電球形LEDランプについてight Emitting Diod目次1.概要.
4. 電球形LEDランプの熱評価方法.........................5 5. 電球形LEDランプの測定比較6. 電球形LEDランプの設計注意点......................8 7.まとめ…本書内に記載する型番NFSx757D-V1およびNF2x757DR-V1は、弊社製品の型番であり、商標権を有する可能性のある他社製品といかなる関連性・類似性を有するものではありません。

1.概要
近年LEDの普及により従来の白熱電球や電球形蛍光ランプからLEDを使用した電球形LEDランプへと置き換えが進んでいます。この電球形LEDランプの特徴としては、従来型のランプより消費電力が非常に小さいこと、長寿命であることなどが挙げられます。寿命に関しては40,000時間の長寿命を謳う製品が販売されており、電球形LEDランプは経済的、環境的に優れた照明器具と言えます。しかしLEDは素子の温度が高くなるほど寿命が短くなる性質を持っており、ランプとして長寿命を達成するためには使用するLEDの温度を低く抑える必要があります。特に電球形LEDランプは小型軽量化や密閉器具の使用等により放熱設計が難しいアプリケーションであると言えます。本書では電球形LEDランプにおけるLEDの寿命設計及び熱評価方法についてご紹介します。
2.電球形LEDランプについて
2.1. 電球形LEDランプの構造
ー般的な電球形LEDランプの構成例を図1、および表1に示します。構成部材の材質によってはLEDの性能や信頼性に影響を及ぼす恐れがあるので、お客様にて十分な評価、確認を行ってください。 ght Emitting Dioc図1. 電球形LEDランプの構成例
ht Emitting Dioc ※1. JIS C 7709-1電球類の口金・受金及びそれらのゲージ並びに互換性・安全性第1部ロ金

