蛍光灯の発光原理って？白熱電球とLEDの違いは？
灯りは、いつも身近な存在で、私たちの生活を支えています。部屋を明るくするだけではなく、お部屋やオフィス、店舗などの雰囲気作りとして大切な役割を果たしています。しかし、灯りについて知らないことばかりです。蛍光灯の発光原理や白熱電球・LEDなどの光る仕組みの違いも解説していきます。
蛍光灯とは
蛍光灯はさまざまなところで広く使われている電球で、発光しても消費電力が少なく、影が出にくく熱くなりにくいのが特徴です。今はオフィスやどの家庭でも利用されています。白熱電球の生産減少に伴い、電球型蛍光灯も製造されており、ソケットを変えずにそのままで使用できます。
蛍光灯の発光原理と構造
蛍光灯の構造は、電圧が加わる電極から電極に電子が流れる原理になっています。ガラス管の中にある水銀原子にぶつかることによって紫外線を発生させます。
その紫外線がガラス管内部に塗られている蛍光体に当たると赤や緑、青の光が出て、それらが合わさり白い光を発する原理です。蛍光灯の内側の蛍光体が使用期間いっぱいになると暗くなり、使用できなくなります。
蛍光灯の点灯方式①グロースターター形の発光原理
グローランプという蛍光管を使用して点灯させる原理の灯りです。スイッチを押してから点灯まで時間がかかり、チラツキが少し出やすいです。簡単な設計で作られており、購入価格もお手頃なので、さまざまなところで広く使われています。低力率形は、効率が低いので電力がたくさん必要になります。
そのためブレーカーなどの設備を使用します。小さいサイズの安定器で価格が安価です。高力率形は、多少大きいサイズでまた価格も高価になります。力率が高く、効率も高いので電力量、発熱量ともに低いので電気代は安くなります。
蛍光灯グロースターター式の仕組みと回路図解
上記の図解のとおり、グロースターター式の回路は、フィラメントを熱してから放電をし、点灯する原理です。電圧が加わると点灯管にある接点が閉じます。フィラメント両方に電流が流れて、電子放出物質を熱することで電子が放出されます。
高電圧が両方の極にかかると蛍光ランプが点灯する原理です。 点灯している間、電流によって加熱され、電子が放出され続けます。電子点灯管では、電子回路によってスターターの働きを管理して点灯する原理です。
蛍光灯の点灯方式②ラピッドスタート形の発光原理
この点灯方式はスイッチオンから即時に発光する原理の灯りです。この蛍光灯ランプはスイッチを入れるとすぐに発光する原理に改良されています。
蛍光灯ラピッドスタート形の仕組みと回路図解
上記の図解のとおり、仕組みはグロースターター式に比べると重く大きい安定器になります。安定器が電極の予熱と点灯のための高電圧を発生し、蛍光灯にある近接導体の補助によって発光する原理です。
蛍光灯の点灯方式③インバータ形の発光原理
この点灯方式は、軽量で効率がとても良く即時に発光する原理です。高周波によって動くので、高照度となり、目に負担が少なく蛍光灯のチラツキがないやさしいあかりです。調光可能な蛍光灯器具で明るさを自在に操作することで高機能になり、省エネになっています。
蛍光灯インバータ形の仕組みと回路図解
上記の図解のとおり、インバータ形の点灯方式は電子回路によって作られています。電子安定器によって50Hzまたは60Hzの商用電源をまず直流に変えてから、再度20～50kHzの高周波に変えて発光する原理です。高周波による点灯方式でランプ効率がアップし省電力になります。
白熱電球とは
電球と言えばこの白熱電球を思い浮かべる方も多いでしょう。白熱電球は、昔から広く普及している電球で、最も種類が多い電球です。オレンジ色に発光し温かみがあり、くつろぎの空間を表現できるのが魅力です。
白熱電球は価格が安く、熱も発生させるのでペットの飼育や温室、観葉植物の熱源として利用などでは重宝されます。しかし、エネルギー効率が悪いので電気の無駄遣いとなり、省エネ化に伴い生産が減少しています。
白熱電球の仕組みと構造
白熱電球の構造はガラス球の中にフィラメントと呼ばれるタングステン金属が二重らせんになっています。発明された当時は白熱電球のフィラメントには銅を使用し、次に炭化させた竹が利用されていましたが、現在はタングステン金属が利用されています。
白熱電球の仕組みと発光原理
発生させた光を効率よく拡散させたり、より長持ちするようになりました。電極からフィラメントに電流回路を流し、2000℃以上に熱されると白熱化して、電球色と呼ばれるオレンジ色に発光する原理です。
瞬時に点灯するので、頻繁にオンオフする場所に適しています。しかし点灯消灯を繰り返したりするほど寿命が短くなり、消費電力が多く電気代もかかります。
LED電球とは
LED電球はいろいろな場所や物に使用されることが多くなっています。家庭やオフィス街灯や信号機などさまざまな分野での普及が進んでいます。熱線を含まないため電球が熱くならず、一瞬で点灯する原理の灯りです。
点のような光で、テープ型に加工したりイルミネーションなどに用いられ、艶っぽい色合いで立体感のあるメリハリの利いた演出などが出来ます。価格は高価ですが、使用できる期間が約10年と長く、電気代のランニングコストがあまりかからず、とてもコストパフォーマンスに優れた省エネ電球です。
