不思議な３Dライト

光るドクロのライト。

このドクロ、どこから見ても３Dに見えるのですが、実は厚さ５ mmのガラス板でできているのだそうです。どうなっているのかは下記の映像を見るとわかります。

BULBING: Flat LED lamp! on Kickstarter

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高温の物体から出る光 熱放射

　高温に熱せられたものが光を出すことは多くの人が経験から知っていると思います。たとえば、写真のような電気ストーブは、ヒーターが高温になると、ヒーターから赤い光が出てきます。高温の物体から光が出てくるしくみを考えてみましょう。

　電熱線に電気と通すと、発熱と同時に暗赤色になります。電熱線は温度が高くなるにつれて明るい色を出します。このとき、電熱線が発熱するのは、電熱線の金属原子が振動するからです。原子が振動するとき、原子の中の電子は原子より軽いため、より激しく振動します。電荷をもつ電子が振動すると、電磁波が発生します。

　冷たい氷を含めて、あらゆる物体は熱をもち赤外線を出しています。これは電子の振動に由来します。そして、物体の温度が上昇して電子の振動エネルギーが可視光線のエネルギーに相当する大きさになると、目に見える光が出てきます。電子の振動が激しくなるにつれて、光の波長の種類と光の量が増え、やがて白色光や青白い光が出てくるようになります。このように物体が熱を光として出す現象を熱放射といいます。熱放射で物体から出てくる光の色や強さは、物体によらず温度で決まります。これを黒体輻射といいます。

　身近な例では、白熱電球は、熱放射で光を出しています。白熱電球は電気エネルギーを熱エネルギーに変換してから光を出すため、電気エネルギーを光に変換する効率が低く、100ワットの電球で10％程度しかありません。そのため、光っている電球は非常に熱くなっています。

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色温度 - アイちゃんのなるほどライティング

岩崎電気のホームページに「アイちゃんのなるほどライティング」というサイトがあります。

アイちゃんのなるほどライティング
http://www.iwasaki.co.jp/info_lib/lighting/

色温度についてわかりやすく解説してくれる映像です。

色温度 - アイちゃんのなるほどライティング

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影絵 白と黒の世界

人間の手だけで作った影絵の映像ですが、白と黒と手の形だけで引き込まれるような世界を作り出しています。

しゃれた映像だなと思ったら、最後に。なるほど、ある会社のCMでした。

Shadow Hands!!!!! Amazing!!!!!!

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岩崎電気の「アイちゃんのなるほどライティング」 光や光源のことを映像で詳しく解説してくれるサイト

　岩崎電気のホームページに「アイちゃんのなるほどライティング」というサイトがあります。

アイちゃんのなるほどライティング
http://www.iwasaki.co.jp/info_lib/lighting/

光のことや光源のことを映像でわかりやすく解説してくれます。

光とは? - アイちゃんのなるほどライティング

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いろいろな電灯のスペクトル

いろいろな電灯の可視スペクトルを集めた映像を見つけました。

回折格子分光器－いろいろな電球の光のスペクトル

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電灯から出て四方八方に放射状に広がる光

電灯など普通の光源から出た光は四方八方に放射状に広がります。

そのことが良くわかる電灯がありました。

電灯の傘のところを拡大して撮影してみました。

１点から放射状に出た光の一部だけがレンズに入ります。こういう実験装置ありますね。

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白色LEDのスペクトル

現在、一般に使用されている白色LEDは青色光を出す青色ＬＥＤと黄色光を出する蛍光物質を組み合わせたものです。

白色LEDを点灯すると、内部で青色LEDが青色光を出します。この青色光が蛍光物質を刺激すると、蛍光物質が黄色光を出します。

青色と黄色は補色の関係にあるため、青色光と黄色光を混ぜ合わせた光は白色光となります。

次の写真は白色LEDの光をCDに当てた様子を示したものです。CDに刻まれたたくさんの溝が回折格子の働きをするため、このように光が分光されます。

この写真を見て青色光と黄色光を混ぜ合わせた白色光なのに赤色光や緑色光があるのはどうしてだろうと思うかもしれません。

念のため分光器についていたグレーティング（反射型の回折格子）でも分光してみました。左側の方に青色光が見えます。右側の方は、黄色光を中心に左右に緑色光と赤色光が見えます。白色LEDの白色光は、単純に青色光と黄色光を混ぜ合わせた光ではないようです。

