表面実装LED（SMD LED）は、半導体チップに電流を流すことで機能し、エレクトロルミネッセンスによって光を放出します。これらのコンパクトなLEDは回路基板に直接はんだ付けされ、一般的な動作電圧は2Vから3.5Vの範囲で、電流は20mA前後です。チップは（白色LEDの場合は）蛍光体コーティングが施されたプラスチックハウジングに収められており、光を効率的に反射し、1ワットあたり最大100ルーメンの明るさを提供します。その小さなサイズ（例：5050 SMDの3.5mm x 2.8mm）と低い熱出力により、現代のエレクトロニクスに最適です。
基本的なLEDの構造
一般的なSMD LEDの寸法は、1.6mm x 0.8mm（0603サイズ）から5.0mm x 5.0mm（5050サイズ）の間で、明るさはモデルによって3から150ルーメンの範囲です。内部の半導体チップ（通常は窒化ガリウムまたは類似の材料で作られています）は、電気を光に変換し、古い白熱電球よりもはるかに優れた1ワットあたり80から200ルーメンの効率を持っています。
SMD LEDの核は、主に3つの部分で構成されています：
ダイは実際の光を放出するコンポーネントであり、通常幅0.2mmから1.0mmで、反射性のセラミックまたは金属ベースに取り付けられています。電流が流れると、電子がギャップを飛び越え、光の基本粒子である光子としてエネルギーを放出します—これはエレクトロルミネッセンスと呼ばれるプロセスです。白色LEDの場合、黄色の蛍光体層が青い光の一部を暖かい色調に変換し、2700K（温白色）から6500K（昼光色）の間の色温度を達成します。
一部のSMD LEDは120度の視野角を持ち、広い照明に適していますが、他のLEDはスポット照明のために光をより狭い30度のビームに集中させます。熱放散は非常に重要です—不十分な熱管理は、LEDの50,000時間の寿命を半分に短縮する可能性があります。そのため、高出力SMD LEDは、ダイから熱を遠ざけるために銅またはアルミニウムの基板を使用することがよくあります。
SMD LEDの主な利点は、その低い動作電圧です—ほとんどが2.8Vから3.4Vの間で、20mAから350mAの電流で動作します。これにより、エネルギー効率が高く、古い照明技術よりも60-80%少ない電力を消費します。その小さなサイズは高密度レイアウトも可能にし、単一の回路基板に1平方インチあたり数百個のLEDを搭載できるため、超薄型ディスプレイや明るく均一なバックライトが可能になります。
| コンポーネント | 材料/サイズ | 主な機能 |
|---|---|---|
| 半導体ダイ | 窒化ガリウム（0.2-1.0mm） | 電気を光に変換する |
| 蛍光体コーティング | YAG:Ce（白色LED用） | 色温度を調整する |
| 封止 | エポキシ/シリコーン | ダイを保護し、光の分散を制御する |
| 基板 | セラミック/アルミニウム | 熱を放散し、寿命を延ばす |
古いLEDとは異なり、SMDバージョンはかさばるプラスチックドームに依存しません。代わりに、そのフラットな設計により、PCBへの直接はんだ付けが可能になり、スルーホールLEDと比較して組み立てコストを15-30%削減します。一部の高度なモデルでは、単一のパッケージに複数のダイ（RGBまたは白色）が統合されており、追加の配線なしでフルカラーディスプレイが可能になります。
電流が光を生成する方法
エネルギーの90%を熱として浪費する古い白熱電球とは異なり、LEDは電気エネルギーの最大50%を可視光に変換するため、はるかに効率的です。これは、窒化ガリウム（GaN）やインジウム窒化ガリウム（InGaN）などの材料で作られた小さな半導体チップの内部で発生し、電子と「正孔」（不足している電子）が衝突して光の基本粒子である光子を放出します。
LEDに2Vから3.5Vの電圧を印加すると、電子がマイナス側（n型半導体）からプラス側（p型半導体）に飛び移ります。これらの層間のエネルギーギャップが光の色を決定します。たとえば、2.1Vの降下は通常赤色光を生成し、3.2Vは青色を生成します。白色LEDは少し工夫しており、青色光（波長約450nm）から始まり、それを黄色の蛍光体コーティングに通すことで、両方を混合して白色を生成します。蛍光体の正確な組成は色温度を調整し、2700K（温白色）から6500K（昼光色）の範囲になります。
プレミアムなGaNベースのLEDは1ワットあたり200ルーメンに達することができますが、安価なものは80 lm/Wしか管理できない場合があります。ここでは熱が敵です—接合部温度が10°C上昇するごとに、LEDの明るさは2-5%低下し、寿命は15-20%短縮されます。そのため、高出力LEDは、標準のエポキシよりも熱を3倍よく伝導するサファイアや炭化ケイ素などの基板を使用します。
電流制御は非常に重要です。少なすぎると（10mA未満）、LEDは暗いままであり、多すぎると（小さなSMDで350mA以上）、すぐに焼損します。ほとんどのLEDは20-150mAで最適に動作し、順方向電圧は色によって異なります：
