LED照明の特徴と比較 | 消費電力と電気代・寿命

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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る。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る。

LED照明は即時点灯性が非常に良い照明である。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%点灯となる。LED照明は点灯した瞬間に100%点灯となる。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時間ずつ短くなる特性があるが、LEDは点滅に強く、頻繁にオンオフしても寿命に影響はない。

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できる。頻繁なメンテナンスが不要であるため、高所に設置しても維持管理費を安く抑えられる。

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に向いている。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る。それはLED照明の放熱性能に関係している。

複数のLED電球の写真

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種類に分かれている。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」がある。最近では「クルムス蛍光体」と呼ばれる新技術が開発されつつある。

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ある。照射対象物の見え方が不自然になるため、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ある。

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を照射する方法である。綺麗な白色光を得られる。

青色LEDで黄色蛍光体を光らせる方法

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ある。発光効率が高いのが特徴であるが、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る。

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となる。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る。

クルムス(Cl_MS)蛍光体

小糸製作所が東京工業大学と共同で研究開発した新しい蛍光体で、従来の広く使用されている青色チップを用いず「紫色チップ」と「黄色蛍光体」を組み合わせている。LEDの特徴である光の指向性を緩和し、全体照明として使用できるような柔らかく眩しさの少ない光を作り出せるとされている。

研究背景や技術詳細は東京工業大学 最近の研究結果で公表されているが「ありふれた元素を利用できる」「演色性が高い」「輝度を1/10に抑えられる」「LED特有のバラ付きを抑えられる」といった数多くの利点があると発表している。

LED照明の特徴

寿命が長い

通常のLED照明は寿命が極めて長く、製品によるが20,000~60,000時間とされている。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る。

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る。詳細の数値は後述となるが、理論上は、メーカーが提示す期待寿命より長時間点灯できる。LED照明本体の劣化や、電源ユニットの劣化が進行するため、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る。

LED照明の寿命は放熱に大きく左右されるため、設置場所によっては期待寿命を大きく下回る。照度を高めるにはLED照明の基板に大電流を流し、強く発光させる必要があるが、この基板への電流は熱になり、うまく熱を逃がせなければ、これら電子回路が寿命となる。

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る。

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、近年では90~100lm/Wを超える高効率LED照明が開発されている。高効率蛍光灯や、CDMランプのHID照明は現在100lm~130lmの効率となっているが、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される。

LED照明の技術開発は著しく、150~200lm/Wという超高効率なLED照明も開発可能とされる。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る。

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られる応答性の良さが、利点となる。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ない。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あり、停電や瞬時電圧低下による立ち消えも発生しない。

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いわれるが、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る。

発熱が少ない

白熱電球や蛍光灯、HID照明は、熱を光に変換する原理となっているため、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る。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できる。

植栽や外壁のライトアップでは、植栽帯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ならないが、LED照明は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である。

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る。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るが、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る。

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るが、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ない。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%まで低下するが、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、高い光束を維持できる。

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るため、設置場所と寿命についての配慮が重要である。

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、有効に光を照射できる。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るが、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る。

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ためあるが、LED照明内部では熱が発生している。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する。

この放熱処理の限界が、LED照明の発光能力の限界といえる。200Wを超える白熱電球と同等の光を出すLED照明が販売・生産されているが、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く。放熱効率を改善し、高ワット数のLED照明が製造されているが、蛍光灯やHIDランプを使用し、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コストが下がらない。

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ランプを使用するのが、照度の確保は容易である。LED照明の寿命はこれら放電管よりも2~3倍ほど長いが、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年は交換が不要である。

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照明が適用できるようになったが、コスト的には増加方向である。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ない。

LED照明は、ベース照明としてHf蛍光灯やHIDランプに未だ後れを取っているが、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る。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る。

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。ここで、交流回路の全波整流を行ない、直流電源に近づける。

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)となる。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する。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するが、同様の状態となる。

