LED照明の基礎知識
LEDは Light Emitting Diode の略称で、日本語では発光ダイオードと呼ばれています。長寿命で高輝度を確保できる光源のため、家電の表示ランプ、信号機、デジタルカメラの液晶バックライトなどで使われています。
LED照明は即時点灯性が非常に良い照明です。蛍光灯電球は、点灯した瞬間は70％程度の点灯状態であり、数秒後に100％点灯となります。LED照明は点灯した瞬間に100％点灯となります。また、蛍光灯ではオンオフした瞬間の突入電流によりエミッタが消耗し、寿命が約1時間ずつ短くなってしまう特性がありますが、LEDは点滅に強く、頻繁にオンオフしても寿命に影響はありません。
また、LED照明は寿命が非常に長く、白熱電球の40倍、蛍光灯の4倍〜5倍の、40,000時間まで点灯を維持することができます。よって、頻繁なメンテナンスが不要であるため、高所などに設置しても維持管理費を安く抑えることが可能になります。
LED照明は輝度が高いため、光源を直視して使用する信号機などに向いています。しかし、ダウンライトやスポットライトなど、蛍光灯やHIDランプを使用したベース照明用と比較すると、コスト高が続いています。それはLED照明の放熱性能に関係しています。
LED照明の発光原理
LED照明によって白い光を出す方法は、大きく3種類に分かれています。大きく「光の三原色を混光する方法」「近紫外LEDでRGB蛍光体を光らせる方法」「青色LEDで黄色蛍光に光らせる方法」があります。
光の三原色を混光する方法
赤・緑・青の3種類のLEDを点灯し、光の三原色を組み合わせることによって白色を表現する方法です。照射対象物の見え方が不自然になることがあるため、照射用ではなく、光を直接見る用途として使用することが多い方法です。
近紫外LEDでRGB蛍光体を光らせる方法
青色よりも波長が短い、近紫外LEDによって赤・緑・青の3種類のLEDを照射する方法です。綺麗な白色光を得ることが出来ます。
青色LEDで黄色蛍光に光らせる方法
青色LEDの光を黄色の蛍光体に照射することで、白色の光を作り出す方法です。発光効率が高いのが特徴ですが、白色に発光するLEDの色温度は、ランプによってばらつくことがあります。青色発光波長のばらつきと、黄色蛍光体の量のばらつきにより、色温度が一定になりにくいのが原因です。メーカーでは、ばらつきが発生することを注意事項として記載しています。
LED照明の特長
寿命が長い
通常のLED照明は寿命が極めて長く、製品によりますが20,000〜60,000時間とされています。白熱電球が1,000〜3,000時間程度、蛍光灯が9,000〜12,000時間となっているため、既存の照明器具より長期間のランプ交換が不要となります。
LEDの寿命は、ランプが不点灯になった瞬間ではなく、光束が一定値を下回った瞬間を寿命として規定しています。詳細の数値は後述となりますが、理論上は、メーカーが提示する期待寿命より長時間点灯させることができます。ただし、LED照明本体の劣化や、電源ユニットの劣化が進行することになるので、所定の使用時間を超えたLED照明は、交換することが望まれます。
ただし、LED照明の寿命は放熱に大きく左右されますので、設置場所によっては期待寿命を大きく下回ることがあります。照度を高めるにはLED照明の基板に大電流を流し、強く発光させなければならないのですが、この基板への電流は熱になり、うまく熱を逃がすことが出来なければ、これら電子回路が寿命となってしまうことがあります。耐熱温度以上の高温にさらされると、早期の光束低下、素子間を接続している金ワイヤーの断線、素子固定用の銀ペーストの剥離など、不良を発生させる原因となります。
発光効率が良い
LED照明は発光効率が高く、70lm/W以上の高効率器具も開発されるようになりました。高効率蛍光灯や、CDMランプなどのHID照明は現在100lm〜130lmの効率となっていますが、LEDも追従しており、まもなくこれら既存照明器具の効率を追い越すと言われています。
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LED照明の技術開発は著しく、150〜200lm/Wという超高効率なLED照明も開発可能と言われています。発光効率が向上することにより、同一照度を確保するための器具台数を削減することができるため、現在ではメリットの小さい「ベース照度確保」「大光束によるライトアップ」という用途にも適用できると考えられます。
点灯の応答性が良い
LED照明は、電圧を印加した瞬間に明るさを得ることができる応答性の良さが、利点となります。LED照明は白熱電球や放電管のように、熱を利用した発光原理ではなく、電子の正孔再結合による発光原理を用いており、熱を光に変換するという原理ではありません。よって、発光の応答時間が非常に短く、HID照明では不可能な繰り返しオンオフも可能ですし、停電や瞬時電圧低下などによる立ち消えも発生しません。
