ネタ切れに付き、ちょっと閑話休題的な話。

最近は照明などにハイパワーLEDが使用されて、LED照明なんて普通です。

車のライトもLEDですし。

LEDは低発熱で、長寿命！

エコ！

……と言われますが、実は結構扱いが面倒なんです。

それは発熱です。

蛍光灯や電球は長い間使用されてきただけあって、常識的な使い方であれば発熱はそれほど問題ないのですが、LEDは違います。

LEDは自分の発熱で寿命が縮みます！

（知っている人にとっては当たり前のことですが）

寿命が４万時間だとか５万時間とかいっても所詮それは理想状態の話。

熱がこもる環境や、放熱に不備があれば１万時間もしないうちに暗くなってしまいます。

とにかく熱に弱いです。

「熱くなったらおしまい」なのがLEDです。

ということで、寿命を保証するには温度を下げないといけないのですが、「温度vs寿命」がデータシートに乗っていないことが多いです。

つまり、メーカーに問い合わせをしないとそういう信頼性の情報が出てきません。

（おそらく個人には出してくれないでしょう。企業でないと情報開示してくれないでしょう）

ということで、

１，パワーLEDを使う場合には発熱に注意する

２，温度VS寿命の情報をメーカーに問い合わせる

ということを頭においておきましょう。

以上、小田切でした。

意外と設計者が気にしていないのが、ダイオードの逆方向電流。

「逆方向電流」とはダイオードに逆方向に電圧をかけた時に流れてしまう電流のことです。

大電流が流れる電源ラインなどではほとんど気にすることがないですか、電流が少ないラインや信号部では結構重要になってきます。

これが原因で電池が早く消耗したり、想定外の電圧になってしまったりします。

ということで、ちょっと実際のダイオードでどれ位の逆方向電流が流れるか比較してみようと思います。

今日の比較対象

ROHM当たりから表面実装品を引っ張ってこようと思ったのですが、ROHMはデータシートの一部でも転載するなとうるさいので止めておきます。

著作権上、説明に必要な妥当な範囲での引用はOKなはずなんですが、難を避ける意味でROHMはやめておきます。

ちなみに、ROHMは国内メーカーでダイオードやトランジスタをラインナップしていてすごく使いやすいメーカーですよ。念のため。

ということで、今日はアマチュアな人でもよく使う秋月で扱っているリード品のダイオードで比較したいと思います。

実務では表面実装品しか使いませんが、特性は似たようなものなので良いでしょう。

１Aクラスということで、この二つを選びました。

普通のダイオード：PANJIT 1N4007

ショットキーバリアダイオード：PANJIT 1S4

電圧降下（順方向電圧）の比較

では最初に両方共に定格電流である1Aを流したときの順方向電圧を見てみましょう。

これが小さいほどダイオードとして優秀です。

1N4007:

