1 世紀以上前の白熱灯の発明は、人工照明に革命をもたらしました。 現在、私たちはSSLによって実現されるデジタル照明革命を目の当たりにしています。 半導体ベースの照明は、前例のないデザイン、性能、経済的メリットをもたらすだけでなく、これまで非現実的だと考えられていた数多くの新しい用途や価値提案も可能にします。 これらの利点を活用することで得られる利益は、LED システムの導入にかかる比較的高額な初期費用を大幅に上回りますが、市場では依然としてこの費用に対して躊躇があります。
1. エネルギー効率
LED 照明への移行を正当化する主な理由の 1 つはエネルギー効率です。 過去 10 年間で、蛍光体変換白色 LED パッケージの発光効率は 85 lm/W から 200 lm/W 以上に増加しました。これは、標準動作電流での電気から光への電力変換効率 (PCE) が 60 パーセント以上に相当します。密度35A/cm2。 InGaN青色LED、蛍光体(効率と波長は人間の目の反応に一致する)、およびパッケージ(光散乱/吸収)の効率が向上しているにもかかわらず、米国エネルギー省(DOE)は、PC-LEDにはまだ余裕があると述べています。青色ポンプ LED では、効率の向上と約 255 lm/W の発光効率が実際に可能となるはずです。 高い発光効率は、白熱灯 (最大 20 lm/W)、ハロゲン (最大 22 lm/W)、リニア蛍光灯 (65-104 lm/W)、コンパクト蛍光灯などの従来の光源に比べて LED の圧倒的な利点であることは疑いの余地がありません。 （46-87 lm/W）、誘導蛍光（70-90 lm/W）、水銀蒸気（60-60 lm/W）、高圧ナトリウム（70-140 lm/W） 、石英メタルハライド（64-110 lm/W）、およびセラミックメタルハライド（80-120 lm/W）。
2. 光配信効率
光源効率の大幅な改善以外に、LED 照明で高い照明器具の光学効率を達成できる機能は一般消費者にはあまり知られていませんが、照明設計者の間では非常に望まれています。 光源から発せられた光をターゲットに効果的に届けることは、業界における設計上の大きな課題となっています。 従来の電球型ランプは全方向に光を放射します。 これにより、ランプによって生成される光束の多くが照明器具内に（反射板や拡散板などによって）閉じ込められたり、照明器具から意図した用途に役に立たない方向や単に目に不快な方向に漏れたりします。 メタルハライドや高圧ナトリウムなどの HID 照明器具は、一般に、ランプによって生成された光を照明器具の外に導く効率が約 60% ～ 85% です。 蛍光灯やハロゲン光源を使用する埋め込み型ダウンライトやトロッファーでは、40-50 パーセントの光損失が発生することは珍しくありません。 LED 照明の指向性の性質により、光を効果的に届けることができ、LED のコンパクトなフォームファクタにより、複合レンズを使用して光束を効率的に制御できます。 適切に設計された LED 照明システムは、90 パーセントを超える光学効率を実現できます。
3. 照度の均一性
均一な照明は、屋内環境および屋外エリア/道路照明設計における最優先事項の 1 つです。 均一性は、領域全体にわたる照度の関係の尺度です。 適切な照明により、タスクの表面または領域に入射するルーメンが均一に分布する必要があります。 不均一な照明によって生じる極端な輝度差は、視覚疲労を引き起こし、作業パフォーマンスに影響を与え、さらには輝度差のある表面間で目が適応する必要があるため、安全性への懸念さえ生じる可能性があります。 明るく照らされた領域から非常に異なる輝度の領域に移行すると、一時的に視力が低下します。これは、車両の通行が伴う屋外用途では安全性に大きな影響を及ぼします。 大規模な屋内施設では、均一な照明により高い視覚的快適性が実現され、作業場所の柔軟性が可能になり、照明器具の再配置の必要がなくなります。 これは、照明器具の移動に多大な費用と不便が伴う高層の工業施設や商業施設で特に有益です。 HID ランプを使用した照明器具は、照明器具から離れた領域に比べて、照明器具の直下の照度がはるかに高くなります。 これにより、均一性が低下します (通常、最大/最小比 6:1)。 照明設計者は、照度の均一性が最小限の設計要件を満たしていることを確認するために、器具の密度を高める必要があります。 対照的に、小型 LED のアレイから作成された大きな発光面 (LES) は、最大/最小比 3:1 未満の均一性の配光を生成します。これにより、視覚条件が大幅に減少するだけでなく、視覚条件も大幅に削減されます。タスクエリア上のインストールの数。
