Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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目で見るダイオードの動作の巻

　ダイオードの動作を説明するのに電流や電圧を使って説明することがあります。　しかし、電流や電圧って言われても電気に親しんでいないと、その数字の感覚やボルトやアンペアの意味するものがわかりません。　そのような場合に発行ダイオードの点灯 ／消灯や、明るさでダイオードの動作を説明をしてみてはどうでしょうか。

１．　ダイオードの整流作用を発光ダイオードの明るさで見る

　ダイオードの代表的な動作として電流を一方に向しか流さない整流作用があります。　この動作を発光ダイオードの点灯／消灯として目視で確認してみましょう。

　今回の動作確認として同じ発光ダイオードを２個用意して試験回路を組みます。　一方の発光ダイオードには電源と抵抗だけ、もう一方の発光ダイオードにはさらに動作を確認するためのダイオードを設けます。　 今回の確認に使用する回路図と試験回路外観で下記に示します。

（肝心のＤ７は回路図シンボルとダイオードの向きが不一致です。　ご容赦を。）

【　図１　試験回路　】

• 　ダイオードのシンボルは三角形と三角形の頂点に横線を引いたシンボルで、三角形の底辺から頂点に向く方向に電流を流すことができます。　 この向きを順方向と呼びます。　また、三角形の頂点から底辺に向く方向には電流を流すことができません。　この向きを逆方向と呼びます。
  　

•  上図のＤ７が今回の動作を調べるダイオードです。　このＤ７を用いてダイオードの動作を確認します。　また、円筒形のダイオードの場合、ダイオードのパッケージに帯状の印が付してある方が横線側（頂点側）になります。
  　

•  発光ダイオードＬＥＤ６，ＬＥＤ７は動作を確認するための表示器として利用します。　発光ダイオードもダイオードの一種であり、通常のダイオードと同じシンボルを使います。　ただし、発光ダイオードを示すために鍵の付いた矢印を付加します。　上図のＬＥＤ６，ＬＥＤ７が発光ダイオードです。
  　

• 　上図中で発光ダイオードＬＥＤ６が光っていると抵抗Ｒ６に電流が流れていることを示します。　同様にＬＥＤ７が光っていると抵抗Ｒ７に電流が流れていることを示します。 　今回は、発光ダイオードが光っているかどうかを見ていきます。
  　

• 　発光ダイオードＬＥＤ６、ＬＥＤ７の光の強さは、電流の大小に比例します。
  　

• 　ＬＥＤ６＋Ｒ６の回路は電源が供給されていることを確認するために設けた回路です。　ダイオードＤ７の整流作用を確認するためにＬＥＤ７＋Ｒ７の回路を設けています。
  　

　それでは上記の回路で通電したときの様子を図２に示します。　図２はＤ７の三角形の底辺から頂点側に電流が流れる場合です。　ダイオードＤ７の向きが電流を流すことができる方向になっています。　電圧を印加（電池を接続）するとＬＥＤ７、抵抗Ｒ７に電流を流すことができるためＬＥＤ７が点灯しています。

　次に図３に示すようにダイオードＤ７の向きを逆にしてみましょう。　今後はダイオードＤ７の向きが電流を流すことがでない方向になっています。　電圧を印加（電池を接続）するとＬＥＤ７、抵抗Ｒ７に電流を流すことができないためＬＥＤ７が消灯しています。

　以上のようにダイオードＤ７の向きによって電流を流したり流さなかったりできます。　言い方を変えれば、ダイオードに印加する電圧の極性（プラス、マイナス）によって回路に電流を流したり流さなかったりできることを意味します。　このような動作を整流作用といいます。

　この機能の身近な使用例として、交流商用電源（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）から直流電源を作ったり（ＡＣアダプタなど）、電池の逆接続からも保護回路として使用されています。

２．　ダイオードの特性を発光ダイオードＬＥＤの明るさで見る

　ところで、図２（ｂ）では同じ型式（同一ロット）の発光ダイオードＬＥＤ６、ＬＥＤ７を使用していますが、明るさが若干違って見えませんでしょうか。　左側のＬＥＤ６の方がＬＥＤ７より明るいように見えます。　これは何を意味しているのでしょうか。　これは個体差が原因なのでしょうか。

　個体差の極端な例として、違う使用のＬＥＤを何個か同時に点灯してみましょう。　また、印加する電圧を変化させたときにどうなるかも試してみましょう。　ダイオードの光具合を見ることで、ダイオードの特性を目で確認できます。 　図４に今回の確認を行った試験回路の回路図、部品リスト、試験回路外観を示します。

【　図４（ａ）　ＬＥＤ同時点灯回路および使用ＬＥＤ　】

左側からＬＥＤ１、ＬＥＤ２・・・・・ＬＥＤ８です。

【　図４（ｂ）　使用ＬＥＤ発光色　】

【　図４（ｃ）　試験回路外観　】

　電源電圧Ｖ０を０Ｖから＋５Ｖまで印加したときの結果を以下に示します。　なお、電源の性能上、最小印加電圧が１．７８Ｖのため０〜１．７８Ｖ間の測定はできておりません。

