LED回路
シンプルなLED（発光ダイオード）回路図

電子工学において、LED回路またはLEDドライバは、発光ダイオード（LED）に電力を供給するために使用される電気回路です。この回路は、LEDを必要な明るさで点灯させるのに十分な電流を供給する必要がありますが、LEDの損傷を防ぐために電流を制限する必要があります。点灯したLEDの両端の電圧降下は、動作電流の広い範囲にわたってほぼ一定です。したがって、印加電圧をわずかに増加させると、電流が大幅に増加します。データシートでは、この降下を特定の動作電流における「順方向電圧」（）として指定する場合があります。低電力インジケータLEDには非常にシンプルな回路が使用されます。照明用の高電力LEDを駆動して適切な電流制御を実現する場合は、より複雑な電流源回路が必要です Vf{\displaystyle V_{f}}

基本回路

LEDを駆動する最も単純な回路は、直列抵抗器を使用するものです。多くの家電製品のインジケータやデジタルディスプレイによく使用されています。しかし、この回路はエネルギー効率が良くありません。なぜなら、エネルギーは抵抗器内で熱として消費されるからです

LEDの抵抗値は材料によって異なります。適切な抵抗値を計算するには、オームの法則とキルヒホッフの回路法則を用います。供給電圧からLEDの抵抗値を差し引き、それを所望の動作電流で割ることで算出します。供給電圧が十分に高ければ、直列に接続された複数のLEDに1つの抵抗で電力を供給できます。 Vf{\displaystyle V_{f}}Vf{\displaystyle V_{f}}

供給電圧が LED の電圧に近いか等しい場合、抵抗器の適切な値を計算できないため、他の電流制限方法が使用されます。 Vf{\displaystyle V_{f}}

電源に関する考慮事項

LEDの電圧対電流特性は、他のダイオードと同様です。電流は、ショックレーのダイオードの式によれば、電圧の指数関数にほぼ相当し、小さな電圧変化でも電流が大きく変化する可能性があります。電圧が閾値以下の場合、電流は流れず、LEDは消灯します。電圧が高すぎる場合、電流は最大定格を超え、過熱してLEDを破壊する可能性があります

LEDドライバは変動負荷に対応できるよう設計されており、必要な明るさを達成するのに十分な電流を供給しながら、損傷につながるレベルの電流が流れないようにします。ドライバには定電流（CC）ドライバと定電圧（CV）ドライバがあります。CCドライバでは、電流は一定のまま電圧が変化します。CCドライバは、LED回路の電気負荷が不明または変動する場合に使用されます。例えば、LEDランプ器具の数が変動する照明回路などです。

LEDが加熱されると、電圧降下が減少します（バンドギャップの減少[ 1 ]）。これにより電流が増加する可能性があります。

MOSFETドライバ

内部のLED素子とドライバ回路が露出した家庭用LED電球

アクティブ定電流源は、高出力LEDによく使用され、広範囲の入力電圧にわたって光出力を安定化するため、電池の寿命を延ばす可能性があります。アクティブ定電流源は通常、最もシンプルな電流制限素子であるデプレッションモードMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）を用いて制御されます。[ 2 ]低ドロップアウト（LDO）定電流レギュレータは、LED電圧を電源電圧のより高い割合で制御することも可能です。

スイッチング電源（例：降圧、昇圧、昇降圧コンバータ）は、LED懐中電灯や家庭用LEDランプに使用されています。パワーMOSFETは、スイッチングLEDドライバとして一般的に使用され、高輝度LEDを駆動するための効率的なソリューションです。パワー集積回路（IC）チップは、追加回路を必要とせずにMOSFETを直接駆動するために広く使用されています。[ 2 ]

直列抵抗器

直列抵抗器はLED電流を安定させる簡単な方法ですが、抵抗器でエネルギーが無駄になります

小型表示用LEDは通常、電流制限抵抗を介して低電圧DCで駆動されます。電流は2mA、10mA、20mAが一般的です。超高輝度LEDを非常に低い電流で駆動することで、1mA未満の表示を実現できます。電流が低いと効率が低下する傾向がありますが[ 3 ] 、 100μAで動作する表示器も依然として実用的です。