4. 指向性照明
LED は、その指向性放射パターンと高い光束密度により、本質的に指向性照明に適しています。 指向性照明器具は、光源から放射された光を指向性ビームに集中させ、照明器具からターゲット領域まで中断されることなく進みます。 狭く焦点を絞った光線は、コントラストを利用して重要な階層を作成し、選択した特徴を背景から飛び出させ、オブジェクトに興味と感情的な魅力を加えるために使用されます。 スポットライトやフラッドライトなどの指向性照明器具は、デザイン要素の目立ちやすさを高めたり強調したりするためのアクセント照明用途で広く使用されています。 指向性照明は、要求の厳しい視覚作業を達成したり、長距離照明を提供したりするために強力なビームが必要な用途にも使用されます。 この目的に役立つ製品には、懐中電灯、サーチライト、フォロースポット、車両運転灯、スタジアム投光器などが含まれます。LED 照明器具は、高度なドラマのために非常に明確に定義された「ハード」ビームを作成するかどうかにかかわらず、その光出力に十分なパンチを詰め込むことができます。 COB LED を使用するか、高出力 LED を使用して遠くまで長いビームを照射します。
5. スペクトルエンジニアリング
LED テクノロジーは、光源のスペクトルパワー分布 (SPD) を制御する新しい機能を提供します。これは、光の構成をさまざまな用途に合わせて調整できることを意味します。 スペクトル制御機能により、特定の人間の視覚的、生理学的、心理的、植物の光受容体、さらには半導体検出器 (つまり HD カメラ) の反応、またはそのような反応の組み合わせに作用するように、照明製品のスペクトルを設計することができます。 高いスペクトル効率は、所望の波長を最大化し、特定の用途に対してスペクトルの有害な部分または不必要な部分を除去または削減することによって達成できます。 白色光アプリケーションでは、LED の SPD を規定の色再現性と相関色温度 (CCT) に合わせて最適化できます。 マルチチャンネル、マルチエミッタ設計により、LED 照明器具によって生成される色をアクティブかつ正確に制御できます。 光の全スペクトルを生成できる RGB、RGBA、または RGBW のカラー混合システムは、デザイナーや建築家に無限の美的可能性を生み出します。 ダイナミック ホワイト システムは、マルチ CCT LED を利用して、調光時に白熱灯の色特性を模倣する温かみのある調光を提供したり、色温度と光強度の両方を独立して制御できる調整可能な白色照明を提供したりできます。 調整可能な白色 LED 技術に基づく人間中心の照明は、最新の照明技術開発の多くを支える推進力の 1 つです。
6. オン/オフ切り替え
LED はほぼ瞬時に最大の明るさで点灯し (1 桁から数十ナノ秒)、オフ時間は数十ナノ秒です。 対照的に、電球型蛍光灯のウォームアップ時間、つまり電球が最大の光出力に達するまでにかかる時間は、最大 3 分かかる場合があります。 HID ランプは、使用可能な光を提供する前に数分間のウォームアップ期間を必要とします。 ホットリストライクは、かつて産業施設、スタジアム、アリーナの高天井照明や高出力投光照明に使用されていた主要技術であったメタルハライドランプの初期始動よりもはるかに大きな懸念事項です。 メタルハライド照明のホット再点灯プロセスには最大 20 分かかるため、メタルハライド照明を備えた施設で停電が発生すると、安全性とセキュリティが損なわれる可能性があります。 瞬時の起動とホット リストライクにより、LED が独自の位置に配置され、多くのタスクを効果的に実行できます。 