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エッジリット超薄型フラットパネルLEDシーリングライト
LED パネル ライト|エッジリット超薄型フラットパネルLEDシーリングライト
LED パネル ライトは、均一で滑らかで視覚的に快適な直接 (下向き) 照明を提供するために、エッジ照明 LED 技術を利用する薄型の完全発光パネルです。 機能的に言えば、フラットパネルトロファーです。 トロファーは、天井に設置され、光を下向きにのみ分配する正方形、長方形、または線形の照明器具です。 これらは、オーバーヘッド照明器具が周囲およびタスク照明の主な光源であるオフィス、病院、学校、および商業施設で主力製品です。 これらのスペースの照明の目標は、居住者が経済的および環境的な懸念に対処し、建築上の考慮事項を考慮しながら、視覚的なタスクを簡単かつ快適に見ることができるようにすることです。 しかし、従来の照明技術には固有の限界があるため、長い間、これはミッション不可能でした。
従来の光学設計による直接照明のジレンマ
商業および施設空間の一般照明は、90% から 100% のダウンライトを提供する直下型照明器具によって遍在的に提供されます。 一般的な拡散および間接照明システムとは対照的に、直下型照明器具は、水平作業面に光を届けるのに最も効率的です。 多くの場合、吊り天井 (つまり、吊り天井) のある建物に見られる、天井の高さが低いスペースでは、これが唯一の選択肢となります。 ただし、オフィス、教室、実験室などの作業量の多いスペースで高品質の照明を実現するには、単に照度レベルを指定するだけでは不十分です。 グレア、影、およびその他の望ましくない視覚効果を軽減することも同様に重要です。 人々が仕事や学習に長時間を費やす屋内空間では、照明は設計の重要な要素であり、組織の生産性、タスクの集中、環境と仕事の満足度、社会的相互作用、美的認識、安全とセキュリティを向上または低下させる可能性があります。
これまで、従来の方法で設計された照明器具による直接照明は、均一性を改善し、不快なまぶしさを減らすという課題に直面していました。 リフレクター、ディフューザー、レンズ、ルーバーなどのさまざまな光学部品が、不要な視野角からのグレアを制御したり、放射インターフェースの過度に高い輝度を低減したりするために使用されてきました。 ランプベースの蛍光発光体の光学システムは、かなりかさばり、非効率的です。 LED は、直接照明器具の設計において特に困難な場合があります。 LED は、その設計と動作の性質上、集中した光出力を生成する高光束密度の光源です。 拡散シールドを使用しても、これらのピンポイント光源は、照明器具の視覚的な魅力を損なう集中光のホット スポットを作成する可能性があります。 高レベルの拡散は、大量の散乱損失により、LED 光の透過に影響を与えます。 このように、従来の直接照明の光学設計では、さまざまな妥協が必要でした。
エッジライト技術
エッジライト技術は、導光技術とLEDならではの特性を活かした技術です。 小型 LED のアレイは、ライト ガイド パネル (LGP) の 2 つまたは 4 つのエッジに沿って配置されます。 LED から放射された光は LGP に結合され、全反射 (TIR) によってライト ガイド内を必要な距離だけ伝送されます。 ライト ガイドには、ライト ガイドによって取り込まれた光を逃がすための遮断ポイントがあります。 これらの光抽出ポイントは、後方のリフレクターの背後で漏れた光を均一に分散できるように分散されています。 ライト ガイドは、光のランバート分布を提供するオパール ディフューザーに向かってビームを屈折させます。 全反射、屈折、およびランバート散乱の光学的組み合わせにより、エッジに取り付けられた LED から放射される高強度の光を均一に抽出し、放射面全体に分散させることができます。
エッジライト LED 照明の出現により、メンテナンスの手間がかかる蛍光灯や視覚的に不快な直接照明の LED 照明器具を捨てるのに今が最適な時期です。 エッジリット技術により、照明器具の設計者は LED 点光源を使用した面発光デバイスを作成できます。 ライトパネルの全範囲にわたって、強い影のない柔らかく快適な輝度は、従来のデザインでは不可能だった、これまでにない視覚的な快適さを提供します。 エッジライト LED パネルは、一般的な照明アプリケーションで非常に望まれる非常に均一な配光を生成します。 側面発光設計により、ライト ガイド内での色の混合が可能になります。これにより、LED 間に色の偏差がある場合に直接照明 LED 照明器具で明らかになる可能性がある色の均一性の問題に対処できます。
