現在では高輝度白色発光ダイオードを使用した商品が数多く日用品として身近に使われるようになりました。その一番貢献しているのはスマホ症候群の方ではないでしょうか。電車の中、歩行中にスマホの画面を見ながら行動していて危険です。
そのスマホなどのバックライトにも使われている高輝度発光ダイオードの応用工作を記述します。物を捨てられない症候群の 無銭庵 仙人 と申します。過去からの経験をもとに記述していますので 誤記載・誤解釈が記載されているかもしれません。その場合は愛嬌としてご勘弁ください。多少電気的な基礎知識も必要であり記載しています。ご辛抱ください。工作事例などを検索しましたがあまり詳細については記載されていません。実験・応用工作の個人的な解釈記述忘備録です。
今回の工作は誰でもできる工作とは理解していません。同等の商品として販売されている機器もあります。工作をされる方の知識及び理解力により 事故が発生する可能性もあります。
自己責任の範囲での工作作業をお願いします。工作において多少とも参考となれば幸いです。説明内容に中学校程度の電気物理・算数計算が出てきますが オームの法則の理解が必要です。
ブログ掲載に使用するデジカメ写真撮影において内蔵ストロボだけであれば影がきつく出たりしたため 補助の光源として今回LEDを使った照明器具を工作しました。下部に掲載した画像もLED照明による撮影です。被写体にLEDの光源がスポットとして映り込んでいます。それまでは蛍光灯などを使用していましたが撮影において光源として自由度がありません。目標として費用をあまりかけずにガラクタを加工して工作しています。部屋の照明も蛍光灯からLED照明器具に交換しています。
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| 柿種ハイパワー高輝度LED |
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| bt@qダイオードの種類 |
上記記載しました画像は汎用発光ダイオードです。発光ダイオードとしては数十年以前からパイロットランプ・デジタル表示板用として様々な電子機器に搭載されています。現在でも各分野に多数採用されており電球と比較すると球切れの心配がありません。しかも消費電力が少ないデバイスです。現在交通信号機もLEDとなっています。自動車でもヘッドランプがLEDを使った非常に明るいヘッドランプも数は少ないですが搭載されています。普及型自動車でも尾灯・ストップランプなども電球からLEDに代わってきています。
その中でも白色発光ダイオードは近年数多くの生活圏内にある機器に採用されています。徳島県にある日亜で青色LEDが開発され白色LEDへと進化しました。近年白色発光ダイオードはあらゆる分野に改良され 製造コストも下がり大量に生産されています。その中でもスマホ(多機能携帯電話機)・パソコン・液晶テレビなどの光源としてバックライト用チップLEDとして採用されています。そのご利益により液晶パネルも非常に薄くなりました。面発光となったため輝度ムラも少なくなりました。以前は液晶画面のバックライトとしては蛍光管が採用されていました。バックライトは蛍光灯と同じように寿命がありバックランプ切れで故障も多く消費電力もLED光源に比較して大飯ぐらいでした。現在使用しているPCのモニターもLEDバックライトで横長２３型を使用しています。当初は１７型でCRTでしたが 4:3比19型液晶モニターに進化後現在に至ります。
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| 今回の実験に使用した各種高輝度LED |
今回実験用として購入した高輝度発光ダイオード各種類です。ラベルには各LEDの規格が掲載されています。これらの記載事項が理解できないと安全に工作することができません。以前から白色LEDを使った照明用懐中電灯は光量が少なく 豆電球を使用したものに比較して焦点が甘く実用性があまりありませんでした。これらを踏まえて今回新しい高輝度発光ダイオードを使って実験し工作事例です。
自己責任での工作です。
ダイオードの基礎
ダイオードとは電流の流れる方向が一方通行の素子であり 真空管で言われる二極管に相当します。P型・N型半導体であり詳細については教科書などを参考としてください。ここでは順方向と逆方向について説明します。一般的なダイオードの中には半導体がシリコン(Si)・ゲルマニウム(Ge)などが代表の半導体素子です。古くはセレン・亜酸化銅などもダイオード特性の半導体です。LEDもその半導体の一部となります。ただ電流が流れると発光現象が発生する素子です。当初は赤色と緑色のLEDでしたが近年青色のLEDが開発され色の三原色である 赤・緑。青の３色の発光体が一体となると白色になる加色法により再現できる色合いです。白色LEDのほとんどは３原色発光ではなく 青色LEDと補色関係にある黄色の発光体で作製されています。ペンキなどの塗料では減色法であり３原色は赤・青・黄色が色の３原色となります。
ダイオードの電気記号として▼と❚を使った記号の組み合わせであり三角の向きで電流が流れる方向を表します。チャッキ弁と同じ働きで一方方向にしか流れることができません。
ここで簡単な電気物理の理解が必要となります。
今回の事柄を理解する上で
オームの法則を思い出してください。中学生程度の理解力で把握できる記述内容です。
I=E/R E=I・R R=E/I W=I・E W=E×E/R
I:電流A(アンペア) E:電圧V(ボルト) R:抵抗Ω(オーム) W:電力W(ワット) WをPとして記述される場合もあります。
上記の公式から今回説明する事柄が判明しますので重要な公式です。思い出してください。
それと今回実験応用において最低テスター(回路計)が必要となりますので準備ください。
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| ディスカウントショップで購入したデジタルテスター |
左図は税込千円以下で購入できるテスターです。以前ディスカウントストアで８００円ほどで購入しましたテスターですが 精密測定器で校正しましたが精度は非常に良い安価なデジタルテスター(回路計)です。
このテスターを使って実用性を探ることにします。
高額な精密測定機類も多数所有していますが汎用的な測定機器を使って検証していきます。
実験をして行きますが今回簡単な電源装置を作成しました。ジャンクボックスをひっくり返して探し出した部品を使って簡単な装置を作成しました。CV・CC 産業用定電圧電流装置・直流可変定電圧電源などがあれば簡単に実験できますが 所有されていない場合を考慮しています。
又今回交流電源を使って動作させることがあるため簡単な汎用性のある電源装置を作成しました。
その装置が下記に記載した電源装置です。通電表示のパイロットランプはLEDではありません。メーター照明を兼ねてオレンジ色のネオンランプ仕様です。
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| 実験に使用した電源装置 交流・直流出力 |
上図は以前真空管動作検証用グリッドバイアス発生装置を分解し作成しました。交・直電源発生装置です。内部には小型電源トランス SEL製 12V 1A 容量のパワートランスを使用した交・直両用出力することが可能な実験装置です。動作内容として電源トランスのタップを前面にある８P USソケットの配線を変更することで多種類の出力電圧が発生させることができます。電源トランス(パワートランス)の規格は 0V,6V.8V,10V.12Vの二次側巻線にタップ出ししてあり この端子の接続を変更することにより 交流(AC)電圧が 2V,4V,6V,8V,10V,12V 多種類の電圧が取り出すことができます。電流容量は１Aまでとなります。
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| 電源トランス １２V １A 容量 |
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| 電源装置内部 |
左図の画像は SEL(菅野電気研究所)製の汎用小型電源トランスです。電子部品を扱っている販売店で簡単に購入することができます。電源トランスの二次側巻線タップは前面のUSソケットに配線します。出力ターミナルに配線を変更することにより交流・直流各発生した電圧を前面にある端子に出力する構造です。写真の位置では内部にブリッジ整流回路が組み込まれており灰色の電線が電源トランスの二次側タップに接続しますと赤・黒の電線に全波ブリッジ整流された直流電圧が発生します。平滑コンデンサーは1000μF/25WVを使ってリップル分を除去しています。上図の画像では電源トランスの6V端子に接続してあるため整流後の電圧は直流(DC)６Vではありません。交流電圧を表示する事柄では実効値の電圧を表示する事となっており 家庭用のコンセントでは
AC100V
となりますが現実の交流波形では 実効値を最大値に変換する公式として交流理論式では
実効値×√２= 100(V)×1.41=141(V) となります。
正弦波波形ですので尖頭値は 141×2=282(V)となります。詳しくは交流理論の教科書を参照してください。無負荷状態であれば 6v端子を使っていますので 6×1.41=8.46(V) になることが机上で計算することができます。
これを検証しますと トランスの二次巻線タップ接続を
10V端子として接続しています。出力端子には黄色と黒色に交流(AC)電圧が出力されます。この電圧をデジタルテスターで測定すると無負荷状態では
AC11.2Vが測定されました。負荷を接続していない場合高めの電圧が測定できます。
この装置の後部には予備コンセントを設置してあり コンセントから供給している商用電源 定格
60Hz 100V を測定すると
AC100.8V と測定できました。通常家庭用のコンセントでは日本国内では100Vを切る給電はほとんどありません。
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| 実験用電源最大電圧測定 |
この状態で機器内に全波整流回路を設置していますので 配線を変更して直流出力モードとして配線を変更しますと
灰色の電線を0-10V巻線に接続します。
赤-黒色の配線を赤-黒出力ターミナルに接続してデジタルテスターで出力された無負荷状態の直流電圧を測定すると
15.27V と測定できました。
この電圧は正弦波波形の最大値電圧となります。
トランスからの10V端子での交流電圧は11.2Vでしたので
11.2(V)×1.41=
15.792(V)と計算ができますが現実には 直流に変化する場合シリコンダイオードを4個使ってブリッジ整流回路が形成されます。
(動作原理などについてはブリッジ型全波整流回路について説明している教科書などを参照してください)
ここでダイオードの順方向電圧について解説します。
ダイオードは電気が流れる方向が一方通行の素子であることについては全項目でお話ししましたが ダイオードを電流が流れる場合は電位差がないと電流は流れません。ダイオードの特性として半導体素子がシリコン(Si)ダイオードの場合は 通常
0.6～0.7V の電位差がないとダイオード内部を電流が流れることはありません。半導体素子の特徴として
0.6～0.7V 以下の電圧では半導体は絶縁体となっており電流が流れません。この敷居(
閾)電圧を上回ると半導体素子は内部抵抗が小さくなり大きな電流を流せるようになります。▼マーク側をアノードと呼ばれます。又❚側をカソードと電子回路においては呼称されます。▼(アノード)側にブラスの電圧を印加すると ❚(カソード)に向かって電流が流れますがここで
0.6～0.7V の電圧降下が発生します。
又反対にアノード側にマイナス カソード側にプラスの電圧を印加した場合半導体素子は絶縁体となり電流が流れない構造となっています。この作用が整流・検波作用と呼ばれています。
この動作が一方方向にしか電流が流れない逆止(チャッキ)弁と同じ働きとなり 交流から直流に変換する回路動作となり あらゆる機器に応用されています。
この内容から 先ほどの出力された電圧の値が理論値と異なることを検証しますと
ブリッジ整流ダイオードの働きが判明すれば理解できると思います。ブリッジ整流回路では正弦波がプラスの領域の場合２個のダイオードを通過する回路構成となります。
0.6～0.7Vの電位差がないと電流は流れませんので 約1.4Vの電圧損失が発生します。理論計算値では出力電圧は
15.792Vでしたがこの電圧から1.4Vを引きますと
14.392Vと計算できます。これに似通った電圧が出力されるわけです。現実には
15.27Vがテスターで測定できました。
この順方向電圧がダイオードの種類により電圧値が異なります。目安として覚えていただいて損はないと思います。テスターなどでトランジスター・ダイオードの良否の判定するときもこの値が役に立ちます。テスターの種類により導通・抵抗値を測定する場合 テスターの種類により内蔵されている乾電池の電圧により動作が異なりますので詳しくはテスターの取扱説明書などを確認してください。下記に掲載していますアナログテスターYEW3201型の内蔵乾電池は単一型乾電池１本であり DC1.5Vで動作しているため発光ダイオードでは両方向とも電流が流れません。∞を表示しますがテスターの故障ではありません。順方向電圧が2V以上のため乾電池からの電流が流れないからです。シリコン・ゲルマニウム型のダイオード・トランジスターでは順方向電圧が乾電池電圧より低い値のため導通テストで良否が判定できます。
半導体が シリコン(Si) 順方向電圧 0.6～0.7V
ゲルマニウム(Ge) 順方向電圧 0.1～0.2V
赤・緑色LED 順方向電圧 2.0.～2.2V
白色LED 順方向電圧 3.0～3.5V
この順方向電圧を発光ダイオードの規格表では
Vf と表示されています。
上記のようなダイオードによる順方向電圧が異なります。電源が逆の場合は電流が流れず絶縁体となります。ダイオードでも逆接続で使用するツェナーダイオードも存在しますが今回は省略し説明しません。興味のある方は教科書などを参照してください。
ここで一般的なダイオードの用途・種類・規格について説明しますと
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| 各種ダイオードの形状 |
上記に掲載しました画像は過去から使用されていました各種のダイオード類です。右上から真空管式測定機に使用されていた富士電機製電源ブリッジ型整流用セレン整流器です。
この中でも製造後50年ほど経過したダイオードがあります。画像左下にある白色の NEC SD34 と呼ばれるゲルマニュームダイオードで 電池の必要のないゲルマニュームラジオに必要であった検波器です。ご年配のラジオ少年には懐かしいダイオードです。もう一世代前の人であれば鉱石検波器と呼ばれていました。現代のスマホと違いラジオの呼び方は鉱石ラジオ(受信機)です。電話機と違い会話はできません。非常に小さな音でしか鳴りません。
そのほかは電源整流用のブリッジダイオードと単体の電源整流用ダイオードです。SD34の上は1S188のゲルマニュームダイオードでその上部は小信号用シリコンダイオードです。足が4本あるのがブリッジ整流ダイオードであり この中でも RBV-2506 のブリッジダイオードは家庭用インバーター・エアコン用であり AC100VからDC280Vを作成することのできる(全波倍電圧整流回路)大型ダイオードです。規格は 600V耐圧 25A電流容量 のブリッジ整流ダイオードです。通常ダイオード動作時は多くの発熱が発生しますので 放熱板に取り付けて使用します。
右上のパワートランジスターと形状が似通っていますが スィッチィング電源回路に使用されているダイオードが2組入ったパルス波形整流用ダイオードです。
上記のようなダイオードがありますが各ダイオードでは使用する用途により安全に動作が可能である規格が各製造メーカーより発表されています。この規格を理解して使用しないと故障・事故の原因となりますので注意が必要です。
