HOME
サイトマップ
アマ的手法
材料
工具
作品一覧
リンク
mini-Shop


 
コンパクトLEDランプ 1
   
この欄の製作では重要な部材としてDC-DCコンバーターを使っています。 一般にはあまり馴染みのない部材ですので、その調達方法についてこちらで触れていますが、その結果のひとつとして本製作解説はなりたっています。

2010/02/05

構想

 一連のコンパクトLEDライトの製作の中でこのモデルは最も風采が上がらないという
 かきらりと光る特徴はありませんが、携帯電話用の充電器を流用したDC-DCコンバ
 ーターでLEDを点灯するアイデアなので、部材入手に最も困らないテーマになるかも
 しれません。 その意味では万人向けと言えない事もないので一番バッターとして
 登場させることにしました。

このLEDランプは携帯電話の充電器に使われているDC-DCコンバーターを流用して2本の電池の電圧(3.2-1.8V)を5V近くに引き
上げて3本のLED(日亜の雷神 Vf: 3.1V If: 50mA)を点灯させます。  事前に行ったテストでは負荷電流が150mAまでならDC-DC
コンバーターとしての変換効率は平均で80%を超えるところから、雷神3本で150mAにしたというわけです。

市場で見かける携帯電話の充電器には数種類ありますが、単三電池2本を使ってやるタイプであればこの目的に使えるはずです
し、仕様が多少異なっても150mA位の負荷電流でしたら駆動できないということはないと思います。 購入価格については電池交
換の出来ないタイプで\600(電池2本含んで)なんて物もあり、入手性も日本全国のコンビニが現在販売の主戦場と思われるの
で、通常の電気・電子部品を購入するよりよっぽど簡単にしかも安く入手できます。

以上が最大のメリットですが、私が手に入れた物を前提に単三アルカリ2本を使ってまとめるアイデアです。 大雑把な仕様として
は明るさは1mの距離で33ルクス、50cmで130ルクス、25cmで530ルクスとなり、コンパクトなLEDランプとしては照射角度が80度と極めて大きいです。 連続点灯時間は4時間近く取れるであろうと見積もっています。 総合的にかなり高い実用性を有しているでしょう。

大きさは全長が103mm、幅38mm、厚み21mmですからあまりコンパクトとは言えませんが、製作する上で小さすぎる!ということはないでしょう。

 LEDの駆動回路は左の図のとおりで、DC-DCコンバーター以外に必要な部材
 は、超小型電源スイッチ、LED(雷神)3本、抵抗(39Ω 1/2W)3本しかありませ
 ん。 従って電気工作としては最も簡単な部類に入ります。

 LEDは穴あき基板を使ってそこに電源スイッチや電流調整用の抵抗も一緒に
 組み込んでしまいます。 基板のレイアウトは右の図のとおりで、これは前面
 から見たところです。  抵抗3本は裏側に固定されます。

 電子回路部分は簡単な部類に入りますが、本体の製作とそれへの組み込みには高精度加工と細心の注意が必要になります。



2010/02/12

製作開始

コンパクトLEDランプ5台の製作はひとつずつ完成させてゆくのではなく、オーバーラップさせながら進めてゆきます。 現在はコンパクトLEDランプ 2と一緒に電気回路部分の組み立てと最終的な動作確認をしています。

 構想段階ではLED(Vf: 3.05V)への電流調整抵抗は39Ω1本でしたが、DC-DCコンバータ
 ーの出力電圧が最も高くなる4.8Vの時に44.9mA流れるという計算です。 許容される最大
 の電流は50mAですから10%少な目の安全性を取ってあるということになります。

 しかしこの携帯電話充電器に使われているDC-DCコンバーターは大変安定
 した動作をしていますので、50mAぎりぎりまで電流を流すことにしました。
 50mAちょうどとなる抵抗値は35Ωで1本の抵抗では得られる値ではないので
 何通りか試算した結果、68Ωと75Ωを並列にして35.7Ωを得ることにしました。
この時にはコンバーターの出力電圧が4.8Vの時に49mA流れることになります。

以上の変更でLED固定基板に取り付ける抵抗が3本増えますが、従来のリード線型の抵抗では取り付けるスペース
がありません。 そこでLED固定基板に半田付けする抵抗はチップ抵抗に変更することにしました。 それら変更を加
えた回路図および基板レイアウトは左右に掲載しておきます。

