第 10 章　LED を正しく光らせる¶

Part IV「電気系トピック」の最初の章。LED を安全に点灯させる方法を扱います。本書で最も簡単な部品ですが、最も頻繁に壊される部品でもあります。電流制限抵抗の計算は、以降のあらゆる部品選定で繰り返し使う基礎です。

代表ボード：Arduino Uno R3 ／他ボードへの読み替えは AI エージェントに依頼してください（第 1 章 §4）。

この章で壊しやすいもの

LED（電流制限抵抗なしで焼損。1〜3 秒で壊れる）
マイコンの GPIO（LED と道連れに焼損。復旧不能）
高輝度 LED（直視で網膜に残像・角膜損傷の報告あり）

この章のゴール¶

LED の 順方向電圧 V_F（LED が光り始めるのに必要な電圧、色で決まる物理定数）と 順方向電流 I_F（LED に流す電流、明るさを決める）をデータシートから読める
オームの法則で 電流制限抵抗の値 を計算できる
GPIO 1 ピンで安全に駆動できる LED の本数 を根拠付きで答えられる

1. 動機：LED は「電流を制限しないと必ず壊れる」¶

LED は電圧源に直結すると、ほぼ無制限に電流を引き込む 特性を持っています。発光ダイオード（LED）は、順方向電圧（V_F）を超えた瞬間から急激に電流が流れ始めるため、抵抗のような「電圧に比例して電流が増える」素子とは挙動が違います。

この特性を理解しないまま GPIO に直結すると、LED と GPIO の両方を焼きます。LED は「電流を決めてから電圧を渡す」部品 である、というのが本章の核です。

2. 素朴な（NG）回路：抵抗なしで GPIO に直結¶

NG 例¶

Arduino Uno の D13 ピンに、赤色 LED を直接接続。

LED 点灯回路：NG vs OK

NG コード¶

// ⚠ この回路を組んで digitalWrite(13, HIGH) すると壊れます
// 頭の中だけで追ってください（実機で試さない）

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH);   // LED に制限なしで電流が流れる
  delay(500);
  digitalWrite(13, LOW);
  delay(500);
}

1〜3 秒で以下のいずれかが起きます: - LED が光らなくなる（内部が焼き切れて断線） - D13 ピンが壊れる（永久的に LOW のまま、または常時 HIGH） - 最悪の場合、ATmega328P ごと書き込み不能に

3. なぜダメか：データシート根拠¶

3.1 赤色 LED の絶対最大定格¶

一般的な赤色 3mm LED（OSR5JA3Z74A など）のデータシート:

項目	値
順方向電圧 V_F typ.	2.0 V @ I_F = 20 mA
順方向電流 I_F max.（推奨）	20 mA
順方向電流絶対最大定格	30 mA（パルス）

LED は V_F（約 2 V）を超えた電圧がかかると、電流は電圧差とダイオード内部抵抗だけで決まる ようになります。内部抵抗は数 Ω しかないので:

\[ I = \frac{V_{CC} - V_F}{R_{internal}} = \frac{5 - 2}{\text{数 Ω}} \approx \text{数百 mA} \]

3.2 ATmega328P の GPIO 定格（第 2 章 §2 再掲）¶

推奨：20 mA / ピン
絶対最大：40 mA / ピン

LED の引く数百 mA は、GPIO の絶対最大を 10 倍以上超える。両方が焼損します。

4. 正しい回路：電流制限抵抗を入れる¶

4.1 抵抗値の計算¶

LED と抵抗を直列に入れ、オームの法則で電流を決めます:

\[ R = \frac{V_{CC} - V_F}{I_F} \]

V_CC = 5 V（Arduino Uno の VCC）
V_F = 2.0 V（赤 LED の typ.）
I_F = 10 mA（GPIO 定格 20 mA の半分でマージン確保）

→ R = (5 − 2) / 0.010 = 300 Ω

実際には E24 系列で近い値の 330 Ω を選びます（10% 程度の誤差は問題になりません）。

4.2 正しいコード¶

// 配線：D13 → 330Ω → LED アノード（長足）
//       LED カソード（短足）→ GND
// 電流は約 9 mA、GPIO 定格の半分以下で安全

const int LED_PIN = 13;

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("LED blink start");
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  delay(500);
}

4.3 抵抗値の目安表（5V 電源、I_F = 10 mA 設計）¶

LED の色	典型 V_F	推奨抵抗値（330 Ω 近傍）
赤	2.0 V	330 Ω（I ≈ 9 mA）
黄	2.1 V	330 Ω（I ≈ 9 mA）
緑（古いタイプ）	2.2 V	330 Ω（I ≈ 8 mA）
青・白・緑（高輝度）	3.2 V	220 Ω（I ≈ 8 mA）