1N4007は1Aで1.1Vです。

普通のダイオードであればこんなものです。

1S4：

1S4は１Aで0.5Vです。

なんと1N4007の半分！

さすがショットキーバリアダイオードです。

逆方向電流の比較

本題の逆方向電流です。

1N4007：

最大電圧で25℃で5uAです。

1N4007は1000V耐圧なので、なんと逆方向に1000Vも掛けても5uAしか流れません。

1S4：

対して、1S4は25℃で0.2mA = 200uAです。

なんと1N4007の40倍です。

しかし忘れてはいけないことがあります。

1S4の耐圧はわずか40Vです。

なので、逆方向に40Vかけると200uA流れてしまうということになります。

結論

定格電流が同じ物同士で比較すると、やっぱりショットキーバリアダイオードは逆方向電流が大きい！

5uA@1000Vと200uA@40Vの違いは大きいです。

このことを頭においておくといつか役に立つときがやってきます。

以上、小田切でした。

普通のダイオードとショットキーバリアダイオード（ショットキーダイオード）の違いについてわからない！

という方向けに簡単に説明したいと思います。

ショットキーバリアダイオードとは？

普通のダイオードはP型半導体とN型半導体をつかった部品ですが、

ショットキーバリアダイオードは半導体と金属を組み合わせた部品です。

一番大きな特徴は「普通のダイオードと比較して電圧降下が小さい！」ということです。

記号

こんな記号です。

普通のダイオードと同じような記号ですが、三角の横の棒がS字になっているのが異なります。

向き

向きは普通のダイオードと同じです。

上の図では左（アノード）から右（カソード）に流れ、逆方向には流れません。

使い方

普通のダイオードと基本的には同じです。

電流・電圧の耐圧に問題がなければ、普通のダイオードをショットキーダイオードに変えても問題ないことが多いです。

特性（普通のダイオードとの違い）

順方向電圧（電圧降下）が小さいので、ダイオードで消費される無駄な電力を減らすことが出来ます。

ただし、高電圧で使える部品が無く、低電圧（数十ボルト）でしか使えません。

また、逆方向に電流を流そうとすると、普通のダイオードはuA程度の電流しか流れないのに対し、ショットキーバリアダイオードはmA程度の電流が流れてしまいます。

用途

・低電圧機器の大電流の整流

・逆方向電流が問題にならない回路（簡単に説明できないので、上級編でいつか）

以上、小田切でした。

ダイオードを使うと電圧降下するわけですが、「よく意味がわからない」という方が結構いるようです。

ここで簡単に説明したいと思います。

回路図の例

ものすごく簡単な回路図を示します。

1.5Vの電池があって、ダイオードがあって、その先に１０Ωの抵抗がついています。

電圧降下がない場合

いわゆる理想ダイオードだとこうなります。

D1の電圧降下がゼロでR1には1.5Vがそのままかかって、そしてR1には150mAが流れます。

実際には電圧降下がある

ダイオードには一般的に0.6-0.7Vの電圧降下があります。

例えば0.7Vとすると・・・

ダイオードを通った後に0.8Vになってしまいます。

なんとほぼ半分の電力（エネルギー）がダイオードに食われてしまいます。

おお、神よ、なんと非効率な！！

ちなみに、電池が100Vだったら、ダイオードで電圧降下しても99.3Vになるだけなのでたいしたことないです。

低い電圧でダイオードを使うととにかく非効率でもったいないということがわかります。

そして、電圧が0.8Vになったことでこの回路では抵抗に流れる電流も80mAに減っています。

電圧降下はいつも一定なの？

上記で電圧降下は0.6-0.7Vと書きましたが、それはいつも一定なのでしょうか？

いいえ、違います。

慣例的に0.6-0.7Vで計算しますが、実際には電流と部品によってそれよりも大きくなったり小さくなったりします。

じゃあ、電圧降下はどうやって計算するの？

もしかしたら教科書には原理や計算の式が載っているかもしれませんが、そんなもので計算はしません。

計算しません！！

そもそも使いたい部品の物性なんて開発者にはわかりませんので、計算なんかできません。

そうではなく実測データを使用します。

実測データはどこにあるか？

それがデータシートです。

知らない人が見るとわけが分からなくて頭が痛くなるデータシートですが、ここにこういう情報が載っています。

ダイオードの電圧降下をデータシートから調べる方法

秋月電子でも売っている、PANJITの1N4007という典型的なダイオードのデータシートがこれです。

http://pdf1.alldatasheet.jp/datasheet-pdf/view/14624/PANJIT/1N4007.html

このなかにこんな図があります。

「TYPICAL FORWARD CHARACTERISTICS」→「典型的な順方向特性」

今回の電圧降下は順方向に電流を流したときの特性なので、ずばりこの図が欲しい情報になります。

なんか見切れていますが、横軸が「電圧降下」で縦軸が「電流」になっています。

この図からこんなことが読み取れます。

「0.01Aを流すと電圧降下は約0.6V」

「0.1Aを流すと電圧降下は約0.75V」

「1A流すと電圧降下は約約0.95V」

上の回路では約0.1Aが流れていますので、「この回路でのダイオードの電圧降下は0.75Vぐらいだな」と予測がつくわけです。

また、電流が小さければ「0.6-0.7V」という一般常識に近い値ですが、1Aになると約1Vにもなってしまうのがわかります。

電圧降下の消費電力は？

電力P＝電圧V×電流I

なので、１N4007に0.1Aを流すと、

P=0.75[V] x 0.1[A] = 0.075[W]

