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無線電子工学および電気工学の百科事典 超高輝度 LED は省エネ照明の基礎です。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
つい最近、この記事の筆者は地下鉄の車内で LED ライトを宣伝する行商人を目撃しました。 「このランタンの非常に明るい電球は、エネルギー消費がほとんどないので、頻繁に電池を交換する必要はありません。」とセールスマンが電車の走行音の中で叫んだのは有名だ。 彼の言葉には、おそらく広告の真実が含まれています。白熱灯については誰もが知っていますが、根本的に新しい光源について言及すると、おそらく、これらの超高輝度 LED が本当に優れているのか、また、それに基づいて作られた懐中電灯が役立つのかどうか疑問に思うでしょう。なので確実性は不明です。 非常に多くの人が、LED を光信号装置として使用するというような些細な作業に気づいています。 普及率という点では、普通の LED は白熱灯と簡単に競合できるとさえ言えるかもしれません。日常生活では、今日では非常に一般的です。暗闇の中でも見つけられるように設計された、光の表示が付いた家庭用スイッチを思い出してください。 最新の信号用 LED (発光ダイオード) は大量に生産されており、信号装置に非常に便利なさまざまな発光色とさまざまなデザインを備えています。 入力信号の比率に応じて色が滑らかに変化するXNUMX色モデルを購入したり、電圧を印加すると点滅したり、信号金具の白熱灯を交換するための標準口金を使用したりできます。 しかし、私たちが光源を理解するという意味では、どの標準的な LED が光源なのでしょうか? 結局のところ、せいぜい携帯電話の液晶ディスプレイを照らす程度で十分だろう。 人が半導体光源の光の中で普通に生活し、居心地の良い雰囲気の中で毎日仕事をし、本を読み、楽しい会話をしている…というのは想像しにくいのではないでしょうか？ いや、これがまさに今の現実なのです。 光波を放射する pn 接合の特性は、すべての半導体の基本的な特性です。 しかし、彼らには程度の差こそあれ、この能力が備わっています。 たとえば、トランジスタや従来のダイオードの製造に使用されるシリコン pn 接合は、従来の LED にもまったく適していません。放射する光波はほとんどありません。 ガリウム化合物（リン化ガリウムとヒ化ガリウム）をベースにした半導体は、はるかに優れた放射線を放出するため、よく知られている赤色、黄緑色、緑色の LED が製造されています。 前世紀の 60 年代におけるこれらのデバイスの発光効率は、わずか 1,5 lm/W でした。 少し後に、研究の結果、半導体の放射効率を10 lm/Wまで高めることが可能になりました。 窒化ガリウムを製造する技術の開発により、青色 LED が登場しました。 そして今度は、白色光を発する LED について考えてみましょう。 白色 LED は 1998 年に初めて世界市場に登場しました。 これまでに達成された固体光源の効率指標は、それほど印象的なものではありません。スペクトルの赤から黄色の部分で発光する市販の LED サンプルの発光効率は、緑色領域で 65...75 lm/W です。 85 lm/W、白色領域では最大 100 lm/W で発光します。 約 150 lm/W の効率を持つ白色光の商用サンプルが開発中ですが、これが限界ではありません。 つまり、固体ソースが存在してから 50 年間、平均して、その効率はほぼ XNUMX 桁向上しました。 一般に、今日の「白色」発光スペクトルを有する「非常に平均的な」LED の光出力は、良好な蛍光灯の光出力レベルにあり、光出力の増加は続いています。 そして、固体ソースの製造コストの高さは、100000 時間以上の連続トラブルフリー動作、最高の機械的および気候的信頼性、極低温での中断のない動作、熱源の欠如など、素晴らしい耐用年数によって報われます。水銀などの有害物質、基本的な明るさ調整の可能性、部分的に火災安全要件を満たす、低い熱放射、低いメンテナンスコスト。 確かに、超高輝度 LED の素晴らしい資源についてのこの「勝利の歌」に不協和音をもたらす状況があります。 実際のところ、発光ダイオードは動作中に「経年劣化」する傾向があり、これは放射率の低下、つまり放射効率の低下として表れます。 ただし、評判の高い超高輝度 LED の世界的メーカーは、耐用年数の半分まで初期放射率の 80% を維持することを保証しています。 インターネットフォーラムで、この記事の著者は、LED光源の実際の耐用年数が2〜3時間以内であるという断定的な記述に遭遇しました。 