V_F は色で決まる

LED の V_F は 発光波長（色）で決まる物理定数 に近く、個体差より色差のほうが大きいです。赤系は 2V 前後、青・白系は 3V 前後と覚えておけば、大抵の LED は計算できます。

5. 高輝度 LED の扱い¶

5.1 眼への危険¶

高輝度白色 LED（数千 mcd 以上）は、裸眼での直視で残像や網膜損傷の報告 があります。特に青色 LED（450 nm 前後）は、網膜のメラニンが吸収しやすい波長です。

直視しない（実験中も）
拡散キャップ を付ける（市販品あり）
眼鏡やサングラス で数十%の減光効果

5.2 発熱¶

1W クラスの高輝度 LED は 放熱板（ヒートシンク）が必須 です。単体で 1〜2 秒動作させると 70℃ 以上になることがあり、放熱なしでは寿命が数百時間しか持ちません。本書の作例範囲ではまず使わないので、詳細は割愛します。

6. GPIO 1 ピンで LED を何本まで駆動できるか¶

ATmega328P の GPIO は 1 ピンあたり 推奨 20 mA まで。LED 1 本で 10 mA 使うなら、単純には 2 本が上限です。

ただし次の条件も守ります: - VCC/GND ピン合計の絶対最大 200 mA（全ピンの合計） - 1 ポート（8 ピン）合計で 100 mA（ATmega328P の場合）

多数の LED を同時点灯したい場合は、GPIO で直接駆動せず、トランジスタ or LED ドライバ IC を介する（第 12 章）。

7. 動作確認チェックリスト¶

7.1 電源投入前（第 7 章 §§A〜E に加えて）¶

抵抗値が計算と一致している（カラーコード読み）
LED の極性：長い足（アノード）が GPIO 側
抵抗が LED と直列 に入っている（並列ではない）

7.2 電源投入後（第 8 章）¶

LED が適度な明るさで光る（眩しすぎない、暗すぎない）
LED が 熱くない（触って 10 秒以上耐えられる温度）
LED や抵抗から 焦げ臭がしない
抵抗両端の電圧（テスタで測定）が約 (V_CC − V_F) ＝ 3 V 付近

7.3 電流の実測（オプション）¶

抵抗の両端電圧から電流を逆算すると、回路が設計どおりかを確認できます。

抵抗両端電圧 V_R を測定
I = V_R / R（例：V_R = 3.0 V、R = 330 Ω なら I = 9.1 mA）

8. よくあるトラブル FAQ¶

LED が光らない

極性逆：短い足が GPIO 側になっていないか確認
GPIO が HIGH になっていない：digitalWrite(LED_PIN, HIGH) が呼ばれているか
抵抗値が大きすぎる：10 kΩ などを使うと電流が小さすぎて見えない（330Ω 前後が目安）
LED が既に焼損している：GPIO 直結経験があるなら別個体で確認

LED が暗い

抵抗値が大きすぎる：再計算して、GPIO 定格内で最も電流を取れる抵抗値に
電源電圧が低下している（ブラウンアウト、電池消耗）：第 4 章 §7 の検出方法

LED が常時点灯したまま消えない

GPIO が常時 HIGH になっている：過去に焼損した可能性、別 GPIO に変更して確認
配線ミス：直接 VCC に繋がっていないか

触ると熱い

抵抗値が小さすぎて電流過多：再計算、より大きい抵抗に
高輝度 LED で放熱不足：通常の 5mm LED では稀。高輝度品ならヒートシンクを検討

複数 LED を同時に光らせたい

1 本の抵抗に直列で複数 LED：合計 V_F が V_CC に近づく → 電流が不安定、推奨しない
LED ごとに個別の抵抗：安全、推奨
10 本以上：トランジスタ／MOSFET or LED ドライバ IC を使う（第 12 章）

9. 次章への橋渡し¶

LED は「出力」の基本でした。次は「入力」の基本 — スイッチ入力 を扱います。

次の第 11 章「スイッチ入力」では、プルアップ／プルダウン抵抗の必要性、浮き入力の危険性、そしてチャタリング対策を扱います。LED 点灯と同じくらい基本なのに、抵抗 1 本の省略で動作不安定になる 頻出トラブルを予防するのが目的です。

第 10 章 LED を正しく光らせる¶