1N4007に1Aを流すと

P=0.95[V] x 1[A] = 0.95[W]

になります。

電圧降下の原理

そもそもどうして電圧降下が発生するのかと疑問に思うかもしれませんが、実際の所あんまりしらなくても問題ありません。

というか、そこを勉強しても実務であまり役に立ちません。

とにかくそういうものだと考えてもらってOKです。

あえていうと、ダイオードはP型半導体とN型半導体がPN結合している構造をしていて、PN結合部に0.6-0.7V程度の電圧が発生してしまいます。

そして、それが電流を流す時に障害になるので、その電圧分がダイオードで消費されてしまうわけです。

その他、よく聞かれる質問です。

Q.ダイオードを並列にすると電流を沢山流せる？

半分YESで半分NOです。

全く同じ型番のダイオードでも電圧降下にはばらつきがあります。

1Aを流した時、あるダイオードが0.6Vで、あるダイオードが0.65Vだとします。

するとこの二つを並列にしても、0.6Vのダイオードにばかり電流が流れしまいます。

ある程度は電流が分かれるので、1つの時よりマシになりますが、2倍流せるとまではいきません。

なので、普通やりません。

Q.ダイオードの電圧降下を小さくするには？

そういうときはショットキーバリアダイオードを使用します。

こちらは電圧降下が0.2-0.3Vあたりから始まるので、非常にナイスです。

以上、小田切でした。

ダイオードの種類について説明します。

ウィキペディアをみると真空管ダイオードまで紹介されていますが、実際の業務で使うものではないので・・・

リアルな業務で使用している部品について「のみ」説明します。

これだけ知っていれば、プロの設計者とも会話が成り立つ・・・かも？

■ダイオード（PNダイオード）

ウィキペディアでは「PNダイオード」と書かれていますが、業務ではそんな呼び方しません。

単純に「ダイオード」と呼ばれます。

なので、「ダイオード」と言っているのは「PNダイオード」のことなのか「ダイオード全体の総称」をいっているのかを文脈から判断することが必要です。

◯特徴

・高電圧に耐える物がある：例：12,000V耐圧

・電圧降下が大きい：0.6-0.7V以上

・逆方向電流が小さい：uAオーダー

◯用途

用途は上の特徴から導かれます。

・高電圧の整流（AC100VからDCを作る場合など）

・小電流の整流

・逆方向電流が問題になる回路（簡単に説明できないので、上級編でいつか）

◯メリット

高電圧でも使えるし、安いです。

◯デメリット

電圧降下が大きいので、大電流が流れるところに使うとダイオードが電力をたくさん消費してしまいます。

なので電圧が低くて電流が大きいスマホや小型家電では、電源の整流にはこの部品は使いません。

といっても、高電圧の整流ではこれを使うしか無いので、電流が大きくてもACの整流にはこれを使います。

■ショットキーバリアダイオード（ショットキーダイオード）

普通のダイオードに対してこんなダイオードがあります。

電圧降下が小さいダイオードです。

◯特徴

・低電圧でしか使えない：100V超えのものもあるが、数十Vが普通

・電圧降下が小さい：0.2V以上

・逆方向電流が大きい：mAオーダー

◯用途

・低電圧機器の大電流の整流

・逆方向電流が問題にならない回路（簡単に説明できないので、上級編でいつか）

◯メリット

無印なダイオードと違って電圧降下が小さいので、ダイオードで消費される無駄な電力が少ないです。

PCやスマホなどDC20V以下の製品は大体このダイオードを多用しています。

◯デメリット

しかし、残念なことに耐圧が低いのでAC100Vなどには使えません。

100V以上の耐圧が高いものもありますが、ショットキーバリアダイオードなのに電圧降下が大きかったりしてイマイチです。

あと、逆方向電流が大きいのでそれが問題になることもあります。