以上を元に早速基板を組み立てて動作テスト(LEDに流れる電流の確認)をしました。  コンバーターをテストした際に電池電圧が
3.2Vで137mAの負荷の時に出力電圧は4.8Vでした。 電池電圧が寿命(1.8V)になった時には4.7Vに低下しています。  そこで
4.8Vと4.7Vで出来上がったLED基板を駆動したところ合計で143mAの電流が4.8V時に、136mAの電流が4.7Vの時に流れるのを確
認しています。 ほぼ1本辺り47.7-45.3mAの電流が流れていると理解してよいでしょう。 設計値に対し4.6%少ないわけですが、
安全弁と考えてよいでしょう。 また電池が寿命のときには約5%電流が減少します。 明るさはLEDの消費電流にほぼ比例します
が、5%程度の変化ですとまず気が付くようなことはないでしょう。

良し良し!ということで、DC-DCコンバーターを結線して再度駆動テストしたところ、どうも電流調整抵抗(37.5Ω)の両端電圧が
2.05-2.06Vあり、これは54.9-54.7mAの電流が流れていて設計値よりも10%大きいことが判りました。 その原因はLED(雷神)
実Vfが2.95V辺りであることと、DC-DCコンバーターの出力電圧がテストしたときの記録値よりも僅かですが高めに出ていることに
よります。(入力が3.2Vの時に4.95V、1.8Vの時に4.83Vあった。)

雷神の駆動電流の絶対最大定格は60mAですからまだ大丈夫とはいえマージンはあまりありません。 そこで元々の設計値
(50mA)に戻すことにしました。 方法としては75Ωと68Ωの抵抗を並列にして35.7Ωとしていましたが、75Ωを100Ωに変更して
40.5Ωとします。 こうすると、(4.95-2.95)÷40.5 = 49.4mAとなり、設計値に近いそれを下回る値になります。

この抵抗を変更する作業は神経を使う面倒な作業ですが、何とか無事に終り再度テストしたところ、3.2Vの入力電圧時に3つのLEDの電流値は50.4-50.9mAであることが、また1.8Vの入力電圧時には47.9-48.1mAで5%前後の電流値低下が見られましたが、これによる光量の減少は全く判らないでしょう。

こんなことは結構起きる?!

回路を流れる電流や電圧が設計値どおりにならないことは良くあります。 従って長期間安全に且つ安定に動作するものを作りたかったら、作りっぱなし出はなく動作確認をして修正する作業が必ず必要になります。  その話をLEDだけに絞っても「多々あります!!」と言ってよいでしょう。 特にLEDのVfは曲者です。  なぜならばメーカー発表のVfと実際のVfには差異が結構ありそれによる動作電流の変化を生じやすいです。  例えばここで使っているLED(日亜の雷神)はVf: 標準 3.1V、最大3.5Vと発表されています。 抵抗により電流を調整する場合には、 (電源電圧 - LED Vf)÷動作電流 で抵抗値を計算しなさい!とどの文献にも書いてあります。 従って12Vと5Vの電源で日亜の雷神を50mAの電流で点灯する場合には、

12Vの場合: (12 - 3.1)÷0.05 = 178Ω    5Vの場合: (5 - 3.1)÷0.05 = 38Ω  と計算するようになります。

しかし今回のように実際のVfが 2.95Vしかない時には上の計算で回路を組んだ場合、

12Vの場合: (12 - 2.95)÷178 = 50.8mA   5Vの場合: (5-2.95)÷38 = 53.9mA と、何れも電流は増加します。

ただし12Vの場合には0.8mAの増加ですんでいますから、このままでも特に問題はありませんが、5Vの場合には7.8%の増加と増加率が大きく、他に例えば駆動電圧が不安定とか温度の影響を受けやすい要素がある場合などは無視できず再調整せざるを得ません。  LEDに流れる電流を抵抗だけで調整する方法は簡単で安いメリットがある一方、こんな問題点を含んでいることを忘れてはなりません。