このあたりで一般的なダイオードの説明から本題の発光ダイオードについての説明です。説明不足もあると思いますが凡人が作成している忘備録ブログです。時々横道にそれますがご辛抱ください。
発光ダイオードの規格表について
通常発光ダイオードは直流電圧で動作させますが 発光ダイオードには通常メーカーから規格表が発表されています記載している範囲内で使用しないと 故障・破壊などの事故が発生します。
安全に長時間使用するためにも規格内の動作を守らなければなりません。LEDの種類により異なりますので注意・確認願います。
以前からありました赤・緑の発光ダイオードではパイロットランプ的な使用がほとんどであり 通常10mA以下での使用がほとんどです。デジタル回路によりパルス駆動する回路も存在します。発光ダイオードを使ったデジタル数字表示板などです。駅の表示板などは以前までは赤と緑のLEDによる表示板でしたが近年白色のLEDが開発されたためカラフルな表示板になり コンピューターで制御されて運用されています。電源・運転状況表示用途のLEDであれば 回路の直流電源からLEDに直流電圧をLEDに加えますが 必ず発光ダイオードに直列に抵抗を挿入しています。この抵抗が
電流制限抵抗と呼ばれています。この抵抗値を変化させることによりLEDの明るさが変わり 明るさ調整にも使われます。
ここでオームの法則を思い出してください。赤色の発光ダイオードで検証してみますと
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| 汎用LED 動作特性調査 |
電源電圧が12Vの場合 LEDに10mAの電流を流す場合の抵抗を計算してみました。
12(V)-2(V)=10(V) 12Vは電源電圧 LEDの順方向電圧を2(V)とすると 10(V)を抵抗で消費しなければなりません。
I=E/R より R=E/I R= 10(V)/0.01(A) 10mAは0.01A を計算すると Rは 1000Ω(1KΩ)
と計算できます。 これが電流制限抵抗の計算ができたわけです。 供給する電圧がDC12Vの場合この抵抗値より小さな抵抗を使うとLEDを流れる電流が多くなります。
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| 汎用赤色LED電流制限抵抗 |
ここでこの抵抗で消費される電力を求めてみますと
W=I・E より W=0.01(A)×10(V)=0.1(W) と計算ができます。通常抵抗は電流が流れると抵抗が発熱をします。発熱による抵抗の許容電力により抵抗の大きさ・種類が変化します。 通常 1/4W型 が多く販売されており簡単に入手できる抵抗です。消費電力が0.1Wですので1/4W型であれば安全に動作することができます。通常抵抗は抵抗で消費される電力の２～3倍の許容電力値の抵抗を使用します。この回路では1/4W型以上の抵抗を使用すれば問題ありません。カーボン抵抗(炭素被膜抵抗)が一般的に良く使用されます。
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| 汎用赤色LED点灯試験 |
上図はDC12Vの定電圧電源を使用しての実験です。赤色LEDの順方向電圧(Vf)は 1.81Vでした。1KΩの抵抗の電圧は9.99Vを表示していますので 電流を計算してみますと 9.99mA と計算できます。ほぼ先ほど机上で説明した数値と大きな違いがありません。
上記のLEDに流れる電流を抵抗に発生する電圧で計算して算出しましたが 直接LEDを流れる電流を測定する方法もあります。この測定は回路を遮断して電流計を挿入しますので手数がかかる測定方法です。
抵抗とLEDは直列に接続していますがテスターの電流測定モードで LEDに直列に電流計を接続して測定します。
測定例として骨董品のアナログ回路計YEW3201(テスター)での測定状況です。テスターは製造後約45年経過していますが現在でも自己校正では初期スペックは確保できています。現在でも不自由なく使用することができます。
測定結果は12mAフルスケールレンジで指針の位置の目盛を読み取ると10の少し手前を指示しており 測定値として 9.5mAと読み取れます。この値がLEDを流れている電流となります。抵抗に発生した電圧から計算した電流値と大きな誤差がありません。
このように使用する抵抗にも誤差が存在します。使用した抵抗は ±５% 誤差以内のものが良品として販売されています。回路計(テスター)にも誤差が発生します。通常の回路計(テスター)でも 2～3％の誤差はありますので 5％程度の測定誤差は必ず発生します。これらの内容を踏まえて測定しなければなりません。
上記事柄によりLEDを安全に使用するための回路計算をしてきましたが 本題の高輝度発光ダイオードを使った回路設計と進みます。
ここで最初に記載していました赤色高輝度発光ダイオードを例にしますと
Vf : 2.0～2.6V V.A : 15deg 75000mcd@60mA If(max) : 70mA
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| 常夜灯用5W電球と５mmLED 大きさ比較 |
と表示されています。これらの記載内容からこのLEDの規格が判明します。このLEDでは順方向電圧 Vf は 2.3V 前後であることがわかります。LEDの明るさは 75000mカンデラ その時のLEDを流れる電流は 60mAと読み取れます。直径5mmの砲弾型LEDはレンズ作用により光量の半値角度が１５度であることが゜判明し光がビーム状になっているLEDです。明るさの単位としてカンデラ(cd)で表されています。光源の単位としては他にLED電球などではルーメンが使用されています。
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| DC12Vからの点灯 |
昔日本ではろうそくの明るさを基準として燭光の単位もありました。5燭光の電球もありましたが現在のタングステン電球で言われる5Wの丸形電球です。現代ではあまり見かけることのできない丸形小型電球です。比較用として5mm砲弾型高輝度LEDとの比較写真です。昭和の時代 戦前から戦後蛍光灯が普及するまでに多用された常夜灯として使われた電球です。口金はE26電球と同じ口金を使用しています。
LEDに直列に接続した抵抗は
電流制限抵抗 もしくは
定電流抵抗 とも呼ばれます。回路に流れる電流を制御するための抵抗であり ダイオードの種類の中には定電流ダイオードも存在しますが 自由に回路に流れる電流値を可変することはできません。比較的簡単な回路で電流制限抵抗で話を進めます。
簡単な電子回路による定電流回路については後編で話を進めます。この場合は供給電圧が変動してもLEDに流れる電流は一定となる回路であり なおかつ制御電流値も可変設定できる回路です。抵抗の代わりとなる素子は NチャンネルパワーC-MOS FETが可変抵抗器と同様の働きをする回路です。
ちょっと横道にそれてしまいました。修正します。
上記LEDを定格で動作するように定電流回路を計算してみますと
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| 高輝度LED動作電流 |
Vf が2.3Vとすると DC12Vの電源を使った場合は
12-2.3=9.7 と計算できます。動作電流が 60mA ですので R=9.7/0.06=161Ωとなり抵抗は180Ω前後の抵抗を使えばよいことになります。E24系の抵抗では161Ωは販売されていません。ここではE24系にある抵抗 180Ω を使って実験してみますと
しかし写真では手持の抵抗180Ω/1W型が所有していなかったため 100Ωと75Ωの直列接続として175Ωで実験を進めます。テスターの電圧表示は9.96Vです。
電流を計算してみますと
I(A)=9.96(V)/175(Ω)=0.056914(A)と計算できます。電流は約57mAと測定できると思います。ここで抵抗で消費される電力を計算してみますと
W=E×E/R より W=9.96×9.96/175=0.5658(W) と計算できました。約0.57W消費しますので抵抗は約２倍以上の１.5W型以上の抵抗を使用しなければならないことが判明します。この回路では 1/4W型１/２W型の抵抗を使用することができません。60mAに調整したとしても明るさは目視ではほとんど変わりません。定格より少し小さく設計します。前項目で説明しました通常の赤色LEDと比較すると高輝度赤色LEDでは非常に明るいことが判明します。
ここでLEDで消費されている電力を計算してみますと
W=I・E より W=0.057(A)×(12-9.96)=0.116(W) がLEDで消費されていることになります。消費された電力が１００％光に変換されませんので多くは熱エネルギーとしてLEDが発熱する結果となります。ここで注意しなければならないことがあります。
LEDは半導体素子です。安全動作温度という事柄も甘味しなければなりません。通常LEDでは使用環境にもよりますが １００℃ 以下の温度が使用条件となります。実際には６０℃以下になるようにします。通常温度が高くても常温+３０度前後に設計しなければLEDは熱破壊をしてしまいます。LEDを手で触れてみて暑くて連続して触れない場合は通常６０度以上の温度となっています。発熱状態であっても連続して触れていられる動作環境にしなければなりません。シリコントランジスターなどの動作においても同じことを考えることができますす。発熱する半導体は放熱処理をしなければ安全に動作することができません。動作温度はシリコントランジスターなどでは １５０℃ までとなりますが LEDではトランジスターよりも動作温度に注意が必要であると解釈できます。熱破壊に注意しなければなりません。又静電破壊にも注意です。
一番最初２枚目に掲載してあるLEDの中央にあるダイオード画像が高輝度発光ダイオードです。リード線には放熱効果をよくするため引き出されている電線の一部が平板状となっています。この金属の平板が放熱板の役割をしています。そのため 同じ大きさのLEDに比較して多くの電流が流すことが可能となり 非常に明るい発光ダイオードとなっています。
今までの話は定電圧電源によるDC12Vでの話ですが 出力される電圧は一定で変化しません。しかし車などで使用されているバッテリー(蓄電池)では通常DC12Vですが 車が走行時にはエンジンに接続されている発電機により通常充電がされています。ここでバッテリーの特性についても考えなければなりません。鉛蓄電池では一つのセルでの電圧は公称２Vです。このセルを６個直列に接続して DC12V のバッテリー(蓄電池)として動作しています。
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| 単三型ニッケルカドニウム充電池とニッケル水素充電池 |
一般的な充電できる充・放電が可能なバッテリー(蓄電池)の種類では 単体のセルでの電圧は異なります。例としてよく使用される一次電池(乾電池)などを除くと充・放電が可能な二次電池の種類として上げますと
鉛蓄電池 単体１セルの電圧 2.0V
ニッカド電池 1.2V
ニッケル水素電池 1.2V
リチウムイオン電池 3.7V
一次電池の乾電池では単体の公称電圧は 1.5V です。
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| 携帯電話・デジカメ用リチウムイオン電池 |
充・放電ができる二次電池として用途に合わせて多数製造されています。特に近年は小型大容量の リチウムイオン電池・ニッケル水素電池が身近で活躍しています。自動車・航空旅客機などにも搭載されています。スマホ・携帯電話などに使用されている電池では１セルで3.7Vが単体で使用されます。ニッケル水素電池ですと３本直列に接続しなければ同じ電圧として使うことができません。
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| エネループ ニッケル水素２次電池 |
掲載した二次電池の種類の写真です。四角の電池は携帯電話などに使用されていますリチウムイオン電池とデジカメ用電池です。公称3.7Vです。その下の円筒形の二次電池単三型は左からニッケルカドニウム電池(
Nickel-Cadmium)公称1.2V・ニッケル水素電池(
Nickel metal hydride)1.2V・ニッケル水素電池高容量型1.2Vです。この高容量のニッケル水素電池では 使用回数が多くなると電池内部でマイクロショート現象が発生して電池が故障します。長寿命安定したニッケル水素電池では
エネループ として有名ですが 電池容量は2000mA/hまでの容量値に抑えられています。マイクロショート現象で故障したニッケル水素電池の容量は 2300mA/h と高容量です。
マイクロショート現象はリチウムイオン電池でよく問題となっていますが ニッケル水素電池においても高容量タイプは発生します。高容量タイプはデジカメ用電池として使用しましたが2～3年使用した時に予備電池を含め全数故障してしまいました。故障状態として充電完了後時間が経過すると自然に電池の容量がなくなってくる症状です。２,３日で使えなくなりました。
ここで元の鉛バッテリーの話です。
鉛蓄電池は通常6V・12Vの単位で商品として販売されています。一部の業務用蓄電池では１セルで2V,500A/h,1000A/h 容量を直列接続してDC48Vとして使用する大容量であり 消防設備設置が必要な蓄電設備もあります。その中でもよく使われる 12Vの蓄電池で考察してみます。
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| ロングライフ 鉛蓄電池 |
公称12Vの蓄電池の場合は充電完了時(チャージアップ)の電圧は13.8Vといわれます。１セルの電圧では 13.8/6=2.3Vが充電完了した電圧となります。充電動作をするには充電完了時の電圧より高い電圧でないと蓄電池に充電することができません。通常車の発電機(オルタネイター)では16V以上の電圧が発生しています。車では発電機の能力として約800W以上の容量発電機が搭載されており 12Vの電圧で発電機の電流容量計算してみますと
W=I・E より 800(W)=12(V)・I(A) を計算すると I=66.6Aの電流容量があると計算できます。
近年の車ではこれくらいの発電機でないと夜間エアコン・ヘッドランプなどの灯火器・ワイパーなどを使用した場合電気の容量不足となりバッテリーが放電してしまいます。自動車を連続運転することができません。これらを回避するために大きな発電機が搭載されています。発電機の構造から自動車運転中は大きな電流で蓄電池に急速充電状態であると推察できます。この結果から発電機にエンジンからの動力を伝えているVベルトですが もしも走行中にベルトが切れて発電ができない場合 車載バッテリーだけでは夜間であれば一時間も走行できないと思います。その場合は発電異常の警報が発せられると思います。
通常充電完了の電圧となると 充電を止める制御があり レギュレーターと呼ばれています。過充電は電池を痛めますので充放電を制御することが必要となります。車が走行時電池が充電完了電圧となると浮動充電(フローティングチャージ)モードとなり通常発電機は車で消費される電力だけを供給し ほとんど蓄電池には過充電を防止するため充電動作が行われません。現代では充放電制御用半導体を使用したレギュレーターが搭載されています。発電機も古いタイプの直流ダイナモと異なり交流発電機を搭載しており シリコンダイオードが発電機内に内蔵されており 出力は直流です。
上記写真は長寿命鉛シールバッテリーです。車載用蓄電池と比較して電解水補給用のふたがありません。高額ですが寿命が非常に長いバッテリーです。
規格は 12V 24Ah と電池に記載されています。この記載事項が判明すれば電池の能力が判ります。
公称電圧 12V であり電池容量が 24Aの電流を消費した場合１時間で電池容量がなくなることを表します。近年では電気エネルギー容量をワット(W)で表す場合もあります。1Aの電流で放電した場合は２４時間放電が可能であると計算できます。上記の鉛蓄電池では放電電流は0.25Cの値とメーカーから指示がありますので 放電電流は 6A 以下で使用しなければなりません。6Aの放電であれば４時間運転できる計算となります。
