なお、最初に断っておくが、 我輩の電子工作知識とレベルは中学生レベル以下であることにご注意。 ダイオードとかナニするものかもよくしらんもんね！(大イバリ)
最近の LED は明るいよね！コレだけで実際前照灯として使えるくらいには なってきてると思う。ただ、ダイナモに直結するだけではLEDは即壊れてしまう。 LEDをダイナモから発光させるにはいくつか工夫が必要で、そのために必要なLEDに 関する前知識は以下の通り。これだけおさえときゃ十分でしょうきっと。多分。
もう一つ、LEDをハブダイナモに接続するなら、ハブダイナモの特性も知らねばならぬ。
さて、ということは、ダイナモ→LEDの接続では、交流→直流変換は絶対に必要だと いうことがわかった。また、電流量には制限が必要なのではないか、ということも。
こういうのをトータルに考察したモノスゲぇいいページ、 自転車ダイナモ発電機で白色ＬＥＤをつけるちうのがあるので、まずはこちらを ご一読下され。 これくらいは理解できないとダメでスよ！(※我輩は最初理解できませんでした)。
LEDは電流量によって光るので、このページにあるように、 定電流回路を入れるのが一番簡単かつ安全にLEDを光らせることができる。 …のだが、ハブダイナモに定電流回路を利用するのは少し難しい。 秋月電子では LEDドライバとしてこんなものが売られているが、ハブダイナモの入力電圧は 3V〜20V程度と幅広い。4km/hから点灯して欲しいなら下は3Vからだし、 50km/hの時にも耐えるなら上は20Vは必要。 そんな広い電圧幅で動作するLEDドライバは存在しないし、 6V/3W(=500mA)が流せそうな適当なのも見当たらない。あと、 同ページの後半のように自らごそごそしてなんとかするのは我輩にはムリ。 電圧に上限を設けるためにツェナーダイオードや抵抗を入れると激しく発熱するから、 それもできれば避けたい。
で、注目は最後のコメント欄にある 「自転車のダイナモは、どんなに高速回転しても１０００mAは供給できないと 考えまして、５ＷのＬＥＤ（最大電流１０００mA)を整流後じか付けしています」という 記述。ビゴーンときたッ！ソレだ！
ということで、本文書では、 5W LED(ちょい怖いから最大1500mA)を、 ハブダイナモ＋整流化回路に直付けするという むやみにアツい回路を考えることにする。なんせ素人さんだからな！ 怖いものなど何もないわ！
完成品は、以下のように非常に簡単な回路で構成される。ホントに単純に直流に 変換するだけ。定電圧回路とか定電流回路とかなんでスかくらいの。
ところで、LEDの前に抵抗とか入れなくてもいいのかな。20Vになるくらいなら 入れといたほうがいいと思うけど、LEDが耐えられるんなら別に入れなくても いいんじゃないかという話も。あと抵抗も発熱するので、あんま大きなのは 入れられないと思うしー。このあたりで電気回路素人感丸出しですな。
今回は以下を用意してみた。総額1000円ちょっと。
| 品名 | 型名 | 価格 | 備考 |
|---|---|---|---|
| 9LEDハンディライト | ？ | 108円 | 近所の100円ショップ(キャンドゥだっけ)で購入。入手製バツグン。安くて小さいのに、筐体がアルミでできてるのがポイント高い(放熱に必要だと思ってるので)。 更に、今回の工作では後ろのスイッチがそのまま使えて更にオトク。 |
| 5WハイパワーLED Cree XP-G R5(14mmφヒートシンク付き) | XP-G R51B | 680円 | 秋葉原LEDパラダイスにて購入(秋月と千石に無いんだもん…)。今回のキモにして最も高価な部品。次のレンズの接続時に問題になるので、20mmヒートシンクの方がよかったような気がする。 |
