});サイバネットシステム次世代照明として注目を集めるLED照明。単純にLEDパッケージを並べただけでは、良い照明機器を作ることはできない。LEDの特性を生かした設計をするにはどうしたらいいのか、そのヒントを解説していきます。〜応用編〜最終回LED照明の光学設計LEDとは?LEDは電気的にはダイオードの一種でPN接合と呼ばれる構造で作られています。図1のようにLEDの両端子に電圧を掛けると、電子はエネルギーを吸収し伝導帯へ遷移します。この電子が、伝導帯から価電子帯へ遷移すると、吸収したエネルギーを放出します。この放出されたエネルギーが光源となります。放出される光の波長や色は半導体のバンドギャップ(注1)によって定まります。注1:バンドギャップとは伝導帯と価電子帯のエネルギー分布の差(ギャップ)のこと。LED動作原理LEDアプリケーションLEDは発光効率が高く、長寿命、しかも小型で軽量、有害物質を含まない※という、多くの長所を持っています。高い発光効率により電池の寿命が長持ちすることから携帯機器に最適です。LEDとしての寿命は白熱電球の約2〜3倍以上あり(資料によっては40倍とうたっているものもあります)、その長寿命を生かしたアプリケーションとして交通信号灯などがあります。LEDの応答速度は非常に速いため車のブレーキライトにも適しています。LEDを用いた照明器具の設計自由度は非常に高く、光の明るさだけでなく、色味を段階的に調節することも可能です。一般のシリコンダイオードに類似した特性を持っており、アノードとカソード(注2)の間に電圧を印加して使用します。印加電圧があるしきい値に到達すると、LEDに電流が流れ始め、発光を開始します。電圧がさらにそのしきい値を超えると、電流が急激に増えます。LEDのしきい値電圧は下の表1のとおりです。注2:外部回路から電流が流れ込む電極をアノード、外部回路へ電流が流れ出す電極のことをカソードと呼ぶ。アノードとカソードの区別は、電流の向きによって決まる。表1LEDの電気特性、および駆動回路を説明するために回路シミュレータを使います。回路シミュレータは、LEDや抵抗などの電気デバイスを数式としてモデル化し、コンピュータ上で回路動作を計算できる便利なツールです。ここでは、Cadence社製回路シミュレータPSpiceA/Dを利用しました。LEDは、フィリップスルミレッズ社のLUXEON系LXM3-PW71を使用します。図2の回路を使ってこのLEDの電気特性を検証します。電圧−電流特性を得るには直流解析を行います。よる解析結果:電圧−電流特性LXM3-PW71の電圧−電流特性を検証した結果、3.0Vで約354mAの電流が流れることが分かります。白熱電球(フィラメントタイプ)は電圧駆動型のデバイスです。LEDは電流駆動型のデバイスで、LEDに流れる電流を制御することによって光度や色味を調節できます。白熱電球や蛍光灯の照明機器に用いられている回路方式をそのままLEDの照明機器へ適用することはできません。LEDの特長を最大限に生かすには、LEDならではの駆動回路設計が必要です。発光効率に優れたLEDを使ったとしても、駆動回路の効率が良くないと照明機器全体の発光効率は落ちてしまいます。LEDを使った照明機器設計は大きく次の3つの段階に分けることができます。?光学設計、?熱設計、?LED駆動回路設計です。使用してLEDを駆動する方法について説明します。図4のように接続します。直流電圧源の値とLEDでの電圧降下(順電圧)を基に、LEDの発光に適切な電流が流れる抵抗値を計算します。この抵抗値は次の式で求められます。上述のLXM3-PW71を5Vの電圧源で駆動することにします。このLEDの順電圧は3.0Vなので、350mAを流すには5.71Ωの抵抗が必要になります。図4、図5には、回路シミュレータでの計算に使用した回路とその結果を示しています。図5よりLEDには約3.0Vの電圧が掛かっていて、約350mAの電流が流れていることが確認できます。過度解析結果LEDの順電圧のばらつきこの回路では、LED回路の重要な設計要素の1つである順電圧のばらつきを考慮していません。LEDのような電子デバイスの特性には必ずばらつきがあり、同じ型番のデバイスでも個々に測ってみると同じ特性を持っていないことがあります。このばらつきはLEDによって非常に大きい場合があり、順電圧では15%以上のこともあります。LXM3-PW71の順電圧は約4〜2.5Vの間でばらつくことが分かっています。すると先ほどの抵抗型駆動回路を用いた場合、LEDの順電圧によって、流れる電流が大きく変化してしまいます。照明機器の場合、LEDが点光源のため複数個使用されます。LEDを単純に直列接続して、抵抗駆動をすると、回路が動作しない場合があり得ます。3つのLXM3-PW71を直列接続して12Vで駆動するとします。これら3つのLEDが最大の順電圧を持っていた場合、合計は供給電圧12Vと同じになり電圧不足で駆動できない状態に陥ります。同じ電流が流れているからといって、すべてのLEDが同じように発光するとは限りません。LEDを並列接続する場合も同様なことが考えられます。SNSfacebooktwitterITmediaはアイティメディア株式会社の登録商標です。