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省エネ電気スタンド
   
2007/09/22

構想

今年は初孫新年早々に生まれそして八月に入って2番目の孫が生まれ、複雑な心境ですがいつのまにか?私の周りでは私をジイジ!とかオジイチャン!と呼ぶのが当たり前のようになって来ました。 これら孫のための製作第一弾は既にご紹介した「ベビーベッド」で、現在活躍中です。

二人とも歩き出すまでにはまだ間がありますから急ぐことは無いのですが、製作のリクエストやアイデアなどがちらほら出てきたのでそろそろ次のテーマを真剣に考えようとしたひとつがこの省エネタイプの小型電気スタンドです。

 これは娘からのリクエストでして、8月に生まれた男の子のために作って欲しいと言われています。
 彼女曰く、その昔数歳の頃に買ってやった小型の電気スタンドが大変お気に入りだったようです
 が、子供用の小型でかわいらしい電気スタンドが市販品ではなかなか見つからないので! という
 ことでした。
 基本的なイメージやサイズは2年前に製作したクリスマス用のテーブルランプにあるようで、男の子
 のために綺麗なブルー系の色にしたい!との概要です。

 そこで毎日の日課になっている12kmの散歩中に構想を練った結果次のような基本仕様をまとめつ
 つあります。

   1.大きさは高さが30cm、幅15cm程度のコンパクトな物にする。(クリスマス用テーブルランプとほぼ同じ。)
   2.台の構造もクリスマス用テーブルランプと同じで、多数の薄い合板を貼り合わせて成形する。
   3.ランプにはLEDを使用し消費電力を抑える。 (明るさは高・低の2段切換。)
   4.自作品とは言え小さな子供に使わせるため電気的な安全性には十分な配慮をする。

1.と2.に関してはクリスマス用テーブルランプの製作経験が即役立つわけで、台の形をどうするか?着色に関する工夫などがポイントになると思われます。 問題は3.と4.でして、LEDを使って簡単な構造で実用性があり安全性の高い物に仕上げるにはかなりの予備実験が必要になりそうです。

現在考えているのは100Vの交流を直流に変換し、5φ 3.6Vの超高輝度LEDを24本または48本使い極力簡単な回路で実現しようとしています。  と言うのは3.6VのLEDを24本直列に繋ぐと、3.6 x 24 = 86.4Vの動作電圧となり、100Vとの差の分はLEDにしかるべき電流(20mA以下)を流すための制御回路(と言っても抵抗1本です。)に使います。 明るさの切換は電流値の変更で対処しますから抵抗を2本使いそれをスイッチで切り替えればOKと、回路はかなり簡単になるでしょう。 24本ないし48本のLED以外に使う部品としては、ちらつき防止のコンデンサー2本、回路電流が大きくなった時の速断ヒューズ、高流を直流に変換するダイオード、そして高低切換のスイッチで済むでしょう。

ところでLEDを24本または48本という部分は実験をして決定しないとなりません。 省エネを重視したい私の希望は24本ですが、それで実用上十分な輝度が取れるかどうかは実際に組み立てて点灯させないと判りません。  不十分であれば2倍の本数の48本となってしまいます。(24本と48本の中間の本数にしても消費電力での優位性は殆どありません。)

構造を考えあぐねた結果LEDは円盤状のエポキシ基板に12本を放射状に固定し直列接続することにします。 LEDには広角度照射(50-60度)を考えていますが、12本のLED隣どおしがなす角度は30度ですからLEDの光はオーバーラップして好都合です。 この円形基板を2枚作り数センチ上下に離して直列接続し固定すれば、高さ15cm程度のランプシェードを十分照射可能と見ています。  これで明るさが不十分ならばもう一組の直列接続した円形基板を作りこれを並列に接続してやります。 これは増設しやすいだけでなく、故障した時の修理もし易い構造になると踏んでいます。

LEDの許容駆動電流値は30mA程度ですが安全性を考えて20mA程度に抑えます。 これは全体の消費電流にほぼ等しいので、消費電力としては おおよそ 20mA x 100V = 2Wとなります。  48本使うようになった場合でも4Wにしか過ぎませんし48本で明るすぎる場合には流す電流を下げて調節すれば良いので、その場合には2Wと4Wの間の値になります。  前作のクリスマス用テーブルランプでは40Wの電球を使っていましたから消費電力は1/10 - 1/20 と極めて少ない値で、正に電気エネルギーから光エネ
ルギーへの変換効率が大変良いLEDならでのご利益です。

ただしLEDの購入価格は多分1本辺り\100前後になると思いますので、24本の場合\2,400.-、48本の時ですと\4,800.-と、40Wのミニクリプトンランプが1本\200.-で買えることを考えるとかなりの出費になります。  一方消費電力は大幅に下がりますので、

  ・毎日1時間使うという仮定
  ・電気代を単純に1kWh \200.-で計算
  ・LED24本の駆動電流を20mA、48本の場合15mAとする


として計算すると、LED24本使用の場合は2年弱で、LED48本の場合でも4年弱で元が取れます。(部品コストの高さを電気代の安さが吸収してしまう年数。) 更にミニクリプトンランプの寿命は長くても10年程度、LEDの場合には更に長寿命ですからそれらを加味したコストメリットはかなりありそうです。

 電気スタンドの全体のフォルムは左のような物とし、ランプの下の方へ光が周リ易いような形状を
 考えています。  底の円柱状の台座の高さがちょっとありますが、ここにトグルスイッチを埋め込
 んでやろうという魂胆で、娘もこういった方向で良いだろうとのコメントですが、今後更に手を加える
 可能性があります。

 製作にて最初にやらねばならないのは、LED24本使用で実現できるのか?或いは48本になるの
 かの検証と、白色とはいってもやや青白い色を温かみを感じる色に調整することがありますが、
 近いうちにその様子をお知らせします。
 LEDを使った電気スタンドというのは市販品には殆ど見かけませんので、これまた自作にて実現
できるテーマであると共に部屋の照明をLEDに変更し、蛍光灯以上の省エネ対策を実現する格好の実験テーマになるでしょう。



2007/10/01

LED駆動回路の机上検討

 使用候補になりそうなLEDの物色を更に続けましたが、その結果前
 回想定していた物よりも今回の使用目的で更に有利そうなLEDを発
 見し机上での検討を加えました。 

 これまで候補として考えていたLEDと新たに発見したLEDの違いを以
 下に一覧にてお見せします。  安いことが重要であれば1本数十円
 の物もありますが、選別したのはいずれも日亜化学工業の製品で、
 価格はかなり高いものの最新技術を駆使し発光効率が良く、ばらつ
 きも少なそうな点が選択ポイントになりました。   

 型番メーカー形状駆動電流駆動電圧光量半値角価格
当初の候補NSPW515DS日亜5φ砲弾型20mA3.2V2300ミリカンデラ70度未発売
新たな候補NSPWR70BS日亜7.6x7.6x5.5 角型30mA3.4V7ルーメン105度\150.-


 何が大きな相違点かというと、先ず発光の角度
 です。 当初の候補は70度であったものが105
 度になっています。 次が光量で2300ミリカン
 デラが7ルーメンと増大しますが、1ルーメンを
 1000ミリカンデラと考えてよいと思うので、2.3ル
 ーメンが7ルーメンと3倍になっています。 但し
 駆動電流も20mAから30mAと50%アップします。
 形状は前者が直径5ミリの砲弾型(LEDでは最
 もよく見かける形)
に対し後者は小さなキャラメ
 ルのような形です。

 水平方向に均等に照射するため以前は円盤状
 の基板に12個のLEDを放射状に固定しそれを
 数枚(3枚または4枚)重ねようとしていたのです
 が、新たに発見したLEDは放射角度が105度も
 ありますので、4本を放射状に並べれば水平方
 向にほぼ均等に照射できます。
 これを垂直方向に重ねて所定の明るさになるよ
 うにすればよいわけです。

 ここで少々脱線してクリスマス用テーブルランプ
 の実際の明るさを測ってみることにしました。
 測るのに使用したのは10数年愛用している露
 出計で、簡易型ですが照度をルックス単位で測
 れます。 シェードを外して測定した結果は、
 1m離れた所で44ルックスでした。

 25cmの距離ですと700ルックスということです
 から勉強や作業用の電気スタンドとしては明る
 さは不十分でしょうが、枕元に置くスタンドとし
 ては十分な明るさといえます。

 ところで1ルーメンの光源から1m離れたところで
 の照度は1ルックスになりますが、以前の構造
 ですとLED1個は2.3ルーメンですが水平に30度
 おきに並べる構想でしたので、光束が重なると
 ころがあり明るさは2.5倍程取れ、1m離れて5.7
 ルクス位だろうと略算していました。
 それを3段重ね(36本)て17ルクス、4段重ねで
 23ルクスですからクリスマスランプの明るさには
 届かない!という計算になります。
 それに対し今回発見したLEDは7ルーメンです
 から1本で1m離れて7ルクス取れます。
 上下に7本並べれば49ルクスとクリスマスラン
 プを超える明るさになります。
 それを水平方向に90度毎に並べるので合計と
 しては28本のLEDを使います。

 48本使ってもクリスマスランプに届かなかった
 明るさが、新たなLEDでは28本で超えるわけ
 で、LEDの光量が大きいことと照射角度が大き
 いという2つの効果によるものです。


LEDの駆動方法

省エネを考えてAC100Vを直流に変換し全てのLEDを直列に繋いでやろうという構想は全く変わりありません。 そこで実現性を主眼に回路を考えました。  下がその回路構想です。 最終的には更に追加される部品がありますが、シンプルな構成です。

 先ずAC100Vを整流して得られる直流電圧は
 約140Vになります。  但し電灯線電圧の変
 動を±10%あるとして考えた方が安全ですか
 ら、直流電圧は126-154Vの間になります。

 この電圧の変動を安定化し且つLEDを駆動
 する電流を30mAに正しく保つためにシリー
 ズレギュレーターICを使った定電流回路を挿
 入することを考えています。
 その為に発生する損失を少なくするため色々
 物色した結果リニアーテクノロジー社の
 LT3012が好都合であることが判りました。
 またこのICの入力電圧範囲は広く電灯線電
 圧の変動があっても問題なさそうです。
 (入手性が心配なのですが?)

