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LEDルーペの電源スイッチを改良

◆まえがき
以前フレキアーム付きのLEDルーペを作って便利に使っているのですが、その電源スイッチの調子が悪くて中途半端な明るさでしか光らないことが多くなってきました。

・LED照明付きルーペ
拡大
細かい物を見るのに重宝しています。スイッチはオルタネートのプッシュスイッチで、何度か操作を繰り返すと回復するのですが、毎回そんなことやってられません。

・全体の外観
LEDルーペ
LEDの数を増やしたりDCDCコンバーターを入れたりしているので、接点容量に対して電流が大きすぎなんでしょう。仕方が無いので、トランジスタスイッチを追加することにしました。

◆回路の検討
1) トランジスタで電源を制御
最初の回路図
実は最初はパワーFETでやってみたのですが、電池の電圧が下がると昇圧コンバーターを起動出来なくなってしまいました。Vgsが足らなくて充分にFETをONにすることが出来なくなるのだと思います。このライトは電池の残容量の最後まで吸い尽くしたいのでそれでは困ります。

そんなことで、上の回路図のようにバイポーラトランジスタを使うことにしました。

なお、1.8Vや2.5V駆動のパワーFETを使えば話は簡単だったのですが、手持ちがありませんでした。

GND側をコモンにしたい場合はPNPトランジスタをハイサイドに入れることになります。

2)パワーFETを併設
とりあえず1)項の回路で動いたのですが、Q1で電圧ロスが0.15Vくらい発生するのがちょっと勿体ないです。電源電圧2.8Vくらいまでは使いたいので、0.15Vのロスは痛いです。

そこで、以下のようにパワーFETを並列に入れてロスを減らすことにしました。
最終版
制御電圧を昇圧コンバーターの出力から持ってくれば7V以上確保出来るので、Q2のパワーFETを充分ONさせることが出来ます。(Q2は大容量のFETですが、ここは2Aクラスで4.5V駆動のFETなら何でも使えるはずです)

電源ONの瞬間は昇圧コンバータは動作していないので入力電圧がそのまま出力されています。その電圧を使ってまずはQ1をONにしてコンバーターを起動。コンバーターが動けば7.2Vまで電圧が上がるので、その電圧でQ2をONにしてスイッチ抵抗を下げるという仕掛けです。Q2を入れた効果で電圧ドロップ(ロス)は5mVくらいまで下げることが出来ました。

・実装の状態
配線
隙間に回路を押し込みました。

◆まとめ
これで快調に使えるようになりました。スイッチの接点清掃などはやっていないので、ON抵抗は例えば1kΩとかになっているのでしょうが、トランジスタを入れた効果で快調に使えるようになりました。

本文中にちょっと触れましたが、2.5Vか1.8V駆動のパワーFETを使えばこんなにややこしい回路にしなくても良くなります。最近のマイコンのIO電圧は3.3Vの物が多いので、駆動電圧が低いパワーFETをストックしておくのも良さそうです。

ダイソーの30SMD LED自撮りライトを改造(電池切れ対策)

◆まえがき
ダイソーの自撮りライト(セルフィ― ライト)を買ったのですが、あまり使っていないのに数日で電池切れになってしまいました。調べてみると、OFFにしているのに電池から結構な電流が流れ続けていました。クレームを入れて返金してもらえば良いのでしょうが、ライト自体は良く出来ているので、自分で改造して使えるようにすることにしました。

以下はその顛末です。

◆外観
ダイソーの30SMD LED 自撮りライト
画像はダイソーのネットストアから転載。この商品のページ→ https://jp.daisonet.com/products/4972822710459
(販売終了などの理由で削除される可能性があると思います)
スマホにクリップオンして使える電池式のリングライトで値段は何と220円です。

・購入した個体
ダイソーの30LED自撮りライト
パッケージはすぐに捨ててしまったのでロット番号などは不明です。

◆電池の消費電流
内蔵の単四電池で光らせていて、プッシュスイッチで電源のON/OFFと光量調整が出来るようになっています。その消費電流を測定すると、
・消灯時 17.3mA
・点灯時 LOW:60mA、MID:150mA, HIGH:225mA

点灯時の電流は常識的な値ですが、消灯時でも17.3mAも流れていました。単四電池の容量が仮に1200mAhあるとすると、69時間で空になってしまうことになります。確かにそれくらい経ったら電池切れで光らなくなったので話は合います。

使う時だけ電池を入れればこの問題は回避できますが、そんなことやってられません。更に、電池を抜き忘れると液漏れの可能性が高くなるので、とてもこのままでは使う気がしません。

◆内部調査
原因調査のために中を開けてみました。
・内部
分解

・基板
制御回路
昇圧コンバーターが入っていると思っていたらコイルがありません。ということは、電池電圧の3Vで直接LEDを点灯させているようです。

・回路図
ダイソーの30LED自撮りライト、回路図
Q2のFETを使ってLEDをPWMで点灯させる回路です。
Q1のPin-1に接続したスイッチで電源ON/OFFと明るさを指定するようになっています
オシロで調べるとPWMの周期は1kHzで点灯のデューティ比は、LOW:20%、MID:60%, HIGH:100%でした。
PWMの周波数が1kHzなので1/4000秒とかの高速シャッターで撮影すると問題が起きそうですが、そういうカメラを使う人はこんな安物の照明は使わないから大丈夫なんでしょう。

とにかく、電源OFF状態でもQ1の消費電流が異常に多いのが今回の問題の原因のようです。

◆対策
私の使い方だと明るさ調整は不要でフルパワーで光るだけで良いので、制御基板は撤去してメカニカルな電源スイッチに交換することにしました。簡単な回路なので回路図は掲載しません。