ディフューザーを使用する直接照明 LED 照明器具では、LED の過酷なホット スポットを避けるなど、LED モジュールをディフューザーから最小限の距離で配置する必要があります。 エッジライト光学システムではこのようなセットバック距離が不要になり、LED が照明器具の側面に取り付けられるため、LED パネル ライトは奥行き 10 mm 未満の超薄型にすることができます。 超薄型プロファイルにより、非常に浅い天井のプレナムに設置できます。
工事
エッジライト LED パネル ライトは、多層光学アセンブリとアルミニウム フレーム アセンブリで構成されています。 多層光学システムは、典型的には、底部拡散板、導光板、および白色反射板を含む。 光学アセンブリと、光学アセンブリを保護するスチール製の上部バックプレートは、スロット付きのアルミニウム フレームで固定されています。 アルミフレームの内側に、LEDの発光面をライトガイドの入射端に向けてリニアLEDモジュールを搭載。 アルミニウム フレームは、光学アセンブリの機械的サポートを提供し、LED モジュールを収容して LED を直視しないようにシールドし、LED の半導体接合部から廃熱を逃がすヒートシンクとして機能します。
ライトガイドパネル (LGP)
ライト ガイドは、エッジ照明 LED パネル ライトの測光性能において重要な役割を果たします。 LED から放出された光を捕捉して伝送し、それを均一なビーム マトリックスで目的の方向に抽出します。 LED光の捕捉効率を最大にするには、ライトガイドの光入射端を、結合するLEDの放射パターンとパッケージ構成に一致する結合インターフェースで設計する必要があります。 一般的な方法は、少なくとも LED の LES と同じ厚さの LGP 上の研磨された結合面に近接して、非レンズ SMD LED パッケージを配置することです。 ライト ガイドの TIR 効率は、材料の屈折率とガイド境界面の反射率によって決まります。 屈折率と反射率が高いほど、TIR 効率が高くなります。 ライトガイドの最も重要な要素は、光抽出ポイントの光学パターンです。 光の抽出は、ライト ガイドの効率と LED パネルの配光を決定する主な要因です。 光学パターンは、レーザー エッチング、熱エンボス加工、射出成形、または印刷することができます。 V カットの溝、エッチングされたドット、印刷されたドット、およびピクセルベースの要素は、LGP で一般的に使用される光抽出パターンです。
側面からLEDがポンピングするLGP（Yongtek提供の画像）
LGP は、ポリカーボネート (PC) やアクリル (PMMA) などの光学的に透明なポリマーでできています。 ポリカーボネートは、アクリル樹脂に比べて熱安定性、耐発火性、耐久性に優れています。 ただし、アクリルは、比較的低コストで、光透過率が高く、UV 安定性が高いため、LGP の主要な材料の選択肢です。 アクリルの欠点は、操作温度が高く吸水率が高い条件下で変色する傾向が高いことです。 アクリル LGP の耐用年数は動作環境に応じて 4 ～ 8 年ですが、ポリスチレン (PS) 製の LGP は、ポリスチレン ポリマーの光安定性と熱性能が低いため、2 年で黄色になります。 文字通り照明器具の寿命を告げる急速なポリマー変色の可能性が高いにもかかわらず、PS LGP は、PC やアクリル LGP とは対照的にコストが大幅に低いという理由だけで、エントリーレベルの市場向けに作られた LED パネル ライトで依然として広く使用されています。
ルーメンのメンテナンス
エッジライト LED パネル ライトは、SMD 2835、3014、4014、3528、5630、2016 などを含むさまざまなタイプの中出力 LED を使用します。これらの LED はプラスチック リード チップ キャリア (PLCC) パッケージであり、パッケージプラットフォームには、さまざまな品質があります。 PLCC パッケージは通常、反射性プラスチック キャビティとリードフレーム メッキにより高効率の光抽出が可能になるため、初期効率が高くなります。 ただし、PLCC パッケージは、特に LED パネル ライトが、他の大量生産された室内照明製品と同様に、中品質または低品質の LED を使用することが多いことを考えると、急速なルーメン減価を示す可能性があります。 反射キャビティ用のポリフタルアミド (PPA) やポリシクロヘキシレンジメチレン テレフタレート (PCT)、銀メッキのリード フレーム、蛍光体、封止材などのパッケージ材料は、高い熱ストレスや環境ストレスによって劣化する傾向があります。