 これを使ったときの最低入力電圧はLED駆動
 電圧より1.5V高くすれば良いという定損失です。 ということは電灯線電圧が最も低い時(90V)に直流電圧は126Vまで下がりますから、挿入損失1.5Vを差し引き123V程度をLED駆動に使えることになります。 LED1本の駆動電圧は3.4Vですので、36本迄駆動できることを意味します。

前の計算では28本繋げば所定の明るさになりそうだ!と略算していましたが、この結果を見て最終的な結論としては32本でまとめることにします。 その理由は28本でも良いのですが、1面辺り7本と奇数本を綺麗に固定するのは市販の穴あき基板では不可能なためで、8本に増やせば2本 x 4列と綺麗に並べられるからです。 そしてこれは一様な明るさの点でも良いだろうとの単純な発想です。 尚これで明るすぎるようであれば駆動電流を減らせばよいと考えています。(この場合には消費電力も下がり、LEDの寿命の点でも良い。)  そうするとLEDを駆動する電圧の合計は3.4V x 32 = 109Vと123Vに対しかなり余裕がありますが、LEDの駆動電圧のばらつきの上限はメーカーのデータシートによれば3.7Vですので、全て3.7Vになってしまった時にでも(まさかそんなことはないと思いますが)約118Vと駆動可能な範囲にあります。

何かとんとん拍子に上手くまとまったようですが、以上はあくまで机上の計算でして実際に基本的な実験(LEDを8本使用しての明るさの確認)を始め事前に検証しないとなりませんが、適当に組み立てて所定の光量が出ない!というよりは実現性は高いだろうと思います。

早速LEDを手配したいところですが、まとめて購入すると単価が下がるだけでなく、光量、色味、駆動電圧のばらつきも小さくなるはずですので、今回のテーマ以外に非常灯(電池駆動のランタン)、写真撮影用のリングライト等にも使うことにします。 それらは別な発想を取り入れる必要があるためその構想もまとめてから発注し(多分70-80本必要になる。)実験に入りたいと考えています。



2007/10/15

LEDと電球の違い

その後電気回路の検討を更にしていますが、電気を使って光を発生するという動作上は全く同じLEDと電球の違いについて少々触れておきます。
最近ではホームセンターでもLEDを求めることも可能ですから、LEDを使って何らかの工作をしようと考える方も多いかもしれませんが、例えば2.5Vの豆球に電池2本を直列に繋いで発光できるように、LEDに電池を繋いで発光させようとすると問題を起こす可能性があります。 これはLEDの性質に由来するためですので、基本原則をよく理解してやる必要があります。


電気抵抗値の温度係数

電気抵抗にはその物質の温度が高くなると抵抗値が上昇する物質と逆に下がってしまう物質があります。 前者を正の温度係数と呼び後者は負の温度係数と呼ばれています。  結論から言うと「電球」は正の温度係数をもっている電気部品で、「LED」など半導体で作られている部品は負の温度係数を有しています。  具体的にどのような違いがあるかを具体例で説明しましょう。

AC100Vの40Wの電球の周囲温度が上昇したとすると電球の抵抗は高くなるために流れる電流は抑えられ(I = E ÷ R)、消費電力が減少し発熱量が減少しますから電球の温度が下がり周囲温度とバランスが取れて落ち着きます。(下の図の上の状態。)

LEDで同じ場合にどうなるかというと、周囲温度が上昇すると抵抗値が下がりますので、流れる電流は増大します。 そうするとLED自身の発熱量は増大しその為に抵抗値が更に下がって流れる電流は増大し・・・・を繰り返して遂には破壊に繋がります。
熱暴走と言う! 下の図の下の状態


以上の例は動作する電圧が一定の場合に言えることですが、流す電流を一定にした場合には次のようになります。
AC100V 40Wの電球はオームの法則(I = P ÷ E)により0.4アンペアの電流が流れます。  電球の周囲温度が上昇すると抵抗値が上昇しますが、流れる電流は一定ですから電流上昇に応じて消費電力も上昇します。(P = I2 x R) よって電球の温度は自己加熱により更に上がり抵抗値も増大し消費電力が増大・・・・を繰り返し熱暴走し破壊に繋がります。

一方LEDに流れる電流が一定で周囲温度が上昇した場合抵抗値は下がりますので消費電力は減少します。(P = I2 x R) この為自己発熱が減少し抵抗値は増大しますので消費電力は上がり自己発熱で温度が上がり・・・と周囲の温度によりどこかでバランスが取れて安定します。

このように電球とLEDは、動作電圧が一定の時と動作電流が一定の場合では全く反対の挙動を示し、電球は電圧(定電圧)で使った方が動作を安定させやすい部品で、LEDは電流(定電流)で使った方が動作を安定させやすい部品ということになります。

2.5Vの豆球を点灯させるの電池2本を直列に繋ぐだけで済むのは電圧駆動だからですが、LEDの点灯に同じ電圧駆動すると熱暴走で破壊する可能性が極めて大です。 ホームセンターで販売されているLEDの小袋には一緒に数本の抵抗が入っていることが多いですが、これはLEDに流れる電流を制限するためのもので、駆動する電圧に適切な値の抵抗を選ぶ必要があります。

電流駆動の方法

 LEDを熱暴走で破壊しないようにするには定電流駆動すれば
 よいことが判りましたが、最も簡単な方法はLEDと直列に抵抗
 を繋いで駆動します。 この方法は余程抵抗で損失となる
 電圧がLEDに掛かる電圧よりかなり高くない限り定電流駆動
 とは言えませんが、簡単且つ安くLEDを駆動する方法です。

 例えば動作電圧2.0V(多くの赤色LEDはこの付近の電圧で動
 作する。)
、20mAが規定の電流値、絶対に30mA以上の電流
 を流してはいけないというLEDを乾電池2本で点灯する場合に
 は、乾電池の出力電圧(3.0V)からLEDの動作電圧を差し引い
 た1.0Vの電圧降下を得る抵抗の値を計算します。(1.0V ÷
 0.02A = 50Ω)
  この50Ωの抵抗をLEDと直列に繋いでやれ
 ばよいわけで、明るすぎる場合には抵抗値を増やして電流を
 下げればほぼ比例して明るさは減少します。

 ところで乾電池の出力電圧は一定ではなく新しいうちは1.6V
 程度あるのが普通です。 従って2本直列に繋ぐと3.2Vの電
 圧となりますが、LEDに掛かる電圧2.0Vを差し引いた1.2が抵抗に掛かりますので流れる電流は、(1.2V ÷ 50Ω = 24mA)と増大するもののLEDに流す電流の上限値(30mA)に対して十分ゆとりがありLEDが破壊するようなことはありません。  以上が電流制限抵抗の計算方法です。

以上の電流制限抵抗を直列に繋ぐ方法は簡単ですが、電源電圧が比較的安定している場合に限られます。 上記の例では電池電圧が0.1V上昇ですから約6.7%上昇ということですが、例えば似たような直流電源である自動車内のバッテリー電圧では標準電圧が12Vであっても発電機が作動している場合には15V近くまで上昇します。(25%上昇)

また交流100Vを直流に変換して使おうと言う時にも電圧変動は±10%は起こりうると考えて設計しないとなりません。 そのためには抵抗での電流制限では限界が来てしまうので、本格的な定電流駆動を考えないとなりません。

 そのいちばん簡単な方法は電流制限抵抗を定電流ダイオードに置き換
 える方法です。  それだけで駆動電圧のかなりの変化に対しLEDに流
 れる電流を一定にしてくれますから、極めて動作が安定します。

 石塚電子は定電流ダイオードで知られたメーカーですが、その中にLED
 駆動に適した定電流ダイオードがあります。 例えばL-1822という製品
 では20mAの定電流を得られますが、メーカーの動特性データーから見た
 駆動電圧の範囲は、制御する電流値を10%減(18mA)まで許すとすれ
 ば、LEDの両端電圧+(3V〜18V)になります。  3.5Vの白色LED2本を
 直列に繋いだ場合には、7V + (3〜18)ですから、10Vから25Vが駆動電
 圧範囲となり自動車バッテリーでの電源に好適です。

 抵抗を置き換えるだけでOKという簡単な方法ながら極めて安定した作動をする定電流ダイオードですが、電流値を調整できない、駆動電圧がかなり大きくなってしまうなどの問題があります。  そういった場合には本格的な定電流駆動回路を組んでやるしかなくなります。 とはいっても現在ではICと抵抗1本で実現できますので、それ程敷居が高くなるわけではありません。

 左の写真は、可変出力シリーズレギュレー
 ターICのLM317という物で、大変ポピュラー
 で安価ですが、これに抵抗を右の図のよう
 に接続すると流す電流を任意に設定可能で
 す。 入力電圧範囲は、
 (3.5V〜40V) + LED両端電圧、0.8A程度ま
での電流に使え保護回路も入っていますから大変安定に作動します。

私が考えているLED電気スタンドでは3.4VのLED 32本を直列(108.8V)で使おうとしていますが、LM317を使った場合抵抗を42Ωとすれば112.3V〜148.8Vの入力電圧に対し安定した30mAの電流をLEDに供給できます。  これは交流電圧に換算すると82Vから108Vになりますから、電灯線電圧を5%程下げてやれば±10%の変動があっても85.5V〜104.5Vが駆動交流電圧となりますので、LED電気スタンド用に使えると踏んでいます。

以上LEDは定電流で動作させるべき素子だという観点で、基本的な使い方を説明いたしました。 この辺りを理解すれば、適切なLEDの点灯方法のアイデアが浮かぶと思います。

但し未だにペーパープランが最終的にならないのは以上以外に雷などから来る高電圧からの保護、トランスを使わないで整流した場合に発生する大電流から整流器を守る方法などに検討を続けていることと、同時進行している非常用ランプ、接写用リングライト、屋外用照明器具、自動車用マップランプ(最後の2件は新たに追加したテーマ)等で、高温対策、充電池の下限電圧制御、複数の電源使用の考慮、自動点灯等‥十分に検討しないとならない問題があり、それに付随して大工仕事?部分の構造、大きさの検討なども併せて検討しているためです。(かなり言い訳がましいのですが?)

何しろ私の性分で自作品だからといっていい加減な物は作りたくないのでない頭を駆使しながらじっくり取り組んでいるとご理解ください。



2007/10/26

LED点灯実験

 発注したLEDは、「省エネ電気スタンド」「非常用ランプ」
 「接写リングライト」用にと決めた日亜化学のNSPWR70BSが60本、
 「自動車用マップランプ」用に決めた同じく日亜化学のNSPW510CS10本、
 そして「自動点灯屋外灯」用に決めたMT製MT-LS05060XCが50本の
 合計120本ですが、それぞれ数本のバックアップを含んでいます。

 それらが10/20にやっと入荷しました。 左の写真はそれらですが、下側の
 2個はFlux型と言われるNSPWR70BS7.62mm四方の薄いサイコロのよ
 うな形状で、サイコロの目で言えばのような丸い突起があり内部はクリー
 ム色でこれが発光部分です。 丸い突起は集光レンズで半値角105度になっ
 ています。

 上側はよく似ていますが左は白色の半値角50度のNSPW510CS、右は電
 灯色で半値角60度のMT-LS05060XCで何れも直径5φの砲弾型です。


 製作優先順位を考慮しNSPWR70BSのテス
 トを「省エネ電気スタンド」の構成でしました。

 このテーマでは4枚のグラスエポキシ基板に8
 個ずつのLEDを取り付けた基板を貼り合わせ
 四角い筒状にしますが、取りあえず1枚だけを
 テスト用に組み上げました。 基板の詳細は
 左の図面をご覧下さい。

 図ではLEDの取り付け面から見ていますが、
 配線は裏側になります。 また完成した基板
 の様子が右の写真で上がLED取り付け面、
 下が裏側の配線の様子です。

 基板は2.54mmピッチで穴があいた汎用のグ
 ラスエポキシ基板ですが、LEDはご覧のように
 隣どおしが隙間なく並びます。


LED点灯テスト方法


露出計で1m離れた位置での明るさをルクス単位で測ることにしましたが、他の光に邪魔されないよう夜中に実施しています。

テストに使用した電源はかなり昔に作った簡単な電圧可変型で、2.5-25V、0.7Aの出力が得られます。 但し3.4VのLEDを8本繋いだ時に必要な電圧は、27.2Vですので25Vでは役不足といえますが、テスターを電流計モードとして徐々に電圧を加えたところ偶然としか言いようがありませんが、25V近辺で30mAの電流が流れることが判り、定電圧電源に直結という一歩間違えると高価なLEDを一辺にお釈迦にしてしまうスタイルとなりました。 尚この時にテスターの分流抵抗に流れる電流が大きいと測定誤差が大きくなるのでフルスケール250mAとしています。(テスターのメーター自身は50μAなので測定誤差はかなり減少するはず。)

前回触れたように定電圧でLEDを駆動するとLEDの自己発熱によりLEDの駆動電流は増加します。 そして放って置くと熱暴走を起こす危険性があるため、テスターの読みを時々チェックして電流値が30mAを超えないよう電源電圧を調整したところ20分ほど後には落ち着いたようです。

さてこれで1m離れた場所での明るさを測定したところ22ルクスとの結果が出ました。 当然ながら1枚の基板だけでの測定ですから前面にしか光は出ておらず、部屋の周りからの反射光は殆ど無いわけで、最終的な明るさ(4面が光ることによる反射光の増大による。)よりは低いはずですが、期待していた明るさより若干低いように思います。 とはいっても後述するように絶対的な光量不足とは判断できませんので、実用範囲内にある!との結論に達しています。

