LED点灯回路

発光ダイオード（LED)

　電圧や電流は目には見えません。電球、蛍光灯、などを発光させると目で見ることができます。電子回路の世界では、発光ダイオード（LED:Light Emitting Diode）と呼ばれる半導体が発光素子としてよく利用されます。これは、数ミリA[アンペア]の電流を流すと発光し、寿命が長い、熱くならない、などの特徴があります。下の画像が発光ダイオードです。赤色の他に、緑、黄、青、色などもあります。
　下図、左がLEDの写真、右が回路図のシンボルです。LED素子の長い方の線に電源の＋、短い方に - を接続すると順方向になり電流が流れます。シンボルでは、左から右に電流を流します（中央部が矢印になっています）。

LEDの特性

　LEDはダイオードと呼ばれる半導体の1種です。ダイオードには方向性があり、特定の方向（順方向)に一定以上の電流（5mA程度）を流すと発光します。ただし、許容値以上の電流を流すと、半導体の温度が上がり壊れてしまいます。
　ただし、dV（約1.6～1.8）ボルト以下の小さな電圧を掛けても電流は流れません。一定以上の電圧（ｄV)をかけると、急に電流が流れます。したがって、乾電池1個の電圧では点灯しません。
　

LEDの回路

　５Vの直流電源に抵抗素子とLEDを直列に接続します（右の回路図）。電源の電圧を上げ、ｄV （赤色ＬＥＤの場合、約1.8V）以上になると、電流が流れるようになります（下図左のグラフ）。数mA以上の電流が流れると発光が確認できます。電源の電圧をV、抵抗の値をR,電流の強さをIとすると、

　V = dV + R * I

　の関係があります。dVは発光ダイオードにより定まる固定値です(赤は低く青色では2.4V以上必要です)。dV、V、I、が定まれば、抵抗Rを計算できます。逆に PV、R、I、が定まれば、ｄVの値を計算できます。下は、LEDの電圧と電流の関係です。

テスタによる抵抗測定

　発光ダイオードは片方しか電流が流れませんから、逆方向の抵抗は非常に大きくなります。しかし、実際に（通常の）テスタで測定すると、両方向とも大きな抵抗になります。LEDには、順方向にdV（約1.8V）程度の電圧をかけないと、電流が流れません。テスタは抵抗を測定するとき内蔵された電池を利用しますが、この電圧は低いので、電流が流れません。したがって、大きな抵抗になってしまいます。
　ダイオードの順方向の抵抗を計測する特殊なテスタもあります。

スイッチ

スイッチ素子

下図、小型の押しボタン型スイッチの写真、右がスイッチの記号（シンボル）です。このスイッチは押しボタン型スイッチで、スイッチを押すと側面の二つの接点（A-B　または　CーD）が導通します（同じ側面に出ている二つの端子（A、C　および B,D）は内部で接続されています）。ボタンを離すと左右の端子（A,C-B,D）は絶縁されます。
　

スイッチ回路

　下図のように、LEDの点灯回路にスイッチを入れます。スイッチがオフのときは、LEDは点灯しません。スイッチがオンのときは、LEDは点灯します。ディジタル回路では、スイッチの役割を半導体が行います。半導体のオン/オフでLEDは点滅し、見えない半導体の状態が「見る」ことができます。

トランジスタ素子

トランジスタ
（バイポーラ型）トランジスタは、E（エミッタ）、C（コレクタ）、B（ベース）の3端子から構成されます。ここでは、型番 2SC1815 のトランジスタを利用します。B からEに電流を流さないと、C と E 間の抵抗は大きくなります。この状態をオフ状態といいます。B（ベース端子）から E（エミッタ端子）に、数ｍA程度の電流を流すと C から E にも電流が流れるようになります（C-E間の抵抗が小さくなります）。この状態をオン状態といいます。
　　　　
トランジスタによるLED点灯回路
　一般のディジタル回路では、LED1個程度の電流しか流すことができません。そこで、まず、小さな電流でトランジスタのB-E間に電流を流し、トランジスタの C-E 間をオンにし、電源-C に接続した部品に大きな電流を流します。
　これで、高輝度大電流のLEDも点燈可能になります。B-E間の電流は 1mA 程度ですから、通常のディジタルICで直接駆動できます。大型トランジスタを利用すれば、100W以上の大電力も接続できます。

実験

LEDの発光電圧の計測

　電源に抵抗とLEDを接続します。電圧が小さい（1V以下）のとき、電流は流れません。2V以上の電圧をかけると、電流が流れLEDが発光します。このときのLEDの両端の電圧を測るとdVを知ることができます。抵抗の値Rを計測すれば

    　V = dV + R * I

から、流れる電流を計算できます。

スイッチによる点滅回路

　スイッチでLEDを点滅する回路を制作します。下図の回路で、スイッチをオンにするとLEDに電流が流れ点灯し、オフにすると消灯します。
　下の図のようにスイッチを差し込みます。電源の＋（赤色）を上の電源バーに接続し、電源の - を下側の電源バーに接続します。上下の電源バーの穴は内部で左右方向に接続されています。
　次に上の電圧バー＞抵抗＞ダイオード（長い端子）＞発光ダイオード（短い端子）＞
　スイッチ右上端子＞スイッチ右下端子＞電源-　の順に接続します。

抵抗の値
発光ダイオードを点灯させる電流は10mA（ミリアンペア）程度ですから、電圧を5Vとすると抵抗値は300-400オームとなります。実験では3３0オームの抵抗を利用します。

トランジスタを利用した点滅回路

トランジスタを利用した点滅回路を制作し、その動作を確認してください。ボタンを押すとLEDが点燈し離すと消えます。スイッチを押すと、トランジスタのB（ベース）に電圧がかかり、BからE（エミッタ）に電流が流れます。これが引き金になり、トランジスタのC（コレクタ）からEに電流が流れ、これでLEDが発光します。C（コレクタ）からEに流れる電流は200mAまで可能です。ディジタルICの出力端子は10mA程度が限度です。
スイッチ回路図から配線パタンへの変換にも慣れてください。