LEDのご利用方法
LEDとは、Light Emittind Diode の略で、日本語では発光ダイオードと呼ばれ、 順方向に電圧を加えた際に発光する半導体素子のことです。
名前に ダイオード(一定方向にのみ電流を流す半導体素子) と入ってはいるものの、ダイオードと同じようには扱えないため、 別のものと考えた方が良いかもしれません。

これまで模型の照明用に使われてきた、豆電球 や ムギ球 とは発光のメカニズムが違うので、LEDの使用にはいくつか注意すべき点があります。
まず、一つ目の大きな違いとして 「極性(+−)があること」。 豆電球やムギ球の場合、極性はなく、+−を気にせずに電源に接続すれば点灯させることが出来ましたが、 LEDの場合、必ず電流の+側をアノード(+)極に、電流の−側をカソード(−)極に接続しなければ点灯しません。
点灯しないだけならまだしも、LED自体の逆耐電圧(逆向きに電圧を掛けたときに耐えられる能力)は、きわめて低いため、 逆向きに接続してしまうとLEDが破損することがあるので、十分な注意が必要となります。

もう一つ大きな違いとして、「点灯させるために最低限必要な電圧が決まっていること」。
ある電圧以下ではLEDは発光しません。これはLEDの特性によるもので 「ある電圧」(=順方向降下電圧) 以下の電圧では、電圧を上げてもほとんど電流が増えない特性を持っています。
あまり深く考えると難しくなってしまうので、「ある電圧以下では発光しない」 ことだけ覚えておきましょう。

最後に、電流を増やせば明るく発光する。が、ある電流(=最大電流) を超えてしまうと、LEDが破壊してしまいます。 これは電球でも同じなので、理解しやすいかと思います。

以上、LEDの特性を踏まえた上で、まずは簡単にLEDを発光させる方法の説明に入りますが、 一口にLEDと言っても多種多様なので、ここでは、弊社で取り扱っているLEDの仕様に基づいて、 以下の条件を基準に説明することにします。

順電流(If) 20mA、順電圧(Vf) 2.9〜3.4V、最大電流 30mA

この値は、白や青、電球色のLED、またその他の色でも高輝度LEDであれば、だいたい近い値なので、 LEDの形式が違っても参考にはなるかと思います。


LEDを点灯させるためには、「ある電圧以下では発光しない」 という特性があるので、 「ある電圧(=順方向降下電圧)」 以上の電圧をかける必要があります。
LEDの仕様書を見ると、「順方向電流(If) 20mA、順方向電圧(Vf) 2.9〜3.4V」 などと記載されています。 これは、メーカーが 「20mAでの使用をお勧めします。そのためには2.9〜3.4Vの電圧が必要です」 と言った、 「おすすめ」 の値を表したもので、この値でなければならないというわけではありません。
一方、「最大電流 30mA」 と書かれている場合、これを超えるとLEDが破壊するという意味なので、 30mA以上の電流は絶対に流してはいけません。

ここで注意するべき点として、順電圧が 「2.9〜3.4V」 とアバウトな値になっていること。 これは、LEDの個体差によるもので、個体によって最大 0.5V もの誤差が生じることがあるということです。

LEDを1.5V乾電池につないでも光らない 電子部品として、この誤差は非常に大きいので注意が必要です。 この誤差のために後述する 「LEDの明るさがばらつき」 の原因となっています。

尚、順電圧がアバウトなままでは説明しづらいので、以後は便宜上、順電圧を3V、順方向降下電圧を2.7V として説明します。

右図は、1.5Vの乾電池にLEDを接続したところです。
乾電池の+極にアノード(A)を、−極にカソード(K)を接続してあるので、 極性は正しく接続されています。しかしこれではLEDは点灯しません。
これは乾電池の電圧が1.5Vであるため、最低限必要な2.7V(便宜上の値)に足りないためです。

これで、順方向降下電圧を下回る電圧の電源にLEDを接続しても発光しないことがお分かりいただけたかと思います。


1.5V乾電池2本を直列につないでLEDを光らせる 次に、乾電池2本を直列につないだものにLEDを接続してみました。
1.5Vの乾電池が2本、直列ですので、

1.5V x 2本 = 3V (1.5V + 1.5V = 3V)