 その明るさがどのくらいなのかをご理解願うのは大変難しいですが、
 試しにLEDの光だけで照らされた様子をカメラで撮影してみました。
 左の写真がそれで、カメラの位置はLEDの真横としてLEDの光でカメ
 ラの自動露出が余り狂わないようにしています。

 右下の白っぽく光っているのがLEDで、左手下に見える三脚まで1m
 ありこの方向がLEDの軸上となります。 また左手中央上にあるのは
 52インチのTVですが、そこまでは約3m離れておりLEDの中央より右
 に10数度振れた角度になります。

 カメラのほうは諸点距離28mm(35mm換算)、カラーバランスは
 AUTO、感度をISO400、絞りをF2.4とした絞り優先としましたが、シャ
 ッター速度は0.6秒でした。  この明るさの感じは実際に見た目にか
 なり近いように思います。  1m離れた距離で22ルクスですが、
 25cmの距離では352ルクスになり本や新聞の文字を十分読
 み取れますので、ベッドサイドの照明器具としては十分使える範囲!
 というのが前述の結論の所以です。

さて25cmの距離で352ルクスの明るさになりますので、その位置に
置いたらどうなるかが右の写真で、この被写体は明るさの測定に使っ
た露出計です。

LEDより直接の光に邪魔されないようLEDの斜め後方から焦点距離
200mm(35mm換算)に近い望遠マクロモードで撮影していますが、
感度をISO 100に、絞りをF5とし露出計本体部分の明るさで露出を決
めた結果、シャッター速度は1/8でした。(周りは完全な露出不足)

LEDを使った製作テーマのひとつである「接写用リングライト」は同じ
LEDを12本使います。 従って発光量は今回のテスト状態より50%増
しですから若干シャッター速度を早くするか絞るかといった使い方に
なるでしょう。  接写する場合には動かない被写体が殆どですから
遅いシャッターを使って更に絞り込みピントの合う範囲を拡大できます
から、この目的でも十分な光量が確保できるだろうと考えています。

それと光の色調ですが、何れの写真もカラーバランスはAUTOとして
いますが、発色はほんの少し青っぽいかな!という感じで、快晴の昼間(空の青さの影響がかなり出る。)にかなり近く、ストロボで撮影した色調にもよく似ています。  これは期待していたよりも遥かに良い結果で、この白色LEDの色調は極めて優秀な色が出ていると思います。

ということで簡単な定性試験ですが、少々高価ではあるものの選択したLEDはそれなりの満足できる結果が得られたと思います。 これで安心して次のステップ(LED駆動回路)の検討に進めます。



2007/10/28

検討中のLED駆動回路と全体の構造

 安定性と安全性を重視しながら出来るだけシンプルなLED駆動回路を左図のような回路で
 試みようとしています。  これに到達するまでに10種類近くの回路を検討したのですが、
 多分これが使用目的に最も相応しいのではと考えています。

 交流100VはR1という抵抗を通ってからブリッジダイオード(D1)に入ります。 このR1の目
 的はブリッジダイオードを破壊するような突入電流を制限することにあり100Ωを予定して
いますが、これでブリッジダイオードには最大でも2A程度の電流しか流れません。 (これがないとダイオードには一瞬ですがコンデンサーを充電する無制限に近い大電流が流れます。)  その後V1を通りますがこれはスパイク電圧を吸収するためのバリスターでこれ以降に掛かる電圧が150V以下になるようにします。 その次のC1はより綺麗な直流電流とする働きをします。

過大電流で遮断するフューズを通った後はトランジスター2本と抵抗3本からなる回路は電流制限回路です。
LEDは電流駆動が理想というお話を前の方でしましたが、この電流制限回路は定電流回路にほぼ近しい動作をします。

使う部品点数を減らすには定電流ダイオードやレギュレーターICを使うほうが有利ですが、なにしろ電灯線電圧変動が±10%あると仮定した時のダイオードを通った後の電圧は119Vから147Vと大きな変動となり、更にLED両端電圧のばらつきがあると、入手可能なレギュレーターICや定電流ダイオードではこれらの変動に耐えられず破壊してしまう可能性があります。 そこで十分な耐圧のある回路を構成すべきとの結論で採用した回路です。

回路中R3R4の値でLEDに出力される電流は決定されます。 この2本の抵抗をスイッチで切り替えることにより電流設定値を変えて明るさをコントロールしようという寸法です。  そして一番右側の部分には32本のLEDが直列に繋がれます。 その両端の電圧は計算上では、3.4V x 32本 = 108.8V となりますが、前回の8本駆動の実験で得たような両端電圧になるとすれば100V強
にしかならない可能性があります。 しかしこの差は電流制限回路が吸収してしまい安定した30mAを供給できる筈です。

 この暫定的に絞り込んだ回路を元に配線基板がどうなるかを検討したのが左の図です。
 使用する基板は汎用の穴あき基板ですが、それから直径80mmの円盤を切り出します。
 そしてこの基板は電気スタンド底部の円形の窪みに収める構造としています。
 また使用する部品の中にはトランジスター、抵抗、ダイオードなどの発
 熱する部品がありますので、それらの放熱を考えて中心に20mmの穴
 をあけて上方に逃がそうという魂胆です。

 その上に熱を逃がす構造に関しては右の図をご覧下さい。
 底の部分に収まった基板の中心の穴に併せて電気スタンドの本体
 (薄い合板の積層で作る。)にも穴をあけておきます。
 そして本体上部には5.5mm合板で作った幅32mmの四角柱(ベージュ
 色の部分。)
が埋め込まれます。 この四角柱の上部半分は複数の
 穴が貫通した角棒(レンコンを想像ください。)が埋め込まれその中心
には6φの鉄パイプが接着されます。 この部分にLEDランプアセンブリーが挿入されその上部に載せたシェード
がナットで固定されます。

大変ややこしそうな構造ですがこうすることにより、LEDアセンブリーは修理や交換が容易になる!配線部分を触れることは不可能になり安全性が高まる!煙突効果で上昇する空気流でLEDが発生する
熱も放散し易くなる!
という期待を込めたからくりになっています。


 (余談) 実はLEDには+側とマイナス側計4本のピンがあります。 前回ご紹介した図面をご覧頂くとプラス側2本とマイナス
 側2本はワイヤーで連結してあります。 これはLEDから発生する熱はその殆どがピンとワイヤーを伝わって放散されますが、
 ワイヤーの長さを少しでも長くして放散効果を高めるねらいがあります。 そしてワイヤーが半田付けされた面は、上述のスタ
 ンド本体の中央の煙突?を上昇する空気に晒されていますから自然空冷が促進されるだろう?!という次第です。
 8本のLEDの駆動実験でLEDから発生する熱は極僅かであることが判りましたが、熱暴走の原因を少しでも潰しておこうという
 「VIC的なやりすぎ?」とも言えなくはない安全のための対処法です。



お気づきでしょうが、以上の内容はあくまで思考実験の組立てによりまとめたものですから、実際にその通りに作動する保証はどこにもありません。  にも拘わらずかなり時間を掛けて検討しているのは、事前の検討が不十分であればあるほど実用性の高い物は作れないと考えているからで、日曜大工以上に電気回路を含む工作は慎重に進めないとなりません。  よって以上の構想内容が最終的に大幅変更をきたさないように完成まで進めば上出来ということになります。  また全ての回路定数は動作の安定性を確認後にご紹介いたします。



2008/10/17

LED駆動回路の抜本的な見直し

前回ご紹介してからほぼ1年を経過してしまいました。 駆動回路を仮組して色々実験を進め、通常の状態であれば全く問題なく動作してくれることが確認できたのですが、一部の半導体はかなりぎりぎりな使い方になってしまうので継続して更に余裕のあるものを探したものの上手く見つからなかったこと、異常状態で回路がどのような動作になるのかはっきりとしなかったこと、期待していたよりも発熱が大きかったことなどから、自分で使うのであれば兎も角、孫に使ってもらう物としては安定性/安全性が不十分でNG!との観点から、AC100Vから直接直流電圧を得てLEDを駆動する方法はこのテーマには採用できないとの結論を出さざるを得ませんでした。

幸い急いで作らねばならないことはないので、その後基本的に上限35V程度の低電圧でLEDを駆動する回路に変更することとし実際に入手可能な部材を使い尚且つ安定性や安全性がより高いものを折に触れて考えてきました。 そしてこれなら!という構成をまとめた次第です。 結論から言ってしまうと非常に簡単な構成であると共に、予備実験や安定性の確認も不要で皆さんが真似て作る際にも以前の構成に比べると遥かに製作は容易であると思われます。

 考え直した駆動回路は左の図のようなものです。 後で理由を説明しますが、LEDの使用個数は
 以前32個だったものを40個に増加しています。 これにより理論上は25%光量がアップします。
 また光度を落とした時のLEDは別途電球色のLED4本に切り替えることにしています。 従ってLED
 の使用本数合計は32個から44個とかなり増えています。 この為に回路全体の素子数が少なくな
 ったようには思えませんが、駆動回路としてはスイッチング電源、定電流ダイオード8本、抵抗1本、
 電源スイッチ1個の合計11点で、定電流ダイオードは並列する回路数に応じて増え動作的には1本
が基本ですので1本と数えると4個の部材しかありません。 従って以前提示した駆動部分が11個の部材で構成されていたのに比べると大変簡単な回路であり、調整を施す必要のある部分も低光度の量を決定する抵抗のみになっています。

この回路はLEDの使い方4の中で紹介しているスイッチング電源と定電流ダイオードを使った多数のLED駆動回路を元にしています。 特徴としてはスイッチング電源という出力電圧が大変安定している物に定電流ダイオードを使っているため、LEDに流れる電流値や温度変化/AC電圧変動に対しての安定化が十分に取れ、異常事態に対する保護も万全であることです。  というか民生機器用としてはこれ以上の安定性や安全性を望むのは無理かもしれない贅沢な回路と言えます。  そんなに良いなら始めからこれを使えば良いのでは?という声が聞こえそうですが、唯一の欠点として製作費がアップしてしまうことと上手く収められそうなスイッチング電源がなかなか見つからなかった点にあります。

前者のコストアップの件は安定性と安全性を優先し目をつぶることにしましたが、後者の適当なスイッチング電源を探すのは難物で、安価なスイッチング電源で容量が10W近辺の物は長さが100mmを超える収めにくい物が殆どです。 また上記の回路では4本のLEDと定電流ダイオードを直列につないだものを8組並列にしていますが、高価な定電流ダイオードの使用本数を減らすためLED8本に定電流ダイオードを組み合わせた物を4組並列にして35Vで駆動しようと目論んだのですが、35V近辺の小型の電源がどうしても見つかりません。 そこでやむなくLED5本を定電流ダイオードと組み合せた物を8組並列にして24Vで駆動に変更して電源を探すことにしました。 これが40本のLEDを使うことになった理由です。 そしてこの24V出力では70 x 40 x 16mm程度の大きさでまずまずの価格の物が幾つか見つかりました。

それと光度を落とした時にこれら40本のLEDの光量を落とすには8組の電流値を一度に変更しなければならず、電源スイッチの回路数は9回路必要になります。 そんなスイッチが入手できる筈はないので、全く別なLED4本を直列にし電流値は抵抗で調整するタイプとしています。 抵抗で調整すると電流の安定化は定電流ダイオードのようには行きませんが、流す電流が小さいのと(5mA位?)抵抗における電源降下が大きいので抵抗とは言え安定度には問題ないはずです。

これら3点(スイッチング電源の採用、LEDの使用本数増、定電流ダイオードの使用本数増)がコストアップに大きく影響しています。

 この回路を元にどのように組み込めるかを検討したのが左
 の図です。 スイッチング電源は基板の角がぎりぎりで納ま
 ることが判りましたので、同じサイズの穴あき基板を作り
 そこに8個の定電流ダイオードと抵抗を収め、スイッチング
 電源と2段重ねして底部に収められるよう、スタンド下部の
 欠き込み形状を変更しました。

 また放熱のための空気の流れも以前のやり方は上の部分
 でワイヤーが邪魔をして流れが良くないので、スタンド本体の途中で斜め上に抜けるように変更しました。 現在の想定は直径5mm程度の穴を12個あけようかなと考えていますが、1本の穴に換算すると直径18mm位になりますので、以前よりもずっと流れが良くなるだろうと思われます。 それと発熱量そのものも以前より少ないでしょう。

LEDを固定する基板は右の図のようなもので、以前よりも5mm長くなっています。 5本を上下に2列並べて1面で
10本。 4面ありますから合計40本取り付きます。 低光度時用のLEDは5φ砲弾型をLED基板の上端中央に1個
ずつ取り付けますので合計4個使用になります。 このLEDはぼんやりと点灯すれば十分ですので、流す電流を
5mAとして抵抗値を計算していますが、抵抗値の変更により明るさの変更は簡単に可能です。

電源スイッチは2回路で中点でOFFになるタイプの小型トグルスイッチを使いますが、1回路はAC100VのON/OFF
を、もう1回路は40本と4本のLEDを切り替えます。

以上が変更点のあらましですが、幸い当初描いた完成後の外観イメージが変わるようなことはありません。
何とかクリスマスまでに完成させて孫に渡せれば(と言うか親からの依頼で作るので、親からのプレゼントになる
のでしょう?)
と考えています。





2008/10/24

再々検討(朝令暮改?)

