LEDとは何ですか、そしてそれらはどのように機能しますか？

LED、または光発現ダイオードは、エネルギーを節約し、長持ちし、さまざまな方法で使用できるため、照明についての考え方を変えました。ワイヤーを加熱することで光を作る昔ながらの電球とは異なり、LEDは、半導体と呼ばれる特別な材料を通して電流を移動することにより光を作り出します。光を作るこの方法では、エネルギーがはるかに少なくなり、それほど熱くなりません。これらの利点のため、LEDは、ガジェットの小さなライトから建物の大きな照明システムまで、あらゆるものに使用されます。それらはさまざまなタイプと色があり、それぞれがさまざまな用途に適しています。LEDがどのように機能し、なぜそれらが従来のライトよりも優れているのかを学ぶのに役立ちます。

カタログ

図1：LEDまたは光発現ダイオード

定義と基本操作

LED、または光発現ダイオードは、電流が通過するときに光を放出するデバイスです。各LEDは、2つの材料で構成されています。多くの穴（正電荷キャリア）と多くの電子（負電荷キャリア）を持つN型のP型です。前方電圧が印加されると、N型領域からの電子がエネルギーを獲得し、P型領域に向かって移動します。P-N接合部では、電子が穴を埋め、エネルギーを光として放出します。

電気エネルギーを熱に変換してから光に変換する白熱電球などの従来の光源とは異なり、LEDは電気エネルギーを直接光に変換します。このプロセスははるかに効率的であり、熱を生成し、エネルギーを使用することが少なくなります。その結果、LEDはエネルギー効率と長寿命に優先され、頻度の低い交換が必要であり、パフォーマンスが丈夫です。

LEDの種類

ランプタイプLED（リード）

図2：ランプタイプLED（リード）

ランプタイプLED（リード）は、金属脚の基本的なタイプの光発光ダイオード（LED）であり、LEDとも呼ばれ、LEDを電気回路に接続します。これらのLEDは通常、小さな色のプラスチック電球で覆われています。この電球にはいくつかの機能があります。それは光をより均等に広げるので、一方向だけで輝くことはありません。また、LED内の損傷から小さな部分を保護し、ほこりや湿気を排除します。

リードLEDにはシンプルなデザインがあり、多くの電子プロジェクトで非常に便利で使いやすくなります。この簡単なデザインのため、デバイスがオンまたはオフであるかどうかを示すインジケータライトとしてよく使用されます。また、計算機や時計のようなデジタルディスプレイでそれらを見つけることもできます。

装飾照明の場合、鉛のLEDはセットアップが簡単で、さまざまな照明パターンを作成するために使用できるため、お気に入りです。金属製の脚は、それらを回路板に簡単に取り付けたり、テスト用の稼ぎ本板を使用して接続したりできます。これにより、愛好家とプロのエンジニアの両方に人気があります。彼らは多くの色とサイズがあり、創造的で実用的な照明のセットアップでの有用性を高めます。

チップタイプLED（表面マウント）

図3：チップタイプLED（表面マウント）

チップタイプのLED（表面マウント）は、印刷回路板（PCB）に直接付着するようにされたLEDテクノロジーの最新の改善です。これらは、従来のランプタイプLEDよりもはるかに小さく効率的であり、スマートフォン、タブレット、LEDテレビなどの小さな電子デバイスに最適です。

チップタイプのLEDの主な利点は、サイズと効率が小さいことです。それらはコンパクトであるため、PCBに近くに配置できます。これにより、さまざまなことを行う複雑な電子設計を作成できます。この密接な配置は、小さなスペース内でうまく機能する必要がある最新のデバイスにとって非常に役立ちます。チップタイプのLEDもエネルギーをよりよく使用します。彼らはより多くの電気をより少ない熱で光に変え、それが長持ちし、より少ない電力を使用するようにします。これは、エネルギーを節約することが非常に重要なバッテリーで実行されるデバイスで特に役立ちます。

チップタイプのLEDに使用されるSurface Mount Technology（SMT）により、マシンは回路基板に迅速かつ正確に配置できます。これにより、製造プロセスが高速化され、生産コストが削減されます。また、この方法により、LEDが一貫して確実に配置されることが保証されます。これは、デバイスが適切に動作し、長持ちすることが重要です。

両方のタイプのLEDは、同じ基本原理で動作します。電流がその内部の特別な材料を通過すると光を生成します。ランプタイプとチップタイプのLEDの選択は、サイズ、効率、統合の容易さなどのプロジェクト要件に依存します。

波長と色

LEDの色は、それを作るために使用される材料によって決定されます。これは、電気が流れているときに異なる色の光を放出します。2つの主な要因がLEDの色に影響します。

