはおよそ「1.8〜2.2V程度」。
白・電球色・青・青緑のLEDはおよそ「3.2V前後」です。

実際には、赤色系で1.8Vくらい、白色系で3.0Vくらいと考えることが多いですが、LEDはわずかな電圧の違いで、 電流が流れすぎて簡単に壊れてしまう敏感な半導体素子なので、 大体これくらいでいいだろうと決めつけずに、販売店のスペックやメーカーのデータシートなどで適切な値を確認して使用しましょう。
特に緑は、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程度のものもあるので注意が必要です。

LED特性 順電圧と順電流を確認する

データシートでまずチェックする項目は、「順方向電圧」や「順方向電流」の値です。
販売店では、LEDのスペック欄に「電圧:2.1V 電流:20mA」や「VF:2.1V IF:20mA」のように記載されていたりします。 これは、そのLEDの定格(性能を最も発揮できる最大値)を表しいることが多いですが、 実際にはこれよりも控えめな値で使うのが良いでしょう。


※ここからは、実際にローム社のあるチップLED(SMD LED)のデータシートを見ながら、 各特性値の意味や注意すべき点などについて解説していきます。

下記のように「電気的・工学的特性(英語表記の場合は、Electrical -Optical Characterristics)」 」という表に、 順電圧・順電流の値が記載されています。


赤枠で囲った「順電圧(VF)」の欄を見ます。
これは、LEDに2.1Vの順方向電圧を加えたとき、順方向電流(IF)が20mA流れるという意味です。
つまり、LEDが能力を十分に発揮する最適な値です。 通常、この電圧と電流の値が販売店のスペック欄に記載されています。

※この値を超えてしまうと、LED劣化などの可能性が出てくる値でもあるので、 実際にはこれより余裕をもたせて控えめな値で使うことをおすすめします。

なお、順電圧などの特性値が「最小値・標準値・最大値」として3つ記載されていますが、 これは製造段階で、同じ型番のLEDでも個々の特性にばらつきが生じるためです。
通常は「標準値」を基準にして考えますが、このLEDを買った場合「最大値」の「VF=2.6V(IF=20mA時)」 のLEDに当たる可能性もあるということです。

※右上の(Ta=25℃)というのは、周囲温度が25℃の時という意味です。 LEDは周囲温度により特性値が変化するためこのように条件が記載されています。

LED絶対最大定格を見る

LEDは流す電流の値により明るさが変化し、たくさん流せばそれだけ明るく光りますが、 流しすぎると劣化したり破壊してしまいます。

また、原則としてLEDは順方向にしか電流を流さないという整流特性がありますが、逆方向に電圧を加えた場合(逆電圧)にも、 実際にはごくわずかな電流が流れます。
そして逆電圧がある一定値を超えると急激に電流が流れるようになり、光らないばかりかLEDが壊れてしまう恐れがあります。
このような、逆方向の電圧の限界値を「逆耐電圧(逆耐圧)」といいます。

※例えば、鉄道模型は走行する向きを頻繁に変えますが、この時にプラス・マイナスが反転するため、 走行が逆方向になった時にLEDに大きな逆電圧がかからないように考慮して回路を作る必要があります。 このような順電流や逆電圧の限界値については、データシートの「絶対最大定格」の表で確認できます。
絶対最大定格とは、「瞬時でも超過してはならない値」としてメーカーが定めているものです。


このLEDの場合、順電流(IF)の限界値は「30mA」と分かります。
逆電圧の限界値は「5V」です(LEDの場合、5Vのものが多い)。
つまり、これらを超えて使用すると壊れる可能性があるという値です。

特性グラフ スペクトル分布特性

赤や青のような単色のLEDの発光色は、一般的に「波長」の数値で表されます。
例えば、LEDの仕様欄に、「発光色:黄色 580nm」とか「発光波長:630nm」というように、 波長の単位「nm(ナノメートル)」で数値で記載されています。
「波長」についての詳しい解説はこちら

