LEDを使ったパイロットランプ

質問

一般的にはＬＥＤを使う場合、マジックアイさんのサイト
http://www.magiceye.jp/index.php?page=ledp1.inc
のようにＬＥＤとダイオードは並列につなぐようです。逆電流からＬＥＤを
守るということでしょうか。
しかし、１００Ｖということで少ない電流をながしても、結構な熱が抵抗から発生します。
そこでＬＥＤとダイオード直列につないだら電流が半分になるので抵抗の負担が
半減するんではないかと思うんですが、どうでしょうか。

回答No.7

mtaka2 · ベストアンサー

ダイオードの逆方向電流については、データシート上の最大値(10μA程度)で設計するべきでしょう。

LEDの端子間容量については、あまりデータシート上に数値が出ていることはありませんが、ちょっと探したら、典型値で20pFという製品がありました。
http://sysdoc.doors.ch/SHARP/gl5zv152_j.pdf

数十nA/数nFという、5桁も安全側によせたシミュレーションを理由に大丈夫だというのはあまりにも机上の空論的・楽観的な言及に思えます。

回答No.6

xpopo

回答NO.2の者です。

話がややこしくなってるようですので、以下に整理してみようかと思います。

　　まず、LEDに加わる電圧ですが、LEDにシリーズに整流用シリコンダイオード
（耐圧200V以上）が挿入されている場合。図の左側の回路に相当します。

　この場合、LEDに加わる電圧はシミュレーション波形を良く見て頂きたいんですが、
最初の順方向に電圧が印加されている期間、０～10msecまではLEDには最大2.5V
順方向に印加されてるのがわかります。続いて10msecから20msecの期間、この期間は
AC電源の電圧はマイナスに振れている期間ですが、LEDの電圧は値は低くなっていますが
相変わらず、順方向の電圧　2V～1.7V　が加わっているのがわかるかと思います。
注目して欲しいのは

　　この電圧は順方向の電圧であり、　逆方向に加わっていない

ということです。この状態はLEDには全く問題の無い状態だということです。

LEDに逆方向の電圧がかからないで逆に順方向の電圧が加わっている理由は以下の通りです。

　　(1)　LEDの等価容量：LEDの接合容量は数千pFのオーダーの値を持っています。順方向
　　　バイアス時にはその接合容量に一定の順方向バイアス電圧が充電されます。

　　(2)　次に電源電圧が反転して逆方向にバイアスされると接合容量に充電されていた電荷は
　　　LEDにシリーズに挿入されている整流ダイオードの逆方法バイアス時のリーク電流で
　　　放電が開始されます。

　　(3)　電源が逆方向に印加されている状態ではシリーズに挿入されている整流用シリコン
　　　ダイオードには逆バイアス時の微小電流（リーク電流）が流れるだけです。その電流値
　　　は最大でも10μA程度で通常は数十nAのオーダーです。

　　(4)　LEDの接合容量Cjが大きく（このシミュレーションに使用したLEDのCjは2.7nFもありました。）
　　　放電時（電源が逆極性に振れている期間）の微小放電電流（シリーズに挿入されている整流用
　　　シリコンダイオードのリーク電流数十nAtyp）によりLEDのCjに充電された電荷を放電します
　　　が、10msec程度の時間では１Vも放電されません。このシミュレーションの条件の場合はそれが
　　　０．７V程度に収まっているということです。

以上のように、LEDにシリーズに整流用シリコンダイオードを挿入すればLEDには逆方向の電圧は
十分抑制されてLEDにストレスが加わってLEDが劣化あるいは破壊されるという可能性は無いという
ことが分かると思います。

回答No.5

mtaka2

> どうやら問題のポイントは、私の思い込みなのか、ダイオードは逆電圧を
> ブロックくれるというところのようです。

大雑把に言えば、その考え方は間違いではありません。

ですが、LEDも「発光ダイオード」というダイオードであることを忘れないでください。LEDもダイオードとして「逆電圧をブロック」しようとする働きがあるのです。

ただし、普通の整流ダイオードは、数百ボルトという電圧に耐えられるのに対し、LEDはたったの5V程度しか耐えることができません。

> 整流用のダイオードを使えば逆電圧をブロックしてくれるんじゃないんですか。

整流用ダイオードとLEDを直列にした場合、整流用ダイオードとLEDが100Vの電圧を折半してブロックするわけです。ちょうど50Vずつになるわけではありませんが、「整流用ダイオードに大半の電圧がかかって、LEDには5Vもかからない」なんて都合の良いことにはならないのです。

