応用回路設計のための第一歩 ―― I/O規格とLED表示，スイッチ入力，アナログ出力，RS-232通信のための回路の設計法

2．LEDの使い方

　LED（発光ダイオード）は，電気を流すと光る光半導体部品です．付属FPGA基板に実装されている単体のLEDのほか，7個のLEDを数字の8の字に配置にすることで，0～9までの任意の数字を表示させることができる7セグメントLEDもあります．7セグメントLEDは，小数点を示すドットを表すLEDと合わせて，合計8個のLEDによって構成されているのが一般的です（写真1）．

写真1 単体のLEDと7セグメントLED

　LEDを点灯させるためには，最低限の知識がいくつか必要です．それは順方向電圧と順方向電流（駆動電流）です．

● LEDを駆動する順方向電圧

　電流を流すことで光るLEDは，動作するために数Vの電圧が必要です．
　LEDは，ダイオードの一種です．ダイオードは，アノードからカソードに電流を流すときに，電圧降下が起こります（図5）．この値を「順方向電圧」といいます（コラム「LEDは逆方向の電圧に弱い」を参照）．

図5 LEDの順方向電圧

　LEDは，電力用のダイオードの数倍もの電圧降下を生じます．おおむね2.0V～3.2V程度の範囲です．色によっても順方向電圧が大きく違います．一般的に，赤＜黄＜緑＜青＜白＜昼白色の順で，順方向電圧が高くなります．

　順方向電圧は，LEDを駆動するための電圧と同じ意味です．例えば順方向電圧が2.0Vの赤色LEDを駆動したい場合には，2.0V以上の電源で動かさなければいけないことになります．また，白色LEDは3.0V以上が必要なので，2.0Vでは光らせることはできません．

　このように，順方向電圧はLEDを使う上で非常に重要なパラメータになります．使用するLEDのデータシートに記載されている値を，あらかじめ調査しておく必要があります．

● LEDの明るさを決める駆動電流と電流制限抵抗

　LEDは，順方向電圧以上の電圧をかければ点灯します．ただし，このままだと電源から無制限に電流が流れ，最悪の場合には壊れてしまいます．

　そこで，電源とLEDの間，またはLEDとグラウンドの間に適当な抵抗を入れて，LEDを流れる電流を制限します（図6）．直列回路ですから，抵抗に流れる電流値とダイオードに流れる電流値は一致します．ここでLEDと電源の間に挿入した抵抗を「電流制限抵抗」といいます．

図6 電流制限抵抗の求め方

　LEDは，ある程度の電流を流さなければ，所望の輝度（明るさ）を得ることはできません．この値はLEDの順方向電流としてデータシートに規定されています．電流を必要以上に制限してしまうと暗くなります．また，規定以上の電流を流すと明るくなりすぎ，その結果，熱をもって破壊してしまうこともあるので注意が必要です．

● 電流制限抵抗の決め方

　実際にLEDを点灯する回路を作ってみます．LEDを点灯させるのに重要なパラメータは，順方向電圧と駆動電流です．

　例えば，順方向電圧2.2VのLEDを駆動電流10mAで点灯させるものとします．電源電圧は3.3Vとします．

　図6の回路から，抵抗とLEDで電源電圧を分圧することになります．順方向電圧が2.2V，

となります．
　直列回路なので，LEDに流れる電流値と同じ電流が抵抗にも流れます．そのため，VR＝1.1Vと抵抗を流れる電流10mAから，抵抗値が計算できます．

　つまり，110Ωの抵抗値を3.3VとLEDの間に挿入することで，順方向電圧と駆動電流を所望の値にできます．

● FPGAからLEDを点灯させる方法

　FPGAからLEDを点灯させる回路として，FPGAのピンに抵抗を介してLEDのカソード側を接続し，アノード側は電源に接続した回路をよく使います（図7）．

図7 FPGAからLEDを点灯させる基本回路

　FPGAがHレベルを出力すると，3.3Vに近い電圧がFPGAのピンに現れます．この場合，LEDが点灯するために必要な順方向電圧を満たすことはできません．つまり，消灯状態です．

　FPGAがLレベルを出力すると，0Vに近い電圧がFPGAのピンに現れます．この場合，グラウンドにLEDのアノードが接地された状態とほぼ同じになります．順方向電圧を満たすことができるので，点灯します．

● 多数のLEDを駆動する場合はバッファが必要

　図7の回路は非常にシンプルですが，FPGAに負担がかかるということに注意してください．

　もともと，FPGAのI/Oピンは大きな電流を駆動する用途には向いていません．LatticeXP2の場合，3.3VのLVTTL/LVCMOSで最大で20mAを駆動できますが，これは1ピンだけ使用する場合の値です．すべてのI/Oを使用する場合は，チップ全体またはI/Oバンク単位の制限により，1ピン当たり平均8mA程度の駆動能力しかありません．従って，複数のLEDを接続する場合には注意が必要になります．

　例えば7セグメントLEDは，通常8個のLEDが集積されています．十分な輝度を得るには1エレメント（1個のLED）当たり少なくとも10mA程度の電流を流す必要があります．1けた当たり80mA以上の電流を必要とします．4けたなら320mAにもなります．電流を多く流さないと輝度が十分に取れないLEDや多数のLEDの駆動は，FPGAのI/Oピンの駆動能力の観点から難しくなります．

　このような場合，LEDとFPGAの間に，バス・バッファICを挿入することで解決できます．例えば米国Texas Instruments社のバス・バッファIC「74HC245」はH/Lレベルともに24mAの電流を流すことが可能です（図8）．

図8 バス・バッファICを使ったLED回路