ピーク波長（λp）

図4：LEDのピーク波長（λp）を示すグラフ

ピーク波長（λp）は、LEDが最も光を放出する波長です。たとえば、赤いLEDは通常、約630ナノメートルで最も明るく輝きます。これは、LEDがこの波長で最も強い赤色光を生成することを意味します。ピーク波長を把握することは、さまざまな用途に非常に役立ちます。LEDライトの色と明るさを決定します。ピーク波長を見つけるために、LEDの光スペクトルを測定し、光が最も強いポイントを見つけます。たとえば、スクリーンテクノロジーでは、正確なピーク波長は正しい色を生成するのに役立ちます。植物のライトでは、ピーク波長は、植物が最もよく吸収する波長と一致するはずです。

ピーク波長は、LEDの作成方法にも影響します。エンジニアは、LEDの材料と設計を変更して、希望するピーク波長を取得し、特定の用途のためにLEDの作業を改善することができます。これには、これらの材料が放出される光のエネルギーと波長を決定するため、適切な半導体材料を選択することが含まれます。

ドミナント波長（λD）

図5：LEDの支配的な波長（λD）を示すチャート

ドミナント波長（λD）は、特に人間の目がLEDや他の光源から光をどのように見ているかを理解する場合、色の研究における基本的な考え方です。支配的な波長は、たとえその光がいくつかの異なる色で構成されていても、光源を見るときに人々が最も明確に見る色です。この測定値は、人間の視力がこれらの複数の色を私たちが知覚する1つの主要な色に結合するためです。LEDが光を放出すると、通常、さまざまな色でそうします。これらの個々の色は混ざり合い、支配的な波長は、人間の目に最も際立っている色です。この色を見つけることは、異なる色の特定のミックスと強度に依存するため、必ずしも簡単ではありません。このプロセスには、光スペクトルのさまざまな部分に対する人間の目がどれほど敏感であるかを考慮する詳細な計算が含まれます。

支配的な波長を見つけるために、分光計と呼ばれるデバイスを使用して、LEDからの光を調べます。収集されたデータは、各色での光の強さを示しています。次に、この情報は、人間の視覚に基づいた色を表すチャートである色素性図にプロットされます。ドミナント波長は、光源の座標を通して図の中央の白い点から線を描画し、それをチャートの端まで伸ばすことによって見つかります。この線がエッジを満たすポイントは、支配的な波長です。

ドミナント波長を知ることは、ディスプレイテクノロジー、照明設計、正確な色のマッチングが必要な任意の領域など、正確な色が必要なフィールドで非常に役立ちます。支配的な波長を制御することにより、メーカーは、特定の明るい色で植物がより良く成長したり、画面上で明るく現実的な色を生成するのを支援するなど、さまざまな目的に適した特定の色を発するLEDを作成できます。

LEDで白色光を作成します

図6：LEDで白色光を作成する2つの方法

LEDを使用して白色光を作成するには、2つの主要な方法が含まれ、それぞれに独自の利点と用途があります。

1つの方法には、赤、緑、青（RGB）LEDを組み合わせることが含まれます。これらの3つの主要な色の強度を慎重に調整することにより、それらを混合して白い光を作成できます。この手法は、フルカラーLEDディスプレイや装飾照明など、正確な色制御と正確な色表現が必要なデバイスで一般的に使用されています。この方法は色の出力を優れた制御を提供しますが、黄色の蛍光体アプローチを備えた青色のLEDと比較して、より複雑で高価です。白色光を生成するために色が正しく混ざり合っていることを確認するために、高度な制御回路とキャリブレーションが必要です。

他の方法では、黄色の蛍光体コーティングとペアになった青色のLEDを使用します。青色のLEDがオンになると、黄色の蛍光体が興奮し、黄色の光を放出します。残りの青色光と放出された黄色の光の組み合わせは、白色光を生成します。この方法は、シンプルで費用対効果が高いため、幅広い照明アプリケーションに適しているため、人気があります。ただし、わずかな青またはクールな色合いの白い光を引き起こすことがありますが、これはあらゆる状況に理想的ではないかもしれません。

各方法は、コスト、複雑さ、色の品質の間の望ましいバランスに基づいて選択されます。RGB LEDメソッドは、正確な色の調整と高品質の光出力を必要とするアプリケーションで選択されますが、黄色の蛍光体法を備えた青色LEDは、そのシンプルさと手頃な価格のためにしばしば好まれます。

LED照明効率

LEDは、従来の白熱電球よりもはるかに少ないエネルギーを使用し、エネルギーの90％を節約します。彼らは、小さなチップを通って電流を通過することで光を生成し、LEDと呼ばれる小さな光源を照らします。フィラメントが輝くまでフィラメントを加熱することで光を生成する白熱電球とは異なり、LEDはエネルギーがはるかに少ない光を生成します。