蛍光灯も、繰り返しオンオフをすることによってエミッタが消耗し、一般に1回のオンオフで1時間は寿命が低減すると言われますが、LED照明ではその心配がなく、オンオフ回数の多い「トイレ」「廊下（センサー制御）」といった用途に適しています。
発熱が少ない
白熱電球や蛍光灯、HID照明などは、熱を光に変換する原理となっていますので、発光面やその全面が非常に熱くなり、高輝度大光束のHID照明などでは離隔距離を1m以上確保しなければならないこともあります。LED照明は、発光面に火傷するような発熱がないため、ランプに触られるおそれがある場所でも、火傷に対する措置を省略することが可能になります。
植栽や外壁のライトアップでは、植栽帯などにスパイクを用いてスポットライトを設置するのが一般的で、高輝度なHID照明ではガラス面が触れないほど熱くなることがあり、植栽への熱の影響、子供などが接触して火傷するなど、多くの点に配慮しなければいけませんでしたが、LED照明はこのような大きな発熱がないため、より安全なライトアップ計画を組み立てる事が可能になります。
寒冷地では、LEDの信号機を採用すると、発熱が少ないことで表面が積雪・凍結し、信号表示が見えなくなるという弊害があります。道路の信号機では、赤・青は点灯時間が長いため凍結防止となりますが、特に黄色信号表示は点灯時間が短いため、ランプ発熱による融雪・解氷が期待できず、表示が見えなくなるおそれがあります。
光出力が周囲温度に影響しない
蛍光灯やHID照明は、低温環境では光束が減少するという特徴がありますが、LED照明は周囲温度にほぼ影響せず、室温が変化しても明るさが変動しません。冷凍庫などマイナス温度となる環境で放電管を使用すると、著しく照度が低下し、本来の光束が40〜50％まで低下してしまいますが、LED照明ではマイナス20度などC級・F級冷蔵庫の環境でも、高い光束を維持することができます。
ただし、高温でも光出力が低下しないといっても、放熱不良や異常発熱による寿命の低下などが懸念されますので、設置場所と寿命についての配慮が重要になります。
LED照明の放熱性能と光束
LEDは熱をあまり出さない光源であり、熱を嫌う照射対象物に対して、有効に光を照射することができます。ショーケース内や、展示品などへ光を照射する場合、白熱電球系のランプでは照射対象への熱の影響が心配されますが、LED照明であれば外への放熱が小さいため、照射対象の熱の影響が非常に小さくなります。
しかし、ランプ面から器具外部には熱をあまり放出しないのですが、LED照明内部では熱が発生しています。LED照明本体は精密機器であるため内部熱に弱く、LEDを高出力にすればするほど、LED照明からの放熱を多くしなければならず、放熱がうまくいかないと寿命が著しく減少します。
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この放熱処理の限界が、LED照明の発光能力の限界と言えます。200Wを超える白熱電球と同等の光を出すLED照明が販売・生産されていますが、相当ワット数が大きくなるほど、LED照明のサイズが大きくなっていきます。放熱効率を改善し、高ワット数のLED照明が製造されていますが、蛍光灯やHIDランプを使用し、特に大光束をもって高い照度を得たい場所では、LEDでは台数が多くなりがちになるため、コストが下がりません。
LEDを使用して高いベース照度を確保しようと考えるのは、現在では非効率的であり、高効率なHf蛍光灯やHIDランプを使用した方が、照度の確保は容易です。LED照明の寿命はこれら放電管よりも2〜3倍ほど長いですが、蛍光灯やHIDランプも12,000〜15,000時間の寿命を持っているため、年間3,000時間の使用でも3〜4年は交換が不要です。
また、セラメタ150W級の超高輝度LEDが照明メーカーから販売されており、高天井で高照度が必要な、店舗建築などでもLED照明が適用出来るようになりましたが、コスト的には増加方向になります。事務所や教室など、Hf蛍光灯を用い均斉度の良いベース照度を確保しなければならないような計画では、LED照明のメリットは大きくありません。
このようにLED照明は、ベース照明としてHf蛍光灯やHIDランプに後れを取っていますが、演出用の照明として非常に優れた特性があり、デザイン照明として非常に幅広く採用されています。また、トイレや廊下など、高照度が不要で台数が多くなりがちな場所や、点滅頻度が多い場所では、LEDを選択することでメリットが生まれます。
LEDの点滅とちらつき
一般家庭や施設に供給されている電源は交流であり、LEDを点灯させるには不向きな電源になっているため、直流電源に変換する必要があります。ここで、交流回路の全波整流を行ない、直流電源に近づけます。