一般的な照明アプリケーションだけが LED の短い応答時間から大きな恩恵を受けるだけでなく、幅広い特殊アプリケーションでもこの機能が活用されています。 たとえば、LED ライトは交通カメラと同期して動作し、移動車両を撮影するために断続的な照明を提供する場合があります。 LED は白熱灯よりも 140 ～ 200 ミリ秒早く点灯します。 反応時間の利点は、LED ブレーキ ライトが白熱灯よりも後面衝突の防止に効果的であることを示唆しています。 スイッチング動作における LED のもう 1 つの利点は、スイッチング サイクルです。 LED の寿命は、頻繁なスイッチングによって影響を受けません。 一般的な照明アプリケーション用の一般的な LED ドライバーの定格は 50、000 スイッチング サイクルですが、高性能 LED ドライバーが 100、000、200、000、さらには 100 万回にも耐えることはまれです。切り替えサイクル。 LED の寿命は、急速なサイクル (高周波スイッチング) の影響を受けません。 この機能により、LED ライトは動的照明や、占有センサーや昼光センサーなどの照明制御との併用に適しています。 一方、白熱灯、HID、蛍光灯は頻繁にオン/オフを繰り返すと寿命が短くなる可能性があります。 これらの光源は通常、定格寿命にわたってスイッチング サイクルが数千回しかありません。
7. 調光機能
LED は非常に動的な方法で光出力を生成できるため、調光制御に最適ですが、蛍光灯や HID ランプは調光にあまり反応しません。 蛍光灯を調光するには、ガスの励起と電圧の状態を維持するために、高価で大規模で複雑な回路を使用する必要があります。 HID ランプを調光すると、寿命が短くなり、ランプの早期故障につながります。 メタルハライドランプと高圧ナトリウムランプは、定格電力の 50 パーセント未満に調光することはできません。 また、調光信号に対する応答も LED よりも大幅に遅くなります。 LED の調光は、定電流低減 (CCR) (アナログ調光としてよく知られています) によって行うことも、パルス幅変調 (PWM) を LED に適用すること (別名デジタル調光) によって行うこともできます。 アナログ調光は、LED に流れる駆動電流を制御します。 これは一般照明用途で最も広く使用されている調光ソリューションですが、LED は非常に低い電流 (10% 未満) では十分に機能しない可能性があります。 PWM 調光は、パルス幅変調のデューティ サイクルを変化させて、100 パーセントから 0 パーセントまでの全範囲にわたって出力の平均値を作成します。 LED の調光制御により、照明を人間のニーズに合わせて調整し、エネルギーを最大限に節約し、色の混合と CCT 調整を可能にし、LED の寿命を延ばすことができます。
8. コントロール性
LED のデジタル的な性質により、センサー、プロセッサー、コントローラー、ネットワーク インターフェイスの照明システムへのシームレスな統合が促進され、動的照明やアダプティブ照明から次に IoT がもたらすものまで、さまざまなインテリジェント照明戦略を実装できます。 LED 照明のダイナミックな側面は、単純な色の変化から、数百または数千の個別に制御可能な照明ノードにわたる複雑なライト ショー、および LED マトリックス システムで表示するためのビデオ コンテンツの複雑な変換まで多岐にわたります。 SSL テクノロジは、接続された照明ソリューションの大規模なエコシステムの中心であり、日光収集、占有検知、時間制御、組み込みプログラマビリティ、およびネットワーク接続デバイスを活用して、照明のさまざまな側面を制御、自動化、最適化できます。 照明制御を IP ベースのネットワークに移行すると、センサーを搭載したインテリジェントな照明システムが IoT ネットワーク内の他のデバイスと相互運用できるようになります。 これにより、LED 照明システムの価値を高める幅広い新しいサービス、メリット、機能、収益源を生み出す可能性が開かれます。 LED 照明システムの制御は、0-10V、DALI、DMX512、DMX-RDM などの照明制御プロトコル、BACnet、LON、KNX などのビルディング オートメーション プロトコルなど、さまざまな有線および無線通信プロトコルを使用して実装できます。 EnOcean、およびますます人気が高まっているメッシュ アーキテクチャ (ZigBee、Z-Wave、Bluetooth Mesh、Thread など) に展開されるプロトコル。