とまあ、若干の紆余曲折を経て電気回路部分の動作確認は一通り終了しています。

3本の雷神と超小型トグルスイッチを半田付けしたLED基板。

正面から見たところ。 たまたまスルーホールメッキ基板を使ったので、裏表の区別がありません。

裏側の半田付け面。 6個のチップ抵抗も半田付けしてあるのですが、言われない限りこの距離では気が付かないでしょう。

そのチップ抵抗が半田付けされている部分のクローズアップ。 680は68Ω、750は75Ωです。

電池の代わりに定電圧電源を使ってテスト中。 たった3本ですが十分に明るいです。

今回拘って探した小型のスイッチ。 右の2種類(トグルとシーソースイッチ)を使いますが、これまで使ってきた小形スイッチ(左の二つ)に比べ大幅に小さいです。

LEDの流れる電流が過大である事を発見し、電流調整抵抗を入れ替えて正常値に戻ったので、DC-DCコンバーターを通しての動作確認をしました。



2010/02/19

製作 2

残る電気回路部分は電池受け関連だけでそれらはLED駆動性能に影響することはないので、本体製作に入れます。  ただしここまでは構造図面だけで進めてきており、どんな部材を使ってどのように加工しどのように組み立てればよいのかが明確になっていませんので、それらをはっきりさせます。 というか本体寸法に影響するような電気回路の変更はもうありませんので、ここが本体詳細の最終確認の段階だと言えます。

 左がその図面です。 本体や細かなブロックを作る材料は、5mmと3mmのアガチ
 ス、4mmシナ合板、2mmの板、2mmのPET板となりました。  LEDランプブロックと
 前面に入るPET板は本体内側に彫られた溝に落とし込んで固定されます。 前後の
 電池受けの板は5mmアガチスで作りますが1.5mmガラスエポキシ基板を中央に挿
 入し連結します。

 カバー部分(ピンク色)
 はM3の飾りネジ(右の
 写真参照)
で固定しま
 す。  この固定部分
 はもっとスマートな方法
 にしたいところなのです
が、ロック機構に使える小さなハードウェアは一般には販売されておら
ず、こんな方法と写真右側のプッシュリベットを使う方法程度しか確実
で簡単に実現できる方法はなさそうです。

LEDランプブロックは2枚の4mmのシナ合板を加工して貼り合わせて
作ります。 これをLEDを挟むように基板にエポキシ接着剤で貼り付け
て本体の溝に基板を落とし込むことで固定されます。
更にその前面は2mmPET板で作った前板と飾り板を貼り付けますが、
それらは本体の板材を貼り付ける時に一緒に行います。

ちまちまとした木工作を求められるのはランプブロックですが、ここから開始しています。 木工作といっても加工後の寸法精度を0.1-0.2mm程度、場合によっては+0mm、-0.1mmなんてこともあり、コンベックスや曲尺では全く歯が立たず、ノギスの出番が主になります。

電池ホルダーを構成する部材を切り出しました。 中央は上下の板で1.6mm幅、深さ2.5mmの溝をトリマーで彫っています。また片方には左上に見えるM3のナットを埋め込む穴を削りだしています。 下は仕切り板ですが、穴が全くあいていないプリント基板製作用の板を使いました。 片面に銅箔が貼ったままになっていて余計ですがこれより安いグラスエポキシ板はありません。 左側の切り欠き部分はM3のナットをまたぐ為のものです。

M3のナットはこのように嵌め込まれます。 現在は嵌め込んだだけですが本番ではその前にエポキシ接着剤を薄く塗ってから嵌め込みます。 仕切り板は切り欠きのある方をこのように溝に落とし込みます。 これも本番ではエポキシ接着剤を溝に塗ってから溝に落とします。

電池受けの電極の前加工をしておきます。 左は仕切り板の厚み(1.6mm)だけ左右に広げるため一度中央を切断後、網状ワイヤーで繋いだ物です。

電池受け電極をエポキシ接着剤で貼り付けた後に、電池ホルダーの組立てをします。 圧着保持には180mmのハタ金を使っています。

完成したH型電池ホルダー。 右側にはケースが固定できるかどうか確認のため3mm厚の板を飾りネジで固定してあります。

電池も所定の位置に嵌め込んで見ました。 特に問題はありません。

底側のアップ。 どうも無粋なネジで面白くないのですが、入手可能な飾りネジはこんな物しかありません。

反対側のアップ。 ケースがワイヤーに当たることなく被ります。 この左側にコンバーター基板が入ります。




2010/02/26

製作 3

電池ホルダーはうまく出来上がったようで、心配していたケースを被せて固定する部分も外観こそスマートさに欠けるものの機能的には全く問題なさそうです。 これでケースのサイズに影響を及ぼす部分はありませんので、LEDブロック部分の製作に移ることにします。