そこで、全波整流後の回路に平滑回路を併設し、脈流を小さくする。完全な平坦にすることは困難で、若干の脈動電流が残るが。ここで、チョークコイル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。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ないため、高品位な照明環境を得られる。

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るが、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ある。既存照明にHf蛍光灯を使用している場合、そもそもほとんどちらつかない照明環境であり、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る。

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くなった瞬間である。日本照明器具工業会で定義されているが「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ている。

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%が寿命となる。カラーLEDの場合、赤・緑・青を混色してカラー演出を行うため、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る。

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る。

熱によるLEDの寿命低下

LEDは熱に弱いため、高温場所に取付すると寿命が短くなる。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ある。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ならない。

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るため、建築計画を確認し、適正な器具を選定すべきである。

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ある。白熱電球から交換した場合は多くのメリットがあるが、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ある。

白熱電球60WとLED電球60W形を比較する。60Wの消費電力を持つ白熱電球は、1kWhを32円とした場合、1時間あたり1.92円の電気代が掛かる。毎日5時間点灯した場合、9.6円の電気代である。1ヶ月では288円、1年では3,456円である。

60W形のLED電球は6.0W程度の消費電力である。概ね1/10の消費電力になるため、毎日5時間点灯した場合、0.32円の電気代である。1ヶ月では28.8円、1年では345.6円である。

LED電球は1個あたり1,000円程度が相場となっており、電球は10年近く使用可能であり、エネルギーの視点からすれば、白熱電球を用いるメリットはない。

LED照明と白熱電球の性能比較

LED照明と白熱電球を比較した場合、ほとんどの項目でLED照明が優勢である。発熱量が小さく、消費電力を小さく抑えられ、輝度も高く光束も豊富である。ランプ寿命については、40倍以上の差がある。

白熱電球が優勢なのは、演色性の高さである。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ており、演色評価数(Ra)で評価する。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前後である。

白熱電球は、演色評価数は100であり、照射対象本来の色を忠実に表現できる。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るため、この差についても無くなっていくと思われる。

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が劣勢である。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ているが、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である。消費電力が同じであれば、減価償却という考え方に及べない。

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る。しかし、ランプ交換費を1本あたり100円程度で計上していった場合で、7~8年の間に3回程度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らない。

LED照明が蛍光灯よりも有利となるのは、トイレ照明が考えられる。トイレはブース毎に照明器具が必要であり、空間の大きさの割に照明台数が多くなる上、点滅頻度が高くなりがちである。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省エネ制御が主流であるが、蛍光灯を頻繁に点滅すると、1回の点滅によって寿命が1時間ずつ短くなるといわれる。LED照明に交換することで、照明器具の寿命を最大限に期待できる。

トイレ照明として良く使用されるFHTランプは、効率が60~70[lm/W]と少々低めである。100[lm/W]の高効率なLED照明を採用することで、消費電力を小さく抑えられるから、減価償却を考慮してもメリットを享受できる。

LED照明の重量比較

LEDは放熱のための機構が大きくなりがちである。ダウンライトで比較した場合、LEDダウンライトは、蛍光灯ダウンライトの2~3倍の重さである。24~32W程度のダウンライトで比較した場合、蛍光灯ダウンライトの本体重量は0.7kg~0.8kg程度であるが、LEDダウンライトの重量は1.3kg~1.5kgである。天井補強を十分に行い、重量で天井が損傷しないよう注意を要する。

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ある。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た。光で描く文字は、ネオン管を曲げ加工して製作している。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ある。各種カラーを出せるが、一度決めた色から自由に変更するようなことはできない。

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る。LED単体は超小型であり、文字状に配置すれば光文字を描くことも容易である。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、誘目性も良好である。

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るが、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る。

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る。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るが、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である。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る。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るが、コストアップは避けたいところである。

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る。高電圧部分がないため保守管理が容易である。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る。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る。

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る。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る。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。

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