LED回路の実験・考察｜抵抗の選び方・順方向電圧・直列並列回路

LED回路の実験は、発光ダイオード（LED）と抵抗、直流電源などを用いて回路を作り、電圧・電流・抵抗の関係や、LEDの極性、順方向電圧、電流制限抵抗の役割を確認する物理・電気分野の学生実験です。

LEDは電流を流すと発光しますが、一般的な豆電球とは異なり、極性があり、適切な電流制限を行わないと大きな電流が流れて破損することがあります。そのため、LED回路では電源電圧、LEDの順方向電圧、抵抗値から流れる電流を考えることが重要です。

この記事では、大学・高等学校などの学生実験でLED回路を作製・測定することを想定し、LEDの基本、極性、順方向電圧、電流制限抵抗、オームの法則、直列・並列回路、測定結果のまとめ方、誤差原因、改善点、考察の書き方などを整理します。

注意：
この記事は、大学・高等学校などの物理・電気実験で得られた結果を考察するための参考資料です。実際の回路構成、電源電圧、LEDの定格、抵抗値、測定器の接続方法などは、必ず所属学校の実験書、担当教員、TAなどの指示に従ってください。

LEDとは何か

LEDはLight Emitting Diodeの略で、日本語では発光ダイオードと呼ばれます。

ダイオードは電流を一方向へ流しやすい性質をもつ半導体素子で、LEDでは順方向に電流が流れる際に光を放出します。

LEDには赤色、橙色、黄色、緑色、青色、白色などさまざまな種類があり、発光色によって順方向電圧などの電気的特性も異なります。

LED回路で見るべき結果

結果に書く主な項目

• 使用したLEDの色
• 使用した電源電圧
• 使用した抵抗値
• LEDの接続方向
• LEDが点灯したか
• LED両端の電圧
• 抵抗両端の電圧
• 回路電流
• 抵抗値を変更したときの電流変化
• LEDの明るさの変化
• 直列接続・並列接続による違い
• 理論値と測定値の差

複数条件を比較する場合は、電源電圧、LEDの種類、抵抗値など、比較しない条件をできるだけそろえます。

LEDには極性がある

LEDは、どちら向きに接続しても同じように電流が流れる素子ではありません。

一般的には、アノード側からカソード側へ順方向電流が流れるように接続すると発光します。

逆向きに接続すると通常は発光しません。

LEDのアノードとカソード

端子	役割	一般的な見分け方の例
アノード	順方向で電流が入る側	リードが長い場合が多い
カソード	順方向で電流が出る側	リードが短い、樹脂外周に平らな面がある場合が多い

製品によって外観が異なる場合があるため、確実に判定する場合はデータシートや回路図を確認します。

LEDを逆向きに接続した場合

LEDを逆向きに接続すると、通常の低電圧実験では発光しません。

ただし、LEDは逆方向に高い電圧を加える用途を前提としていないものが多く、逆方向電圧が定格を超えると破損する可能性があります。

そのため、「光らないことを確認するため」として高い逆電圧を加えてはいけません。

順方向電圧とは何か

LEDに順方向電流を流したとき、LED両端には一定程度の電圧が生じます。

この電圧を順方向電圧と呼びます。

順方向電圧は一定の固定値ではなく、LEDの種類、発光色、電流、温度などによって変化します。

LEDの発光色と順方向電圧

LEDの色	順方向電圧の一般的な目安
赤	約1.8～2.2 V
黄・橙	約1.9～2.3 V
緑	約2.0～3.2 V程度
青	約2.7～3.5 V
白	約2.7～3.5 V