9. 設計の柔軟性
LED はサイズが小さいため、器具設計者は光源をさまざまな用途に適した形状とサイズに作成できます。 この物理的特性により、デザイナーはより自由にデザイン哲学を表現したり、ブランド アイデンティティを構成したりできるようになります。 光源の直接統合によってもたらされる柔軟性により、形状と機能が完全に融合した照明製品を作成する可能性が得られます。 LED 照明器具は、装飾的な焦点が要求される用途向けに、デザインとアートの間の境界を曖昧にするように作成できます。 また、高レベルのアーキテクチャ統合をサポートし、あらゆる設計構成に溶け込むように設計することもできます。 ソリッドステート照明は、他の分野でも新しいデザイントレンドを推進します。 独自のスタイリングの可能性により、自動車メーカーは車に魅力的な外観を与える独特のヘッドライトやテールライトを設計できます。
10. 耐久性
LED は、フィラメントやガスを利用して光を生成する従来の白熱灯、ハロゲン、蛍光灯、HID ランプのように、ガラス球やガラス管からではなく、半導体ブロックから光を放射します。 ソリッド ステート デバイスは通常、メタル コア プリント基板 (MCPCB) に実装され、接続は通常はんだ付けされたリード線によって行われます。 壊れやすいガラス、可動部品、フィラメントの破損がないため、LED 照明システムは衝撃、振動、摩耗に対して非常に耐性があります。 LED 照明システムのソリッドステート耐久性は、さまざまな用途において明らかな価値を持っています。 産業施設内では、照明が大型機械による過度の振動を受ける場所があります。 道路やトンネルの脇に設置された照明器具は、高速で通過する大型車両によって引き起こされる繰り返しの振動に耐えなければなりません。 建設車両、鉱山車両、農業車両、機械や設備に取り付けられた作業灯の通常の稼働日は振動によって構成されます。 懐中電灯やキャンプ用ランタンなどの携帯用照明器具は、落下の衝撃を受けることがよくあります。 壊れたランプが乗員に危険をもたらす用途も数多くあります。 これらすべての課題には堅牢な照明ソリューションが必要であり、それがまさにソリッド ステート照明が提供できるものです。
11. 製品寿命
長寿命は LED 照明の最大の利点の 1 つとして際立っていますが、純粋に LED パッケージ (光源) の寿命指標に基づいて長寿命を主張するのは誤解を招く可能性があります。 LED パッケージ、LED ランプ、または LED 照明器具 (照明器具) の耐用年数は、光束出力が初期出力の 70%、つまり L70 に低下した時点としてよく引用されます。 通常、LED (LED パッケージ) の L70 寿命は 30,{4}} から 100,000 時間 (Ta=85 度で) です。 ただし、TM-21 法を使用して LED パッケージの L70 寿命を予測するために使用される LM-80 測定は、適切に制御された動作条件 (温度制御された環境など) で LED パッケージが連続的に動作している状態で行われます。一定の DC 駆動電流が供給されます)。 対照的に、実際のアプリケーションにおける LED システムは、多くの場合、より高い電気的過負荷、より高い接合温度、より過酷な環境条件という課題にさらされます。 LED システムでは、ルーメンの維持が加速されたり、完全に早期に故障したりする可能性があります。 一般に、LED ランプ (電球、チューブ) の L70 寿命は 10,{14}} から 25,000 時間であり、一体型 LED 照明器具 (ハイベイライト、街路灯、ダウンライトなど) の寿命は 30,000 時間です。 