電子工作でLEDをイルミネーション点灯する方法

電子工作でLEDのイルミネーションを自作したい。LEDが一個ずつ点灯する回路を教えてください

また、簡単に装飾できるおすすめのイルミネーションライトも知りたいです。

このような質問にお答えします。

私は電子回路設計歴が約10年。

電子回路設計の仕事では、

LEDを光らせる
LEDを消す

これらの動作を繰り返すことをやります。

その経験に基づいて、電子工作でLEDのイルミネーション方法に関して解説します。

電子工作で複数のLEDを点灯する方法

複数のLEDを点灯するには、LEDを「直列に接続する方法」と「並列に接続する方法」があります。

電子工作で複数のLEDを点灯するには、並列に接続する方法がオススメです。

なぜなら、低い電圧の電源でLEDを点灯できるからです。

具体的にメリット、デメリットを見てみましょう。

	直列接続	並列接続
メリット	抵抗が1個で済む 電流の合計値が増えない	低い電圧の電源で点灯できる 1個ずつLEDを点灯できる
デメリット	高い電圧の電源が必要になる 1個ずつLEDを点灯できない	LEDと同じ数の抵抗が必要 電流の合計値が増える

複数のLEDを直列に接続する方法

I(Led1) 青色：
回路図のLED1に流れる電流

I(Led8) 赤色：
回路図のLED8に流れる電流

グラフ（上）：
電源電圧48V　→　LED1, LED8の電流：5.0mA

グラフ（中）：
電源電圧24V　→　LED1, LED8の電流：0.1mA

グラフ（下）：
電源電圧12V　→　LED1, LED8の電流：0.0mA

LEDを8個直列に接続したときのシミュレーションです。

LEDは日亜化学工業の白色LED（型番：NSPW500BS）です。

なお、シミュレーションは電子回路シミュレータLTspiceを使用しています。

LEDに5mA流すことを考えます。

5mAを流した時、白色LED（NSPW500BS）の標準仕様書の「順電圧-順電流特性」のグラフより、

LEDの順方向の電圧は3.2Vぐらいです。

よって、LEDが8個あるので、

3.2V × 8個 = 25.6V

この電圧より大きい電源電圧が必要となります。

シミュレーション結果を見ると、12V, 24Vのときはほとんど電流が流れていない、

つまりLEDは点灯していません。

48Vのときは、5.0mA流れているので、LEDは点灯しています。

高い電圧の電源を供給できるのであれば、LEDを「直列に接続する方法」で問題ありません。

しかし、電子工作では3.3Vや5V、12Vなどの低い電圧が多いと思います。

そのような場合は次に解説する「並列に接続する方法」でLEDを点灯します。

複数のLEDを並列に接続する方法

I(Led1) 青色：
回路図のLED1に流れる電流

I(Led8) 緑色：
回路図のLED8に流れる電流

I(LED1)+I(LED2)+・・・+I(LED8) 赤色：
回路図のLED1～LED8に流れる電流の合計値

LEDを8個直列に接続したときのシミュレーションです。

この場合もLEDに5mA流すとすると、白色LED（NSPW500BS）の順方向電圧は3.2Vぐらいなので、

電源電圧は3.2V以上必要となります。

ここでは電子工作でも良く使う5Vにします。

抵抗値は

(5V – 3.2V) / 5mA = 360Ω

になります。

なお、LEDの抵抗の決め方が良くわからないという方は、

下記の記事で解説していますので参考にしてください。

» 電子工作でLEDの抵抗を決める4つの手順【LEDの明るさ制御も解説】

シミュレーション結果のI(Led1), I(Led8)を見てみると、LED1, LED8に流れる電流は5.5mAです。

つまり、LEDは点灯しています。

0.5mA程度と少しだけ大きいですが、
白色LED（NSPW500BS）のシミュレーションモデルの誤差と判断します。

このように、LEDを並列に接続すると、低い電圧の電源でもLEDを点灯することができます。

なので、電子工作で複数のLEDを使う場合は並列に接続する方をオススメします。

よくある質問１：抵抗を1つにすることはできないのですか？

LEDを並列に接続する場合、個々のLEDに対して抵抗を用意することをオススメします。

理由としては、各LEDの順方向電圧のばらつきを吸収できるからです、

言い換えると、各LEDの明るさを均一にできるからです。

注意点1：電流の合計値に気を付ける

LED1個に流れる電流は5.5mAですが、並列に接続すると、

シミュレーション結果のグラフ（赤色）のように44.0mAも流れます。

このぐらいであれば問題ないと思いますが、

世の中にはパワーLEDなどのように、LED1個で300mAも必要とするものもあります。

例えば、配線(ワイヤー)には許容電流があり、LEDを数多く使用して、この許容電流を超えてしまうと、

配線が異常に発熱して溶ける危険性もあるので、電流の合計値が許容電流を超えないように注意しましょう。

電子工作でLEDを順番に点灯するイルミネーション

複数のLEDを並列に接続すると、各LEDの点灯・消灯を1個ずつ制御できるというメリットもあり、

きれいなイルミネーションを実現できます。

具体的には以下の通りです。

I(Led1) 青色：
回路図のLED1に流れる電流
I(Led2) 緑色：
回路図のLED2に流れる電流
︙
I(Led7) 青色：
回路図のLED7に流れる電流
V(clk) 紫色：
タイマーIC(NE555)から出力したクロック。２秒周期。Duty 50%。