これは 40 つの場合にのみ当てはまります。疑わしい製造の製品が使用されている場合、実際には 3000 時間の動作中に放射効率が最大 XNUMX% 失われる可能性があります。または、LED が標準動作条件よりも大幅に高い動作条件で動作している場合です。公称のもの。 ここで、標準的な LED の「マルチカラー」発光から白色の「固体」光を生成する技術について見てみましょう。 現在、白色光を生成するには XNUMX つの方法があり、そのすべてが「固体」産業で積極的に使用されています。 図では、 図 1 は、異なる色、つまり古典的な RGB トライアド、つまり赤、緑、青を混合する方法を示しています。 LED 光源の XNUMX つのチップ上には、多色の発光結晶がモザイク パターンで密に配置されており、その光はレンズを使用して集束されるため、総発光スペクトルは太陽のスペクトルに近くなります。 チャンネル R、G、B を個別に制御することで、LED の発光の任意の色 (または色合い) を得ることができます。 この方法の欠点も明らかです。製造に多大な労働力がかかり (したがってコストが高くなります)、色の異なる LED は放射効率が異なるため、R、G、B チャネルの色のバランスをとる必要があります。 ただし、この方法はカラー屋外広告ディスプレイの作成に使用されることが増えています。
白色光を生成する 2 番目の方法の基本原理は、蛍光灯の動作原理から借用したものです。 この場合 (図 XNUMX を参照)、特別な XNUMX 色の蛍光体が LED ハウジングの内面に塗布され、UV 範囲の波を発し、放射線の影響で白色光で輝き始めます。 この方法の欠点の中で、光出力効率がそれほど高くないことに言及する必要があります。 このため、XNUMX 番目と XNUMX 番目の方法が最も技術的に進歩し、商業的に最も収益性が高いことが判明しました。 しかし、最も興味深いのは、これらの方法が XNUMX 番目の方法を論理的に発展させたものであること、つまり発光効果も使用していることです。
3 番目の方法の技術は青色 LED の使用に基づいていますが、ここでの発光結晶は構造的な反射板で囲まれており、その上に黄色の蛍光体が塗布されています。 したがって、色が混合されると、図に示すように、スペクトル組成が白色に非常に近い光が生成されます。 XNUMX.
4 番目の方法は XNUMX 番目の方法とほとんど違いはありませんが、実際、その論理的発展は放射光のスペクトル構成を改善することを目的としています。 この方法は、同じ青色 LED に基づいており、同じ設計の反射板が提供されていますが、緑色と赤色の発光色を持つ XNUMX 種類の蛍光体がすでに適用されています (図 XNUMX を参照)。
白色光に近い発光スペクトルを持つ市販の LED の大部分は、単一および二重蛍光体発光技術に基づいて製造されています。 このため、このような LED からの光はわずかに青紫色の「冷たい」色合いになります。 「ソリッドステート光」のコストとその実装の経済的実現可能性については何が言えるでしょうか? もちろん、光エネルギー単位を「生産」するコストのみを考慮した場合、現時点では「固体光」が最も高価な光エネルギー源です。 「固体照明」の 1 ルーメンの価格は、従来の白熱灯で生成される 30 ルーメンの価格よりも依然として 50 ～ 1 倍高いです。 たとえば、著者は消費電力 5 W の LED ランプを 15 ドルで購入できましたが、同じ光出力で消費電力 60 W の通常の白熱灯の価格は 1 ドル弱です。 別の計算によると、総コスト 20 ドルの 20 個の超高輝度 LED のマトリクスは、光出力が 20 ドルの 1 W ハロゲン ランプに近いことがわかります。 しかし、結論を急ぐ必要はありません。 LED と従来の白熱灯の寿命と発光効率を比較すると、その節約効果は明らかであると言えます。 ただ、これらの節約は一時的なものではなく、長期的なものです。 専門家によると、固体光源のコスト削減の勢いは、光出力の増加ほど速くはならないだろう。使用効率が 20 倍になっても、コストは XNUMX% しか低下しないと予想される。 LED 光源の市場への普及は、次のシナリオに従って行われます。最初は補助 (装飾) 照明として使用されていましたが、現在では白熱灯とハロゲンランプを段階的に廃止する取り組みがすでに積極的に行われています。 自動車メーカーはすでに白色 LED をベースとしたハイビームおよびロービームヘッドライトの開発を積極的に行っています。 開発成果は印象的で、標準的なキセノンランプと同等の約1000lmの光束が得られました。 海外の方向指示器を使用すると、すべてがはるかに簡単になります。テクノロジーは開発され、急速に実装されています。 図では、 図 5 は、106 つの超高輝度 LED で作られた直径 4 mm の産業用自動車用 LED ロービーム ヘッドライトを示しています。