一方で、LEDと整流用ダイオードという二つのダイオードを逆向き並列にした場合、
交流の各サイクルで、順方向になっているダイオードの方に電流が流れるため、
もう片方のダイオードは「逆方向の電圧をブロック」しなくても済むのです。
そうすることで「LEDが逆電圧に耐えきれずに壊れる」ことを防ぎます。

回答No.4

mtaka2

回答1の者ですが、
> わたしも最初は１００Ｖ÷１０ＫΩ＝１０ｍＡということで
> １０ＫΩの抵抗を入れただけでやってみたらＬＥＤがすぐこわれました。

ちゃんとダイオードは「LEDと逆向きに、並列接続」しましたか?
LEDに対して、逆向きに電圧をかけた時の耐圧はせいぜい5V程度です。
ダイオードの並列接続をしなかったり、LEDと同じ向きに並列接続したりすると、交流電源でで逆電圧がかかった時に、LEDに100Vもの逆電圧がかかるため、まず間違いなくLEDは壊れます。

それと、抵抗の発熱についてですが、電流10mAとすると、10kΩの抵抗には10mA×約100=約1Wの発熱になります。1/2Wや1/4Wの抵抗では持たないでしょう。

ダイオードを直列にする場合ですが、回答2で挙げられた図左の回路では、確かに抵抗の消費電力は半分になります。発熱も半分になるでしょう。
ですが「LEDに逆電圧がかかる」という問題は解消しませんので、実際に使える回路にはなりません。LEDが壊れてしまいます。

あとは回答3で挙げられてる例ですが、

> http://blogs.yahoo.co.jp/hiro_nmlc/57994590.html
> http://denshi-kousaku.nazotoki-k.com/led/led.htm　（一番下の回路図）

この二つは、商用電源の高電圧交流で使うことを想定したものではありません。ですから、前提条件が違います。

> http://ameblo.jp/m5-1/entry-10125811828.html　（最後の写真を見ると直列）
これは、商用電源100V駆動ですが、「LED2本直列にしたもの」を、ちゃんと「逆向きに並列接続」した形になっています。
(LEDも「発光ダイオード」というダイオードなわけですから、LED同士を逆向きに並列接続すれば、それでも互いのLEDが交流点灯時の逆電圧に対する保護になるのです。)

とにかく、商用電源の100Vで直接LEDを点灯させる場合、「LEDに逆電圧がかからないようにする」のは非常に重要なポイントになります。
あとは、発熱が気になるなら、回答1であげた「コンデンサを直列にして電圧を下げる」方式が一番確実です。
これならエネルギーがムダにならないので、発熱もないですし消費電力も小さくなります。

補足

たびたびの回答ありがとうございます。

＞ダイオードを直列にする場合ですが、、、、、
＞「LEDに逆電圧がかかる」という問題は解消しませんので、

どうやら問題のポイントは、私の思い込みなのか、ダイオードは逆電圧を
ブロックくれるというところのようです。
整流用のダイオードを使えば逆電圧をブロックしてくれるんじゃないんですか。

回答No.3

foomufoomu

電子工作は、ずいぶん昔からやっていましたが、LEDの保護ダイオードは直列に入れるもの、とばかり思っていました。

http://blogs.yahoo.co.jp/hiro_nmlc/57994590.html
http://denshi-kousaku.nazotoki-k.com/led/led.htm　（一番下の回路図）
http://ameblo.jp/m5-1/entry-10125811828.html　（最後の写真を見ると直列）

こちらは、ご丁寧に直列と並列、両方入れてあります。（どちらも市販品のLED照明）
http://astrotiger.blog82.fc2.com/blog-entry-727.html
http://blogs.yahoo.co.jp/denkiya_avr/24960421.html