になりますので、LEDには3Vの電圧が掛かります。 順方向降下電圧の2.7Vを超えていますので、LEDが点灯しました。

このように、乾電池を直列につなぐと、乾電池の電圧が加算され、合計の電圧を得ることができます。

そして、3Vの電圧がかかったLEDには、20mAの電流が流れ、点灯しています。


LEDを2つ直列にすると、3Vの電圧では点灯しない。 ジオラマにLEDを組み込む場合、ジオラマの規模にもよりますが、1つだけと言うことは少ないかと思います。 複数のLEDを組み込む際に、1つのLEDに対して、乾電池を2本ずつ用意しても構いません (と言うより、電気的には理想的であると言えるかも) が、これでは実用的ではありません。

実際には1つの電源で、複数のLEDを点灯させた方が現実ですし、(ON/OFFなど)制御も楽になります。
先ほどは2本の乾電池を直列につなぎ、1.5V + 1.5V = 3V の電圧を得ることが出来ましたが、 同じようにLEDも直列につなぐと、

LEDの順電圧(3V) x LEDの数量

の電圧が必要になります。従って右図のようにLEDを2つ直列につないだ場合、3V + 3V = 6V の電圧が必要になり、 乾電池2本で得られた 3V の電圧では足りないということになります。


LED2個を並列につなぐと3V電源で点灯させることが出来る それでは、乾電池の本数を4本にして 6Vの電圧をかければいいのか。といわれますと、 間違いではありませんが、LEDの数が増えると、必要な乾電池の量が膨大になってしまい、現実的ではありません。

乾電池2本(3V) で、2個(以上) のLEDを点灯させたい場合、 右図のように、LEDを並列につないでやれば、2つとも点灯させることが出来ます。

原理としては、並列につないでやることで、乾電池に対して2つの回路(赤い線と青い線)が出来ます。 電気的な特性として、並列の回路にはそれぞれに同じ電圧がかかります。 従って、右図の赤い線の回路 と 青い線の回路 には、それぞれ3Vの電圧がかかり、2つのLEDが点灯します。

ただし、2つのLEDにはそれぞれ20mAの電流が流れますので、合計40mAの電流が流れることになり、 単純計算で、1つのLEDを点灯させた(20mAの電流を流した)場合に比べて、電池の寿命は半分になってしまいます。

2本の乾電池を使った3Vの電源で、複数のLEDを点灯させることが出来ました。 が、LEDの数が増えると電池の消耗が大きくなり、乾電池の寿命は短くなる一方です。
鉄道模型のレイアウトともなると、使用するLEDの数は簡単に50や100になってしまいます。 そうなると、電池の交換も面倒になりますし、それ以上に経済的ではなくなってしまいます。

そこで、次項では、家庭用100V電源を利用したLEDの設置方法をご紹介いたします。 ただし、100Vの電源をそのまま使うのは非常に危険ですので、 実際には鉄道模型等では標準となっている12V電源を使用します。
12Vでしたら、パワーパックのアクセサリー電源から供給することも出来ますし、 パワーパックと同じタイプの DC12Vのアダプターを電源として利用することも出来ますので、 実用範囲が広いかと思います。

LEDのご利用方法 (実用編)
ここからは、DC12V 電源を使用することを前提に説明いたします。
DC12V は、パワーパックのアクセサリー電源や、DCアダプターから供給してください。 アダプターを使用する場合、「AC(交流)」 と 「DC(直流)」 がありますので、 必ず 「DC」 を使用してください。 交流(AC)電源を使用すると、LEDが破損します。

12V電源に直接LEDをつなぐと、LEDは破壊する DC12V電源(以下「12V電源」と記す) の準備が出来ましたら、早速LEDを接続して・・・はいけません。 右図のように、12V電源に直接LEDを接続すると、「パンッ!」 と言う破裂音と共に、 LEDが破裂し、非常に危険です。

全く電気抵抗のない電気回路に12V電源をつないだ場合、流れる電流は 0A です。 ようするに電流は流れません。右図では、LEDを1つつないだだけで、一見、全く抵抗がないように思えますが、 実際には電線にもLEDにもわずかな電気抵抗があります。
仮に右図の回路の電気抵抗が 0.1Ω だったと仮定し、これをオームの法則に則って計算すると、

電圧(12V) / わずかな電気抵抗(0.1Ω) = 膨大な電流(120A)

と言うことになり、LEDには 120A もの電流が流れ、破裂してしまいます。

曲論的な言い方になりますが、「LEDを点灯させるためには、 電圧は何ボルトでもいいが、電流は最大電流を超えてはならない」 のです。

そこで、12V電源を使ってLEDを点灯させるためには、抵抗器 を入れて電流を調整してやる必要があります。

必要な抵抗値は、オームの法則から割り出すことが出来ます。 オームの法則についての詳しい説明は省略させていただきますが、 計算方法はご紹介しておきますので覚えておいてください。

