榛名颪のブログ一覧

確か、以前も同じような記事を書いたような覚えもあるけれど、自分でも忘れちゃうので、たまに知識の反芻をいたします。

題して「LEDは何個まで直列に繋げられるか？」

要は、LED点灯回路を作る際の電流制限抵抗などなどの考え方のおさらいです。

以下、複数個の赤色LED（※）を直列繋ぎして、車の電源（電圧変動範囲：11.5～14.4Vとする）で点灯させる場合を考えてみます。
※　題材としては
　　　順方向降下電圧Vf＝2.1V
　　　順方向電流If=18mA
　　の発光ダイオードを使うとします。


＜LEDの基本的な性質＞
・LEDのVfは、発光色にある程度依存し、
　　赤外線LED：1.2Vくらい
　　赤・橙・黄・緑LED：2.1Vくらい
　　白・青LED：3.5Vくらい
　　紫外線LED：4.5～6V
　です。
　LEDはVfを超える電圧をかけないと発光しません。
・LEDのIfは、発光色が同色でもLEDの大きさや出力によって異なります。
　しかし、直径が3～5mmの砲弾型LEDならおおよそ15～20mAくらいです。
　LEDはIfより小さすぎる電流では発光しません。（発光しても暗い）
　大きすぎる電流では寿命が短くなり、最悪、瞬間的に光って燃えて破壊されます。
・LEDは多くの場合、電圧で壊れるのではなく、電流の流し過ぎで壊れます。

＜定電流ダイオード（CRD）の基本的な性質＞
・定電流ダイオード（CRD）は、流れる電流をある決まった値（「ピンチオフ電流」と呼ばれる）以下に抑える働きを持つダイオードです。
・定電流ダイオード（CRD）は、電源電圧のうち約5Vを自分自身で食います。
　電源電圧からその電圧を差し引いた残りの電圧がLEDに割り当てられる電圧になります。

＜電流制限抵抗方式の回路によってLEDを発光させる場合＞
この方式は、単純にオームの法則　E（V）=I（A）×R（Ω）の関係性を使って、LEDに流れる電流を制御するものです。
①　まず電源電圧下限11.5Vでの計算。
　　直列で繋げられるLEDの数：
　　　　11.5V÷2.1V＝5.476　・・・Max5個まで点灯可。
　　LEDに18mAを流したい場合の電流制限用の抵抗値：
　　　　（11.5V÷2.1V－5）÷18mA＝26.4Ω
　　　　　　　　　　　　　　　・・・市販の抵抗器で近い抵抗値のものは27Ω。
②　①の回路のまま電源電圧が上限14.4Vまで変動すると、LEDに流れる電流はどうなるでしょう？
　　　　（14.4V－2.1V×5）÷27Ω＝144mA
　　LEDにIf＝18mAをはるかに超える144mAの電流が流れ、LEDが壊れます。
　　最悪LEDが燃えます。（燃やしたLED数知れず・・・）
③　従って、電源電圧が11.5V～14.4Vの範囲のどこであっても、流れる電流がIfを超えない（あるいは百歩譲って、「大きくは超えない」）抵抗値とLEDの数が望ましいです。
④　「電源電圧」、「抵抗値」、「LEDの数」の３パラメータを変化させて最適解を探ることになりますが、結果を先に書くと
　　　抵抗値を330Ωとします。・・・330Ωの抵抗器は普通に市販されています。
　　　直列に繋ぐLEDの数は3個とします。
④-1　電源電圧下限11.5Vの場合にLEDに流れる電流の検算。
　　　　（11.5V－2.1V×3）÷330Ω＝15.8mA
④-2　電源電圧上限14.4Vの場合にLEDに流れる電流の検算。
　　　　（14.4V－2.1V×3）÷330Ω＝24.5mA
　　以上のように、LEDのIfに対して、低い側の電圧では電流がやや小さめになり、高い側の電圧ではやや大きめの電流になりますが、LEDの寿命への影響はあまり無い程度と見なせます。

＜定電流ダイオード（CRD）方式の回路によってLEDを発光させる場合＞
この方式は、定電流ダイオード（CRD）を用いて、LEDに流れる電流を制御するものです。
①　まず電源電圧下限11.5Vでの計算。
　　直列で繋げられるLEDの数：
　　　　（11.5V-5V）÷2.1V＝3.095　・・・Max3個まで点灯可。
　　　LEDに流れる電流は、E-183というCRDを使えばMax18mAとなります。
②　①の回路のまま電源電圧が上限14.4Vまで変動すると、LEDに流れる電流はどうなるでしょう？
　　　LEDに流れる電流は、E-183というCRDを使えばMax18mAとなり、電源電圧変動の影響を受けません。
　　　（厳密には、車の電源電圧変動の範囲なら影響を受けませんが、数Vまで落ちると流石に電流値も落ち、逆に最高使用電圧（E-183の場合は25V）を超えるとCRDが破壊されます）
　　　したがって、（現実の車では無理ですが）電源電圧を14.4Vでキープできるなら
　　　直列で繋げられるLEDの数：
　　　　（14.4V-5V）÷2.1V＝4.476　・・・4個まで直列に繋げられます。

＜電流制限抵抗方式と定電流ダイオード方式の一長一短＞
電流制限抵抗は普通の抵抗なので、1個10円くらい。
CRDは1個40円くらい。
繋げるLEDのVfやIf、その車の電源電圧の変動幅等々、いろいろな要素があるため、電流制限抵抗を使う方法とCRDを使う方法のどちらが優れているかは一概には言えません。
　LEDが故障した場合の交換が容易だったり、安く上げたいなら、電流制限抵抗方式が有利。（車のルームランプなどの純正車載回路などがコストを抑えている良い例。）
　LEDが故障した場合の交換が難しかったり、車の電源変動幅が大きいのなら、CRD方式が有利。
どちらの方法も、電流を制限するために余剰の電力を熱に変えているため、エネルギー効率は”ドングリの背比べ”になります。

