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発光ダイオード

はっこうだいおーど

順方向に電流を流すと光を発するダイオード。可視光線以外にも赤外線や紫外線など不可視光線を発するものもある
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別表記⇒LED

概要

順方向(アノード(陽極)に+極、カソード(陰極)に-極をつなぐ)に電流を流すとを発するダイオード。光を出す為に作られているので、整流用ダイオードのような逆方向の阻止耐性をもっていない。そのため、逆方向に電圧をかけると整流用ダイオードよりはるかに低い電圧(大抵5V程度)で降伏を起こし素子が破壊されてしまう。
また、発光する(光の波長)により順方向降下電圧(発光する最低限の電圧のようなもの)が異なる

順方向降下電圧(厳密な値ではない)※1
赤外線1.4V
赤色・橙色・黄色・緑色2.1V
白色(※2)・青色3.6V
紫外線4.5~6V

※1:素子の製造時のバラつきや周囲の環境による電気特性の変動があるため。
※2:青色LED+橙色(又は緑色の蛍光体と赤色の蛍光体混合)光を発する蛍光体の場合。演色性を求める用途の物では蛍光灯のように紫外線で三原色分混合した蛍光体を光らせるものもあるのでその場合は順方向降下電圧は紫外線LEDに順ずることになる。

点灯時の駆動電流は表示灯用途のものでは、数mA~50mA程度だが、照明用LED(パワーLED)の駆動電流は少なくとも300mA~400mA程度のものから始まり、駆動電流が1Aを超えることもよくある。また、パワーLEDでは電流が多く流れるため素子の過熱による封止樹脂や素子そのものの焼損防止のため放熱が必須となる。
また、パワーLEDのうち、ある程度大きい部品になると内部にLEDの素子が複数あり、その素子間の接続は直列繋ぎを基本に構成してあるため順方向降下電圧が直列に繋いである素子の個数に比例して高くなる。

点灯制御

電流が一定になるように制御するのが基本である。

表示灯用途

定電圧の電源
抵抗器による電流制限で十分。

ある程度変動する電源(自動車の電源など)
定電流ダイオードなどで吸収しつつ制限する必要がある。

大きく変動する電源(乾電池など)
スイッチング電源による定電流制御をする必要がある。電池の本数の制限などで電源が順方向降下電圧より低い場合はLEDへの電流制限に加え昇圧も行う必要がある

照明用途

抵抗器や定電流ダイオードでは電流制限を電気抵抗で行うため大きな電力消費となってしまうので、スイッチング電源か高周波点滅による制御を行うことにより電流制限を行う。

用途

1962年の発明当時は赤色のみだった。1972年に黄緑色LEDが発明され、電卓などの電子機器の動作表示に広く用いられるようになったが、発光量が弱く色が赤と黄緑だけという状態では、他の用途には使えなかった。

1993年に日亜化学工業で青色LEDが発明され、これは純緑色のLEDの開発に繋がり、光の三原色(赤・緑・青)の発光素子が揃うことでディスプレイへの応用が可能になった。また、青色LEDに蛍光体を利用することで白色LEDが実現できるようになった。

2000年代以降、光量の高いパワーLEDの開発が進められる。2004年に東北大学の川崎雅司らが低コストでの青色LEDの生産技術を開発し、以降、電光表示板、ディスプレイのバックライト、さらには照明、車両の表示灯、信号機など幅広い分野への応用が急激に広がった。

使用について

LED電球など家電商品として売られているものは、これらの制御をするための回路や放熱機構を内蔵・装備しているので、説明書きにしたがって使えばよい。ただし、粗悪品には要注意

秋葉原や大須、日本橋(にっぽんばし)などの部品屋や電子部品の通販など部品として売られているものは上記の事に留意する必要がある。

こぼれ話

  • LEDといえど、パワーLEDの様に照明に使うものになると表示灯用途に比べ発光効率(※3)が下がる為に思ったほどの電力消費効率にはならない。(電球に比べれば遥かに高効率だが)その為、政府が捕らぬ狸の皮算用で出した目標が実は達成できないということがあったりする。照明用はまだまだ発展途上の技術であることを忘れてはいけない。ちなみに、実際の電力消費効率は同じ光量の比較では蛍光灯と同程度。
  • 表示灯用途でも内部の回路の電圧が高いものの場合、LEDでは用途の割に電流制限の回路が大掛かりになるので今でもネオン球が使われている。
  • 電圧印加に対する応答が早い事を利用し、暗い場所で動く物体の鮮明な静止画像を短い間隔で連続撮影する際の光源として使われることがある。
  • 「LEDの寿命」は新品の状態から比べて明るさが照明用は7割、表示用は5割に落ちるまでの点灯時間のこと。
  • 消費電力が小さいということはすなわち放出するエネルギーも小さいということである。この為、人の目では今までどおりの明るさに見えても、太陽電池が作動しなかったり、植物光合成が行われなかったりする。前者は太陽電池式電卓が使えなくなる程度の弊害だが、後者は屋内の観葉植物を枯らしてしまう事があるため要注意である。


※3:低電圧大電流駆動であることと、発する光の波長が短くなるにつれ光への変換効率が落ちること、波長の短い青や紫外線が出せないと蛍光体を光らせることができないことが主な理由。

関連タグ

照明  半導体 電気 電灯

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