オームの法則、計算方法早見表? ずばり、右図があれば簡単に計算式が割り出せます。 いつだか学校で習ったかと思いますので、見覚えのある方もいらっしゃるかと思います。

E = 電圧(V)、R = 抵抗(Ω)、I = 電流(A) をあらわしています。

計算式の割り出し方は、求めたい値を指で隠すだけ。
たとえば、E(電圧) を求めたければ、「E」 の部分を隠します。 すると、「R(抵抗) x I(電流)」 という計算式が見えてきます(よね?)。
この計算式に値を当てはめて計算してやればいいわけです。

抵抗器を入れれば、12V電源でLEDを点灯させることが出来る。 以上を踏まえて、12V電源を使って、3V、20mA のLEDを点灯させるために必要な抵抗値を求めるには、 「R(抵抗)」 を指で隠すと、

R(抵抗) = E(電圧) / I(電流) と言う計算式になります。

電源電圧の12Vから、LEDが3V消費しますので、 12V−3V=9V の電圧に対して20mAの電流が流れるように制御してやればいいわけですので、

9V(電圧) / 0.02A(=20mA、電流) = 450Ω(抵抗)

と言うことになり、450Ωの抵抗器を入れるとLEDに20mAの電流が流れ正常に点灯することになります。
一般的に450Ωの抵抗器はありませんので、実際には右図の場合、余裕を見て450Ωより少し大きい 470Ω の抵抗器を入れてやればいいということになります。

また、右図ではカソード(K)側に抵抗器を入れてありますが、アノード(A)側に入れても同じことになります。 抵抗器とLEDの順序はどちらが前でも構いません。


LEDを4個直列につなげば12V電源で点灯させることが出来る 続いて、LEDを直列につないだ場合についてですが、右図のようにLED4つを直列につなぐと、

3V + 3V + 3V + 3V = 12V

となり、抵抗器を入れずに12V電源に直接つないで点灯させることが出来ます。

ただし、この接続方法は、電源電圧が安定している(実は他の接続方法でも電圧が安定している必要がありますが) という条件が必要になります。

たとえば、車のバッテリーなどは、表記的には12Vとなっていますが、実際には常に電圧が変動しています。 電圧が高くなった場合、それにほぼ比例して電流も増えます。電流がLEDの最大電流を超えなければ問題ありませんが、 超えてしまった場合は、LEDが破壊します。 また電圧が下がってしまい、4つのLEDを点灯させるために必要な電圧が得られなくなると、 LEDは4つとも消灯します。

実はDCアダプターの12V電源でも、電圧は変動しますので、同じ現象が起こります。
最大の電圧がかかった場合でも、最大電流を超えてしまわない値の抵抗器を入れるか、 後述する 「定電圧ダイオード」 を入れて、流れる電流を安定化させておいた方が安全性は高いといえます。


最後に12V電源を使ったLEDの並列つなぎによる給電方法です。 実際にジオラマに組み込む場合、この方法が一番利用率が高いのではないかと思います。 しかし、また少し注意も必要になります。

12V電源にLEDを4つ並列につないで、点灯させる 結論から言いますと、LED(単体)の並列つなぎは、してはいけません(と言うことになっています)。

どういうことかといいますと、まずは右図をご覧ください。 12V電源の+極に4つのLEDのアノード側を接続、 LEDのカソード側は4つ全て接続し、最後に抵抗器(470Ω)を1つ入れて12V電源の−極に接続してあります。
抵抗器はアノード側に入れても同じ結果になります。

理論上、この方法で全てのLEDに20mA(弱)の電流が流れ、4つのLEDが点灯することになります。 おそらく実際にも点灯するでしょう。

そして、偶然にも4つとも同じように点灯してくれる場合もあります。

が、実際にやってみると、下図のように4つのLEDが均等に点灯せず、いくつかのLEDは暗くなってしまう現象が起こる場合があります。

4つのLEDが均等に点灯しない これは、LEDの個体差と電気的な特性による現象が原因です。
「基礎編」 で少し触れましたが、LEDの順電圧は、個体差があり、しかもかなり大きい差があります。 順電圧に個体差があるということは、順方向降下電圧にも個体差があるということになります。

LEDに電圧を掛けると、0Vから徐々に(人間的には一瞬ですが)電圧が上がり始め、やがて一定の電圧になります。 一定の電圧になる前に、降下電圧の高い個体にはまだ電流が流れていないにも関わらず、 降下電圧の低い個体には、電流が流れ始めるという現象が起こります。
電気的な特性として、電流は流れやすい方へよく流れるという現象が起こりますので、 先に電流が流れ始めたLEDに対しては、どんどん電流が流れますが、電流が流れにくいLEDに対しては、 電流がほとんど流れてくれなくなり、明るさにばらつきが生じてしまいます。

