LED照明は照明業界において破壊的な技術としての地位を確立しました。LEDは消費電力が低く信頼性が高いため、新しい照明と交換用照明の両方の用途に最適です。
個々の照明「要素」のサイズが小さいため、従来の白熱灯、蛍光灯、アーク灯では物理的に不可能だった、新しい斬新な照明器具を設計できます。複数の光源を中心に設計された器具は、比較的大きな照明要素に依存する従来の器具と比較して、光の分布をより簡単に制御する機能が強化されています。これにより、住宅、商業、工業、高速道路、駐車場の照明、建築照明、電子看板などにも広く採用されるようになりました。
LED照明器具が長い寿命にわたって効率的に動作できる理由を理解するには、LEDの仕組みと故障モードを理解することが役立ちます。他のダイオードと同様に、LEDは、ダイオード内の2つの領域を電子が一方向に容易に流れることができるように、不純物が「ドープ」された半導体から作られています。しかし、LEDの場合、電子が1つの領域から別の領域に流れるときに、領域間の「バンドギャップ」を通過し、エネルギーが光の形で放出されます。LEDの構造を変更することで、放射される光の波長と強度を制御できます。これにより、LED照明設計者は、既知の波長出力を持つ同等の性能を持つLEDアレイを簡単に作成できると思われるかもしれませんが、それだけではありません。温度が上昇すると、2つのことが起こります。まず、光の波長が長くなり、放射される光の色がわずかに変化します。しかし、2番目の結果の方が重要です。順方向電圧 (電子がバンドギャップを通過するときに発生する電圧降下) が減少します。LED回路に電流制限直列抵抗器を備えた固定電圧源が供給されると、電流制限抵抗器での電圧降下が増加し、回路全体の電流が上昇しやすくなります。その結果、LEDの動作は明るくなりますが、熱くなり、効率が低下し、さらに温度が上昇して色が変わります。ただし、このサイクルは無限ではありません。LEDの順方向電圧は温度によって大きく変化することはありません。しかし、この変化によって動作効率が大幅に低下し、LED接合部温度が大幅に上昇する可能性があります。LEDは、最大動作温度 (または最大接合部温度) と比較して比較的低い温度状態にある場合にのみ高い信頼性を発揮するため、効率と接合部温度の変化は特に重要です。
LEDの寿命を延ばすには一定の温度を維持することが重要であることがわかっており、LEDの動作温度を比較的低い温度に保つ方法はいくつかあります。最初の方法はヒートシンク、つまりLEDアセンブリから熱を取り除き、他の場所で放散することです。ただし、これにより設計コストが大幅に増加する可能性があり、ヒートシンク アセンブリでは照明器具の周囲条件を考慮する必要があります。特にHVAC障害やその他の異常な動作条件の場合、ほとんどのLEDの最大電流定格は周囲温度が高いと大幅に低下するため、この点は考慮する必要があります。定電圧源から電力が供給されるLEDは、温度が上昇すると当然より多くの電流が流れるため、高温の周囲条件におけるLED照明システムの高い信頼性を確保するには、熱を除去するだけでは不十分な場合があります。
LEDが最高の効率で動作し、良好な接合部温度を維持するには、LEDへの電流供給が常に一定になるようにするのがより良い方法です。これは定電流LEDドライバを使用することで実現できます。定電圧LEDドライバと比較して、定電流ドライバは一定の電流出力を維持し、目標電流を維持するために必要に応じて出力電圧を調整します。これらの電源は、LEDを流れる電流をより適切に制御し、温度変化による電流の変動を排除します。電圧ではなく電流を制御することで、LEDで消費される電力をより正確に制御でき、定電圧電源を使用する場合よりも設計者が故障率をより正確に予測できるようになります。
LEDドライバ タイプの選択は、意図する最終用途やその他の制約によって大きく左右される可能性があります。鮮やかな色やコントラストのある色を必要とする標識やその他のアプリケーションの場合、定電圧電源の方がコスト効率が高く、設計も簡単です。また、色の変化は相対的なものになる傾向があり、表示される光の有効性への影響は最小限に抑えられます。標識では効率もそれほど重要ではなく、照明をサイト全体に分散させるのではなく、単一の設置にアプリケーションを適用する場合は、追加のヒートシンクを使用する方が経済的です。
ただし、最終用途が照明である場合は、定電流ドライバの方が適している可能性があります。 これにより、光の品質と明るさをより均一に制御できるようになり、システムを簡単に調整して、LEDを最も効率的な範囲で動作させることができます。LEDを最も効率的な範囲で動作させるには、通常、ヒートシンクの必要性が少なく、照明器具の金属で熱を拡散し、LEDを理想的かつ効率的な状態で動作させるのに十分です。
定電流電源または定電圧電源でLEDを駆動する場合の機能上の違いを理解することで、設計者は光出力、光品質、設計寿命の目標を満たすように設計を最適化できます。
