LED回路

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。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を損傷しないように電流を制限する必要もあります。点灯中のLEDの両端の電圧降下は、広い動作電流範囲にわたってほぼ一定です。したがって、印加電圧がわずかに増加すると、電流は大幅に増加します。データシートでは、この電圧降下を「順方向電圧」(${\displaystyle V_{f}}$特定の動作電流において、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。高電力LEDを点灯させる場合は、適切な電流制御を実現するために、より複雑な電流源回路が必要となります。

LEDを駆動する最もシンプルな回路は、直列抵抗器を用いるものです。これは、多くの家電製品の表示灯やデジタルディスプレイによく使われています。しかし、この回路はエネルギー効率が悪く、エネルギーが抵抗器で熱として消費されてしまいます。

LEDの${\displaystyle V_{f}}$材質によって異なります。オームの法則とキルヒホッフの回路法則を使用して、LED の抵抗値を差し引くことで適切な抵抗値を計算します。${\displaystyle V_{f}}$電源電圧から必要な動作電流で割ることで求められます。電源電圧が十分に高ければ、直列接続された複数のLEDを1つの抵抗で駆動できます。

供給電圧がLEDの電圧に近いか等しい場合${\displaystyle V_{f}}$その場合、抵抗器の適切な値を計算できないため、別の電流制限方法が用いられる。

LEDの電圧対電流特性は、一般的なダイオードと同様です。ショックレーのダイオード方程式によれば、電流は電圧の指数関数に近似的に比例し、わずかな電圧変化でも電流は大きく変化する可能性があります。電圧が閾値以下であれば電流は流れず、LEDは点灯しません。電圧が高すぎると、電流が最大定格を超え、過熱してLEDが破損する可能性があります。

LEDドライバは、負荷変動に対応するように設計されており、必要な明るさを実現するのに十分な電流を供給しつつ、損傷を与えるほどの過電流が流れないようにします。ドライバには、定電流（CC）型と定電圧（CV）型があります。CCドライバでは、電圧は変化しますが、電流は一定です。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が挙げられます。

LEDが熱くなると、電圧降下が減少します（バンドギャップが減少します^{[ 1 ]}）。これにより、電流が増加する可能性があります。

高出力LEDには、一般的にアクティブ定電流源が使用され、幅広い入力電圧範囲で光出力を安定させ、バッテリーの寿命を延ばす可能性があります。アクティブ定電流は通常、最も単純な電流制限器であるデプレッションモードMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を使用して制御されます。^{[ 2 ]}低ドロップアウト（LDO）定電流レギュレータを使用すると、LEDの総電圧を電源電圧のより高い割合にすることもできます。

スイッチング電源（例えば、バックコンバータ、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータ）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は通常、LEDドライバのスイッチングに使用され、高輝度LEDを駆動するための効率的なソリューションとなっています。パワー集積回路（IC）チップは、追加の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 ]}

直列抵抗はLED電流を安定させる簡単な方法だが、抵抗器でエネルギーが無駄になる。

小型表示LEDは通常、電流制限抵抗を介して低電圧DCから駆動されます。2mA  、10mA  、 20mAの電流が一般的です。サブmA表示器は、超高輝度LEDを非常に低い電流で駆動することによって作成できます。効率は低電流で低下する傾向がありますが^{[ 3 ]} 、100μAで動作する表示器は 依然として実用的です。

コイン型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る。

直列抵抗器を内蔵したLEDが市販されている。これらはプリント基板のスペースを節約でき、特にプロトタイプの製作や、設計者の意図とは異なる方法で基板に部品を実装する場合に便利である。しかし、抵抗値は製造時に固定されるため、LEDの輝度を調整する重要な方法の一つが失われてしまう。

直列抵抗の値は、電源電圧がダイオードの電圧によってオフセットされていることを考慮すると、オームの法則から求めることができます。${\displaystyle V_{f}}$これは、有効な電流範囲においてほとんど変化しない。

${\displaystyle R={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over I_{led}}}$  または  ${\displaystyle I_{led}}={V_{power}-V_{f}-V_{switch} \over R}$

どこ：

${\displaystyle R}$抵抗値（オーム単位）は、通常、次の高い抵抗値に切り上げられます。

${\displaystyle V_{power}}$は電源電圧（ボルト単位）です。例：9ボルト電池。

${\displaystyle V_{f}}$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。${\displaystyle V_{f}}$また、LEDの光周波数（私たちが色として認識するもの）は、LED材料のバンドギャップとともに増加します。したがって、${\displaystyle V_{f}}$赤色LEDの電圧は約1.7～2.0ボルト、紫色LEDは約2.8～4.0ボルトです。赤外線（IR）LEDは通常、1.2ボルトなど、はるかに低い電圧です。各LEDの電圧については、メーカーのデータシートを参照してください。${\displaystyle V_{f}}$。

${\displaystyle V_{switch}}$スイッチの両端の電圧降下（ボルト単位）は次のとおりです。（A）スイッチなしの場合は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${\displaystyle V_{CE(sat)}}$トランジスタのデータシートに記載されているコレクタ・エミッタ飽和電圧。

${\displaystyle I_{led}}$は、LED の目標電流 (アンペア単位) です。最大連続点灯電流は LED のデータシートに記載されており、例えば、ほとんどの小型 LED では 20  mA (0.020  A) が一般的です。多くの回路では、電力消費を抑えるため、明るさを下げるため、または一般的な抵抗値を使用するために、指定された最大電流よりも低い電流で LED を動作させます。屋内での使用の場合、小型の表面実装型高効率 LED は 1  mA (0.001  A) の電流で簡単に点灯させることができ、ほとんどのデジタルロジック出力は、この電流を容易に供給または吸収できます。

