LEDと白熱灯のクリスマスライトの消費電力の計算

子供の頃のクリスマスツリーを覚えています。大きな色とりどりの電球が付いていて、綺麗でしたが、触ることはできませんでした。そう、あれは昔ながらの白熱電球で、ものすごく熱くなることがありました。要するに、ランプに入れる電球の小型版といったところでしょうか。

今日でも多くの人が白熱電球タイプのクリスマスライトを使用しています。白熱電球ははるかに小型ですが、はるかに効率が高く、それほど熱くなりません。しかし今では、別の照明の選択肢として、発光ダイオード（LED）があります。LEDは白熱電球とは異なり、光を生成するために高温のフィラメントを必要としません。代わりに、デバイス内で電子がエネルギー遷移を起こすことで光を生成するダイオードが使用されています。

LEDライトは白熱灯よりも優れているのでしょうか？LEDライトと白熱灯の3つの比較を見てみましょう。

どちらがより多くの電力を消費しますか?

エネルギーは無料ではありません。米国では、電気料金の平均は1キロワット時あたり13.3セントです。ただし、電力とエネルギーを混同しないように注意してください。電気料金を支払うということは、エネルギー料金を支払っているということです。電力は、エネルギーをどれだけ速く消費するかを表す指標です。次のように計算できます。

エネルギーをジュール、時間を秒で表すと、ワット単位の電力が得られます。では、キロワット時はどうでしょうか？これは、1,000ワットを1時間（または3,600秒）使用することで得られるエネルギーです。上記の電力方程式を用いると、エネルギーは電力×時間で表すことができます。1,000ワットを3,600秒使用すると、360万ジュールになります。

さて、電力測定です。電力計のようなものを使います。基本的な仕組みは、デバイスを接続すると消費電力を計測してくれるというものです。テストするライトは2組あり、左側のLEDライトがそれです。

さて、これらのライトには（LEDと白熱灯の違い以外に）2つの違いがあります。片方のライトセットは白いケーブルで、もう片方は緑のケーブルですが、もちろんそれは問題ではありません。しかし、白熱灯は100個のライトが連なったライトで、LEDは50個だけです。そのため、2つのライトの電力を単純に比較することはできません。代わりに、ライト1個あたりの電力を計算します。

白熱電球の場合、1灯あたり20.0ワット、つまり0.2ワットの電力が得られます。LED電球は1灯あたり2.4ワット、つまり0.048ワットです。明らかに白熱電球の方が電力消費量が多いですね。しかし、お財布に負担をかけるほどでしょうか？

500個の電球（私の家ならもっと多いかもしれません）が付いたクリスマスツリーがあるとしましょう。これらの電球を1キロワット時あたり13.3セントで5時間点灯すると、LED電球は1.6セント、白熱電球は6.6セントになります。つまり、ツリーだけならそれほど高くないということですね。

ちょっとしたお楽しみとして、LEDの消費電力が少ない理由を示す素敵な画像をご紹介します。これは赤外線画像なので、どのライトセットがより熱くなるかがわかります。

右側のライト（LED）は、かなり冷たくなっているのが分かります。実は、そこに一つだけ熱い点があります。それが何なのかは正確には分かりませんが、LED電球ではありません。

どちらが明るいでしょうか？

LEDは消費電力が少ないのは確かです。でも、白熱灯と同じくらい明るいのでしょうか？ 見た目だけで比較することもできますが、私はもう少し踏み込んで比較してみたいと思います。光の明るさは光電セルで測定できますが、今回は光度を時間の関数として記録できるこの光センサーを使います。さらに、回転センサーも取り付けたので、それぞれのライトから異なる角度で光の強さを測定できます。これが私のセットアップです。

アイデアとしては、電球の上部と側面の両方からセンサーがデータを取得できるように、光を回転させます。こちらが白熱電球からの出力です。

この電球の場合、実際には上面よりも側面の方が明るいことに注目してください（0ラジアンは電球の上面です）。おそらく全体の光出力を計算することはできるでしょうが、そのためには多少の計算が必要になります。

さて、次はLEDライトです。

LEDはいくつかの点でより明るいです。LEDの上部では70ルクス以上を照射しますが、白熱灯のピーク輝度は約15ルクスです。LEDの上部から離れると、光量は非常に少なくなります。しかし、ちょっと待ってください！もう一つ重要な違いがあります。LEDが明るくなるのは、ほんの一部の時間だけです。これは、LEDライトが常に点灯しているわけではないからです。実際には、LEDライトは点灯と消灯を繰り返します。以下は、両方のライトの明るさを0.1時間間隔で測定した時間の関数としてプロットしたものです。

この時間スケールでは、LEDライト（青い曲線）が消灯して再び点灯しているのがはっきりと分かります。これはLEDの「D」、つまりダイオードによるものです。ダイオードはライトを通して電流を一方向にしか流しませんが、コンセントは交流（AC）を発生させます。もちろん、AC-DCコンバーターをライトに取り付けることでこの問題を解決できますが、そうするとライトのコストと消費電力の両方が増加してしまいます。

(てんかんをお持ちの方、または視覚刺激に敏感な方は、GIF の点滅を避けるため、今すぐスクロールを中止してください。)

自分で試せる簡単な実験をご紹介します。スマートフォンを取り出して、LEDクリスマスライトのスローモーション動画を撮影してみましょう。おそらくこんな感じになるでしょう。

ええ、スローモーションだと本当にイライラしますね。でも、カメラなしでもちらつきがわかるくらいです。とりあえず白熱電球を使うことにします。LEDライトの方がいいと言う人もいるかもしれませんが、ツリーにキャンドルを灯すより白熱電球の方がいいというのは、誰もが認めるところでしょう。