分解: LED 電球の理論と現実

デュアン・ベンソン 2023 年 8 月 25 日

一般的な家庭用 LED 電球の寿命は 25,000 時間と宣伝されていますが、これは 1 日あたり 3 時間程度の使用で 20 年以上になります。 それは素晴らしいことのように聞こえますが、多くの製品は 30 ～ 60 日間使用すると、過度にちらついたり、まったく電源が入らなくなったりするようです。 確かに、同じ期間内にたくさんの白熱電球 (ILB) が切れました。 しかし、ILB はわずか 2,000 時間の保証ではるかに低コストなので、特に ILB が入手できなくなった今では LED 電球に大きな期待を寄せています。

2023 年 8 月 1 日以降、米国ではほとんどの白熱電球の製造または販売が違法になります。 この法律は、ワットあたり 45 ルーメン未満の光を発する電球を特に対象としています。 家庭用の園芸用電球の明るさが 1 W あたり 10 ～ 12 ルーメン程度で、ハロゲンの最高値が 1 W あたり約 20 ルーメンであることを考えると、事実上白熱灯の禁止となります。 家電製品や他のいくつかの過酷な環境での設置には例外があり、自分の新しい古い在庫について心配する必要はありませんが、使用は禁止されていません。 持っていればいくらでも使えます。

この記事では、数十年の寿命が約束されているにもかかわらず、なぜ一般的な LED 電球の寿命が 30 ～ 60 日しか持たないのかを解明するために、一般的な LED 電球の分解結果を紹介します。

LED 照明には 2 つの期待があります。 まずは電力効率です。 私の家の上の階には26個の電球があります。 通常、すべての器具で 60 W または同等の電力を使用し、合計 1.56 kW になります。 すべてを同じ明るさの LED 電球に交換したら、必要に応じて、大きなバスルームにある 1 つのマルチ電球器具と同じ電力で、24 個の照明すべてを点灯させることができます。 これは、上階全体を照らす電線に流れる 120 V 電力の 3 アンペア未満に相当します。 エンジニアリング志向の人間として、私はこれを安全性に関しては十分な余裕があると考えています。

個人的には、一般的な照明目的では LED 照明のファンです。 自宅の配線にかかる負荷が軽減され、電力使用量が削減されたことに非常に満足しています。 さまざまな色温度を柔軟に選択できるのも優れています。 私はディナーテーブルの柔らかな白と、仕事をする場所の明るい光を楽しんでいます。 もちろん、これだけの選択肢があると、選択肢が多すぎる「第一世界の問題」が生じます。 ホーム デポでは、柔らかな白と昼光に加えて、質素なエジソン ベースで追加の 7 種類の照明を提供しています。これにはスマート電球は含まれていません。

2 番目に挙げられる利点は、LED 電球の寿命です。 LED 電球あたり 4.00 ドルということは、設置されたパフォーマンスが少なくとも宣伝されているパフォーマンスに近づくことを期待します。 私は LED を含むソリッドステートエレクトロニクスをよく理解しているので、理論上の 30 年の寿命が妥当であることがわかります。 しかし、私は大量規模向けの設計の経済性、収益性、製造の現実も理解しています。 これにより、私が経験した早期失敗の多さについていくつかの理論が得られます。 私の推測では、重要な部品 (おそらくコンデンサー) を数ペニー節約できるということになります。

LED は白熱電球に比べて非常に効率的ですが、それでも入力電力の約 60% が熱により失われます。 つまり、9 W (60 W IC 相当) は 5.2 W のヒーターとなります。 大したことのようには聞こえませんが、その熱はすべて密閉されたベースと LED 取り付け基板で発生します。 ILB ははるかに大きな熱負荷に対処する必要がありますが、重要な材料はフィラメントとガラスのエンベロープであり、業界はこれらを改良するのに約 140 年を費やしてきました。

この分解では、設置時間が 60 日未満であった 3 つの LED E26 (エジソンベース) ランプを分解しました。 いずれも連続使用条件下では実行されませんでした。 1 つは、完全密閉型器具での使用を目的とした標準電球です。 他の 2 つは屋内の浸水であり、完全に密閉された設備には適さないとマークされています。

標準サイズの電球は、その電子機器と LED をアルミニウム基板の PC ボード上に配置します。 ランプのベース部分はアルミニウムで裏打ちされており、追加のヒートシンク領域として機能します。 安全のため、ベース部分はプラスチックのシェルの内側にあります。 主電解コンデンサは、ランプベースの空洞内のプリント基板の下に吊り下げられています。 この取り決めで、私は製造アセンブリの品質管理に関する最初の問題を発見しました。