単純に電源を全波整流しただけでは、正負どちらかの方向で、山のような形状の波形をもつ電流すなわち、脈動電流（リプル）となっています。このままでは直流電流として利用するには不向きで、LED照明が100Hz〜120Hzの周波でオンオフを繰り返してしまいます。従来のFL照明では、蛍光灯に向けて手をかざして振ると残像が残る現象が発生しますが、同様の状態となります。
そこで、全波整流後の回路に平滑回路を併設し、脈流を小さくします。完全な平坦にすることは困難で、若干の脈動電流が残りますが。ここで、チョークコイルなどの安定器をさらに通すことで、リプルがほぼ完全に除去され、直流電源として利用できるようになります。平滑回路を持つLED照明では、機器の故障や寿命に至るまでちらつきが発生することがありませんので、高品位な照明環境を得ることが出来ます。
既存の蛍光灯器具をリニューアルする場合、安定器を切り離し、ソケットや電源回路をそのまま利用する方法がありますが、LED照明に整流回路と平滑回路が有り、交換によってちらつきが発生しないことを確認するのが重要です。特に、既存照明にHf蛍光灯を使用している場合、そもそもがほとんどちらつかない照明環境ですから、LED照明に変更したことによるちらつきを、顕著に感じてしまうことがあります。
LEDの寿命
LED照明の寿命は、LEDモジュールが劣化し、所定の点灯性能を満足しなしなった瞬間を示しています。日本照明器具工業会で定義されていますが、「LEDモジュールが点灯しなくなるまでの総点灯時間」または「全光束が点灯初期に計測した値の70％以下に下がるまでの総点灯時間」のいずれかのうち短い時間を推定したものとされています。
この考え方は、ベース照明等で使用されるLED照明に適用するものであり、カラーLEDなど、装飾用に使用するLED照明の場合は、光束維持率50％が寿命となります。カラーLEDの場合、赤・緑・青を混色してカラー演出を行いますので、すべてのLEDが100％点灯し続けるような状況は少ないと考えられます。
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よって、カラーLED3色を50％点灯した状態、2色を100％点灯した場合など、使用条件を緩和した状態で連続使用したとき、劣化の速い色の光束が、初期点灯時の50％に下がるまでの点灯時間が、カラーLEDの寿命として規定されています。
熱によるLEDの寿命低下
LEDは熱に弱いため、高温の場所に取付されると寿命が短くなります。放熱を高めるため、器具の上部にダクトやグラスウールを密接させないことや、発光面と被照射物の間に適正離隔を確保するなど、施工時にも注意が必要です。天井内にグラスウールなどを敷き込むブローイング工法やマット敷工法を採用した天井裏では、S型ダウンライトを選定しなければいけません。
放熱が悪く、LEDに熱が蓄積されてしまう状態では、正規の寿命を確保できなくなり、半分以下の時間でランプが不点灯になってしまったり、光束の減少を引き起こすことになりますので、建築計画を確認し、適性な器具を選定しましょう。
LED照明の電気代
LED照明は、電球形蛍光灯よりも消費電力を小さく抑えることをメリットとして、普及が進んでいる照明です。ただし、白熱電球から小交換した場合は多くのメリットがありますが、電球形蛍光灯からの交換は、LEDの優位性は未だ確立していないのが現状です。
白熱電球60WとLED電球60W形を比較します。60Wの消費電力を持つ白熱電球は、1kWhを24円とした場合、1時間あたり1.44円の電気代が掛かります。毎日5時間点灯した場合、7.2円の電気代になります。1ヶ月では216円、1年では2,628円です。この間、ランプ交換は回実施されると考えられます。
対して60W形のLED電球は、6.0W程度の消費電力です。概ね1/10の消費電力になりますので、毎日5時間点灯した場合、0.72円の電気代になります。1ヶ月では21.6円、1年では262.8円です。
LED電球1個あたり、3,000円〜4,000円が相場なので、2年もあれば減価償却し、LED電球を導入するために支払った金額については、元を取ることが可能です。
ただし、LED照明は電気部品を数多く搭載しているため、異常発熱、振動、衝撃などで故障することが考えられます。白熱電球は単価が低く、故障しても交換が容易で、機器本体の故障によるロスを限りなく小さく見積ることができます。LED照明は機器本体が高価であり、地震などの天災、引越しなどの振動衝撃で故障するおそれがあり、長期間運用する場合のリスクを考慮することも重要です。
LED照明と白熱電球の比較
LED照明と白熱電球を比較した場合、ほとんどの項目でLED照明が優勢です。発熱量が小さく、消費電力を小さく抑えることができ、輝度も高く光束も豊富です。ランプ寿命については、40倍以上の差があります。
