LED技術入門

過去数十年にわたり、発光ダイオード (LED) は自動車市場でのアプリケーションが急増してきました。電圧が加えられると、半導体ダイオードはエレクトロルミネセンスによって光を発します。これがLEDの動作原理です。これらは、小型、長寿命、効率性に優れているため、特に車載アプリケーションに適しています。

LEDの構築

LEDアセンブリは通常、光の放射を担うシリコンp-n接合であるLEDチップから成り、はんだ付けによってカソード端子に接続されます。特定の場所に光を集めて集中させるために、チップは反射用の空洞で囲まれています。LEDチップのアノード側をLEDのアノード端子にワイヤボンディングして回路を完成します。LEDのレンズを作ると同時に、構造を環境から保護するために、内部構造はエポキシまたはシリコンで覆われています。

図1 : LEDの構築

動作原理

LEDライトは、シリコン内に2つの領域を持つp-n接合ダイオードのようなものです。過剰な電子 (負電荷キャリア) はn型領域に存在し、過剰な正孔 (正電荷キャリア) はp型領域に存在します。発光ダイオードは順方向バイアスがかかると光を発します。接合部に順方向バイアス電圧がかかると、代表的な p-n 接合の場合と同様に電流が流れます。n型領域から発生した電子とp型領域からの正孔は接合部に向かって移動し、そこで再結合を起こして、従来のダイオードと同様に機能し、電流の流れを促進します。動作原理はp-n接合ダイオードと非常に似ています。シリコンは2つの領域で構成されています。n型領域には電子 (負電荷キャリア) が過剰にあり、p型領域には正孔 (正電荷キャリア) が過剰にあります。発光ダイオードは順方向バイアスをかけると光を発します。接合部に電圧をかけて順方向バイアスをかけると、他のp-n接合の場合と同様に電流が流れます。p型領域からの正孔とn型領域からの電子が接合部に入り、通常のダイオードのように再結合して電流が流れるようになります。再結合が起こると、電子は価電子帯と呼ばれる低いエネルギーの状態に戻り、エネルギーが光の形で放出されます。

図2 : LEDの動作原理

車載アプリケーションにおけるLEDの利点

効率: 従来のライティングソリューションと比較すると、LEDは通常、より高い割合の電気エネルギーを光に変換するため、エネルギー効率が高くなります。自動車、特に電気自動車の分野では、効率を最大化することが最も重要となり、バッテリー電力のワット時ごとに節約することの重要性が強調されます。

長い寿命: LEDはハロゲンやHIDライトの寿命よりもはるかに長く、最大25,000時間以上使用できます。このようなアプローチにより、頻繁な交換の必要性が減り、コスト削減と廃棄物の発生減少の両方が実現します。

コンパクトさ: LEDはサイズが小さいため、設計者に高い柔軟性を提供します。この進歩により、最適なパフォーマンス基準を維持しながら、創造的でスタイリッシュな車載ライティングのコンセプトの道が開かれました。

迅速な応答時間: LEDの瞬時の点灯は、特にブレーキライトにとって非常に重要です。ブレーキライトの場合、ほんの一瞬でも後続の運転手の反応時間に影響を与える可能性があります。

耐久性: LEDはフィラメントベースの電球とは異なり、ソリッドステートライトです。このような弾力性により、車両環境で一般的に発生する衝撃や振動に耐えることができ、より堅牢になります。

LEDは湿度に敏感で、これが唯一の欠点です。しかし、筐体設計に十分な対策を講じることで、このリスクを効果的に排除することができます。

LED 対 ハロゲンおよびHIDライティング

ハロゲンライト

• 機能: ハロゲン電球の動作は、ハロゲンガス内に封入されたタングステンフィラメントに電流を流すことで行われます。ガスの助けにより、タングステンがフィラメントに再堆積し、フィラメントの寿命がわずかに延びます。
• LEDとの比較: ハロゲン電球は光よりも多くの熱を発生するため、LEDよりも効率が低くなります。サイズが大きく、寿命が短くなります。それにもかかわらず、一般的にコストが低く、長年にわたって車載ライティングの従来の選択肢であり続けています。

高輝度放電 (HID) ライト

• 機能: HIDは、2つの電極間にアークを発生させて光を生成するガスを使用するため、キセノンライトと呼ばれることがよくあります。このアークは、電球内のキセノンと金属塩の点火により明るい光を生み出します。
• LEDとの比較: HIDライトはハロゲンに比べて優れた明るさとエネルギー効率を誇りますが、それでもLEDが達成する効率レベルには及びません。HIDライトは、完全に明るくなるまでに数秒かかるため、他の選択肢に比べて起動時間が長くなります。LEDとハロゲンの両方と比較すると、通常はより高価です。