ほんとに並列で大丈夫なのでしょうか？　って気がするのですが。
LEDが電源に直接つながっている(直列抵抗がありますが)のは気持ち悪いです。

お礼

わたしも最初は１００Ｖ÷１０ＫΩ＝１０ｍＡということで
１０ＫΩの抵抗を入れただけでやってみたらＬＥＤがすぐこわれました。
そして抵抗が熱くなってました。

回答No.2

xpopo

こんばんわ。

>ＬＥＤとダイオード直列につないだら電流が半分になるので抵抗の負担が
＞半減するんではないかと思う

はい、その通りです。ちなみに、これをSPICEシミュレーションで示した結果を添付します。

下の回路図で電源の右側にはLED　D1に並列にダイオードD4を逆方向に並列に接続した回路を、
左側にはLED　D2に直列に同じ方向にダイオードD3を接続した回路を示してあります。
この左右両方の回路はともに制限抵抗に220ｋΩをシリーズに接続してあります。

電源には波高値141V、50Hzの正弦波を使用しています。

シミュレーション結果は上側に示してあります。水平軸は時間で０msから50msecまでを、
垂直軸は左から抵抗の消費電力、ダイオードの電圧、右側にはダイオードの電圧を示してあります。

グラフで上段は左側（ダイオードをシリーズ接続）の回路の結果を、下段は右側（ダイオードを
逆方向にパラ接続）の回路の結果を示しています。

抵抗の消費電力を赤線で示してありますが、下段の結果ではLEDに流れていない期間には
ダイオードD4経由で抵抗R1に電流が流れてしまうために電力が消費されていることが分かります。
なお、LEDの電流は青線、LEDの電圧を黄色の線で示してあります。

このように抵抗の消費電力で見ればダイオードをシリーズに接続すればLEDに電流が
流れていない期間はダイオードで電流が遮断されますので抵抗にも電流は流れませんので
抵抗の消費電力は半分になります。

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.1

mtaka2

> 逆電流からＬＥＤを守るということでしょうか。

「逆電圧からLEDを守る」のです。

順方向では、LEDにはちゃんと電流が流れますので、
・LEDにかかる電圧は3V
・抵抗にかかる電圧が97V
・抵抗とLEDに流れる電流は1mA
になりますが、逆方向でダイオードを入れないと、「LEDは、逆方向には電流が流れない」「抵抗は、電流に比例した電圧がかかる」という性質から、
・抵抗とLEDに流れる電流は0mA
・抵抗にかかる電圧は0V
・LEDにかかる電圧は100V
ということで、LEDに100Vの逆電圧がかかってしまいます。

ここで、ダイオードを入れることで、逆方向に電圧がかかった時には、LEDには電流は流れませんがダイオードの方は流れるので、
・ダイオードにかかる電圧は1V
・抵抗にかかる電圧が99V
・抵抗とダイオードに流れる電流は1mA
みたいなことになって、ダイオードに並列のLEDにかかる逆電圧も1Vぐらいですむのです。

> ＬＥＤとダイオード直列につないだら

その場合、LEDとダイオードの向きを逆にするとまったく電流は流れなくなりますし、
LEDとダイオードの向きを揃えた場合、LEDとダイオードで100Vを折半することになり、結局やっぱりLEDには過大な逆電圧がかかってしまいます。
どちらにせよ、まったく意味がありません。

なお、抵抗から発する熱ですが、抵抗に流れる電流が0.5mAだとすると、たったの50mWです。
これは、60W白熱電球の1/1000以下、1gの水が1分かけて0.7度上昇する程度の発熱です。
発熱を気にするほどではないと思います。

それでもどうしても発熱が気になるのでしたら、抵抗ではなくコンデンサを直列にするという方法があります。
http://goo.gl/SXiGD
コンデンサを使った場合、交流電源によってコンデンサは充放電を繰り返しますので、エネルギーのロスがありません。そのため発熱もありません。

上述のページでは、LED2個を逆向きに並列にしますが、それの必要性も、今回の質問の「LEDとダイオードを逆向きに並列」にするのと理由は同じです。
ダイオード並列にする場合、ダイオードに流れる電流はムダに捨てるだけですが、
LED2本並列にすれば、交流のどちらの向きの電圧でも、どちらかのLEDが光ることでエネルギーのムダがなくなります。

補足

先日、手持ちの何Ωだったか忘れたんですが1/２W抵抗を使ってちょっと
実験してみたらまたたくまに抵抗が焼けて黒くなってしまいました。
それで直列につないだら少しはましなのかなと思って質問したんですが
あまりよくないですか。