このＰＤＦは，ＣＱ出版社発売の「高輝度/パワーLEDの活用テクニック」の一部分の見本です．
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第5章

たった 1 個で LED の輝度を安定化できる定電流ダイオード（CRD）の原理と使い方
漆谷 正義

Masayoshi Urushidani

LED を安定して光らせるには，LED に一定の電流を流す必要がある．定電流ダイオードを利用すれば，比較的簡単に定電流駆動回路を設計できる．ここでは，定電流ダイオードを使いこなすために知っておきたい動作原理や温度特性について解説する．
〈編集部〉

定電流ダイオード（以下，CRD ： Current Regulative Diode）は，加える電圧や負荷抵抗が変化しても，常に一定の電流を流すことのできる素子です（写真 5 − 1）．LED のような電流駆動型の素子は，輝度を一定に保つために定電流回路と組み合わせる必要があります．一般に定電流回路は構成が複雑で，設計も簡単ではありません．これに対して CRD は，たった 1 個の素子で定電流特性を得ることができます．CRD を使えば，加える電圧の変化や LED の順電圧変化などの影響を受けにくい回路を簡単に実現できます．

CRD の基礎知識● 外形と回路図記号
市販されている CRD はほとんどが 2 端子で，極性があります．プラス電圧を加える方がアノード，反対のマイナス側がカソードです．石塚電子の製品は図 5 − 1 のように明確に識別できるようになっています．
写真 5 − 2 は，米国 Vishay Siliconix 社の J500 シリーズの外観です．ピンチオフ電流（後述）が 0.24 mA〈写真 5− 1〉
CRD の外観

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第5章

定電流ダイオード（CRD）の原理と使い方

アノード識別突起

アノード・リード（a）セメント・モールド＋

カソード・リード−

アノード＋カソード・マーク

カソード−（b）ガラス封止タイプ

カソード

アノード（c）回路図記号〈写真 5 − 2〉 米国 Vishay Siliconix 社の J500シリーズの外観〈図 5− 1〉 CRD の外形と回路図記号
プラス電圧を加える側がアノード，マイナス側がカソード．

〈図 5 −2〉 Vishay
Siliconix 社の CR シリーズのパッケージ（TO − 18）

アノード
アノード
カソード

CR160 〜 CR470 が相当〈図 5− 3〉 CRD の回路図記号する．

定電流源を書き入れたもの．

カソード〜 4.7 mA の製品があります．マークが入っていないので，外形から極性を判断する必要があります．
図 5 − 2 は，Vishay Siliconix 社の CR シリーズのパッケージです．ピンチオフ電流は最大 4.7mA です．
TO-18 は，ハーメチック・シールで封止した金属缶で，放熱の点ではやや有利です．突起に近い方がアノードです．
回路図記号は通常，図 5−1（c）のような，ダイオード記号の三角を丸にしたものが使われていますが，定電流源を書き入れた図 5 −3 のような記号を使用する場合もあります．
● 構造と動作原理
図 5 − 4 に CRD の断面図を示します．下部の p 型半導体の基板（ゲート）と上部左右の n 型半導体のソースを，短絡電極により短絡したものをカソードとし，上部中央の n 型半導体（ドレイン）をアノードとした構造となっています．
このように，CRD はダイオードというよりは，FET のソースとゲートを短絡したものといった方が分かりやすいかも知れません．
＋ の間に電圧 V を加え
図 5 −4 のようにアノード（ドレイン： n＋とカソード（ゲート： p＋1）0 とソース： n2 ）ると，逆バイアス状態となります．n 型半導体のキャリア（電流を運ぶもの）は，負の電荷をもった電子であり，これがアノード側に引きつけられます．また，p 型半導体のキャリアは，正の電荷を持ったホCRD の基礎知識