LEDブロック部分は4mmのシナ合板から2つの部材を切り出しますが、これには切断には「翔220」を使いました。「粋な奴」でも良いのですが、通常の大工仕事で大活躍の翔265は刃が大きすぎて細かな細工には向きません。 また小さな抜き穴を開けるには替刃式カンナの最も小さな刃である3mmを使いました。 2枚の板を木工ボンドで貼り合わせた後にヤスリで成形、寸法出しをしてメタル調スプレー塗料で仕上げてから基板に嵌め込んでいます。 最終的には基板に接着してしまうのですが、それは本体の組立てのときに一緒にします。

後ほどお見せする写真ではいきなり組立てが終わった状態ですが、実際には落ち着いて進めないとならない細かな作業の積み重ねですので、半日を費やしています。

上のLEDとスイッチを取り付けた基板に、完成した下の飾り枠が被さります。

被せた状態。 組立・成形誤差は0.1mm程度しかありませんので、適度な摩擦だけではまり込みます。

角度を変えての眺め。 ケースが組みあがるときに、この上に1.5mm厚PET板が取り付けられます。

この角度からの眺めは図面との比較で判りやすいでしょう。 また2枚の板の貼り合わせ構造が理解できます。

ケースを構成する部材は8点ありますが、それらの切り出しは木目が不揃いとならないよう配慮しないとなりません。 基本は切断する前と隣通しは同じ関係にすることです。 それと溝を彫る必要がある場合には切り出す前に彫ってしまった方が良いです。 このモデルではプリント基板と前面のPET板がケース内側の溝に落としこみになるので、その溝を彫る必要があります。 プリント基板は1.5mm厚、PET板は2mm厚となりますが、トリマービット(SS1-1.6G)を使って深さ1mmの溝を彫りました。 また2mm幅は後でカッターナイフを使って溝幅を僅かに広げる方法を取っています。

さて切り出した8点のケース部材中LEDブロック周りに接着する3枚を組立てその間にランプブロック基板と電池ホルダーを接着しました。 接着剤が完全硬化後に各部の配線を最終的なものとしてDC-DCコンバーターの基板を所定のスペース内にエポキシ接着剤で固定し、点灯が可能な状態になりました。  残るケース部材を貼りあわせれば完成なのですが、LEDブロック周りは各部の確認を全て終わってから塞ぎたいので暫しの間はこの状態とします。

幅の広い側板には溝を2本ずつ彫る必要があります。 直径1.6mmのSS1-1.6G トリマービットで加工しました。 幅の狭い側板にも彫らないとならないのですが、それは切断後になります。

縦方向の切断をして切り離し、幅の細い板は15mmに替刃式ヤスリ(M-20GP)で寸法出しをします。

幅の狭い板の溝を彫りこんでしまいます。

LEDヘッド周りと電池カバー部分に切り離します。 これで8ピースになりましたが、切り離す前の隣通しの関係を維持します。

左写真の左上の2枚をL型にエポキシ接着剤で貼り合わせます。 接合部分の直角度や直線性に十分注意。

貼り終ったL型のヘッド部分に電池ホルダーを接着します。 はみ出たエポキシは完全硬化する前にナイフで削り取ります。

DC-DCコンバーター、LEDブロック、電池ホルダーの間の結線を済ませ、LEDブロックを溝に落とし込みました。

DC-DCコンバーターは現在宙ぶらりんの状態ですが、この上にケース側板を被せるときにはホットメルトまたはエポキシ接着剤で固定します。

前面から見るとこんなあんばいです。 手前の溝には後ほどPET板が嵌まり込みその左側にはスイッチカバーが貼り付けられる予定です。

落とし込んだDC-DCコンバーターの周りがワイヤーでぐちゃぐちゃしていますが、右側のLEDブロック基板とショートしないような配慮は十分にされています。

もう電池を入れれば点灯できるので早速試してみました。 さすが「雷神!」です。 3本ですが極めて明るくしかも広角度であるため照射範囲が広く、コンパクトLEDランプ 2とは雲泥の差です。 だからと言ってコンパクトLEDランプ 2は使い物にならないわけではありません。 コンセプトが基本的に違うからです。