最終的な構想はまとまったということで、設計した仕様により先週末に久しぶりに秋葉原に出かけて部品調達を致しました。 ところが目論んでいたスイッチング電源が見つかりません。 同じ出力電圧、電流容量で存在するのは基板が細長いものばかりで、電気スタンドの外形を変更しない限り収まりません。 たまたま行った日が日曜日で営業していない所が多く(昔はそんなことはなかったのですが?)、それも発見できなかった理由かもしれません。  こりゃあ弱ったぞともう一度目を皿のようにして探し回ったのですが、やはり見つかりませんでした。

 しかしそうやってつぶさに見ている間に面白い部材を発見しました。 第一番目が24V 0.5AのAC
 アダプターです。 得体の知れないノンブランド商品ですが、\800.-と安くしかも小さいので、替わり
 に使えるかもしれません。 もうひとつが36V 160mAの電源トランスでこちらはまともなメーカー品で
 \950.-です。  前者は見つからないスイッチング電源と同じ容量ですからそのまま置き換えて使
 えるでしょうし、後者はもともと考えていた8本のLEDを駆動できる丁度良い電圧が取れます。 こち
 らの方が若干材料費合計は上がるかもしれませんが、定電流ダイオードが4本節減できます。

 そこで喫茶店に飛び込んで暫し手計算により36V電源とした時の設計変更について再確認した上
 で、後者の構成で再度変更することにし部材をかき集めました。 大きな理由は高電圧による効率良い駆動と得体の知れない部材はやはり避けた方が良い!ということによります。

ということで帰宅後にもう一度設計をやり直した次第です。 定電流ダイオード両端には
約9Vの電圧が掛かり電流安定度で上手い具合になります。 交流→直流変換効率を80%と
して計算すると消費電力は約5W程度になりそうです。 またナイトライトモードでは0.2W程度
と大変低消費電力で済みそうです。(実測値は完成後にお知らせします。)

 LED使用本数は原設計の8本 x 4列 32本に戻しました。
 1列で30mAの電流が流れるので4列で120mAとなります
 が、電源トランスの容量は160mAとこれまた適切なサイズ
 であり、なんでこのトランスの存在を知らなかったんだろうと
 反省をした次第です。

 大きな変更は電気スタンド本体の内部で、電源トランスの高さがあ
 るため切り欠きの量を更に増やさないとなりませんのでその作図
検討に結構な時間を潰していますが、本体の作り方は積層版の積み重ねですから、これらの変更
で製作が更に面倒になることはないでしょう。 また完成後の外観は全く変えずにすんでいます。

合計の材料費はスイッチング電源を使うよりも下がっています。 これはスイッチング電源のコストが
高いのと定電流ダイオードとLEDの使用本数が減少したことによります。
右の写真は沢山のLED、抵抗1本、配線材を除いた調達部材で、電源コードのプラグの大きさと比較
すれば使う部品の大きさが判るでしょう。 メインのプリント基板は最も小さな穴あき基板をそのまま
使い、LEDを実装する基板は同じ基板から3枚切り出せます。


電源回路の動作実験

これでやっと製作に掛かれるわけですが、電源回路の実働チェックをしておかないといけないということで、電源トランス、整流ダイオード、電解コンデンサーをバラックで組み上げて、LEDの替わりに300Ωの抵抗を用意してテストに入りました。 何故300Ωかというと、設計上の出力電圧は36VでLEDを32本点灯した時には120mA流れるようにしていますからオームの法則で、抵抗値 = 電圧÷電流で、36V÷0.12A=300Ωとなります。 但し手持ちのデジタルマルチメーター(Sanwa PC520)での測定値は298Ωでした。

さて先ず無負荷でどの位の出力電圧が出るかと測ったらなんと57.0Vもありました。 いくら無負荷とは言えこれは高すぎるなと300Ωの抵抗を繋ぎ、最終的な負荷状態に近い状態で電圧を測りましたら41.5Vでした。 この時に電流は41.5÷298で求められ139mA流れていることになります。 因みに電灯線電圧は100.7Vです。 実際に流れる電流は定電流ダイオードが決定してしまい合計で120mA以上流れることはありません。 従ってこの実験時より19mA低くなるわけで電源電圧は若干上昇し42V位となると予測しています。

このまま先に進むと定電流ダイオードに掛かる電圧が設計値より上昇分(42V-36V=6V)だけ増加します。 また電灯線電圧が10%上がると電源電圧はそれに比例して46V位になります。 設計時には定電流ダイオードの両端電圧は約9Vでここでの損失は270mWだったのですが、10V増加すると定電流ダイオードでの損失は570mWとメーカー指定の許容損失(500mW)を超えて破壊に繋がります。 電灯線電圧が100Vのままでも定電流ダイオードの損失は450mWとかなり放熱がしっかりしていないとやはり破壊し易くなります。

対処法としては、1.出力電圧の低いトランスに変えてやる。 2.駆動するLEDの本数を増やす。 の2つがあります。
前者については、同じシリーズのトランスで、15V-0V-15V 130mAの出力を持つ物があります。 仮に実際の出力電圧は公称出力電圧に比例するとしたら42÷36=1.167倍になりますから、30V x 1.167=35Vとなります。 設計値の36Vより低いこの値は定電流ダイオードの安全動作上は好ましい方向になるでしょう。

後者のLEDを増やす方法は増大した電圧(10V)をLEDで消化できればよろしい。 LEDの順方向電圧は3.4Vですから3本直列にすると10.2Vとなり良さそうですが、奇数本増やすのはLEDを綺麗に並べる上で問題がありますから一列辺り4本の増加で行くしかありません。(合計16本の増加でコストアップ大!) また4本増やすとLEDブロックの高さが15mm以上高くなり切り出すプリント基板の無駄も多くなります。

どちらの方法にしようかと暫し考えたのですが、購入したトランスは近々に作りたいと考えていたヘッドフォーンアンプの電源に流用できるので、電源トランスを変更することにしました。  メーカーは菅野電気研究所(S.E.L.)で型番はSL-15130です。 LEDを増やすよりもコスト負担は小さく済みます。

以上の問題は私自身が慌ててというかトランスの選別を間違えている部分が大きいのですが、それだけでは物語れない簡単に計算できないエレメントも多く、実際に使ってみて気が付く部分もあります。  従って堂々巡りの面倒なことになっていますが、電気工作において実用性、信頼性、安全性が高く無駄の少ない物を自作するのはかなりの手間と時間を必要とするのが常で、木工作業に比べると敷居が高くなりやすいです。(言い訳がましいですが?)



2008/10/31

LED駆動回路の製作

秋葉原にて必要な部材を再度調達後、LED駆動回路をバラック状態に組み上げて動作の確認を致しました。 もう当て推量でもたもたしているわけには行きませんので、基礎的な回路をひとつずつ確認しながら最適な駆動電圧が得られるよう念の行った進め方をしています。

 最初に変更することに決めた電源トランスが最適かどうかを確認しました。 実はこの近辺の出力
 電圧と出力電流は他の電子工作にも使えそうなこともあったので、目標に決めた30V 130mA以外
 に30V 200mA、24V 250mAを既に購入した36V 160mAに追加し、合計4個のトランスのどれが最
 適かを確認しました。 実際の所それらの違いを回路的に補正して実使用上問題の生じないよう
 調整・変更することは可能なのですが、余計な部品を追加するのではなく最大限シンプルで安定
動作を求めたかった点にあります。 結果としてはめぼしをつけた30V 130mAの物がやはり総合的に良さそうでした。

確認には上のような回路を組み、LEDの替わりに300Ω(実測は298Ω)の抵抗を繋ぎ、各部の電圧、電流を読み取っています。 その結果は次の表をご覧下さい。 使用決定したトランスだけは青字で表現しています。

AC出力電圧 DC出力電圧 CRD両端電圧(推測値) AC消費電力
トランス仕様 無負荷 300Ω負荷 無負荷 300Ω負荷 負荷電流 トランスの温度 AC100V AC110V AC90V 300Ω負荷 無負荷
36V 160mA 43.3V 38.0V 57.5V 41.2V 138mA 39℃? 14.0V 18.1V 9.9V 7.6W 3.6W
30V 200mA 36.5V 33.4V 48.7V 37.5V 126mA 36℃? 10.3V 14.1V 6.6V 6.0W 3.0W
30V 130mA 37.2V 31.9V 49.6V 34.1V 114mA 40℃? 6.9V 10.3V 3.5V 5.1W 2.0W
24V 250mA 28.9V 27.2V 38.3V 31.5V 106mA 38℃? 4.3V 7.5V 1.2V 5.2W 3.2W

上の表の各欄で最も重要なのはCRD(定電流ダイオード)の両端電圧が電灯線電圧の変動でどう変化するかです。 ここで使用する定電流ダイオードの環境温度60℃の場合の最大消費電力は約450mWです。 流れる電流が30mAですからCRDの両端電圧が15Vを超えるとまずいことになります。 表におけるCRDの両端電圧はLED8本を直列に繋いだ電圧が(3.4V x 8 = 27.2V)により求めそれを測定した直流出力電圧から差し引いていますが、36V 160mAの最初に求めたトランスはAC 100Vでも14Vとほぼ上限に来ておりAC110Vに上昇した時には18.1Vと明らかに最大定格を超えてしまい使えません。 30V 200mAの場合にはAC100Vであれば安全ですがAC110Vともなると最大定格に達しますので、これも駄目との判断がつきます。

30V 130mAと24V 250mAはこの点でゆとりがありOKですが、CRD両端電圧が5V以下になると出力電流値が下がりだして来ますのでその点から見ると24V 250mAもあまり面白くありません。 後述しますが奇妙なことにLED8本直列の両端電圧は、試験的に組み上げた物では23.8Vしかなく上記の計算値より3.4V下がっています。 この差の電圧はCRDの両端電圧上昇となりますので、その場合には30V 130mAもAC110Vの場合CRD両端電圧は13.7Vとぎりぎりになります。 もっとも23.8Vの両端電圧の時にLEDに流れる電流は28mAに下がっており、その場合のCRDの両端電圧は16Vまで許容する(450÷28)とも考えられるので、多分問題は生じないだろうと思われます。

最後の欄の消費電力算出はかなり大雑把なものですが、採用決定したトランスにて全LED点灯時に5.1W、減灯時に2Wとなっています。 十分に低い値と考えて良かろうと思われます。 また部材の温度上昇に関しては温度計を使わず指で暫く触れて湯温などとの比較の中での私の感覚で記載しています。 多分±3℃位の誤差範囲にある?!と思います。

