ＬＥＤ（発光ダイオード）の使い方について
その２（作成中）

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　以下の内容を参考にして作業した結果、部品やバイクの破損、健康上の被害、その他何らかの損害を被っても、当方は一切責任を負いません。自己責任でお願い致します。

ＬＥＤの特性
　発光ダイオードとは、Light Emitting Diodesのことで、半導体の一種です。半導体に電流を流すと光を発する性質を利用した、半導体発光素子のことです。
　要は、電球ではない新しい光源です。

　最初は赤いの、それに暗いのしかありませんでした。その後黄色や緑が加わっていろいろな色が出来、明るさもだいぶ明るくなってきたのですが。残念ながら青がありませんでした。
　光の三原色は、赤、緑、青です。この三色が同じ割合で合わさると、白に見えます。割合を変えると、違う色になります。テレビの画面をよ〜く見ると、一つずつの小さな赤緑青の点から出来ていることがわかります。この青が無かったので、出来る色の種類が限られていたのです。
　しかしここで、ある国内電子部品メーカーのある研究者が、青の開発に成功しました。これにより、赤、緑、青が揃い、基本的にはどんな色でも作り出せるようになったのです。
　余談ですが、このメーカーは、この青色発光ダイオードの開発で、大きな利益を得ることが出来ました。しかし研究者には大した対価が払われなかったため、「社員が会社に在職中に開発した特許の対価は？」と言う大きな論争を巻き起こしました。ご存知の方も多いことでしょう。

　話を戻して。
　ここでは細かいことは置いておいて、車、バイクに使う場合についての使い方、注意点だけ書いておきます。

　ＬＥＤをバイクで使う場合、電球とは違っていくつかの注意点があります。

　ＬＥＤそのものについてはもっと詳しいサイトがいくらでもあるので解説は省きますが、自動車関係で注目されるようになったのは、ハイマウントストップランプが普及するようになってからでしょうか。車のハイマウントストップランプは、多くの場合はこれを光源として使用しています。（なかには普通の電球を使っているタイプもあります。）リアスポイラーのウイングの中や、リアウインドウ上下等、平べったいところに光源を入れるには、これが都合が良かったためです。
　最近では、普通のストップランプ＆テールランプ、ウインカー等として使用されはじめました。もっと高効率の物が開発されていけば、将来的にはヘッドライトへの使用も期待されています。

　自動車用光源として、電球と比較した場合の特徴は、

長所	コンパクト	一番小さい電球よりも、ずっと小さい物もあります。拡大鏡が無いと見にくいくらいのも。一番小さいのだと、ゴマ粒くらいでしょうか？
	低消費電力	電球より消費電力がずっと少ないです。
	寿命が長い	過電圧や過電流を流さない限り、ほとんどタマ切れは起きません。ただし、古くなるにつれて、次第に明るさが減っていきます。しかし、それの要する時間はかなり長く、実質的には半永久的と言われています。（高出力型白色ＬＥＤ等の一部に寿命の短い物もあります。）
	熱くなりにくい	電気を光に換える効率が高いので、熱として無駄に放出される電気が少ないためです。最近出始めた高出力型のＬＥＤ（１Ｗ以上もの出力をもったタイプ。）の場合は、さすがに結構発熱するため、放熱性を考慮しなくてはなりませんが。一般的なチップ型、砲弾型等のＬＥＤはあまり発熱しません。ただし、これも繋ぎ方等によっては発熱することがあります。
長 所 で あ り 短 所	光に指向性がある	電球は３６０度、座金部分以外の全周に光が出ます。しかしＬＥＤの場合「指向角」と言うものがあり、例えば２０度とか６０度とかになっています。これは真正面から見た時にどれくらいの範囲の角度内で明るく見えるかの角度をあわらしたもので、この範囲を外れると急に明るく見えなくなります。視野角とも言われます。（一般的に、一番明るく見えるところを１００とすると、５０まで明るい範囲が指向角と言われるようです。明るさが半分になるところと言うことから、半減角とも言われるようです。） 　懐中電灯のレンズを外すと、全然光が飛ばなくなり、周囲をぼやっと照らすようになりますが。これは電球の光に指向性がほとんどないためです。そのためレンズで光を一方向に集めて遠くを照らすようにしているのです。 　その点ＬＥＤは、元々光が正面にしか出ない構造なので、最初からレンズが組み込まれているようなものです。一定方向に明るい光を出したい場合、便利です。しかし欠点は、テールランプのように光を拡散させたい場合には少々都合が悪いことです。指向角から出たら明るく見えないのでは、テールランプとして問題があります。この解決のためには、 　出来るだけ指向角が広いＬＥＤを使う。 　複数のＬＥＤを付けて角度をずらして固定。 　ＬＥＤの表面を意図的に傷つけて光を拡散させる。 　ＬＥＤの外側に光が拡散するようなレンズ、樹脂を設ける。 　などがあります。
短所	高価	これが一番の問題で、電球に比べてずっと高価です。滅多には切れませんが、なにせ電球は使用量等も多く、普及しているので、価格では比較になりません。滅多に切れないのでランニングコストで考えたら多少はマシになりますが、それでも高価なことに変わりありません。電球からＬＥＤに置換しようとしたら、電球何十〜何百個分のコストになるなんてことも珍しくありませんから。
	電圧、電流等の条件がシビア	電圧、電流を間違えると、点かなかったり壊れたりします。電流の向き（極性）を間違えても点きません。その点では電球より扱いが面倒です。過電圧や過電流を流すと、呆気なく焼き切れます。
	入手性難	電球のようには普及していないし、車用として決まった規格品（例えばウェッジ球のように。）があるわけではないので、入手性に難があります。