LED パネル ライトのルーメン メンテナンスは、一般に、LED ルーメン メンテナンス、熱管理、および駆動電流の 3 つの変数に依存します。 LM-80-15 テスト条件下 (ケース温度 55 度または 85 度) で光源のルーメンを長く維持することは、長いシステム寿命の前提条件です。 エポキシ モールディング コンパウンド (EMC) などの改良されたプラスチック樹脂により、中出力 LED をより高い温度で動作させることができます。 LED の熱管理は、アルミニウム フレームの伝導および対流冷却性能によって決まります。 アルミニウム フレームは、その熱伝達率が負荷率 (熱エネルギーが LED の接合部に導入される) を上回ることを保証するために十分な表面積を持つ必要があります。 LED のオーバードライブによる熱の蓄積を防ぐために、駆動電流を適切に管理する必要があります。
色の安定性
ルーメンの減価償却と比較して、カラー シフトはエッジライト LED パネル ライトの懸念事項です。 熱劣化、光酸化などの劣化メカニズムは、プラスチック LED パッケージだけでなく、ポリマー材料で作られた多層光学システムでも発生します。 したがって、LED パネル ライトは、他のタイプの LED 照明器具よりも多くの劣化メカニズムを受ける可能性があります。 通常、ルーメンの減価とカラー シフトは、これらの障害メカニズムの同時発生の結果です。 ルーメンの減価償却は時間の経過とともに光束が徐々に減少することですが、カラー シフトは重大な変色を引き起こし、光の質を許容できないものにする可能性があります。
カラーシフトの方向は、アクティブな劣化/劣化メカニズムを示すことができます。 青色方向へのシフトは、プラスチック樹脂の変色、蛍光体の量子効率の損失、飽和フラックス レベルを超える蛍光体の動作、蛍光体の沈降と沈殿、蛍光体とバインダーの界面の亀裂などの機械的損傷に関連している可能性があります。 ライトガイド、レンズ、ディフューザーの光酸化と熱劣化により、色が黄色方向にシフトします。 蛍光体の効率の増加は、黄色方向へのカラーシフトを伴う場合もあります。 グリーン シフトは、発光強度をより短い波長にシフトする窒化物赤色蛍光体の酸化など、蛍光体の化学変化の指標です。 赤方偏移は、おそらくシリコーン/YAG蛍光体複合材料の熱老化または一部の蛍光体の消光による、蛍光体のスペクトル変化に起因する可能性があるという点で、緑方偏移といくらか類似しています。
湿気の侵入は、多くの場合、LED のスペクトル変化を促進する可能性があります。 ほとんどの LED は、透水性の高いシリコーン バインダーを使用しています。 LED パネル ライトが高湿度の環境で動作する場合、湿気がシリコン/YAG 蛍光体複合材料の内部に拡散する可能性があります。 水分が存在すると、窒化赤色蛍光体が酸化され、暖白色 LED 発光の色が緑色のスペクトル領域にシフトします。 吸湿は、ダイとシリコン封止材の間の界面剥離の主な原因であることが知られています。 チップと蛍光体の間に生じる空隙は、青色光子のより長い波長への追加のダウンコンバージョンを必要とします。 これにより、最終的に黄色の方向に色がシフトします。
色温度
LED パネル ライトは、影を埋め、方向を示し、ビジュアル パフォーマンスをサポートする一般的な照明を提供するために使用されます。 これらのオーバーヘッド照明器具から放出される光の色は、空間の配色の基礎を築きます。 配色は、空間の快適さと雰囲気の主観的な解釈に影響を与えます。 優れた照明は、素晴らしい雰囲気を醸成し、視覚的に心地よい環境を作り出すだけでなく、生物学的にプラスの効果をもたらし、光生物学的危険をもたらしません。 これらすべての照明の設計目標は、光の相関色温度 (CCT) と密接に関連しています。 冷白色光の使用は、LED パネル ライトが設計されている商業、オフィス、教育、および小売りの用途で十分に正当化されます。 しかし、教育を受けていない消費者は、蛍光灯が提供する非常にクールな白色光に慣れています。 LED はスペクトル出力の柔軟性が高いという事実にもかかわらず、アジアのメーカーは、コストと効率を考慮して、CCT の高い製品を販売し続けています。
人間は、CCT が 5300 K を超える光に長時間さらされるべきではありません。CCT は青色光の含有量を高度に予測します。 暖白色光には、その光スペクトルに含まれる青色の波長が少なくなります。 冷白色光は青色成分が豊富です。 CCT スケール (6000 K から 6500 K) の低温側の白色光は、通常の行動制限 (リスクグループ 1) の下では光生物学的危険を引き起こしません。 ただし、光放射の安全性が保証されているわけではありません。 過度に高輝度、高 CCT 照明の環境では、嫌悪反応をまだ発達させていない乳児などの一部の集団は、青色光障害の危険にさらされる可能性があります。