W=I・E より W=12(V)×24(A)=288W/h 容量の蓄電池と表すことができます。
スマホなどのリチウムイオン電池などでは 3.7(V) 1000mA/h程度の電池が搭載されます。これをワット表示すると 3.7W/h であることが判明します。
ここで普通充電の話です。
普通充電とは 蓄電池容量の 1/10の充電電流で１０時間以上充電して満充電となる充電方式を言います。
他の蓄電池でも同じ考え方をすることができます。この蓄電池では充電電流を２．４Aとして１０時間充電すれば満充電となります。充電が完了すれば蓄電池の無負荷電圧が １３．８Vになっているはずです。充電時間はかかりますが 充電中蓄電池の発熱が少なく一般的な充電方式です。近年のスマホなどでは１０時間以上かけて充電をするようでは操作性が悪く 急速充電が主流です。短時間で急速充電をするには大きに充電電流でないと充電が完了しません。充電電流も連続した直流電流ではなく 充電・停止を繰り返したパルス波形の充電電流です。この結果電池本体の温度が上昇し 充・放電を繰り返すと 電池が膨れて変形がよく発生します。そのため電池に温度を検出する素子が組み込まれており 電池温度が上昇した場合充電を止める制御回路が充電回路に組み込まれています。電池にT(サーモ)温度検出端子がプラス・マイナス端子以外に設置されており 電池の温度を制御しています。急速充電は電池寿命を短くすることが一般的に言われていますが スマホでは寿命が短い電池 消耗品として扱われています。
上記の鉛蓄電池では寿命が１５年ほど有り 特殊な用途UPSなどで使用される蓄電池です。UPS仕様とは通常は商用電源で機器は動作していますが 停電が発生した時には蓄電池からの電源で瞬断がない状態でしばらくの間機器は運転動作が可能な用途として使用されます。商用電源により通常はフローティング充電動作状態で使用します。携帯電話基地局・防災無線設備などに採用されていますが 大規模災害などでは商用電源が復旧しない限り 蓄電池だけでは２時間ほどで機器はシステムダウンしてしまいます。大規模設備では非常用発電機が準備されていますが商用電源喪失後非常用発電機が正常に動作するまではタイムラグが発生します。その間は蓄電池からのUPS電源で重要な設備に電源供給しています。
大規模震災で 送電塔倒壊、商用電源が復旧できず、津波で非常用発電機が水没、このシステムの最終動力源である発電機が正常に働かなかったため 電気を動力源として働く安全システムを稼働することができませんでした。東電福島第一原子力発電所 最悪のメルトダウン事故です。現在でも放射能汚染といわれる過酷な環境下で試行錯誤の復旧作業をしていますね。重要な危険設備でありながら ２重、３重の安全性が確保されているといわれていた設備での事故です。本当に確保できていたのでしょうか?疑問です。予備埋設高圧送電設備、高台予備発電機が準備されていたら最小限の事故として回避できたかもしれません。素人判断ですが。この事故では 想定外と発言する 危機管理能力のない人間が作った設備 人災と個人的には思いますが。小生のような凡人でない 頭のよい人達のおごりが近年数多く重大事故発生後 想定外 と発言され 耳に入ってきます。町内の因業爺さんの発言ではなく 国内外で トップクラスの専門的な知識を持っておられるリーダーの方々からは聞きたくない言葉です。簡単に想定外と発言されています。想定外で問題が解決するのであれば 悪いですが小学生以下 責任逃れの知識しかないのでしょうか。又凡人に解りやすく説明願いたいのですが。その言葉を吐いた方々の個人名は記載しませんがご想像いただければ結構です。
一部凡人の愚痴が出てしまいました。無視してください。またもや横道に内容がそれてしまいましたので軌道修正します。
ここで言いたい内容は 蓄電池は常時12Vではないということです。チャージアップした状態の電圧も考慮して設計しなければなりません。自動車用電球互換発光ダイオードで照明用球切れのないランプ照明とする場合は考慮しなければならない内容です。電球でも電圧が異常に高くなれば球切れ故障が発生します。
蓄電池が13.8Vの場合を考えてみますと
13.8(V)-2.3(V)=11.5(V) ここで電流制限抵抗を175Ωの場合を考察すると
I(A)=11.5(V)/175(Ω) を計算すると I(A)=0.0657(A)と計算できます。 LEDの定格が60mAですので 規格オーバーとなることが判明します。最大定格が70mAですので問題はないと思います。しかし安定動作を考えれば定電流抵抗値を計算する時には 使用される最大電圧値で規格を超えないようにしなければなりません。
この結果から抵抗値は 220Ωとして設計するとなります。
I(A)=11.5(V)/220(Ω)=0.05227(約53mA) となり規格内動作となります。多少光量が低下しますが目視ではほとんど変化は発生しません。200Ω程度が適当と思いますが E24系列に適当な抵抗値はありません。ゆえに電流制限抵抗として 220Ω 2W型 酸化金属皮膜抵抗を使用するのがベストと思います。
高輝度発光ダイオードを効率よく使用するには
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| 抵抗器の種類 |
上記の説明では電流制限抵抗で熱エネルギーとして自然
界に放出しています。１個の発光ダイオードとしては発光能力が低いのですが 数多くの発光ダイオードを数多く発光した集合体でもって蛍光灯と変わらない光量の照明器具が開発され 大量生産の結果販売単価も安価となってきました。
発光ダイオード白色の場合順方向電圧は3～3.5V程度です。このLEDを直列接続して動作電圧を高電圧動作として実用化されています。
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| 3W 型 LED 外観 |
電源がDC12Vですので
12(V)-9.9(V)=2.1(V) LEDの動作電流を50mAとした場合
定電流抵抗を計算してみますと
R=E/I の公式により
DC12Vで動作させた場合を考えてみますと
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| LED 発光面の位置と放熱用リード゛板 |
順方向電圧を 3.3V と仮定した場合 ３個LEDを直列接続とすると 3.3×3=9.9(V)あればLEDが発光することになります。
電源がDC12Vですので
12(V)-9.9(V)=2.1(V) LEDの動作電流を50mAとした場合
定電流抵抗を計算してみますと
R=E/I の公式により R=2.1(V)/0.05(A)=42Ωと計算できます。E24系列の抵抗から選択すると47Ωが適切であると解釈できます。抵抗で消費される電力を計算すると
W=I・E の公式に代入すると W＝2.1(V)×0.05(A)＝0.105(W) と計算ができます。この値により47Ωの抵抗は1/4W型の抵抗を使えばよいことになります。
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| ５mm, LED の集光レンズ状態 |
このように効率よく照明設備を働かすには LEDを数多く直列接続して使用すればよいことが判明します。
電源が DC24V であれば ６個から７個直列接続すればよいと判断できます。
3.3×6＝19.8 3.3(V)×7＝23.1(V) の電圧があれば正常に働くことがわかります。
現実の大型照明設備では AC100Vからスィッチング電源を用いて DC48Vで動作する照明器具が作成されています。中には太陽光発電と蓄電設備により直接DC48Vで動作する照明設備も開発されています。そのため屋内配線も直流送電となります。
電源がDC48Vの場合 3.3(V)×12(個)＝39.6(V) 3.3(V)×13(個)＝42.9(V) 3.3(V)×14(個)＝46.2(2V) が動作電圧範囲となります。電源がDC48Vであれば動作ができる電圧です。
このDC48Vの照明設備を数多く並列運転することにより大型のLED照明設備とすることができます。
以上の考察により１個の発光ダイオードとして働かすには 電源電圧が3.7Vから6.0V前後の電圧で動作させるのが効率の良い策であるとわかります。市販されているLED懐中電灯などは乾電池を３本直列接続として DC4.5V で動作していることが判明します。乾電池２本では白色発光ダイオードが点灯するがしばらくすると点灯しない結果となります。電池が消耗し点灯に必要とする順方向電圧が得られないためです。新品の乾電池であれば公称1.5Vですが1.6V以上の電圧が発生しています。3本直列接続した場合ですと1.5Vの電圧が１V近くまで消耗してもLEDを点灯することができます。2本直列接続の場合 乾電池の容量を最大限引き出すことができません。
ニッケル水素電池を使った場合は満充電電池であれば動作電圧が3.6VですのでLEDは点灯します。電池が消耗し電池１個当たりの電圧が１V以下となった場合は点灯しません。電池の特性から放電終了電圧も考慮しなければなりません。
以上の考察によりより明るいLED照明設備を工作をする場合は 数多くのLEDを使わなければ照度は得ることができませんので 点灯させるための直流電圧を高く設定し直列接続とするのがベストであると思います。LEDを数多く使った工作事例としては DC12V,DC24Vを基準に設計となります。
又LEDが１個の場合は3.7V～6V程度の電池電圧で工作すればよいと思います。
大型のLEDユニットでは小さなLEDを直列、並列接続として大型ユニットとして販売されています。ただ大きな照明ユニットではLEDから放出される放熱処理に各社苦労しています。
実際の動作では電池の放電特性・LED順方向電圧特性などを考慮しながら設計をしなければなりません。机上の計算と実働状態には多少違いが発生します。実用性の範囲を見極めなければなりません。
上記記載写真は高輝度発光ダイオードの砲弾型5mmの画像です。その下部は3W型高輝度発光ダイオードの発光体ユニットです。その下部写真は電流測定用抵抗で 上より1W型1Ω酸化金属皮膜抵抗で誤差は±5％誤差です。真ん中は通常のカーボン抵抗1/4W型10Ω誤差は±5％誤差です。下側２本は金属皮膜精密抵抗で1/2W型10Ωと100Ωで誤差は±1％の抵抗です。
5mm砲弾型高輝度発光ダイオードの特性調査
今回検体として２種類の高輝度発光ダイオードを購入しました。光束が15°のタイプと 60°の二種類です。規格は
検体1 Vf :2.9～3.6V, V.A : 60deg 15000mcd @50mA, If(max) : 50mA
検体2 Vf :3.0～3.6V, V.A : 15deg 75000mcd @50mA, If(max) : 50mA
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| １５度と６０度LEDの光束 |
左図は２種類の高輝度発光ダイオードの光束状況です。左が広角の６０°の光束で 右側が挟角１５°との光束の違いです。発光しているベース面とレンズ面の位置により光束の違いが発生します。挟角と広角では同じ発光エネルギーですが挟角のLEDのほうが明るさは大きくなりますが広範囲を照明することができません。条件として最大定格の50mA(49.8mA)での動作状況です。
上記の測定は定電流抵抗に10Ω誤差1％ 1/2W型の金属皮膜精密抵抗に発生した電圧を表示しており 電流を電圧として計測しています。表示している電圧は498mV(0.498V)を表示しています。10Ωに流れている電流は 49.8mA です。調査結果から2.5V以下の電圧であればLEDを流れる電流はほとんど流れない状態 絶縁体ということができます。これらの特性が電池の放電終了電圧を考察して動作させるようにしなければなりません。ただ電池は完全放電はしないため電池の特性から考えれば良い結果と判断します。スイッチを切り忘れた場合などでは光源が通常の電球型であれば電池は完全放電してしまいます。リチウムイオン電池を使用した場合は特に電池には良いデバイスです。リチウムイオン電池は使用方法を誤ると事故につながります。一次電池のリチウム電池は市販されていますが 充電式リチウムイオン電池は通常電池単体として商品はほとんど市販されていません。それだけ充・放電の制御が困難な電池です。ボーイング787型機で発生したリチウムイオン電池の事故ですが あの火災事故は日本製電池が悪いのではなく 航空機全体制御システムを開発したボーイング社などで 一部の電池制御プログラムの不備であったと個人的な解釈です。特に大容量のリチウムイオン電池では電池の充・放電制御が重要な要素であり 航空機・自動車産業では安全性確保のため開発している部門では 各社苦労しているはずです。
軌道修正します。
次の調査は検体1での電流による Vf の変化の調査です。LEDに流れている電流と順方向電圧の調査です。
LED 電流 If : 50mA Vf : 3.68V
LED 電流 If : 40mA Vf : 3.49V
LED 電流 If : 30mA Vf : 3.32V
LED 電流 If : 20mA Vf : 2.92V
LED 電流 If : 10mA Vf : 2.76V
LED 電流 If : 5mA Vf : 2.76V
LED 電流 If : 1mA Vf : 2.58V
目視でLEDが光り始めた場合は Vf の電圧は約2.3Vとなりました。赤色の高輝度発光ダイオードと数値が違っているのが判明します。LEDにも個体差があり誤差も甘味しなければなりません。
この調査から最大規格で動作をするには 上記で計算した Vf :3.3V ではなく Vf :3.7V で計算しなければならないと検証できました。
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| ３W型 昼光色LED |
上記画像は ３W型 白色高輝度発光ダイオードです。内部構造は青色発光ダイオードと黄色の発光体です。その発光体の色が確認できます。青色LEDが発光すると黄色の発行体がそのエネルギーで自然色に近い発光しますので 全体として白色発光となります。多少自然光とは光のエネルギー分布は違いますが 開発部門ではより自然光に近づけるように努力・改良しています。
主な規格は
If : 700mA Vf : 3.8V 50% Power Angle 120°Color Temperature 6500k Operrating Temperature -40～100℃
発光体直径 5.5φ 発光体ベース直径 8φ 高さ 6.05mm 裏面には放熱用金属ベース ６φ
１W型も購入しましたが同じ大きさであり 外観による判別は簡単ではありません。１W 型の規格は
If : 350mA Vf : 3.3V 50% Power Angle 120°Color Temperature 6500k Operrating Temperature -40～100℃
この発光ユニットは砲弾型に比較して光が拡散するユニットです。半値角度は120°と砲弾型に比較して広角です。しかしピリケン球と比較すると狭い角度です。消費電力が多いため発光体から発熱する熱を放出する環境が必要になり メーカーからはこの状態でフルパワーで発光しないでください。
熱破壊しますので注意してください ! ! ! と注意書きが記載されています。光が強いため直視も避けるように記載されています。通常専用LED取り付け及び放熱アルミ製基板と同時購入しないとうまく取り付けができません。
３W型の場合 発光体で消費する電力は 3.7(V)×0.7(A)＝2.59(W) フルパワー時の消費電力です。
1W型の場合 発光体で消費する電力は 3.7(V)×0.35(A)＝1.295(W) フルパワー時の消費電力です。
抵抗で約3Wの電力消費がある場合 抵抗体での発熱が大きく 手で触れ続けられない状態までに発熱します。一度３Wの熱を実感してください。小生の常時使用しているハンダごては15Wの電力で電子部品などは不自由なくハンダ付け作業をしています。ハンダの溶解温度は約２５０℃ほどです。