　細かい点は他にもいくつかありますが、大まかにはこのくらいでしょうか？

　実は以前、Ｒ１００ＧＳのテールライトをＬＥＤ化したことがあります。その時はまだサイトを作っていませんでしたし、まだまとめていませんので、アップしてありませんが。数年前の話で、その頃は情報も少なく、部品も高く、いろいろ苦労しました。その頃に比べると、今ではこの手の情報もネット上に豊富にあり、私と同じことをされている方も増えました。これからやられる方は、いろいろ参考になるサイトもありますので、比較的手軽に出来ると思います。

使い方（繋ぎ方）
　基本的な使い方、と言うか繋ぎ方は、ＬＥＤ（発光ダイオード）の使い方についてその１に書いたとおりです。その他、いろいろ細かい部分を。

　電圧
　　使用出来る電圧と言うのが決まっています。電球のように６、１２、２４Ｖと言うような簡単な分類ではありません。全く同じように見えても、違う場合もあるからです。正確なところは、データシート（規格表）を見ないとわかりません。
　　バイクの電装に使う、と限定して言うと、白、赤、橙（オレンジ）辺りが多いでしょうか？　あとはたまに緑や青。
　　赤、橙（オレンジ）は、大概２Ｖ系です。正確に２Ｖではありませんが、大体これ前後の電圧を指定されていることが多いですね。
　　白、緑、青は、３〜４Ｖ程度が多いでしょう。
　　この辺は、正確を期すならやはりデータシートでの確認が必要です。データは購入時に確認出来るでしょう。

　電流
　　これも決まっています。ほとんどの場合は２０ｍＡです。しかし中には違うのもあり、１０ｍＡもありますね。

　これらの電圧、電流を超えても、いきなり駄目になると言う訳ではありません。ある程度の安全マージンがあるようです。経験上は、例えば３．６Ｖ指定の白ＬＥＤに４Ｖをかけても、そう簡単には切れません。とは言え、寿命に影響している可能性があります。

　定電流ダイオード
　文字通り、一定電流を供給してくれるダイオードです。電圧が変動しようが関係無く一定電流を供給してくれるので、電圧変動が大きいバイク等にＬＥＤを使う場合、非常に便利です。
　欠点は、部品単価が抵抗より高いことですね。１０倍くらい違うかな？（2004/01現在）
　車やバイクの工作に使われるのは、ほとんどが石塚電子と言うところのＣＲＤ　Ｅ−１５３、Ｅ−１０３辺りです。電源電圧に関わらず、１５３は１５ｍＡ、１０３は１０ｍＡを供給出来ます。２０ｍＡと言うのがあれば一番良いのですが、現在そう言うのが見当たりません。（2004/01現在）
　しかし１５ｍＡでも結構明るいこともあり、普通は１５３一本でＬＥＤを点灯させることが多いです。２０ｍＡで点灯させたい場合、１０３二本を並列に繋げば、電流が二倍になり、２０ｍＡが供給出来ます。この辺は電池と同じように簡単に考えることが出来ます。