白熱電球が優勢なのは、演色性の高さです。演色性は、照射対象本来の色を忠実に再現できるかを表したもので、演色評価数（Ra）で評価します。LED照明の場合、一般器具では70〜80前後、高演色性器具でも90前後です。
白熱電球は、演色評価数は100ですので、照射対象本来の色を忠実に表現することができます。しかし今後、LED照明の高性能化により、限りなく100に近づいていくことが予想されますので、この差についても無くなっていくと思われます。
LED照明と蛍光灯の比較
LED照明と蛍光灯を比較した場合、発光効率が均衡しているため、イニシャルコストの高さからLEDが劣勢です。LEDは開発が進み、100[lm/W] 〜 110[lm/W] という高効率な器具が販売されるようになっていますが、広く普及しているHf蛍光灯も同様に100[lm/W]程度の効率があるため、イニシャルコストがそのままコスト差になります。消費電力が同じであれば、減価償却という考え方に及ぶことができません。
寿命はLEDの方が3倍ほど長いため、ランプ交換の手間が省略できるというメリットがありますが、ランプ交換費は1本あたり100円程度で計上していきますので、7〜8年の間に3回のランプ交換が発生したとしても、誤差程度の金額にしかなりません。
LED照明が蛍光灯よりも有利に働くのは、部屋の規模の割に照明台数が大きくなってしまい、点滅頻度が高くなりがちな「トイレ」が考えられます。人感センサーなどを利用し、人がいない時間帯は照明を自動で消すという制御が主流ですが、頻繁に点滅を繰り返す場合、1回の点滅によって寿命が1時間ずつ短くなると言われますので、LED照明を使用することによって、照明器具の寿命を最大限に期待することができます。
また、FHTダウンライトは効率が60〜70[lm/W]と、少々低めですから、100[lm/W]の高効率なLED照明を採用することで、減価償却を考慮してもメリットを享受することができます。
LED照明の重量
LEDダウンライトは、大光束を得るため放熱機構が大きくなりますので、蛍光灯ダウンライトの2〜3倍の重さになります。通常、蛍光灯ダウンライトの本体重量は0.7kg〜0.8kg程度ですが、LEDダウンライトの重量は1.3kg〜1.5kgになります。天井補強を十分に行い、天井が損傷しないよう注意しましょう。
LED照明とネオン照明の比較
カラー演出の性能
LED照明がその特性を発揮できるのは、サイン照明や演出照明などで使用する場合です。従来のサイン照明は、高圧ネオン管を使用して各種カラーの光を演出していました。光で描く文字などは、ネオン管を曲げ加工して製作しています。ネオン管はガラス管であり、物理的な衝撃には非常に弱い材質です。各種カラーを出すことができますが、一度決めた色から自由に変更するようなことはできません。
対してLED照明は、単色の製品以外に赤・青・緑など各種カラーによる表現ができる製品があり、コンピュータを使用したり、自動制御を組込むことで、自由なフルカラー演出を行うこともできます。また、LED単体は超小型ですので、文字状に配置すれば光文字を描くことも容易です。さらにLEDは輝度が高いため、直接光源を視認できるようにすれば、サインとしての視認性、誘目性も良好です。
LEDの高性能化に伴い、多くの場合LED照明を使用したサイン照明が選択されていますが、ネオン管を使用したサイン照明がコスト的に割安な場合もあり、予算の関係上でネオン管が選択されることもあります。
LED照明とネオンの保守管理性の違い
ネオン管はその特性上、高圧の電圧を発生させて光を得ます。所轄消防への届出が不要な、低圧ネオン管も使用されていますが、それでも数百ボルトの電圧が必要となり、一般照明と違い安全面に配慮した管理が必要になります。また消費電力が大きいため、専用電灯盤や専用回路の敷設が必須となり、ランニングコストだけでなくイニシャルコストの増大も見込まれます。ネオン管は寿命が比較的長く、30,000時間程度は点灯を維持できますが、コストアップは避けたいところです。
対して、LED照明は100Vや24Vなど比較的低電圧で動作するため、一般照明と同等の安全性を持っています。また、高電圧部分がないため保守管理が容易です。消費電力もネオンの数分の一で済むため、既存の照明回路からの分岐で計画することが可能な場合が多く、配線計画の汎用性が高まります。寿命はネオン管よりも長く、40,000時間以上は点灯を維持できます。
LED照明は、ベース照明用途よりも、サイン照明用途として使用する場合に多くの利点があります。例えば、フルカラーで色を変えたり、光の誘目性を高めたりという用途では、非常に優れた特性を持っています。使用場所と制御を工夫し、最大の性能を発揮できる計画を行うように配慮するのが良いでしょう。
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