はじめに
ledとは
ledとは light emitting diodeの略で発光ダイオードともいいます。発光の色は白、赤、緑、青などさまざまな種類があります。形状も砲弾型や角型、表面実装型などいろいろです。
電池などの電源により光るのは豆電球と同じですが、極性があったり電圧の制限があったりと少し扱いが面倒です。もちろん省エネで長寿命、頑丈さなどメリットも沢山あります。簡単なルールを守れば爆発などの危険性はありませんので安心してくださいね。
ledのしくみ
ledはプラス極からマイナス極に電流がながれると光が点灯するしくみになっています。２本の線のうち長い方がプラス極、短い方がマイナス極です。ただし、なかには線が３本以上でていたりする場合もありますので、正確にはカタログで極性をご確認くださいね。
カタログで確認すべき２つの項目
ledのカタログには数値がたくさん書いてあって煩雑と思われると思います。でも、安全に動作させるために必要なのは２つの値だけです。ここではその２つの項目についてご紹介いたします。
ledの順方向電圧
カタログの電気的・光学的特性の表に書かれていることが多く、記号はVFを使います。順方向電圧より大きな電圧を与えるとledを点灯できます。電圧が少なくともこの値以上の電源を準備しましょう。
例えばカタログのVFが2.3Vの場合、少なくとも2.3V以上の電源が必要となります。また、標準と最大が記入されていることが多いですが、計算には標準の値を用います。
ledの順方向電流
ledのプラス極からマイナス極に流れる電流のことです。絶対最大定格の項目に書かれています。この電流を超えるとledの動作が保証できない、つまり故障や爆発の可能性があるという値です。IFが順方向電流の記号です。
ここでは、カタログの色々な値からVFの標準値とIFの値を拾っておいてください。後の章で計算の方法をご紹介します。
ledの回路で注意する２つのこと
ledの回路で注意しなければいけないことが２つあります。極性の誤りと電源の直結です。
まず正しい回路は下をご覧ください。回路の記号は、日本工業規格（JIS）で決められており、三角と棒から光を表す矢印が付いたのがled、長方形が抵抗、長い棒と細い棒のセットが電源を表します。詳細はあとで説明しますが、抵抗はledの電流を調整するのに用います。
極性を逆にしてはいけません
正しい回路図と比較するとledのプラス極とマイナス極が逆です。許容の電圧以上を逆方向にかけると故障、爆発するおそれがあります。許容電圧は上のカタログで絶対最大定格にある逆方向電圧（ここでは４V）です。
電源の直結はいけません
正しい回路図と比べて抵抗が抜けています。ledに電源を直結すると、電流が定格を超えてしまい破損または爆発の原因となります。正しい回路のように、抵抗で電流の調整をおこなうことにより安全にledを点灯することができます。抵抗値の計算方法は次章でご説明しますね。
抵抗値を計算してみよう
回路には直列と並列があります
ledの接続には、ライン状に明るくしたい場合の直列接続と、広い範囲を照らしたい場合の並列列続やその混合があります。最初にled一つだけを点灯する場合の抵抗値計算をします。その後で直列接続、並列接続の場合の計算方法を説明します。led単体の説明がご理解いただければ、残りもほぼ同じです。
抵抗値計算：単体の場合
それでは計算していきましょう。正解の回路図を再び下に登場させます。先ずは、カタログなどの定格の順方向電流と順方向電圧値を準備しましょう。次にledに流す電流を決定します。定格の順方向電流以下なら大丈夫です。電流が大きいほど明るく点灯しますが消費電力が大きくなります。ここはご自分で決めてくださいね。
決めた電流をIとしておきます。電源電圧Eを用いると、電圧（E-VF）が抵抗の両端にかかります。この時、抵抗に流れる電流はIですから、オームの法則（抵抗値＝電圧／電流）を使うと、下の式で抵抗値が計算できます。 抵抗値＝（E-VF）/I 抵抗値の計算はこれで終了です。