上表は一般的な目安であり、実際の値はLEDごとに異なります。実験では使用するLEDのデータシートや実測値を確認します。

なぜLEDには抵抗が必要なのか

LEDは、順方向電圧を超えると電流が増えやすい特性をもっています。

電源へLEDだけを直接接続すると、電源や配線の内部抵抗が小さい場合に過大な電流が流れ、LEDを破損する可能性があります。

そこで、LEDと直列に抵抗を入れて電流を制限します。

電流制限抵抗の役割

直列抵抗は、電源電圧のうちLEDで消費されない電圧を受け持ち、流れる電流を制限します。

抵抗値を大きくすると電流は小さくなり、抵抗値を小さくすると電流は大きくなります。

オームの法則

抵抗に流れる電流I、抵抗両端の電圧V、抵抗値Rには、

V = IR

の関係があります。

したがって、I = V ÷ Rとして抵抗に流れる電流を求めることができます。

LED回路の電流を求める

電源電圧をVs、LEDの順方向電圧をVf、直列抵抗をRとすると、抵抗にかかる電圧はおおよそVs – Vfとなります。

したがって、回路電流Iは、

I = (Vs – Vf) ÷ R

として見積もることができます。

抵抗値の計算例

電源電圧5.0 V、LEDの順方向電圧2.0 V、目標電流10 mAとします。

抵抗にかかる電圧は5.0 V – 2.0 V = 3.0 Vです。

10 mAは0.010 Aなので、R = 3.0 V ÷ 0.010 A = 300 Ωとなります。

実際には標準抵抗値から、LEDの定格を超えない安全側の値を選びます。

抵抗値を大きくするとどうなるか

直列抵抗を大きくすると回路電流が小さくなります。

一般にLEDの発光も弱くなります。

ただし、人の目が感じる明るさと電流は単純な比例関係ではないため、電流が半分になったから見た目の明るさも正確に半分になるとは限りません。

抵抗値を小さくするとどうなるか

直列抵抗を小さくすると電流が増え、LEDが明るく見える場合があります。

しかし、定格電流を超えるとLEDが発熱・劣化・破損する可能性があります。

実験では、明るさを上げるためにむやみに抵抗を小さくせず、LEDの定格を確認します。

LED回路の基本構成

部品	役割
直流電源	回路へ電圧を加える
LED	電流によって発光する
抵抗	LEDに流れる電流を制限する
配線	各部品を接続する
電流計	回路電流を測定する
電圧計	各部品両端の電圧を測定する

