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新年あけましておめでとうございます

 新年あけましておめでとうございます、今年が良い年になりますように。

2018年正月
 お正月なのに、散らかっていてすません。

 どんな仕掛けになっているかは、このブログの読者の方なら説明はいらないでしょう。明るさにムラがあるのは、LEDが2個(以上)並列になっている場所があるためです。

▼メイキング中
メイキング
 上段に2018、下段に正月と書こうと思ったのですが、挫折して分解しているところです。この時点では光らせるつもりはありませんでした。

 この写真に写っているLEDがいっぱい入ったケースは、Aliexpress で買った LEDの詰め合わせセットです。

▼375ピースLED詰め合わせセット (この商品のAliExpressのページ)
Aliexpress LED set 375ピース
 5色入りで、各色3ミリ×50個 5ミリ×25個、合計375個入りのケース付きで送料込み $5.77 です。超高輝度とかの物ではないと思いますが、持っていれば便利かなと思って買っておいた物です。じっくり探せばもっと安いショップがあるかもしれませんが、とにかくLEDは安くなりました。

 ということで、今年も電子工作を中心に記事を書いて行きたいと思います。皆様本年もよろしくお願い致します。

(コラム) ざんに ちーろんぱー(32768)はキリの良い数字

 アクアリウムライトの照度を測っていたら、面白い現象に出くわしました。

▼ライトの照度測定
アクアライトの照度測定
 中華なLEDは長時間使うと光量低下することがあるらしいので、現在の照度を確認しているところです。10cm離れて9748ルクスでした。こうやって初期値を測っておくと、後でLEDが劣化したかどうかが判り易くなるはずです。

 本物の照度計は持っていないので、写真のようにタブレットのアプリ(GPS status)が表示する照度の値を使いました。太陽の直射光を測定するには十万ルクスくらいまで測れた方が良いらしいので、この照度計で測定出来る上限の値を調べてみました。ライトを照度計に近づければ照度はどんどん上がり、ついには上限に張り付きました。その値は、

▼上限は32768ルクス
32768ルクス
 十万ルクスまでは測れないようです。まあこれくらいまで測れればアクアリウムライトの測定には問題無いはずです。 

 ここからがこの記事の本題です。32768とはずいぶん半端な数字ですが、これを見てピンと来た人が何パーセントかいるはずです。このブログの読者なら、そのパーセンテージは世の中の平均よりたぶん高いと思います。32768は 2 の 15乗で、2進で表すと 0b1000000000000000 とすごくキリの良い値です。

 照度計がなぜこういう値を示したか、その理由を考えてみます。

 まずは、プログラムの中では照度を16ビットの符号付き整数 (uint16_t) で扱っているのか、と考えそうになります。でもちょっと待ってください、uint16_t で表現出来るのは -32768 から +32767 までで、+32768は範囲外です。内部では負数で扱って、表示する時に符号を外している可能性がありますが、なんだか不自然です。となるとなぜ 32768という値が表示されたのか、そのロジックが気になります。表示する照度の値の上限は 32767までで、オーバーフローした場合は 32768を表示する、なんて仕様もあるかも知れません。でも、これはちょっと苦しいか、

 ところで、ここまでの話は、明るさを 1ルクス単位で量子化した、と仮定しています。つまり 1 LSB = 1 ルクスです。もしそうなら、明るさをどんど小さくすると表示は 3、2、1、0 と変わっていくはずです。ならば、実際にどうなっているか調べてみました。仮説を証明(支持)する結果を予測し、実際に確認することは重要です。

▼最小表示
0.1ルクス
 照度が下がると、何と最小桁が 0.1 ルクス単位に変わり、最小値は 0.1 ルクスでした orz。(真っ暗にすると0ルクスになります)

 この結果を見ると、照度計の内部では符号付き16ビットで処理しているのではなかろうか、という議論は意味が無かったことになります。何度も測って平均を取って分解能を上げているという可能性もありますが、実際はどうなっているのでしょう。

 ということで、推理はぐだぐだになってしまいました。

 気を取り直して、ストーリーをもう一度考えてみます。

 照度センサーは整数か浮動小数点だか判らないですが、何らかの数値を送っているはずです。ダイナミックレンジを稼ぐために対数圧縮しているのかも知れません。ともかく、画面表示にはその数値をルクスに変換しないといけません。その時使われる換算式は、センサーの最大値が返ってきた時は、照度は32768ルクスとなるように作られている。

 こんなことでは無いかと想像しました。

 フルスケールの値としてなぜ 32768 を使っているかは依然謎ですが、たぶん 2の 15乗というキリの良い値にしたということだと思います。

◆まとめ
 二進数を習った時に、「にー」、「よん」、「ぱー」、「いちろく」、「ざんに」、「ろくよん」、、と覚えたと思います。こういう主系列の中間(1.5倍)の値として、「いっくに」(192)、「ざんぱーすー」(384)、「ちーろんぱー」(768) などがあり、私は詳しくありませんが、マージャンの点数計算にも出てきたと思います。

 今回の 32768は、おなじみの、「ざんに」 と 「ちーろんぱー」 が同時に出てくる訳で、桁数が多いにもかかわらず覚えやすくて、さらにキリの良い数字です。覚えておくと良いと思います。

