一つや二つの LED は電力系統にとって取るに足りません。しかし都市全体のライトアップや、ビル一棟のメディアファサードが同時に電力系統につながると、その電源品質は大きな問題になります。非線形な LED ドライバは高調波電流を発生させ、系統を汚染し、損失を増やします。本稿では LED の電源品質——高調波、力率、そして国際規格が引くレッドラインを取り上げます。
一つや二つの LED は電力系統にとって取るに足りません。しかし都市全体のライトアップ、ビル一棟のメディアファサード、一つの大型ランタンフェスティバルが同時に電力系統につながると、その電源品質は大きな問題になります。
非線形な LED ドライバは高調波電流を発生させ、系統を汚染し、損失を増やし、他の機器に干渉します。本稿では LED の電源品質——高調波、力率、そして国際規格が引くレッドラインを取り上げます。これは大規模照明プロジェクトが見過ごせない一課です。
高調波電流：LED が系統にもたらす見えない汚染
理想的な交流電流は純粋な正弦波です。しかし LED ドライバは非線形負荷です。電力系統から電流を取り込む方法が滑らかな正弦波ではなく、電圧のピーク付近に集中したパルスになります。
この歪んだ電流は、数学的には基本波に加えて一連の高調波（第 2 次、第 3 次、第 5 次……）に分解できます。高調波電流は見えない汚染であり、次のような影響を及ぼします。
- 変圧器や配線の損失を増やす
- 電圧波形を歪ませる
- 同じ系統上の他の感度の高い機器に干渉する
一つの LED の高調波は取るに足りませんが、数千、数万が集まれば、局所的な系統に無視できない影響を与えます。
IEC 61000-3-2：高調波のレッドライン
この汚染を制御するため、国際的に明確な規格があります。IEC 61000-3-2 は高調波電流の放出を制限する国際規格で[1]、入力電流が各相 16A 以下の機器を対象に、第 2 次から第 40 次高調波の最大値を規定します。
鍵は、照明機器が Class C に分類されることで、専用の高調波制限値があります[1]。これは、LED を大量に使うプロジェクトが、ドライバをこれらの制限値に適合させなければ、認証を通過できなかったり、系統に問題を起こしたりする可能性があることを意味します。第 5 版の IEC 61000-3-2:2018 が現行版です。
力率：電力がどれだけ有効に使われているか
電源品質のもう一つの側面が力率（PF）——電力がどれだけ有効に利用されているかの割合です。
非線形負荷の高調波は力率を低下させ、同じ有効電力を伝えるために系統がより多くの電流を供給しなければならないことを意味します。これは線路損失と系統の負担を増やし、電気料金にも反映されえます。優れた LED ドライバは力率改善（PFC）を行い、高調波を低減すると同時に力率を高め、照明システムを系統により優しいものにします。
規模が、電源品質を必修科目にする
なぜ大規模プロジェクトは特に気にする必要があるのでしょうか。影響が累積して拡大するからです。都市のライトアップ、建築のメディアファサード、大型のランタンフェスティバルは大量の器具を同時に稼働させ、高調波と低力率の影響が重なります。電気料金を増やし、系統の負担を重くし、さらには近隣の機器にも影響します。
電源品質は主にドライバと電源の設計によって決まります。PowerMOS はドット制御チップとキャリアソリューションを提供し、大規模な高圧アプリケーションではコントローラー側の電源設計と連携します。プロジェクトの高調波と力率の適合は、電源と駆動のレベルで統括する必要があります。ソリューション全体は製品センターをご覧ください。
関連記事：大規模な省エネと電圧降下については『定電流駆動とエネルギー効率』、EMC イミュニティについては『アドレサブル LED の EMC・ESD・サージ信頼性エンジニアリング』をご覧ください。
参照規格と文献
- IEC 61000-3-2:2018, Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 3-2: Limits — Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤ 16 A per phase). International Electrotechnical Commission.
- IEC 61000-4-5, Electromagnetic compatibility (EMC) — Surge immunity test. IEC — 電源信頼性に関する参照。
本稿は電源エンジニアリングに関する解説です。引用した規格の名称と番号は IEC の公式カタログで確認できます。電源品質は主にドライバと電源の設計によって決まります。PowerMOS のドット制御チップは、LED ドット制御に最適化した独自のキャリア（電力線搬送）プロトコルを採用しています。
よくある質問
高調波電流とは何ですか？ LED はなぜ発生させるのですか？
理想的な交流電流は純粋な正弦波ですが、LED ドライバは非線形負荷です。電力系統から電流を取り込む方法が滑らかな正弦波ではなく、電圧のピーク付近に集中したパルスになります。この歪んだ電流は、基本波に加えて一連の高調波（第 2 次、第 3 次…）に分解できます。高調波電流は系統を汚染し、変圧器や配線の損失を増やし、電圧を歪ませ、さらには他の機器に干渉することもあります。
IEC 61000-3-2 は何を規定していますか？
IEC 61000-3-2 は高調波電流の放出を制限する国際規格で、入力電流が各相 16A 以下の機器を対象に、第 2 次から第 40 次高調波の最大値を規定します。照明機器は Class C に分類され、専用の高調波制限値があります。LED を大量に使うプロジェクトは、ドライバがこれらの制限値に適合していることを確保しなければ、認証を通過できなかったり、系統に問題を起こしたりする可能性があります。第 5 版の IEC 61000-3-2:2018 が発行済みです。
力率（PF）と高調波にはどのような関係がありますか？
力率は電力がどれだけ有効に利用されているかの割合を示します。非線形負荷の高調波は力率を低下させ、同じ有効電力を伝えるために系統がより多くの電流を供給しなければならないことを意味します。これは線路損失と系統の負担を増やします。優れた LED ドライバ設計は力率改善（PFC）を行い、高調波を低減すると同時に力率を高めます。これは大規模照明プロジェクトの系統への優しさにとって重要です。
なぜ大規模照明プロジェクトは電源品質を特に気にする必要があるのですか？
単一の照明器具の影響は微小ですが、都市のライトアップ、建築のメディアファサード、大型のランタンフェスティバルのようなプロジェクトは大量の器具を同時に稼働させ、高調波と低力率の影響が累積して拡大します。電気料金を増やし、系統の負担を重くし、さらには同じ系統上の他の機器にも影響します。そのため大規模プロジェクトのドライバと電源の設計は、IEC 61000-3-2 への適合と力率を考慮に入れなければなりません。
PowerMOS のソリューションはどのように電源品質の要件に応じますか？
電源品質は主にドライバと電源の設計によって決まります。PowerMOS はドット制御チップとキャリアソリューションを提供し、大規模な高圧アプリケーションではコントローラー側の電源設計と連携します。プロジェクトの高調波と力率の適合は、電源と駆動のレベルで統括する必要があります。大規模照明プロジェクトのチームは、電源条件をお持ちのうえ、PowerMOS と全体ソリューションについてご相談ください。