ブレッドボードを使う場合

学生実験では、はんだ付けをせずに回路を組めるブレッドボードを使用することがあります。

ブレッドボード内部では、複数の穴が金属板で接続されています。

どの穴どうしが導通しているかを理解せずに部品を挿すと、意図した回路にならないことがあります。

回路を組む前に電源を切る

配線を変更するときは、原則として電源を切った状態で行います。

通電したまま配線を変更すると、一時的な短絡や誤接続によって部品や電源を損傷する可能性があります。

LED回路の基本的な実験手順

1．LEDの極性を確認する

アノードとカソードを確認し、回路図と一致する向きに配置します。

2．電流制限抵抗を接続する

LEDと抵抗を直列に接続します。抵抗はLEDのアノード側・カソード側のどちらに置いても、直列回路として同じ電流が流れます。

3．電源を接続する

電源の正極・負極を確認し、指定された電圧を設定します。

4．点灯を確認する

電源を入れ、LEDが発光するか確認します。

5．電圧と電流を測定する

LED両端の電圧、抵抗両端の電圧、回路電流を測定します。

電流計の接続方法

電流計は、測定したい電流が電流計内部を通るように回路へ直列に接続します。

電圧計のように回路へ並列接続すると、測定器や回路を損傷する可能性があります。

電圧計の接続方法

電圧計は、測定したい部品の両端へ並列に接続します。

例えばLEDの順方向電圧を測定する場合は、LEDのアノード側とカソード側に電圧計を接続します。

LEDと抵抗の電圧を測定する

直列回路では、電源電圧は各部品にかかる電圧の和にほぼ等しくなります。

例えば5.0 Vの電源で、LED両端が2.0 V、抵抗両端が3.0 Vであれば、2.0 V + 3.0 V = 5.0 Vとなります。

キルヒホッフの電圧則との関係

閉じた回路を一周したとき、電圧上昇と電圧降下の総和は0になります。

LEDと抵抗の直列回路では、電源電圧がLEDと抵抗の電圧降下に分配されることを測定によって確認できます。

抵抗値を変える比較実験

抵抗値	回路電流の傾向	LEDの明るさの傾向
大きい	小さい	暗くなりやすい
中程度	中程度	通常の明るさ
小さい	大きい	明るくなりやすいが過電流に注意

LEDの色を変える比較実験

同じ電源・同じ抵抗を使用して異なる色のLEDを接続すると、回路電流が異なる場合があります。

これは発光色によって順方向電圧が異なるためです。

赤色LEDと青色LEDを比較すると、一般に青色LEDの方が順方向電圧が高い傾向があります。

LEDの直列接続

複数のLEDを直列に接続すると、すべてのLEDにほぼ同じ電流が流れます。

一方、必要な電源電圧は各LEDの順方向電圧の合計より高くする必要があります。

複数LEDを直列にした場合は、各LEDの順方向電圧を合計して電流を計算します。

LEDの並列接続

複数のLEDを並列に接続する場合、各LEDへ流れる電流を適切に制限する必要があります。

LEDには個体差があるため、複数LEDを直接並列にして一つの抵抗だけで電流制限すると、電流が均等に分かれない場合があります。

基本的には、各LEDにそれぞれ電流制限抵抗を入れる方法が扱いやすくなります。

LEDのI-V特性

LEDでは、電圧と電流が単純な比例関係にはなりません。

低い順方向電圧ではほとんど電流が流れず、ある電圧付近から電流が急激に増加します。

そのため、LEDそのものへオームの法則を単純に適用して一定抵抗の部品として扱うことはできません。

LEDの明るさと電流の関係

一般に、定格範囲内ではLED電流が増えると発光量も増える傾向があります。

ただし、人の目の感度やLEDの発光効率によって、見た目の明るさは電流に完全には比例しません。

LEDの発光色が違う理由

LEDでは、半導体中の電子と正孔が再結合するときにエネルギーが光として放出されます。

放出される光のエネルギーは使用する半導体材料のバンドギャップと関係します。

そのため、材料の違いによって赤、緑、青など異なる波長の光を発生させることができます。

青色LEDの順方向電圧が高い理由

青色光は赤色光より1個の光子がもつエネルギーが大きいため、青色LEDには一般により大きなバンドギャップをもつ半導体材料が用いられます。

その結果、赤色LEDより高い順方向電圧を示す傾向があります。

白色LEDの発光

一般的な白色LEDでは、青色LEDの光と蛍光体による発光を組み合わせて白色に見せる方式が広く利用されています。

そのため、白色LEDは単一波長の白色光を出しているわけではありません。

抵抗の消費電力

抵抗には電流が流れると電力が消費され、熱に変わります。

抵抗で消費される電力Pは、P = VIまたはP = I²Rなどで求めることができます。

実験では、計算した消費電力が抵抗の定格電力を超えないようにします。

参考実験条件

項目	参考例
電源	直流5 V
LED	赤色LED
抵抗	220 Ω、330 Ω、1 kΩなど
測定	LED電圧、抵抗電圧、回路電流
比較	抵抗値、LED色、直列・並列接続

上記は結果を整理するための参考例です。実際の電源電圧や抵抗値は、使用するLEDの定格に合わせて設定します。

LED回路の参考測定結果

抵抗値	LED電圧	回路電流	明るさの傾向
1 kΩ	約1.8 V	約3 mA	暗め
330 Ω	約1.9 V	約9 mA	明るい
220 Ω	約2.0 V	約14 mA	さらに明るい