これらが理解できれば高出力型発光ダイオードを扱うには様々な問題が出てきます。小さな発光ユニットから多量の熱が発生します。
高出力発光ダイオード
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| ハイパワー LED 各種 |
左記画像は高出力発光ダイオードの各種類です。上段左より 3W型発光ダイオード単体・1W型発光ダイオード放熱器取り付け・3W型発光ダイオード放熱器取り付け・10W型発光ダイオード放熱器取り付け・１０W型(１W×９個)
下段左より 30W型発光ダイオード(１W×３０個)・50W型発光ダイオード(１W×５０個)
画像のごとく各種の高出力型発光ダイオードが販売されています。使用に際しては大量の発熱が発生します。放熱板に搭載して発光状態での温度管理が重要となります。明るい光束を得るには小電力発光ダイオードを多数使用する面発光もしくは大電力発光ダイオードに大きな放熱板を使用して発光状態温度を下げる事が重要な要素となってきます。温度としては６０℃以下とします。時には小さな放熱板を使用するときには 強制空冷ファンモーターで発熱体を放熱させなければ安全にLEDを動作することができません。
５０W型LEDでは放熱板を １２cm冷却ファン AC220V用を100Vで使用し静音と風量調整をしています。その結果安全温度動作状態を確保しました。
上図のハイパワーLED 30W,50W型はお勧めできません。山小屋での照明器具として工作しましたが 数年ほどするとちらつきが発生し 1W型のLEDが直列に１０個ほど接続されており この中の１個が故障した場合30W型であれば３列ありますが 一列が点灯しなくなり ほかの２列に過大電流が流れ故障も多くなり寿命は短命です。まともに使えたのは３年ほどでした。
その後市販品の汎用LED電球を使った照明器具を工作しました。使用した電球は 100W型 1個,60W型４個使ったシャンデリヤ風の照明器具です。山小屋の道楽部屋は1８畳あるため同じ照明器具を２台取り付けです。長さ１２００mm,幅６５mm,厚さ２０mmの米松材を十字架に配列し両端に６０W4灯,真ん中に１００W型1灯の照明器具です。反射板である電球の傘は１００均で購入した直径250mｍのステンレスボールを加工し レセプタクルに取り付けて完成です。
６０W型電球の消費電力は１灯当たり7.6W×4＝30.4W 100W型消費電力12.3Wです。LED電球5個分での消費電力は42.7Wで省電力です。これと同様の消費電力のLED照明器具とした場合 8～12畳相当ですので2台使いますので 18畳の部屋では十分の照度が得られました。又電球一個が故障しても故障した電球だけ取り換えれば済みますのでコスト的には有利とおもいます。LEDシーリングライトの場合 故障すれば器具全体を交換しなければなりません。同様の照明器具は3台工作し台所も同じ照明器具となりました。 2022/08/26追記
上記発光ダイオードの各規格
昼光色 6000～6500K
１W型LED Vf 3.3V If 350mA 放射角度120°
3W型LED Vf 3.8V If 700mA 放射角度120°
10W型LED Vf 2.85～3.3V If 700～3000mA 放射角度125°
10W型LED Vf 9.0～10.5V If 900mA 放射角度140°
30W型LED Vf 32～34V If 900mA 放射角度140°
50W型LED Vf 32～34V If 1500mA 放射角度140°
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| 10W型 高輝度LED発光試験 |
10W型発光ダイオードを大きめの放熱板に取り付けて実働試験をしているところです。高輝度大電力発光ダイオードを販売している会社では電子基板上に定電流電源インバーター基板が各種LEDに合わせて販売されています。ステップダウン・アップダウンコンバーターが存在します。通常は定電流インバーターを使用するのが効率が良く簡単です。
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| ジャンク品各種のパワートランス |
以前から存在しますパワートランスがジャンクボックスに多数ありますのでこのジャンクパワートランスを使っての実働実験です。上記実験では10W型LED Vf 9.0～10.5V If 900mA 放射角度140°の実験では 9V×2出力のパワートランスが一番効率よく実働しました。センタータップ仕様のトランスであり電源整流ダイオードを２個使用しての全波整流回路です。その後 470μF/16WV 電解コンデンサーのフィルター回路で平滑後の直流電圧でLEDを動作します。
9V×√2=12.72V が無負荷時の出力電圧となります。LED負荷がかかった状態では LEDでの動作電圧10V前後の動作電圧で落ち着きます。10W型発光ダイオード２個並列運転でしたので定電流抵抗としては 0.47Ω/5W セメント抵抗を直列接続使用することにより規格内の動作となりました。
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| 電流制限抵抗 |
左の写真が定電流抵抗として実験した各種類のセメント抵抗です。
今回回路を切断しての電流測定はしていません。定電流抵抗に発生する電圧を測定してオームの法則により (E=I・R) の公式により算出します。
実働試験では抵抗に 0.75V が測定結果を得ましたので公式に代入すると 0.75V=IA・0.47Ω から算出すると １．５９Aと算出しました。LED１個当たり最大９００mA(０．９A) ですので最大１．８Aまでの動作であるため この状態では規格内の８８％動作と確認できました。
このようにLED動作電流を確認しながら安全動作回路を作成しなければなりません。
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| １Ω１W型 電流測定用抵抗 |
左の写真は １W型・3W型LEDに流れる電流を測定するための 定電流抵抗及び電流測定用の抵抗 1Ω/１W 酸化金属皮膜抵抗です。LEDに３００mA流れた場合には 抵抗両端の電圧は 0.3Vの電圧が発生し 回路電流が測定できるわけです。1000円以下の安価なデジタルテスターでも電流測定は可能です。
又定電流抵抗以外に電圧を降下させる方法として 電源整流用ダイオードを定電流抵抗と直列に接続することにより ダイオード1個当たり 0.6～0.7Vの電圧降下が発生します。パワートランスでの細かな電圧調整ができませんのでこのダイオードで動作電圧を調整することができます。
ダイオード2個直列接続の場合 約1.4Vの電圧降下がありますがダイオードが発熱しますので大容量の電源整流ダイオードの使用もしくは放熱板を取り付ける必要が発生します。
このように高出力発光ダイオードを使いこなすには 色々問題をクリアしなければなりません。今回100W型の高出力発光ダイオードは購入していませんが 100W型の場合は 3WLEDが100個接続したユニットも存在します。大きな放熱処理が必要であると推察します。
30W型以上のLEDでは直接商用電源であるAC100Vからの定電流インバーター回路が多用されます。これらを使用した場合簡単にLEDを安全にドライブできると思います。
前置きが長くなりました。このあたりで工作の項目に移行します。
電池を使った懐中電灯の工作 ここからは自己責任による工作です ! ! !
以前から充電式カドニカライトを愛用していました。ただ電池が消耗すると充電作業が約16時間必要なため 使い勝手が悪い面もありました。非常用として乾電池仕様の懐中電灯も常備しています。
長年の使用では 充電式では電池の劣化により使用できない懐中電灯も発生します。充電池交換修理は結構費用が発生します。現在でも故障したカドニカライトを廃棄せずに保管していました。乾電池式での長所は 電池が消耗すれば新品の乾電池と交換すればよいのですが 乾電池の備蓄及び費用が馬鹿になりません。台風・地震などに備えて防雨型乾電池式サーチライトも常備しています。
これらの懐中電灯をベースに球切れのない省電力型LEDライトを工作しました。乾電池で動作することも考えましたがここはやはり充電式にこだわり 上記記載しました充電池を使用した工作が主となります。
近年ホームセンターなどでは豆電球互換LED電球がようやく販売されるようになりました。一体型で定電流回路が組み込まれた電球ですが非常に明るい互換電球は見つけることができませんでした。購入する場合は使用する懐中電灯の電圧に注意しなければなりません。ほとんどの電球は1W未満のLED電球と思います。大まかな個人的な感想ですがLED電球と普通のタングステン電球の消費電力を比較しますと 同じ光量が得られた場合LED電球は1/3の消費電力で済むと思います。乾電池の消耗を考えた場合LED電球では3倍長持ちすることになります。
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| サーチライト用ピリケン球 |
左図はその懐中電灯・サーチライトによく使用されている電球 ピリケン球です。機種により数多くの種類があります。乾電池式サーチライト用電球での規格は 単一型乾電池４本6Vの電圧で使用するため 6V 0.55A の電球が採用されており非常にビームの鋭い明るいサーチライトに使用されています。これを電力で表すと3.3Wの電球となります。
カドニカ充電式ライトでは機種により搭載されているニッカド電池の大きさと電圧の違いにより電球の大きさも異なっています。
警備会社で多用されているカドニカライトは電池容量は 1.2V 1200mA/h の電池が５本直列接続されて 6Vの電池で動作しています。ピリケン球は 6V 0.55A を使用します。規格から計算してみますと連続点灯時間は2時間強であると判明します。昼間は使用しませんので電池を充電し 夜間警備作業に使用する用途となっています。
中型タイプのカドニカライトでは 1.2V 450mA/h のカドニカ電池が5本直列に接続されて 6V の電池電圧で動作します。ピリケン球は 6V 0.3A を使用します。このライトでは連続点灯時間は1時間半程度と計算できます。電球の電力は1.8W です。
小ぶりのカドニカライトでは 1.2V 450mA/h の電池が2本直列接続で 2.4Vで動作します。このタイプではそのままではLEDを点灯できる電圧ではありません。ピリケン球は 2.5V 0.3Aであり この機種も連続点灯時間は1時間半程度と計算できます。この電球の電力は 0.75W と計算できます。
現在では同じ大きさであってもニッカド電池に比較して高容量のニッケル水素電池ですと 約3倍以上の電池容量があります。であれば小型長時間点灯できるライトとして作成できると思います。
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| 各種改造に使用したサーチライト |
ピリケン球を高輝度発光ダイオードに変更した各種懐中電灯・サーチライトです。4台とも充電式電池を搭載しています。
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| 市販品LED懐中電灯 単４乾電池３本用 |
左図は市販品単４乾電池３本で動作するLED懐中電灯発光体部の写真です。下部に比較用として今回使用した高輝度発光ダイオードです。構造は防雨仕様でありクリプトン球を使用したミニ・マグライトに類似しています。現在は乾電池ではなく エネループ単四型ニッケル水素電池を搭載して使用しています。ただ充電器は単四型のスペースが２本分しかなく 充電作業は良くはありません。LED発光体の大きさを比較するとこの市販品LED懐中電灯電気特性は500mW程度と思います。単四型エネループニッケル水素電池での動作電流は約100mAを測定できました。消費電力を計算すると 3.6(V)×0.1(A)=0.36(W)と計算できます。無負荷でのエネループ電池3本直列接続時の電圧は3.951Vでした。4.5V乾電池使用時よりは明るくはありませんが実用性はあります。この市販品では電池電圧変化での消費電流変化も多いと感じました。定電流回路が簡易タイプと思います。100円ショップで販売されている小型LEDライトなどはアルカリボタン電池を3個直列接続されており定電流回路がありません。電池自体の内部抵抗が定電流抵抗と考察できます。
ちなみに新品の単四型アルカリ乾電池を新品の時には消費電流は 約260mAを観測しましたが電池が消耗するに従い電流値は少なくなっていきます。新品の乾電池の電圧を測定しますと公称電圧は1.5Vですが精密測定器での電圧は1.592Vでした。消費電力は約1.17Wと計算できます。乾電池で使用した場合は電池単体の電圧違いにより 消費電力が大きいため懐中電灯は明るく点灯します。
以前ミニ・マグライトとして単三乾電池２本使ったタイプを所有していましたが結構明るいのですが球切れも数多く経験しています。用途としてはアウトドアで小型軽量のため愛用していましたが現在紛失して所有していません。
上記の懐中電灯類はすべてピーナッツのような形状のピリケン球です。この球を今回使用する高輝度白色発光ダイオードに改造するのですが あまり反射鏡部分を改造したくありません。砲弾型の5mm,10(8)mmタイプであれば取り付けマウントを作成すれば簡単に改造できますが光量に制限が生じます。ピリケン球の口金部の寸法を確認すると
約9.2mmです。砲弾型の5mm,10mmタイプであればさほど取り付けに問題はないのですが 今回導入した高出力タイプのLEDであれば簡単に電球化することが形状から困難な作業となります。専用のLED取り付け基板を使用したのでは基板が大きすぎて電球のようになりません。
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| 高出力LED放熱用取り付けマウント |
ここで１W型・３W型のLED動作実験を繰り返しました。この高出力タイプは動作時発熱をいかに放熱をするかがポイントとなります。放熱板は熱伝導率のよいアルミニューム・銅などの金属です。ここで考案したのは電球の口金と寸法が大きく違わない銅管を加工することにしました。使用しました銅管はエアコン用冷媒循環回路に使用される 通称３分の銅パイプです。エアコンの工事をされる方であればエアコン取り付け工事の中で発生する銅管の切れ端を利用することです。外形は
約9.5mmでピリケン球口金の
約9.2mmとの寸法は大きく違いません。口金はinchで言われる 3/8インチ 通称３分と言います。１インチ25.4/8=3.175mm 3.175×3=9.525mmが３分の寸法です。パイプの肉厚が0.8mmあり 放熱用として使用ができると判断しました。
左図は初期に作成しました3分の銅管を加工したLEDマウントです。上部には0.8mmの平板をハンダ付けの後 円盤状に加工しましたした。小さな穴はLEDからの配線を円柱の中に導入するための1.5mmドリルのキリで開口した穴です。この状態でいかに1W,3W型のLEDをマウントするかが悩みの種でした。
通常専用のLED取り付け基板を使用する場合は 基板にLEDをハンダ付けすることにより LEDの底がアルミ板と接触していて放熱をする構造です。このような専用取り付け基板では反射鏡の中にLEDを設置することができません。
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| 1W型LEDをマウント |
いろいろ模索しながら銅管にLEDを取り付けました。専用の取り付け基板であればハンダ付けで完了できるのですが 今回LEDを固定する方法として 絹糸でLEDを銅管に固定しています。左の２個は取り付けた後動かないようにシリコン接着剤で周辺を塗布しました。絹糸は絶縁体であり銅線に絹糸を巻き付けた絹巻線も存在します。左の２個はLEDからの引き出し線を円柱の内部から引き出しています。LEDの発光面がピリケン球のフィラメントの位置として装着しますと放物面鏡の特性としてビーム上の光束が得られます。この銅管のマウントでは １W型LED最大入力動作電流(350mA)で動作させると銅管が連続して触れないぐらい発熱します。懐中電灯の電球として使用する場合は LEDの性能を100％引き出すのが無理であると判明しました。
