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LEDライトのなかみを見てみる

LEDライト

 LEDライトを買ってしまった。貯金箱を作るって言うから、ライトを付けたいとか電子オルゴールが良いとかいろいろ言ってるので手が出てしまった。オルゴールと並列で使えるように電池1本で灯るLEDライト。

 結局、工作はアナログなベルがチリンと鳴るしかけにしちゃったみたい。

LEDライト

 いつものように分解してみたら、出来はなかなか良い。スイッチがプッシュボタンになったし、ICが表面実装タイプになっている。電池ボックスもねじ込み式だしこれで100円って良いんじゃない?

 進化は、分解しくにくくなっている。ネジひとつも無いんだから。その分組み立て工賃が下がるんだろうね。

 LEDも5mmのドーム型。より小さくなっている。

 

 回路はおなじみのジュールシーフ。パーツで小さくならないのはインダクタぐらい。ICは小さくなったので表記が読めない。

 白線が+極、LEDの足が=極。

 

 


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またもやLED懐中電灯を買ってきました。

LED懐中電灯

 買ってきたのはコレ。100均の、単三1本で点灯するタイプの仲間で、単三3本を使う大きめの方。使っているLEDの規格が分からないので、3本タイプで調べてみようと思ったのがきっかけ。

LED懐中電灯

 思った通り、単三1本タイプと同じ(らしい)LEDを使っている。他には、10Ωの電流制限抵抗が1本。至ってシンプルな回路。電流制限抵抗は、電池3本で4.5V超の電圧がかかるので、白色LEDの動作範囲の3.3V付近まで下げて電流を抑えるための抵抗。

 NETで分解記事を見ていると、この電流制限抵抗が今回のよりも低い6Ω程度のものが使われていて、2回目からは明るさが落ちるんだそう。どうやらオーバードライブをやっているみたいで、LEDが焼けて性能が落ちてしまうみたい。

LED懐中電灯
 で、電池を入れて測定してみた。乾電池3本で4.42V。

 10Ωの抵抗の両端の電圧を計ってみると、写真のとおり。ってことは、「E=IR」で「I=E/R」だから110mAも流れている。

 これでLEDの両端の電圧は3.3Vあたりになっている。この様子だと、焼けて明るさが急に落ちていくってことはなさそう。

 

 ってことは、この大きな口径のLEDは100mAほど流してやらなくてはいけない素子のようだ。

 


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エネルギー泥棒って名前の、回路が入っているんです

LED懐中電灯

 砲弾型よりも直径の大きなLEDです。これは、100均の懐中電灯。

LED懐中電灯LED懐中電灯LED基板

 ねじ止めは1か所という省力設計で作られているので、簡単にバラせます。注目は、単三電池1本で点灯すること。

 白色LEDは3V程度の電圧がないと点灯しません。なのに1.5Vで点灯しているのはこの3本足のトランジスタに見えるICと緑色のインダクタ(コイル)からなる回路のおかげ。この回路、ジュールシーフと言ってエネルギー泥棒って名前がついてるんです。その名のとおり、終止電圧を迎えた使用済の乾電池でもしばらくは点灯してくれます。

 

 ジュールシーフ回路

 スイッチ部分にYX8115ってICが入ります。このスイッチ、1秒に数万回入れたり切ったりするICなのです。

 スイッチが入ると、コイルが電磁石になります。すぐにスイッチが切られるので、電磁石は逆方向の電圧を発生させます。電池電圧にコイルが発生させた電圧が加えられてLEDに流れるのです。

 こんなに簡単な回路で、乾電池の電圧を倍にして白色LEDを点灯させているのです。

 

 白色や青色LEDは、2.5V程度から電流が流れ始めます。3.3Vあたりで適正な電流値になります。3.5Vを超えるとLEDが壊れる位の電流が流れ破壊されてしまいます。電流値を20mAあたりにしておかなければならないという実に使いにくい素子なのです。その点、この1秒に数万回というピークで点灯させると、もうちょっと無理がきくのです。

 

 3年生の電気の学習で、電気を通すものと電気を通さないものに分けます。実はこれには無理があるのです。人間の体はどっちでしょうね? 立木の下で雨宿りをしていたら立木に落ちた雷の側雷を受けて死亡したという事件がありました。立木も、人間も電気が流れたのです。