LEDには、ヒートシンクと呼ばれる部品があり、それが作る熱に対処するのに役立ちます。これらのヒートシンクは、LEDがうまく機能し続けるために、熱を取り入れて広げます。優れた熱管理により、LEDが長持ちし、明るくします。熱がうまく処理されていない場合、LEDはより速く摩耗して調光することができます。LEDがどれだけ長く、どれだけうまく機能しているかは、それらがどれだけ優れているか、ヒートシンクがどれだけうまく機能しているかによって異なります。

寿命と分解

寿命と故障は、LED（光エミッティングダイオード）パフォーマンスを理解する上での主要なポイントです。通常、突然燃え尽きる通常の電球とは異なり、LEDは時間の経過とともにゆっくりと薄暗くなります。この遅い調光プロセスは、ルーメン減価償却と呼ばれます。

LUMENの減価償却は、LED内部の材料が摩耗し、それがより少ない光を生成するために発生します。私たちは通常、その明るさが元のレベルの70％に低下した時点でLEDの寿命を測定します。たとえば、LEDが1000ルーメンで始まる場合、その耐用年数は、その明るさが700ルーメンに落ちたときに考慮されます。

いくつかのことは、温度、電気ストレス、それらを作るために使用される材料の品質など、LEDの内腔の減価を引き起こす可能性があります。高温は、LED部品の摩耗を高速化し、それらをより速く薄暗くすることができます。同様に、電流や電圧が多すぎるように、電気応力は、内部部品に余分な損傷をもたらすことにより、LEDの寿命を短くすることができます。

LEDを作成するために使用される材料の品質は、それらがどれだけ長くなるかに大きな影響を与えます。より良い材料と建設方法で作られたLEDは、より長く続く傾向があり、よりゆっくりと薄暗くなります。一方、低品質のLEDはより速く暗くなり、耐用年数が短くなる可能性があります。

LEDが時間の経過とともに明るさを失うと、ルーメンの減価償却が起こります。これは、いくつかの主な要因によって引き起こされる可能性があります。

•過度の熱は、LEDの内部部分を損傷する可能性があります。ヒートシンクはこの熱を管理するのに役立ちますが、うまく機能しない場合、LEDパーツは害を受ける可能性があります。

•高い電流と電圧は、LED内のコンポーネントを摩耗させる可能性があります。この摩耗と裂け目は、LEDの明るさを軽減する可能性があります。

•LED、特に白いもので使用される材料は、時間の経過とともに劣化する可能性があります。この物質的な故障は、明るさの喪失にもつながります。

•湿気やほこりなどの環境条件は、LEDに影響を与える可能性があります。湿気は、部品に錆や短絡を引き起こす可能性があり、ほこりは光をブロックしたり、LEDの動作を妨害したりする可能性があります。

LEDのアプリケーション

LED、または光発光ダイオードは、汎用性があり効率的であるため、照明業界を大きく変えました。これらは、通常の電球から内蔵の備品まで、さまざまな方法で使用できます。LEDの主な利点の1つは小さなサイズで、創造的で革新的な照明デザインを可能にします。これにより、LEDは、従来の電球の交換とカスタムフィクスチャーに組み込まれ、長期にわたる省エネ照明ソリューションを提供するのに最適です。

ハイブリッド照明ソリューションでは、LEDは従来の照明デザインと組み合わされています。これらのシステムには、多くの場合、特別に設計された備品内に置き換え可能なLED部品があり、それらを容易に保守してアップグレードできます。この組み合わせは、古い照明技術と新しい照明技術の両方の最良の部分を占め、ユーザーエクスペリエンス全体を改善します。

LEDは、家から産業環境まで、さまざまな場所で使用できます。LEDは従来のライトと比較して少ない電力を使用するため、エネルギー効率は大きな利点です。これは、エネルギー請求書の削減と環境への影響が小さいことを意味します。また、LEDは長持ちするため、時間とお金を節約する頻繁に交換する必要はありません。

LEDの熱管理

図7：LEDの熱管理

適切な熱管理は、LEDがどれだけうまく機能し、どれくらい続くかについて非常に役立ちます。LEDを使用すると、熱が発生します。この熱がうまく管理されていない場合、LEDをすぐに損傷し、効率が低下し、寿命が短くなります。

LEDヒートの管理の主な部分は、ヒートシンクです。ヒートシンクは、浸漬して、回路基板とのLEDチップの接続から熱を広げて、涼しくすることで役立ちます。ヒートシンクがどれだけうまく機能しているかは、それが何であるかとそのデザインに大きく依存します。

