LED_circuits

LED Circuits

Our goal is to provide overview of the basic types of circuits used to power LEDs. 回路図は、業界標準の電子記号で描かれています。

LEDはダイオードの標準的なシンボルに、発光を意味する2つの小さな矢印を追加したものである。そのため、発光ダイオード(LED)と呼ばれるようになりました。 A “はアノード（プラス）接続、”C “はカソード（マイナス）接続を表します。以前にも申し上げましたが、繰り返しになります。 LEDは厳密にはDCデバイスであり、AC（交流）では機能しません。 LEDに電力を供給する場合、電圧源がLEDデバイスの電圧と完全に一致しない限り、LEDと直列に「制限」抵抗を使用する必要があります。この制限抵抗がないと、LEDはすぐに焼き切れてしまいます。

以下の回路では、電池のマークを使って電源を示しています。電源や、レイアウト上の軌道からの車輪のピックアップなどでも簡単に電源を供給できます。重要なことは、電源が直流であることと、過電圧によるLEDの破損を防ぐため、十分なレギュレーションが必要なことです。電圧源がトラックのピックアップから供給される場合、ブリッジ整流器を使用して、LEDが直流かつ不変の極性を受け取るようにする必要があります

スイッチの記号はかなり簡単です。単極単投（SPST）スイッチは単にオンオフ機能であり、SPDT（両投）スイッチは2つの異なる回路間のルーティングを可能にします。片側が何も接続されていない場合は、単投スイッチとして使用することができます。押しボタンは瞬時接点スイッチです。

ここで使っているコンデンサの記号は、電解タイプまたは極性タイプのコンデンサを表しています。つまり、直流回路で使用し、正しく接続（プラス電圧にプラス接続）しないと破損します。このコンデンサは、電力を拾った車輪が線路の汚れた部分や分岐器の隙間を横切るときに生じる小さな損失による電源電圧の変動を「平準化」するために、瞬間的な蓄電に使用されます。極性コンデンサは、最大直流電圧定格の違いによって等級付けされています。

基本回路

これは非常にシンプルな回路です。 1 つの LED 回路は、他のすべての例のベースとなるビルディングブロックです。正しく機能させるためには、3つの部品の値を知っておく必要があります。電源電圧 (Vs)、LED デバイスの動作電圧 (Vd)、LED の動作電流 (I) です。これらを把握した上で、オームの法則を変形させて、適切な制限抵抗（R）を決定します。この式は、

ブリッジ配線のヒントページで確認できます。詳しくは手順7をご覧ください。

上の回路図では、制限抵抗とスイッチの両方を回路のプラス (+) 側に接続しています。これは、マイナス（-）側、つまり「アース」側ではなく、回路の「ホット」（プラス）側で作業する「標準的な電気的慣習」に一致するようにしたものです。

2つ以上の LED を使用する回路

複数の LED を使用する回路は、並列配線回路と直列配線回路の 2 つの一般的なカテゴリに分類されます。

LED の並列回路と直列回路の一般的なルールは、次のように記述できます。

直列回路では、LEDの光出力を安定させるために、すべてのLED電圧の合計が電源電圧の90%を超えないようにする必要があります。

直列回路では、すべてのLEDが同じ電圧（Vd）と電流（I）の特性を持つ必要があります。

並列配線LED回路

上に同じ回路の例を二つ挙げました。左の図1は、3つのLEDを並列に接続して電池に接続し、スイッチでON/OFFする回路図です。この回路では、各LEDにそれぞれ制限抵抗があり、その電源電圧側が接続され、電池のプラス端子に接続されている（スイッチを介して）ことに注目します。また、3つのLEDのカソードは一緒に接続され、バッテリーのマイナス端子に接続されていることに注意してください。このような部品の「並列」接続が、この回路を定義しています。

図1に示すように回路を正確に構築し、回路図に示す方法でデバイスを接続する場合（抵抗器間のジャンパー線、カソード接続間のジャンパー線）、選択する電線の電流伝送能力を考慮する必要があります。電線が細すぎると、過熱（あるいは溶融）する可能性がある。

