LEDに抵抗器が必要な理由

私が調べたところ、抵抗器はLEDを流れる電流を制限すると言われています。

しかし、直列回路では電流がすべての点で一定であることがわかっているので、このステートメントは私を混乱させます。

LEDの両端の電圧はかなり一定です。たとえば、赤色LEDの2.2Vは電流でわずかにしか上昇しません。直列抵抗なしでこのLEDに3Vを供給すると、LEDはこの3Vの電圧/電流の組み合わせを設定しようとします。この種の電圧に伴う電流はありません。理論的には、LEDを破壊する10 s、おそらく100 sのアンペアです。そして、あなたの電源が十分な電流を供給できる場合、まさにそれが起こります。
そのため、ソリューションは直列抵抗です。LEDが20mAを必要とする場合、例の赤いLEDのために計算できます

$R = \dfrac{\Delta V}{I} = \dfrac{3V - 2.2V}{20mA} = 40 \Omega$

2.2Vを直接供給することも機能すると考えるかもしれませんが、それは正しくありません。LEDまたは電源電圧のわずかな違いにより、LEDが非常に暗く、非常に明るく、または破壊される場合があります。直列抵抗により、抵抗の電圧降下が十分に大きければ、電圧のわずかな違いがLEDの電流にわずかな影響しか与えないことが保証されます。

ポイントはLEDはとにかくダイオードであり、ダイオードは内部抵抗が非常に小さい（もちろん「順」方向）ため、直列に何か他のものがない限り、全体的な抵抗は非常に低く、電流はほとんど制限されず、このほとんど制限されない電流LEDを損傷し、LEDに電力を供給する回路に過負荷をかける可能性があります。

そのため、要素が直列に接続されている場合、回路の各ポイントで電流が同じであることは完全に正しいですが、抵抗を追加すると、直列の全体抵抗が増加し、これにより電流が減少します。

常に複雑な答え;-)。このように見てください。バッテリーの端子にワイヤーを接続するとどうなりますか？完璧な世界では、ワイヤーを溶かす無限の電流が流れます。これを短い回路と呼びます。ダイオードは順方向抵抗が最小になるように設計されているため、短絡と同じ効果が得られます。そこに抵抗を入れて電流に抵抗するものを提供し、無限からそれを制限します

想像してみろ

• 速度が電流に比例する水力モーターがありました。

• モーター自体は、電流の流れに対する抵抗がほとんどありませんでした。ポンプ外部の電流の流れを制御する必要がありました。

• 1秒間に10リットルを10メートルのパイプからモーターへ、次にモーターを通り、さらに別の10メートルのパイプを通してポンプの吸込側へ送ることができるポンプがあります。（流量は、ポンプが行う圧力とパイプライン抵抗に関連していました。つまり、容積式ポンプではありませんでした。

• ポンプを運転すると、モーターの速度が非常に速く、流量を約1リットル/秒に制限する必要があることがわかりました。

この要件を達成するには、回路に減圧バルブを配置して、ほとんどの圧力を下げて流量を制限します。バルブは、所定の流量で調整可能な圧力を一定量落とすように働きました。（これは、いくつの相対水バルブが機能するかについてです）。

回路内のどこにでもバルブを配置でき、望みの結果が得られます。ポンプの入口または出口、またはモーターの出口または入口、またはいずれかのパイプの任意の場所に配置できます。

これはLEDの質問とよく似ています。リミッターなしでは電流が高すぎるため、電流を制限する必要があります。リミッターは回路のどこにでも配置できます。

バッテリー付き-抵抗器LED回路

LEDには、選択した電流で特定の定義された電圧降下があります。
具体的には、20 mAでLEDが正確に3.00ボルト降下するとします。これはいくつかの最新のLEDの典型です。
20 mAでLEDを動作させたい場合は、3 Vを落とすように調整する必要があります。
9V電源を使用してLEDを動作させたい場合、N = MUSTを「取り除く」必要があります9-3 = 6B。
抵抗器がこれを行います。
20 mAで6 Vを落とすには、R = V / I = 6 / 0.02 = 300オームの抵抗が必要です。
この例では、9Vバッテリー+抵抗+ LEDが20 mAで動作します。抵抗は、LEDの前または後に配置できます。電流はいずれかの場所でそれを横切ってドロップされます。

この質問には関係ありませんが、あなたの声明が

• 「そのシリーズの回路を知っています、電流はあらゆる点で一定です。」

間違っている。

これが悲惨である多くの回路がありますが、それが真実でない多くの回路もあります。
この1個のLED、1個の抵抗回路など、抵抗性コンポーネントのみを備えたDC回路では、それは事実です。しかし、インダクタやコンデンサ、またはその他の特定の非線形要素などの無効なコンポーネントが存在する場合、それはしばしば真実ではありません。

ここで重要なことに注目しましょう。LED（ダイオード）の特性曲線です。ウィキペディアのこの画像をご覧ください。ご覧のとおり、ダイオード両端の正電圧では、電流が指数関数的に増加します。今、LEDを抵抗なしの電源に接続すると想像してください。LEDを点灯するのに必要な正確な電流を得るには、ダイオードの両端に正確な電圧を設定する必要があります。何らかの理由で電源が必要な電圧を少し上回ると、電流が以前より指数関数的に大きくなり、ダイオードが損傷する可能性があります（！）。それでは、この問題に抵抗器がどのように役立つのでしょうか？フィードバック！エレクトロニクスの最も重要な概念の1つ！例に戻り、ダイオードと電源に直列に抵抗を追加しましょう。これで、電源が公称電圧を超えるたびに、ダイオードは電流を再び指数関数的に増加させますが、電流が高くなると抵抗器の電圧も高くなります。つまり、ダイオードの電圧が低下し、電源を補償します電圧上昇。

