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LEDの発光原理(構造と仕組み)



ここでは、LEDの発光する仕組み、発光原理について少し詳しく見ていきます。
実際には難しい専門用語がたくさん出てくる分野ですが、これからLED工作を始める方、初心者だけどLEDについて何となく知っておきたい、 という方にも、なるべく分かりやすくご紹介できればと思います。

LEDの基本構造

LED(発光ダイオード)は、電気を流すと発光する半導体素子で、「pn接合」と呼ばれる基本構造を持っています。
LEDは、P型(ポジティブ Positiveの略) と、N型(ネガティブ Negativeの略) の2種類の異なる性質を持つ半導体を接合して作られます。
LED素子(発光ダイオード)の基本構造

「LEDとは、そもそも何なのか?」もご参照ください。

LEDの発光原理(光る仕組み)

上の図のように、LEDは、p型とn型の半導体をくっつけた形になっていますが、
「p型半導体」にはプラス(+)の性質を持つ「正孔※1」が多くあり、「n型半導体」にはマイナス(−)の「電子」がたくさん余っています。
※1 正孔・・・・・電子の抜けた穴で、ホールとも呼ばれます。 LEDに順方向※2の電圧を加えると、「正孔」がn型半導体の方向へ、「電子」がp型半導体の方向へ向かって流れます。 そして、この正孔と電子が接合部で出会うと結合(再結合といいます)します。

結合すると、お互いが持っていた余分なエネルギーが光として放出され安定します。

つまり、プラス(+)とマイナス(−)の電気がくっつくことによって発光します。
これが私達の目に見える 「LEDの光」 であり、電気エネルギーを直接光に変換するという、 従来光源にはない優れた特徴です。

LEDの発光原理

※2 順方向電圧(順電圧・順方向電圧降下)
LEDには極性があり、p型半導体側を「アノード (記号A)」、n型半導体側を「カソード(記号K)」といいます。
LEDは、正しい方向に電圧を加えないと電流が流れません。
アノード(A)側にプラス極(+)を、 カソード(K)側にマイナス極(−)を接続して電圧を加える場合を「順方向」といいます。 つまり、LEDが発光する方向、正しく電流を流せる方向のことです。

※豆知識:電流と電子の流れる向きの話
・電流の流れる向き:プラス(+)からマイナス(−)へ流れる
・電子の流れる向き:マイナス(−)からプラス(+)へ流れる
電子の流れる方向は電流の流れとは逆向きで、直感には反するものとなっています。
電流の向きは正の電荷(+)が流れる向きとして定義されていますが、実際に負の電荷を帯びる電子(−)が流れる向きは電流の向きとは逆になります。

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なぜ従来の光源より優れていると言われるのか?

LEDは、従来の光源より効率が良く、消費電力の少ない光源と言われます。
何故そのように言われるのか、他の光源との発光原理の違いに、その理由が表れています。

●白熱電球の光る仕組み
白熱電球の発光原理は、フィラメント(※)と呼ばれる細い金属線を熱することによって光を発生させる仕組み。 ※フィラメントとは 非常に高温に強いタングステンという細い金属線で、電流を流すと2000℃以上の高温になって光を発します。 ●蛍光灯の光る仕組み
蛍光灯は、蛍光管の両端の電極にフィラメントが付いており、これを熱すると、電子が反対側の電極へ放出される仕組みになっていて、 これがガラス管の中に充填されている水銀ガスにぶつかると紫外線を発生させます。
さらに発生した紫外線がガラス管の内側に塗られている蛍光塗料に当たることで、白色などの可視光(人の目に見える光)が発生するという仕組み(複雑ですね)。

このように、白熱電球や蛍光灯は、電気を一旦熱に変えてから光を発生させる仕組みで、最初に熱を発生させるための電力を必要としますが、 LEDは、流れる電気そのものを直接光に変換する仕組みなので、たいへん効率が良いわけです。

そのため、「低発熱」「高効率」「低消費電力」等々、様々なメリットも生まれます。
LEDのメリット・デメリットについてはこちらで詳しく解説しています。

白色の光を作る仕組み

普段、私たちは太陽光を白色の光として何となく見ていますが、これをプリズムに通すと、 虹のような「紫・藍・青・緑・黄・橙・赤」の7色の光に分かれて縞模様のように見えます。 つまり、太陽光には、あらゆる色(波長)の光が混じっているわけです。

私たちの目には、このようにあらゆる色の光が混じっていると、白く見えます。
また、赤(R)・緑(G)・青(B)の3つの光が混じっていてるだけでも、白く見えます。
この赤・緑・青の3色は、量を調節して混ぜ合わせることによって、ほぼすべての色の光を作り出すことができることから 「光の三原色」と呼ばれています。

つまり、白色LEDの光は、単純に「白」という単色光があるわけではなく、 この「赤(R)・緑(G)・青(B)」の光をブレンドして作られています。
LEDと光の三原色

●白色LEDを作る仕組み [ 1 ] 青色LED+黄色蛍光体
青色に光るLED素子と、青色の光を黄色の光に変換する蛍光体を使用して、青とその補色である黄の合成によって白色の光を作る方式で、 擬似白色と呼ばれています。
白色LED普及当初から採用されている最も一般的な方式で、発光効率が最も良い方法といわれています。
※一般的なLEDパッケージ製品は、ほとんどこの方式のものです。