上記は5 V電源と赤色LEDを想定した参考例であり、実際の値はLEDや電源、抵抗の個体差によって異なります。

結果の書き方の例

5.0 Vの直流電源に赤色LEDと330 Ω抵抗を直列に接続したところ、LEDは点灯した。LED両端の電圧は1.9 V、抵抗両端の電圧は3.0 V、回路電流は9.2 mAであった。

抵抗値を1 kΩへ変更すると回路電流は小さくなり、LEDの明るさも低下した。一方、220 Ωへ変更すると電流は増加し、LEDはより明るく見えた。

理論値と測定値が一致しない理由

回路計算では抵抗値や電源電圧を表示値どおりとして扱うことがありますが、実際の部品には誤差があります。

また、LEDの順方向電圧は電流や温度によって変化します。

測定器にも内部抵抗や測定誤差があるため、理論値と測定値が完全に一致しないことは珍しくありません。

LEDが点灯しない場合の原因

• LEDの極性が逆になっている
• 配線が途中で切れている
• ブレッドボードの接続位置が間違っている
• 電源が入っていない
• 電源電圧が不足している
• 抵抗値が大きすぎて電流が非常に小さい
• LEDが破損している

LEDが非常に暗い場合

抵抗値が大きい、電源電圧が低い、接触抵抗が大きいなどの原因が考えられます。

複数LEDを直列にしている場合は、LEDの順方向電圧の合計が電源電圧に近すぎる可能性もあります。

LEDが一瞬光って消えた場合

電流制限抵抗を入れずに電源へ接続した場合など、過大な電流によってLEDが破損した可能性があります。

LEDを交換する前に、回路構成と抵抗値を確認します。

抵抗が熱くなった場合

抵抗で消費される電力が大きいと発熱します。

抵抗値が小さすぎる、電源電圧が高すぎる、回路が誤接続されているなどの可能性があります。

通電を停止し、定格電力と回路条件を確認します。

抵抗値の許容差

抵抗には表示値に対する許容差があります。

より正確に比較する場合は、使用前にテスターで抵抗値を測定します。

電源電圧の変動

乾電池などを電源に使用した場合、負荷を接続すると端子電圧が低下することがあります。

理論値との比較では、表示上の公称電圧だけでなく実際の電源電圧を測定します。

接触抵抗による影響

ブレッドボード、ジャンパ線、クリップなどの接触が不十分だと、接続部分に追加の抵抗が生じる場合があります。

その結果、回路電流が小さくなったり、LEDが点滅したりすることがあります。

温度によるLED特性の変化

LEDの順方向電圧は温度によって変化します。

通電によってLEDの温度が上昇すると、測定開始直後としばらく後で電圧や電流がわずかに変化する場合があります。

主な誤差・観察上の問題

原因	結果への影響	改善方法
抵抗値の許容差	理論電流と差が出る	実測抵抗値を使用する
電源電圧の変動	回路電流が変化する	実際の電源電圧を測定する
LEDの個体差	順方向電圧が異なる	LED電圧を実測する
接触抵抗	電流が小さくなる	配線を確実に接続する
測定器の内部抵抗	回路条件がわずかに変化する	測定器の影響を考慮する
温度変化	LED電圧が変化する	測定条件をそろえる

うまくいかなかった場合の考察例

回路を接続したがLEDが点灯しなかった。配線を確認したところ、LEDのアノードとカソードを逆向きに接続していた。LEDはダイオードであり、順方向に電流が流れるように接続する必要があるため、逆接続では発光しなかったと考えられる。

また、抵抗値を大きくした条件ではLEDが非常に暗くなった。抵抗値の増加によって回路電流が減少したためと考えられる。

改善点の書き方

回路作製を改善する方法

• 電源を切った状態で配線する
• LEDの極性を事前に確認する
• ブレッドボード内部の接続を確認する
• 回路図と実際の配線を照合する
• 通電前に短絡がないか確認する