　バイクでは有り得ませんが、２４Ｖ電装車に使う場合は、１５３は使わない方が無難です。これは最高使用電圧が、１５３は２５Ｖとなっているからです。２４Ｖ電装と言えど、実際には２４Ｖ以上ありますので、最悪壊れる可能性があります。１０３は３０Ｖまで耐えられますので、こちらはおそらく使用可能ではないかと思います。（ただ、２４Ｖ電装についてはよく知らないので、駄目な場合もあるかもしれません。）

　ＤＣ１２Ｖで何個まで直列に点灯させられるのか？
　ＬＥＤの特性によって様々ですので、ここでは仮に、電圧２．０Ｖ、電流２０ｍＡの規格のＬＥＤを点灯させるとします。２０ｍＡまで流せますので、定電流ダイオードはＥ−１５３を１個使います。これで１５ｍＡで点灯させることが出来ます。
　定電流ダイオードは、電圧に関わらず一定電流を流せますから、当然ＬＥＤ１個でも問題無く点灯させることが出来ます。この場合、定電流ダイオードは１２Ｖ−２Ｖ＝１０Ｖを消費しています。ただ、この場合１０Ｖ分は熱として放出されるため、定電流ダイオードが結構発熱します。
　電流が一定に出来るのなら、じゃあ残りの１０ＶもＬＥＤの点灯に使えれば、より効率的です。１個の定電流ダイオードで複数のＬＥＤを点灯させられますから。じゃあ、と言うわけで残りの１０Ｖ÷２Ｖ＝５個となります。最初の１個と合わせて６個の点灯が可能か？と言うと、さすがにそこまでは上手くいきません。
　これは、定電流ダイオードの「動特性」と言うものが関係してきます。上で、定電流ダイオードは電圧に関係なく１５ｍＡを供給出来ると書きましたが、実際にはこれは、定電流ダイオード自体に４〜１０Ｖがかかっている場合の話です。この範囲より下（４Ｖ以下）でも上（１０Ｖ以上）でも、電流値は下がっていきます。理想を言えば７〜８Ｖが最良ですが、４〜１０Ｖでも大体大丈夫です。
　このため実際にＬＥＤに使える電圧は、１２Ｖ−（４〜１０Ｖ）＝２〜８Ｖとなります。これをＬＥＤの電圧の２Ｖで割ると、２〜８Ｖ÷２Ｖ＝１〜４個となります。つまり、ＤＣ１２Ｖで定電流ダイオード１個に繋げるＬＥＤは、この場合１〜４個となります。１個でも４個でも消費電力は変わりませんので、スペース的な問題がなく、また電源電圧が安定していれば、出来るだけ目いっぱいの４個で使うのが良いでしょう。その方が発熱も抑えられ、同じ数のＬＥＤを点灯させる場合には、消費電力も抑えられます。
　これを一組と考えて、あとはその組みの数を増やしていけば、どんどん明るくなっていきます。当然部品代も消費電力も上がっていきますが。

　ＤＣ１２Ｖ電装車の場合、実際にはエンジン停止中はバッテリーの電圧、１２〜１３Ｖ程度ですが、エンジン始動中は発電している電気もあるため、１３〜１５Ｖ程度の電圧がかかっているようです。（バッテリーレス車、及びバッテリーレスにしているような場合は、電圧はもっと不安定になります。）このため、実際にはこのＬＥＤなら５個くらいまでは直列に繋げても一定の明るさを得られるでしょう。反面、ＬＥＤ１個ですと、定電流ダイオードの発熱は増えることになります。


　抵抗を使って電流制限
　ＬＥＤ（発光ダイオード）の使い方についてその１にも書きましたが、定電流ダイオードを使う以外に、抵抗を使ってＬＥＤを点灯させる方法もあります。こちらの方がコスト的には有利です。抵抗も、一番安い1/4Wカーボン抵抗が使えますので、これなら一個５円くらいかな？で入手出来ます。まとめて一袋１００本等なら、もっと安いです。