3. 電球形LEDランプの寿命について
先述の通り、LEDの寿命はLEDの温度が高くなるほど短くなっていきます。本章ではLEDの熱と寿命の関係について解説します。
3.1.電球形LEDランプの寿命について
LED は白熱電球のように突然点灯しなくなるというわけではなく、長期使用により徐々に明るさが落ちていきます。JIS C 8157:2011 一般照明用電球形LEDランプ(電源電圧50V超)性能要求事項では定格ランプ寿命を「規定の条件で点灯したとき、電球形LEDランプが定格光束の70%以上の光束を維持している期間」と規定しています。よって基本的にはLEDの光束維持率をもとにランプの寿命設計を行うことになりますがLEDだけでなく電源回路に使用される電子部品にも寿命はあるため、LEDを含めたすべての部品で寿命を推定する必要があります。特に電源回路に使用される電解コンデンサは温度上昇による容量低下が著しく、一般的に部品温度が10℃上昇すると寿命が半分になると言われており注意が必要です。電解コンデンサが容量低下により寿命を迎えると、ちらつきや不灯等の不具合が発生する恐れがあります。
3.2. LEDの寿命メカニズム
LEDに使用されている半導体チップは長寿命(半永久的な出力)となりますが、その他構成部材(主に樹脂部材）の劣化・変色によってLEDの光出力は低下します。NICHIA757シリーズを例にとると、図2のように使用される部材の変色によりLEDパッケージ内部で反射率･透過率の低下が発生し光の取り出し量が低下することがわかります。これらの部材の変色は温度が高くなるほど促進されるため、半導体チップ温度(LED ジャンクション温度)が高くなるほど周辺の部材温度も上がり、寿命は短くなっていきます。
3.3. LEDの寿命推定方法
弊社では次頁図３に示す、LEDジャンクション温度（以下TJ)に対するLED推定寿命の技術資料を提供しています。この資料内の「 Junction Temperature vs Lifetime 」グラフは初期光束を100%とした場合、70%以上の光束を維持できる時間(LEDの寿命)とTjの関係を示しています。図3のNFSx757D-V1およびNF2x757DR-V1を例にとると、T J = 95°C以下で曲線の値が40,000時間以上となっているため、寿命40,000時間のLEDランプを設計する場合は少なくともTJを95℃以下に抑える必要があることがわかります。ただし本資料における寿命は弊社測定環境による実測平均データからの推定となるため、必ず余裕をもった熱設計を行ってください。なおLEDの絶対最大定格TJを超える温度域(図3の場合、120℃以上)で使用された場合、LEDの性能低下やLEDの破壊を引き起こす恐れがあるため必ずT Jは絶対最大定格温度以下でご使用ください。 ight Emitting Diod封止樹脂の変色による透過率の低下パッケージ樹脂の変色による反射率の低下
また、TJを低く抑えたとしても構成部材の経年劣化など熱以外の要因によりLEDの寿命は頭打ちとなります。 (図3の場合、最大推定寿命は50,000時間)この最大推定寿命を超えて使用された場合も、LEDの性能低下や破壊を引き起こす恐れがあるためご注意ください。図3. LED推定寿命資料
4. 電球形LEDランプの熱評価方法
LEDの寿命はT」によって決まるため寿命推定には正確なT」測定が不可欠となります。本章ではT」測定方法および測定時の注意事項をご紹介します。
4.1. LEDジャンクション温度T」の測定方法
温度測定には様々な方法がありますが、弊社ではLEDはんだ接合部温度(以下Ts)またはLEDケース温度(以下Tς)の測定値からT」を算出(式1)する方法とV。測定法にてT」を算出する方法の2つの方法を推奨しています。測定方法の詳細については弊社アプリケーションノート「SP-QR-C2-210274 : LEDの熱設計について」をご参照ください。 Ts(またはTc)測定の際の熱電対を取り付ける位置や、算出に使用する熱抵抗値R ργς(またはRc)はLEDによって異なるため、ご使用になるLEDの仕様書および3.3.項でご紹介した推定寿命資料をご参照ください。ただし熱抵抗値はLED毎にばらつきが生じますので、標準値ではなく最大値を使用してTJを算出してください。
(式1)
(または　TJ = Tc + ReJc W ) ht Emitting Dioc
4.2.熱評価における注意点数評価時の注意事項を以下に示します。
4.2.1.熱分布の確認
熱電対による温度測定の前にサーモカメラ等で実装基板の熱が均一に分散しているか確認してください。筐体(ヒートシンク)や放熱グリス等の放熱経路に不具合がある場合、熱が均一に広がらない可能性があります。図5の例では、実装基板の左側の放熱が不十分なため熱分布に大きな偏りが生じ、LED表面温度にも大きな差として現れています。またLEDの接続回路構成によっては電流の不均等分流が起こり特定のLEDが過剰に発熱する可能性もあります。このような場合、想定よりもT」が上がり寿命低下につながる恐れがあるため、可能な限り図4のように均一に熱が分散するような放熱設計を行ってください。なおサーモカメラで得られる値はLED上面の樹脂部材の表面温度であり、実際のTJとは異なります。あくまで熱分布を確認するための参考とし、一番表面温度が高いLEDのTs(またはTs)を熱電対で測定するようにしてください。
4.2.2.周囲温度
周囲温度(以下T人)が上がるとLEDのTsも上がります。熱評価を行う際は想定される最大Tsで測定を行ってください。特に密閉器具や断熱材施工器具との組み合わせではランプから発生した熱が籠り、T λが上がり易いため注意が必要です。参考にTλの違う環境下で同一サンプルを熱飽和させたときのT sの測定結果を表2に示します。Tλが15℃上昇するとT sも15℃以上上昇しており、T xの上昇がそのままLED温度の上昇につながることがわかります。