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ショート電極アノード（ドレイン）

カソード （ソース）
空乏層+n2電子+n1+p2+p2+n2An0VA

チャネル

ピンチオフ点P+p0

空乏層（ゲート）
カソードp基板（下部ゲート）〈図 5− 4〉 CRD の断面図
CRD はダイオードというよりは，FET のソースとゲートを短絡したものといった方が分かりやすいかも知れない．

ールであり，これがカソード側に引きつけられます．このため，キャリアの存在しない空乏層が，図5 − 4 のように形成されます．上下の空乏層で挟まれた電流（＝電子）の通路をチャネルと呼びます．チ
ャネルの幅は図 5 − 4 の矢印 A のように，電圧 V が高くなるほど狭くなります．これに伴って CRD の抵抗値が増加していきます．そして，ある電圧 VP においてチャネルは遮断されます．これをピンチオフ
電圧といい，図のようにアノードに近い部分に遮断個所 P（ピンチオフ点）が現れます．
空乏層はおのおの，正と負に帯電して電界を持っているので，空間電荷領域とも呼ばれます．図を見ると，空乏層が P 点において電子の経路を完全に遮り，電流は流れないように思えます．しかし，実際にはアノード（n＋との間の電界により，電子が引きつけられドリフト電流が流れます．この際，電圧1）

V は単に電子をアノード方向に引っ張る役目しか果たさず，流れる電子の量（つまり抵抗値）には寄与しません．従って，VP 以上の電圧では電流は飽和してしまうのです．これが，CRD が定電流特性を持つ理由です．
● 電圧−電流特性
図 5 − 5 は，CRD の電圧−電流（V − I ）カーブです．図 5 − 4 のように結線して，CRD に正の電圧を加えていくと，図 5 − 5 の O − A のように，ほぼ電圧 V に比例して電流が増えていきます．この領域は図 5 − 4＋の空乏層の広がりが小さく，n0 層のキャリアはカソード n＋2 からアノード n1 に障害無く到達できます．

したがって，O −A 部分の抵抗値は数百Ω程度と低くなります．
CRD へ加える電圧が VK 以上になると，図 5 −4 の空乏層が矢印 A のように広がり，図 5 −5 の B 点ではチャネルを遮ってしまいます．このときの電流 IP をピンチオフ電流と呼びます．CRD では，すべての

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第5章

定電流ダイオード（CRD）の原理と使い方

電流 I［mA］
1.2 IPBIPC

0.8 IP A

Vr O
0Vk 10VB

電圧V［V］〈図 5 −5〉
CRD の電圧−電流カーブ
B 点の電流をピンチオフ電流と呼ぶ．

DIr

素子が飽和に達する 10 V をピンチオフ電圧に選び，このときの電流値を IP としています．飽和に達した後の B-C 間は，抵抗 RBC（＝ΔV/ΔI ）が数百 kΩと，非常に大きくなります．
電圧 V がさらに大きくなると，図 5 − 5 の C 点のように，電流が急激に増加するブレークダウンという状態になります．これはツェナー・ダイオードなどで知られているアバランシェ降伏という現象です．
高電界のためにキャリアが大量に発生し，大電流が流れるもので，放電管の放電と同じ原理です．ブレークダウン電圧 VB は，電流値が 1.2 × IP となる電圧で定義します．
CRD に逆電圧を加えた場合は，図 5 − 5 の O − D のように大きな電流が流れます．これは，図 5 − 4 の
p − n 接合が順方向にバイアスされ，キャリアが流れ出すためで，一般のダイオードにおける順方向特性のカーブと同じものです．注意が必要なのは，定電流ダイオードはアノードにプラス電圧をかけて使用しますが，逆に接続した場合は通常のダイオードのように電流を阻止せず，ON（短絡）となってしまうことです．逆につなぐと，負荷である LED や，CRD 自身を破壊することがあるので，十分気をつけてください．