　抵抗を使う場合、これは誰でも中学辺りの理科で習った、「オームの法則」で計算出来ます。
　例の、Ｅ＝ＩＲ　と言うやつですね。

　Ｅは電圧、単位はＶ（ボルト）。
　Ｉは電流、単位はＡ（アンペア）。
　Ｒは抵抗、単位はΩ（オーム）です。
　つまり、電圧＝電流×抵抗　です。

　LED電流制限抵抗値の計算方法は、
　上のＥ＝ＩＲの式を変化させます。求めたいのは抵抗値ですから、つまり、
　Ｒ＝Ｅ／Ｉ　ですね。
　抵抗＝電圧÷電流　と言うことになります。

　このうち、電流はＬＥＤの規格からわかります。一般的には１０〜２０mＡです。電圧はどうなるでしょうか？　１２Ｖなら１２Ｖで計算出来るかと言うと、出来ません。必要なのは、あくまで抵抗に受け持ってもらう分だけです。つまり、１２ＶからＬＥＤの定格電圧分を引かなくてはなりません。ですから、
　抵抗＝（電源電圧−LEDの定格電圧）÷ＬＥＤの定格電流　と言うことになりますね。

　具体的に計算してみると。
　定電流ダイオードの時にも例に出したＬＥＤを再度持ち出します。仮に、電圧２．０Ｖ、電流２０ｍＡの規格のＬＥＤを点灯させるとします。先ほどの式に入れると、
　抵抗＝（電源電圧１２Ｖ−LEDの定格電圧２Ｖ）÷ＬＥＤの定格電流０．０２Ａ
　となります。普通ＬＥＤの定格電流はｍＡ（ミリアンペア）の単位で表示されていますが、計算ではＡ（アンペア）で計算することに注意してください。
　と言う訳で、
　抵抗＝（１２−２）÷０．０２となり、計算すると５００Ωの抵抗を入れれば良いことになります。入れる場所はＬＥＤと電源との間に直列に繋がっていれば、どこでも構いません。定電流ダイオードのように極性も無いので、簡単です。
　しかしこれだと、１０Ｖ分を全て抵抗で捨ててしまう形になりますから、無駄が多くなります。１０Ｖ分もＬＥＤの点灯に使えれば、抵抗値も小さいので済むし、発熱も少なく出来ます。
　電源が１２Ｖですから、２ＶのＬＥＤなら６個直列に繋げれば、極端な話抵抗が不要と言うことになります。しかし実際には、バイクの電圧は１２Ｖではなく、常に変動しています。エンジン始動中には、１３〜１５Ｖが普通です。抵抗の場合、安全マージンをとって考える必要がありますから、車両にもよりますが１４〜１５Ｖくらいまで電圧が上がっても大丈夫なように考える必要があります。すると、
　（１５−１２）÷０．０２＝１５０Ωとなります。これくらいの抵抗を入れれば良いことになります。
　しかし、バッテリーのみで点灯させた場合、少し暗くなります。なぜなら先ほどの式を変形させると、
　電流＝電圧÷抵抗となります。バッテリーが１３Ｖくらいとすると、
　（１３Ｖ−１２Ｖ）÷１５０Ω＝０．００６６６６......Ａ＝６．６ｍＡとなり、ＬＥＤにはこれくらいの電流しか流れなくなります。これだと暗くなるでしょう。かと言って１３Ｖを基準に計算すると、抵抗値は５０Ωになります。この抵抗値で１５Ｖになったときには、ＬＥＤに６０mＡくらい流れてしまって、ちょっと危ないことになります。
　ですので、６個直列だと変化が大きいので、５個くらいにして、抵抗で加減することになるでしょう。５個ならば、計算上の抵抗値の変化が少ないです。

	ＬＥＤ６個直列	５個	４個
電圧１３Ｖで計算	５０Ω	１５０Ω	２５０Ω
電圧１５Ｖで計算	１５０Ω	２５０Ω	３５０Ω

　このように数値は全て１００Ω差になりますが、抵抗値が大きくなるので分母が大きくなり、１００Ωが全体に占める割合が少なくなります。（５０Ωと１５０Ωは３倍とかなり差があるが、２５０Ωと３５０Ωだったら１．４倍とそれ程の差ではない。）

　と言う訳で、抵抗を使った方法の場合、定電流ダイオードを使った場合より、少し注意が必要です。バッテリーレス車あたりだとかなり電源電圧が変動するので、個人的には定電流ダイオードの方が簡単で良いかと思います。