 さて適性が確認の出来たトランス(L-15130)をもとに実際に1組のLED列を駆動し各部の電圧・
 電流の測定をしてみました。 回路は左に図のようなものですが、最終的に追加される3組のLED
 に相当する部分は合計で90mA流れますので、手持ちの抵抗220Ωと150Ωを直列に繋いだ370Ω
 (実測は369Ω)を使い近似させました。 計算上は31.5V÷369Ω= 85mAと少な目ですがテスト結
 果の判断を誤る原因にはならないでしょう。 結果として抵抗だけの負荷による実験結果と少し違っていますが、誤差範囲というか実働上で何か不安材料となる問題は全く無しです。 これ以上は更に32本のLEDを駆動するテストでもう一度確認するしかありません。 以下の写真でそれらの様子をご覧下さい。

LED駆動テストの様子。 LEDの光が邪魔なのでテスターの横にそっぽを向かせています。 手前が実装基板でその左上にダミーの負荷に使っている抵抗が見えます。

背面は仮配線ですが実装する部品は抵抗1本を除き全て最終的な位置に取り付けられています。 プリント基板は既製の穴あき基板で72mmx47mmの物です。

今回の回路での重要部品の定電流ダイオードL-2733です。 2733とは定電流値が27mAから33mAの間にあることを意味しているようで、この実験回路では28mA流れていました。

もうひとつ今回部品を物色中に見つけた大変小さなブリッジダイオードS1NB60で、大きさは約7.5 x 5mmしかありませんが、600V 1Aと守備範囲が広く今後多用しそうな予感がします。

上記のLED駆動テスト回路を組み上げて数時間運転をしましたが、発熱に関して電源トランスが40℃前後(またまた指で触った推測です。)に加熱する程度で、ブリッジダイオード、定電流ダイオード共にほんの僅か温度が上がったかな?という発熱量ですので、今考えている放熱方法で熱破壊防止(特に半導体)は十分に出来ると思われます。 LEDのブロックのみは外部に露出しますが、これまた通常の電球のような発熱は全くなくほんのりとした熱発生程度であり、3ブロックが追加されても熱破壊に至るようなことは先ずないでしょう。

少々脱線ですが購入した数本のL-2733の定電流値を調べた所、27-29mAの間にあるようでした。 従って現在抵抗で代用している部分に本来の24本のLEDに置き換えた時の消費電流値は若干下がることになります。 よってトランスの発熱も少しは減るでしょう。

以上動作上何ら不安を抱くようなことはないのですが、駄目押しの連続点灯テストを4日間程してから最終的な32本のLED点灯実験に進みます。 石橋を叩きすぎかもしれませんが、私が知らなかった、或いは気が付かなかった要素で多数のLEDをお釈迦にするのは切ないのと、長時間テストで十分な安全・安定度の確認は必須条件だと考えているからです。



2008/11/07

LED駆動回路の製作2

全てのLEDを駆動した場合の実働テストをするためにはLEDを固定する基板を製作する必要があ
ります。 LED実装の基板サイズは72mmx47mmx1.3mmですが、47mm方向を高さとして幅を
21-22mmと少々広めに切断します。 切断には電動ジグソー(CJ-250)を使いましたがブレード
には鉄工用のブレードを使いました。 切断後切り口を替刃式ヤスリ(M-20GP)で直線性を出し
ながら板幅を21mmに調整しておきます。 次に切断した部分を45度の角度になるよう研磨する
のですが、45度の加工精度及び最終的な基板幅(20.5-20.8mm)の寸法を容易に出すために
一過性のジグを作りました。

 左の図がそれですが後ほどの写真を見たほうが理解は早いでしょう。
 構造は厚さ12.5mmの板をソーガイドで45度に切断し、切断面同士で基
 板を挟みもう一枚の板に貼り付けます。 次に下部に2.7mmの下駄とな
 る板を貼り付けます。 こうしたら溝に基板をしっかりと嵌め込んで台に
 貼った#240の布ペーパー(厚み0.6mm)で飛び出た部分を研磨します。
 最初はジグの両端に隙間が出てがたつきますが、研磨を進めてがたつ
 きが無くなった所で、基板の幅は、(12.5 + 2.7 - 0.6) x 1.4142 =
 20.6mm
となりほぼ求める基板幅になります。 ジグ本体+下駄 -
ペーパーの厚み
14.6mmになれば良いので、ここで記したそれぞれの厚みに拘る必要はあり
ません。 この方法は高等技術不要で正確な幅調整や45度研磨が可能になります。(日曜大工
にも応用が出来るテクニックです。)


こうして出来た4枚の基板にメインの32本のLEDを半田付けし配線を済ませますが、LEDの4本の
脚は正方形に並んでおりどの方向でも基板に挿し込めてしまうので、極性のマーキングを確認し
ながら進めないとなりません。

右の図が基板の部品取付け面の様子ですが、LEDの極性マーキングはひとつの角が少し欠け
たような形になっています。 またプラスのピンは赤丸、マイナスのピンは青丸で示しています。
それとLEDの端子はプラスとマイナスの2本ですが、このLEDではプラス、マイナスそれぞれ2本
出ています。 電気的な意味では2本だけ接続すればよいのですが、ピン経由でLEDが発生する熱を配線を通じて放散させる意味
で4本全てを接続した方が効果があるのではと思いそのようにしています。 全ての結線が終わりましたらもう一度誤配線がないか
もう一度確認しておきます。

切り出す基板には銅箔面の傷・汚れ防止も兼ねて、マスキングテープを貼り付けその外側を切るようにしています。(切り幅は21-22mm)

切断にはおなじみの電動ジグソー(CJ-250)を使っていますが、ブレードは木工用では刃が持たないのと目が粗すぎるので、鉄工用に変更しています。mini-ShopのN0.1ブレード)

切断後切り口を替刃式ヤスリ(M-20GP)で研磨し直線性を極力出すと共に幅が21mmになるよう調整しておきます。

45度研磨ジグです。 斜めの溝は板を45度に切断後そこに基板を挟んで下の板に接着。 そして薄い下駄を両端に貼り付けました。 この下駄の存在でジグがヤスリで削られることはありません。

その下駄に研磨する基板を挿し込みました。 しっかり底当たりするように挿し込まないとなりません。

ジグを上下逆さにして台に貼った布ペーパー(#240)で研磨開始。 ペーパー幅が細いのでジグには当たりません。

これは研磨前のクローズアップです。 この方向から見て基板の木口が平面になればよいわけです。

研磨開始では下駄の面と台の間に隙間が出来てがたつきますが、そのがたがなくなるまで終了したらこのように木口は平面になります。 そしてこれ以上は削れなくなります。

45度研磨が終了した2枚の基板の研磨断面クローズアップ。 この斜面にエポキシ接着剤を塗って直角に張り合わせることになります。

基板の幅がどうなったをノギスで確認しました。 
実測20.65mmでほぼ計算どおりの値です。 4枚のばらつきは±0.05mm程度でした。



32個のLED駆動テスト


出来上がった4枚のLEDが実装された基板をテーブルに並べ所定の結線をして実働テストをしました。 ところが結果は期待していたものとかなり異なり、このままでは明るさが不足AC電圧が高くなった場合にトラブルが起き易くなる、など面白くない状態です。 上の回路図では実測した各部の電圧・電流値を記入しましたので、それらを元に状況を説明いたしましょう。

先ずLEDに流れる電流は20.5mAから23.7mAと設計上限値30mAに対しかなり低い値になっています。 それと定電流ダイオードの両端電圧が13.8-14.1Vと設計の推奨値5-10Vに対しかなり上がっています。  LEDに流れる電流がこの程度ですとメーカーの資料によれば光量は20%以上減少してしまいます。

LEDに流れる電流が減少している原因は定電流ダイオードの両端電圧が大きいことによります。 メーカーの技術資料によれば、L-2733の出力電流特性は両端電圧が7V付近で最大になり、それより高くなっても低くなっても低下します。 因みに資料のグラフから読み取ると14V近辺では約13%低くなります。 つまり定電流ダイオードの両端電圧が7V近辺になれば出力電流値は23mA位に増大するはずです。

また定電流ダイオードの両端電圧が14Vで出力電流が20-23mAということは、ここでの損失が、14 x (20〜23)= 280〜322mW発生していることになります。 L-2733の最大損失は500mWですが、電灯線電圧が120Vまで増大したとすると、直流電源電圧は比例して上がり45V程度になるでしょう。 その時の定電流ダイオードの両端電圧は21V程度に上昇するので出力電流が変わらないとすると損失は420-483mWと最大定格ぎりぎりまで増大する可能性があります。 定電流ダイオードは放熱の配慮があるとは言え閉じ込められた空間にあり、電源トランスの発熱も増大することから実際には許容損失は500mWより下がり破壊の可能性は更に高まります。

こんな考察から、1.LEDの発光量が不十分。 2.高いAC電圧でCRDが破壊する可能性。 の2点で、改善しないとならない!と結論付けました。

こうなった大きな原因はどうも定電流ダイオードの特性にありそうです。 というのは前のLED8本駆動テストの時にもおや?と考えていたのですが、定電流ダイオードの出力電流が期待していたよりも低いのです。 メーカーの資料によれば、27-33mAとのことなのですが以前の実験では最大で28mAと下限に近い値でした。 ここでの実験では両端電圧が高くなったとはいえ20.5-23.7mAと更に低く、両端電圧が7V近辺になっても、24.6-28.6mAと規格ぎりぎりか下回ります。 この原因は連休後にメーカーに確認することにしますが、対応策を考えねばなりません。

対応策の1番目としては、定電流ダイオードに別な定電流ダイオードを追加して出力電流を上げてやることが考えられます。 そうするとLEDの電圧が上昇し、結果として定電流ダイオードの両端電圧は下がってきます。 その場合にはLEDに流れる電流が30mAを超えないよう選択せねばなりません。

もうひとつのアイデアはLEDの駆動本数を増やしてやる方法です。 どういうことかと言うと、略算ですが、増やした本数 x LEDの電圧(3.4V)だけ定電流ダイオードの両端電圧は下がります。 例えば2本のLEDを追加したとすれば、定電流ダイオードの両端電圧は6.8V減少した7.2V近辺になるはずです。 この時に定電流ダイオードの出力電流も数mA増加する筈なので光量アップも期待できます。

定電流ダイオードを追加する方法は確実な光量アップには有効ですが、新たに定電流ダイオードを購入しなければならず、その為に秋葉原に出かけないとなりません。 またLEDブロックによっては適正な電流値を模索すると一律5mAの定電流ダイオードの追加というわけにも行かないので面倒そうです。 後者の方法であれば、LEDのスペアーが10数本ありますんで直ぐに実験可能です。 そこで最終案として各LED基板に2本ずつ、合計8本追加という案で確認することにしました。 追加する2本のLEDは低照度用の砲弾LEDを取り付けようと考えていたスペースに実装しています。

ワンブロックを10本直列とした最終?構造のLED基板。 右側が裏面の配線の様子ですが、目が弱くなった私にはかなり苦痛の作業でした。

その基板4枚を並べて駆動テストに入る所です。 最終的にはこの4枚を貼り合わせて角柱状にします。

40本のLEDの駆動テスト中。 32本から40本に増加すると光量は25%増加する筈ですが、駆動電流も後述するように増えていますから、かなりの光量アップになっているはずです。 極めて明るいので直視すると目を痛めます。


上の回路図にはAC電圧が80V90V、100V、110V120Vとなった時の各部の電圧・電流がどうなっているかを色分けして記入し
てあります。  最上段の左側は直流電流合計を、その右側は直流電圧を表します。 LEDの右側に記入した数値は各LEDブロックの上から定電流ダイオード両端電圧、10本のLEDに印加される電圧、LEDに流れる電流の値となっています。