・改造後
改造後
プッシュスイッチの穴を少し拡大して、小型のスナップスイッチを電源スイッチとして取り付けました。

・スイッチの外観
電源スイッチ改造後
スナップスイッチは物が当たると動くことがあるので、カバンなどに入れて持ち運ぶ場合などはスライドスイッチにしておいた方が良いです。(工作が面倒になるので止めました)

改造したついでに半月形の開口部を少し拡大して、デジカメのレンズの先を通せるようにしました。実は、以前デジカメ用のリングライトを作ったのですが、使い難くてほとんど使っていませんでした。今回改造したライトは電池を内蔵しているので使い易く、明るいのでこっちの方が便利に使えそうです。

◆まとめ
これで電池の消耗は無くなったので安心して使えます。直結にしたので光量の調整は出来なくなりましたが、もっぱら物撮りに使うので最大光量で光れば問題はありません。

制御基板があった時は電池電圧が下がると全く点灯しなくなっていましたが、LEDを直結にしたので「へたった電池」でもある程度は光るようになりました。何か良いことがあるかも知れません。

個体(ロット?)によっては電源OFF時の消費電流が大きいという問題が無い物もあるようです。そのあたりは下記の関連ツイートご覧ください。

◆関連ツイート
TOMOさんの個体も16.37mA。yasさんのは0.3μA
https://twitter.com/radiopench1/status/1624538019385724928
yasさんのは違うICが載ってる
https://twitter.com/radiopench1/status/1624583870954995715
改造後
https://twitter.com/radiopench1/status/1624958366778007553

Arduinoで作る132LEDクリスマスツリー

◆まえがき
クリスマスが近付いてきたのでここ数年の定番になっている、LEDクリスマスツリーの改造作業を行いました。具体的には去年は72LEDだったのを132LEDに増強しました。なお、使っているCPUはArduino NANOで、LEDの点灯はチャーリープレクシングで行っています。

このツリーに関しては過去記事がいっぱいありますが、主なものは下記です。
Arduinoを使った72LEDクリスマスツリー(操作解説編) (72LEDバージョン)
Arduinoで作るクリスマスツリー LEDイルミネーション(ハード製作編)(56LEDバージョン)

◆改造内容
去年作った物は16ビットのイメージメモリーで表現できるサイズの制約から72LEDになっていましたが、今年はそこを32ビット化して上限を上げてやりました。イメージメモリの幅を拡大するためにはプログラムの変更箇所が大量に発生するのですが、地道にやることにしました。

◆回路図(クリックで別窓に拡大)
132LEDツリーの回路図
チャーリープレクシングで点灯させる回路になっています。左下のCPUはミニマムの配線で点灯させる場合の配線です。照度コントロールをやりたい場合は右上に示す回路を使います。

◆外観
132LEDツリー
高さは16cmくらいです。

◆実装
・ブレッドボードとツリー
132LEDツリー
ブレッドボードの上に差し込む形にしました。

・ブレッドボード
ブラッドボード
半固定抵抗による明るさ調整と、リセットボタン(表示延長ボタン)を付けた状態です。(回路図の右上のCPUの状態)

ミニマムの配線で済ませたいならこれらの部品は不要で、A0の信号をツリーのコネクタに接続する配線を1本だけ行えば動きます。(その場合、明るさはソフトのパラメーターで設定)

・ツリーの部品
ツリーの部品
11層構造になっていて、最上部のLEDは2個(ここだけ緑)。以下2個づつ増えて一番下には22個のLEDがあります。なお、この写真の下の3枚を今回追加で製作しました。

製作方法は、過去の記事の、こことかここなど、が参考になると思います。配線は判り易いので比較的簡単ですが、アクリル板をこのような形に切り出すのが大変です。アクリルをレーザーカットすれば端面も光沢面に仕上がると思うのですが、どなたかやりませんか?あるいは配線も含めてプリント基板にするのも良さそうです。私は何の権利も主張しないので売って頂いても構いません。

◆ソフト
Arduinoのスケッチです。Arduino IDE でコンパイルしています。
20221124_132LED_XmasTreeDeverop.ino

1300行以上ありますが、ビット処理の固まりのようなプログラムになっていて難しいことはやってません。3年かけて増築を繰り返してきたので汚いコードになっていますがご容赦を。なお、プログラムの解説は過去記事にあるのでそちらを参照下さい。

コンパイル後のサイズは30kBを超えていて、ATmega328Pに入るほぼ上限のサイズになっています。
LEDの数が増えたので電光掲示板の文字が読み易くなったと思います。実は座標変換して円錐の表面に文字を貼り付けたかったのですが、メモリー不足でそこまでは出来ませんでした。

◆動画
YouTube

◆まとめ
やっぱり大きなツリーは綺麗です。処理を32ビット化したのでサイズの制限がほぼ無くなって表現力が上がりました。

ArduinoのUNOやNANOで動かすことを考えると、あと3ピン(A1, A2, A3)が残っています。これらも使うと合計で15ピンで、チャーリープレクシングなら15x14で210LEDの表示が可能になります。来年やって見るのも悪くは無さそうです。ただコードをスリム化しないとプログラムが収まらない可能性が大です。

ただ、このスタイルのまま規模を拡大していくのは力業すぎて、頭悪るそうな感じもしなくはありません。沢山のLEDを光らせたいならもっと高級なインターフェイスのLEDを使うのが正しいアプローチである気もします。ただコストはかかりそうなので悩ましいところです。
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