電子工作初心者がLEDを光らせて抵抗の意味を学んでいく

LEDは、抵抗と直列につなげば安全に光ります。抵抗なしで電池に直結すると、一瞬まぶしく光って、煙が出たり破裂したりすることもあり、二度と光らなくなります。

なぜ言い切れるかというと、実際にやって3本壊したからです。1本目は音もなく死に、2本目は破裂し、3本目でようやく1175mAという数字が取れました。

今回は「LEDを光らせるだけ」の回です。でもAI先生いわく、ここには電子工作でいちばん大事な考え方——余った電気には、行き先の計画が要る——が詰まっているそうです。正直、まだ全部は分かっていません。分かったところまでを、順番に書きます。

この回は、実験のようすを動画にもしました。記事は「なぜそうするか」を、動画は「実際どう見えるか」を担当しています。どちらか片方でも分かるように書いていますが、破裂の瞬間だけは動画のほうが伝わります。

動画の中の位置：抵抗をテスターで測る(0:39)／はじめて点灯(4:52)／抵抗を10倍ずつに(7:15)／電池を1本に(10:03)／抵抗なしで直結(11:31)

いまここ:フェーズ1「電気と部品の基礎」

この連載は、電気のことをほぼ理解できていない私が、AIをAI先生にして小型ドローンを部品から自作していく企画です(経緯は第1回の宣言記事へ)。ドローンまでの道のりを4つのフェーズに分けていて、毎回この地図で現在地を示すことにしています。

今回のお題

今回のお題は、私が決めたわけではありません。AI先生からの出題です。

「壊さずに」がわざわざ入っているのが少し引っかかりますが(壊れるんですか?)、進めます。

決める順番:7ステップ

お題が出たので、さっそく組みたい。でもAI先生いわく、組む前に「決めること」が7つあるそうです。

1. 目的を決める —— 「赤色LED1個を、単3電池2本で、壊さずに、目に見える明るさで光らせる」。すべての起点です。
2. 電源を確認する —— 単3電池は1本1.5V。2本を直列につなぐと足し算で3V……のはずが、新品は少し元気で、テスターで測ると2本で3.2Vありました。今回はこの3.2Vが出発点です。
3. LEDの規格を調べる —— 光り始める電圧(Vf)は色で違い、赤は約2V(青や白は約3Vで、3V電源では怪しい)。今回の赤LEDはVf=1.9〜2.4V、電流の上限(If)=30mA。電源3.2Vで足ります。
4. 余り電圧を計算する —— 電池の3.2Vのうち、LEDが自分のぶん約1.9Vを使います。残った3.2V−1.9V=約1.3Vが余り。余りは勝手に消えてはくれず、行き先を用意しないと全部LEDにかかり、電気を食べ過ぎたLEDは熱で壊れる——と教わりました。本当に壊れるのかは、この記事の最後で確かめます。
5. 安全な電流を決める —— 上限30mAの半分=15mA以下にしておくのが定石だそうです(理由はすぐ下でAI先生に聞きました)。目標は10mA=0.01Aにしました。
6. 抵抗値を計算する —— 余り1.3V÷0.01A=130Ω。ただ130Ωという半端な値は手持ちになく、いちばん近くてキリがいいのは100Ω。計算し直すと1.3V÷100Ω=13mA。15mA以下に収まるので、これで行きます。
7. 直列で一周させる —— 電気の道を1本にします。道が1本なら電流はどこでも同じ量。つまり抵抗がLEDのボディーガードになれます。

正直なところ、このときの私は言われるままに計算しています。特にステップ6の「余り電圧を目標の電流で割ると抵抗の値になる」は、なぜそうなるのか分かっていません。ただ、分からないまま進んでも実験はできます。そして実験をやると、自分がどこを分かっていないのかがハッキリします。分かっていない場所は、記事の最後に「分かっていないことリスト」としてまとめました。

回路図にする

7つ決まったら、それを1枚の絵にまとめます。この絵が「回路図」だそうです。お題の一文と7つの決定を、記号で描いた設計図です。

ここで最初の壁にぶつかりました。手持ちの抵抗の中から100Ωを探したいのですが、見た目はどれもそっくりです。縞模様(カラーコード)で値が分かる、というのは資格の勉強でうっすら知っています。ただ、どの色が何を表すのかまでは覚えていません。組み合わせが膨大すぎるのです。しかもよく見ると、線が4本のものと5本のものがあります。

言われたとおりテスターを当てて、3本まとめて測りました。結果は99.70Ω、0.99kΩ、9.89kΩ。どれも表示どおりピッタリではありません。

ここでもう一つ、意外なことがありました。テスターは「流れている電気を測るもの」だと思っていたので、電源につながっていないただの部品を測れるとは思っていなかったのです。