明るさにばらつきが生じた4つのLEDを単体で点灯させてみると、肉眼では判別できない程度のばらつきしかないはずですが、 並列につないだ結果、上記のような現象が起こり、肉眼でもはっきりとわかるばらつきが起こってしまいます。

明るさのばらつき で納まっていればまだいいのですが、極端に電流の流れが偏ると、あるLEDに対して、 最大電流を超える電流が流れ、LEDを破壊してしまうこともあり、非常に危険です。
これが、「LEDを並列につないではいけない」 原因なのです。


では、LEDを並列につなぐ場合どうすればいいのでしょうか。

結論から言いますと、LEDの個体差をなくす、もしくは非常に小さくしてやればいいのです。
LEDにある一定の電流を流して、その時の電圧を測定し、ほぼ同じ電圧がかかっているLED同士を並列につないでやれば、 肉眼ではっきり分かるほどのばらつきは出にくくなります。

が、これはこれで現実的ではありません。もう少し簡単に出来る方法はないのでしょうか。

LED点灯回路を並列につないでやる方法 実は、単体のLEDを点灯させる回路、すなわち 「LED+抵抗器」 を並列につないでやればいいのです。
こうすることで、個体差がなくなるわけではありませんが、個体差の割合が非常に小さくなります。

少し乱暴な表現になりますが、「1」 と 「1.1」 では、その差が10%と大きな差が開いてしまいますが、 そこに 「100」 のものを足してやると、「101」 と 「101.1」 になり、 その差の割合は、約0.1%と非常に小さい差になるのではないか。と言う原理です。

実際には、右図のように1個のLEDを12V電源で点灯させることの出来る回路 「LED+470Ω」 を4つつくり、 12V電源に対して並列につないでやれば、LEDの明るさのばらつきが軽減されます。


今回は抵抗器を使用した電流の制御によってLEDを点灯させる回路をご紹介しました。 12V電源に対して、470Ωの抵抗器を使用して約20mAの電流を流したわけですが、 これは、電源電圧が安定している という前提で成り立つ条件となります。

実際のDCアダプターには、「12V 500mA」 などと仕様が表記されていますが、 これは、「12Vの電圧で、500mAまで流せると言う意味ではありません
実は、「500mAの電流を流しても12V以上の電圧があります」 と言う意味です。

実際に電圧を計測してみると、
  ・100mA の電流を流したとき、15V
  ・300mA の電流を流したとき、13.5V
  ・500mA の電流を流したとき、12V
  ・1A(1000mA) の電流を流したとき、10V
と電圧は変化しています(数値は参考値です)。

上記のアダプターを使って、470Ωの抵抗器につないだLEDを1つだけ点灯させると、
電圧(15V以上) / 抵抗(470Ω) = 約32mA以上
の電流が流れてしまいます。これではLEDの最大電流を超えています。
そこで実際の設置においては、余裕を持った抵抗を使用することが必要になります。 たとえば470Ωの抵抗を1kΩ(12Vで12mA)に変えてみて、必要な明るさが得られれば、1kΩにしておいた方が安全です。 こうすれば、仮に15Vの電圧がかかっても、15mAしか流れませんので、LEDが破壊されることはありません。

もう一つの方法として、抵抗器で電流を制限するのではなく、「定電流ダイオード」 と言う電子部品を使って、 一定の電流をながしてやる方法もあります。安全性の面から見ても、抵抗器より定電流ダイオードで制御した方が安全といえるでしょう。

「定電流ダイオード」 とは、その名の通り、ある一定の電流だけを流すダイオードです。 たとえば、20mAの定電流ダイオードを、LEDの前後どちらかにつなぐと、 電圧に関わらず、LEDには20mAの電流が流れます。
複数のLEDを直列につなぐ場合であっても、並列につなぐ場合(この場合1このLEDに対して、定電流ダイオードも1個接続) でも同様に一定の電流を流すことが可能になります。

しかし、欠点もあり、「必ず一定の電流が流れる」 特性が裏目に出る場合があります。
たとえば、抵抗器で電流を制限している場合、電源とLEDの間に可変抵抗器(ボリューム)をつなぐだけで、 LEDの明るさを変えることが簡単に出来ます。 しかし定電流ダイオードで電流を制限すると、常に一定の電流を流しますので、これが出来ません。 明るさを変更させたい場合、パルス調整式による見た目の光量の調整を行う必要があり、 それが可能な装置が必要になります (パルス調整式とは、LEDを肉眼では分からないほど高速で点滅させ、点滅の間隔によって明るく見せたり、 暗く見せたりする方式)。