測定精度を改善する方法

• 電源電圧を実測する
• 抵抗値をテスターで確認する
• 同じLEDを使用して条件比較する
• 複数回測定して値を比較する
• 測定中の温度変化を小さくする

浅い考察とよい考察の違い

浅い考察の例

抵抗を小さくしたらLEDが明るくなった。

よりよい考察の例

電源電圧とLEDの種類を一定にして直列抵抗を1 kΩから330 Ωへ小さくすると、測定された回路電流は増加し、LEDも明るく見えた。LED両端の順方向電圧は大きく変化しなかったため、抵抗値の低下によって抵抗で制限される電流が増加したことが主な原因と考えられる。ただし、LEDの明るさは人の目の感度にも影響されるため、見た目の明るさと電流が単純に比例すると断定することはできない。

LEDの色による違いの考察例

同じ電源電圧と抵抗を使用した場合、赤色LEDと青色LEDで測定された回路電流が異なった。青色LEDの方が順方向電圧が高いため、抵抗にかかる電圧が小さくなり、同じ抵抗値でも回路電流が小さくなったと考えられる。

直列接続についての考察例

LEDを2個直列に接続すると、1個の場合より抵抗にかかる電圧が小さくなった。各LEDの順方向電圧が加算されるため、同じ電源電圧では抵抗に残る電圧が減少し、回路電流も変化したと考えられる。

並列接続についての考察例

複数のLEDを並列に接続する場合、LEDごとの順方向電圧の個体差によって電流が均等に分配されない可能性がある。そのため、各LEDに個別の電流制限抵抗を接続する方が、電流を制御しやすいと考えられる。

理論値と測定値の差についての考察例

オームの法則から求めた電流と実測値には差が見られた。計算では抵抗値とLED順方向電圧を一定として扱ったが、実際には抵抗値に許容差があり、LEDの順方向電圧も電流や温度によって変化する。また、電源電圧や測定器の内部抵抗も影響したと考えられる。

レポートで使える表現例

• LEDを順方向に接続すると発光した。
• LEDを逆方向に接続した場合は発光しなかった。
• LEDには極性があり、アノードからカソードへ順方向電流を流す必要がある。
• 直列抵抗を大きくすると回路電流が減少した。
• 抵抗値の低下に伴ってLEDの明るさが増加した。
• LED両端には順方向電圧が生じた。
• LEDの発光色によって順方向電圧に違いが見られた。
• 電源電圧はLEDと抵抗の電圧降下に分配された。
• 理論電流と実測電流の差には抵抗値の許容差やLEDの個体差が影響したと考えられる。
• 並列接続では各LEDに個別の電流制限抵抗を設ける方が電流を制御しやすい。
• LEDは非線形な電圧電流特性をもつため、単純な一定抵抗として扱うことはできない。

LED回路の考察で確認するポイント

• LEDの極性を説明できているか
• アノードとカソードを区別したか
• 順方向電圧の意味を説明したか
• 電流制限抵抗が必要な理由を説明したか
• オームの法則を使って電流を求めたか
• 抵抗値とLED電流の関係を比較したか
• LEDの明るさと電流を関連づけたか
• LEDの色による順方向電圧の違いを考察したか
• 直列接続と並列接続を区別したか
• LEDのI-V特性が非線形であることを理解したか
• 理論値と測定値の差を考察したか
• 抵抗・LEDの定格を超えない条件で実験したか

まとめ

LED回路の実験では、LEDと抵抗を直列に接続し、電源電圧、LEDの順方向電圧、抵抗値、回路電流の関係を測定することで、基本的な直流回路の性質を確認できます。

LEDには極性があり、順方向に接続した場合に発光します。また、LEDは順方向電圧付近から電流が急激に増加する非線形素子であるため、適切な電流制限抵抗が必要です。

抵抗値を変えると回路電流が変化し、それに伴ってLEDの明るさも変化します。また、発光色の異なるLEDでは順方向電圧が異なるため、同じ電源・抵抗でも回路電流が異なる場合があります。

レポートでは、単に「LEDが光った」と記述するのではなく、「なぜ抵抗が必要なのか」「抵抗値を変えると電流がなぜ変化したか」「LEDの色によって順方向電圧がなぜ異なるか」「理論値と測定値に差が生じた理由」を測定結果と結びつけて考察することが重要です。