ブレッドボードに組む

組む前に、やってはいけないことを一つだけ。赤い線と黒い線を、部品を通さずに直接くっつけてはいけません。これが短絡(ショート)です。

回路図ができたので、実物にします。部品どうしの足を直接はんだ付けしてつなぐ方法もありますが、一度付けると簡単には組み替えられません。今回は「あとで抵抗を差し替えて実験する」と決めているので、ブレッドボードという土台を使います。穴に部品の足を挿すだけで配線ができて、抜けば何度でもやり直せる、実験用の道具です。

ただ、回路図は「何をどうつなぐか」の図であって、ブレッドボードのどこに挿すかまでは教えてくれません。この橋渡しが入門書だと意外と省かれていて、私は最初ここで迷子になりました。なので図1の①②③が、下の図2のどこにいるかを探しながら組んでください。

ブレッドボードの仕組みは2つだけです。縦の同じ列(A〜Eの5穴)に挿した足どうしは、盤の中でつながっている。そして横に長く走る電源レール(赤い線・青い線の列)は、横一列がつながっている。電池はまず＋を赤いレールに、−を青いレールに受けて、そこからジャンパー線で必要な縦列に配ります。あとはLEDの向き(足が長いほうが＋)に気をつけて挿すだけです。

組む順番は、②抵抗→③LED→①電池。電池は最後です。電気が流れ始めるのは電池をつないだ瞬間なので、配線が終わるまで電気は来ないほうが安全だからです。

電池をつないだ瞬間、光りました。計画どおりです。

テスターで答え合わせをする

光った。で終わらせないのが今回のもうひとつの目玉です。テスターで、計画どおりの数字になっているか確かめます。

予想13mAに対して、実測12.9mA。紙の上の計算が現実と合いました。ちょっと感動しました。そして電圧の3つの数字を見てください。LEDの1.9136Vと抵抗の1.3288Vを足すと、3.2424V。電池の3.242Vと、小数点以下までほぼピッタリです。余った電圧は、1円単位まできっちり抵抗が引き受けていました。

……と、いい話で終わりたいところですが、ここでひとつやらかしました。直前までΩモードで抵抗を測っていて、その流れのまま、同じ調子でテスター棒を「並べて」当てて電流を測ろうとしたのです(ダイヤルの位置も怪しい)。電流は「道の途中に割り込ませる」。直前に教わったのに、です。結果、メインテスターの電流測定用ヒューズが切れました。テスター本体は無事で、ヒューズが身代わりになってくれた形です。何をどう間違えたのかは録画が残っているので、検証とテスターの修理は別記事でやります。

光らないときの犯人の探し方

組んでも光らないことは普通にあります。そのとき覚えておく鉄則がこれです。

「3Vがまるごと出ている場所=道が切れている場所。0Vの場所=素通しの場所」

道が1本(直列)だと、電池の3.2Vは必ずどこかで使われます。どこかが切れていると、行き場のない3.2Vがそこに全部現れます。だからテスターを当てていって、3Vまるごと出ている部品を見つけたら、そこが犯人です。

1. まず目視 —— 列ズレ・LEDの向き・足が同じ列に居るか。工具より先に目。
2. 電池を単体で測る —— 犯人第1位は意外と電池です(消耗・接触不良)。
3. 両端電圧を電池側から順に当てる —— 3Vまるごと出ている場所を探す。
4. 犯人候補を単体テスト —— 抵抗はΩモード、LEDはダイオードモード(生きていればかすかに光る)、ワイヤは導通ブザー。
5. 1個ずつ交換 —— 2個同時に変えると犯人が分からなくなります。

なお、LEDが逆挿しだった場合は向きを直せば光ります(逆向きは通さないだけで、壊れてはいません)。何をしても光らず、ダイオードモードでも沈黙なら焼損——焼けて中の線が切れてしまった状態です。

変えてみた①:抵抗を10倍ずつにする

ここからが本番です。100Ωを1kΩ、10kΩに差し替えて、電流と明るさがどうなるか。

抵抗を10倍にするたび、電流はきれいにほぼ1/10になりました。

言われて数字を見返すと、確かにそうなっています。ただ、この時点の私は「そういうものか」止まりです。なぜ抵抗に、流れる量を決める力があるのかは謎のまま(これも記事の最後の「分かっていないことリスト」行き)。個人的な発見は10kΩです。0.16mAというごくわずかな電流でも、LEDはかすかに仕事をしていました。

変えてみた②:電池を1本にする

次は電源側です。電池を1本(約1.6V)に減らします。実験前、AI先生の予告はこうでした。

やってみました。

電池が1本になっていることはテスターで確かめました。表示は1.63V。計算上の1.9Vには届いていません。それでもLEDはかすかに光っていました。(このときの電流までは測っていません。) AIの説明も、実験で訂正されることがある。「理屈は測れた分だけ信じる」というこの連載の方針が、さっそく仕事をしました。