LED1～LED7までを順番に点灯したシミュレーションです。

タイマーICから2秒周期（Duty 50%）のクロックを、8bitシフトレジスタ（74HC164）に入力しています。

これにより、Q0~Q7の出力が、1クロックごとにLow→Highへと切り替わり、LED1～7に電流が流れます。

シミュレーション結果を見ると、

LED1～7に流れる電流が、1クロックごとに0.0mA→5.0mAへ変化しているのが分かります。

つまり、以下のように順番に1個ずつ点灯しているということです。

なお、8bitシフトレジスタ(74HC164)の8bit目(Q7)を、シュミットインバータ(74HC14)を経由して、

クリア端子(MR)に接続することで、上記の点灯をループさせる(繰り返す)ことができます。

シミュレーション結果を見ると、17秒直前で全LEDの電流が5.0mA → 0.0mAに変化し、

その後、LED1～7に流れる電流が、1クロックごとに0.0mA→5.0mAへ変化しているのが分かります。

つまり、順番にLEDが点灯する動作を繰り返しているということです。

特に繰り返す必要がなく、1度だけ順番に点灯したい場合は、

8bitシフトレジスタ（74HC164）の8bit目(Q7)を、クリア端子(MR)に接続しなければ良いです。

このとき、8bit目(Q7)は未使用ピンになるので、ここにもう１個LEDを追加しても良いでしょう。

また、点灯する間隔を調整したい場合は、

タイマーIC(NE555)から出力しているクロック(PWM)の周期を調整する必要があります。

この方法に関しては下記の記事で解説しています。

» 電子工作でLEDを点滅する方法【電子ホタルの点滅方法も解説】

以下は、LEDを1個ずつ順番に点灯している動画です。

可変抵抗でLEDの点灯する間隔を調整できることが分かります。

よくある質問１：もっと数多くのLEDを点灯したいです

8bitシフトレジスタ（74HC164）を増やせば、数多くのLEDを順番に点灯できます。

具体的には以下の通り。

I(Led1) 赤色：
回路図のLED1に流れる電流
I(Led2) 青色：
回路図のLED2に流れる電流
︙
I(Led14) 青色：
回路図のLED14に流れる電流
V(clk) 緑色：
タイマーIC(NE555)から出力したクロック。２秒周期。Duty 50%。

8bitシフトレジスタ(74HC164)を、もう１つ追加したときのシミュレーションです。

１つ目の8bitシフトレジスタ(74HC164)の8bit目(Q7)を、

２つ目の8bitシフトレジスタ(74HC164)に入力しています。

これにより、それぞれのQ0~Q7の出力が、1クロックごとにLow→Highへと切り替わり、

LED1～14に電流が流れます。

シミュレーション結果を見ると、LED1～14に流れる電流が、

1クロックごとに0.0mA→5.0mAへ変化しているのが分かります。

つまり、以下のように順番に1個ずつ点灯しているということです。

このように、8bitシフトレジスタ（74HC164）を増やせば、LEDの数も増やすことができます。

よりきれいなイルミネーションを実現することができるのです。

電子工作でLEDを1個ずつ順次点灯するイルミネーション

LEDを順番に点灯するだけでなく、1個ずつ順次点灯するイルミネーションも実現できます。

具体的には以下の通り。

I(Led1) 朱色：
回路図のLED1に流れる電流
I(Led2) 紫色：
回路図のLED2に流れる電流
︙
I(Led10) 青色：
回路図のLED10に流れる電流
V(clk) 緑色：
タイマーIC(NE555)から出力したクロック。２秒周期。Duty 50%。

LED1～LED10までを1個ずつ点灯したシミュレーションです。

タイマーICから2秒周期(Duty 50%)のクロックを、カウンタ(74HC4017)に入力しています。

これによりQ0~Q9の出力が、1クロック分だけHighへと切り替わり、LED1～10に電流が流れます。

シミュレーション結果を見ると、LED1～10に流れる電流が、

順番に1クロック分だけ5.0mAへ変化しているのが分かります。

つまり、以下のように順番に1クロック分だけ点灯しているということです。

上記の点灯を繰り返します。(ループします。)

シミュレーション結果を見ると、LED1から10まで順番に5mA流れた後、

またLED1から10まで順番に5mA流れているのが分かります。

このように、LEDを1個ずつ順次点灯するイルミネーションも実現できます。

以下は、タイマーICと74HC4017で順次点灯している動画です。

実際に1個ずつ順次点灯できているのが分かります。

簡単に装飾できるおすすめのイルミネーションライト

これまで、LEDのイルミネーション方法について解説しました。

１から作るのが手間と感じる方には、以下のイルミネーションライトをおすすめします。

点灯パターンが8種類もあり、リモコンで点灯モードを簡単に切り替えることができるので便利です。

1. 連続点灯
2. 波状点灯
3. 点滅点灯
4. ちらつき点灯
5. 急速点灯
6. 低速点灯
7. ドリーム点灯
8. 固定点灯

また、カラフルなイルミネーションを実現したいという方には、以下のイルミネーションライトがおすすめです。

こちらも色々な点灯パターンがあります。

ぜひLEDのイルミネーションを楽しんでください！

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