LED 電流制限抵抗のサイズ設定方法

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、永遠に暗くなるのです。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ます。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。電力バジェットを再確認せずに、誰かが5V回路を24V設計にコピーしたために、0603が焦げた基板がアセンブリから戻ってくるのをたくさん見てきました。

基本方程式

抵抗は電源電圧 $V_S$ と LED の順方向電圧 $V_F$ との差を低減し、電流 $I_F$ を設定します。

それでおしまい。しかし、微妙な違いは細部にあり、その細部はあなたが思っている以上に重要です。

$V_F$ は LED の色とメーカーによって異なります。 通常、赤色の LED は 1.8 ～ 2.0 V 低下し、白色または青色の LED は 3.0 ～ 3.4 V 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。正確な部品がまだわからない場合は、通常0.2Vのマージンを追加します。最初のパワーアップテストで過大評価して消灯するよりも、少し過小評価して最終的にLEDが暗くなる方がよいでしょう。 $I_F$ はアプリケーションによって異なります。 20 mA は 5 mm スルーホール LED の古典的な「標準輝度」値ですが、最新の高効率 LED は 1 ～ 5 mA でも完全に見えます。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問題になります。LED1個あたり20mAから2mAに低下させることで、十分な電流を節約してバッテリ寿命を 30% 延長するような設計をしたことがあります。現代の優れた LED がわずか数ミリアンペアという明るさに驚かれることでしょう。 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。ほとんどのエンジニアはこのステップを飛ばして、数式から出力されるものをそのまま使います。それなのに、なぜ自分の LED が予想よりも少し明るかったり暗かったりするのか疑問に思います。E24 シリーズでは、値の間隔が約 10% あるため、数パーセントずれていることはほぼ確実です。

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 $V_F = 3.2\,\text{V}$ が記載されています。

ステップ 1 — 正確な抵抗値の計算: 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、電流を制限するために切り上げになるので、$R_{E24} = 91\,\Omega$ を選んでください。切り上げるとLEDが保護されます。得られる電流はわずかに少なくなりますが、問題ありません。切り下げると、接合部により多くの電流が流れることになり、供給電圧が少し高い場合や、LEDの $V_F$ が許容範囲の下限にある場合は、絶対最大定格を超えている可能性があります。

ステップ 3 — E24 抵抗を使った実際の電流を計算してください:

これは目標の 1% 以内で、まったく問題ありません。LED は違いを認識しません。

ステップ 4 — 抵抗器の消費電力の確認:

正確な抵抗値の場合:

E24 値の場合:

定格100mWの標準0603 SMD抵抗器を使用すれば、これを簡単に処理できます。ここでは心配ありません。マージンはほぼ3倍なので、ボードが暖かくなったり、周囲温度が高くなったりしても十分です。

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。これが興味深いところです。

最も近いE24：$1\,\text{k}\Omega$ または $1.1\,\text{k}\Omega$。$1\,\text{k}\Omega$ を選んでみましょう (若干切り捨てます。LED の絶対最大値が 20 mA をはるかに超える場合は許容範囲ですが、通常は標準インジケータ LED の場合です)。

今度は抵抗器の電力:

これはほぼ半ワットで、0603（100 mW）や0805（125 mW）には多すぎます。少なくとも 1 W の定格の 2512 パッケージ、またはスルーホール抵抗が必要です。ここで重要なのは、標準の1/4Wスルーホール抵抗でも十分ではないということです。½ W の抵抗器は安全な選択です。また、温度が高くなるため、基板上にある程度の余裕を持たせる必要があります。

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。誰かが0603の抵抗が付いた50個のインジケータLEDを24Vレール上に配置し、最初の延長テストですべてのインジケータLEDが焼損したプロダクション・ボードを見たことがあります。抵抗器は文字通り黒くなりました。

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。電源電圧が高くなると大量の電力が無駄になるため、ある時点で、代わりに定電流ドライバICまたはスイッチングLEDドライバを使用する方が理にかなっています。24Vから何十個ものLEDを駆動する場合、適切なLEDドライバを使用することで基板スペースを節約し、熱を減らすことができます。また、50個の頑丈な抵抗を購入して熱管理を行うよりも、全体としてコストも抑えられます。

クイックリファレンス:一般的な組み合わせ

最後の行は、24Vレールの1つのIR 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。高密度の基板を使用している場合、小さな領域でそれだけの熱が発生すると問題が発生する可能性があります。サーマルカメラでLED抵抗の周りのホットスポットが周囲温度より20°C高くなっているボードがありました。すぐに故障するほどではありませんが、長期的な信頼性に不安を感じるほどです。

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が確認されていない限り、抵抗は常に四捨五入してください。E24のステップを1つ切り下げると、通常は電流が5～ 10% 増加します。これは、20 mA (安全) で動作する場合と 22 mA (一部の部品では絶対最大定格を超える可能性がある) での動作の違いであることに気付くまでは、それほど大きな値には思えません。 LED データシート $V_F$ は、最大定格ではなく、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 の標準値が望みどおりです。標準的な LED のデータシートを見ると、V-I 曲線 — $V_F$ は 1 mA から 30 mA の間で 0.2 ～ 0.3 V ずれることがわかります。間違った値を使用すると、計算全体が台無しになってしまいます。 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。私が取り組んだハンドヘルドデバイスでは、ステータスLEDが8個あり、それぞれ10mAから2mAに低下させると、合計で64mA節約できました。これは、バッテリ容量がわずか2000mAhの場合、電力予算全体の大きな部分を占めています。 $V_S - V_F$ 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 $V_F$ の許容誤差に非常に敏感になります。青色LEDは、ビンと温度にもよりますが、3.0V～3.4Vの範囲で $V_F$ になる場合があります。標準で3.2Vになるように設計していて、3.0Vの部品を使用した場合、電流が 50% 以上上昇する可能性があります。このような場合は、定電流源の方が適しています。確かに高価ですが、生産ロット全体で明るさを予測できる必要がある場合は、それだけの価値があります。

もう1つ注意すべき点は、電源電圧の許容誤差です。5V用に設計していても、実際の電源電圧が4.75V～5.25Vの場合、その 10% の変動はLED電流に直接伝播します。重要なアプリケーション (光通信や正確なカラーマッチングなど) では、単純な抵抗器では実現できないほど厳密な制御が必要です。

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、電源電圧、LEDの色、希望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、消費電力を瞬時に出力します。そのため、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。私はこの計算ツールをブックマークしておき、これまで何百回もやってきた設計であっても、常に使用しています。自分で計算するよりも速いし、間違いがボードに載る前に見つけてくれます。