LED に電流制限抵抗器が必要な場合とその理由は?

LED を含む回路で作業している場合は、常に電流制限抵抗を使用するようにという警告や推奨事項に出くわしたことがあるかもしれません。

初心者の DIY 担当者から LED 照明回路基板を設計および構築する担当者まで、適切な電流制限抵抗器をいつ、なぜ、どのように選択するかを完全に理解できるように、このガイドをまとめました。

LED の I-V 曲線を理解する

他の受動半導体コンポーネントと同様に、I-V (電流対電圧) 曲線を理解することは、それらの周りの回路を設計する際に重要です。

もちろん、LED は本質的にはダイオードであり、非線形の I-V 曲線を持っています。 つまり、入力電圧と入力電流の関係は直線になりません。

たとえば、2.7 V - 約 20 mA での順方向電流を見てみましょう。 電圧を 0.1 V から 2.8 V に上げると、順方向電流は約 30 mA から 50 mA 増加します。 さらに 0.1 V 上げて 2.9 V にすると、順方向電流は 35 mA 増加して 85 mA になります。

電圧が増加すると、順方向電流の増加率も増加します。 順方向電圧がわずかに変化すると、順方向電流が非常に大きく変化する可能性があります。

したがって、定電流 LED ドライバは、LED を駆動するための推奨される方法です。単一の電流で動作し、それに応じて出力電圧を調整することで、順方向電流が安定するようにします。 定電流入力を使用する場合、電流制限抵抗は不要です。

定電圧電源を使用している場合の対処方法

ただし、定電流電源は一般に高価であり、柔軟性が限られています。 その結果、ほぼすべての LED ストリップ製品およびその他のモジュールが定電圧入力を使用しています。

定電圧電源は、出力電圧レベルが固定されており、0 mA と定格最大値 (LED および LED システムの定格最大値をはるかに上回る可能性があります) の間の任意のレベルの出力電流を生成できます。

しかし、上で見たように、順方向電流と順方向電圧の間の非線形関係により、定電圧電源入力を LED システムで安全に使用するには、次の理由から追加の変更が必要です。

1) LED の順方向電圧は電源電圧レベルと必ずしも一致しません。たとえば、上記と同じ LED 仕様に基づくと、3.0 V の定電圧電源を使用している場合、順方向電流も 135 mA に制限されます。

同じ電源を使用して 20 mA で LED を動作させたい場合はどうすればよいでしょうか? LED には 3.0 V ではなく 2.7 V のみを供給する必要があります。ただし、ほとんどの電源ユニットには可変電圧出力オプションがないため、電源ユニットだけで LED で 2.7 V を実現する方法はありません。 .

私たちは何をしますか？

答えは、LED と直列に抵抗を配置し、抵抗によって LED への電圧が 0.3 V 低下するようにすることです。

抵抗値はどのように計算するのですか? V=IR というオームの法則を使用し、V に 0.3V (電圧降下)、I に 0.02A (必要な順方向電流) を代入します。R を解くと、15 オームが得られます。

関連する電圧に関係なく、同様の計算を実行できます。たとえば、12V と 24V の LED ストリップです。

大量生産環境では、LED 順方向電圧の変動は避けられず、複数の電圧ビンが発生します。 理想的には、各電圧ビンの LED は、LED 電圧ビンに関係なく同じ順方向電流引き込みを保証するように計算された異なる抵抗値のペアを持ちます。 そうしないと、順方向電流のばらつきが大きくなり、輝度が大きくなる可能性があります。

上記の各線は、異なる電圧ビンを表しています。 すべての LED ビンで 60 mA を達成するには、異なる抵抗仕様を使用して、同じ 60 mA を達成するために必要な異なる順方向電圧を達成する必要があります。

2) 電流制限抵抗は電圧上昇から保護します

上で見たように、LED の順方向電流と順方向電圧の間には非線形の関係があります。 その結果、電圧がわずかに上昇すると、順方向電流が大幅に増加し、過電流やデバイスの故障につながる可能性があります。

ダイオードとは異なり、抵抗器は順方向電流と順方向電圧の間に線形関係があります (オームの法則で示されているように)。

したがって、順方向電圧が増加すると、電圧レベルに関係なく、順方向電流が同じように比例して増加します。 抵抗器のこの特性は、LED 回路に組み込むと、電圧上昇の影響を緩和するのに役立ちます。

なぜ電圧が上昇するのですか？

最初の可能性は、大きなノイズまたはリップルを伴う不安定な電源です。 不安定な DC 電流、順方向電圧、および断続的なスパイクを提供する定電圧電源に問題がある場合、電流制限抵抗を使用すると、順方向電流の対応するスパイクを緩和するのに役立ちます。

より予測可能で普及している 2 つ目は、LED デバイス自体の特性です。

LED が加熱されると、順方向電流を一定に保つと順方向電圧が低下します。 これは一般に、次の温度対順方向電圧変化グラフの LED データシートに示されています。

これは、システムで見られる順方向電圧の真の範囲に関する情報を提供するため、定電流回路を設計する際に役立ちます。 しかし、定電圧の観点から同じ原理を言い換えてみましょう。

順方向電圧を一定に保つと、LED が加熱されると順方向電流が増加します。

グラフィカルに、同じ原理を 1 つのチャート (下) で示すことができます。 定電流の観点を使用すると、温度が上昇するにつれて曲線が左にシフトすると言えます。 または、定電圧の観点を使用すると、温度が上昇すると曲線が上にシフトすると言えます。

LED の発熱は、何よりもまずその総消費電力に依存します。 したがって、温度が上昇するにつれて順方向電流が増加するという事実は、潜在的に致命的です。順方向電流が大きくなると、正帰還ループで LED の温度がさらに上昇し、順方向電流がさらに増加するからです。 これは LED システムの熱暴走と呼ばれ、せいぜい壊滅的な障害につながり、場合によっては発火や発煙につながります。

電流制限抵抗は、直線的な IV 曲線によって電圧上昇の影響を軽減するのに役立ちます。 さらに、抵抗器は温度に関して LED とは逆の動作をします。温度が上昇すると、抵抗も増加します。

抵抗器のこの単純だが便利な機能により、この方法で使用される抵抗器をバラスト抵抗器と呼ぶ人もいます。

結論

LED デバイスは本質的に電流制御デバイスであり、電圧の変動にうまく反応しません。

定電圧電源を使用して LED システムを構築する場合は、LED デバイスの安定した安全な動作を確保するために、電流制限抵抗を使用する準備が絶対に必要です。

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