LED素子を使った照明のDIY～アマゾンで部品を選ぶ

アマゾンで購入したLED照明用の部品

常夜点灯している玄関灯の蛍光ランプが切れたのを機に、この器具をLED照明に改造することを思い立ちました。アマゾンで中国製のLEDチップやLEDドライブ用電源が超格安で売られていますが、説明が不十分でどう使えばいいのか非常にわかりにくい。そこで少し調査して整理してみました。

- わかりにくい要因

LEDとは
LEDの使い方
- - LEDは電流で駆動する
  - LED駆動用定電流ドライバー
アマゾンで販売されているチップLEDとドライバー電源
- - LEDチップ、ユニット
  - AC入力LEDドライバー
組み合わせ例
LEDの取り付け法
購入と制作

わかりにくい要因

理解を難しくしているのは次の2つの要因があります。

記載の電気的なスペックの意味が曖昧

販売ページに記載されているわずかの情報だけだとそのスペック値の前提条件がわからない。販売商品の品番が明記されておらず、別途その詳細スペックを調査することもできないので、どういう意味でのスペックなのかを類推判断するしかないのです。

例えば同じ10Wとかあっても消費電力であったり、熱損失であったりその意味するところ、前提条件が明示されていません。一般的には

部品は最大負荷電力を表す事が多い
例えば規定環境（周囲環境20℃で理想的な放熱板に取り付けた状態）における部品が壊れないことを保証できる最大値
製品もしくはユニットは一般的環境に於ける実用値を表すことが多い
例えば0℃～40℃の雰囲気中において実際的な放熱板に取り付けた場合の実用値

LEDが電流ドライブ型の素子であること

もう一つの理解されにくい理由はLED素子の特性にあります。LEDは所定の電圧をかけるのではなく所定の電流を流すように使う必要があります。詳しくは次項以下で述べます。

LEDとは

まず、LEDに関する知識を簡単にまとめておきます。

LEDは発光ダイオード

発光原理

LED（Light Emission Diode）はダイオード特性（一方向にだけ電流が流れる）をもつ半導体の一種で、順方向に電流を流すと発光するものです。発光原理をやさしく説明するのは難しく、かくいう私だって正確には理解していません。（電子回路は得意だったが半導体物理は苦手でした）

発光効率

近年LEDが照明の主役になってきたのは発光効率（消費電力のうち何パーセントが光になるか）が70-90%と高いからです。これは大まかに言って白熱電球の10倍、蛍光灯の２倍です。

光にならなかった電力エネルギーは熱になります、白熱電球は熱いのにLED電球はそれほど熱くならないわけです。

LEDで白色照明を実現する原理

LED自体は赤、緑、青など特定の単色で発光し、白色ではありません。開発当初は難しかった青色LEDが実用化されてLEDで白色照明ができるようになりました。２つのタイプがあります。

３原色LEDタイプ

光の３原色である赤、緑、青のLEDで白色光を作る方法です。色再現性に優れますが、構成が複雑になりコストが高くなります。

青色LED＋黄色蛍光体

青の光によって周辺の黄色の蛍光体を励起し、両者の混合により白色光を作るものです。アマゾンで売っている黄色のチップLEDはこのタイプです。

安価ですが、色再現性に劣ることが多いので写真撮影などで色再現が必要な時には注意が必要です。

また蛍光体は紫外線により劣化し易いので、屋外で使用する器具では対策が必要です。

LEDの電圧電流特性

LEDの動作電圧は非常に微妙で僅かな電圧の変化で電流が大きく変化します。しかも個体によるバラツキや温度ドリフトがあるため、白熱電球のように「何ボルトで発光させる」ということは不適切になります。

LEDの発光量は電圧にではなく電流に比例しますので、安定して所定の発光量を得るには動作電流を制御して電源供給する必要があるのです。以下詳しく述べます。

LEDの使い方

LEDは電流で駆動する

電圧源でそのままドライブはNG

LEDの電圧-電流特性は、少しの電圧変化で大きく電流が変化し、その電圧もバラつきと温度特性があります。そのため電圧源でそのままLEDをドライブすると固体バラツキにより暗かったり、逆に電流が流れ過ぎ、更に発熱により電流が増加する熱暴走が発生し、ついにLED素子が破壊に至ることがあります。

直列に抵抗を入れて電流を制限するのは簡易法

その対策として回路に直列に抵抗を入れて電流を制限する方法がありますが、せっかく発光効率が良いLEDを使っているのに、制限抵抗が消費する電力が無駄になります。

LED駆動の理想は定電流ドライバー

所定輝度を安定して得るには、特定の電圧を供給するのではなく、所定の動作電流になるように電源供給するのが理想です。定電流ドライバーです。電圧はLEDの特性により結果的に決まります。