改善策として銅管の長さを長くして銅管の内部にも 一回り小さな銅管を挿入して放熱効果を上げた結果 何とか１W型のLEDをフルパワーより控えめで動作することができました。この状態でピリケン球とあまり違わない光量が得られました。改造品です。本体電球取付け部に結構空間がありある程度放熱処理ができたためです。懐中電灯の改造ではLEDの放熱処理がうまくできないため 3W型のLEDは使用が困難であると判断しました。光量を少なくして砲弾型のLEDでは放熱処理の必要がありませんので 電球からLEDに変更作業としては簡単であると思います。
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| 工作したサーチライトの光束状態 |
４台ピリケン球をLED化した懐中電灯の中で左から
5mm,10mm砲弾型,1W型,1W型の高輝度白色発光ダイオードに改造し搭載しています。
左の画像は完成したLED懐中電灯の光束状態の写真です。右側2本は1W型LEDを使っていますのでビーム状となって焦点部分が明るく照らされています。右端は5mm砲弾型LEDで拡散に近い光束のため焦点がぼやけており照度はあまりありません。この中では点灯時間が一番長く点灯します。至近距離ですので通常の被写体でのビームは多少異なります。5m以上で光束のビームの焦点が合うようにLEDの位置を調整してあります。LEDの種類により多少色温度が異なっています。
単一乾電池仕様サーチライトの工作
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| 内部にニッケルカドニウム充電池 |
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| サーチライトの充電 |
ホームセンターなどで販売されている防雨型安価なサーチライトを ピリケン球からLEDランプに交換し 単一乾電池が４本収納部に 非常用電源用カドニカ電池パックを収納しました。規格は4.8V,2000mA/h の業務用電池パックです。現在新品電池を入手するには5000円前後の出費が必要となります。下記に記載したエネループのほうが安価になると思います。乾電池専用のサーチライトですので カドニカ電池充電回路は新規に作成しませんと充電作業ができません。放電の都度電池パックを本体から取り出し作業が必要なため今回は 防雨型である利点によりサーチライト本体に充電用接続端子を新設しました。M2のビス・ナットで取り付け部は接着剤で防水処理しています。充電器は自作した電源装置が該当します。M2のねじ部にミノムシクリップで電源装置と接続して充電作業をします。
左の写真は非常用電源カドニカ電池パックです。この電池を普通充電回路で充電しますので規格から判明することは
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| 抵抗に発生した電圧測定 電流に換算 |
電池電圧 4.8V 電池容量 2000mA/h ですので定電流充電回路の場合は 2000mA の 1/10 の充電電流で１０時間以上充電すればよいことが判明します。充電端子にはプラス極に誤接続防止のためにシリコンダイオードを電池のプラス側にダイオードのカソード側が接続してありますので 間違って充電器の接続を間違えた場合は充電できない構造としています。又カドニカ電池が充電端子を通じて外部に流失ができない構造でもあります。
今回使用しましたLEDは １Wタイプで 最大定格電流が 350mA ですが放熱不足が心配となり消費電流を少なくなるように電流制限抵抗を調整しました。電流制限抵抗の値は 8.2Ω 2W型酸化金属皮膜抵抗を使用しましたら If LED電流は写真のごとく .0.21A(210mA)となりましたが 実際に使用してみると ピリケン球と照度差はあまり感じられませんでした。当初フルパワーで作成しましたが放熱に苦慮したため消費電力を抑えた動作に調整しました。
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| 消防設備用カドニカ充電池パック |
この状態で机上での連続点灯時間を計算してみますと
2000/210=9.877となります。約10時間足らず点灯する計算になります。球切れの心配もなく 電流を抑えましたので ピリケン球 6V,0.55A の電球と比較すると省電力のサーチライトとなりました。しかも乾電池のように電池が消耗した場合電池交換となりますが カドニカ電池を搭載したため充電作業で復活します。
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| エネループ ニッケル水素充電池と充電器 |
この乾電池型サーチライトの場合は 電池部分を改造せずに単一型乾電池の代わりに エネループの様なニッケル水素電池を別売品である単一型アダプターに単三型電池を装着して使用するのが簡単と思います。エネループ電池は 1900mA/h の電池容量であれば 上記カドニカ電池搭載分とほとんど点灯時間は変わりません。エネループのようなニッケル水素電池の特徴としてデジカメの電池として多用される電池です。乾電池に比較して大きな電流が取り出せる電池でありカドニカ電池に比べて長時間保管できる充電池です。電池が放電した場合エネループ電池を専用充電器で充電すればよいことになります。ピリケン球をLEDに変更する作業で済みます。
このような利点もありますが電池本体にリード線をハンダ付けすることは電池の寿命を縮めますのでしてはならない事柄です。カドニカ電池パックなどではスポット溶接でリード板で接続します。リード線のハンダ付けはこのリード板にハンダ付けをします。単体のエネループなどでは電池ケースを利用しなければなりません。単三型4本の電池ケースは簡単にホームセンターなどで入手可能です。
画像は作成したサーチライトの充電風景です。直流出力回路に 1Ω,1W ±5％型の金属皮膜抵抗を回路に直列に挿入しています。この1Ωに発生した電圧を抵抗両端にテストポイントとして全面パネル上部に設置してあります。このテストポイントで電圧を測定しますと テスターの電圧表示では 175mV(0.175V) ですので回路電流は 175mA(0.175A) と計測できます。計算値の200mAより少ない電流ですが その不足分の充電時間を多くすれば問題は発生しません。ちなみにトランスの二次側タップ電圧は6Vの電圧タップで動作しています。サーチライト内部に逆止弁作用のシリコンダイオードと5.6Ωが電池に直列挿入していますので 挿入損失分の電圧を高くして充電しなければなりません。又充電が完了近くになると充電電流も減少してきます。充電完了の停止目安としています。
冒頭に説明しました 交・直流電源装置がこのような多彩な電圧に対応できる電池の充電装置にもなるわけです。全面パネルに取り付けている簡易型電流計(ラジケーター)はフルスケール1A となるように調整しています。元々はテープデッキのVUメーターですので目安表示として使用しています。正確な回路電流を測定する場合は1Ωの抵抗の両端に発生する電圧をテスターなどで計測し 電流値に換算して読み取る仕組みとなっています。
カドニカサーチライトを使っての工作 (安全に動作・工作するには難易度が高くなります)
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| 改造したカドニカサーチライト |
以前から所有しているカドニカサーチライトです。充電池の劣化があり使用していなかった懐中電灯をLED化しました。補修部品のカドニカ電池パックは結構高額な部品です。今回は内部にリチウムイオン電池を搭載した改造品です。45年以上前から製造され商品として販売されているカドニカサーチライトです。旧機種では本体部が接着されており 分解ができません。現在ではLED電球を使用した充電式サーチライトとして販売もされているロングセラー商品です。その中でトランス充電方式の分解可能な機種を選定しました。
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| 内部構造部品 |
市販品ではリチウムイオン電池は電池単体ではほとんど販売されていません。使用したリチウムイオン電池は以前2年程度ごとに機種変をしました携帯電話に使用されたいたリチウムイオン電池です。このリチウムイオン電池の特性を知らなければ安全に充放電することができません。
廃棄品携帯電話に内蔵されていたリチウムイオン電池の規格が電池に記載されている事項を記述しますと
電池の種類 リチウムイオン充電池
電池の電圧 3.7V 電池の容量 790mA/h 電力 3.0W/h
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| 充電トランスとリチウムイオン電池 定電圧IC内蔵 |
と記載されています。電池から取り出されている電話機本体との接続端子は3か所本体からの圧接接点で接続する仕組みです。端子には プラス マイナス Ⓣ の表示が記載されています。
電池の端子としてはプラス、マイナス表示している端子が電池端子です。Ⓣの端子は電池内部の温度センサー端子で充放電電池温度制御用として用いられます。
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| 直径8mm高輝度LED |
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| 点灯電流測定 |
ここで携帯電話の充電器規格を確認すると 充電出力端子電圧はおおむね5.5V程度でアダプターの種類により電流値は異なりますが600mA前後と記載されているスイッチング電源充電器です。携帯電話機での充電時間は1時間前後に設計されており急速充電器です。搭載されている電池容量の充電器の出力電流値は似通っています。AC100Vからの純正充電器以外に携帯電話機を充電する方法として PCのUSB端子に出力されているDC5Vを使った充電器、車に搭載されているシガライター用アダプターなどで充電ができるアダプターなどです。車用では12Vを5Vに変換しています。現在多用されているスマホでは内蔵電池だけでは運用状態で変わりますが 24時間動作することができません。その充電器としてスマホ必需品 高容量充電池を内蔵した可搬型ポータブル充電器などです。ブースター電池とも呼ばれています。単三乾電池2本使ったものもありますが 低い電池電圧からDC,DCコンバーターで電圧を昇圧して充電できる装置です。
これらの充電器から携帯電話機搭載リチウムイオン電池では 充電電圧が5V程度の電圧で作動しているのが判明します。電池電圧は公称3.7Vですので電池のチャージアップ電圧が4.2Vとすると満充電電圧でも電圧差があり充電作業ができるわけです。
廃棄品の携帯電話機から電池だけを取り出して専用充電器と接続して充電中の動作を検証しました。リチウムイオン電池では電池単体ごとに必ず充放電制御用のICチップが組み込まれています。元々リチウムイオン電池は高容量で不安定な動作をする蓄電池です。電池の充放電動作において不安定な動作をする領域に電池が入らないようにするためにICチップが組み込まれています。他の蓄電池に比較して安定な領域の幅は狭い電池であると理解してください。不安定な領域となると電池が過熱し発煙・発火事故となります。その電池不安定領域特性があるため市販品の電池単体が販売されていないと解釈しています。充放電制御回路が組み込まれた機器内での電池使用となります。
実働実験の結果 充電完了の制御は電池に内蔵しているICチップでコントロールしています。実験値では DC4.2V 程度となると自動的に充電が打ち切られ 充電器からの電流が流れません。又ある程度電池電圧が下がらないと充電自体の動作ができない構造です。それとリチウムイオン電池では過放電は電池にとって良くありません。リチウムイオン電池はほかの充電池と違い 中途半端な電池容量残量で保管するのが適当であると思います。鉛蓄電池、ニッケル水素電池では満充電状態で保管が推奨されています。ニッカド電池では自己放電作用があるため放電状態での保管となります。再充電することにより容量が復活しますが電池の眠り込み症状(電池容量が一時的に少なくなる症状)があります。
今回使用するリチウムイオン電池では安全性を考慮して電池に重荷となる大きな負荷接続、急速充電を避けた使用方法とします。
この機種に使用した8mm砲弾型高輝度発光ダイオードは以前に作成したもので LEDの規格は保管しておらず 詳細は不明です。実働状況では
電池電圧 3.7V 定電流抵抗値 5.1Ω 1W型酸化金属皮膜 抵抗での電圧 598mV
上記の値からLED電流を求めると
I=E/R の公式に数値を代入すると I=.0598(V)/5.1(Ω)=0.117(A)と計算できます。
上記記載しましたLEDの拡大写真ではリード線に放熱版が通常のLEDよりも大きく 0.3～0.5W型前後のLEDと思われます。この種類のLEDは比較的光束が拡散型であり動作中放熱処理をしなくてよいLEDです。懐中電灯としての光量もあり使いやすいLEDと思います。
今回使用したリチウムイオン電池で使用した場合 連続点灯を計算してみますと
リチウムイオン電池の公称電池容量は 830mA/h ですので
830(mA)/117(mA)=7.0940 約７時間点灯できることになりますので懐中電灯としては活用できることが判明します。ただ廃棄携帯電話機からの抜き取り電池パックであり 電池の一部が膨れていますので連続点灯する時間は短くなっていると思います。しかし実用にはなります。当時予備電池として購入もしくは電池パックだけを携帯電話会社から予備電池として複数個所有している方もあると思います。機種変更すれば使えないリチウムイオン電池などを再利用しているわけです。
リチウムイオン電池充電回路は元の内蔵充電用トランスを流用しました。元々6V,450mA/h の電池を普通充電する小型電源トランスでしたので 充電電流が45mA以下の充電電流です。このトランスをブリッジダイオードで整流後5V用3端子レギュレーターIC(NJM7805など)を使ってDC5.0Vを取り出します。この電圧でリチウムイオン電池を充填することができます。この機種では充電表示用として赤色の小さなLEDが使われており リチウムイオン電池と充電回路との間に逆流防止用のダイオードを入れています。充電電流容量として通常の携帯電話用充電器の電流値に比較して小さな充電電流となりますが 充電時間は普通充電回路に近い５倍以上の時間が必要と思います。しかし正常に充電ができます。充電が完了すれば電池内のICチップにより充電は停止しますので電池は過充電とはなりません。
又LEDの特徴により電池が放電し電圧が2.5V程度になるとLEDには電流が流れませんので リチウムイオン電池は過放電状態となりません。電池にとっては良いことです。自動的に過放電防止となるわけです。ピリケン球では電池は完全に放電してしまいます。
一回り大きめ カドニカサーチライトを使っての工作
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| カード”マンご用達強力サーチライト |
上記で工作したカドニカサーチライトと内容はほぼ同じとなります。元の仕様はカドニカ電池パック6V,1200mA/h が搭載されており ピリケン球は 6V,0.55A を使っている強力型サーチライトです。１６時間充電の普通充電方式であるカドニカサーチライトです。警備会社などで多用された機種の電池パックが劣化したものを使っての工作です。普通充電タイプですので 充電電流は100mA程度になっています。電池容量が大きい分 充電に使用するトランスも小型内蔵タイプですが 取り出せる電流容量は上記工作のサーチライトに比較して大き目のトランスが搭載されていました。
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| LED取り付け状況 |