※白・電球色の発光色の場合は、色度座標で表されます。
色度座標は「色度図」上の一点を示しています。
「色度図(色度座標)」についての詳しい解説はこちら
先ほどの「電気的・工学的特性」の表をもう一度見てみましょう。

赤枠で示した部分が、このLEDの発光色を表す「波長」について記載された項目です。
また、データシートには、「スペクトル分布特性」というグラフがあります(下のグラフ)。
これを見れば、LEDの発光色の特徴をより詳細に把握することができます。


スペクトル分布特性のグラフは、LEDの光に含まれる色の成分を、波長ごとに並べて視覚化したもので、 どの色の光がどの程度の割合で含まれているのか、相対値で表されています。
「LEDのスペクトル分布とは」をご参照ください。

●波長の数値に対応する光の色は、おおよそ下記のとおり。
「紫:380〜430nm」「藍:430〜460nm」「青:460〜500nm」「緑:500〜570nm」「黄:570〜590nm」「橙:590〜610nm」「赤:610〜780nm」。
※詳細は「LEDの波長と発光色」のページをご覧ください。
このグラフを見ると、「580nm〜680nm」の間の波長の光を多く含んでいて、その他はほとんど含んでいないことが分かります。 そして「640nm」付近に鋭いピークがあることから「赤色LED」だということが想像できます。

「電気的・工学的特性」の表の「ピーク発光波長」の項目を確認すると「638nm(標準値)」と記載されています。
ドミナント波長は、標準値が記載されていませんが「620nm〜632nm」の間の赤色LEDだということが分かります。
※いずれも「IF(順電流)=20mA」のときの波長。
※「最小値・標準値・最大値」は、製造上、個々のLEDの特性値にばらつきが生じるため記載されます。

このように、単色のLED(赤・黄・緑・青など)のスペクトルは、通常、上のグラフのように一か所に鋭いピークのある形をしている ことが多いので、慣れてくれば、このグラフを見ただけでも発光色のイメージがつかめるようになると思います。

【ピーク波長とドミナント波長】
ピーク(発光)波長とは、スペクトル分布で出力値が最も高い部分(山の頂点部分)の値。
ドミナント波長(主波長)とは、「実際に目で見たときの色」に相当する波長の値。
単色のLEDの発光色を言うときは「ドミナント波長」の数値を使います。

特性グラフ 指向特性

指向特性のグラフは、LEDの光の広がり方を表したものです。

指向特性のグラフでは、光の広がり方を、角度ごとの相対的な明るさで視覚的に表しています。
最も明るく光る部分(角度)での明るさを相対光度100%として、 角度が広がるにつれて、どれだけ相対的に明るさが減少しているかが図示されています。
なお、指向特性(指向角)の見方について詳しくは、「LEDの指向角とは」の解説をご覧ください。

※これも測定条件が、Ta=25℃(周囲温度)、IF=20mA(順電流) の時ということが記載されています。
右上の小さな図は、チップLEDの発光面を上から見た図で、x方向への光の広がりが実線、 y方向への広がりが破線で表されていることを示したもの。


指向特性グラフで、x方向の光の広がり方に左右で偏りが現れるのは、このチップLEDの場合、 上図のようにLED素子(実際に光る部分)が、チップLED全体の右寄りに配置されているため。

指向特性(指向角)の見方について詳しくはこちらのページをご覧ください。

特性グラフ 順電圧−順電流特性 について

「電気的・工学的特性」の表の「順電圧(VF)」の項目で、「順電圧2.1Vのとき、順電流(IF)が20mA流れる」 ということが確認できることは既に解説しました。

データシートでは、「順電圧−順電流特性」というグラフがあり(メーカーによります)、 このグラフでより詳細なVFとIFの関係性が確認できます。

「電気的・工学的特性」で確認したとおり、グラフ上でも2.1Vのとき20mA流れることが確認できます。
1.9Vのときでは、2mA弱くらいですから、わずか0.2V電圧が上がるだけで約10倍の電流が流れるようになることが分かります。
このように、一般的にLEDはわずかな電圧の変化で流れる電流値が大きく変動するので、 回路を組む際にはこの点にも十分注意が必要です。

