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LEDの基礎知識について

発行：エスオーエル株式会社
https://www.sol-j.co.jp

連載「測定の新常識！？SOLがお伝えするノウハウ！」
2023年4月12日号　VOL.137

平素は格別のお引き立てを賜り、厚く御礼申し上げます。
X線CTによる精密測定やアプリケーション例などをテーマに、
無料にてメールマガジンとして配信いたします。

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営業技術グループの長谷川です。

あっという間に4月となり、新年度が始まりました。

そして花粉症の季節がやってきたとも言い換えられます。

今年の花粉は特に酷いように思いますが、
天気予報を見るに、それは気のせいではないようです。

なんでも、とあるニュース番組によると、
飛散量は例年の12倍とのことで、
数値から見ても今年は異常であることが伺えます。

私はこれまで花粉症とは無縁の生活を送っていましたがが、
今年はついに発症してしまいました。
罹るまでは他人事でしたが、いざ自覚すると
「これほど辛いことがあるのか」と酷くショックを受けました。

ただし一方で、花粉症の辛さを身をもって経験することで、
周囲の人々がこれまでどれだけ苦しい思いをしてきたのかを理解することが
できたとも思い、これは非常に良い経験になったと感じています。

どれだけ周囲が辛い辛いと言っていても、
相手の苦しみは想像することしかできません。
しかし自分が当事者になれば、その気持ちの片鱗を嫌でも味わうことになります。
（しかしその苦しみにも個人差があるので、完全に理解することはできませんが。）

対岸の火事であっては何も分かりません。こういった経験が
想像力の源泉となるのだなと、改めて考えた次第です。


さて、本題に入ります。
先日、LED照明に関連する課題が生まれました。
知らないことが沢山あったため、これを機に勉強しました。

今回はLEDの初歩的な知識について、学んだことを中心にお話しします。

LEDは半導体を使用した第四世代のあかりとして、今や世の中で
なくてはならない重要な役割を担っています。

元々は赤色、緑色に発色するものしかありませんでしたが、
1993年に青色に発色するLEDが開発され、自由な色をつくることが
可能となり、続く1996年には青色LEDと黄色蛍光体を組み合わせることにより
白色に発光することが可能となることで、利用範囲が大幅に拡大されました。

LEDは従来の白熱電球の数十分の一、蛍光灯の数分の一という非常に小さい
消費電力で動作することが可能で、その省エネ効果は非常に高く、
とある施設のフロアに設置されている古い蛍光灯を、全てLEDに切り替えたところ
電気代が二分の一以下まで削減できたという話もあり、環境にも懐にも優しい
製品であると言えます。

また、大変長寿命でもあり、その寿命は最大10万時間ともいわれています。
白熱電球や蛍光灯の寿命は数千時間であることからも、単純な動作時間面でも
圧倒的に優れていますが、他方で電源のON/OFFによる繰り返し動作の影響を
ほとんど受けないことも大きなメリットです。

ここで、LEDの基礎的な仕組みについてお話します。

LED素子はp型半導体とn型半導体を
接合（pn接合と呼びます）することで構成されています。
pn接合に対して順方向電圧を加えると、
p型の正孔はマイナス極に引かれてn型の方に移動し、
対するn型の電子はプラス極に引かれてp型の方に移動します。

ここで、正孔と電子がぶつかり合って結合（再結合と呼びます）することで、
キャリアが元々持っていたエネルギーがより小さくなり、
この際に余ったエネルギーが光に変換されます。
これがLEDの基本的な発光原理です。

また、順方向（+)から電流を流すとLEDは点灯しますが、
逆方向から電流を流してもLEDは点灯しないのも特徴です。
（全く電流が流れないわけではありません。）

ここで、LEDの電流-電圧特性について触れます。
LEDの電流-電圧特性は線形ではなく、
ある一定の電圧まではほとんで電流が流れず、
その一定の電圧を超えると急激に電流が流れるようになっています。

この電圧は順方向電圧Vfと呼ばれ、
通常は製品のデータシートに記載されています。
（青色や白色LEDは3.5V、赤色や緑色LEDは2.1V程度です。）

この特性を知っておくことは非常に重要です。

例えば、発光しなくなってしまったLEDをテスターで確認するとします。
LEDのp型電極側（アノード）にテスターのプラス側プローブを、
n型電極側（カソード）にマイナス側プローブを接続し、
抵抗を測定したとします。

テスターは定電流を接続した回路に印加し、
その際の電圧を抵抗に変換します。
設定レンジやテスターの種類により異なります。
その為、あるテスターで抵抗を測定した際はオーバーレンジになっても、
別のテスターで測定した場合は数MΩを測定できたりと、
結果に大幅なばらつきが生じます。

これは前述した電流-電圧特性によるもので、これを理解しておかないと
抵抗測定により動作確認をしようとすると、
誤った診断をしてしまう可能性があります。

テスターでLEDの状態を確認する場合は、
「ダイオード検査モード」または「導通チェックモード」を
使用することで、確認作業ができます。

　　特に、「ダイオード検査モード」でLEDを検査すると、
　　液晶画面にVfが表示されて、便利です。


大変初歩的な話ではありますが、業務を通して生じた疑問から
原理を学ぶ貴重な機会が得られたなと感じます。
またこの場を借りて、学んだことを発信していきます。

それでは、今回はここまで。
お読みいただきありがとうございました。


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M.H