000 時間と 60,000 時間。 従来の照明製品との比較 - 白熱灯 (750-2、000 時間)、ハロゲン (3、000-4、000 時間)、電球形蛍光灯 (8、000-10 時間) 、000 時間）、メタルハライド（7、500-25、000 時間）の LED システム、特に一体型照明器具は、耐用年数が大幅に長くなります。 LED ライトは事実上メンテナンスを必要としないため、LED ライトの長い寿命にわたる使用による大幅なエネルギー節約と合わせてメンテナンス コストの削減が、高い投資収益率 (ROI) の基盤となります。
12. 光生物学的安全性
LED は光生物学的に安全な光源です。 これらは赤外線 (IR) 放射を発生せず、無視できる量の紫外線 (UV) 光 (5 uW/lm 未満) を放射します。 白熱灯、蛍光灯、メタルハライドランプは、それぞれ消費電力の 73%、37%、17% を赤外線エネルギーに変換します。 また、白熱灯 (70-80 uW/lm)、電球型蛍光灯 (30-100 uW/lm)、金属ハロゲン化物 (160-700 uW/lm) など、電磁スペクトルの紫外領域でも放射します。 。 UV または IR 光を発する光源は、強度が十分に高いと、皮膚や目に光生物学的危険を引き起こす可能性があります。 紫外線にさらされると、白内障 (通常は透明な水晶体の曇り) や光角膜炎 (角膜の炎症) を引き起こす可能性があります。 高レベルの IR 放射に短時間曝露すると、目の網膜に熱損傷を引き起こす可能性があります。 高線量の赤外線に長期間曝露すると、吹きガラス白内障を引き起こす可能性があります。 従来の外科用タスクライトや歯科手術用ライトは白熱光源を使用して色再現性の高い光を生成するため、白熱照明システムによって引き起こされる熱的不快感は医療業界で長い間悩まされてきました。 これらの照明器具によって生成される高強度のビームは、患者に非常に不快感を与える可能性のある大量の熱エネルギーを供給します。
必然的に、光生物学的安全性の議論では、主に 400 nm ～ 500 nm の波長での放射線曝露によって生じる網膜の光化学的損傷を指す青色光の危険性に焦点が当てられることがよくあります。 よくある誤解は、ほとんどの蛍光体変換白色 LED は青色 LED ポンプを利用しているため、LED は青色光の危険を引き起こす可能性が高いということです。 DOE と IES は、青色光の危険性に関して、LED 製品は同じ色温度を持つ他の光源と変わらないことを明らかにしています。 蛍光体変換 LED は、厳しい評価基準の下でもそのようなリスクはありません。
13. 放射線の影響
LED は、約 400 nm ～ 700 nm の電磁スペクトルの可視部分内でのみ放射エネルギーを生成します。 このスペクトル特性により、可視光スペクトル外の放射エネルギーを生成する光源に比べて、LED ライトに貴重なアプリケーション上の利点が与えられます。 従来の光源からの UV および IR 放射は、光生物学的危険を引き起こすだけでなく、材料の劣化にもつながります。 UV スペクトル帯域の放射線の光子エネルギーは、直接結合の切断や光酸化経路を引き起こすのに十分なほど高いため、UV 放射線は有機材料に極めて大きなダメージを与えます。 その結果生じる発色団の破壊または破壊は、材料の劣化や変色につながる可能性があります。 美術館用途では、美術品への不可逆的な損傷を最小限に抑えるために、75 uW/lm を超える UV を発生するすべての光源をフィルターする必要があります。 IR は、UV 放射によって引き起こされるのと同じタイプの光化学的損傷を引き起こしませんが、それでも損傷に寄与する可能性があります。 物体の表面温度が上昇すると、化学活動が加速され、物理的変化が生じる可能性があります。 高強度の赤外線放射は、表面硬化、塗装の変色やひび割れ、化粧品の劣化、野菜や果物の乾燥、チョコレートや菓子の溶解などを引き起こす可能性があります。
14. 火災および爆発に対する安全性