特性グラフ 順電流−相対光度特性 について

「順電流−相対光度特性」は、順電流の変化に伴い、明るさがどのように変化するかを表したグラフです。

このLEDの場合に基準となる「順電流20mAのときの光度(明るさ)を1」として、電流値の変化に伴い、 明るさが相対的にどのように変化するかを表しています。
基本的にLEDは、電流をたくさん流すほうが明るく光るわけですが、2倍の電流を流せば明るさも2倍になるというわけではありません。

例えば、別のLEDでは下の図のように、この傾向がやや顕著な場合もあります。

このLEDの場合、電流値20mAを超えた辺りから、光度の上昇が特に少なくなっています。
このように、LEDは電流を上げるとLED素子の発熱により、光度の上昇率は下がるといわれています。
これは、電流を多く流すほど、LEDが電気エネルギーを光に変える変換効率が下がっていき、 熱になってしまう割合が増えることを意味しています。
つまり、むやみに電流値を増やしても熱ばかり発生して効率がわるいということです。

特性グラフ 周囲温度−相対光度特性 について

「周囲温度−相対光度特性」は、周囲温度の変化に伴い、明るさがどのように変化するかを表したグラフです。

一般的に、LEDの特性を測定する場合に基準とされる「周囲温度(Ta)が25℃のとき」の光度(明るさ)を「1」として、 周囲温度の変化に伴い、明るさが相対的にどのように変化するかを表しているものと見られます。

これを見てわかるように、LEDは周囲温度が上昇すると、光度(明るさ)が低下するといわれています。
※これは、ROHMの専門資料によると、LEDの発光原理である電子と正孔が再結合する確率が低下するためと記載されています。

特性グラフ 周囲温度−順電圧特性 について

「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。

これを見ると、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。
基準とされる周囲温度の25℃の時、VFは2.1Vとなっています。

LEDの順電圧の変化は、回路を設計するうえで重要な要素になります。

「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、大電流を流して強く発光させるパワーLEDなどを駆動する場合には、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、温度の上昇に伴い、VFの値が小さくなります。
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がまた下がる、 という循環が繰り返される「熱暴走」が起きる危険性があります。
そして、熱暴走により最大定格値を超えてしまうとLEDが破壊してしまいます。

このように、LEDは定電圧駆動、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、定電流駆動で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、 定電圧駆動では、明るさが減少することになります。

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チップ型LEDランプ
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コネクタ式LEDランプは、大きく分けて上の3タイプがあります。
すべてコネクタの抜き差しだけで簡単に使える超小型LEDパーツです。

● LEDパーツの点灯方法 ●

下記のように、使いたい点灯用パーツと組み合わせるだけで使用できます。

ボタン電池ケースで簡単点灯


使いたいLEDランプをボタン電池ケースにつなぐだけのコンパクトで手軽に使える点灯方法です。
スイッチで点灯ON/OFFを切り替えられます。
市販のボタン電池「CR1220」または「CR2032」を使う2種類のタイプがあります。

タイニィコントローラで簡単点灯



使いたいLEDランプをタイニィコントローラにつなぐだけでOK。4本まで接続できます。
タイニィコントローラ本体に、単3電池2本をセット。スイッチで点灯ON/OFF切り替えもできます。

LEDランプは、好きなものを自由に組み合わせられます。

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配線を分岐するパーツを使って、さらに大量のLED一斉点灯も可能です。
LEDランプは、好きなものを自由に組み合わせられます。

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図のように4種類のパーツをつなぎ、まとめてたくさん点灯できる方法です。
miniコントローラは超小型なのでスペースを取らずに、たくさんのLEDを一斉点灯できる方法です。

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