＜余談＞
以上のように、発光色によってVfが異なるため、違う色へのLED打ち換えを行う場合は、電流制限抵抗も併せて打ち換える必要があるケースもあり得ます。
例えば橙→青への打ち換えの場合、Vfが約1.5倍になるので、電流制限抵抗がそのままだと、LEDへ分配される電圧あるいは電流が不足して点灯しないLEDが発生する可能性があります。
「打ち換えたらLEDが点灯しなくなった！」という場合は、Vfや電流制限抵抗のことも疑うべし・・・です。

仕事から帰ると趣味部屋に籠り、あるヒカリモノの研究開発中^^

・・・いやまぁ、試行錯誤はしてますけど、「研究開発」はちょっとカッコよく言い過ぎですね(^^;

こんな感じです。



複数のLEDをUV硬化レジンでモールドして連結し、１つの灯体に仕上げる練習をしています。
LEDの透明エポキシ樹脂とUVレジン（アクリル系）の屈折率が似通っているので、うまく作ると発光部を複数持つ大きなLEDのような感じになりそうです^^
UV硬化レジンでのモールド部分の大きさは幅45mm、高さ5mm。奥行5mmで、その後ろにLEDとCRDを実装した基板があります。

試作１号
　5mmオレンジLED✕３個直列＋CRD E-183✕１
　（5mmオレンジLED　3灯仕様）

試作２号
　試作１号に対し、
　5mmオレンジLED✕２個直列＋CRD E-183✕１のセットを２セット並列
　（5mmオレンジLED　４灯仕様）
　黒のコーキング材で基板コーティング試作

試作３号
　試作２号に対し、
　5mmオレンジLED→3mmオレンジLEDに換装（回路的には試作２号と同じ。）
　（3mmオレンジLED　4灯仕様）

初めてUV硬化レジンを使うのですが、気泡が入ったりでなかなか満足のいく仕上がりになりませぬ(^^;
でも、なかなか面白い！

で、点灯するとこんな感じ。



ん～

大きさ、光り具合は試作３号が良さげな感じ。
もう少しUV硬化レジンを使った私のモールディングの腕が上がれば、なかなか良さげなものが作れそうです^^
それまでに何個のLEDを潰すかですが・・・(^^;

あ～、LEDとCRDを買い足しておかないと・・・orz

しかし、仕事から帰って夕飯食べて、あっという間に５時間が経過。
時間が経つのが速いよぅ(^^;

ネットの中を巡りながら、電子回路の勉強中。

例えば５つのリレーを順繰りにON/OFFさせていく回路が作れないかなと思いまして。

12Vから電圧を降圧させる回路。

周期パルスを発生させる回路。

パルスをカウントして出力を切り替えていく回路。

カウンター出力をリレー駆動できるまで増幅させる回路。

これらを組み合わせたらできないかなと、あっちを見たりこっちを見たりで勉強しています。

とりあえず、今はこんな感じの案ができました。



一度ブレッドボード上に組んでみて、本当に動くのか試してみようかな^^

エクストレイルの運転席右側のスイッチパネルの裏の配線のことです。
色々な後付け機器やイルミの配線を無計画にエレクトロタップで分岐していったので、もう配線がこんがらがってすごいことになってます。
とても、写真に撮って皆様に見せられたものではありません(－－〆)

もう限界だ＼(゜ロ＼)(／ロ゜)／
先日のイルミ系のトラブルの件もあるので、今年中にイルミ専用線を新たに引いて配線を整理しよう。
今晩は、その計画や配線艤装の検討を行うです( ..)φメモメモ
ちゃんと端子台を作るかな。

現車のエクストレイルがうちに来たのが、2年半前の2019年3月23日。
既に走行距離71,383kmの5年落ち中古車でした。
初年度登録は2014年4月。

昨日の6か月点検時点での走行距離がこれ。



・・・

130,694-71,383＝59,311

2年半で約6万kmなので、1年で約2万4000km。
これでも、コロナで走行距離の伸びが悪くなったんですよ。
前車は1年で3万5000km、新車で購入して最初の車検時に10万km超えてたので。
（19年間の所有で、最終走行距離は35万3001km。ワンオーナー廃車）

通勤や買い物に毎日乗っていて、エンジンに火を入れない日はありません。
群馬じゃ車は実用品。
昔は（今も？）運転免許を持っていないと「お前、読み書きできないのか？」とまで言われたお土地柄。
戸建て住宅では、最低でも2台以上停められる駐車スペースが無いと、建売は買い手が付かないそうです。

ちょっとびっくりしたのが、タイヤの「もち」。
エクストレイルを購入したときにタイヤは新品に換えてもらったんですが、今もそのタイヤを履いてます。
昨日の点検では、約6万km走って溝がまだ6mmもあります。（ディーラーでの交換目安は4mm以下）
・・・すげーな。

前車（E50エルグランド）は前輪軸重が約1tonあったので、アップダウンの激しい群馬の道では1年で前輪がツンツルツン。
エクストレイルは軽いので全然タイヤが減らないですね。
これは助かる。

ただねぇ・・・運転席の座面がボロボロになってきた。
（T32アルアルですね(^^;）
これはこれで今後の課題だな・・・。