2010/03/05

製作 4

LEDの点灯動作を始め電気的な動作確認を完全に済ませてから、LEDブロック周りの外側の板を貼ってしまいます。 更にケースの底側となる電池カバー部分を組み上げます。 相変わらずエポキシ接着剤による組立てですが、電池ホルダーで電池カバーと接触する部分にはマスキングテープを貼り、ごく僅かな隙間が電池ホルダーと電池カバーの間に作ると共に、滲み出るエポキシ接着剤で電池ホルダーと電池カバーがくっ付かないようにする!という2つの目的があります。 因みに2つ折にしたマスキングテープの厚みをノギスで測ったところ0.1mmでした。 従って電池ホルダーと電池カバーの間には少なくとも0.1mmの隙間が出来るはずです。

組み上がった本体は接合部分に段差があり接着剤もはみ出しています。 これらを完全に削り落としてやります。 粗削りは替刃式ヤスリ(M-20GP)と#120サンドペーパー、次いで#240ペーパーで滑らかにしておきます。  またLEDブロック部分と電池カバーの突き合せ部分に極力変な隙間が出来ないよう念入りに削って調整します。  以上が終了後全ての角をボーズ面ビット(BZ-10G)で丸めました。 またその丸めた部分をスポンジ研磨剤(細目)で仕上げました。 これで塗装前の研磨を終了とします。

塗装はほぼ定番としているやりかたで、2倍に水で薄めたポアステインを4回塗りして濃い目の色としてから水性ウレタンニス(透明クリヤー)を4回塗りました。 次にスプレーペイントで入れる帯部分をマスキングして塗装し、仕上げは水性ウレタン(つや消しクリヤー)1回塗りとしています。

本体組立ての最終段階はLEDブロック周りから。 接着剤は相変わらず30分硬化開始型エポキシ接着剤です。

電池ホルダー部分で電池カバーと触れる部分はマスキングテープを巻き付けました。 これで電池ホルダーと電池カバーの間に少なくとも0.1mmの隙間が出来ますし、電池ホルダーと電池カバーの接着も防止できます。

電池カバーの板を当てて見た所ですが、LEDブロック部分との突き合せ調整もしておきます。

電池カバーの板を貼り付けました。 やり過ぎのように思えるかもしれませんが、圧着保持に10本のハタ金を使っています。

最後に底板を貼り付けました。 電池カバー固定ネジの位置がずれないよう、ネジを締めこんで底板を軽く接着後ハタ金で圧着保持しています。

本体の組立てが終了しましたが、まだ成形作業が残っています。

底板は大きめに切断し固定ネジたる飾りネジの穴の位置決めをしながら貼っていますので、この出っ張りを完全に削らねばなりません。

本体側板の接着部分にも段差や接着剤のはみ出た箇所がありますから、平らに研磨すると同時にそれらを落としてしまわないとなりません。

このくらい削れば良いかな?というレベルになったら水で濡らします。

削り残しで一番問題ははみ出た接着剤ですが、水で濡らしても白っぽいままだとNGで、こんな状態であればOKです。

その後全ての角をボズ面ビット(BZ-10G)で削ってスポンジ研磨剤(細目)で仕上げました。 これで塗装に入れます。

前面内側は保護のためマスキングテープを貼ったままです。

底面(背面)。 少々無骨ですが機能は十分果たしてくれるネジ止め式です。

着色はポアステイン(ワインレッド)で、水で2倍に薄めて3回塗りとしました。 かなり派手やかなローズピンクと呼んだ方が良いと思われる色合いです。

はみ出た接着剤を削り残した部分もなくかなり良好です。

前面のスイッチ周りには飾りの板(2mm厚)が嵌まり込みますが、それは塗装終了後。

水性ウレタンニス(透明クリヤー)を4回塗りして1次塗装作業は終了です。 この後帯部分の塗装とつや消しニスによる仕上げ塗装があります。

後方から見た感じです。 電池カバーロックネジが大げさに見えます。

コンパクトLEDランプ 2とのツーショットですが、実際に握って感じる大きさの差は見た目より大きいです。

まだ完成はしておりませんが電気回路部分は5種類とも最終的な状態になりましたので、まとめて実動テストを致します。 その様子はこちらからご覧ください。


----- つづく -----


 
  
Copyright (C) 2001-2017, Vic Ohashi All rights reserved.