コイン電池で駆動するキーホルダー型 LED ライトでは、通常、電池自体の抵抗が唯一の電流制限装置となります。

直列抵抗を内蔵したLEDも利用可能です。これはプリント基板のスペースを節約できるため、特に試作機を製作する場合や、設計者の意図とは異なる方法でプリント基板に部品を配置する場合に便利です。ただし、抵抗値は製造時に設定されるため、LEDの輝度を設定するための重要な方法の1つが失われます。

電圧電源 (電圧 V)、LED、抵抗器 (抵抗 R)、および電流の流れ (I) を示す回路図。

直列抵抗の値は、供給電圧がダイオードの によって相殺され、有効電流の範囲にわたってほとんど変化しないこと を考慮すると、オームの法則から得ることができます。Vf{\displaystyle V_{f}}

R＝Vpower−Vf−Vswitch私led{\displaystyle R={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over I_{led}}}  または  私led＝Vpower−Vf−VswitchR{\displaystyle I_{led}}={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over R}

ここで：

R{\displaystyle R}は抵抗値（オーム単位）であり、通常は次に高い抵抗値に切り上げられます。
Vpower{\displaystyle V_{電力}}電源電圧（ボルト単位）です（例：9ボルト電池）。
Vf{\displaystyle V_{f}}はLEDが点灯しているときの順方向電圧降下（ボルト単位）です。LEDの光周波数（色として認識される）は、 LED材料のバンドギャップの増加に伴って増加します。したがって、は赤色LEDで約1.7～2.0ボルト、紫色LEDで約2.8～4.0ボルトの範囲になります。赤外線（IR）LEDは通常、1.2ボルトなど、はるかに低くなります。各LEDの順方向電圧降下については、各LEDの製造元のデータシートを参照してください。Vf{\displaystyle V_{f}}Vf{\displaystyle V_{f}}Vf{\displaystyle V_{f}}
Vswitch{\displaystyle V_{スイッチ}}スイッチ間の電圧降下（ボルト単位）です。（A）スイッチがない場合は0ボルト、（B）機械式スイッチの場合は0ボルト、（C）BJTトランジスタの場合はトランジスタのデータシートのコレクタ-エミッタ飽和電圧を使用します。VCE（sat）{\displaystyle V_{CE(sat)}}
私led{\displaystyle I_{led}}はLEDに供給する電流値（アンペア単位）です。最大連続オン電流はLEDのデータシートに記載されており、例えば、小型LEDのほとんどでは20mA（0.020A）が一般的です。多くの回路では、消費電力を節約するため、輝度を下げるため、あるいは共通の抵抗値を使用するために、規定の最大電流よりも低い電流でLEDを動作させます。屋内用途では、小型の表面実装型高効率LEDは1mA（0.001A）の電流で容易に点灯することができ、ほとんどのデジタルロジック出力はこれを容易にソースまたはシンクできます。

代数式 (上記) を使用し、が 0 であると仮定すると (例を簡略化するため)、抵抗と電流の例は次のように計算されます。 Vswitch{\displaystyle V_{スイッチ}}

例1 12 V、9 V、= 1.8 V、= 5 mAの場合、計算します。Vpower{\displaystyle V_{電力}}Vf{\displaystyle V_{f}}私led{\displaystyle I_{led}}R{\displaystyle R}
R{\displaystyle R}= (12 V - 1.8 V) / 5 mA = (12 - 1.8) / 0.005 = 2040 オーム、おそらく 2K オームの抵抗に切り捨てられます (一般的な抵抗値)。
R{\displaystyle R}= (9 V - 1.8 V) / 5 mA = (9 - 1.8) / 0.005 = 1440 オーム、おそらく 1.5K オームの抵抗に切り上げられます。
例2 5および3.3 V（デジタルロジック電圧）、= 1.8 V、= 1 mAの場合、計算します。Vpower{\displaystyle V_{電力}}Vf{\displaystyle V_{f}}私led{\displaystyle I_{led}}R{\displaystyle R}
R{\displaystyle R}= (5 V - 1.8 V) / 1 mA = (5 - 1.8) / 0.001 = 3200 オーム、おそらく 3.3K オームの抵抗に切り上げられます。
R{\displaystyle R}= (3.3 V - 1.8 V) / 1 mA = (3.3 - 1.8) / 0.001 = 1500オーム。
例3 5 Vと3.3 V（デジタルロジック電圧）、= 1.8 V、= 1Kオームの場合、計算します。Vpower{\displaystyle V_{電力}}Vf{\displaystyle V_{f}}R{\displaystyle R}私led{\displaystyle I_{led}}
私led{\displaystyle I_{led}}= (5 V - 1.8 V) / 1K オーム = (5 - 1.8) / 1000 = 0.0032 アンペア、つまり 3.2 mA です。
私led{\displaystyle I_{led}}= (3.3 V - 1.8 V) / 1K オーム = (3.3 - 1.8) / 1000 = 0.0015 アンペア、つまり 1.5 mA です。