さらに、定電流ダイオードは、抵抗器に比べると非常に高価です。大量に必要となると。。。

このように一長一短はありますが、用途に応じて使い分けてみてはいかがでしょうか。


最後に。。。
出来るだけ簡単に説明するため、文中には学術的には適切でない表現も含まれています。
また、本文中では触れませんでしたが、温度による電子部品の特性の変化など、 実際には様々な要因による特性の変化を考慮する必要がございますが、 あくまでもホビー用途での手法をご紹介しておりますので、 簡素化してある場合や、一般的な最善の手法でない場合もございます。
あらかじめご了承いただき、LEDのご利用、設置につきましては、 ご自身の責任において行っていただけますようお願いいたします。

尚、本文中の図では、LEDを砲弾型のイラストで表現しておりますが、 実際に弊社で取り扱っているLEDはチップLEDとなりますので、形状は異なります。
弊社の配線済LEDの場合、赤い銅線がアノード(A・+)、クリア(銅色)の銅線がカソード(K・−)側になります。

LEDのご利用方法 (資料編)
LEDを並列につないだ時、抵抗器の設置と配線方法のちがいによる、明るさのばらつき を再現した資料が出来ましたので、 「資料編」 として掲載しておきます。参考にしていただければ幸いです。
LEDを点灯させていない時の自動販売機
それぞれ1つずつLEDを組み込んだ4つの自動販売機。 LEDは点灯させていない。
部屋の照明を少し暗くして、自動販売機のLEDを点灯させた
部屋の照明を若干落として、自動販売機のLEDを点灯させてみたところ。 左の小さい自販機は、発光面とLEDの距離が接近しているのでかなり明るいが、 これが4つとも正常に点灯している状態。
部屋の照明を落としてみた。
部屋の照明を落として撮影してみたところ。 若干、右側の自販機が暗いようにも見えるが、許容範囲内でしょう。
発光面とLEDの位置関係も原因と考えられます。

接続方法を変更してみた。右側の自販機は点灯しているの分からない
配線方法を変更してみた。 若干部屋の照明を落としてみたが、右側の自販機は点灯しているのか分からないほど、 明らかに暗い。
もう少し部屋の照明を落として見ると、右側の自販機も微妙に点灯していることが分かる。
もう少し部屋の照明を落としてみると、よくやく右側の自販機も点灯していることが分かるようになった。 が、肉眼ではまだ、はっきりとは分からないレベル。
完全に部屋の照明を落としてみた。右側の自販機は点灯しているものの、明らかに他より暗い。
部屋の照明を落としてみた。やはり右側の自販機は明らかに他より暗い。 ちなみに部屋の明るさは、すぐ上の写真と同じ。

4つのLEDを並列につなぎ、抵抗器を介して電源に接続した回路図

4つのLEDを並列につないだ配線図
こちらが、下段の明るさがばらついてしまった自動販売機と同じ配線図。 左右が逆になってしまっていますが、右側の自販機が4番のLEDと言うことになります。
正常に点灯させても、他と比べるとやや暗めでしたが、このように配線してしまうと、 明らかに他より暗くなってしまっています。

LEDに抵抗器をつないだ回路を4つ、並列に接続した回路図

LED+抵抗器回路を4つ並列に接続した配線図
こちらの配線図が、自動販売機の上段と同じ配線になります。 LEDに抵抗器をつないだ回路を4つつくり、電源に並列接続してあります。
明るさのばらつきは、かなり解消できます。 実際に肉眼で見ると、写真で見るほどのばらついているようには見えません。
複数のLEDを1つの電源に接続する際は、こちらの方法で接続しましょう。


いかがでしょうか。配線方法によってLEDの明るさのばらつきがかなり違うことがお分かりいただけたかと思います。
実は、この明るさのばらつきは、偶然に発生したものです。「試しに」 配線方法を変更してみると、 運よく(?) ばらついてくれました。と言うのも、それぞれのLEDを単独で点灯させてみても、 ばらつきは微小すぎて肉眼では分かりません。 複数のLEDを抵抗器1個から並列につないでも、絶対にばらつくと言うものでもありません。
今回はサンプル用に自販機を並べただけのものですので、配線の変更は簡単に出来ました。 しかし、実際にジオラマに組み込んでからでは、配線の変更が容易ではない場合も多いかと思いますので、 はやり、初めから適正な配線方法で配線しておいた方がよいのは明らかでしょう。

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