省エネで明るく照明する用途には良いですが、演色性(照らされた物体の色の見え方)が劣るため、色の再現性においては課題があると言われてきました。 最近では、黄色の代わりに赤色・緑色の蛍光体を使ったりして、演色性を向上させた改良型も開発されています。
白色LEDの発光方式(青色LEDと黄色蛍光体)

[ 2 ] 赤色LED+緑色LED+青色LED
赤(R)・緑(G)・青(B)の3色のLED素子を合成して白色の光を作る方式。
下図のように、3色の鋭いピーク波長で構成され、一部の波長域の放射エネルギーがほとんどないため、演色性に難があり、 見た目にはきれいな白色光が得られても、照らされた物の色の見え方が不自然になる場合があるといわれています。 一般的には物を照らす照明用途より、主に大型フルカラースクリーンなど、直接光を見せて扱う分野で採用されている方式です。
この方式では、3色のLEDの光量を調節することで様々な色彩が表現でき、また純度の高いあざやかな色彩が表現できるため、 液晶バックライトなど表示用に向いていますが、3色それぞれの素子の電圧が異なるため、 回路が複雑になり、各色の明るさのバランスをとるのも難しいといわれています。
白色LEDの発光方式(赤色LED+緑色LED+青色LED)

[ 3 ] 紫外光LED(または紫色LED)+三色(赤+緑+青)蛍光体
近紫外(目に見えない)を発光するLEDを使って、紫外線が当たると赤・緑・青にそれぞれ発光する蛍光体を励起させ、 その合成で白色光を作り出す方式。
演色性の良いきれいな白色が得られるが、いまのところ発光効率(明るさの向上)が課題といわれています。
現在、近紫外LEDの発光効率向上と蛍光体の演色性向上により、将来性が期待されている方式です。
白色LEDの発光方式(紫外光LED(または紫色LED)+三色(赤+緑+青)蛍光体)

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工作用 小型LEDパーツ をお探しなら

● 工作用LEDパーツの種類 ●

チップ型LEDランプ
チップ型LEDランプ
丸型3mmLEDランプ
丸型3mmLEDランプ
丸型5mmLEDランプ
丸型5mmLEDランプ

コネクタ式LEDランプは、大きく分けて上の3タイプがあります。
すべてコネクタの抜き差しだけで簡単に使える超小型LEDパーツです。

● LEDパーツの点灯方法 ●

下記のように、使いたい点灯用パーツと組み合わせるだけで使用できます。

ボタン電池ケースで簡単点灯


使いたいLEDランプをボタン電池ケースにつなぐだけのコンパクトで手軽に使える点灯方法です。
スイッチで点灯ON/OFFを切り替えられます。
市販のボタン電池「CR1220」または「CR2032」を使う2種類のタイプがあります。

タイニィコントローラで簡単点灯



使いたいLEDランプをタイニィコントローラにつなぐだけでOK。4本まで接続できます。
タイニィコントローラ本体に、単3電池2本をセット。スイッチで点灯ON/OFF切り替えもできます。

LEDランプは、好きなものを自由に組み合わせられます。

コントローラ(ケース型)でまとめて点灯



使いたいLEDランプをコントローラ・電源につなぎ、まとめてたくさん点灯できる方法です。
好きなLEDランプを8本まで使えるタイプ、16本使えるタイプがあります。

配線を分岐するパーツを使って、さらに大量のLED一斉点灯も可能です。
LEDランプは、好きなものを自由に組み合わせられます。

miniコントローラでまとめて点灯



図のように4種類のパーツをつなぎ、まとめてたくさん点灯できる方法です。
miniコントローラは超小型なのでスペースを取らずに、たくさんのLEDを一斉点灯できる方法です。

LEDランプは、好きなものを自由に組み合わせられます。
LEDの光り方も、「ゆらぎ・点滅・ホタル」など様々な種類が選べます。
配線分岐で、さらに大量のLED一斉点灯も可能。

様々な用途に対応できる、組み合わせの自由度も高い設計になっています。

製品はすべてMade In Japan。プロの方でも安心の高品質です。
様々な工作に使える超小型LEDパーツをぜひご活用ください。

おすすめのLEDパーツ

チップLED 白(超高輝度) チップLED 電球色(超高輝度) チップLED 赤(超高輝度) チップLED 橙(超高輝度)
チップLED 黄(超高輝度) チップLED レモンイエロー チップLED 緑(高輝度) チップLED 青(高輝度)
丸型3mmLED
白(高輝度)
丸型3mmLED
電球色
丸型3mmLED
赤(広角)
丸型3mmLED
丸型3mmLED
緑(広角)
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青(高輝度)
丸型5mmLED
白(広角)
丸型5mmLED
電球色(広角)
丸型5mmLED
赤(広角)
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黄(広角)
丸型5mmLED

丸型5mmLED

ボタン電池ケース
CR1220用 スイッチ付
ボタン電池ケース
CR2032用 スイッチ付
タイニィコントローラ4P
常時点灯4本用 スイッチ付
タイニィコントローラSN4
ゆらぎ4本用 スイッチ付
コントローラ8pm
常時点灯8本用
コントローラ16pm
常時点灯16本用
インラインコントローラ4P-SN4
ゆらぎ4本用
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フェードインアウト(蛍)4本用
インラインコントローラ4P-SN10
ウィンカー点滅4本用
インラインコントローラ4P-SN9
フラッシュ点滅4本用
miniコントローラ4P-SN9
フェードアウト(花火)8本用