LEDアレイ

直列接続のLEDの回路図
並列接続のLEDの回路図

複数のLEDストリングは通常、直列に接続されます。ある構成では、電源電圧は個々のLED電圧の合計以上である必要があります。通常、LED電圧の合計は電源電圧の約3分の2になります。各ストリングには、1つの電流制限抵抗器を使用できます。

並列動作も可能ですが、問題が発生する可能性があります。並列接続されたLEDは、分岐電流を同等にし、ひいては光出力も同等にするために、厳密に整合させる必要があります。製造工程におけるばらつきにより、一部の種類のLEDを並列接続した場合、良好な動作を得ることが困難な場合があります。[ 4 ]Vf{\displaystyle V_{f}}

LEDディスプレイ

LEDは、多くの場合、各LED（または各LED列）を個別にオン/オフできるように配置されています

ダイレクトドライブは最も理解しやすいアプローチで、多数の独立した単一LED（または単一ストリング）回路を使用します。例えば、7セグメントディスプレイに「12:34」と表示された場合、適切なセグメントを直接点灯させ、他の表示が必要になるまで点灯した ままにするデジタル時計を設計できます。

しかし、多重化表示技術はハードウェアの純コストが低いため、直接駆動よりも頻繁に使用されます。例えば、デジタル時計を設計する人の多くは、7セグメントディスプレイに「12:34」と表示しているとき、ある瞬間にいずれかの桁の適切なセグメントを点灯させ、他の桁はすべて消灯するように設計します。時計は桁を非常に高速にスキャンするため、1分間ずっと「12:34」を「常に」表示しているように見えます。しかし、実際には、各「点灯」セグメントは1秒間に何度も高速にオンとオフを切り替えています。

この技術の拡張としてチャーリープレックスがあります。一部のマイクロコントローラは出力ピンをトライステートにできるため、ラッチを使用せずにより多くのLEDを駆動できます。N本のピンの場合、n 2 -n個のLEDを駆動できます。

LEDを駆動するための集積回路技術の使用は、1960年代後半に遡ります。1969年、ヒューレット・パッカードは初期のLEDディスプレイであり、集積回路技術を採用した最初のLEDデバイスであるHP Model 5082-7000 Numeric Indicatorを発表しました。この開発は、1962年から1968年にかけて実用的なLEDの研究開発（R&D）に従事していたHP AssociatesおよびHP Labsのハワード・C・ボーデンとジェラルド・P・ピギーニによって主導されました。 [ 5 ]これは最初のインテリジェントLEDディスプレイであり、デジタルディスプレイ技術に革命をもたらし、ニキシー管に取って代わり、後のLEDディスプレイの基礎となりました。[ 6 ]

極性

電気の極性に関係なく点灯する白熱電球とは異なり、LEDは正しい電気極性でのみ点灯します。pn接合にかかる電圧が正しい方向にある場合、大きな電流が流れ、デバイスは順方向バイアスされていると言われます。電圧の極性が間違っている場合、デバイスは逆方向バイアスされていると言われ、非常に少ない電流が流れ、光は放射されません。LEDは交流で動作できますが、LEDが順方向バイアスされている交流サイクルの半分の期間のみ点灯します。これにより、LEDは交流電源の周波数でオンとオフを切り替えます

ほとんどのLEDは、標準的なダイオードと比較して逆方向ブレークダウン電圧定格が比較的低いため、このモードに陥りやすく、過電流によってLEDが損傷する可能性があります。ただし、カットイン電圧は常にブレークダウン電圧よりも低いため、順方向バイアス動作に対して適切に電流制限されている場合、AC電源からLEDを直接駆動する際に特別な逆方向保護は必要ありません。

通常、メーカーは製品のデータシートでLEDの極性を判断する方法を説明しています。しかし、表面実装デバイスの極性表示については標準化されていません。[ 7 ] [ 8 ]