LEDは、半導体材料で作られたダイオードで、電流が材料を流れると光子を生成します。LEDを流れる電流が多いほど、LEDが発する光は多くなり、明るくなります。ただし、LEDを損傷するのに十分な電流量である上限があります。

LEDは、LEDを流れる電流に対する抵抗がほとんどありません。それが提供する小さな抵抗のほとんどは、放出された光から失われたエネルギーによるものであり、光子生成は非常に効率的であるため、抵抗はほとんど無視できます。ただし、電流が増加し、光量が増加すると、LEDを流れる電流の量が重大な障害を引き起こすため、LEDはある時点で故障します。電流が十分に大きいと、壊滅的な材料の蒸発により、LEDの外部エンベロープ内で小さな爆発が起こる可能性があります。3.3vまたは5vのデジタル回路に見られる低い電流レベルでは、最も可能性の高い結果は、半導体材料が故障して導通が停止し、LEDが点灯しなくなることです。

回路電圧はLEDの消費電流にどのように影響しますか？LEDはダイオードの一種であるため、Shockleyのダイオード方程式は、さまざまなレベルの電圧でダイオードが許容する電流を表します。この式は、与えられた電圧範囲に対するShockley関数の結果が指数曲線に従うことを示しています。これは、電圧の小さな変化が電流の大きな変化を引き起こす可能性があることを意味します。そのため、LEDの順方向電圧よりも高い電圧の単純な回路でLEDを使用すると、LEDが推奨レベルよりも驚くほど多くの電流を流して、LEDが故障する危険があります。

ウィキペディアのトピック「LED回路」およびウィキペディアのトピック「ショックレーダイオード方程式」を参照してください。

そのため、LEDに流れる電流の量を制限するようにLED回路を設計することを考えています。私たちは、LED材料が故障するほど多くなくても、希望する明るさのレベルを引き起こすのに十分な電流をバランスさせたいと考えています。電流を制限する最も一般的な方法は、回路に抵抗を追加することです。

LEDには、LEDの電気的特性と公差を説明するデータシートが必要です。たとえば、このデータシートモデル番号：YSL-R531R3D-D2を参照してください。

私たちが興味を持っている最初の特性は、（1）材料の故障が原因でLED故障が発生する前にLEDが維持できる最大電流と、（2）推奨電流範囲です。一般的な標準の赤色LEDのこれらおよび他の最大定格（異なるLEDには異なる値があります）は、下に複製されている表にあります。

この標準の赤色LEDのデータシートの表では、最大電流は20mAであり、推奨範囲は16mA〜18mAです。この推奨範囲は、LEDが最も明るい状態でありながら、材料の故障の危険性がない電流です。また、定格消費電力は105mWであることがわかります。LED回路設計では、これらの推奨範囲内に収まるようにします。

次の表を見ると、2.2vのLEDの順方向電圧値がわかります。順方向電圧値は、電流がアノードからカソードへ順方向にLEDを流れるときの電圧降下です。ダイオードを使用する際の「順方向」および「逆方向」電圧とはをご覧ください。。

2.2v、20mAの電流の回路でこのLEDを使用する場合、LEDは44mWを消費しますが、これは電力消費安全ゾーン内に十分収まります。電流が20mAから100mAに変化すると、損失は5倍または220mWになります。これはLEDの定格105mWの電力損失を大きく上回っており、LEDの故障が予想されます。電流を供給しすぎるとLEDはどうなりますか？。

LEDを流れる電流を推奨レベルまで減らすために、回路に抵抗を導入します。どの値の抵抗を使用する必要がありますか？

オームの法則を使用して抵抗値を計算しますV = I x R。ただし、電圧ではなく抵抗を求めるため、代数変換を行いR = V / Iます。代わりに式を使用します。

Iの値（アンペア単位の電流）はかなり明白であり、変換された式のLEDデータシートから推奨される最小値16mAまたは.016Aを使用できます。しかし、ボルトVにはどの値を使用する必要がありますか？

回路全体の総電圧降下に対する抵抗の寄与である抵抗の電圧降下を使用する必要があります。したがって、総回路電圧からLEDの電圧降下の寄与分を差し引いて、抵抗器に必要な電圧降下の寄与分を決定する必要があります。LEDの電圧降下は、上記の表の順方向電圧値、アノードからカソードへの順方向の電圧降下です。

3.3vレールを電源として使用する標準のRaspberry Piプロジェクトの場合、計算は次のようになります。 (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)

では、計算で69オームが示されるときに、なぜ200オームなどの抵抗値が一般的に使用されるのでしょうか。

簡単な答えは、200オームの抵抗器が多くの実験キットに含まれている一般的な抵抗器であるということです。LEDから放出される光が著しく減少しない場合は、一般的な抵抗を使用します。

では、69オームの抵抗から200オームの抵抗に変更すると、電流の変化はどうなりますか？この場合も、オームの法則を使用して回路の電流を解きます。I = V / Rまたは3.3v / 200 ohms = .0165A、LEDデータシートを見ると、この値が16 mA〜18 mAの推奨範囲内にあるため、LEDは十分に明るいはずです。

単純に、導線は低抵抗であり、バッテリーのみに接続すると、流れる電流は非常に高くなります（I = V / R）、高電流は小さな導線の抵抗でより多くの電力を消費するため、ダイオードの焼損につながります（熱的に）、材料の熱伝達定数が非常に低いため。

消費電力=（I ^ 2×R）であることに注意してください。