LED電球の発光原理と構造
LEDは通称、発光ダイオードといいます。LED電球の構造は半導体のP型電極とN型電極を結合したものです。電気を流すとN型電極からP型電極に電子が流れて、2つの電気がぶつかることによって発光する原理です。
白熱電球や蛍光灯は電気エネルギーをいったん熱に変えた後に光を放つので、その分たくさんの電気が必要になりますが、LEDは発光する際に、熱をあまり出さないので、効率がよく省エネな構造になります。
LED発光色の原理
LED発光には白、赤、青、緑の光などがあり、LEDチップに使われる化合物よって色が変化する原理です。半導体に使用する化合物はGa(ガリウム)、N(窒素)、In(インジウム)、Al(アルミニウム)、P(リン)、ゲルマニウム(Ge)、ケイ素(Si)、ヒ素(As)などがあります。
化合物によって、異なる波長の光が放出され、LEDの発光色が変化します。白色の光は2色以上の光を混ぜて白色にする方法と赤、青、緑の3原色を混色する方法があります。たくさんの色が表現できるようになり、鮮やかなイルミネーションが増えました。
蛍光灯と白熱電球とLED電球の違い①消費電力
同様の明るさで比べた場合、蛍光灯の消費電力は7W、白熱電球では40W、LED電球では5Wですみます。LED電球が一番消費電力が少なくなります。年間使用すると、消費電力はとても大きな差になります。
蛍光灯と白熱電球とLED電球の違い②寿命の比較
使用時間が電球形蛍光灯はおよそ10000時間、白熱電球はおよそ2000時間、LED電球はおよそ40000時間も使用できる設計になっています。蛍光灯とLED電球を比べると4倍も長く使用できる計算です。蛍光灯を4回取り替えたとき、白熱電球は20回取り替え、そしてようやくLED電球は1回取り替えになるという計算です。
ですが、LED以外の白熱電球や蛍光灯はスイッチのオンオフを頻繁に行うことで2分の1から10分の1程度の寿命へと削られています。LEDの場合には、スイッチのオンオフを行っても、使用時間に影響はほとんどないとされています。
蛍光灯と白熱電球とLED電球の違い③ランニングコスト
白熱電球より、蛍光灯、LEDがすぐれていますが、買い換えに躊躇してしまうのは価格です。蛍光灯は約1000円、白熱電球は約200円、LEDは約2000円。しかし電気代では蛍光灯はおよそ11880円、白熱電球はおよそ58320円、LEDはおよそ8100円とかなりの差ができます。
電気代を節約するなら蛍光灯や白熱電球より、LEDに切り替えたほうが効果的にランニングコストが下げられます。照明の電気代を抑えたい方はLEDに切り替えましょう。
蛍光灯の点灯時間を1日一時間減らした場合は、年間で電気代、約110円の節約。ワット数が少ない分、毎日一時間でも節約効果が少ないです。使わない部屋の電気は、こまめに消す。点灯時間を短くすることで節約できます。
蛍光灯と白熱電球とLED電球の違い④明るさ
蛍光灯や白熱電球は、目安として消費電力のW(ワット)で表示されている場合が多いですがLED電球は、明るさを表すlm(ルーメン)で表示されています。数値が高くなるほど明るくなります。
明るさを維持するためには照明器具などのかさやカバーの掃除がポイントです。白熱電球は全方位に光が広がりますが、蛍光灯やLEDは電球の形、タイプによって光の広がり方が違うので、使用する場所によって選び分ける必要があります。
蛍光灯と白熱電球とLED電球の違い⑤大きさ
LEDは、放熱のためのヒートシンクが付いているため発光部分以外の金属部分が大きくなります。これはLED自体が熱に弱いためです。そのため、電球自体の大きさが蛍光灯や白熱電球よりLEDの方が大きくなる場合が多くなります。交換するときは、ランプシェードのサイズも調べておくことをおすすめします。
蛍光灯と白熱電球とLED電球の違い⑥光の色
白熱電球と違い、蛍光灯やLED電球はシーンに合わせて好きな光色を選べます。主に電球色、温白色、昼白色、昼光色の4種類です。電球色は昔からある白熱電球と同じようなオレンジ色の光です。寝室などリラックスしたい部屋におすすめです。温白色は電球色の温かみのある色と昼白色の明るさも両方とも欲しい方におすすめです。
昼白色は太陽の光のようにナチュラルで自然な光です。ダイニングやリビングなど人が集まる場所におすすめです。昼光色は昼白色より少し青味がかかっていて物や文字が見やすい色です。オフィスや学校など集中したい場所におすすめです。
蛍光灯からLEDに替える時の注意点(図解入り)
省エネならすぐにでもLEDに替えたいと思った方、ご自分で使われている蛍光灯ランプの点灯方式をチェックしてみてください。器具がそのまま使えるものもあれば、工事が必要なものもありますので、上の図解を参考にしてみてください。なお電気工事は有資格者の業者さんにお願いしましょう。
まとめ
近頃では、電球の種類も増え性能が向上しているので、消費電力が少なくなり電気代を抑えられたり、寿命が長いため取り換えの手間を省くことが出来たり、省エネ効果が上がっています。
現代の生活必要な蛍光灯の発光原理などについての回路や構造、仕組みと詳しい専門知識などについて解説してきました。限りある資源を大切に使うために考える機会になれば幸いです。