パルス動作

多くのシステムでは、電力を周期的または断続的に供給することで、LEDのオン/オフをパルス的に制御します。フリッカー率が人間のフリッカー融合閾値よりも高く、LEDが目に対して静止している限り、LEDは連続的に点灯しているように見えます。パルスのオン/オフ比を変化させる方式は、パルス幅変調（PWM）と呼ばれます。場合によっては、PWMベースのドライバは定電流ドライバや定電圧ドライバよりも効率が高いことがあります。[ 3 ] [ 9 ]

ほとんどのLEDデータシートには、連続動作に安全な最大DC電流が規定されています。また、LEDコントローラがパルスを十分に短く保ち、LEDが冷却されるまで十分な時間LEDへの電源をオフにする限り、短いパルスに対しては安全な、より高い最大パルス電流が規定されている場合もあります。

光センサーとしてのLED

携帯電話のIrDA

LEDは発光だけでなく、光検出用のフォトダイオードとしても使用できます。この機能は、周囲光検出や双方向通信など、さまざまな用途に利用できます。 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

フォトダイオードであるLEDは、主波長と同等かそれより短い波長に感度を持ちます。例えば、緑色のLEDは青色光と一部の緑色光には感度を持ちますが、黄色光や赤色光には感度を持ちません。

このLEDの実装は、回路にわずかな変更を加えるだけで設計に追加できます。[ 10 ]このような回路ではLEDを多重化することができ、異なる時間に発光と検知の両方に使用することができます。[ 10 ] [ 12 ]

参照

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参考文献

  1. ^ Van Zeghbroeck, Bart J. (1997). "2.2.5" . 2.2.5 エネルギーバンドギャップの温度依存性" . Ece-www.colorado.edu. 2009年2月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年2月15日閲覧
  2. ^ a bウィンダー、スティーブ（2011年）「LED駆動用電源」ニューネス誌、pp.  20– 22, 39– 41. ISBN 9780080558578。
  3. ^ a bアプリケーションノート AND8067/D: 「NL27WZ04 デュアルゲートインバータ発振器は消費電力を削減しながら LED の輝度を向上」
  4. ^ 「GaN LEDの電気的特性と並列接続」（PDF）アプリケーションノート。日亜化学工業。2007年8月9日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2007年8月13日閲覧。
  5. ^ Borden, Howard C.; Pighini, Gerald P. (1969年2月). 「ソリッドステートディスプレイ」(PDF) . Hewlett-Packard Journal : 2–12 .
  6. ^ “Hewlett-Packard 5082-7000” . The Vintage Technology Association . 2014年11月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年8月15日閲覧。
  7. ^ 「極性マークに関する規格はありますか？」 www.circuitinsight.com . 2019年4月19日閲覧。
  8. ^ 「PCBの構築方法：ダイオードの極性（いいえ、…」EEWebコミュニティ。 2019年4月19日閲覧。
  9. ^ Tahan, Mohammad (2017年冬). 「柔軟かつ高性能なPWM調光制御を備えたマルチストリングLEDドライバ」. IEEE Transactions on Power Electronics . 32 (12): 9293– 9306. arXiv : 2002.00029 . Bibcode : 2017ITPE...32.9293T . doi : 10.1109/TPEL.2017.2655884 . S2CID 43054007 . 
  10. ^ a b c Dietz, Paul, William Yerazunis, Darren Leigh (2003). 「双方向LEDを用いた超低コストのセンシングと通信」(PDF) .三菱電機研究所. 2009年2月5日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2009年9月7日閲覧。{{cite journal}}：CS1 maint：複数の名前：著者リスト（リンク）
  11. ^ Bent, Sarah, Aoife Moloney, Gerald Farrell (2006). 「双方向プラスチック光ファイバーリンクにおける光源と検出器の両方としてのLED」アイルランド信号システム会議, 2006. IET : 345–349 .{{cite journal}}：CS1 maint：複数の名前：著者リスト（リンク）
  12. ^ a b Stepniak, G.; Kowalczyk, M.; Maksymiuk, L.; Siuzdak, J. (2015-10-01). 「LEDを送信機と受信機の両方として使用した100 Mbit/s超の伝送」 . IEEE Photonics Technology Letters . 27 (19): 2067– 2070. Bibcode : 2015IPTL...27.2067S . doi : 10.1109/LPT.2015.2451006 . ISSN 1041-1135 . S2CID 23986334 .  
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