高 CCT 照明のより実際的な懸念は、概日リズムの乱れです。 人々は夜遅くまで仕事や勉強をすることがよくあります。 夜間や暗闇の条件下では、松果体は体の代謝プロセスに関与するメラトニンを放出します. 青の割合が非常に高い冷白色光は、メラトニンの放出を抑制し、昼夜のリズムを乱し、代謝機能に影響を与えます. 実際、適度に冷たい白色光 (約 4100 K) は、ドーパミン、コルチゾール、およびセロトニンの放出を促進して、パフォーマンス、活力、および集中力を向上させる一方で、メラトニンの抑制を維持し、日中の眠気を軽減するのに十分な青色含有量を持っています。
調整可能な白色照明
光の生理学的および心理的影響に関する新たな研究は、CCT 調整可能な照明器具の設計に前例のない刺激を与えています。 調整可能な白色 LED システムは、温白色から冷白色まで可変の色温度制御を提供します。 調整可能な白色ソリューションを使用すると、ヒューマン セントリック ライティング (HCL) の概念を実装して、人間の健康、幸福、パフォーマンスをサポートできます。 光レベルの動的な変化と自然光の CCT は、体内時計のシステムとして人間の生物学に遺伝的に登録されており、概日リズムとして知られています。 概日リズムが乱れると、体内の生物学的プロセスが中断され、健康に悪影響を及ぼします。 たとえば、2700 K から 6500 までの連続的に調整可能な色温度の範囲により、人間の概日リズムを 1 日の自然な流れと同期させるのに役立つシーンの作成が可能になります。 調整可能な白色照明により、さまざまなイベントやタスクに特定の雰囲気を設定できるため、心理的に刺激的な環境を作り出すこともできます。 調整可能な白色照明は、異なる CCT の LED の混色によって実現されます。 LED は、DALI、DMX、または 0-10V を含むさまざまなプロトコルによって制御可能なマルチチャンネル ドライバーによって操作されます。
演色性
LED パネル ライトの演色性能は、アプリケーションの特定のニーズに基づいて、コストと効率と比較検討されます。 光源が自然光と比較してオブジェクトの色をどれだけ正確に表示するかは、そのスペクトル パワー分布 (SPD) によって異なります。 LED が色を忠実に再現する光を生成するためには、半導体ダイから放出される大量の短波長を長波長にダウンコンバートして、飽和色を表現する必要があります。 波長ダウンコンバージョンにはストークスエネルギー損失が伴い、最終的に発光効率が低下します。 可視スペクトル全体でかなり広い放射パワーを提供するには、より多くの変換蛍光体を使用する必要があり、これにより LED パッケージのコストが増加します。
一般的な照明製品の演色性は平凡で、LED パネル ライトも例外ではありません。 80 の演色評価数 (CRI) は、LED パネル ライトの典型的な値です。 この演色性能は、色が重要でないタスクを実行するのに十分です。 ただし、多くのタスクでは、光源の高い演色性が必要です。 80 CRI LED は、飽和カラー ゾーンでの波長の欠落または不十分な量のために、色の歪みを引き起こすことがよくあります。 快適な空間と自然な色を実現するには、CRI が 90 以上の LED パネル ライトを使用する必要があります。 一般的な CRI には反映されない飽和色 (R9 ～ R14) のレンダリング パフォーマンスも、最小要件を満たす必要があります。
色の均一性
LED パネル ライトを 1 つのプロジェクトに大量に設置する場合、照明器具ごとの色の違いを照明器具の設計に考慮する必要があります。 複数の照明器具間で色の違いが目立たないようにするために、空間内に設置されたすべての照明器具で使用される LED は、色度 (色温度) と、場合によっては光束と順方向電圧についてビニングされます。 5 から 7 の MacAdam 楕円 (5 - 7 SDCM) は、現在、一般的な照明用途における色変動の許容範囲を表しています。
グレアコントロール
LEDパネル照明は発光面が大きいため、水平付近の全視野角で発光パネルを真上から見た場合と同等の高輝度です。 大規模なオフィスでは、これにより不快なまぶしさだけでなく、鏡面反射型 VDT 画面での反射が発生する可能性があります。 この問題に対処するために、マイクロプリズム拡散板が多層光学系に追加されます。 マイクロ プリズム ディフューザーは、ピラミッド、六角形、三角形の尾根などの幾何学的構造を特徴としています。 プリズム構成により、より高い角度での視野からのまぶしさを遮蔽することができます。 高い視覚的快適性が最優先される場合、LED パネル ライトは 19 以下のユニファイド グレア レーティング (UGR) を提供するように設計されています。