CRD の種類と特徴
CRD は，>定電流動作領域が広い>動作抵抗が高い>電源変動や負荷変動，リプル電圧の影響を受けない>周波数特性が良いなどといった特徴を持っています．その使用電圧領域は，1 V 以下の低電圧から 100 V 以上の高電圧まで広がっています．表 5 − 1 に CRD の種類と特性を掲げます．型名は E − 101 なら 10 × 101 ＝ 100 μA のように，電流ランクで区別しています．
図 5 −6 は V − I 特性の実測値です．比較的ピンチオフ電流の少ない E −101 は，ΔI /ΔV も小さいのですが，リニア・スケールで見ると若干の傾きを持っていることが分かります．これは後述の温度による傾きとは符号が反対で，電圧が上昇するほど電流も増える傾向があります．

VK 近辺の肩特性は，図 5 − 7 のように電圧軸を対数目盛りとすると分かりやすくなります．図 5 − 7 かCRD の種類と特徴

67〈表 5−1〉 CRD の型名と特性
ピンチオフ電流@10 V
I［mA］
P
0.01〜0.06
0.05〜0.21
0.20〜0.42
0.40〜0.630.60〜0.92
0.88〜1.32
1.28〜1.72
1.68〜2.32
2.28〜3.10
3.00〜4.10
3.90〜5.10
5.00〜6.50
6.56〜9.84
8.00〜12.0
9.60〜14.4
12.0〜18.0
18.0〜22.0
22.0〜27.0
27.0〜33.0

型名
リード付き
MELF
Ｅ−101ＬF−101L
Ｅ−101
F−101
Ｅ−301
F−301
Ｅ−501
F−501
Ｅ−701
F−701
Ｅ−102
F−102
Ｅ−152
F−152
Ｅ−202
F−202
Ｅ−272
F−272
Ｅ−352
F−352
Ｅ−452
F−452
Ｅ−562
F−562
Ｅ−822
F−822
Ｅ−103
F−103
Ｅ−123
F−123
Ｅ−153
F−153
Ｌ−1822
Ｌ−2227
Ｌ−2733肩特性 動作インピー［ＭΩ］
Ｖｋ［Ｖ］ ダンス
80.4
60.540.8
2
1.1
1
1.4
0.65
1.7
0.40
2.0
0.25
2.3
0.15
2.7
0.10
3.2
0.07
3.7
0.04
4.5
0.32
3.1
0.17
3.5
0.08
3.8
0.03
4.3
0.09
3.9
0.04
4.0
0.02
4.2

温度係数［％/℃］＋2.10〜＋0.10＋2.10〜＋0.10＋0.40〜−0.20＋0.15〜−0.25
0.00〜−0.32−0.10〜−0.37−0.13〜−0.40−0.15〜−0.42−0.18〜−0.45−0.20〜−0.47−0.22〜−0.50−0.25〜−0.53−0.25〜−0.45−0.25〜−0.45−0.25〜−0.45−0.25〜−0.45−0.25〜−0.45−0.25〜−0.45−0.25〜−0.45

最高使用
定格電力
電圧［Ｖ］ ［ｍＷ］
10010010010010010010010010010010010030/5030/4230/3425/28302525300300
300300300300
300300300
300
300
300300
300
300
300
500
500
500

0.16
0.14

電流［mA］

0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
00204060
電圧［V］

80

100

〈図 5− 6〉 リニア・スケールで見た V − I 特性（E−101）
比較的ピンチオフ電流の少ない E − 101 は，ΔI/ΔV も小さいが，リニア・スケー
ルで見ると若干の傾きを持っていることが分かる．

ら，IP ＝ 0.125 mA，VK ＝ 0.35 V と読み取れます．
● 自己発熱により電流値が減少する
図 5 − 8 はピンチオフ電流が 2.7 mA の，E− 272 の V − I カーブです．E − 101 とは逆に，ピンチオフ電流に達してからは，電圧の増大とともに電流値が減少しています．これは CRD が発熱するためです．表5 − 1 を見ると，比較的ピンチオフ電流の大きな品種においては，温度係数が負になっていることから，この現象が出てくることが推察できます．