今回の工作では電池の種類をどのような種類の電池を搭載するかで悩みましたが 最終的には元の電池に比較して非常に小型となりましたが 廃棄品携帯電話機に搭載されていたリチウムイオン電池を採用しました。ただ大型のサーチライトですので 明るい光源のLEDは 1W型を採用しました。
今回も１W型で発光実験をしましたがフルパワー動作では銅管の温度が高くなり連続して触れることができませんでした。放熱方法を考えなければ安定動作とはなりません。今回LEDに流れる電流を調整してLED動作温度を仕方なく下げることとなりました。
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| 放電電流測定 |
電池から供給される電圧はリチウムイオン電池ですので3.7Vです。電流制限抵抗を実動実験の結果10Ω1/4W型の抵抗を並列接続として5Ωと最終的に調整した値です。写真に掲載している状態でのLED電流を計算してみますと
I=0.584(V)/5(Ω)=１１６mA と計算できます。定格の半分以下の電流ですが光源が拡散型でしたので放物面鏡の作用によりビームスポットが得られました。充電完了時であればLED電流は140mAを計測しています。電池がある程度消耗した時点での電流測定の記載です。
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| 放電電流測定 |
充電回路は中型サーチライト工作とほぼ同じですがトランスの容量が大きい分充電完了までの時間は短くなっています。電池が放電(消耗)していきますとLED電流も減少していきますが明るさの変化はあまり判別ができません。
今回充電回路に使用した部品は
小型ブリッジダイオード ５V３端子レギュレーターIC (NJM7805 など) 逆流防止用小型シリコンダイオード 平滑コンデンサー 330μF/16WV 充電表示用黄色小型LED と１KΩ1/4W充電表示LED電流制限抵抗
などを充電回路に使用しました。これらの部品をケース内にリチウムイオン電池と搭載しましたが 元の電池サイズが大きいため 空間に緩衝材(スポンジ類)などを詰め込んでいます。
電池が小型となりましたので非常に軽量なサーチライトとなりました。
ちなみに連続点灯時間を計算してみますと
LED電流 140mA 電池容量 790mA/h の電池を搭載していますので ５時間強の点灯と計算できます。元の状態でのサーチライトは ピリケン球でしたので２時間強しか点灯しませんので このサーチライトではより長く点灯することができます。電流を絞りましたのでピリケン球よりは少し暗めとなりましたが実用性はあります。フルパワー発光では非常に明るいサーチライトです。
リチウムイオン電池がほぼ満充電状態での動作電流の測定です。同じくLED電流を計算してみますと
I=0.723(V)/5.0(Ω)=0.144(A) 144mA と計算ができました。このように電池電圧によりLEDを流れる電流は変化しています。
内部構造はカドニカサーチライトとほぼ同じです。使われていた充電池が大きい分内部は隙間が多くあります。加工は楽となりますが電池が動かないように緩衝材を入れなければなりません。
小型カドニカサーチライトの工作
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| 小型充電式カドニカライトの改造 |
小型のカドニカサーチライトです。規格は 単三型カドニカ電池が２本直列接続されています。ビリケン球は 2.5V,0.3A 仕様のライトです。このままではLEDは電圧が低いため点灯することができまん。今回使用したライトは分解不可能な機種でしたが無理やり分解してしまいました。前記のライトと違い本体内部のスペースに余裕がありません。しかも充電用電源トランスも内蔵されています。内部の突起物などを加工しての工作です。完了後 接着剤で接着したため内部をお見せすることができません。ご了解ください。
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| 点灯電流測定 |
小型タイプですので今回は5mm砲弾型高輝度発光ダイオードを使用しました。照度はあまり明るくはありません。ちょっとした物探しなどに利用できます。緊急時には長時間点灯するように考えました。台風などで商用電源が長時間復旧しなかった場合 夜間長時間明かりがないと不安です。ろうそくの照明では発熱もあり危険です。消費電力が少ないLEDを選択使用しました。LEDは
VF : 2.9V ～3.6V V,A : 60deg 15000mcd@50mA If max 50mA
5mm砲弾型を採用しました。 消費電流が 50mAですので 電池自体が小さめの 680mA/h のリチウムイオン電池を選択しました。この規格で机上計算で点灯時間を計算してみますと
680mA/50mA=13.6 １３時間連続点灯することが可能であると計算ができます。
電流を半分程度にしても大きな照度変化はありませんので 電流を絞れば長時間点灯可能となります。従来の高輝度発光ダイオードの規格 20mAで 点灯時間を計算すると 計算上３０時間以上も連続点灯することになります。
ほぼ充電完了時でのLED電流測定です。電流制限抵抗は 10Ω1/2W精密金属皮膜抵抗です。
I=0.507(V)/10(Ω)=0.0507A) 50.7mAと計算できました。電池が消費していきますと電圧も下がりますので同じように電流も小さくなります。１０時間以上連続点灯が可能と計算できました。
内蔵するスペースにも問題がありますが 充電用電源トランスにも問題があります。このライトでは普通充電タイプですので 2.5V 45mAが電池を充電するための動作です。現実の回路では少し高い電圧が発生しており電池充電をしています。3.7Vリチウムイオン電池を充電するだけの電圧がありません。ここで考えたのは 全波倍電圧整流回路であれば２倍の電圧を得ることができますが 充電電流は半分の電流となってしまいます。2～30mA程度の充電電流が得られると想像しました。この場合は満充電に一日以上かかります。急速充電の必要はありませんので 長時間充電でもよしとしました。小さな充電電流でも時間をかければ満充電できます。全波倍電圧整流後の回路は上記ライトと同じように DC5.0V で充電する回路となりました。ただ充電電流は上記ライトに比較して少ない充電電流しか作成できません。整流後の回路は上記ライトとほぼ同等です。全波倍電圧整流回路はブリッジダイオードを使用しません。単体電源整流用ダイオード２個と電解コンデンサーが２個必要となります。
このようにある程度電気回路の基本的な知識がないと応用工作として充電・電源回路は作成することができません。
複数台の懐中電灯を工作しましたが実用性はあります。台風などの自然災害時停電となった時にはリチウムイオン電池の特性から自己放電による電池容量減少が少なく緊急時による活用できるものです。半年を目安に充電をしています。
次の工作は商用電源 AC100V を使ったLDE照明器具の工作です。AC100V を直接直流に変換しての工作ではありません。現在使わなくなった電子機器のACアダプター、電子機器に内蔵されていた電源トランス、汎用電源トランスなどを活用した工作となります。動作回路内で充電部がない(感電事故が発生しない) 電源トランス二次側の法規制がかかっていない低い電圧を使っての工作です。くれぐれも作業中、動作状態でも 感電・発火・発煙・怪我などの事故の無きように自己責任で工作してください。小型電源トランスでも直接AC100Vと接続しますので法規制によるトランス製造者でトランスの安全性は確保されています。後は工作する人が規格内動作をしなければ安全に動作とはなりません。トランス製造者ではトランスの耐圧・絶縁・負荷による温度上昇試験などを実施しています。粗悪な規格外のトランスでは最悪火災事故・感電事故が発生します。
又家庭内の電気配線が伴う場合は
電気工事士の資格が必要となります。誰でもできる工作ではありません。
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| インバーター学習スタンドのLED化 |
故障した学習スタンドのLED化
蛍光管を使ったインバーター学習スタンドを使っての工作です。元々は高周波点灯の蛍光灯です。使われていた蛍光管は27Wのパラレル蛍光管で電子基板で高周波点灯回路が搭載させていました。以前基板不良により点灯しなくなった器具を分解してLED仕様に工作しました。作業机の補助光源として同じタイプの学習スタンドを活用していましたが スタンドの底に安全スイッチが搭載されており写真撮影などに使った場合 底面が机などから離れると自動的に消灯してしまい 又タッチセンサーを間違って触れると消灯します。移動させて照明用とするには使い勝手の悪い学習スタンドです。
光量が大きい分発熱も大きいためスタンドが転倒した場合などに火災事故を防止するための安全装置が補助光源とした場合使いにくい照明でした。現在では新規に購入すれば外国製品であれば安価な商品です。修理費用よりは買い替えたほうが安価な学習スタンドです。
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蛍光管点灯用インバーター基板 |
左の画像は学習スタンドに搭載されていた 蛍光灯点灯制御基板です。高周波点灯回路であるためグローランプ、安定器が使われていません。スイッチが入れば瞬間に点灯する学習スタンドです。
この制御基板を抜き取った後に今回カットコアの電源トランスを搭載しました。通常のE,Iコアのトランスよりは扁平な形ですが 元の電子基板に比較すると大型で搭載するにおいて苦労しました。
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| 電源トランスとして選択したカットコアトランス |
電子基板が搭載されていた場所にカットコア電源トランスを搭載した状況です。以前の電源スイッチはタッチセンサーでしたので今回新たに電源スイッチを取り付けています。電源トランス以外の部品としては トランスの二次巻線にブリッジ整流ダイオードと平滑用電解コンデンサー470μF/35WVを使用しました。電子機器抜き取りの電源トランスですので詳細の規格は不明ですが実負荷をかけながら実働試験を長時間実施しています。底にバランスウエイト用の鉄板がありましたが今回搭載する電源トランスは結構重量があるため省略しました。電源トランスが重心を下げる効果があるため 学習スタンドとしてバランスの良い転倒しにくい構造となっています。安全装置として電源トランスの一次巻線には保安ヒューズとして１Aの保護ヒューズを入れました。
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| 電解コンデンサーと電流測定用抵抗 |
ただこの状態で学習スタンドの操作面を元と同じように組み立てるには やはりトランスの形状が大きい分 隙間が発生しないような組み立て状況にはなりませんでした。仕方がないので元の取り付け部分に銅管をカットしたスリーブを作成して全体の容積量を確保しました。ただ接合部に５mmほどの隙間が空いてしまいましたが 人間の指先が挿入できないぐらいの隙間ですので安全性は確保できています。経済産業省では新規の電化製品承認検査では製品検査の時に 充電部分は人間の指で振れられない構造であるかを人工指で試験をしています。これに該当しますが規格内の隙間です。
ここで使用しましたカットコア電源トランスについて考察します。
機器抜き取り品のため詳細は不明でしたが 目視状態からは 20VA程度の容量であると判断しました。冒頭で説明しました電源装置のSEL製電源トランスは二次側 12V,1Aの規格ですので 12VAの容量トランスといえます。これはAC12Vで１A負荷であれば 12W消費できるトランスです。今回採用しました電源トランスでは二次側出力電圧は一次側にAC100Vを通電した時に発生する交流電圧を測定すれば大まかなトランスの電圧は判明します。あとはトランスの許容電流が判明すれば電源トランスとして再使用することができます。電源トランスは定格使用状態でも一時間以上負荷をかければトランスの温度が上昇します。この時点でトランスの温度を測定すればほぼトランスが安全状態であるかが判明します。電源トランス本体温度が常温プラス2～30℃以内であれば安心して使用することができます。大まかな判断ですがトランスのコアの大きさである程度は許容容量が判明します。トランス二次側巻線電圧測定ではAC20V前後の電圧を測定しました。
今回使用したLEDは ３W型高輝度発光ダイオードを６個直列接続として工作しました。試行錯誤の結果LED電流を１W型程度のLED運転動作としました。なぜかといいますと LEDから発生する熱量が多く放熱板にLEDを取り付けた状態で連続して触れ続けれる温度になるように調整をした結果です。もう少し大き目の放熱板を使用すればよりパワーの取り出せる照明器具となります。現在でも放熱不足気味で動作しています。放熱板の大きさは
200mm×45mm×5t アルミ板
ジャンク品の放熱板を使用したため一直線のLED配置となっていません。LEDの固定は円筒形の放熱板と同様に取り付け部を開口した後 絹糸で固定しています。LEDの裏面は放熱効果をよくするためにシリコングリスを塗布してあります。
実際の動作状態の測定です。
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| 点灯電流測定 |
学習スタンドに M2のねじをキャビネット側壁にテストポイントとして取り出しています。テストポイントには 1Ω±5％ １W型酸化金属皮膜抵抗が内部に取り付けてあります。今回は定電流抵抗としてテストポイント用1Ωとなっています。テストポイントの電圧を測定すると 364mV でありLED動作電圧は DC19.29V と表示されました。LED駆動電力を計算しますと
W=I・E より 0.364(A) ×19.29(V)= 7.021(W)
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| 点灯電圧測定 |
とLEDでの消費電力が計算できました。この状態でのLED1個当たりでの Vfは 3.216V と判明します。LEDでは熱として６W程度が発熱していると考えられます。メーカーからの規格表・その他文献などを探しましたがLEDでの発光効率による発熱量などのは記載事項は見つけ出すことができませんでした。トランス・整流回路での損失を加算しても 全体の消費電力は１０W程度と思います。従来の蛍光灯器具に比較して省電力の学習スタンドに変身しました。今までの蛍光管と比較しても明るさにおいても問題はありません。数時間連続点灯しても電源トランスの温度上昇は規格範囲内温度に収まっています。
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| 消費電力測定 |
上記を検証するために 精密測定器を使っての消費電力測定です。この計測器は YEW 製 TYPE 2041 単相電力計です。Class 0.5 (0.5級) の精度があります。測定結果ですが 指針の目盛を読みますと 10の位置を表示しています。読み取り結果から１０Wと観測できました。机上計算と一致しました。
これらの結果からでも判明しますが 使用する電源トランスの容量は余裕を考慮すると 15VA 以上あれば問題が発生しないことが判明します。
トランスでは扱われる電力量を W(ワット) と表示はしません。電圧と電流を表す VA 表示がトランスの扱える電力容量値となります。電力を扱うトランスでは ****ワットのトランスと呼ばずに ****VAのトランスと呼称します。⒑KVAのトランスといえば 電力会社の電柱に設置しています柱上トランスで 高圧三相6000V(結線は単相)から低圧単相200V に変換する一番小さな売電用電力容量のトランスです。
少し横道にまたもやそれてしまいました。少し軌道修正します。
放熱板に取り付けた状態LEDの平面発光ユニット
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放熱板に取り付けた高輝度LED |
市販品LED取り付け台を使っての工作応用
