第一種電工 電気応用 問2：電気応用

LEDランプの記述として誤っているものを問う問題です。正答はイ「LEDランプに使用されるLEDチップ（半導体）の発光に必要な順方向電圧は直流100V以上である」です。この記述は誤りで、LEDチップ（半導体素子単体）の順方向電圧は直流1.5V〜4V程度（発光色によって異なる）です。100V以上という記述は完全な誤りです。LEDランプとして商品化された際は、内部に電源回路（定電流回路）が組み込まれており、100V交流電源でも使用できますが、LEDチップ自体の動作電圧は低電圧です。正答はイです。

LEDランプの特性を各選択肢で確認します。ア（LEDはpn接合した半導体に電圧を加えることで発光）：正しい。pn接合の順方向バイアス時に電子と正孔が再結合し発光するエレクトロルミネセンス現象を利用。イ（LEDチップの発光に必要な順方向電圧は直流100V以上）：誤り。LEDチップ（半導体素子単体）の順方向電圧：青色LED（GaN）約3.0〜3.5V、赤色LED（GaAs）約1.8〜2.2V、緑色LED約2.0〜2.5V。100Vは大幅に誇張された誤り。これが誤りで正答イ。ウ（LED発光原理はエレクトロルミネセンス）：正しい。EL（Electroluminescence＝電気発光）は電気エネルギーを直接光に変換する発光現象で、LEDの発光原理として正確。フォトルミネセンス（蛍光・燐光）とは異なる。エ（白色LEDには青色LEDと黄色蛍光体を使用）：正しい。白色LED（denkiouyou_01でも解説）の標準的製造方式。正答はイです。

本問はLEDチップの電気的特性（順方向電圧・電流特性）の理解を問います。LEDの回路設計では順方向電圧・電流の特性が重要であり、電気工事士として照明器具の交換・設計に関わる際の基礎知識です。

【LEDチップの電気的特性（I-V特性）】LEDはダイオードの一種であり、順方向バイアスで電流が流れると発光します。順方向電圧（Vf）：発光色（発光波長）によって異なります。青色・白色LED（GaN系）：Vf ≒ 3.0〜3.5V（直流）。赤色LED（GaAs系）：Vf ≒ 1.6〜2.2V。緑色LED：Vf ≒ 2.0〜2.5V。いずれも100V以上とは大きくかけ離れた低電圧です。順方向電流（If）：通常5〜1000mA（LEDの種類・用途による）。高輝度・高出力LEDは500mA〜数A以上。

【LEDランプ（完成品）の電源回路】一般家庭・施設で使用するLEDランプ（E26口金・電球型等）は100〜240V交流入力に対応するために以下の電源回路を内蔵します。整流回路（ブリッジ整流）：交流を直流に変換。降圧回路（スイッチング電源またはリニアレギュレータ）：100Vから3〜4Vに降圧。定電流回路：LEDに一定電流（数十〜数百mA）を供給（電流を安定させることで輝度・寿命を確保）。LEDドライバIC（定電流制御ICチップ）が多用されます。

【LEDの劣化メカニズムと寿命】LEDチップ自体の発光効率は理論上高いですが、封止材（レンズ用シリコーン・エポキシ）の黄変・熱劣化が輝度低下の主因。定格電流超過・高温動作での駆動はLED素子の早期劣化を招きます。電球型LEDの定格寿命：JIS C 7619-1で規定（通常40000時間以上）。電験三種「機械」科目で照明の発光効率・光束・照度の関係式が頻出です。