ダイオードの基本は整流なのですが、実はそれ以外に特殊な用途に使うダイオードがあります。

■ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）

逆方向に電圧をかけると両端が一定電圧に保たれるダイオード。

普通のダイオードはアノードからカソードに電流を流す形で使用しますが、これは逆にカソードからアノードに電流を流します。

教科書的には回路内で基準電圧を生成するのに使用したりします……が、現実ではそういうのは精度がいいICを使うことが多いです。

なので、実際にツェナーダイオードで基準電圧を作るケースは非常に少ないです。

あとは一定電圧になると導通するという特性を活かして、静電気などのノイズ保護にも使用します。

（ふだん低電圧の信号が通っているときはほぼ絶縁状態で影響なく、高電圧がかかったときだけ導通する）

■LED（発光ダイオード）

みんな大好きLED。

電気的にはダイオードですが、光るので照明やインジケータとして使用されます。

■その他

定電流ダイオード：ダイオードという名前がついていますが、中身はダイオードじゃないです。

以上、小田切でした。

役割

ダイオードとは基本的に「片方向だけに電流を流す部品」です。

それは何に使えるかというと・・・実はいろいろあります。

ここでざっと書き出せないぐらい。

ですが、初心者向けの基礎としてはこのぐらいの使い方を知っていればいいでしょう。

１，電源の保護

電源が入ってくる部分にダイオードを入れることで、仮に電源のプラスマイナスを逆に繋いだ場合に電流が流れなくなります。

つまり、極性を誤った時に製品が壊れるのを防ぐことができます。

２，電流を整流する

交流というのはプラスとマイナスが交互に反転します。

つまり電流が流れる向きが時間とともに変わるのです。

じゃあ、そこに例えば、端子１がプラスで端子２がマイナスのときにだけ電流が流れるようにダイオードを入れたら？

すると同じ方向にしか電流が流れません。

つまり、交流を直流に変換できるのです。

とはいえ、ダイオードだけでは電圧と電流が大きくなったり小さくなったり状態になるので、さらにコンデンサなどを使って平滑化しないといけません。

３，その他いろいろ！

DCDCコンバータで電圧変換に使用したり、

部品の保護に使ったり、

電波を扱う回路で使用したり、

初心者の方にいきなり説明してもわからない利用方法が沢山あります！

そこは他の記事を呼んで頂ければと思います。

記号

こんな記号です。

三角形に線を付けただけです。

とても簡単

そして線がない左方向の端子が「アノード」です。

右方向の端子が「カソード」です。

向き（極性）

電流はアノードからカソードには流れます。

カソードからアノードには電流が流れません。（実際はちょっと流れちゃうんですが、ほとんど流れないと思って下さい）

見ての通り記号自体が矢印みたいになっているので、矢印の向きに電流が流れると思って下さい。

非常にわかりやすい記号になっています。

あれ、それだけ？

「ダイオードは記号が矢印みたいになっていて、その向きに電流が流れるだけ……え、簡単じゃん！」

その通り簡単です。

「じゃあ、だれでも回路設計できるね」

ある程度まではOKです。

でも、これは理想的なダイオードの話です。

現実のダイオードは違います。

理想：いくらでも電流が流せる

現実：限界がある

理想：逆に電圧をかけても電流が流れない

現実：高い電圧をかけると流れてしまう。さらに、低い電圧でも少しだけ流れてしまう

理想：電力の損失はゼロ！

現実：電圧降下と言って、ダイオードが抵抗成分として働いてエネルギーの一部がダイオードで消費されてしまう

初心者の電子工作では問題にならないと思いますが、世の中に出す製品を設計するときはこういう知識がないとヒドイことになります。

これらは中級者向けの記事で書いていこうと思います。

以上、小田切でした！！