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| 1W,3W型共用LED取り付けマウント・放熱板 |
左画像の取り付けマウントはＬＥＤメーカーからの別売ＬＥＤ取り付けマウントです。中央が3Ｗ型ＬＥＤを専用放熱アルミ板に取り付けた状態です。このアルミ基台を放熱板に取り付けることによりＬＥＤから放出される熱を熱伝導により冷却することができます。LEDをフルパワーで動作させることができます。基台のパターン部にはんだ付けする前にシリコングリスを塗布することにより放熱効果が向上します。この基台ではピリケン球のようには取り付けできませんので平面的な発光ユニットを作成するのに適しています。
3W型パワーLEDをアルミ製放熱板に取り付けました。連続通電状態での温度上昇状態を観察しました。放熱板は連続して触れている事ができるような動作温度となりました。3W型のLEDを最大定格で動作させるように設計しましたので多量の発熱があります。動作電圧はLED電流が700mAまでとして電流制限をしますと 3個のLED直列接続では約11Vの電圧となりました。３W型9個のLEDでの入力電力を計算しますと
11(V)×0.7(A)=7.7(W)
7.7×3=23.1(W)
LEDで消費される電力は23.1Wと計算できました。これだけの消費電力を放熱するには大きな放熱板が必要であると考察できます。
ジュールの法則により
0.24Wt の公式により一時間当たりで発生する熱量を計算しますと
0.24×23.1×60×60=19957.4cal と計算できました。
上記LED照明は山小屋での実験です。LED６個直列接続として実験しました。同じ発光ユニットを２組接続です。LED点灯電源電圧はDC２３V程度で動作します。
この工作で使用していますハンダごては通常15W程度の電力でハンダ付け作業が可能です。如何にLEDから多くの熱が発生しているかが判明します。シリコントランジスターよりも最大動作温度が低いため放熱効果を向上しなければなりません。小さな放熱板を使用する場合冷却ファン導入も考慮する必要があります。
実験の結果１W,３W型単体LEDを数多く使うよりは ハイパワー型30W,50W型LEDを使った工作のほうが簡単ですが 電源電圧も必然的に高電圧となり電源回路設計に苦慮します。50W型１個の場合は DC35V程度・電流容量2A程度の電源設計となります。専用のスィッチング電源を使ったほうが簡単かもしれません。
10W蛍光灯器具のLED化
長年使用してきました 洗面所にある洗面台キャビネットに照明として１０W蛍光灯が組み込まれており 光量不足気味と蛍光管の交換が発生するため外観は変更せずに蛍光灯ユニットをごっそり抜き出しました。
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| 分解した10W蛍光灯照明器具の部品 |
キャビネットから抜き出した１０W蛍光灯の内部部品です。内部構造は比較的簡単であり 中学生程度で 技術家庭の工作ができる部品しか使用されていません。現代では学校での工作実習は プリント基板電子回路の工作が主となっています。
ここで条件として外観は工作をしないことで話を進めます。取り出した蛍光灯ユニットが取り付けられた位置に 今回LED照明を組み込みました。
予備実験としてジャンク品の電源トランスを利用して実働試験で最終搭載するLEDユニットを作成しました。
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| ジャンク電源トランスの流用 |
左の画像はジャンクボックスより使えそうな電源トランスを使って簡単に実働試験をしました。トランスに定格が表示してある場合はトランスの能力が判明しますが 機器抜き取りのトランスでは規格の詳細が分かりません。上部２台はトランスに二次側出力電圧と電流値が記載されています。24V,0.7A(16.8VA) 11V.2.5A((27.5VA) 下側左は汎用ベルトランスで１０V,１A(１０VA) と判明しましたが右下のトランスは機器抜き取りトランスで詳細は不明です。測定器で調査すると 22V×2 センタータップ 全波整流用のトランスです。このトランスについては許容電流値が不明でしたので実働試験により安全電流を導き出しました。
電源トランスですが 製造メーカー、使用用途によりトランスの大きさが異なります。同じ規格、同じ電流容量であっても大きさは異なります。安価なトランスですと長時間使用するとトランスの動作温度を比較すると高温となる事が判明します。常時通電状態で使用する業務用仕様電源トランスでは 360VAのトランスでさえ 家庭用絶縁トランスの1KVAトランスより大型のトランスです。このように使用用途によりトランスの大きさ、価格が異なります。ちなみに電力会社の柱上10KVAのトランスは比較的小型のトランスが内蔵されています。通常のトランスですと自然冷却ですが 柱上トランスではトランスが油に浸かった状態で発熱した熱を油を油冷剤としてトランスケースから屋外に放出しており 動作中トランス温度を下げています。その結果小型でありながら大きな電力を扱えるわけです。昔はPCB含有の油が絶縁油として使用されていました。現在では毒性油のため使用されていません。昔高圧トランスの絶縁、冷却油・コンデンサーの絶縁油として多用されました。これが環境破壊を起こすPCB問題です。
すみません軌道修正します。
24V,0.7A の電源トランスであれば３W型LEDが６個フルパワーで動作できるトランスであると判断できます。無負荷であれば最大直流電圧は約３３V出力となりますが 負荷をかけていくと直流電圧が下がっていきますが 定格負荷の場合はDC24V 程度となります。二次側巻線の出力電流値が大きいほど負荷が同じ場合は動作電圧はDC24V より高い電圧で動作します。整流後平滑コンデンサーを使用する理由に発光時のちらつきを防止するためです。平滑コンデンサーがない場合は電源の２倍の周波数で波形が正弦波の片半分が連続した波形の電圧で動作するため ちらつきが発生するわけです。
今回は直流電圧が２０V前後で動作するように 前記で工作しました学習スタンドとほぼ同じような動作としました。学習スタンドでは２７W蛍光管程度の照度が得られましたのでほぼ同じ回路構成です。LEDは３W型を６個直列として接続しています。学習スタンドではLEDからの放熱問題があり消費電力を絞りましたが 今回は最大定格近くまで出したいため放熱板をいろいろ模索・工作しました。
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| ３W型LED 6直列接続点灯 |
上部画像は今回作製しましたLED発光６連ユニット実装状態です。アクリル保護カバーを取り外して撮影しています。
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| 各LED放熱板の状況 |
左の画像は作成した発光ユニットの拡大画像です。LEDは 円筒の銅管にマウントしています。サーチライトのLEDマウント用として作成した3分銅管ですが放熱効果を上げるために銅管の長さを長くしています。銅管を小型アルミ放熱板に取り付けた後１０W蛍光灯管長さに合わせてLアルミアングルに等間隔に取り付けしました。Lアングルも放熱板となっています。元々安定器はこの画像からは確認できませんが 裏側に取り付けられていました。その取り付け台に今回小型電源トランスとブリッジ整流回路を取り付けてあります。蛍光灯器具では保安ヒューズがなかったのですが安全性を考慮し1Aのヒューズをパワートランスの一次側に挿入しています。ユニットは蛍光管と違い光束状態が異なりますので使用する環境により下側に傾けて発光ユニットを取り付けています。
実動の結果照度が明るすぎたため照度を落とすことになってしまいました。フルパワー発光から発光電流を絞る作業です。電流を絞るためには定電流抵抗の値を大きくしなければなりませんが 熱損失が発生し効率が良くありません。パワートランスの種類変更で 定電流抵抗値を小さくしています。照度についてはある程度妥協しました。そのあおりで洗面所の埃などが目につくようになりました。従来の10W蛍光灯に比較して非常に明るい照明となったわけです。現実の運用状態では
LED動作電圧 DC 19.3V LED動作電流 371mA(0.371A) 定電流抵抗 1Ω２W酸化金属皮膜抵抗 LEDでの消費電力 7.16W LED１個当たりのVF 3.21V 全体として１０W前後の消費電力値
３W型LEDですがほぼ１W型の動作状況まで出力を落としました。 落とし方としてパワートランス出力電圧を当初搭載していたトランスより低い電圧のトランスを採用しました。電流を絞りましたが １０W蛍光灯よりは明るい照明となりました。
オーディオ機器・無線機などに必要な測定器類は多数所有していますが 照度計などの測定機類は今日まであまり必要性がなかったため所有していません。数値の表現ではなく感覚的な表現となっていますが 道楽・趣味の領域ですのでご勘弁ください。
多目的LED補助光源の作成
前項目で述べましたように デジカメ撮影において撮影環境により補助光源が必要となったため 電源としては廃棄処分した機器のACアダプターを再利用した補助光源です。
現在の機器では電気用品取締法により外付け電源が多用されています。以前の機器ではACアダプターは電源トランス仕様で結構な重量がありました。又機器接続コードがDC接続プラグでプラグ根元の金属疲労によりよく断線故障が発生しました。ACアダプターは分解不可能な構造となっており 修理ができません。通常は高額なACアダプターの交換でした。
各家庭において旧機種のACアダプターがごろついていると想像します。これらのいらなくなったアダプターを使っての工作です。ACアダプターは直接AC100Vと接続となりますので電気用品取締法が適用されています。しかしACアダプターで接続される機器はこの法律に適用されません。これらの法律の枠から逃れれる機器が多数製造・販売されています。ACアダプター仕様ですので安全設計が簡単となるわけです。
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| DC12V電源で点灯可能な発光体 |
ACアダプターも多種類類存在します。この中で身近にあったLED光源用としては DC12V以上 出力電流容量が１A以上のACアダプターが使い勝手が良いと思います。例として ノートパソコン用ACアダプター・旧機種の１５型液晶モニターテレビのACアダプターなどが該当します。既に廃棄されているようなACアダプター類です。6V前後の出力であればLED発光ダイオードを個別単位でしか使用することができません。市販品であればパソコンのUSB電源を利用した補助光源も商品として販売されていますがあまり明るい照明ではありません。USB端子として取り出せる電源は5V,1A程度までしか取り出すことができません。
左の画像はごろついていました 現在使用していないACアダプターです。左上が電源トランス式ACアダプターです。その他はスイッチング電源式軽量のACアダプターで 大きさの割にはトランス式に比較して大容量です。その中で比較的大容量の DC12V,3A規格のACアダプターを採用しました。１５型液晶モニターに使用していましたACアダプターです。銘板にはAC100V～AC240V,1.0A 79～106VA と記載されており PSEマークも記載されていますので法律による規格合格品のACアダプターです。PSEマークとは経済産業省で監督下にある電気用品安全法に適合した商品です。一部この規格を取らずに輸入品の電気製品を国内で販売したため 現在高額なペナルティー 回収作業をさせられている企業も存在します。以前でしたら三角テ、丸テのマークが適合の証でした。
ただこれらのACアダプターを 目的外使用の改造品となれば 自己責任での使用となりますので各自認識願います。事故が発生しても自己責任です。
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| 使わなくなった電子機器に使われていた AC アダプター |
上記が補助光源として作成したLED発光ユニットです。３W型LEDを３個直列として動作します。動作電源は 上記ACアダプターです。スイッチング電源式アダプターは 出力される電圧は負荷変動に対しても常に定電圧である DC１２Vを出力する構造のACアダプターです。通常の電源トランス式ACアダプターであれば負荷変動により出力される電圧は変化します。電源トランス式ではACアダプター内に 整流用ダイオードと電解コンデンサーが内蔵されています。動作する機器側で定電圧もしくはリップルフィルターが一部搭載されている機種もあります。ほとんどの場合機器内で電解コンデンサーのみで直流化しています。
見てのごとく大きな放熱板が必要でした。この3W型LEDを３灯点灯した予備実験で LEDを取り付けている銅管付近を 定格 750mAで動作させた場合 LED取り付け部周辺を連続して触れ続けられない程 周辺の温度が上昇しました。その対策として放熱板を追加した結果 上記のような放熱板状況となりました。この状態であれば放熱板を連続して触れ続ける温度の動作状況に落ち着きました。
この補助光源装置では ACアダプターは定電圧出力であり DC12Vで3個直列に接続して動作させた場合最大定格電流を流すことができません。定電流抵抗に1Ω2W型を入れていますのでその電圧測定では約660mAで 最大定格で発光させるにはもう少し高い電圧を加えないと最大出力とはなりません。ちなみにダイオード1個当たりの Vf を計算してみますとアダプター出力電圧は 12.04V 抵抗での電圧降下電圧 0.66V から LED駆動電圧は 3.7933V と計算できました。最大定格動作より少ないLED駆動電流ですが 明るさについては定低電圧電源で試験した明るさとは目視上大きな違いがありませんでした。控えめの動作であり妥協しました。
このように単体で大きな電力を扱う 高輝度発光ダイオードは 点灯時の放熱処理に苦慮します。いくら照度が明るくてもLEDが熱破壊しては使い物になりません。最大定格で扱うにはいろいろ問題を解決しなければなりません。使用環境において難易度が高いデバイスです。
次の工作は家庭内使用ではなく 屋外で使用される光源の工作です。
第二種原動機付自転車灯火器の工作
世間でよく呼ばれている名前では原チャリです。物を捨てられない症候群ですので過去の遺物である単車であり約３５年前に製造されたものです。当時発行された市町村の車両番号標(ナンバープレート)を現在まで引き継いでいます。３５年間税金を納めている証拠です。型式は本田スーパーカブ C-70 です。第二種原付ですので免許の関係により誰でも乗れる原チャリではありません。二輪免許の取得が必要な車両です。所有している二輪免許は制限がない二輪免許であり 公道を走行する場合一般車両と同じスピードで走行することができる車両です。ただトランスミッションは３段自動遠心クラッチであり エンジンの出力が小さく ギア比の設計も同様に古く４０～５０Km/h程度で走行するのが一番良い燃費走行です。以前の法律であれば中速車に分類されており 公道での最高スピードは５０Km/hまででしたが 法律が改正され現在では一般公道の最高速度である ６０Km/h のスピードでもスピード違反にはなりません。第一種原動機付自転車であれば 最高スピードは現在でも３０Km/h ですのですぐおまわりさんにスピード違反で検挙されます。ただ原チャリですので゛高速道路・自動車専用道は走行できません。一種と二種の原動機付自転車では外観上気を付けないと判別できません。第二種は後部フェンダー白色の△マークと前部フェンダー先端が白色に一部塗装されており識別できます。現代の四輪車を運転している人たちは第二種原動機付自転車と第一種原動機付自転車との判別ができないように思います。一般道においては四輪車と同じスピードで走行できるのですが よくあおられてしまいます。二段階右折義務もありません。現在でも車検の必要がない軽二輪 GB-250 初期クラブマン単気筒 も所有しています。過去には車検の必要な自動二輪車 現在では大型二輪に分類される CB-450K1 当時白バイに採用されていた単車も所有していました。