アルミニウムや銅などの材料は、熱を効率的に動かすことができるため、ヒートシンクによく使用されます。また、ヒートシンクの設計には通常、フィンなどの機能が含まれ、熱を放出できる表面積を増加させます。このより大きな表面積は、ヒートシンクがLEDから熱を広げ、LEDを涼しく保ち、長い間うまく機能するようにするのに役立ちます。

LEDと従来の照明の違い

LEDは、特に明るい方向と色の範囲で、従来の白熱およびCFL（コンパクト蛍光ランプ）照明よりもいくつかの利点を提供します。

•方向照明：LEDは特定の方向に光を放出し、ランプを読むことやスポットライトなどのターゲット照明のニーズに最適です。対照的に、白熱した電球とCFLの電球はあらゆる方向に光と熱を放出し、多くの場合、光に焦点を合わせるために反射器や色合いを必要とするため、エネルギーの浪費をもたらします。

•カラーオプション：LEDは、アンバー、赤、緑、青など、幅広い色を提供します。白色光は、異なる色のLED（赤、緑、青など）を混合するか、青または紫外線がリンを通過するときに白色光を放出する蛍光体でコーティングされたLEDを使用して作成できます。この幅の広い色の範囲により、LEDは、温かく居心地の良い照明から明るい昼光のような照明まで、さまざまな照明のニーズを満たすことができます。

LEDはどのように機能しますか？

図8：LEDの構造

LED（光発現ダイオード）はダイオードのように機能し、前方に偏っているときに光を放ちます。このセットアップでは、負の側（カソード）は電源の負の端子に接続され、正の側（アノード）が正の端子に接続されています。この配置により、N領域からの電子がエネルギーを獲得し、P領域に向かって移動できます。これらの電子が接合部を通過し、P領域の穴を開けると、エネルギーを光として放出します。

LEDが発する光の色は、使用される半導体材料によって異なります。たとえば、ガリウムアルセニドは赤外線を生成しますが、リン化ガリウムは緑または赤色光を生成できます。これらの色の違いは、材料のさまざまなエネルギーレベルに由来しており、光の波長を決定します。

LEDは、カソード端子に接続されているアンビルと呼ばれることが多いリードフレームで構築されています。このフレームには、半導体材料が保持されます。半導体のp領域は表面の近くに配置され、内部に閉じ込められるのではなく、より多くの光がLEDから出てくるようにします。この設計は、LEDの明るさと有効性を高めるのに役立ちます。

結論

LEDには、従来のライトよりも多くの利点があります。彼らはより少ないエネルギーを使用し、長持ちし、より良い光の品質を提供します。LEDは、半導体を通して電子を移動し、電気エネルギーを非常に少ない熱で直接光に変えることにより機能します。使用される材料に基づいて異なる色を生成でき、ランプタイプとチップタイプのLEDのさまざまなデザインにより、さらに便利になります。テクノロジーが向上するにつれて、LEDは改善され続け、より多くの利点を提供し、より多くの方法で使用されます。LEDがどのように機能するかとその利点を理解することにより、なぜ彼らが私たちの家、オフィス、そしてそれ以上の照明に好ましい選択肢になっているのかは明らかです。

よくある質問[FAQ]

1. LEDディスプレイはどのように機能しますか？

LEDディスプレイは、発光ダイオード（LED）と呼ばれる多くの小さなライトを使用して機能します。これらの小さな光はさまざまな色で輝き、写真とテキストを作成します。電子回路はこれらのライトを制御し、それらをすぐにオン /オフにして、目的の画像とパターンを表示します。

2. LEDが使用される2つの主要なものは何ですか？

LEDは、主に照明とディスプレイに使用されます。照明のために、彼らは家、通り、車両に明るく省エネの光を提供します。ディスプレイの場合、テレビ、コンピューター、看板の画面で使用されます。

3. LEDとその仕事の原則は何ですか？

LEDの原理は、Electroluminescenceと呼ばれるプロセスに基づいています。電流がLEDの材料を通過すると、光が放出されます。これは、電気エネルギーが電子を他の粒子と結合させ、エネルギーを光として放出するために起こります。

4.なぜLEDが重要なのですか？

LEDは、エネルギーを節約し、長持ちし、環境に適しているため、重要です。彼らは従来のライトよりも少ない電気を使用し、はるかに長い寿命を持っているので、頻繁に交換する必要はありません。

5. LEDの利点は何ですか？

LEDの利点には、より少ないエネルギーの使用、寿命が長く、耐久性が高く、サイズが小さく、より速くオンとオフをオフにすることが含まれます。また、熱が少なくなり、さまざまな色があり、さまざまな目的で役立ちます。