結論として、ハロゲンライトとHIDライトは長年にわたって自動車の分野で強力な存在でしたが、LEDが提供する多数の利点により、LEDは現代の自動車にとって好ましい選択肢として急速に確立しつつあります。LED技術への移行は単なる一時的な流行ではなく、持続可能性、効率性、性能への自動車工学の継続的な進化を明確に示すものです。

LEDドライバ

LEDドライバは、LEDまたはLEDの集まりに必要な電力を調整し、自己完結型電源ユニットとして機能します。LEDでは、主にダイオード特性により電流が一方向にのみ流れるため、ドライバが必要になります。このセグメントでは、定電流ドライバと定電圧ドライバの違い、調光メカニズム、および機能など、LEDドライバの欠くことのできない要素について説明します。

LEDドライバの機能と重要性

従来のライティングソリューションとは異なり、LEDは電力要件が独特です。白熱電球は電流を自動的に調整しますが、LEDは外部メカニズムの支援を受けて電流を制御します。LEDドライバが登場した理由を見てみましょう。

電流の調整: LEDの感度は、LEDを流れる電流のレベルと大きく相関します。電流のわずかな変動がパフォーマンスに影響を与え、寿命の大幅な短縮につながる可能性があります。LEDドライバは安定した電流供給を保証することで、均一な輝度レベルを維持し、LEDの完全性を保護します。

電圧変動からの保護: 高電圧スパイクはLEDの脅威になります。専用バッファとして機能するドライバは、バッテリー供給ラインから発生する電圧変動によって生じる潜在的な損傷からLEDを保護します。

最適化されたパフォーマンス: ドライバは、その寿命全体にわたってLEDの光出力を強化し、調光機能などの高度な機能を提供できます。

定電流ドライバと定電圧ドライバ

定電圧 (CV) ドライバと定電流 (CC) ドライバの選択は、LEDの特定のアプリケーションによって異なります。

定電流 (CC) ドライバ: これらのドライバは、通常、LEDストリングと直列に接続された抵抗の電圧をモニタリングすることで、LEDに一定の電流を供給します。これらは、特に並列構成によって電流の不一致が生じる可能性がある場合において、多数のLEDアプリケーションに有益であることが証明されています。CCドライバは、各LEDに一定の電流が供給されるようにすることで、均一な明るさを確保します。

図3 : 定電流ドライバのシンプルなトポロジー

定電圧 (CV) ドライバ: CVドライバによって一定の電圧が維持されます。代表的な使用法としては、LEDの必要な電流がLEDによって直接管理される場合や、LEDが並列に接続され、各ブランチで電流調整用のシャント抵抗器が使用される場合などがあります。ストリップライトのアプリケーションでは、CVドライバが一般的です。

図4 : 定電圧ドライバのシンプルなトポロジー

LEDドライバの調光制御

パルス幅変調 (PWM): この技術は、LEDに供給される平均電流を低減し、LEDを非常に高速にオン / オフします。LEDの明るさは、LEDが点灯している時間によって決まります。調光時の効率性と色温度の一貫性により、人気のある方法となっています。

アナログ調光: この方法により、LEDを流れる連続電流が削減されます。この方法では、PWMよりも複雑ではありませんが、低い輝度レベルで動作しているときに色の不一致が発生する場合があります。

LEDの動作領域では、ドライバは最適な機能を維持し、潜在的な電気的異常から保護するために不可欠な部品として機能し、それによって一貫したパフォーマンスを保証します。LEDの出力と寿命は、定電流または定電圧のドライバの選択とともに、適切な調光メカニズムによって直接影響を受けます。

ライティングシステムにおける電源管理

LEDなどの高度な技術の搭載を検討する際には、ライティングシステムにおける効果的な電力管理が最も重要です。次のセクションでは、LEDライティングシステム内の電力管理のこれら3つの重要な側面について説明します。

エネルギー効率に関する検討事項

環境問題の高まりとエネルギーコストの増加により、ライティングシステムのエネルギー効率が主な焦点となっています。LEDライティングシステムがどのようにエネルギー効率を高めるかを見てみましょう。

エネルギー消費の削減: 従来の白熱電球やハロゲン電球と比較すると、LEDは設計上、消費電力が大幅に少なくなります。これにより、エネルギーコストの削減と二酸化炭素排出量の削減につながります。

最適化された配光: 全方向に光 (および熱) を放射する白熱電球とは異なり、LEDは指向性の光源であり、特定の方向に光を放射します。これにより、必要な領域での光が効率的に利用され、無駄が削減されます。

無駄なエネルギーの最小化: 非常に少ない熱しか発生しないプロセスはエレクトロルミネセンスと呼ばれ、LEDが光を生成するために使用されます。対照的に、従来の電球では大量のエネルギーが熱によって無駄になります。