 電気をよく通す導体と、電気を通しにくい絶縁体と呼ぶのが正しいのでしょう。そしてその間に抵抗体、インダクタ、コンデンサ、そしてややこしい性質の半導体があるのです。これらは、鉛筆の芯のように電圧が上がればより電流が多くながれるような素直な抵抗体。直流は通すが高周波になると通しにくいインダクタ(コイル)。直流は通さないが交流は通るコンデンサ(キャパシタ)。そして、このLEDのように順方向にある程度の電圧から電流を通し、逆方向には電流を通さないという偏屈ないわゆる半導体に分けられます。

 6年生でLEDやコンデンサを使いますが、赤色LEDなどは、順方向には1.8V程度から点灯し、2.5Vを超えると限界を超える電流が流れるので危ない、逆方向に5Vを超えると破壊されるなんて特性を知らずに使うわけで、実験には良い教材なのかどうか迷うところです。高校生でも難しかったんだから。

 

 孫娘が二階建てのドールハウスをこつこつと作っていて「1階が暗いから電器をつけてほしい、スイッチも」って言ってきた。そんなときに便利なのがこの100均懐中電灯。日本橋までこんなLEDを買いに行ったら100円では済まない。適当な電器のシェードになりそうな透明の容器にこの基板を入れて、ドールハウスの天井に両面テープで止めておきました。この懐中電灯、スイッチまでついているんですから簡単なことで。

 

<発電と電気の利用><電気で明かりをつけよう><電磁石のはたらき><電気のはたらき>


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乾電池残量計 その10

乾電池残量計
 自記温度計は乾電池のフタが壊れていて、誤魔化しながら使っている。昨年使っていた乾電池をはめてフタをすると、一瞬動作ランプが灯った。しかし、灯ったのはその一瞬だけだった。
 そこで、テスターで当たってみた。電圧は1.4Vある。
 乾電池残量計にはめてみると、メーターの針は全く振れない。
乾電池残量計
 単一ケースに単二電池を入れる都合でどこか接触が悪いのかと疑いながら、乾電池残量計にはめた状態で電圧を計ってみた。0.6Vしか出ていない。終止電圧以下なので、もう空っぽと言って良い。
乾電池残量計
 どれくらいの電流が取れているのかに興味があったので、乾電池残量計にはめた状態での電流を計ってみた。たったの5mAしか流せていない。
 開放時は1.4Vあっても、負荷を繋ぐと0.6V、5mAになってしまうほど内部抵抗が大きくなっていて、0.8Vほどを乾電池内部の抵抗が取ってしまうということだ。
 
 これがほぼ空っぽになった乾電池の残量の状態。
 開放状態で電圧を計っただけでは、残量ってのはまったく分からないということなのだ。使用状態に近い電流を取り出しながらの電圧を参考にどれぐらい残っているかを判断しなきゃならないってことだ。
 
 手作りの乾電池残量計が役に立つんだと思いながら、新品の乾電池に入れ替えた。

【過去記事へ】 「乾電池残量計」の記事をまとめて読みたい
 

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乾電池残量計 その9

乾電池残量計
 気になっていた乾電池残量計の006P電池の動作を、電源装置につないでテストしてみた。
 結果は、針がほとんど振れない終止電圧が6V。
 赤色LED4個の順方向電圧の合計は普通は7Vあたりだが、メーター方向へは微小な電流なので5つのダイオードの電圧降下を合わせても6V付近になっている。電圧降下が大体望んだあたりに収まっているので、終止電圧の6Vでメーターの針が振れなくなっている。
 メーターが振れない、ってのが、「もうダメ」って分かりやすいので満足。
乾電池残量計
 ぼちぼち終わりって指針が、およそ7V。
 過去記事を掘り起こさなくても良いように、006P部分の回路図を再掲。
乾電池残量計

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ヘッドランプをLED化してみる

ヘッドランプ
 古いものです。Nationalブランドですから。登山などで使うヘッドランプです。
 不思議なことに、単三電池を4本入れているものの直列並列接続で2本分の3Vの豆電球を灯すもの。4本同時に入れ替えるのならいいけど、新旧取り混ぜると、古い方が液漏れしそう。開けてみると、案の定、液漏れのあとが完全に乾いている。
 
