5C_庭園灯の電球を、白色LEDに変更する

鉛蓄電池6V・1個を使った、 今はやりの太陽電池で充電する庭園灯を知人からもらった。 使ってみたら、日没後の点灯時間が予想より短かった。 三から四時間位は点灯しているのかと予想していたが、 それに反し、一時間がやっとだった。 これでは、庭園灯としては短すぎるので、考察をした。 6V80mAの電球から、白色にし、回路も変更。

新聞紙を広げて作業をしながら撮影したので、少しお見苦しいのはご容赦を!
全体の外観は目次のページをご覧ください。



上は少し斜めになっている上面の太陽電池です。 右は下面です。白い丸は中に電球が入っている点灯部分で、その左に、 密閉型の充電式2次電池が入っています。 下図はその電池です。6V1.2Ahとありますので、満充電できれば、 6V80mAの電球なら15時間は点灯するはずですが、 実際には1〜3時間です。

分解して白色LEDをいれる

下面の発光する個所の白いカバーを左に回すと外れます。
その下の反射鏡もそっと外すと、中央にねじがあります。 上下をつないでいるのはこれ一本のみです。 上下を静かに引き離します。 線材でつながっているので切らないように注意が必要です。

中のLEDの足の部分と抵抗器
左の拡大

最初に、電球とそのソケットを外す前に、太陽電池を暗くして点灯させ、 +−の接続を確認する事。
電球とソケットを外し、その筒の中に白色LEDを保持するスリーブを 足の数だけ差し込み、その後LEDをそのスリーブに入れます。 LEDを4個入れるとベースがぶつかり扇状に開きます。
白色LEDの順方向電圧は3.6Vの規格ですが、 2.8V1mAでも点灯しました。
最初、6Vでは一個しか点灯しないかと心配したが、実験の結果、 2個直列で点灯するので、抵抗器を追加して回路が出来た。 充電最終電圧は6.5Vだった。
つまり、白色LEDを2個と抵抗10Ωを直列にした物を、 2回路使用した。 実測値で一回路、13mA、電圧が落ちると電流も減ります。 そのうち消灯します。
LEDと抵抗器を半田し、セロハンテープなどで絶縁し、 基板をねじ止めし完成です。

LEDに変更後の発光部
LEDが4個あるのが解る。
左の拡大
反射板を組み立てた状態で高さをチックする。

点灯時間は伸びたのか?

点灯させると、中央がまぶしい位光ります。完成です。
実際の使用は、今までは日没後一時間位しか点灯しなかったのが、 夜半になっても点いていて何時消えるのか不明です。
また、今まではその部分が電球の街灯のように光っていたのが、 今度は、スポット発光していて、地面が明るくなった。
夏になれば、日没も遅くなり、日の出は早くなるので、 一晩中点灯するでしょう。めでたし、めでたし!!
使用した白色LEDは、20mAの時に10cdです。
電流と明るさは対数で減りますので、13mAの時は6cd位です。
最大、4個で26mA、24cdです。

定電流点灯を考察

点灯時間が経過すると明るさが変化して、少し暗くなるようなので、 定電流点灯を考えた。



上は、今までの回路で、これが2回路あります。
最初は計33mAですが、電池電圧の低下につれて電流は減少し、 明るさも徐々に落ちます。
右はこれから組みこむ回路です。
定電流化の目的で、FETの2SK210を4個並列に使います。 40mA、1回路でLED2個です。



上は、チップのFETを4個半田した基板の裏と表です。 最初は電球の中へ入れてしまおうと小さく作ったのだが、 少し長かったので入らなかった。残念。

左は、今までの抵抗2個の代わりに両面テープで貼りつけた、上記の基板です。 LEDは4個から2個に減りました。

下は、点灯面の2個のLEDと、カバーをして点灯した状態です。
定格電流を流しているので、1個で10cd、2個で20cdの計算です。

定電流点灯を再度考察

先の変更がかんばしくない。前より暗くなった。 最初は、LED電流は約16mAが4個あった。
次は20mAが2個です。 やはり数が少ないと暗いです。

LEDの数を増やすことを考え、回路を点検すると、なんと6V以下になると 点灯しません。調整用のVRも端でもう調整が出来ません。 さすがは、香港製です。で、抵抗を変更して、5.5Vまで動作する様に変更。 回路を下記に変更して、今度は電球のバルブを加工して基板を取付けました。







反射材を塗装したら、ハスの天ぷらみたいになってしまった。

基板を丸く加工して、パターン面にバルブの外側を直接半田します。

+側は中心から出して外側へ曲げます。LEDを配置して、 バルブの外側が−側ですので抵抗を入れて接続し、 前回使ったFETも再度載せました。

さて、消費電流は?可変電源でのデータです。

LEDが6個で90mAだと1個平均15mAですので、 幾らか明るくなる筈です。
動作終止電圧も変更したので、時間も延長するでしょう。

点灯時間が短くなったので、回路変更を考察

ここから追加:181106
あちこち劣化したのか、点灯時間が短くなったので、分解整備することにして、 怪しげな回路を捨てて、作り直すことを考察。実験をした。
動作原理
昼間、 太陽電池が発電した電力は、D1のショットキーダイオードを通り電池を 充電します。その電圧は、R1とR2で分圧され、Q2のベースに加えれらます。 Q2はQ3のベース電位をアースに落とし、D2のLEDは点灯しません。
夜間、 Q2は動作をしていません。 Q1はマイコン用のリセットICで、電源電圧(電池電圧)が規定値以上だと 端子OUTは電源と同じになり、Q3をONにし、D2のLEDが点灯します。 電源電圧が下がると、端子OUTの電圧はゼロになり、Q3はOFFになり、 D2のLEDも消灯します。
リセットICの規定値:4.3〜4.6Vの物を使用した。(8054ALR)
D2のLED部分は、変更せずに上の画像のものを使っています。

結果報告
実験、失敗。案はよかったのだが、切れが悪い。消灯時に、 LEDが消灯すると電源電圧が上昇するので、点滅を経てから消灯する。 また、いい加減な明るさの小電流の時間が長すぎる。
次を考察。リセットICからの信号に時定数を持たせ、太陽電池からの信号との AND回路にする。
ゲートでフリップフロップ回路を作って、太陽電池の信号と、 リセットICの信号で、ONとOFFを制御する方法もあるが、 不確定要素も考えられる。CRを使った時定数回路の場合は、 時間にばらつきはあるが、必ず動作する。 ゲートの出力なので、明るさ変わらずに、瞬時に消灯する。 これに決定。

基板を作成、組み込む

回路が決まったので、基板を考察。 穴あきボードを今までの基板と同じ大きさに切り、部品を取り付ける。

左:不要となった古い基板とスイッチなど、   右:完成したボード
上:ボードを取り付け配線する、   下:太陽電池を暗くするとLEDが点灯

データ
充電電流:直射日光の下で最大100mA、7.8V
LED回路:充電時・0mA、点灯時・45mA
点灯断電圧:4.3V
この回路は、点灯の終止電圧の設定はありますが、時間の設定がありません。 その為、毎日、電池を規定電圧に落ちるまで、使います。 どの位の時間点灯するかは不明ですが、 真夜中は点灯していなくてもなどと、・・・・。