豆電球を電池につなぐとき、電池の向きを反対にしても点灯する回路があります。しかし、同じつもりでLEDをつなぐと、光らない場合があります。LEDは発光ダイオードという部品で、電流を流しやすい向きが決まっているからです。輪になった回路かどうかに加え、部品の向きも確かめる必要があります。
電流の通り道に、向きの条件が加わる
単体のLEDにはアノードとカソードという端子があります。通常、アノードからカソードへ向かう順方向の電流で発光します。逆向きなら同じように光るわけではありません。また、順方向であっても、電圧や電流の条件が適切でなければ、期待した明るさにはなりません。
ここで扱うのはLEDという部品です。家庭のLED照明や教材用の完成品には、電流を調整する回路などが組み込まれている場合があります。完成品の外側の接続と、中のLED単体の性質を混ぜないようにしてください。見かけの端子の数や形だけから内部の回路を決めることはできません。
単体のLEDを電池へ直接つなぐ手順としてこの記事を使うものではありません。使うときは教材や製品の説明に従い、指定された電流制限を含む回路で扱います。逆向きなら何Vでも安全というわけでもありません。この記事の回路判定は、部品を壊さない適切な条件を仮定した模型です。
「光らない」は、原因の名前ではない
光らなかったときに、すぐ電池切れと判断していませんか。LEDの向き、接続の外れ、電源の条件、部品の故障など、候補は複数あります。一つの結果に対して、原因が一つに決まるとは限りません。
原因を調べるなら、一度にいくつもの場所を変えるのではなく、比較する条件を整理します。ただし、むやみに電圧を上げるのは調査になりません。あらかじめ適切な回路と部品であることを前提にし、用意された測定資料を読む練習をしましょう。反応が出なかったことと、回路の全てが調べ終わったことは別です。
例題1｜向きだけを逆にした二つの記録
適切な電流制限を備えた回路で、正常な同じLEDを調べた架空の記録です。Pでは電源の正極側がアノードにつながり点灯しました。Qではほかの条件を同じにしてLEDだけの向きを逆にすると、点灯しませんでした。この比較から分かることを述べましょう。
答え・解説： この回路と条件では、LEDの向きが点灯の有無に関わったといえます。Pで点灯した正常な部品を使い、変えたのがLEDの向きだけなので、その違いに注目できます。「Qで電池がなくなった」とする根拠はありません。
ただし、あらゆる回路で光らない原因が向きだけであるとはいえません。ここではほかの条件をそろえたという指定があるから、その原因に絞れます。PとQで電池も部品も交換していたら、向き以外の候補が残ります。実験の結論の広さは、そろえられた条件の範囲で決まるのです。
例題2｜二つを直列にしたら、一つだけ光る？
LED AとLED Bを、途中に枝分かれのない一本の回路に直列につなぎます。電源と電流制限は適切で、順方向につないだ二つは点灯できるものとします。Aは順方向ですが、Bは逆方向です。この模型では逆方向のLEDを流れる電流を0として扱います。Aだけが点灯しますか。
答え・解説： いいえ、どちらも点灯しません。枝分かれのない直列回路では、Bの所だけでなくAの所にも同じ電流が流れます。Bが電流を通さない模型なら、回路全体に電流が流れないからです。
「電源から先にAへ来た電気が、Aで使われてからBで止まる」という順番ではありません。定常的な回路の電流は、通り道全体の条件を合わせて考えます。現実の逆方向特性は部品によって異なりますが、この問題では0という指定を使います。模型の答えと、実物へ無制限な逆電圧を加えてよいかどうかは分けます。
明るさの違いを、すぐ電流の違いとしない
別の色や種類のLEDを見比べて、明るく見える方が必ず大きな電流を流しているとは限りません。光の色、部品の特性、見る方向なども関係するからです。同じ電流を流しても、異なる部品なら同じ明るさになるとは限りません。
直列回路の読み方は直列つなぎの電流へ、分岐があるときはヒューズと電流の通り道へつながります。LEDを含む図には、まず回路の輪、次に枝分かれ、最後に向きを書き込んでみてください。光った・光らなかったという結果を、通り道の条件へ戻して説明する練習になります。