 これを、電池直列2本に減らして、空いたスペースに回路を組んで、LEDランプにしようと考えた。少なくとも300mAは食う豆電球をLED化すると20mA~100mAに減るので、乾電池を半分に減らして、回路が少々食ったとしても数倍長持ちするはず。
headlight
 回路として持ってきたのは、単三電池2本で灯すイルミネーション。点滅もなにもしないのが好都合なので電池端子のバネなどを取り外した。出てきた基板は昇圧回路らしく、IC、インダクタ、ダイオードが1個ずつ乗っている。これで乾電池が減っても10個のLEDを明るく灯そうとしているみたい。これなら、高輝度の電流を少々食うLEDを接続してもOKだ。
回路電圧
 イルミネーションについていたLEDを3個、豆電球のソケットにハンダ付けしたが、暗いし、嵌りにくいし、足が短くてやりにくいし、3個も入れると光の方向が定まらない。そこで、乾電池1本のLED懐中電灯をばらして、そのLEDを使うことにした。直径約8mmの大きなLEDで、豆電球より少々直径が小さい。基板から外しにくいので、基板の不要な部分を切り取って、豆電球の口金にハンダ付けした。
headlightheadlightheadlight
 イルミネーションのLED3個よりも、実用に耐える明るさになり照らし具合もきれいになった。電球色から白色になったので余計にそう感じる。
headlightheadlight
 頭に着けても軽くて、長持ちするようになったヘッドランプ。スイッチ周りなど操作性は今までのまま。交換用豆電球を収納する場所があったが、LEDは玉切れしないのでその必要はない。
 望みのLEDを日本橋まで買いに行ってもいいが、100均の電灯から部品を取れば電車賃の分は安くあがる。これだけのパーツを組み込んで販売店の利益も見ると、作ってる中国はいくらで納めているんだろう。買いに行くより安くでパーツが手に入る100均はありがたい存在。
 
 こんなに無理してLED化しなくても、今どきは、LED部分だけを好きなところに着け、電池部分は腰などに安定して着けられるセパレートの便利で軽いのが出ている。が、古いヘッドランプが実用可能にLED可したというのはちょっとしたエコだろう。。

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つい、作っちゃいました その2 <発電と電気の利用>

点灯回路
 三角タップのLED表示灯の電圧を下げる回路に抵抗を使っていたのを改造しました。LEDなつめ球をばらして小さなコンデンサが手に入ったからです。小さすぎるのと、大陸製の器具から取ったパーツなので、耐圧は大丈夫かいな?と疑問は残るのですが。
点灯回路
 点灯させてみるとこんな感じ。写真にすると片方しか灯っていないように見えちゃう。
点灯回路
 回路はコレ。コンデンサと並列に入っている抵抗は、電源を切ったときにコンデンサに溜まっている電気を逃がすためのもの。直列に入っている390Ωは、電源を入れた時の突入電流を緩和するための抵抗。
 コンデンサは、抵抗のように発熱しない。その容量によってLEDにかかる電圧をさげてくれる。60Hzならばどれだけの抵抗に相当するかという計算をして求めることが出来るが、なつめ球で使われていたとおり流用した。。
 これで、プラスチックのケース内で灯っていても安心できそう。
 


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乾電池残量計 その8

回路電圧回路電圧
 ほぼ終止電圧になった単三の乾電池があったので、乾電池残量計にはめて、回路の各部の電圧を計ってみた。
 左端は、テスターで約1Vのもうダメになった電池。メーターの指針は、動いたような動いていないような感じなので一応「−∞」としておいた。
 中ほどは、テスターでは1.2Vある電池。デジカメにはとてもとても無理なレベル。残量計ではちょいと振れる程度でVUメータの目盛りで読むとだいたい「−10dB」。
 比較対象として、新品の電池も計ってみた。これはフルスケールの「+3dB」
 表には、他の回路の干渉防止のために負荷用抵抗の前後に入れているダイオードによる電圧降下の合計値を計算しておいた。新品で1.2Vほど、もうダメ電池で0.9Vほどダイオードが電圧を食っている。
 流れる電流が減ると、ダイオードの順方向電圧降下が少なくはなるものの、2本の合計で乾電池の終止電圧の0.9Vほどを食ってくれているのがうれしい。同じ回路を組んでも、ダイオードの特性によって順方向電圧降下の値は違ってくるため、同じようにはいかないと思う。
 
