LEDの特徴や仕組みなどLEDの基礎知識をお教えいたします。

LEDネーミングの由来

LEDとはLight(光)・Emitting (出す)・Diode(半導体)の頭文字をとったものです。
ちなみに日本語では「発光ダイオード」と呼ばれています。

LEDの形状

LEDの形状には、代表的なものとして「砲弾型」と「表面実装型」の2種類があります。照明の分野では基本的には表面実装型が使われています。一方砲弾型は主に信号や装飾などの分野で使われています。 砲弾型はレンズで集光させる方式のため、指向性の強さが特徴です。TVリモコンの先端についている丸井レンズもこの砲弾型LEDのものです。以前は照明用途でも砲弾型LEDを使用したものがありましたが、直視した時の眩しさなどから、今ではほとんど使われていません。
表面実装型LEDは照明分野やディスプレイのバックライトなどに使われており、様々なレンズと組み合わせることで配光を自由にコントロールすることが可能です。そのため、光を絞ったスポットライトから全体を照らすベースライトまで様々な器具に加工することができ、砲弾型に比べて薄いので、形の自由度が大幅に大きくなっています。 以前は、指向性の強さから、従来の蛍光灯のように全体をまんべんなく照らすのが難しいといわれてきたLED照明ですが、レンズや反射板などの技術革新により全体をまんべんなく照らせるようになってきました。

電球との違い

LEDは半導体で電流を流すと電流(電子の流れ)を直接光に変えて光ります。
電球(白熱電球)は電流を流すと電球の中の細いコイル状の金属が電気抵抗で加熱され光ます。
寿命も省エネ度(同じ照度を得るのに使う電力は少ない)もLEDの方が格段に優れています。

発光の仕組み

LEDは電気を通すことで、発光する半導体です。つまり、電気エネルギーを直接、光に変えられるため、高効率の光源といえます。
ただし、LEDは直流で発光するため、一般に供給される交流では使用できません。そのため、LEDを使用する際は交流を直流に変換する電源が必要になります。
更に詳しく発光の仕組みを説明すると、電気を通すことでプラス(正孔)が働くP型半導体とマイナス(電子)が働くN型半導体を合わせたのがLEDであり、電気を流すことでそれぞれがぶつかり、ぶつかったところで発光します。

RGB

赤、緑、青が光の三原則といわれています。この三大原色によって人間の目で見える色はほぼ再現することが可能です。例えば、赤と緑で黄色、緑と青で青緑、青と赤で紫、赤緑青三色同時に光ると白になります。
虹は七色にたとえていわれます。赤橙黄緑青藍紫という7色です。しかし、これは代表的な日本語の色の名前をそのまま当てはめているだけで、実際には7色どころか色の数は無限です。例えば赤と橙の境目ははっきりとここまでが赤、ここから橙と別れているわけではなく、連続的で滑らかに変化しているはずですから、色の数は無限にあるといってもいいでしょう。
光も電磁波の一種で波長をもっており、色はこの波長の違いによるものなのです。この赤の800nmから紫の380nmまでが人間の目で見える色とされています。これを可視光線といいます。人間の目では見えない部分で赤の外側には紫外線がありますし、紫の外側には紫外線があります。
さてこの可視光線で見える色は赤緑青の三色で作ることができます。しかし、厳密に言えば赤は赤の波長、緑は緑の波長しか出すことはできませんので、これを混ぜ合わせたところで黄色の波長を出すことはできません。人間の目がそのように認識してしまうということなのです。これが光の三原色です。

三原色

色温度

LED照明には昼光色、昼白色、電球色などの色温度が表示されています。 昼光色と昼白色とどう違うの?色温度ってなに?最近では店頭で実際に光を見ることが出来る販売店も多くなりましたが、なにを選べば良いのか考え込んでいる人をよく見かけます。
ちょっと解説します。まず色温度とは、鉄やガラスを熱すると最初は赤く光り、徐々に白っぽくなってくるように、温度により色が変わってきますので、その色を温度というモノサシで測ったものです。
単位はケルビン(K)です。白い光でも6000ケルビンと5000ケルビンとでは、比べてみると違います。 それをもっと分かりやすいように5つの色で呼称しています。白い光の方から順に昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色と呼んでいます。

色温度

オームの法則

電流、電圧、抵抗の関係はオームの法則に従っています。例えば、電流をLEDにつなげる場合、電流制限抵抗器を接続します。この抵抗値を知るためには計算式で簡単に算出できます。
例えば2V20mAの定格の赤色LEDを6Vの乾電池につなげる場合はLEDに2V、直列につないだ抵抗器に4Vの電圧がかかるように分圧して計算します。この回路に流れる電流が20mAということになりますから、抵抗器は4V÷0.02A=200Ωということになります。3.4V20mAの定格の白色LEDであれば、同じように抵抗器には電源6V-LED3.4V=2.6Vがかかるようにし、20mA流れる計算になりますから、2.6V÷0.02A=130Ωの抵抗器を接続すればよいのです。
また、オームの法則は以下のようにも組み替えられるので、必要に応じて使い分けてください。。

色温度

輝度について

LEDは光を出すものですからやはり明るさが気になります。特に照明として使う場合には高輝度、超高輝度という明るいものを選ばなければいけません。輝度が高ければ高いほど明るいということが言えます。でも輝度とはなんでしょう?
明るさを表す尺度はいくつかあり、それぞれ違う定義をされていますので、参考までに簡単に説明しておきます。

光束:光源から出てくる光全ての量、つまり光を線で考えたときに光源から出てくる
線の本数。単位はルーメン(lm)
光度:光源から出てくる光のある単位角度に放射される光束の量。単位はカンデラ(cd)
輝度:光度を光源面積で割り、光源の物理的な大きさによらない光の強さの量。
   単位はカンデラ毎平方メートル(cd/㎡)
照度:単位面積あたりに入る光束の量で、照らされる面の明るさ。
   単位はルクス(lx)あるいはルーメン毎平方メートル(lm/㎡)
高輝度LEDといわれますが、実際にはデータシート状でも光度としてカンデラ表示されています。

色温度