このウェブサイトの多くの例では、当社の#38被覆マグネットワイヤーを使ってLEDを配線した例を示しています。このサイズのワイヤーを選択したのは、非常に特殊な理由からです。 Z-Scaleでも、ほとんどのプロジェクトでワイヤーやケーブルとしてプロトタイプに見えるほど小さく（絶縁被覆を含む直径は0045インチ）、20mAの照明デバイス（当社のLEDなど）に50%の安全率を加えて電流を供給するのに十分な大きさなのです。 38番銅線の公称定格は31.4maで、最大定格は35.9maです。公称電流値24.9mAの#39のワイヤーも選択できましたが、これでは抵抗値の変動やLEDの個体差を安全に許容できないと考えました。さらに、直径がわずかに小さい (0.0045 インチではなく 0.004 インチ) ため、モデリングに目立った違いはないでしょう。

図 1 に戻ると、この例では、各 LED/抵抗のペアの電流要件を次のペアに追加し、上記の並列回路のルール (#1) に従っています。この回路全体に、38番のマグネットワイヤーを安全に使用することはできません。例えば、一番下のLEDのカソードから電池のマイナス端子へのジャンパーには、60mAの電流が流れます。この場合、磁石の線はすぐに過熱して溶けてしまい、回路がオープンになってしまう可能性があります。このため、図1は、回路が正しく機能するように部品を接続する方法を簡単に「図式化」したものに過ぎません。

実際の配線プロジェクトでは、図2のような形になるはずです。この場合、バッテリーのプラス端子とスイッチの接続以外は、38番の電線を安全に使用できます。ここで、最低でも34番線（公称79.5ma）が必要ですが、ラジオシャックの30番絶縁巻線などを使うことになるでしょう。これは安価で入手しやすく、200mAの電流を流すことができる（公称値）。この用途には十分な大きさです。

鉄道模型のレイアウトは、軌道電源、スイッチング、照明、信号、DCCなど、あらゆる種類の配線を必要とし、それぞれ異なる電流が必要となるため、電気的に複雑になることがあります。

直列配線LED回路

この回路は、3つのLEDに電源を供給する単純な直列回路です。並列回路との大きな違いは2つあることに気がつくでしょう。すべてのLEDは1つの制限抵抗を共有し、LEDは「デイジーチェーン」方式でアノードからカソードに接続されています。上記2.の法則に従い、制限抵抗の決定には、先ほどの計算式をさらに変形させた計算式を用います。上記の回路の直列式は次のようになります。

ここでの唯一の違いは、最初のステップで、使用しているLEDの数のデバイス電圧を合計し、その値を電源電圧から減算することです。その結果をデバイスの電流 (通常 20ma または 0.020) で割ります。簡単でしょう？ 3.のルールも忘れないでください。つまり、電源電圧に90% (0.9) をかけて、すべてのデバイス (LED) の電圧の合計がその値を超えないようにするのです。これでほぼ終わりです。

使用する電線の種類を知る必要がありますが、このような回路ではどのような電流が期待できるのでしょうか。えーと、上の並列回路で、LED3個をそれぞれ20maで使う場合、電池で60maを消費することになりますね。ということは・・・60ma？いや、そうではない。実は、3つのLEDの消費電力は20maより少し低いのです。

並列回路では、デバイスの電圧は一定ですが、各デバイスに必要な電流は合計で求められます。
直列回路では、デバイス電流は一定ですが、求められる電圧はすべてのデバイス電圧を合計したもの（合計）です。

9 ボルトのバッテリー (または電源) を使用して、いくつかの例を挙げてみましょう：

例 1

2×3 超白色 LED を 2 つ直列に接続したいと思います。

まず、デバイスの電圧を3.6ボルトと決定し、2つのLEDのためにそれを足します（3.6 + 3.6 = 7.2）。
この量が分かったので、規則3に違反しないことを確認しましょう。 9ボルトの80%は7.2ボルトです（.8×9＝7.2）。量は等しい。
次に、この7.2ボルトを電源電圧（9ボルト）から引き、その結果を1.8とします（これはVs-Vdの部分です）。答えは90です。 90Ωの抵抗は標準ではないので、次に大きい値（100Ω）を選びます。
最後に、消費電流は合計でわずか20maなので、もし望むなら、#38ワイヤーをすべてに使用することができます。
1. デバイスの電圧は1.7ボルトです。 LED4個の場合は6.8ボルト（4×1.7＝6.8）です。
2. この量がわかったので、ルール3に違反しないことを確認しましょう。 9ボルトの90%は7.2ボルトです（.8×9＝7.2）。そして、6.8は7.2より小さい。
3. 次に、この6.8を電源電圧（9ボルト）から引き、その結果を2.2とします（これはVs-Vdの部分です）。答えは110です。 110Ωは標準的な抵抗の値なので、最も近い値を選ぶ必要はありません（低い値を選んではいけません！）。
例3