 さて、これでこの乾電池残量計は、1.6Vでフルスケール、0.9Vで針が振れなくなるって道具だってことが分かった。こんなアナログの電流計を使った試験器では、どうしても電圧があると針が振れてしまうのだが、0.9V以下では振れないってのが良い。2本のダイオード様サマだ。
乾電池残量計
 あとは、006Pや3V電池の回路にダイオードとして使っているLEDはどんな特性を出してくれるのかが興味があるが、可変電源はないし、減った3Vや9Vの電池がないのでまたの楽しみにしておこう。
 コレを書いていて気が付いた。負荷抵抗の両端の電圧からすると負荷電流が最初に思ったのより少なくなっているはず。干渉防止のためにダイオードを挟んだせいだ。ためしに計ってみると250mAを目論んでいた単一の回路で90mAしか流れていない。負荷抵抗の値をもっと小さくしなければ。
 
 終止電圧の0.9Vになったもうダメ電池でも、大陸製の単三電池1本で白色LEDを灯すという昇圧回路の入った100均の懐中電灯では使える。少々、暗いが。
 これを流用して、もうダメ電池の残りエネルギーを取り出してコンデンサにでも貯めておいて使うなんて機器を作ると良いかも。ただ、最後の最後まで電池からエネルギーを搾り取った後は、液漏れの心配があるのでそれをどうするかが問題だ。
回路電圧回路電圧
 その電池1本の昇圧懐中電灯でほぼ消えるまで乾電池を消耗させてみた。照らすことは出来ないが灯っている状態。これで電圧を残量計にはめて計ってみると0.82Vある。もちろん残量計の針は微動だにしない。開放で計ってみると0.87Vだ。電圧を計ったのでは電池の残量は分からないということだ。
回路電圧
 ひと晩放置しておくと1.02Vに戻っているので、昇圧懐中電灯にはめると、暗めだがまた明るく灯る。懐中電灯での動作電圧は0.76Vだった。しばらく待つとすぐに暗くなってしまう。終止電圧って、そういうことなんだな。
 乾電池の内部は化学変化なので、徐々にだが電圧は復活してくるのだ。その復活のしかたがだんだんと遅くなるし、内部抵抗が大きくなって、持久力がなく明るさがすぐに落ちてしまう。何だか動物の老化に似てる気がする。

 おいぼれ乾電池1本でよく遊べたこと…。こんな「ホントに無くなるまで使ってみたらどうなるだろ」なんて疑問、好奇心が理科のベースなんじゃないですか?
 