実は青色LEDが出す光は中心波長がだいたい465nmの幅の狭い青色光なのですが、蛍光物質が出す光は中心波長がだいたい560 nmの幅の広い光です。蛍光物質が出す光に含まれているのは黄色光だけではないのです。

分光器で測定した白色LEDのスペクトルは次のような形をしています。560 nmの方のピークが幅が広く、緑色や赤色の光を含んでいることがわかります。

ですから、最初の写真のように、白色LEDの光をCDやグレーティングで分光してみると赤色光や緑色光が見えるのです。実は人間が物体の色を見るうえで、白色光の中に赤色光や緑色光があるというのは需要なことなのです。

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キャンドルパワー （燭） － 用語

日本語で燭、キャンドルパワー（記号 C）というのは、昔使用されていた光の明るさを表す単位です。

1Cの光の明るさは、ロウソク1本分の明るさという意味です。ロウソク１本分の明るさという定義はずいぶん曖昧ですが、1860年にイギリスで都市ガス条例によってガス灯が規制されたときに定義されました。これが日本に伝わったときに燭または燭光と訳されました。

その定義によると、1Cは、１時間に120グレーン（1グレーン＝1/7000ポンド）の割合で燃焼する1/6ポンドの鯨油ロウソクの明るさとなります。

１ポンドは約453.6グラムですから、１２０グレーンは120×453.6/7000=7.8グラム、1/6ポンドは453.6/6=75.6グラムとなります。6ポンドのロウソクと書いてある書物もありますが、1/6ポンドです。

キャンドルパワーは曖昧なため、その後、定義が何度か改めれました。最終的には光の明るさは１９４８年にカンデラ（記号 cd）という単位で国際的に統一されました。

カンデラの値はキャンドルパワーになるべく近い値となっていて、次の関係があります。

1 C = 1.0067 cd

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LEDが光るしくみ (6)

■LEDを点灯するための基本回路

　LEDを点灯させるためには電流が一定となる電源を使う必要があります。電気屋さんで販売されているLEDには電流を一定とするための抵抗が同梱されているものもあります。

　筆者の手元にあるA社の黄色LEDの説明書には次の図のような回路が使用例として掲載されていました。

　電源電圧に応じて、抵抗の数やつなぎ方を変えるだけですから、図の通り回路を組めば抵抗値やLEDに流れる電流値などを気にすることなくLEDを点灯させることができます。しかし、図の通りに回路を組んでLEDを点灯させることができたとしても、LEDの点灯回路を理解したことにはなりません。

■LEDの仕様を理解しよう

　次の図はLEDの電圧-電流特性を示したものです。LEDは電流を流す向きが決まっています。LEDに順方向の電圧を加えると、ある電圧値から電流が流れ始めます。LEDに順方向の電流を流したときに、LEDの両端に加わる電圧のことを順方向電圧(V_F)といいます。また、LEDが光っているときに流れている電流を順方向電流(I_F)といいます。LEDに流れる電流が大き過ぎると、LEDが壊れたり、寿命が極端に短くなったりします。その最大の電流値を絶対最大定格電流といいます。

　また、図からわかるとおり電流の向きを逆にすると、あるところまでは電流が流れませんが、ある電圧以上になると過大な電流が流れてLEDが壊れてしまいます。この電圧値を逆耐電圧(V_R)といいます。A社のLEDの仕様書には下記のような値が掲載されていました。詳しく見ていきましょう。

LED	光度	2180 mcd(20 mA typ)
	指向角	30°
	順方向電圧	2 V(20 mA typ)
	絶対最大定格電流	50 mA(Ta=25 ℃)
	逆耐電圧	5 V
	許容損失	200 mW
抵抗	470 Ω(黄紫茶金)

　光度はこのLEDの明るさを示しています。指向角はLEDから出て広がる光の明るさが、中心の光の明るさの半分になる角度を示したものです。

　順方向電圧に(20 mA typ)と書いてあります。typはtypicalの略で「典型的な」という意味です。このことから、このLEDは20 mAの電流を流すのが標準的な使い方であることがわかります。このときLEDの両端に2 Vの電圧が加わり、LEDの明るさが2180 mcdになるわけです。絶対最大定格電流50 mA(Ta=25 ℃)は25 ℃で50 mAを超える電流を流してはいけないという意味です。逆耐電圧5 Vは電流を逆方向に流したときに5V以上の電圧をかけてはいけないという意味です。許容損失はLEDの最大許容消費電力です。

