電子回路

発光ダイオード(LED)の発光色と順方向電圧Vfの関係

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赤外線発光ダイオード発光時の電圧降下(アノード-カソード間の電圧)は、可視光LEDの電圧より小さいです。

発光ダイオード(LED)を点灯するときの基本的回路は以下です。

図 1 LEDの点灯回路

順電流Iは、LEDの順方向電圧Vfとすると

I=(V-Vf)/ R

で求められます。

可視光LEDのVfは、青色のLEDが発明されるまでは長く2Vで計算していました。

しかし、青色LEDが発明されてから、青と白のVfは3V、その他は2Vで計算しています。

ではLEDのVfは2Vなのか、3Vなのか、そんなに単純なものなのでしょうか。

実は、発光ダイオードの順方向電圧(Vf)は、発光色によって異なっています。

ロームのカタログでφ3の砲弾型LEDの発光色とVfを拾ってみました。

表 1 ローム製各種LEDの順方向電圧

LED形名 TYP順方向電圧(V) 順方向電流(mA) 波長(nm)
SIR-341ST3F 赤外 1.3 50 940
SLR-343VC 2 10 650
SLR-343DC 2 10 610
SLR-343YC 2.1 10 585
SLR-343MC 黄緑 2.1 10 563
SLR-343PC 2.1 10 555
SLR343EC4T 青緑 3.2 20 525
SLR343BCT 3.3 20 470

光の発長が短くなるにつれて、Vfが大きくなっているようです。

よく見ると今までVf=2Vと単純に覚えていた赤、橙、黄、緑のLEDのVfも微妙に違います。

このVfの違いは発光原理を理解すると分かりやすいです。

図 2を使って説明します。

LEDはp型半導体とn型半導体つなぎ合わせたpn接合と呼ばれる構造で作られています。

発光はこの中で電子の持つエネルギーを直接、光エネルギーに変換することで行われます。

電極から半導体に注入された電子と正孔は異なったエネルギー帯(伝導帯と価電子帯)を流れ、pn接合部付近にて禁制帯を越えて再結合します。

図 2 LEDの発光原理

再結合時に、バンドギャップ(禁制帯幅)にほぼ相当するエネルギーが光として放出されます。

図 3に示すように、放出される光の波長は材料のバンドギャップによって決まります。

可視光の場合は、バンドギャップが大きいと波長の短い光(青色側)が、小さいと、波長の長い光(赤色側)が放出されます。

図 3 禁制帯幅と発光色 (ファイバーラボ株式会社H/Pから)

このバンドギャップは順方向電圧降下に相当します。

つまり、発光する色によって順方向電圧が決まってきます。

赤外線LEDは、波長が一番長く、バンドギャップ幅は小さくても良いので、Vfは他のLEDと比較して低くなります。

応用

以上の結果から、赤外であればリモコンでよく使う電池2本分の電源3Vを使ってLEDを直列に接続する図 4のような回路ができそうです。

リモコンで輝度アップや、広角照射を行う場合に使えそうです。

図 4 LEDの2直列接続回路

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