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乾電池残量計 その7

乾電池残量計
 どうも9Vの006P電池の残量を計る時に、ボタン電池のマイナス端子に当たるのが気になる。測定上は問題ないのだが、やがてマイナス端子のトラブルが起きそうな気がするからだ。だいたい、このラグ端子がむき出しの電池ボックスだから仕方ないのだが、2mmほどで良いから遠ざけたい。
 しかし、ナベ頭のビスを打ち込んでしまっている。これをちょいとずらすと、元の穴が丸見えになってしまう。仕方がない、基板を刻んで端子板を作ってそれで隠そうと考えた。ブランクの基板の切れ端を刻んで、+極と−極のランドを作り、間にテーププリンタのシールを貼る部分の銅箔を剥がした。
 出来上がりがこの写真。ボタン電池の端子から5mmほど隙間を取ることができた。基板にしたら、ネジ頭から少々ズレて押し当ててもOKなところが良い。また、ネジ1本しか止めていない単三電池ボックスがズレにくくなったのも良い。
 裸の銅箔なので、錆びて来たらマズイなぁ。ハンダメッキでもしておけば良かったのだが。水やらアンモニアから遠ざけておかなくては。
乾電池残量計
 デジカメの電池がBatteryLowになったので、残量計にはめてみた。するとちょうど赤と緑の境目(0dBの位置)にきた。そこで、テスターで電圧を当たってみた。
 デジカメなど電子機器では無理でも、LED電灯などではまだ使えるが、長くは使えないレベルって言えそう。
乾電池残量計
 とても古いが小さなポリプロピレン製の釘ケースを見つけた。合わせてみるとコイン電池の基板と同じような幅。カッターナイフで切って、コイン電池基板の電極の保護をする塀のようなものを作って取り付けた。どうも、見えない所に設置したので、ぶつけそうで気になっていたが、これで電極をへしゃげさせてしまうことは減るだろう。
 乾電池残量計
 回路内にテスターを入れて、各部品ごとの電圧を計ってみた。
 開放で1.6Vの新品の単一電池で、メーターはフルスケール振れている状態だった。ダイオードで、合計1.2Vほど電圧を食っている。一つ目のダイオードは古いデバイスなので今どきのダイオードより順方向の電圧降下が大きい。二つ目のダイオードは電流が少ない回路なので順方向電圧降下が少ない。
 古い電池になるとこの値も変わってくるだろうと思って、開放で1.364Vの単二乾電池で調べてみたのが青字でのデータ。メーターはVUの目盛りで-6dB付近を指している。ダイオードの電圧の食い方の合計が少々減って1.17V程度。
 この分で行くと終始電圧の0.9Vのちょっと前あたりで振れなくなるんじゃないだろうか。ちょうどよさそうな電池がないし、可変電源装置も持ってないので詳しくはわからんが。
 
 まぁ、古いメーターから始まった電池残量計。結局、新しく買ったのは電池ボックス3つだけで、あとはデッドストックのパーツ類だけで作ってしまった。これで終わり、って何度も思いながら、長いスレッドになったこと。
乾電池残量計
 メーター指針と電圧の関係を画像で残しておく。

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乾電池残量計 その6

 宝箱の不要物を分解していると、コイン電池を使ったモノが出てきた。3Vのコイン電池だ。欲しいのは、その電極。リン青銅にニッケルメッキがしてある、しっかりとしたバネの電極。ハンダ鏝で基板から取り外す。そして、新しい基板を切り出して、+極、ー極のランドを作って、その間の電池が当たりそうな所の銅箔を剥がして、絶縁部分を大きくとったパターンにする。そして電極をハンダ付け。
乾電池残量計乾電池残量計
 ビス穴をあけてケースに取り付ける。内部の回路は、ダイオードとLED1個の回路にした。多分これでダイオードたちが2Vほど食ってくれるはず。試しに新品の1.5Vの電池を繋いでみたがピリとも振れない。3Vのコイン電池なら針が振れてくれる。フルスケールになるように可変抵抗の値をカットアンドトライで見つけ出してこの回路は完成。
 
 あとは、メーターを固定するためにテスターリードのターミナルを付けたが、用途が決まっていない。とりあえず、単一の回路に接続しておいた。単五、単六なんて電池を調べたい時に役立つかも。しかし、負荷電流が多すぎるか。そんな機会があるのなら、ボタン電池の回路に切り替えればいいか。
乾電池残量計
 これ以上は、詰め込む機能は場所的にない、と、試運転をすると、006Pが全然振れない。おかしいな、とミノムシクリップとテスターリードでその回路の部品を一つずつ当たっていく。どうやら、LEDが一つ導通がなくなっているのが分かった。仕方がない、取り換え。前のLEDを取り外そうとハンダ鏝を当てたら、こんなになっていた。ICソケットから基板にLEDを移動させる時に、せせこましい所でちょっとLEDの足に熱を加えすぎたらしい。LEDを交換すると元どおり針が振れるようになった。
乾電池残量計 最終的な回路図は、コレ。同じ回路の繰り返しばかり。
 今なら、小さなコンピュータを入れて、基準電圧との差で「新品」「使いかけ」「使い終わり」なんて表示をさせるところだろう。でもそれじゃ、マイコンを駆動するための電源が必要になる。
 昔ながらのムービングコイルの電流計を利用して、回路はまったくダイオードの性能に頼った、電源不要のパッシブな回路。「使える」「使えない」をアナログで判断するならこんなもんでもいいんじゃない?
乾電池残量計




 

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最終更新日: 2020/04/02

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