ここでは、超高輝度 LED の光学特性、特にこのデータが技術文書でどのように表現されるかについて説明します。 どの LED も、光束を方向に放射します。つまり、観察者に対する位置に応じて不均一に放射します。 一部の LED は顕著な指向性を持っており、小さなスポットライトのように光ります。 他のものは反射板を備えた白熱灯に似ています - ここでの光波はかなり広い空間セクターに伝播します。 空間放射の均一性を確保する必要がある場合は、異なる方向に向けられた LED の構造アセンブリが役に立ちます。 LED の主な空間光学特性は、その指向性です。 メーカーは指向性のタイプを、まず放射角度によって、次に放射パターンによって説明します。 最初の特性が単なる「数値」である場合、XNUMX 番目の特性はより有益なグラフになります。 放射パターンのタイプは、照明システム設計エンジニアにとって非常に重要です。 図では、 図 6 は、LED 業界の世界的リーダーの 515 つである日亜化学工業が製造する白色 LED NSPWXNUMXBS の最も有益な放射パターンを示しています。 図の右側は極座標、左側はデカルト座標です。 このようなグラフでは、引数は主軸 (最大放射の線) に対する回転角度であり、関数は無次元量です。 関数線に沿ったグラフは最大放射値に正規化されており、LED の順電流の特定の値における mcd で与えられる光度が正規化値として機能します。 放射パターンでは、このパラメータは無次元の「単位」に対応します。
場合によっては、放射パターンが十分に広い場合 (このような LED は通常、無指向性照明の目的のみを目的としています)、光束値は lm で与えられます。これは、標準的な方法を使用して照度を計算するのに非常に便利です。 また、企業は LED 放射のスペクトル特性の種類を技術文書で提供しています。 何のために？ 実は、光の色温度は人の感情状態に大きな影響を与えます。 これまでLED照明には「寒い」「暗い」「不快」というイメージがありました。 しかし、最近では白熱灯の光を模倣した温白色LEDが市場に登場しています。 特に、このような LED も日亜化学工業の製品範囲に含まれています。 暖白色 LED の放射と白色タイプの放射の違いは、図 7 に最も明確に示されています。 図７は、前述のＬＥＤのスペクトルを示す。
提示されたスペクトルを分析してみましょう。 白色 LED の放射は、スペクトルの「青色」領域の高振幅ピークによって「青白く」されます。また、暖白色 LED では、青色成分は黄色蛍光体のより強い放射によって「抑制」されます。放射線を「暖かい」色合いに着色します。 一方、LED の電気的パラメータを評価する必要があります。 これは、電流電圧特性 (VC)、つまり、ダイオードに印加される電圧に対するダイオードを通過する電流の依存性によって最も明確に説明されます (図 8)。 逆（阻止）電圧が印加されると、LED を含むダイオードは電流を流しません。 ただし、整流ダイオードとは異なり、LED は大きな逆電圧を許容しません。 標準の最大 LED 逆電圧は 5 V を超えないため、「極性の反転」に注意することをお勧めします。
LEDの電流-電圧特性の直接分岐は、開放電圧の値と開放状態での電圧降下のみが従来のダイオードの電流-電圧特性と異なります。 ゲルマニウム ダイオードが 0,1 ～ 0,2 V の電圧で開き、シリコン ダイオードが 0,6 ～ 0,7 V で開く場合、LED の開き電圧は 1,2 ～ 2,9 V の範囲になります。 LED の電流は電流の増加とともにわずかに増加し、約 1 mA の電流ですでに特定のレベルで安定します。 図よりまた、図 8 は、LED 点火電圧とそれを流れる電流の制御されていない増加の差がわずか 0,3 V であることを明確に示しています。 LED は、他の半導体と同様に、無限大の電流を流すことができず、加熱により溶けてしまいます。 したがって、過剰電圧を「消滅」させ、電流の流れを制限する安定器を使用する必要があります。 LED は定電圧 (またはパルス電圧) で駆動されるため、最も単純な安定器は主に従来のアクティブ抵抗です。 電子電流源に基づいた、より複雑でより経済的なタイプの安定器もあります。 著者：B。セメノフ
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