LED電流制限抵抗器のサイジング方法—そしてそれを間違えるとコストがかかる理由

スキップできない1つの抵抗

エンジニアなら誰でも一度は経験したことがあるでしょう。LEDを電源レールに直接接続し、LEDが約0.5秒間鮮やかに点滅するのを見た後、永遠に暗くなるまでです。LEDは指数関数的なV-I特性を備えた電流駆動デバイスです。つまり、わずかな過電圧でも接合部に破壊的な量の電流が流れるということです。直列電流制限抵抗器は、動作点を設定する最も簡単で安価で、最も信頼性の高い方法です。

これは些細なことのように思えますが、計算は簡単です。しかし実際には、適切な値を選択するには、標準の抵抗シリーズ、実際の電流偏差、抵抗自体の電力損失を考慮する必要があります。特に、パネルインジケータボードに数十個のLEDを配置したり、24Vの産業用電源から高輝度LEDを駆動したりする場合は特にそうです。

基本方程式

抵抗は電源電圧「MATHINLINE_8」と LED の順方向電圧「MATHINLINE_9」の差を降下させ、電流「MATHINLINE_10」を設定します。

「MATHBLOCK_0」

それでおしまいです。しかし、微妙な違いは細部にあります。

-「MATHINLINE_11」はLEDの色とメーカーによって異なります。 通常、赤色LEDは1.8～2.0V、白色または青色LEDは3.0～3.4V低下します。必ずデータシートをチェックしてください。ただし、これらの範囲はスルーホールLEDとSMDインジケータLEDの大部分をカバーしています。 -「MATHINLINE_12」はアプリケーションによって異なります。 5 mmスルーホールLEDの従来の「標準輝度」値は20mAですが、最新の高効率LEDは1〜5mAで完全に見えます。これは、バッテリで動作している場合や、50個のステータスLEDがマイクロコントローラの合計I/Oバジェットを共有している場合に重要です。 -正確な抵抗値が標準値に達することはほとんどありません。 E24シリーズ（1% 抵抗を使用している場合はE96）から最も近い値を選択する必要があります。これにより、実際の動作電流がシフトします。

動作例:5 V 電源の白色 LED

例えば、標準の 20 mA の 5 V USB 電源から白色のインジケータ LED を駆動するとします。データシートには標準的な「MATHINLINE_13」が記載されています。

ステップ 1 — 正確な抵抗値の計算:

「マスブロック_1」

ステップ 2 — 最も近い E24 値を選択します。

90 Ω は E24 シリーズにはありません。最も近い標準値は 82 Ω と 91 Ω です。ほとんどの場合、切り上げして電流を制限するので、「MATHINLINE_14」を選択してください。

ステップ 3 — E24 抵抗を使って実際の電流を計算してください:

「マスブロック_2」

これは目標の 1% 以内で、まったく問題ありません。

ステップ 4 — 抵抗の消費電力の確認:

正確な抵抗値の場合:

「マスブロック_3」

E24 の値を使うと:

「マスブロック_4」

定格100mWの標準0603 SMD抵抗器なら、これを簡単に処理できます。ここでは心配ありません。

電力損失が実際に問題になる場合

ここでシナリオを変えてみましょう。同じ白色LEDを24Vの産業用電源から20mAで駆動することになります。

「MATHBLOCK_5」

最も近い E24:「MATHINLINE_15」または「MATHINLINE_16」「MATHINLINE_17」を選択してみましょう (少し切り捨てますが、LED の絶対最大値が 20 mA をはるかに超えている場合は問題ありません)。

「MATHBLOCK_6」

さて、抵抗器の電力:

「MATHBLOCK_7」

これはほぼ半ワットで、0603 (100 mW) や 0805 (125 mW) にしては多すぎます。少なくとも 2512 パッケージが必要です。さもないとスルーホールの 1/4 W 抵抗でも十分ではありません。½ W の抵抗器が安全な選択です。これはまさに、「標準」LED回路を5V設計から24Vシステムにコピーするときに見落としがちな細部です。

要点は、電源とLEDの電圧差のほとんどが、抵抗器で熱として燃焼しているということです。電源電圧が高い場合は、代わりに定電流ドライバICまたはスイッチングLEDドライバを検討してください。

クイックリファレンス:一般的な組み合わせ

最後の行は、24 V レールの単一赤外線 LED の抵抗が 1 ワットを超えていることに注目してください。これは最小2Wの抵抗であり、PCBの熱管理について考える必要があるでしょう。

実践的なヒント

-LEDがより大きな電流に余裕を持って耐えられることを確認していない限り、抵抗値を常に四捨五入してください。E24 ステップを 1 段階切り下げると、通常、電流は 5 ～ 10% 増加します。 -LED データシート「MATHINLINE_23」は、最大定格値ではなく、ご使用の動作電流でご使用ください。順方向電圧は電流によって変化するので、20 mA での標準値は希望通りの値です。 -バッテリ駆動設計 では、インジケータ LED を 1 ～ 2 mA で動作させることを検討してください。最新の高効率 LED は、このレベルではっきりと見えるため、待機時電力を大幅に節約できます。 -「MATHINLINE_24」が小さい場合 (たとえば、3.3 V 電源で 3.2 V に青色の LED がある場合)、抵抗値は非常に小さくなり、電流は「MATHINLINE_25」の許容誤差に非常に敏感になります。このような場合は、定電流源の方が適しています。

試してみてください

毎回この計算を手作業で行う必要はありません。[LED 電流制限抵抗計算ツールを開く] (https://rftools.io/calculators/power/led-resistor/) して、電源電圧、LED の色、目的の電流を差し込んでください。このツールは、両方の正確な抵抗、最も近いE24標準値、実際の動作電流、および消費電力を瞬時に得ることができるため、最初の試行で適切な抵抗器と適切なパッケージを選択できます。