第一種電工 令和6年度 問12｜電気応用

LEDランプの記述として誤っているものを選ぶ問題です。ア（発光ダイオードを用いた照明用光源）、イ（白色LEDは一般に青色LEDと黄色の蛍光体による発光）、ウ（発光効率は白熱灯より高い）はいずれも正しい記述です。誤っているのはエ「LEDランプの発光原理は、ホトルミネセンスである」です。LEDは、半導体のpn接合に電流を流して電子と正孔が再結合するときに光を出す「エレクトロルミネセンス（電気発光）」の素子で、ホトルミネセンス（光を当てて光らせる現象）ではありません。正答はエです。

LEDランプの特性を各選択肢で確認します。ア（LEDランプは発光ダイオードを用いた照明用光源）：正しい。LED（Light Emitting Diode＝発光ダイオード）は、半導体のpn接合に順方向電流を流すことで発光する素子を光源として使用したランプ。イ（白色LEDは青色LEDと黄色蛍光体による発光）：正しい。青色LED（波長約450nm）の光の一部が黄色蛍光体（YAG蛍光体等）で黄色光に変換され、青と黄の補色関係で白色光になる。ウ（LEDランプの発光効率は白熱灯より高い）：正しい。白熱灯は約10〜15 lm/W（大部分は熱として損失）、LEDランプは80〜200 lm/W以上と高効率。エ（LEDランプの発光原理はホトルミネセンス）：誤り。LEDの発光原理は電気エネルギーで直接光を出すエレクトロルミネセンス（EL）。ホトルミネセンスは蛍光灯の蛍光体のように、光（紫外線など）を当てて光らせる現象で、LEDの発光原理ではない（白色LEDの蛍光体部分でホトルミネセンスが利用されるが、LEDチップ自体はELで発光する）。正答はエです。

本問はLEDランプの基本特性・発光原理・他の光源との比較を問います。近年の照明技術はLED化が急速に進んでおり、電気工事士として正確な知識が求められます。

【LEDランプの発光原理（エレクトロルミネセンス）】

LEDは化合物半導体（GaN・GaAs・AlInGaP等）のpn接合に順方向電圧を印加することで、伝導帯の電子と価電子帯の正孔が再結合し、そのエネルギー差（バンドギャップエネルギー）に相当する光を放出する（エレクトロルミネセンス＝EL：電気発光）。発光波長はバンドギャップによって決定され、青色LED（GaN系・波長450nm）・赤色LED（AlGaAs系・波長660nm）・緑色LED（GaP系・波長525nm）等がある。

【ルミネセンスの種類の整理（選択肢エの根拠）】

・エレクトロルミネセンス（電気発光）：電気エネルギーで発光。LED、有機EL。

・ホトルミネセンス（光発光）：光エネルギーを吸収して発光。蛍光灯の蛍光体、白色LEDの黄色蛍光体、蛍光塗料。

・熱放射（温度放射）：高温の物体が出す光。白熱灯。

したがって、LEDランプの発光原理を「ホトルミネセンス」とした選択肢エが誤り。

【白色LEDの実現方式】

①青色LED＋黄色蛍光体方式（最主流）：青色LEDチップ上にYAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体を塗布。青色光の一部が黄色（補色）に変換され、残った青色と合成して白色光を実現。演色性Ra：70〜90程度（蛍光体の種類・配合による）。

②RGB方式：赤・緑・青の3色LEDを組み合わせて白色光を実現。演色性が高いが制御が複雑・コスト高。

③紫外LED＋多色蛍光体方式：高演色性が必要な照明（美術館・医療等）に使用。

【LEDランプの特性まとめ（他光源との比較）】

発光効率：LED 80〜200 lm/W > 蛍光灯 60〜100 lm/W > 白熱灯 10〜15 lm/W。寿命：LED 4〜10万時間 > 蛍光灯 1〜1.5万時間 > 白熱灯 1000時間。点灯速度：LED（瞬時点灯・起動時間なし）> 白熱灯（瞬時）> 蛍光灯（点灯に数秒）。最低動作電圧：LED 直流1.5〜4V程度（高電圧は不要）。電験三種「機械」科目で照明の発光効率・照度計算・各種光源の特性が頻出です。正答はエです。