UGR < 19 LED パネル ライト (マイクロ プリズム ディフューザー)
Powersave Solutions Italia 提供の画像
LEDドライバ
LED パネル ライトは、スイッチング モード電源 (SMPS) を介して定電流出力を提供するリモート ドライバによって駆動されます。 典型的なドライバ構成では、ブリッジ整流器が入力 AC 電源を DC 電源に変換します。 変動またはリップルとして出力に現れる AC 入力の残留物は、コンデンサによって平滑化されます。 アクティブな力率補正 (PFC) 回路がブリッジ整流器の出力に配置され、位相誤差を補正して高調波を低減します。 スイッチング レギュレータは、降圧、昇圧、昇降圧、フライバック、または SEPIC などのトポロジを使用して、LED 負荷に供給される電流出力を厳密に調整および制御します。 スイッチング レギュレーションによって電磁干渉 (EMI) が発生しますが、これは回路の追加と回路基板の慎重な設計によって抑える必要があります。
SMPS ドライバは、費用対効果の高いシングル ステージ システムまたは最先端のダブル ステージ システムとして設計されています。 シングル ステージ ドライバは、PFC と DC-DC コンバータの機能を 1 つの回路に統合します。 2 段ドライバには、AC-DC/PFC および DC-DC レギュレーション用の 2 つの別個の回路がそれぞれ含まれています。 シングルステージ回路は単純ですが、通常、大きな電流リップルに悩まされます。 2 段階の設計は、部品点数が多く、回路が複雑で、製造コストが高いという課題があります。 ただし、このタイプのドライバは、リップルが非常に小さく、入力 AC 電力の大きな変動を処理する、正確に調整された DC 電圧を負荷に供給することができます。
LED パネル ライトの連続調光は通常、アナログ調光とも呼ばれる定電流低減 (CCR) 調光を使用して実現されます。 CCR 方式は、LED に供給される駆動電流を変化させることによって光出力を調整します。 多くの場合、調光回路は 0-10V プロトコルによって制御されます。 0-10V 制御のドライバーは、通常、10% までのスムーズな調光を提供します。 調光範囲全体で一貫した CCT を必要とするアプリケーションでは、パルス幅変調 (PWM) が有効なアプローチです。 PWM ドライバは、さまざまな幅のデジタル パルスを提供して LED を調光します。
ちらつき
LED ドライバは、高効率で動作するだけでなく、LED 負荷に供給される出力電流のリップルを最小限に抑えるように設計する必要があります。 残留リップルは、電力線周波数の 2 倍の周波数 (たとえば、120 Hz または 100 Hz) での光のちらつきの原因です。 ちらつきに長時間さらされると、人間の目に負担がかかり、視覚的作業のパフォーマンスが低下し、一部の集団では頭痛、片頭痛、てんかん発作などの症状を引き起こすことさえあります. 通常、整流後の交流波形の抑制が不完全なため、低コストのシングル ステージ ドライバによって生成される出力に大きな電流リップルが発生します。 多くの場合、コストが光の品質を上回るという事実にもかかわらず、特に LED パネル ライトの発光面が大きく、視野に入ることが多いことを考えると、光のちらつきを厳密に制御する必要があります。 滑らかな光出力を得るには、電流リップル値を最小 (±10% 未満) に減らす必要があります。 照明器具が 120 Hz の周波数で動作する場合、フリッカーのパーセンテージ (フリッカー変調) は 10% 未満、できれば 4% 未満である必要があります。
サイズと取り付け
吊り天井に取り付けるように設計されたほとんどのエッジライト付き LED パネル ライトの公称サイズは、2' x 2' または 600 x 600 mm です。 2' x 4' または 600 x 1200 mm も一般的に提供されるサイズです。 実際の照明器具のサイズは少し小さめです。 LED パネル ライトには、T グリッド天井システムに統合するための取り付けオプション、またはアクセサリ フランジ キットを使用して乾式壁または石膏に取り付けるための取り付けオプションが付属しています。 これらの薄型照明器具は、アクセサリ フレーム キットを使用して表面に取り付けたり、航空機のケーブル マウントを使用して吊るしたりすることもできます。
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