代数式（上記）を使用し、仮定すると${\displaystyle V_{switch}}$（例を簡略化するために）0の場合、抵抗と電流の例は次のように計算されます。

例１${\displaystyle V_{power}}$12Vと9V  、${\displaystyle V_{f}}$= 1.8  V、${\displaystyle I_{led}}$= 5  mA、計算${\displaystyle R}$:

${\displaystyle R}$= (12  V - 1.8  V) / 5  mA = (12 - 1.8) / 0.005 = 2040 オーム、おそらく 2K オームの抵抗器に切り捨てます (一般的な抵抗値)。

${\displaystyle R}$= (9  V - 1.8  V) / 5  mA = (9 - 1.8) / 0.005 = 1440 オーム、おそらく 1.5K オームの抵抗器に切り上げます。

例２${\displaystyle V_{power}}$5Vと3.3V  （デジタルロジック電圧）${\displaystyle V_{f}}$= 1.8  V、${\displaystyle I_{led}}$= 1  mA、計算${\displaystyle 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 オームの抵抗器に切り上げます。

${\displaystyle R}$= (3.3  V - 1.8  V) / 1  mA = (3.3 - 1.8) / 0.001 = 1500 オーム。

例3${\displaystyle V_{power}}$5V と3.3V  （デジタルロジック電圧）${\displaystyle V_{f}}$= 1.8  V、${\displaystyle R}$= 1Kオーム、計算${\displaystyle I_{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。

${\displaystyle I_{led}}$= (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。

複数のLEDを直列に接続するのが一般的です。ある構成では、電源電圧は個々のLED電圧の合計以上でなければなりません。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LEDストリングには、電流制限抵抗を1つずつ使用できます。

並列動作も可能ですが、より問題が発生する可能性があります。並列LEDは、${\displaystyle V_{f}}$分岐電流を類似させ、したがって光出力を類似させるため。製造工程のばらつきにより、一部のタイプのLEDを並列接続すると満足のいく動作が得られない場合があります。^{[ 4 ]}

LEDは、個々のLED（またはLEDのストリング）を個別にオン/オフできるように配置されることが多い。

ダイレクトドライブは最も理解しやすい方式で、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」と表示されたときに、該当するセグメントを直接点灯させ、別の表示が必要になるまで点灯状態を維持するようなデジタル時計を設計することができます。

しかし、マルチプレックス表示方式は、ハードウェアの正味コストが低いため、直接駆動方式よりも頻繁に使用されています。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」と表示する際に、常にいずれかの桁の適切なセグメントが点灯し、他の桁は消灯するように設計します。時計は桁を高速でスキャンするため、1分間ずっと「12:34」を表示しているように見えます。しかし実際には、点灯している各セグメントは、1秒間に何度も高速で点滅を繰り返しています。

この技術の拡張としてチャーリープレキシングがあり、一部のマイクロコントローラが出力ピンをトライステート化できる機能を利用することで、ラッチを使用せずに多数のLEDを駆動できます。N個のピンがあれば、n²- ⁿ個のLEDを駆動することが可能です。

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、集積回路技術を使用した最初のLEDデバイスであるHPモデル5082-7000数値表示器を発表しました。その開発は、1962年から1968年の間に実用的なLEDの研究開発（R&D）に従事していたHPアソシエイツとHPラボのハワード・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 ]}

白熱電球は電気の極性に関係なく点灯しますが、LEDは正しい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であれば、大きな電流が流れ、デバイスは順方向バイアス状態にあると言えます。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状態にあると言われ、電流はほとんど流れず、光は発せられません。LEDは交流でも動作可能ですが、順方向バイアス状態にある交流サイクルの半分でのみ点灯します。そのため、LEDは交流電源の周波数でオンオフを繰り返します。

ほとんどのLEDは、標準的なダイオードに比べて逆方向降伏電圧が低いため、予想以上に簡単にこのモードに入り、過電流によってLEDが損傷する可能性があります。しかし、カットイン電圧は常に降伏電圧よりも低いため、順方向バイアス動作のために電流を適切に制限すれば、交流電源から直接LEDを駆動する際に特別な逆方向保護は必要ありません。

メーカーは通常、製品データシートでLEDの極性を確認する方法を案内します。ただし、表面実装デバイスの極性表示には標準化がありません。^{[ 7 ] [ 8 ]}

多くのシステムでは、周期的または断続的に電力を印加することで、LEDを点滅させます。点滅速度が人間のちらつき融合閾値よりも大きく、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ことをパルス幅変調（PWM）といいます。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的です。^{[ 3 ] [ 9 ]}

ほとんどのLEDデータシートには、連続動作時に安全な最大直流電流値が記載されています。また、LEDコントローラがパルス幅を十分に短く保ち、その後LEDへの電源をLEDが冷却されるのに十分な時間だけ遮断する限り、短時間のパルス動作に安全な、より高い最大パルス電流値が記載されている場合もよくあります。

LEDは発光に加えて、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、環境光検出や双方向通信など、さまざまな用途に使用できます。 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

LEDはフォトダイオードとして、自身が発光する主波長と同じかそれより短い波長の光に感度を持つ。例えば、緑色LEDは青色光と一部の緑色光には感度を持つが、黄色光や赤色光には感度を持たない。

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を多重化して、異なる時間に発光と検出の両方に使用できます。^{[ 10 ] [ 12 ]}

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