前置きが長くなりました。すみません。
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| 尾灯・制動灯 6V仕様 |
今回工作しました 本田スーパーカブ C-70 ですが 製造が古いため電装品が6V仕様であり現在販売されいてる原チャリではほとんどが12V 仕様で販売されています。ここで大きな問題が発生しました。電装部品である電球類が自動車部品を扱っている販売店でも簡単に入手できません。以前ホンダ専門の二輪販売店で純正品を入手できましたが 常備在庫品ではありません。
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| 前照灯 ６V １５W ダブル電球と 保安灯 |
この骨董品のカブを現在でも使用するにはいろいろ問題が発生しており その一部が今回の工作です。二輪車では昼間でも前照灯点灯するように義務付けられており 前照灯のロービーム電球切れがよく発生します。15W,15W 6Vのヘッドランプ電球です。12V電球であれば簡単に入手できるのですが ６V電球は簡単に入手できません。同じく後部尾灯(テールランプ)・ストップランプ 10W/3W,6V の電球もも同様に球切れが発生しています。このままでは車両整備不良と判断されて交通切符を切られる恐れがあり 安心して買い物に行けません。
このスーパーカブでは通常の原付車両と違い 蓄電池(バッテリー)容量が無くてもエンジンが始動できる構造です。エンジンに付属している発電機は各灯火器とイグニッションは動作できる構造であり 方向指示器(ウインカー)・停止灯(ストップランプ)・警笛(ホーン)は蓄電池からの6Vの直流電圧で動作する構造です。
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| 尾灯・制動灯をLED化 ウインカーもLED化済 |
ここで球切れが発生しやすい原因を調査しました。エンジンスタートしてでの灯火器に供給する電圧を測定しますと AC6V であれば問題がないのですが テスターで電圧測定すると ８V以上の電圧が発生しており 通常車用電球であれはバッテリーのチャージアップ電圧でも球切れが発生しないように製造されていますが エンジンの回転数を上げるとより高い電圧が発生していました。
６V蓄電池のチャージアップ電圧は６．９Vです。バッテリーからの電源で点灯している場合は問題ないのですが 交流の発電機から発生した交流電圧で灯火器は動作しています。ここで判明するのは電球規格電圧より高い電圧が印加されているのが判ります、球切れが発生しやすい構造であることが判明します。近頃では車用電球の互換LED電球も販売されていますが このカブに使用できるLED電球は販売されていません。
今回球切れの発生しないLED を光源として 代替え電球を作成して搭載しました。以前から保守用として購入していた電球も手持切れとなったため 工作に至ります。今回LED化した電球は後部尾灯用と前照灯内部にあるポジションンランプ６V,3W の黄色電球です。前照灯はロービーム・ハイビーム切り替えができるW電球ですので 光軸の関係があるため改造していません。ポジションランプは懐中電灯サーチライトで使用しました銅管にマウントした LED 3W型を搭載しました。昼間走行時はポジションランプが高輝度白色LED光源で点灯するようにしましたので 通常の電球の発光に比較してより白色に発光する光源です。近頃よくヘッドランプに使用されます HID・ハロゲンヘッドランプ に似通った色温度で点灯します。
正規ヘッドランプの代用品としてサブ・ヘッドランプ１０W型 IF:3.0A のLED搭載のランプを工作し走行においては実用性はあります。
尾灯(テールランプ)・制動灯(ブレーキランプ)電球 6V,10W/3W の工作
電球を工作でLED化するには この旧型スーパーカブでは様々な問題が発生します。項目として尾灯と制動灯では点灯するための電気の種類が違うことです。尾灯はエンジンからの発電機そのままの交流電圧で動作しています。制動灯(ブレーキランプ)は バッテリーからの直流電圧で動作していますので LED点灯回路はそれぞれに対応した回路でないと働きません。次に電球では点光源であり 反射鏡により光源を収束しています。
代替え3Wの尾灯は8φ If 50mA LEDを直列・並列接続とし AC 6V から直流に変換後LEDに直流を供給します。LED前面には乳半すりガラス状の光源拡散板を取り付けています。代替え制動灯10W型は直流バッテリー6Vから点灯しますので 3W(If 700mA) 型LEDを2個直列接続とし 尾灯と制動灯の光量が5倍以上となるように工作しています。
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| 電装の電子化完成 蓄電池はエネループ充電池 |
６V ４A/h の蓄電池は単三型ニッケル水素充電池(エネループ充電池)５本直列として ６Vの蓄電池としました。8年前に鉛シールバッテリーを新品にしましたが1年ほど不使用時期があり再充電しましたが復活しませんでした。6Vの鉛バッテリーは小型バイク用では品数が少なくエネループ充電池に変えましたが問題は発生していません。ホンダ純正6Vの鉛蓄電池は非常に高額であり現在ではすぐに入手できません。
蓄電池充電回路からエンジンさえ始動している場合 10数ボルトが発生します。直流に整流後DC/DCコンバーター新設によりバッテリー電源供給回路には常時DC:7Vを供給するようにしました。エネループからのDC:6Vはほとんど消費しません。光源でLED化していないのはヘッドランプのみとなりました。
昼間走行時にも2輪車は前照灯点灯義務がありますが LEDを使ったヘッドランプもどきを工作し 夜間走行でも本来の電球 15W/15W 6Vヘッドランプ仕様は使用しません。光軸があるため撤去はしておらずLEDと電球は簡単に切り替えができます。
LEDを安全に動作ができるようにするための 定電流回路の工作
LEDは Ifに記載されている電流値を超えた設計ではLEDは故障してしまいます。そのために定電流回路により電流値を制限した抵抗器を使った設計で進めてきましたが 効率が悪く自由に電流を可変することができませんでした。特に電源電圧が変動する場合は設計に苦慮しました。
多少供給される電源電圧が変動してもLEDには一定の電流を流すことができる電子回路であり部品点数および工作は簡単なものと思います。
簡単な定電流抵抗挿入と異なり回路は複雑であり費用面では高額となりますがLEDに流れる電流が可変できるのと電圧変動による電流変化が少ないのが最大の特徴です。
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| 小型LEDを多数使用した強力ランプの実験 |
上図は蛇の目基板に多数のLEDを使用した強力ライトの実用試験です。右側のランプは 5φ If 20mAのLEDを 4直列・59並列接続で工作した物です。DC:12Vから 15V程度で動作するように設計です。設計最大電流は1.2Aとなります。手前は電流制御回路基板です。汎用小型NPNトランジスターと Nチャンネル・パワーMOS FETを使った簡単な回路ですが 半固定抵抗で電流値が可変することができます。電源電圧が変動してもLEDを流れる電流値は設定した電流になります。
上図右側は 8φ If 50mA 砲弾型LEDを4直列・17並列接続とした高出力ランプの実験です。設計最大電流は 0.85A最大です。DC:12V～ 15Vの電源電圧で使用できるように設計です。
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| 左5φLED 236個 右8φLED 68個 協力LEDランプ 蛇の目基板 94mm×72mm に取り付け |
LED個々のバラツキ補正のため各4直列接続したLEDに10Ω前後の抵抗を挿入しています。各4直列接続したLEDを並列接続として定電流回路で電流値を制御します。
左図は電流制御回路です。トランジスターは電流検出用 2SC536 と 電流制御用 パワーMOS FET 2SK813 です。部品として抵抗68KΩと200Ω半固定抵抗を使った簡単な回路です。電流値検出用途として1Ω5W型のセメント抵抗器です。1Ωの抵抗に1Aの電流が流れた場合抵抗には 1.0Vの電圧が発生しこの発生した電圧をSVR２00Ωで調整後2SC536のベースに接続します。シリコントランジスターの場合ペース・エミッター間の電圧が0.6V～0.7V以上となるとベース電流が流れ それと同時にコレクター電流が流れるようになります。2SC536コレクターとFET 2SK813のゲートは接続されており ゲート電圧は68KΩにより電源電圧と接続してありますので 2SC536のコレクター電流が流れることによりゲート電圧が下がるため ドレイン電流が減少となります。
1Ωの電流検出抵抗には200ΩSVRが並列接続されておりVRの中点からは 2SC536のベースとつながっています。ベース電流が増加すればドレイン電流が減少する経緯をSVRにより希望する電流に制御できるわけです。
上記の制御基板は0.7Aから1.0A 程度を制御するのに最適といえます。
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| 参考回路図 If 3.0A １０W型LED制御回路 |
この定電流回路は電流検出用抵抗器の選別が肝心です。今回の事例では1Ωの抵抗に1Aの電流が流れた場合消費電力はいくらになるでしょうか ? オームの法則により W(P)=I×E もしくは W=I×I×R の公式から抵抗での消費電力を求めると W=1(A)×1(A)×1(Ω) から1Wと答えが求められます。抵抗器の許容電力は消費する電力の3倍から5倍の許容品を選別しなければなりません。ということで5W型の1Ωの抵抗が選択できるわけです。
制御する電流に応じて抵抗値を選択する必要があります。約0.7Vの電圧が発生するためにはどのくらいの抵抗値にすればよいかを計算します。例として3Aで制御するには オームの法則から R=E/I に代入すると 0.7(V)/3(A)=0.233Ω と計算できます。市販品の抵抗を選択した場合 0.25Ω 前後であればが最適であると言えます。抵抗器での許容電力を求めると 3(A)×3(A)××0.25(Ω)=2.25Wとなり抵抗器は10W型が適当となります。もしもこの抵抗値が市販品に無い場合 合成抵抗として同等の数値を求めればよいわけです。例として0.5Ω/5W型の抵抗器を並列接続すれば目的の数値になると思います。このように直列接続・並列接続を駆使して目的の抵抗値を算出してください。FETは定電流抵抗素子として動作しますので使用状態により発熱に配慮ください。FETのPD熱損失許容に注意 ! ! !
今回工作したランプは小さなLEDの集合体ですが使用には注意が必要です。発光体からは結構な発熱があります。密閉した容器に収容する場合強制空冷装置が必要と思います。現在数は少ないですがLEDヘッドランプを搭載している車種では光源に大きな放熱板及び発熱体策として冷却ファンがついているものも見かけます。
上図は市販品完成基板です。降圧型スィッチング電源基板で出力電圧及び出力電流制御が可能な完成基板です。中国製で最大５Aまでとなっていましたが実用として３Aまでが限度と思います。この基板を使った場合最大３５Vから希望の電圧にプリセットできます。実働としてDC:5V 出力に設定してあり2.2Ωの電流制限抵抗をLEDに直列接続です。電流はLEDの If:0.7A が得れれます。３W型の高輝度発光ダイオードです。電源電圧として７V以上の電源であれば正常にLEDはフルパワーで点灯させることができます。
比較的購入価格も安価であり定電圧電源として活用できると思います。この基板では24Vの蓄電池からでも正常に動作することができます。
市販品の上記のようなDC/DCコンバター基板完成製品の中には昇圧型と降圧型及び両様型はよく探せば見つかると思います。今回説明したコンバーターは降圧型で元の電源電圧よりも低い電源として使用する基板です。比較的中国製の基板は安価であり最大定格の半分以下で使用する場合は実用になると思います。
無銭庵 仙人の 独り言
２５年以上前に購入した軽二輪GB-250ですが 現在レストアするだけの気力がありません。CB450K1 が１年ごとの車検となったため廃車後車検の必要がない単車として購入したのがGB-250でした。長期間放置状態であり蓄電池交換と キャブレターの分解掃除をしないとエンジンが動きません。又前輪ディスクブレーキのゴム関連も交換しなければなりません。今となっては躊躇しています。CB450K1と異なり元々キックスタートが採用されていません。12V,9Aバッテリーがすぐに上がってしまい 使用において過去にはいろいろトラブルがありました。連続した高速走行をするとツインカムベアリングの音が高くなる症状です。DOHCカム部エンジンヘッドブロックが欠陥であったため旧ホンダSFで２回交換しています。単気筒のためナットなどがよくゆるみナンバープレートも振動のため亀裂があります。高出力の単気筒エンジンはやはり使いにくいと思います。単気筒でありながら半球燃焼室高圧縮比・ツインキャブ・Wマフラーであり 乗車すれば振動の多い単車であると実感します。ただヘッドランプはカワサキW1・W3の電気系統がお粗末とは違い 65Wハロゲンランプであり光束の切れが良いため夜間走行は怖い面もありました。
親父の遺品古い機種ですがホンダスーパーカブC-70は多少の手入れで現在でも実働します。恐るべき日本の７０年代からの技術力です。ただキャブレターのフロートニードルバルブのしまりが悪くガソリンがオーバーフローする欠点もあります。GB-250でもキャブレターのガソリン漏れがよく発生します。長期間放置状態であれは小さな穴を分解掃除をするとほとんどは正常になります。特にスローエアー調整ねじは締めきった状態より１回転半が正規の調整位置でありこの状態から微調整すればよいことになります。現代のコンビター制御燃料噴射と違い キャブレター仕様の機械的な構造は内部を理解すれば簡単に修復することができます。
現代では国産品のスーパーカブは入手できません。リトルカブで中国製です。以前は中古品が東南アジアで販売されていましたが 国内ではよく盗難にあったスーパーカブです。近頃はスクタータイプばかりであり走行安定性が悪く購入意欲はありません。骨董品を修復して遊んでいます。本田スーパーカブは実用車です。山小屋でちょっとした町への買い物に使用しています。山奥は道路も狭く軽トラが活躍します。この軽トラも骨董品であり初年度登録が平成3年度ですが現在でも車検受けをして実働しています。山小屋までの道中は仕方なくマイカー車長・車幅の大きい3ナンバーですが 山道の多い現地では骨董品車両が活躍しています。
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| 山小屋用３W型のLEDによる蛍光灯器具と変更する発光ユニット |
マイカーについては元々LEDが数多く搭載されているため 改修する予定はありません。又コンピューター制御であり素人では故障診断・修理もできません。メーカーサービス任せ状態です。
ただ物を捨てられない症候群の 無銭庵 仙人です。オーディオ機器は単車より古い機種でさえ現在でもアナログ機器として修復作業後実動します。興味のある方は musenan sennin で検索いただけれは改修内容を多品種に渡り 真空管アンプ・オープンリールテープデッキ等 毒舌として掲載しています。
今回高輝度発光ダイオードの工作に至ったのはこのスーパーカブの修復がきっかけです。LEDをいろいろ購入して工作をしていますが LEDの動作詳細についてはあまり公開されていません。実験などを繰り返した結果の個人的な内容記載です。誤記載・誤解釈が多々あると思います。
あくまでも自己責任における工作ですので 多少とも参考となれば幸いです。過去からの経験などを元に記載しました。多少算数も出てきましたが電気の基礎です。ご理解いただければと思います。
by musenan sennin
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