LED駆動用定電流ドライバー

SODIAL(R)LEDドライバー 8-12W（ここをクリックでアマゾンへ）

AC入力のLED駆動用のドライバーが販売されています。

一例を上げると右の商品の場合、スペックが

8-12×1W
I/P：85V-265V　50-60HZ
O/P：20-40v　300mA

と記載されています。

これを読み解くと

8～12WのLED1個用

入力はAC85~265V、50~60Hzの範囲であること

出力電流は300mA。ただし動作時の電圧が20~40Vの負荷（LED）を使った場合

という意味になります。

無負荷時に高い電圧が発生するのは正常

通常の電源は一定の電圧を供給する定電圧電源であり、定電流電源はなじみが薄く理解されにくいですね。そのため、例えばLEDドライバーの購入者の

「出力電圧を測ってみたら、スペックより大幅に高い不良品だった」（アマゾンでの評価）

というような書き込みが見受けられます。おそらく無負荷で測っているためと思われます。

無負荷の場合電流ゼロですが、ドライバー（定電流電源）はそれでも電流を流そうと能力一杯の電圧を発生します。そのため動作スペックの１.５倍とかの高い電圧になるのは正常なのです。

ドライバー販売ページに電流スペックの記載がないことがある

販売ページを作る人も知識がないのでしょうか、LEDドライバーの電流は最重要スペックなのに販売ページに記載がないことがあります。そういう場合でも現物写真を拡大しでみると書いてあります。

アマゾンで販売されているチップLEDとドライバー電源

アマゾンに格安でチップLEDと販売されていて、その駆動ドライバーも販売されているのですが、自分の目的のためにどれを使ったらいいのかわかりにくいです。

必要な光量を得るためのLED照明は何ワット?

およその目安ですが、LEDを10Wで駆動すれば、蛍光灯なら2倍の20W、白熱球なら10倍の100Wに相当する光量（科学的には光束と呼ばれる発光の総量、単位はルーメン）が得られます。

更に同じ光量でも、一般にLEDは指向特性がある分だけ正面方向が明るくなります。

以下、アマゾンで販売されているLED素子とドライバーの幾つかを一覧表にしてみました。

LEDチップ、ユニット

	画像	ブランド	色温度	最大定格電力	光量	電圧	電流	価格		備考
			°K	W	lm	V	mA	個	円
1		SODIAL	6000-6500	10	1100	9-12	1,050	20	1,164
2		SODIAL	6500	10	750	32-34	350	5	351	電圧違いが交じるとの情報あり
3		SODIAL	3200	10	800	9-12	1,050	5	321
4		SODIAL	6500	30	2200	32-34	1,050	1	223
5		SODIAL	6500	50	3800	32-34	1,500	1	224
6		SODIAL	6500	100	7500	32-34	3,000	1	476
7		E-auto Fun	6500	*1 6		12	500	2	449	バー型ユニットタイプ
8		SODIAL	3000- 3500	3	230-240	3.0- 4.0	700	10	282	放熱板付き
9		海渡電子	6000-6500	3	250-280	3.0-3.2	700	5	850	放熱板付き

ブランド名をクリックするとアマゾンのページに飛びます
価格は2018年2月10日時点、送料は加味せず。
*1：これは実用電力値と思われる

表中の電力は7番以外は部品としての最大定格であり、然るべき放熱対策をしての上でも実用的には半分程度の電力で使用しないと破壊する恐れがあると思います。

AC入力LEDドライバー

LEDを駆動するドライバー（AC電源入力の定電流電源）も下記に例のようにアマゾンで安く売っています。

	画像	ブランド	電力	AC入力電圧	DC出力電圧	出力電流		価格	備考
			W	V	V	mA	個	円
1		SODIAL	8-12	85-265	20-50	300	1	238
2		SODIAL	20	100-265	25-42	600	1	442
3		SODIAL	18-36	85-277	50-120	300	1	486
4		SODIAL	5.4	85-265	9	600	1	234	LEDとペア販売
5		SODIAL	1-3	85-260	3-14	250	1	194
6		SODIAL	50	90-240	30-36	1500	1	671	防水
7		HiLetgo	4-7	85-265	（16-24）	280-300 240-260	5	750
8		HiLetgo	3	85-265	3-12	280-300	5	650	1WLED×3個用
		Hommy	30	85-265	24-38	900	1	292	10W 3個または 30W 1個