マイクロスーパー白色LEDを3つ直列に接続したい。
1. デバイス電圧は3.5ボルトです。つまり、LED3個で10.5ボルトとなり、…問題が発生しました。この量は、上記のルール3に違反するだけでなく、電源電圧も超えています。この場合、LEDは点灯すらしません。このような状況で、もしこのLEDが3個必要なら、少なくとも11.67ボルト（10.5の90%に相当）を供給する電源が必要になるか、2個だけ直列接続し、3個目は別の抵抗で接続しなければなりません（直列/並列回路ですが、これについては後ほど詳しく説明します）。この場合、2種類の回路を共通の電源で接続することになります。回路図は次のようになります。
ここで再び、電源とスイッチ間の接続以外のすべてに38番線を使用することができます。ここで必要な制限抵抗を決めるには、回路の各セグメントを別々に計算すればよい。どのセグメントを先に決定してもかまいませんが、ここではLED/抵抗の単体で行います。この場合、元の式を使用します。

この例では、Vsが9ボルトであることが分かっています。そして、Vdは3.5ボルトで、Iは20maであることが分かっています。ですから、(9 – 3.5) = 5.5 ÷ 0.020 = 275 となります。これは標準的な値の抵抗ではないので、ここでは300Ωの抵抗を使用します。

さて、次にLEDの直列ペアを計算しましょう。 LEDが2つだけの場合の計算式は次のようになります。

ここでもVsは9ボルトですから、9 – (3.5 + 3.5) = 2÷ .020 = 100、これが抵抗の標準的な値ということになります。これで完了です。

EOTライト付きKato Amtrakスーパーライナー

ブリッジ整流器と600μfの容量を使って照明用に配線した客車の回路図です。超白色LEDが車内を照らし、2つのマイクロ赤色LEDが終点照明を提供します。また、EOT機能をオフにするためのスイッチも搭載しています。この車の走行例（800μfのフリッカー制御）は、こちらでご覧になれます。

直列/並列配線LED回路

ここでは、上記の例3を少し拡張しています。直列ペアのLEDを3グループ用意しました。計算上はそれぞれ別の回路として扱われますが、共通の電源のために一緒に接続されます。これがすべて超小型の白色LEDだとすると、この回路を作るのに必要なことはすでにすべてわかっています。さらに、各直列ペアが20mAの電流を流すことが分かっているので、電源での合計は60mAになります。

直列/並列LED回路で興味深いのは、1つの電源で点灯させる数を簡単に増やせることです。例えば、当社のN3500スイッチング電源。

先ほどの並列回路を使用すると、2×3、Micro、Nano の超白色 LED を 50 個 (または 50 個に等しい任意の組み合わせ) 接続でき、それぞれに制限抵抗があり、この小さな電源で処理できます。これだけあれば、それなりの規模の街なら十分だろう。さて、もう少し賢くなれば、直列・並列回路をいくつか使って、1台の電源でこの量を簡単に拡大することができます。すべて直列・並列にすれば、100個のライトを点灯させることができるのです。仮に、N1012 Microの赤色LED（デバイス電圧1.7V）を使ったプロジェクトであれば、この小さな電源で400個のLEDを点灯させることができるのです。しかし、これはかなり奇抜な発想だ。黒メガネの方、いらっしゃいますか？

レイアウトやジオラマ・プロジェクトに当社のスイッチング電源を使用する際の詳細については、ここをクリックしてください。直列グループを作成する際、デバイスの電圧と電流の要件が密接に類似していることを確認します。デバイスの電圧差や電流条件が大きいLEDを同じ直列グループに混在させると、満足のいく結果が得られないことは言うまでもありません。ミックスアンドマッチは可能です。直列回路、並列回路、単線LED、直列/並列回路、白色グループ、赤色グループ、黄色、緑色、何でもOKです。各ケースで適切な制限抵抗を計算し、配線計画が正しいワイヤサイズであることを確認する限り、照明プロジェクトは非常に満足のいく結果を得ることができます。値を入力して「計算」ボタンをクリックするだけです。

… をクリックしてください。光あれ …

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