- 赤/オレンジ/黄色：1.8–2.2V
- 緑/青/白色：2.8–3.4V
電流を毎秒数千回（例：1kHzの周波数）オン/オフすることで、LEDは30%のデューティサイクルで暗く見えますが、同じ色合いを維持します。これにより、電流を減らすと青色LEDがわずかに紫色に変わる可能性があるアナログ調光によって引き起こされる色ずれが回避されます。
興味深いことに、すべての光子がLEDから放出されるわけではありません。内部反射により、20-30%の光がチップ内に閉じ込められます。ハイエンドのLEDは、マイクロレンズアレイやテクスチャード加工された表面でこれに対抗し、光抽出を15-40%向上させます。他のものは、光を放出する層が基板に近づくフリップチップ設計を使用して、ワイヤーボンドからの損失を削減します。
その結果は？照明に革命をもたらした技術です。単一の3W SMD LEDは、40Wの白熱電球を置き換えることができ、25倍長持ち（50,000時間対2,000時間）し、85%少ないエネルギーを使用します。次に、SMD LEDをかさばる前任者と比較し、なぜこのフラットな小さな四角形が優勢になったのかを見ていきましょう。
SMD 対 従来のLED
明るさと効率
- 従来のLED（例：5mm丸型）：
- 出力：20mAで2-5ルーメン
- 視野角：30-60°
- 効率：80-100 lm/W
- SMD LED（例：5050サイズ）：
- 出力：20mAで15-20ルーメン（3-4倍明るい）
- 視野角：120°（より広いカバレッジ）
- 効率：最大200 lm/W（2倍効率的）
サイズと設計の柔軟性
- 従来のLED：
- かさばる（直径5mm × 高さ8mm）
- PCB上に10mm以上の間隔が必要
- 例：スマートフォンのバックライトには30個のスルーホールLEDが必要だった
- SMD LED：
- コンパクト（例：3.5mm × 2.8mm）
- 60-80%小さいPCBフットプリント
- 同じスマートフォンのバックライトがわずか10個のSMDを使用
熱性能と寿命
- 従来のLED：
- エポキシシェルが熱を閉じ込める → 50mAで100°C
- 実世界での使用で寿命が50%短縮
- 定格50,000時間（ただし、実際には25,000時間であることが多い）
- SMD LED：
- ダイと金属の直接結合 → 20-30°C低い温度
- 高出力バリアントは700mAで連続的に処理
- 高電流でも50,000時間以上を維持
コストと製造
- 単位コスト：
- 従来型：$0.02–0.05
- SMD：$0.03–0.08（わずかに高い）
- 組み立ての節約：
- 従来型：手動/ウェーブはんだ付け（LEDあたり$0.10–0.15）
- SMD：自動ピックアンドプレース（LEDあたり$0.01–0.03）
- 10,000ユニットあたり$800–1,200を節約
- 破損率：
- 従来型：15-20%（取り扱い中のリードの損傷）
- SMD：ほぼ0%（フラットで壊れやすいリードがない）
色の均一性と信頼性
- 従来のLED：
- 20-30nmの波長変動（目に見える色合いの違い）
- 色の一致が不十分（医療/CRI >95のニーズを満たすことはめったにない）
- SMD LED：
- 5-10nmの許容範囲（自動蛍光体コーティング）
- 3ステップMacAdam楕円内の90%（正確な色の均一性）
耐久性（熱および耐振動性）
- 従来のLED：
- 1,000回の熱サイクル（-40°Cから+85°C）後に12-15%の故障率
- 20Gの振動で故障（リードの疲労）
- SMD LED：
- 同じ条件で3%未満の故障率
- 100時間以上50Gの振動に耐える
実世界の節約
- 街灯の例：
- SMDは（従来型と比較して）器具あたり年間500 kWhを節約
- 20-30%高い初期費用は、18か月未満で回収される
- インジケーターの使用：
- SMDの寿命：3-5年
- 従来型の寿命：1-2年（50mA連続時）
SMDが支配的である理由（現代の照明の90%）
✔ より小さく、より明るく、より効率的
✔ 長寿命とより良い熱管理
✔ より低い組み立てコストとより高い信頼性
✔ 優れた色の均一性
✔ 商業/産業用途で実証済みのROI
一般的なサイズと仕様
命名規則は簡単です：
- 2835 LED = 2.8mm × 3.5mm
- 5050 LED = 5.0mm × 5.0mm
しかし、寸法だけでは性能を定義しません。
小規模LED（インジケーターとバックライト）
- 0402 LED（0.4mm × 0.2mm）
- 電流：10-15mA
- 出力：2-3ルーメン
- 用途：スマートフォンステータスインジケーター（スペース < 1mm²）
- 1608 LED（1.6mm × 0.8mm）
- 電流：20mA
- 出力：5-8ルーメン
- 用途：スマートウォッチのバックライト
ミッドレンジLED（一般照明）
- 2835 および 5050 LED
- 出力：20-50ルーメン