試しに、先ほどのカタログのledを単三乾電池２本で点灯させる場合を考えてみましょう。単三乾電池の電圧は１個あたり1.5Vですので、E=3Vです。
VFは2.1V、定格のIFは25mAですから、それ以下の10mAを流すようにすると 抵抗値＝(3-2.3)/0.01＝70Ω となります。実際はピッタリ同じ値の抵抗が売っていることは少ないので、ラインナップの中から近い値の抵抗を選びましょう。ここでは100Ωを選ぶことにします。これで回路が完成です。
抵抗値計算：直列接続の場合
上のようにledを直列に２個接続した回路を考えましょう。led単体の計算方法と違うのは、VFが2×VFになることだけです。流したい電流をIF以下で設定しましょう。流す電流をIとして抵抗は以下の式になります。 抵抗値＝(E-2×VF)/I この値で電流を調整してください。これで直列接続の場合の回路が完成です。
抵抗値計算：並列接続の場合
下は２つのledを並列にした回路例です。一つだけ注意していただきたいことがあります。必ず抵抗を各々の列に接続してくださいね。理由はledの電気的な特性が一つ一つ違うことにあります。例えば、上で紹介したledのカタログでは標準が2.3V、最大が 2.8Vでした。各々のledに流れる電流は大きく違う可能性があります。
一方のledに予想外の大きな電流が流れてしまい破壊に至ることもあります。また、実用的にも明るさが異なるのはうれしくないですよね。
各列の抵抗にかかる電圧は（E-VF）なので計算式は単体の場合と同じです。 抵抗値＝(E-VF)/I ただし、Iは決定した電流となります。同じledを並列に並べる場合は、この抵抗で電流を調整してください。もし他種のledも使用する場合は、それぞれの列でのVFやIから計算してくださいね。
抵抗器の爆発に注意
抵抗値の定格があります
ledと同じように抵抗器にも定格があります。定格電力です。これを超えると動作が保証できないという値で、DIYでよく使われるカーボン抵抗の定格電力は1/2Wや1/4Wが多いです。
超過すると爆発の危険性もあるので注意しましょう。電力は以下で計算できます。 消費電力＝（抵抗値）×（電流）×（電流） 例えば、さきほどの例で10mAの電流の時の消費電力は、100Ωの抵抗を使った場合 消費電力＝100×0.01×0.01=0.01W となり、定格電力1/4（＝0.25）Wの抵抗で大丈夫ということになります。
実際に光らせてみよう
回路だけだとわかりにくいので、実際に光らせてみます。使用したのはホームセンターで購入したグリーンの発光ダイオードセットです。発光ダイオードが５つ、330Ωの抵抗器が５つ入っていました。
電源には単三電池を２つ用いました。電源とledと抵抗はクリップで仮接続しました。入っていたledと抵抗を使って電源ＯＮしたところ下のように正常に点灯しました。
次に、抵抗値を計算してみます。発光ダイオードセットのledの順方向電圧は2.3V、順方向電流の定格が25mAです。流す電流を大きめに20mAとして制御抵抗を計算してみます。
抵抗値＝(3-2.3)/0.02＝35Ω 35Ωに近い値の50Ωの抵抗を接続してみました（下図）。さきほどよりだいぶ明るさが増しました。発光ダイオードセットは、安全性のため充分大きな抵抗値にしていることが分かりました。
まとめ
led抵抗値の計算について説明してきましたがいかがでしたか？ledのたった２つの数値から計算できることが分かりました。思ったより簡単だったのではないでしょうか？ 試行錯誤もDIYの醍醐味です。実際の組み立てなどでは、多少面倒なこともあるかもしれませんが楽しみながらやってくださいね。
電子回路自体に興味がある方は電子回路の組み方や基礎についてまとまった記事も参考にしていただけると幸いです。