信頼性と寿命に関する考慮事項

LEDの動作条件と電力管理は、その信頼性と寿命に直接影響します。

温度管理: LEDは高温に長時間さらされると寿命が短くなる可能性があります。より長い機能寿命を保証するには、効率的な熱管理が重要です。一般的なLED電流ディレーティング曲線を以下に示します。いかなる温度でも超えてはならない連続最大許容電流 (この例では70mA) が存在することは明らかです。しきい値温度60°Cに達すると、LED接合部は最大許容温度100°Cに近づきます。その結果、LEDの負荷を体系的に減らす必要が生じます。周囲温度が100°Cを超えるとLEDはオフになります。

図5 : LED電流ディレーティング曲線

過電圧および過電流状態からの保護: LEDドライバの役割は、ノイズの多いバッテリー電源供給の電圧スパイクや過剰な電流など、早期故障につながる潜在的な要因からLEDを保護する上で極めて重要です。

堅牢なハウジング: 特に車載アプリケーションでは、外部環境が厳しい場合があります。湿気、ほこり、物理的衝撃は、他の電子部品と比較してLEDに大きなリスクをもたらします。特に、LED電球がエポキシよりも湿度透過性が高いシリコンで作られている場合はその傾向が顕著です。この特性により、内部に水分やその他のガスが閉じ込められ、LEDの金属部品が腐食する可能性があります。耐久性のあるシールとハウジングを採用することで、LEDをこのような外部の影響から効果的に保護できます。

LEDには数多くの利点があるにもかかわらず、その性能と寿命は電力の供給と管理の効率に密接に関係しています。効率的なLEDライティングシステムの基礎として、エネルギー保存、熱調整、長期にわたる信頼性の高い動作寿命の保証はすべて、基本的な電力管理戦略と技術に依存しています。

先進のLED技術

ライティング技術においては、特に高度なLED技術によって大きな変革が起こりました。これらの進歩は、効率性の向上だけでなく、特に自動車市場において革新的なアプリケーションも提供します。この点で注目すべき2つの進歩は、レーザーライトと有機発光ダイオード (OLED) であり、どちらも未来的な車両設計と機能向上の到来を告げています。

車載アプリケーションにおけるOLED

ライティング技術における飛躍的進歩は、有機発光ダイオード (OLED) によって表されます。単一の点から光を発する従来のLEDとは対照的に、OLEDは表面全体に分散された光源として機能します。この違いによって、数多くの独自の利点がもたらされます。

柔軟な設計: OLEDは、薄く、軽く、本質的に柔軟であるなどの特性を備えています。このような特性により、さまざまな形や形状に搭載することが可能になり、曲げられるテールライトや複雑な形状の室内ライティングなど、車両設計における革新的な可能性が開かれます。

均一な照明: OLEDは面発光体であるため、均一に光る表面を生成します。この機能は、美観を向上させ、点光源によく見られるグレアを軽減することで、注目すべき利点をもたらします。

階層構造: OLEDは、2つの導体の間にある多数の有機化合物の層で構成されています。電流を流すと明るい光が放射されます。さまざまな色と明るさのレベルを生成するために、これらの層を微調整できます。

課題: OLEDは将来有望ではあるものの、特に寿命や湿気や酸素に対する感受性に関して課題を抱えています。それにもかかわらず、継続的な研究努力がより安定性と耐久性に優れたOLEDの開発に向けて進められています。

レーザーライト

車載ライティングの分野では、レーザーライトは新たな技術であり、ゲームチェンジャーとして位置づけられています。

強度と範囲: レーザー光は驚異的な強度を示し、従来のLEDのほぼ2倍の範囲を誇ります。ハイビームアプリケーションでは、これにより優れた視認性が確保されます。

コンパクトさ: レーザーライトシステムは、非常にコンパクトな部品を備えており、自動車メーカーに設計の柔軟性と配置の選択肢を提供します。

エネルギー効率: レーザーライトは非常に明るい光を発するにもかかわらず、LEDに匹敵するか、それ以下の消費電力しか示しません。

変換プロセス: 車載アプリケーションでは、レーザーは道路を直接照らすことはありません。青色レーザー光は直接光を放射するのではなく、蛍光板に投影されます。この板はその後、安全で車載ライティングに適した非常に明るい白色光を発します。

安全と規制: レーザー光はその強度が高いため、他の道路利用者への潜在的な危険を防ぐことを目的とした規制上の考慮事項の対象となります。

図6 : さまざまなレーザー光のアプリケーション

まとめると、OLEDやレーザーライトなどの高度なLED 技術を自動車分野に取り入れることは、美しさだけでなく機能性にも優れた車両に向けた大きな一歩となります。継続的な研究とこれらの技術の成熟により、車載ライティングの世界に革命をもたらし、限界を新たな地平へと押し上げる可能性を秘めています。