- 電流：60-150mA
- 視野角：120°
- 高出力バリアント：300-700mA（ヒートシンクが必要）
色と電圧のバリエーション
- 温白色（2700-3000K）：蛍光体損失のため、冷白色（5000-6500K）よりも5-10%低い出力。
- RGB 5050 LED：
- 3つのダイ（赤：620-625nm、緑：520-525nm、青：465-470nm）を含む
- 個々の出力：色あたり7-10ルーメン
- 結合された白色光：500-800mcd
- 順方向電圧の違い：
- 2835 温白色：2.8-3.2V
- 3528 青色：3.0-3.4V
- 直列 vs. 並列の考慮事項：
- 10 × 3V LEDを直列に接続 → 30Vドライバーが必要
- 並列設定 → 正確な電流レギュレーションが必要
熱と効率の要因
- 5630 パッケージ（5.6mm × 3.0mm）
- 150mAで3528よりも15-20°C低温で動作
- より良い熱放散により10-15%長寿命
- 明るさのビンが重要：
- トップビン3014 LED（3.0mm × 1.4mm）：30mAで12ルーメン
- 標準ビン：30mAで9ルーメン（25%の違い）
- 器具に必要なLEDの数に影響する
寿命と実世界の性能
- 定格50,000時間（25°Cで適切な電流レギュレーションの場合）
- 実世界（85°C周囲温度）：約30,000時間
- 7030 パッケージ（7.0mm × 3.0mm） – セラミック基板は、105°Cでも60,000時間後に90%の出力を維持
マイクロLED（次世代ディスプレイ）
- サイズ：0.1mm²未満
- 電流：1-5mA
- 明るさ：5,000-10,000 nit（屋外で読み取り可能）
- 密度：500+ LED/cm²（スマートフォン画面での4Kを実現）
- コスト：標準SMDアセンブリよりも30-50%高い
重要なポイント
- サイズは熱性能と明るさに影響する
- 電圧と電流の要件は色とパッケージによって異なる
- 高出力LEDにはヒートシンクが必要
- ビン等級は実際の光出力に影響する
- 高温環境では寿命が短くなる
- マイクロLEDは超高解像度ディスプレイを可能にするが、コストが高い
典型的な回路接続
適切かつ不適切な駆動の違いは、動作寿命が50,000時間になるか5,000時間になるかを意味する可能性があります。
5V電源上の20mAの3V白色LEDの場合、（5V – 3V） / 0.02A = 100オームの抵抗が必要で、0.04Wを放散します。これは低電流インジケーターには機能しますが、高電力では非効率的になります—150mA LEDは0.45Wを熱として浪費し、効率を70%未満に低下させます。そのため、定電流ドライバーが100mAを超える負荷では抵抗器に取って代わります。
スイッチングレギュレーターは効率の問題を解決します。24Vから10個の3V LEDを直列に駆動する降圧コンバーターは、必要な30Vのみを供給することで90-95%の効率を達成します。これらは、入力変動（20Vから30V）にもかかわらず1-3%の電流変動を維持し、自動車やバッテリー駆動のアプリケーションにとって重要です。Mean Well LDDシリーズ（350mAドライバー、$1.50–2.00）は、抵抗回路と比較してエネルギー節約により6-12か月で回収されます。
同じバッチのLEDでも5-10%の順方向電圧の変動が見られます。抵抗器なしで3.3Vに5個の3V LEDを並列に接続すると、電流の占有が発生します—1つのLEDが120mAを消費する可能性があり、他のLEDは80mAになり、不均一な明るさと加速された劣化につながります。解決策：
- 個別の抵抗器（例：20mA LED用の22オーム）
- 各ブランチを個別に調整するマルチチャネルドライバー（例：TI TLC5916）
500mA LEDを1kHzでパルス（30%デューティサイクル）することで、色ずれなしで150mAの平均電流を達成します。AL8805のようなハイエンドドライバーは25kHz PWMをサポートし、ちらつきを排除しながら0-100%の調光を可能にします。トレードオフは？PWM回路はBOMに$0.30–0.50を追加しますが、スマート照明での滑らかな日の出効果などの機能を可能にします。
3W LED（3.4Vで700mA）は2.4Wの熱を生成し、受動冷却のために1ワットあたり1平方インチの2oz銅を必要とします。不十分な場合、接合部温度は25°Cから85°Cに上昇し、順方向電圧が0.1V低下します—これにより電流が15-20%増加し、抵抗器の計算が狂います。熱フォールドバック回路は、冷却が失敗したときに電流を減らすことでこれを緩和します。
50個のLEDを備えた5メートルの12Vストリップは、電圧降下に悩まされます—最初のLEDは12.0V、最後のLEDは10.4Vになり、20%の明るさのグラデーションが生じます。解決策：
- より高い電圧（24Vまたは48V）
- 電圧降下を5%未満に保つための5メートルごとの電力注入（18AWGケーブル）。