40本にLEDの駆動本数を増加した際、電源電圧100Vの時の定電圧ダイオード両端の電圧は5.5-5.8Vに目論見どおり減少しました。 また定電流ダイオードの出力電流(LED駆動電流)22.7-25.6mAと約2mA増加しています。  本当はLED駆動電流が28mA程度まで増加してくれると理想なのですが、AC120Vの入力電圧があっても定電流ダイオードの損失は400mW以下に留まり、破壊の可能性はまずなくなりました。  AC電圧を80-120Vの間で変化させた時の照度は100V時が最大でそれより高くても低くても低下しますが、これは同じ定電流ダイオードを使う限りこれ以上の照度アップは望めないことを意味しています。 またこの間の明るさの変化は目で見た範囲では判別しにくいです。 

その光度アップの程度は、計算上ですがLEDの本数増により25%、駆動電流が2mA増により5%程度の光量アップと合計で約30%光量増になっていると思われます。 これ以上LED駆動電流を上げるには定電流ダイオードを追加するしかありませんが、そうして仮に30mAの駆動電流にした時の光量アップは更に20%弱アップとメーカーの技術資料から読み取れます。 その方向で欲張っても良いのですが、安全性・安定性を優先として考えるならば30mA-25mA5mAは熱暴走破壊防止のマージンとして考えられるので、この回路定数を最終的なものとしました。 尚AC100V時の消費電力は4.7Wと測定されています。

 もうひとつ決めないとならないのは、低照度の駆動
 回路です。 以前の構想では別な電灯色のLED4本
 駆動に切替えようとしていました。 しかしそれらの
 LEDを固定するスペースを使ってしまったため、40本
 のメインLEDの駆動電流を大幅に減少させる方法に
 変更することとしました。

現在の所4.3KΩの抵抗を電源回路と定電流回路の間に挟む方法で考えていますが、
AC100V時に合計のDC消費電流は5mAでぼんやり点灯といった感じになっています。
またこの時のAC消費電力は2.3Wです。 入力AC電圧が80-120Vの間で変化してもぼんやり程度ですが光量はかなり変化しています。 4.3kΩでの消費電力は4300 x 0.0052 = 0.1Wですから、発熱が少なく小さな抵抗で済みますので、プリント基板への実装の問題もありません。

以上でやっと全駆動回路が固まりました。 この回路にての連続駆動テストを72時間施し問題ないことを確認した上で、電気回路の製作は終了とします。 最終的な回路図(左上)とプリント基板レイアウト(右上)を参照ください。

随分と紆余曲折がありましたが、私の力のなさもさることながら、徹底的に安定動作、安全動作に拘ったとのと初めて使った大電流定電流ダイオードの使いこなしが意外に手ごわかった部分があります。 但し最終的には非常に簡単な回路であり皆さんが再現しやすいと同時に安定性・安全性でも抜群です。



2008/11/14

ランプブロックの組立

72時間連続動作テストも無事通過しましたので、4枚の基板を貼り合わせ四角柱に組上げ
に入りました。 この4枚の基板の厚みは1.2mmと薄いため接着面積は大きく取れません。
そこでエポキシ接着剤を使い正確に90度になるよう接着して内側の隅にはエポキシを盛っ
て強度の増加を図ります。 90度に接着するには硬化するまで保持してやらねばなりませ
んが、その為のジグを先ず作りました。 材料は端材の4mm厚のシナ合板が主で、右にジ
グの断面図を示しますが長さは45mmとしています。

このジグに基板を当てて動かないよう洗濯バサミで固定しました。 基板が簡単に曲がりま
すので、圧着保持をするのは難しいですがエポキシを使いますからきちんと接合位置を保
持できれば接着強度には影響しない筈です。 こうして2組のL字型を組み上げてからその
二つを更に接着します。 ここでも圧着保持は無理で、ゴムバンドで全体をくくって位置保持だけは確実になるようにしています。 その後残る2箇所の内部の結線を済ませれば直方体のランプブロックが完成します。

組み立て前の結線の様子です。 長さ50cmのオレンジ色の線は各基板のプラス側に結線し、黒い40mm程の線は各基板のマイナスに結線しますが、その反対側をもう1枚の基板のマイナスに結線した物を2組作ります。 そのうち1組のマイナスに1本の黒い50cmの線を接続してやります。

基板の直角接合ジグはこんな具合です。 矢印の先が基板と基板を突き合せ保持する部分です。 長さは45mmですので基板を当てると両端が僅かに飛び出し突き合せ状態がはっきりと確認できます。

線で繋がった1組の基板の接合面(斜面)に楊枝でエポキシ接着剤を塗りつけてセットしますが、突合せ部分にポリエチレンの薄いフィルムを挟んでくっ付き防止をします。 そして突合せ部分の接触状態、位置関係を確認した上で洗濯バサミで固定します。

突合せ部分(赤矢印の先)のクローズアップ。 基板の45度に研磨した部分がきちんと接触しており斜面研磨がうまく出来ていることが判ります。

次にこのような角度に置いて突合せの隅の部分に楊枝でエポキシ接着剤を流し込みました。 傾けると流れ出すのでこの状態で硬化させます。

そのクローズアップです。 尚エポキシ接着剤は絶縁性能が良いので漏電などの問題を起こすことはありません。 但しエポキシが付いた部分は半田付けは出来なくなります。

2組出来たL型を更に貼り合わせてジグで保持し輪ゴム2本でぐるぐる巻きにして若干圧着の力が掛かっています。(接着は矢印の先2箇所) 見た感じでは期待以上に上手く仕上がっていそうです。

完成したLEDランプブロック。 今回30分硬化開始型を使って1ヶ所の硬化時間を2時間とし次の接着をしましたが、この状態で12時間寝かして完全硬化後にはみ出た接着剤を削り落とし残る内部の結線を済ませます。


LEDランプの照度測定

この後の作業がどんどん進むと今回製作したLEDランプの照度状況を測定しにくくなりますので、この項の
前の方で紹介した露出計による簡易測定をしました。

何しろ大雑把な測定ですから照度分布などというおこがましい測定は意味ないので、LEDランプの場合、
10個のLEDが付いた基板中心からの延長線上、2枚の基板が接着された所からの延長線上、同じく基板
が接着された所から上方に45度傾斜した方向への延長線上の3種類の測定に留めました。
測定距離は何れの場合も1mです。

またクリスマス用テーブルランプとの比較をしてみようとランプの高さで1m離れた位置で測定しています。
クリスマス用テーブルランプは40Wのミニクリプトンランプで完全な球に近い形状をしていますから、1mの
距離でしたらほぼどこでも照度は同じになるだろうと考えこの1点でしか測定しませんでした。

そしてその結果は以下のとおりです。

被測定ランプ 基板中心より1m 接合点より1m 接合点より45度上方 消費電力
NSPWR70BS x 40個 26ルクス 32ルクス 22ルクス 4.7W
Nationalミニクリプトンランプ 40W 44ルクス ←に同じ? ←に同じ? 32W

基板中心より1mでは以前に同じLEDを8個使い30mAの電流を流して測定した時には1mの距離で22ルクスでした。 それに対し今回は10個に増やしたものの電流は23-25mAと小さいですから2個のLED増(25%増)のご利益が薄まっているようです。 但し基板接合点の延長線上では2枚の基板のLED全てが45度斜めで照射することになり半値角(52.5度)より小さいですからかなり照度アップになっています。 45度上方では照度は半値角以内ですので半分までは下がらず妥当な線になっています。 但し総じて40Wのミニクリプトンランプには全ての場合で及ばないようです。  とは言え消費電力を見ますとLEDランプは1/7近く消費電力が小さく、照度の及ばない点は十分カバーできると考えてよいと思います。(40Wミニクリプトンランプを今回の構造で凌ぐにはLEDの本数を1.5倍程度にする必要がある。 電力利用効率を同じに出来れば、消費電力は7W前後になり、クリプトンランプに対しこの場合でも1/4.5と低い値となる。)


ランプブロックホルダーの製作

 さて次がランプブロックを支えるホルダーの製作です。 この部分はランプブロックを支えるだけでなく、シェ
 ードも固定するため、強度を確保しないとなりません。 今回の構造はランプブロックの修理や交換が後日
 に可能な構造としました。 構想段階でお見せしていますが、実際に製作に入る前に細部の確認をして変
 更を加えた詳細は左の図のとおりです。

 中心には6φの鉄パイプ(肉厚1mm)を使いその半分程度にはM4の長いボルトを埋め込みエポキシ接着剤
 で固定して曲げ強度のアップを図ります。 そのパイプを18mm合板から切り出した2個のホルダーに接着
しその外側を5.5.mmの合板で包んで直方体にするという少々複雑な構造になっています。 後ほどスタンド本体が出来上がったらその上部にこれを接着してやります。 

ホルダーの中心部分は18mm厚の端材の棒を使いました。 最終サイズが小さいので合計9個の穴をあけてから切断します。 穴は垂直にあける必要があるため、電動ドリルアタッチメントを使用。

6φの鉄パイプとM4の長いネジは刃研ぎグラインダー(CG-11)で切断。 電動ジグソーで切断するより簡単で寸法調整研磨も同時に出来ます。

予備加工が終わった3つの部材。 6φ鉄パイプとM4ボルトはラッカーシンナーで外側内側共に洗浄し油分を落とします。 これらを30分硬化開始エポキシ接着剤にて組み立てます。

中央の部材の穴と6φ鉄パイプの表面にエポキシを塗り所定の位置に通して、クランプで圧着保持します。 はみ出たエポキシは拭き取っておきます。

2時間後にクランプを外しました。 この方法で接着すると2つの中心材の面と面はずれもなくぴったりと一致してくれます。 次にパイプ先端にエポキシを塗ったネジを差込み固定します。

最後に5.5mm厚の合板から切り出した外側の板を1枚ずつ貼り付けて行きます。 簡単に隙間なく接着するため普通の組み方とは変えてあり、接着剤が完全硬化後に外側の出っ張りを削るやり方をしています。

組立てが終了したランプブロックとシェードのホルダー部分全景(左)とトップから見たところ(右上)と底から見たところ(右下)です。 上部の窪みにランプブロックが収まります。 こちらの図面と比較すると良く判ると思います。

ランプブロックを挿入してみた所です。 このブロックの下部20mmを本体に埋め込んで固定します。 上に見えるネジにランプブロックを押さえるワッシャーやシェードのワイヤーなどを挟んで袋ナットで締め付けることを考えています。



本体部分の詳細設計

 本体部分の材料を色々考えましたが前回と同じ4mmのシナ合板を使うことにしました。
 表面のシナの綺麗な部分はその切断面しか見えなくなりますが、それでも見え方を良くす
 る効果が高い点にあります。 但し厚み4mmには要注意です。
 クリスマステーブルランプを作った際には公称の4mmの厚みで全ての寸法を割り出した所
 実際には薄かったため球になるはずが若干潰れてしまった経験を持っています。

 そこで手持ちの4mmシナ合板の端材を5枚重ねてノギスで
 測定ししましたら19mmの厚みになりました。
 1枚当たり3.8mmということになりますが、貼りあわせたとき
に木工ボンドの皮膜で厚みが増すことを考え1枚当たり3.85mmとして各部の計算をして寸法の微
調整を行った結果を上の図面に表現しています。 従って大づかみのイメージは変わりませんが、
構想段階とは各部寸法が微妙に異なる点にご注意ください。 尚左の図で外側の傾斜面に一点鎖
線が引かれていますが、板を積み重ねて接着後にこの線まで削り込むことを意味しています。
内側にも似たような傾斜の段々がありますが、こちらは削り込むようなことはしません。

また42枚の切り出す円盤の直径とその中にあける穴(これには円と正方形の2種類があり、寸法も
一定ではありません。)
を計算して表にまとめました。(右の図)




2008/12/05

薄い円盤の切断ジグ製作

42枚もの円盤の切断は薄い板ではあるものの切断精度を保とうとすると緊張を強いられるため気が遠くなるような作業になります。 そこで緊張を強いられなくて済む切断ジグを製作しました。 半日あれば終了し驚くほど正確に円切りが可能になります。 自作の道具として参考になるためこちらから別テーマとしてジャンプしますので、参照ください。