　上記表１の結果より以下のことがわかります。

• 発光ダイオードの発光し始める電圧が、ダイオードの種類によって異なる。
  　

• 発光ダイオードが発光し始めると、その後は少し電圧を上昇すると急激に明るさが増す。
  　

• 印加電圧を上げると明るさが増し、印加電圧を下げると明るさが低下する。

　今回は発光ダイオードの明るさをダイオードの特性として目でみてもらいましたが、実際のダイオードとしては明るさではなく電流に置き換えてこの現象を理解していきます。

３．　電気的特性としての理解

　これからは少し電気屋さんっぽい説明をします。

　図４で使用した発光ダイオードの電流と電圧の関係を測定してみました。　その結果を下図に示します。　 横軸がＬＥＤの両端に印加されている電圧です。　電源電圧Ｖ０ではありません。　縦軸がＬＥＤに流れる電流です。

（上図をクリックすると原寸大画像にアクセスできます。）

【　図５　発光ダイオードの特性　】

• ダイオードの電圧が低いと電流がほとんど流れない。
  　

• ダイオードの電圧が上昇していくと急激に電流が流れ始める。
  　

• 電流が急激に流れ始める電圧がダイオードの種類によって異なる。
  　

• 電流の急激な流れる状態もダイオードによって異なる。
  　

　どうでしょうか、ＬＥＤの発光変化がダイオードの電気特性を示していることをお分かりいただけたでしょうか。　なお、ＬＥＤの電流が急激に増加してもＬＥＤの電圧はほとんど変化しません。　このように電圧変化が小さい領域の電圧を順方向電圧Ｖｆと呼びます。 （正しい定義は各デバイスのデータシートにより定められています。）　また、順方向に流れる電流を順方向電流Ｉｆと表します。　発光ダイオードに限らず、ダイオードは上記のような特性を示します。　小型のＬＥＤのＶｆは１〜４Ｖ程度ですが、電源用のシリコンダイオードと呼ばれるダイオード は０．７Ｖ前後、ショットキーダイオードやＧｅダイオードは０．１〜０．４Ｖ程度です。　

４．　追加説明１　ＬＥＤ６の方がＬＥＤ７より明るい理由

　ここでもう一度、２節の最初の質問「図２（ｂ）では同じ型式（同一ロット）の発光ダイオードＬＥＤ６、ＬＥＤ７を使用していますが、明るさが若干違って見えませんでしょうか。　左側のＬＥＤ６の方がＬＥＤ７より明るいように見えます。　これは何を意味しているのでしょうか。　これは個体差が原因なのでしょうか。」に戻ります。　

　実際には個体差は０ではありませんが、今回の場合は同一ロットということもあり個体差は無いと仮定します。　それではなぜＬＥＤ６の方が明るくみえるのでしょうか。

　ＬＥＤ７には直列にＤ７が入っています。　このＤ７はショットキーダイオードでＶｆは実測で０．２Ｖ程度あります。　このＤ７のＶｆを考慮すると、ＬＥＤ６，ＬＥＤ７の両端電圧の観点では以下の差が常に生じます。

　ＬＥＤ６＋Ｒ６回路　：　電圧Ｖ０　＝　ＬＥＤ６両端電圧　＋　Ｒ６両端電圧

　ＬＥＤ７＋Ｒ７回路　：　電圧Ｖ０　＝　ＬＥＤ７両端電圧　＋　Ｒ７両端電圧　＋　Ｄ７両端電圧（約０．２Ｖ）

　　　　　　　　　　　　　→　電圧Ｖ０−　Ｄ７両端電圧（約０．２Ｖ）　＝　ＬＥＤ７両端電圧　＋　Ｒ７両端電圧

　つまり、ＬＥＤ７側の回路では、電源電圧がＤ７両端電圧分低いことを示しています。　そうです、Ｄ７により電源電圧が低下したのと同じことが生じているのです。　このため常に　ＬＥＤ６両端電圧　＞　ＬＥＤ７両端電圧　となり、ＬＥＤ６が明るく見えるのです。　明るさでダイオードの順方向電圧Ｖｆを目で確認していたことになるのです。

５．　追加説明２　図５のデータ採取方法

　図５のグラフは、図４回路図において、電源電圧Ｖ０、および、ダイオードと抵抗の接続点の電圧Ｖ１を、モバイル型絶縁高電圧入力レコーダ　ＮＲ−２０００で記録して作成しています。

　ＬＥＤ両端電圧　＝　Ｖ０　ー　Ｖ１

　ＬＥＤ電流　＝　Ｖ１　／　抵抗（２７０Ω）

　実際に測定したデータを用いてＬＥＤ両端電圧とＬＥＤ電流の時間変化を下記に記載します。　時間の数字は特性に関しては意味がありませんが、調整の時間変化をみるために参考まにで記載しています。　測定値がガタガタに変化していますが、これは手動で電圧を変化させたためです。

【　図６　ＬＥＤ測定データ　】

　このようなガタガタデータでも、横軸を電圧、縦軸にしてプロットをすると図５のようにきれいなカーブを描くことができます。　ただし、このような雑なデータ測定でもきれいに描くことができ るのはサンプリング間隔を５ｍｓ と短い時間間隔でサンプリング（合計で９０００点くらい）しているので急激な変化を捉えることができているからです。

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