LED は半導体パッケージ内のエレクトロルミネッセンスを通じて電力を電磁放射に変換するため、火災や爆発の危険は LED 照明システムの特徴ではありません。 これは、タングステン フィラメントを加熱したり、ガス媒体を励起したりして光を生成する従来の技術とは対照的です。 故障や誤った操作により、火災や爆発が発生する可能性があります。 メタルハライドランプは、石英発光管が高圧 (520 ～ 3,100 kPa) および非常に高温 (900 ～ 1,100 度) で動作するため、特に爆発の危険性が高くなります。 ランプの寿命末期状態、安定器の故障、または不適切なランプと安定器の組み合わせの使用によって引き起こされる非受動的発光管の故障は、メタルハライド ランプの外管の破損を引き起こす可能性があります。 熱い石英の破片は、可燃性物質、可燃性粉塵、または爆発性ガス/蒸気に発火する可能性があります。
15. 可視光通信（VLC）
LED は、人間の目で検出できるよりも速い周波数でオン/オフを切り替えることができます。 この目に見えないオン/オフの切り替え機能により、照明製品の新しい用途が開かれます。 LiFi (Light Fidelity) テクノロジーは、無線通信業界で大きな注目を集めています。 LED の「オン」および「オフ」シーケンスを利用してデータを送信します。 電波を使用する現在の無線通信技術 (Wi-Fi、IrDA、Bluetooth など) と比較して、LiFi は 1,000 倍広い帯域幅と大幅に高い伝送速度を約束します。 LiFi は、照明が遍在しているため、魅力的な IoT アプリケーションとみなされています。 ドライバーがストリーミング コンテンツをデジタル信号に変換できる限り、すべての LED ライトをワイヤレス データ通信用の光アクセス ポイントとして使用できます。
16. 直流照明
LED は低電圧の電流駆動デバイスです。 この性質により、LED 照明は低電圧の直流 (DC) 配電網を活用することができます。 独立して動作することも、標準的な電力網と連携して動作することもできる DC マイクログリッド システムへの関心が高まっています。 これらの小規模送電網は、再生可能エネルギー発電機 (太陽光、風力、燃料電池など) とのインターフェースを改善します。 ローカルで利用可能な DC 電源により、大幅なエネルギー損失を伴い、AC 電源 LED システムの一般的な障害点となる機器レベルの AC-DC 電力変換が不要になります。 高効率 LED 照明により、充電式バッテリーやエネルギー貯蔵システムの自律性が向上します。 IP ベースのネットワーク通信が勢いを増すにつれて、Power over Ethernet (PoE) が、イーサネット データを配信するのと同じケーブルを介して低電圧 DC 電力を配信する低電力マイクログリッド オプションとして浮上しました。 LED 照明には、PoE 設置の長所を活用する明らかな利点があります。
17. 低温動作
LED照明は低温環境に優れています。 LED は、半導体ダイオードが電気的にバイアスされると活性化されるエレクトロルミネッセンスの注入によって電力を光パワーに変換します。 この起動プロセスは温度に依存しません。 周囲温度が低いと、LED から発生する廃熱の放散が促進され、LED の熱ドループ (高温時の光出力の低下) が軽減されます。 対照的に、低温での動作は蛍光ランプにとって大きな課題です。 寒い環境で蛍光ランプを始動するには、電気アークを開始するために高電圧が必要です。 蛍光灯は氷点下の温度でも定格光出力のかなりの量を失いますが、LED ライトは、-50 度までの低温環境でも最高のパフォーマンスを発揮します。 したがって、LED ライトは冷凍庫、冷蔵庫、冷蔵施設、屋外用途での使用に最適です。
18. 環境への影響
LED ライトは、従来の光源に比べて環境への影響が著しく少なくなります。 エネルギー消費が少ないということは、炭素排出量が少ないということになります。 LED には水銀が含まれていないため、寿命末期における環境問題の発生が少なくなります。 比較すると、水銀を含む蛍光灯や HID ランプの廃棄には、厳格な廃棄物処理手順が必要です。