2008/12/12

薄い円盤切断作業

円盤を切断するジグを使って一挙に切断作業を進めました。 切り出す円盤の直径は様々ですがジグを使って簡単に切断できるとして、問題は内側にあける穴でこれらをジグ無しで切断するのは容易なことではありません。 一応整理してみると4種類に分けられ上のほうから以下のようになっています。

   1.内側に32 x 32mmの正方形の穴があく。 (No.1〜No.5)
   2.内側に直径25mmの穴があく。 (No.6〜No.21)
   3.内側に28.5〜60mmの順次拡大する穴があく。 (No.22〜No.31)
   4.内側に直径80mmの穴があく。 (No.32〜No.42)


1.は正方形ですから電動ジグソーで手引きでやるしかありません。 たった5枚ですので我慢しましょう。 2.はフォスナービットで正確且つ簡単に開けられます。 そこで16枚は助かりましたが問題は3.と4.の丸穴です。 合計で21枚ですがこれらの丸穴を精度良く切断するには長時間緊張を強いられ大変です。 練習にと42番の一番底になる板をジグ無しの手加工をしてみましたが、でこぼこになりその後ヤスリで成形しなければ使い物になりません。

そこで駄目もとと試しに抜き穴をジグを使って切断する実験をしてみました。 少しコツが必要なもののちゃんと切断できます。 そこで3.と4.に属する円盤はすでに切断したNo.42を除く全てを切断することとしました。 それらの合計は20枚ですが、No.22〜No.24の3枚は切断ガイド/押さえ板の幅よりも穴の直径が小さくなるためジグでは切断できませんでしたが、残りの17枚は見事にジグを使って正確に切り終えました。  内側の切断を整理すると、42枚中ジグを使って切断した物が17枚、フォスナービットで楽に加工したのが16枚の合計33枚はお気楽切断となったわけです。

とは言え板に墨線を描き込んで全ての切断が完了しバリ取りや修正研磨(ジグを使えなかった物だけ)が完全に終わるまでに丸2日掛かる作業になっています。 ジグそのものの製作に1日を要していますから合計で3日を切断作業に使ったわけで、楽をしたとは言えそれは緊張を強いられた時間が少なかっただけで、作業量としてはやはりかなりのものでした。  それらの様子は以下の写真でご覧下さい。

円盤の材料は4mm厚シナ合板ですが、サブロクの半裁で合計42枚を切り出せました。 購入に当たっては例外的な選別ですが表面が美しいかどうかより芯材の色味が白っぽいものを選別しています。

線引きに当たっては外側と内側の2つの円以外に円盤の番号(上から下への順序)を描き込んであります。 そうしないと切り離した時に訳がわからなくなります。

それらを適当に切り離しました。 回転させた時に切断ガイド/押さえ板に当たらなければ大きくても或いは変な形でも問題ありません。

全ての板には一箇所このような切込みを入れており、ここからジグで切り出します。 また中心に6φの穴をあけます。

2.に属する25φの穴をあける板は25φのフォスナービットで深さ1mm程度の座繰り穴をあけてから中心に6φの穴をあけておきます。

 ふっと思い付いて42枚を重ねて高さを測りました。 163mmで設計値162mmに対し1mm大きいだけ。 切り屑が多少挟まっておりますので、最終的には接着剤の厚みを含んでも圧着保持しますのでほぼ設計値になるでしょう。

 ジグそのものの詳細は別項をご覧頂くとして、先ほど説明した切り欠きをこのようにセットします。

そして切断開始。 殆ど単純作業に近く緊張を強いられることは殆どなく淡々と作業は進められます。

内側の切断に入ったところですが、切断ガイド/押さえ板を外して正方形を中心の6φの穴から切り出しています。

5枚の円盤はこのようにジグ無しで正方形を切り出しました。 この後成形研磨で寸法出しをします。

内側の丸穴をジグ無しで切ってみようと最も下のNo.42で試したのがこれです。 多大な緊張を強いられた割には結果が悪くかなりの成形研磨が必要になってしまいます。 そこでジグを使って内側の穴の切断を試すことにしました。

内側の円に接するように6φの穴をあけてここから切り出します。 切り出し位置は墨線より1mm前後内側になるので、ブレードが左に傾くよう少し押し付けて切断ガイド/押さえ板を固定します。

 切断開始。 ブレードは左に僅か傾いたまま切断しているので墨線よりも内側を進みますが、そのまま続けるとブレードは少しずつ垂直になってくる(墨線に載ってくる)ようになります。

一周しましたが切断開始位置よりもブレードは右にずれて食い違っていますが、このまま切断を続けます。

 そうすると既に切り落とされた内側の小さな円盤にブレードが当たり左に傾かないまま切断を続けるため、切り始めの部分の修正切断が自動的に出来てしまいます。

 こうして切断が完了した物です。 切断後に修正の研磨は全く施していない切りっぱなしで、ほぼ完璧の状態。 これは感激でした。

内側の円のジグによる最少径切り出しは切断ガイド/押さえ板の幅(36mm)で決まりこのNo.25が切断可能な最も小さな直径(39mm)でした。

全ての切断が終了し寸法微調整の研磨に入りました。 正方形の穴には自作替刃式平ヤスリがドンピシャです。

ジグを使わず丸穴を切断した物はDR-1000Pの使用が最適でドンピシャに短時間で成形できます。

切断が完了した4種類のグループ。 右奥が一番上で次がその左、そして手前右、手前左と続き底の部分になります。 一番上にはランプホルダーを挿し込んでみました。

 それらを積み上げてみました。 位置を正確に調整しているわけではないので多少凸凹していますが、最終的な形が見えつつあります。

切断ジグを実際に使ってみて円切り抜きにも有効なことが判り、その有効性が高まっていますが、汎用的なジグの製作ではジグ使用過程で発見した様々なことを考慮してより完成度の高いものにしたいと考えています。



2008/12/19

円盤貼り合わせ

42枚の円盤を貼り合わせる作業は全ての工程の中で最も所要時間が掛かる部分です。 というのは、薄い円盤の貼り合わせは1枚1枚とやってゆくしかありません。(一度に2枚以上を貼り合わせると、貼り合わせがうまく行かない可能性が大きいのです。) その原因の多くは貼り合せて圧着保持をする時に横滑りを起こして接着位置がずれることにあります。 そのずれの発生を少しでも抑える為には木工ボンドは必要最小限の薄い膜になるよう塗布しないとなりません。 しかし薄い膜にした木工ボンドの表面は短時間のうちに固まりだし接着強度が落ちますので、薄く均等に延ばしたら直ぐに重ねて指で挟んで位置の調整をしクランプで圧着保持をする!といった素早い動作が必要になります。 そしてそのような配慮をしてもクランプで圧着力を高めますと、ぬるっ!とずれる可能性がまだあるので、クランプを緩めて位置関係を確認したり修正して再度クランプで締め上げることが肝要です。

このような素早い作業を数枚同時にやってうまく進めるのは至難の技ですから、一度に2枚以上を貼り合わせられません。  圧着保持には私はバクマクランプの150mmを4本と250mm2本を使いました。 大きな円盤ではバクマクランプを4本使い、小さなものでも2本で思いっきり締め上げています。 そして接着する円盤全体を覆う大きさの18mm合板2枚で挟み平面が決して崩れないようにしました。 圧着保持のためにかなり締め上げていますが、これは接着力を確実にすることと、接着面が後で成形時に隙間として黒い筋になって見えないためです。  バクマクランプは締め上げることでクランプ自体が撓むようなことはありませんが、安いプラスチック製の物ではいくらでも締め上げられる物があり(クランプ自身が撓んで圧着力が上がらない!)、意味のない圧着保持になることもありますので、道具の目的を十分に考えて購入する必要があります。

先に申し上げたように私は合計で6本のクランプを使いましたので、同時に2組の接着が可能です。 一回辺り3時間の圧着保持をしましたので、1日に6回貼り合わせ作業をやるのが適当なところになります。(1日12枚貼りあわせということです。) 従っておおよそ3日強連綿と続く作業になります。 私はまだ働いているとは言え、mini-Shopにて皆さんからのご注文を処理するのが主の作業ですから、それらの合間を縫って平日に貼りあわせ作業を進め、ウィークエンドに成形作業に専念という効率良い進め方が出来ました。

ところでいきなり全ての円盤を貼りあわせてしまうと電源回路の基板を固定する金具の取り付けが難しくなるので、3ブロックを組み上げて基板固定の金具取り付け後2ブロックを貼りあわせ、その後成形作業を済ませてから最後の1ブロックを貼り合わせと、少々貼りあわせ順序には工夫があります。

円盤接着開始。 これは27番の板の上に26番(右側)を貼り付けるところです。

26番の板をひっくり返して木工ボンドを塗り付けました。 この量は実際には多すぎます。

木工ボンドを指で広げてゆきます。 塗りつけたボンドの厚みが大きいと圧着保持の際にぬるっと横に滑るので、薄く薄く広げてやります。

薄く塗り広げると木目が結構透けて見えますが、ボンドの表面が乾燥しないよう更に均等に慣らします。

貼り合わせ後クランプで圧着保持。 この時締め付けた後に完全に緩め、ずれが生じていないか確認の上再度締め上げるのが重要。 3時間程寝かして次の接着に進みます。

ウィークデイに仕事の合間合間をぬいながら4日掛りで3つのブロックが完成しました。 一番手前と右は内径80mmの穴あき部分ですが、この後の工程後に接着します。


 註) この接着作業は作業時間よりも寝かせる時間(3時間程度)が長いので、大変長く掛かります。 あせっての作業は
 接着不良を招くので禁物。 また圧着保持は接着強度の確保と接着面の隙間防止にクランプ使用は不可欠ですが、やわ
 なクランプ(安物のプラスチック製など)は圧着力が上がらないので不適当です。




基板を保持する部分は真鍮製の六角パイプでM3の雌ネジが切られた15mmと20mmをM3のボルトで連結して使います。 また片側には20mm程M3のボルトが飛び出るようにしています。 これらは全て瞬間接着剤により固着しました。

固定金具取り付け面に3.2φの穴をあけ、取付金具は電源基板に仮固定しました。 そして穴の中に5分硬化開始型エポキシを楊枝で注入し、取付金具のネジ面にもエポキシを塗りつけます。

そうしたら穴の中にM3ボルト部分を挿し込みます。 圧着保持は不要で、このまま1時間放置すれば完全に固着します。 結構ぎりぎりですが、トランスは本体に接触しておりません。

仮止めした基板を外したのが上ですが、次に内寸80mmの穴をあけた2つのブロックに基板が引っ掛からないための切込みを(矢印部分)を電動ジグソーで入れました。

その上で右上の手前左側のブロック(32〜35番)を木工ボンドで接着しました。 一番底になるブロック(36〜42番)は外側の成形作業が終了後に接着します。

確認のため一番底のブロックを載せてみました。 底になる円盤は内径が少し大きいのですが、この部分に後ほど加工する蓋が納まります。


外側の成形作業

引き続き外側の面の成形作業に入りました。 実はこの工程は当初予想していたよりもかなり早く半日で終了しました。 以前に製作したクリスマス用テーブルランプは基本的に球体でしたので、成形の荒削り段階でカンナは効率が悪くて使わず、替わりに荒削り用には電動サンダーに#60のペーパーを使ってやりました。  しかし今回は1方向だけは直線という部分が大半ですので、初期段階では殆どカンナで成形でき作業がはかどりやすかったというわけです。 ということで第一段階は階段状になった表面と全体的に大きな凸凹がなくなるまでの粗成形をカンナでやりました。 その後片手で楽に操作できるミニ電動サンダー(S-5000)に#60布ペーパーを使って粗研磨、更に#120で研磨したのちハンドサンダーに#240ペーパー付けて仕上げ研磨としています。 下部の丸い突出した部分は一度鋭角に成形した後に粗目ヤスリにてだいたいの丸みをつけた後に電動サンダーに#60ペーパーで丸みを整え最後にスポンジ研磨剤で仕上げ研磨としました。 底のブロック(円筒状)は別に研磨した後に木工ボンドで接着し組立作業が終了しました。