この実験で、私の中のLEDのイメージが変わりました。「点く/点かない」のスイッチではなく、明るさには連続したメモリがある。1.63Vではメモリの1くらいで、肉眼ではやっと。12.9mAなら十分見える。星と同じです。見えない星も、光ってはいるんです。

変えてみた③:抵抗なしで直結する

ここからは危険な実験です。保護メガネと不燃マットを使い、通電は数秒だけ、煙が出たら即電池を外す。まねをする場合は換気と目の保護だけは必ずやってください。

ボディーガードの抵抗を外して、LEDを電池に直結します。余り電圧1.33Vの行き先を、なくすということです。

一瞬まぶしく光って、プチッと小さく煙が出て、終わりました。時間にして1秒あるかないか。

このときの電流をテスターのピーク記録機能で捕まえてあります。1.1754A=約1175mA。100Ωのときの約90倍、LEDの上限30mAの約39倍です。事前の計算では「1Aくらい流れるはず」だったので、これも予想どおりでした。壊れる方向の予想も、計算は当たるんですね。

焼けたLEDをよく見ると、中の発光チップが黒く焦げていました。外観は無傷なのが不気味です。このLEDを正しい100Ωの回路に戻しても、二度と光りません。電子部品の死は静かです。

なぜ抵抗を外しただけで90倍も流れるのか。私の中のイメージはこうです。回路は血管で、電圧は血流の勢い。LEDは薄い特殊な血管で、ある程度の勢いまでしか耐えられない。だからLEDの手前に、勢いを落とす「堰(せき)」を置いておく——それが抵抗。今回はその堰を外したので、そのままの勢いの血液が薄い血管に流れ込んで、破裂した。このイメージで、感覚としては説明がつきます。ただ「90倍」という数字がどこから来るのかを計算で示せと言われたら、まだできません。そこは記事の最後の「分かっていないことリスト」行きです。

おまけ:テスターが動かない

じつは、この1175mAという数字を取るまでに一度つまずいています。3本目のLEDで電流を測ろうとしたら、テスターがぴくりとも動かなかったのです。

上の「犯人の探し方」の出番です。順に見ていって、犯人はすぐ見つかりました。さっき壊したLEDを、そのまま挿していたのです。外観が無傷なので、新品と見分けがつきませんでした。

机の上に転がしておいた「見た目はきれいな死んだLED」。これが今回いちばん実用的な学びかもしれません。壊した部品は、その場で別の容器に入れる。

まとめ:分かったこと、分かっていないこと

最後に、今回の実験で私が本当に分かったことと、まだ分かっていないことを、正直に分けておきます。

分かったこと(自分の言葉で言えること)

• 電圧は「押す力(勢い)」、電流は「その力で押し出されて流れる量」。私のイメージは血流の勢いと、流れる血の量
• 電池の3.242Vは回路の中で分け合われる。LEDが1.9136V、抵抗が1.3288Vを引き受けて(足すと3.2424V=ほぼピッタリ)、電池の出口に戻るときには0になっている
• 明るさは点く/点かないのスイッチではなく、連続したメモリ。電池1本(1.63V)でもLEDは光っている(見えない星も光っている)
• LEDは薄い特殊な血管、抵抗はその手前(または後ろ)の堰。堰を外すと勢いそのままの血液が流れ込んで破裂する=直結でLEDは1秒で昇天(1.18A=約90倍・犠牲3本)

分かっていないことリスト(宿題)

• 導線だけ(抵抗ほぼゼロ)を電池に直接つなぐと、何が起きるのか。私は「電流は流れない」と思っていたら、AI先生は逆で「無限に流れようとする」と言う。無限に流れたら、熱もすごいことになるのでは? これが短絡(ショート)の正体で、昔の電池ケース溶解事件の犯人らしい——これはこの連載の「電池編」で確かめます
• なぜ「余り電圧÷目標の電流」という割り算で、選ぶべき抵抗の値が出るのか
• なぜ抵抗を外しただけで、13mAが1175mAに化けるのか

だそうです。3つの謎が1つの法則で解けるなら、覚えることは少なそうです。楽しみに待つことにします。AI先生の言う今回の教訓は「余った電気には、行き先の計画が要る」。私の言葉で言えば「行き先を作らないと、血管が破裂する」です。

ところで。今回LEDは煙を出しましたが、電池のほうは平気な顔をしていました。本当に平気なんでしょうか。昔、私の電池ケースは、何もつないでいないのに勝手に溶けました。この連載の「電池編」で、あの「電池ケース溶解事件」を安全な環境で再現します。電池の種類別に、何度まで上がるのか温度計で測ります。