　これらの値はLEDの種類によって異なります。LEDの詳しい仕様はLEDのメーカーが公開しているデータシートに掲載されています。LEDの型番がわかればメーカーのWebサイトで見つけることができるでしょう。それではA社のLEDを付属の抵抗を使って点灯させるしくみを考えてみましょう。

■抵抗の直列回路と並列回路

　最初に示した3つの回路でLEDを組み込まない状態で電流がどれぐらい流れるのかを計算してみましょう。電源に抵抗を直列と並列に接続した場合の電圧・電流・抵抗の関係は次の図のようになります。

　ここで、Vは電源電圧、Iは回路全体に流れる電流、Rは合成抵抗です。V1とV2、I1とI2はそれぞれ抵抗R1とR2にかかる電圧と電流です。

　R1とR2を470 Ωとして、オームの法則V=IRを使って回路全体に流れる電流を計算してみると次の表のようになります。電流が抵抗によって制限されていることがわかります。回路に流れる電流を制限する目的で使う抵抗を電流制限抵抗、電流を一定値とする目的で組み込まれる回路を定電流制御回路と呼ぶ場合があります。

回路1	抵抗が並列	13mA(3V)～38mA(9V)
回路2	抵抗が1つ	17mA(8V)～34mA16V）
回路3	抵抗が直列	16mA(15V)～27mA(25V)

* 抵抗は電流が流れると発熱します。抵抗の定格電力(P=VI=RI2)を超えて使うと、高温になったり、煙を出して燃え出したりするので注意が必要です。

■LEDを回路に組み込む

　次に回路にLEDを組み込んだ場合を考えてみましょう。電流制限抵抗の接続の仕方に関わらず、抵抗全体を定電流制御回路として考えると、LEDを点灯するための基本回路1～3は次の図のように一般化して図示することができます。この場合、定電流制御回路とLEDは直列接続ですから、電圧と電流と抵抗の関係は図中の式のようになります。LEDで電圧降下が起こるため、定電流制御回路には電源電圧とLEDに加わる電圧(順方向電圧)の差分の電圧が加わります。抵抗値やLEDに流れる電流値の計算にはこの電圧降下を考慮する必要があります。

次の問題を考えてみましょう。

【問題】

順方向電圧が2 VのLEDに電流を20 mA流して光らせたい。電源電圧を 6Vとしたとき、何Ωの抵抗を接続すれば良いか？ また、そのときの抵抗の消費電力とLEDの消費電力は何ワットになるか？

【答え】
　抵抗値
　　R=(V－V_F)／I_F より
　　R=(6－2)／0.02
　　R=200 Ω
　抵抗の消費電力
　　Vr×IF =(6-2)×0.02=80 mW
　LEDの消費電力
　　V_F×I_F=2×0.02= 40 mW

　計算の結果から200Ωの抵抗を取り付ければ良いことになりますが、厳密に200 Ωでなくても構いません。例えば、基本回路1(470 Ωの抵抗2つを並列接続した回路)の合成抵抗Rは1/R=1/470＋1/470から235 Ωです。電源電圧が6 Vのときに流れる電流I_Fは17 mAになりますが、LEDは点灯します。

　LEDが点灯するかどうかはp型半導体の正孔とn型半導体の電子が移動して再結合するかどうかで決まります。ですから厳密な値でなくても良いのです。

　LEDの点灯回路を設計するうえで重要なことはLEDの仕様の範囲でいかに安全にLEDを明るく点灯できるようにするかです。LEDに流す電流を適切にすること、逆耐電圧を超えないようにすること、LEDや抵抗の消費電力などに注意してください。LEDは熱に弱いので半田付けをするときに長時間熱をかけないようにするなどの注意が必要です。

　6回にわたってLEDのしくみについて説明してきました。LEDを使った実験はRikaTanの記事で紹介されています。LEDの実験をするときに、今回の連載記事を思い出して頂ければ幸いです。

* 抵抗を使った定電流制御回路は電源電圧が乾電池のように一定の場合によく使われます。定電流ダイオード(CRD)という素子を使う場合もありますが、今回はCRDの説明は省きました。

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