ということで成形作業の道具としては、カンナ(KK-50)、ミニ電動サンダー(S-5000)、ハンドサンダー、粗目ヤスリ、スポンジ研磨剤の4種類を使っており、曲面研磨が多いせいか通常使用頻度の高い替刃式ヤスリの出番はないという珍しい組合せでした。

雨が降っていて外で作業できないため床にあぐらをかき、足の上で本体を支えカンナ(KK-50)にて段差を削り落としています。 先端の細い方から底部に向かって一様に削るのですが、効率良く作業は進みます。

段差がほぼなくなるまで削り込んだ状態で、良く見ると上から下に掛けて削った跡が見えます。 この時点では下部の突出部分の丸みは全く手をつけずに進めています。

電動サンダー(S-5000)に#60布ペーパーを取り付けて外形を整え段差や凸凹を取り除きました。 作業は順調に進み30分程度の所要時間となっています。 但し研磨中は削り屑が舞い上がりますので、作業中の写真をお見せできません。

下部の突出部を粗目ヤスリにて手研磨で丸めて大雑把な形を出した上で、電動サンダーに#60のペーパーの組合せで研磨。 その後#120に変えて研磨し最後に#240のペーパーを付けたハンドサンダーで仕上げ研磨をしました。 底の円筒状のブロックの上に載せてあるだけですが、電源コード、スイッチ取り付けの加工後貼り合せます。 基本的な本体の組立作業は終了です。

底に近い部分の丸みのある突出部分。底の円筒状ブロックはシャープに繋がっています。 

底の円筒状の部分は別途研磨してから接着すればこのようにシャープな感じに仕上がります。

ドアップで表面を見たところ。 強力な圧着保持をしましたから板と板の継ぎ目はこのくらいアップして薄っすらと見えます。

こちらは少々汚らしい乱れのある所ですが、材料に起因するため濃い目に着色して目立たなくするしかありません。



2008/12/26

塗装・電気回路組み込み

塗装作業に入る前に電源コードがとおる穴と電源スイッチを固定する穴を加工し底ブロックを本体に木工ボンドで接着しました。
塗装はポアステインで着色後水性サンディングシーラーを4回塗装し重ね塗りの前に極細目(#320-#600相当)のスポンジ研磨剤で研磨しています。 シーラー4回塗りは一般的なやり方ではありませんが、塗装面は木繊維の穴が沢山あり窪みや荒れも存在するのでそれらを埋めたり目立たなくするためにやっています。 常識的には木工パテで埋めることになりますが、そうすると着色が出来ないのでサンディングシーラーで代用しているわけです。 但しパテのような即効的充填力がないので塗り回数が増えます。

その後水性ウレタンニス艶消しクリヤーを2回塗りして塗装は終わりですが、それらの塗装の合間にも極細目(#320-#600相当)のスポンジ研磨剤で研磨しました。 これらスポンジ研磨剤は曲面の研磨には最適な材料です。
10時間以上寝かせて完全乾燥後、ランプブロックホルダーと電源スイッチをエポキシ接着剤で固定し電気回路を実装しました。 これで本体の加工は底板の固定を残すのみとなりました。

底のブロックに電源コードを通す穴をあけました。 方法は3φ木工ドリルで接近した穴を2個あけてヤスリで少し調整しただけです。 鉄工ドリルだと横滑りして上手く並んであけられないでしょう。

こちらは電源スイッチを固定する穴で設計時点よりも少し下にずらし、底面から17mmとしました。 これ以上下げると基板に当たる可能性があります。

電源スイッチは緩からずきつからず入ります。 そして先端はこのように出て追加加工無しにON-OFF-ONの作動ができます。

内側から見た様子はこんな具合です。 最終的には塗装後エポキシ接着剤で固着してしまいます。

スイッチと電源コードを挿し込んだ底ブロックを本体に載せました。 基板がない状態での感じです。

そして電源基板を載せました。 この角度で見るとなにやらスイッチと至近距離にあるようですが?

ご覧のとおり約5mm位の隙間があり、基板と接触する心配は全くありません。

電源コード側は余裕しゃくしゃくのようですが、この電源コードの下にヒューズホルダーが収まりますので、がらがらという感じにはならなくなるはずです。

本体最後の加工は放熱口の穴あけ。 5φの木工ドリルであけたのだがかなり柔らかいためきりっとした切り口に仕上がらない。 少々残念ではある。

そして塗装に入ったのだが最初は着色。 ポアステインのブルー色を水で2倍に薄め、ラックニス刷毛で2回着色した所。 この後研磨するので完全乾燥させないとならない。

水性ポアステインの塗装面は水を含んだ木繊維が毛羽立ってきますので、スポンジ研磨剤で表面を軽く研磨しざらつきを取ります。 そして更に2回着色しました。

下地塗装は水性サンディングシーラーを4回塗り。 これは一度目の塗装後ですがスポンジ研磨剤で研磨後次の塗装に進みます。

サンディングシーラーの塗装と研磨を4回繰り返した表面はかなりの艶が出て色味が濃くなって見えます。

その状態のクローズアップですが、光っている所の境界付近を見ると木繊維の穴がかなり埋まってきているのが判ります。

最後が水性ウレタンニス艶消しの塗装で、2回塗りして間にはスポンジ研磨剤で研磨しました。 面白いことに色味は少し明るくなりました。

そのクローズアップを見ると木繊維の穴はほぼ目立たなくなっており通常の目視距離では見えないと思います。

ランプホルダーはポアステインの白で着色し水性ウレタンニス艶消しクリヤー2回塗りで仕上げました。 これを本体トップにエポキシ接着剤で固定します。

そしてLEDランプブロックを仮固定し、LEDからの配線を底の方に通しました。

スイッチ電源コード周りと電源基板に配線を済まし電源基板を仮固定しました。

電源スイッチのクローズアップで、水平ポジションはOFFで、上に倒すとHigh(高輝度)、下に倒すとLow(低輝度)になります。


シェードの製作と完成まで

 シェードについてはクリスマス用テーブルランプと同様な考え方で、シェードの上下の丸い
 枠は太さ2mmの真鍮棒で作り、その周りに0.5mm厚PET板を円筒状に巻いて作ります。
 そしてその上に和紙を巻いて接着し汚れ防止に水性ウレタン透明クリヤーを塗りました。
 シェードを本体に固定するアーム部分は亜鉛メッキされた太さ1.5mmの針金を曲げ加工し
 ています。 この針金は比較的簡単に曲がりますが、シェード部分に大きな力が掛かると
 ぐしゃっと変形し、高価なLEDランプブロック破損を少なくしてくれる?! という効果を狙っ
 ています。 (どれだけ効果があるかは怪しげなんですが?)

 シェードの構造詳細は左の図をクリックしていただく
 として、材料は透明な0.5mm厚PET板です。
 これをフレームに巻いて固定した後に表面に和紙
 (障子紙)を貼りました。 和紙は巻き始めと巻き終
 わりを糊付けとし、その後に丸枠の部分を挟むよう
 に細く切ったテープ状の和紙を化粧・接着補強の目
 的で貼り付けました。 接着が乾燥後汚れ防止に
 水性ウレタンニス艶消しクリヤーに白のポアステイン
を2:1で混合したものを塗っています。 これは右の写真をクリックして見ると判りますが、
6種類の違った処方から得た結果により決めました。

正直言ってPET板の貼り付けは綺麗に出来ておらずまだまだ工夫・研究する余地がありますが、その上に和紙を貼るので上手くボロ隠しになり助かっています。 これで直視できないくらい明るいLEDの光は拡散されて柔らかくなりました。

最後に底の蓋を作って電源基板共々ネジ止めして完成です。 依頼されてから1年半近く掛かって出来たというあまり誉められた作品ではありませんが、それには「初めて!」という部分があちこちに存在し、それらをクリヤーし十分に信頼性のある実用品とするため、考えたり予備実験の部分が長大であったとお考え下さい。

2mmの真鍮棒と1.5mmの亜鉛メッキ鉄線で作ったシェードのフレームです。 接続はハンダ付けとしています。

丸枠の接続には内径2mmの真鍮パイプを使い、ハンダ付けしています。(左) またアームと丸枠の接続は0.3mmの銅線を巻きつけて一旦固定してその後全体をハンダ付けという方法で、アームの中心部分も同じ方法としました。(右)

アームの中心部には直径30mmの円盤を2.7mm厚合板で作りエポキシ接着剤をどっぷりと使って接着(というか埋め込んだと言った方が適切?)しました。

裏面には四角く切断した板を貼り付けこの板はLEDブロックの内部に入り横方向のずれを防止します。

中央のネジにナットを捻じ込み、シェード枠を装填した時にネットの面に30φの円盤とLEDブロックの間に僅かな隙間が出るよう調整して瞬間接着剤でナットを固定します。

シェードの枠を固定しましたが、僅かな隙間を作ったお陰でシェード枠に横方向の力を加えても、LEDブロックには容易に及ばなくなります。 この後フレーム部分を白いペイントで塗装しました。

シェードの筒部分を切断して丸めた所です。 真鍮の枠に固定するための耳が上下4箇所に付いています。

真鍮枠にはこのように爪の部分を曲げて固定し、接着剤(塩ビ用液状)を少し流し込み1時間放置しました。

合計8箇所の爪を内側に曲げて接着後、PET板の始めと終わり部分をクランプで挟み接着剤を流し込んで組立ては一応完成です。 その後真鍮枠とPET板の接触部分に瞬間接着剤を流し込み、筒とフレームを一体化しました。

思いつきなのですが障子紙をステイン(水で6倍ほどに薄めた物)で着色し、ミッキーマウスの形に切って4箇所に軽く貼り付けました。 簡単な方法ですが雰囲気ががらりと変わり柔らかくなります。

 その上に障子紙を幅180mm程に切断したものを巻きつけて、障子紙の始めと終わりの部分を接着剤(ボンドGPクリヤー)で固定しています。

障子紙のはみ出た部分を内側に巻きつけ接着剤(ボンドGPクリヤー)で貼り付けました。

枠の部分には障子紙で作った帯(2枚折り)を巻いて、透けて見える内側に貼り付けた部分の粗が見えにくくなるようにしました。

そのクローズアップ。 ちょっと雑な仕上がりですが、現在の私の技量ではせいいっぱいです。

底蓋には2mm厚PET板を使いました。 放熱の空気流入口として3φの穴を84個あけました。 この穴に金属棒を挿し込んでも100V関連の危険な部分には触れません。

足は本体底面より4mm突出しており、その隙間から空気が入ります。 底板の穴は直径27mmの大きな穴と等価ですので放熱効果は十分だと思います。

以上で完成です。 ミッキーマウスは構想段階では全く考えていなかった思いつきですが、簡単に出来てしかも喜ばれそうな感じがします。 本体のブルー色は大変美しく仕上がったと思います。 構想段階でのイメージにほぼ近いものに仕上がっています。

これは実際に点灯した写真で、左は高輝度モード、右は低輝度モードでの明るさの違いを表しています。 撮影はマニュアルとして同じ露出で撮っています。 スタンドの周りがかなり暗いですが、ミッキーマウスが潰れないよう露出を抑えたせいであり、実際に見た感じはもっと明るいです。

クリスマス用テーブルランプとの比較。 使用目的が違うので当たり前ですが、シェードを通過する光の量がこんなに違います。

またクリスマス用テーブルランプは本体が球状なので、下方向には光がブロックされて大きな影が出来てしまいます。

ぎりぎりでクリスマスに間に合いましたが、孫に見せるなり思いつきで入れたミッキーマウスのシルエットが大変気に入ったようで、早速自分で電源スイッチをパチンパチンといじって、点灯すると歓声を上げていました。 やれやれほっと一息!といったところです。

----- 完 -----


 
  
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