LEDにつなぐ抵抗値の決め方

前回の記事では、LEDをArduinoで光らせる基本回路を紹介しました。
その中で、LEDに直列接続する抵抗をしれっと330Ωに設定していました。

でもこの330Ω、なぜこの値でいいのか気になりませんか？
今回はその理由を、LEDの特性や回路の考え方とともに解説します。

LEDは“抵抗なし”で使うと一瞬で壊れます

LED（発光ダイオード）は、普通のダイオードと同じように順方向に電圧をかけると電流が流れる構造になっています。順方向というのは、LED素子の足の長い方（アノード）から短い方（カソード）に向かう流れ方向です（下図参照）。

ただし、LEDは電流を流しすぎるとすぐに壊れてしまう繊細な素子です。
目安として、20mA（ミリアンペア）程度までが安全圏とされています。

そこで、電流を制限するために、LEDと直列に抵抗器を接続する必要があります。

では、どの程度の抵抗を接続すればいいのでしょうか。
それを考えるためには、オームの法則を引っ張り出す必要があります。
オームの法則はこちらの記事にあるとおり、電気回路において電流と電圧が比例するという関係を表した法則でした。

LEDに直列接続する抵抗値を決めたければ、その抵抗器にかかる電流と電圧がそれぞれわかればいいですね。直列回路なので、電流についてはLEDに流したい20mAと同じです。なので、抵抗器にかかる電圧を知ることがターゲットです。

電源の電圧は5Vで、直列回路なので、LEDにかかる電圧がわかれば、抵抗器にかかる電圧もわかります。では、LEDにかかる電圧はどんなもんなんでしょうか。

LEDの端子間に発生する電圧は、実は色ごとにだいたい決まっています。その目安を下表に示します。

なぜだいたい一定値になるのか、なぜLEDの発光色ごとに違うのかは、LED素子を構成する材料レベルの話になるので本記事では触れませんが、n型半導体、p型半導体というところにヒントがあります。

次のグラフはLEDの順方向電圧、順方向電流の関係を示した一例ですが、このグラフから、電流値（縦軸）がちょっと変わったくらいでは電圧値はあまり変わらないということが読み取れます。つまり、抵抗値をちょっといじって電流値がちょっと変わったくらいでは、LEDの電圧値はさほど変わらないということです。

ということで、青色LEDではだいたい3.0Vの電圧を見込んでおけばよいということでしたので、直列接続する抵抗器にかかる電圧は、5.0 – 3.0 = 2.0Vを見込んでおけばよいことになります。

そこに流れる電流を20mAとするには、オームの法則より

$${R=\frac{V}{I}=\frac{2.0}{20\times10^{-3}}=100[Ω]}$$

であればいいことになります。

100Ωでも良いのですが、LEDの寿命やArduinoの負担を考慮して、もっと控えめにすることが一般的です。

といった具合。

つまり、330Ωは「明るさ」「安全性」「汎用性」のバランスがちょうど良いというわけです。220Ωの抵抗器を持っていれば、220ΩでももちろんOKです。

LEDは、電流を少し増やしたからといって劇的に明るくなるわけでもないし、逆に少し減らしても普通に見えるくらい光ります。そのため、少し暗めに設計しておくくらいがちょうど良いんですね。