 電子工作をやっていると 32768という数値は時々出てきます。時計の水晶の周波数が 32.768kHzなのは有名な話です。

 あと検索してみると、ねとらぼの記事に 32768両編成だと……? 京王線の電光掲示板に表示された長すぎる電車が話題になんてのがありました。この記事には明快な推定理由が書かれています。ともかくこういうマジックナンバーが出た時は何か理由があります。

 てなことで、ちょっとした小話をコラムとしてまとめてみました。

ダイソーのLED電球を使ったアクアリウムライトの放熱強化

 Arduino を使ったアクアリウム照明コントローラーは快調に動いていますが、LEDランプの温度上昇が激しいという問題があります。そのあたりの話は以前の記事にも書きましたが、熱電対を使ってLEDの裏側の基板表面温度を測ると、100℃近くあります。これではLEDの寿命に悪いです。それに、もし基板が徐々に炭化していくと、発火の恐れすらあります。留守にしている最中でも点灯させておくものなので、ちょっとでも不安があったら対策しないといけません。

 そんなことを考えて、これまではプログラムで照明の明るさを制限していました。でも、水草の健康のためにはもっと強い光を当てた方が良さそうなので、ランプの放熱を強化して光量を上げてやることにしました。

▼改造前のライト
ダイソーのUSB電球で照明
 ダイソーのUSB給電のLED電球のフードを外したものです。

▼LED基板
ダイソーのUSB電球
 通気口が開けられていますが、この程度ではたいした効果は無いようでLEDの温度上昇が激しいです。あと、LEDの放熱も兼ねている端子が電流制限抵抗に接続されていて、基板パターンを使った放熱がほとんど期待できない構造になっています。これ、熱的には良くない設計だと思います。電流制限抵抗も発熱する訳で、放熱のことを考えたら、ここは面積の大きなベタパターンに接続すべきでしょう。極性が変わるかも知れませんが、それは配線でどうにでもなります。ちなみに、部品や構造はかなり違いますがワッツのUSB電球はそうなっています。

 そういう不満はあるのですが、LEDの打ち換えまでは出来ないので、この配線のままで放熱を強化することにしました。

▼基板を加工して銅リングを取り付け
銅リングを取り付け
 風通しを良くするために、基板の周辺を3カ所大きく切り欠き、中央に大きな穴を開けます。さらに、φ1.6mmの銅線で作ったリングを外側と内側にはんだ付けします。銅のリングに熱を集めると共に、均熱化を図ろうという狙いです。

▼放熱板をはんだ付け
ヒートシンク用に銅板取り付け中
 銅リングに厚さ 0.5mm の銅板をはんだ付けして放熱フィンにします。センターは丸めた銅板をはんだ付けし、その後ではさみで適当に短冊状に切れ目を入れました。周囲は銅板を3枚に分けてはんだ付けしました。なお、はさみで切った切断面には鋭いバリが出るので、切ったらすぐにカッターナイフの背などでつぶしておくと安全です。

▼放熱板にひねりを入れる
銅板にスリットを入れひねる
 放熱板にスリットを入れ、ひねりを加えて空気の流れを良くしてやります。更にケースの形に合わせて上をすぼめておきます。

▼中央放熱板の面積拡大
センター放熱板追加
 L字型に切った銅板をセンターの放熱板にはんだ付けして面積拡大します。銅板は簡単にはんだ付け出来るので、作業は簡単です。

▼ケースに入れた状態
完成拡大
 通風を良くするため、ケースの上にネジ込まれていた部品は撤去し、更にケースの穴を限界まで拡大しました。ケースの中が赤いのは、赤色の砲弾型LEDから漏れている光です。

▼完成
放熱強化後
 以前はガラス製の蓋の上にランプを置いていたのですが、光のロスがあるので蓋は撤去し、銅線でランプステーを作りました。

◆効果、まとめ
 この対策で、出力100%でもLED裏側の基板温度は70℃まで下がりました、これなら安心です。もっと温度が下がっても良さそうなものですが、上の方にちょっと書いたように、LEDの放熱を考慮した配線パターンになっていないので、このあたりが限界でした。ちなみにセンターの放熱板の温度は約60℃で、上でも下でもほとんど同じ温度でした。(外側放熱板は46℃くらい) 

 この状態で照明を使うと、水草から気泡がいっぱい出るようになったので効果はありそうです。1 匹いるミナミヌマエビも元気です。

 残る課題は照明の色で、これ電球色なのが不満です。ワッツで売っているUSB電球を使うと白色になるのですが、5LEDなので照度が下がるのでちょっと寂しいです。

 そんなことで、白色光のチップLEDに交換することを考えています。国内では良いLEDが見つからなかったので、Aliexpressに注文しました。うまくいったらまた記事で紹介したいと思います。

【追記】
 このライトの電源を供給する配線は電圧降下を小さくするために太いケーブルに交換しており、その影響でLEDの発熱が激しくなっています。オリジナルのUSBケーブルは抵抗が大きいためLEDに流れる電流も小さくなり、この記事に書いたほど発熱しません。流れる電流を比較すると、オリジナルの状態では約340mAですが、太いケーブルに交換することで約700mAまで電流が増えています。
 なお100円ショップの商品の中身はどんどん変わるので、この情報は現時点の物である点にご注意下さい。
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