4.2.3.測定状態
熱電対取り付けの都合により不完全なランプ状態(筐体からLED光源基板を取り外した状態やランプカバーを取り外した状態）で測定を行うと、放熱経路が変わり正しいＴ」が得られない恐れがあります。最終的な製品状態で測定を行い、熱電対取り付けの際はカバーや筐体に通すための穴、固定用テープなどが放熱性能に大きく影響を与えないようにご注意ください。十分にエージングを行い完全に熱飽和した状態で測定してください。
4.2.4.測定姿勢
ランプの姿勢(向き)によっても T Jが変動する可能性があります。基本的に温かい空気は上昇する性質を持つため、ランプの姿勢によっては熱分布に偏りが生じＴsが大きく変わってくる可能性があります。実使用で想定されるランプ取り付け姿勢にて熱評価を行うようにしてください。
5. 電球形LEDランプの測定比較
60W形の電球形LEDランプについて、使用しているLEDやランプ構造の異なる4つのサンプルを測定し、各々の寿命を推定しました。
5.1. 電球形LEDランプ(60W形)測定結果
Ta=25℃で熱飽和するまでエージングさせた後、電気・光学特性および温度測定を行いました。いずれのランプもNICHIA 757シリーズ、または他社同等品（同等性能および構造）を使用しているため、熱抵抗R ω sは弊社製品のNF2x757DR-V1の17℃/W(最大値)と仮定してLEDジャンクション温度TJを算出しました。測定結果を表3に示します。

5.2.寿命考察
測定で得られたTJをもとに、各ランプのLED寿命を推定し、多くの60W形電球形LEDランプで謳われている「寿命40,000時間」に対して考察を行いました。なお全てのLEDにおいて、NF2x757DR-V1のLEDジャンクション温度vs推定寿命特性を有すると仮定して推定を行っています。（図3参照）
◆サンプルA   •サンプルD LEDの推定寿命は50,000時間となります。また95℃ (40,000時間)まで14℃の余裕があります。
◆サンプルB
LEDの推定寿命は40,000時間となります。ただしT」に余裕がないため、LEDや電源回路の特性ばらつきによっては T Jが上がり、40,000時間を達成できない恐れがあります。また密閉器具や断熱材施工器具で使用される場合もT λが上昇するため40,000時間の寿命確保は難しいと言えます。
�サンプルC
T』は95℃を大幅に超えており、推定寿命は20,000時間となります。また電源基板温度も高くなっているため、電解コンデンサによるランプ寿命低下の懸念もあります。
6.電球形LEDランプの設計注意点
電球形LEDランプのLED設計における注意点をご紹介します。
6.1.正確なＴの測定
設計時に正確な熱評価ができておらず、想定以上にTJが上昇した場合、想定以上の速度で光束低下（寿命低下）や色調シフトが起こります。第4章でご紹介した熱評価方法を参考に、正確なT」測定および寿命推定を行ってください。
6.2.余裕を持った放熱設計
目標T」に対して温度余裕がない場合、様々なばらつき要因により目標寿命を達成できない恐れがあります。筐体(ヒートシンク)やLED光源基板等の放熱部材の見直し、また投入電力を下げる等して目標寿命(T J )に対して余裕を持った熱設計を行ってください。
6.3. 絶対最大定格TJ以下での使用LEDの性能低下や破壊を引き起こす恐れがあるため、いかなる場合でも絶対最大定格TJを超えないよう熱設計を行ってください。密閉器具や断熱材施工器具との組み合わせで使用される場合、器具の影響による温度上昇を考慮する必要があります。
6.4.絶対最大定格電流以下での使用
LEDの性能低下や破壊を引き起こす恐れがあるため、いかなる場合でも絶対最大定格電流値を超えないよう電気回路設計を行ってください。リップルの大きな電流波形の場合、平均値が絶対最大定格値以下であっても瞬間的に絶対最大定格値を超える恐れがあります。必ずオシロスコープ等でピーク(瞬間最大)電流が絶対最大定格値を超えていないことを確認してください。
6.5.サージ対策
LEDに過電圧/過電流が加わるとLEDの破壊を引き起こす恐れがあります。過電圧/過電流の原因としては電源回路からの突入電流や静電気放電等、様々な要因が考えられます。これらのサージからLEDを守るため、電源回路やLED光源基板に保護素子を搭載することをお奨めします。
7.まとめ
LEDの寿命はLEDジャンクション温度によって決まるためLEDの放熱設計及び熱評価が重要になってきます。また個々のLEDや電源回路の特性ばらつきによってもLEDジャンクション温度は変動する可能性がありますので、必ず余裕を持った熱設計を行ってください。本書でご紹介したLED推定寿命資料およびその他の技術資料に関しては弊社営業担当までお問い合わせください。 ight Emitting Diod

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