| CREE XP-G/XP-E用レンズ(10°) | XP-XPG-10 | 100円 | 集光レンズ。直径23.3mm、全長13mm(フランジ含む)、フランジ部高さ3.2mm。 この直径23.3mmが、上の100円ライトに奇跡のようにバッチリハマる。 14mmφのXP-G R5だと、配線とこのレンズの下部が微妙に干渉してうまいこと固定 できなくなるので注意。我輩はレンズ側の台座を少し削って対処した。20mmφの ヒートシンク付きLEDなら何の工夫もせずバッチリハマる。 |
| ダイオードブリッジ 200V 1.5A | W02G 340C | 50円 | 千石電商で購入。ホントは60V 1.5A程度でよかったんだけど、なかったので。大は小を兼ねる…はず…。ドロップ電圧が1Vなので、1A流すと1W発熱するはず。発熱対策は必要か？ |
| 電解コンデンサ 25V 470uF | ？ | 30円(50円だっけ？) | 千石電商で購入。100uF〜1000uF程度のがあるといいらしいと聞いたので、 じゃぁ真ん中取ってこのくらい、ということで。容量大きくなると物理的にも大きくなるので、上の100円ライトの筒の中に納めようとするとこれがギリギリ。 もっと小さい容量でもいいといえばいいんだろうけど。 |
| ユニバーサル基盤 | ？ | 0円 | あまってた切れ端を使用。まぁフツーのユニバーサル基盤。こんなのなんでもいいし。 |
| 赤黒コード 1.6mmφ 1m | ？ | 0円 | あまってた切れ端を使用 |
| 1mm厚アルミ板(9x50mmだけ使う) | ？ | 0円 | 家に転がってたのを使ったので価格とか型名とか不明。前に東急ハンズで買ったもののような気がする。 |
| 熱伝導性両面テープ 30x30mm | ？たぶんコレ | 80円 | LEDを貼るのに使用する。 熱伝導性接着剤の方がよかったかもしれない。 |
| 3x12mmボルト＋ナット＋ワッシャ | ？ | 0円 | おうちに転がってたのを利用。回路基盤をケース内で固定するために使用する。ハブダイナモからの給電コードの片方をケースに接続(スイッチがケースと端子との接続を前提としているため)するためにも使う。 |
| シューズドクター | ？ | 0円 | シューズドクターくらいおうちに転がってるだろ！配線後、 ケースから伸びる配線の保護(保護しないとマヂ切れそう)と、 防水性の向上を目的にシーリングするのに使用する。ゴムブッシュがあれば ソレでもいいし、輪ゴムで巻いてもいいんじゃねくらいのノリで。 |
9LEDハンディライトは、後方がネジ、前方がはめ込みになっている。 後ろのスイッチ部分がネジれば外れる。そして、後ろ側から棒でもツッコんで軽く ゴンガゴンガ叩くと、前方に向かって全部品が取れる。 このうち、透明な風防プラスチックは再利用するので、傷をつけないように大事に 保存すること。
バラすとこんなカンジ(これはまだ前方のLED部分をバラしてないけど)。
なんとびっくりこのハンディライトは、ケースをそのまま一方の電極に使っていた。 従って、これのスイッチを流用するには、改造後も一方の電極をケースに接触させる 必要がある。 ハブダイナモで高い電圧かけると、ケース触ったときにびりびりこないかしら、 とかちょっと心配になったが、まぁやってみよう(※結果、全く大丈夫だった。 10V程度なら問題にならないのか、電気があったらLEDが消費しちゃうからかしらん)。
ノギスで実測したライトの寸法を貼っておく。きっと100円ショップで売られてるのは同じものだろうから、同じことをしようという勇者にはお役に立てるかなーって。 複数測って同じなので、多分同じだと思うが、 ロットによって違うかもしれないので参考までに。 ホントは図を描けばいいんだろうけど、そういうのホラ、我輩苦手だし。
ということで、材料が準備できたので、作ることにする。
まず、1mm厚アルミ板9x50mm(幅・長さは適当でよい)を用意し、これを20mm付近で 90°折り曲げる。短いほうにLEDを、長い方に基盤を実装するわけだ。 今回LEDはシールでの貼り付けを試みたが、なんか強度的に怖かったので、結局 アルミ板に穴を開けて、小さいネジでも留めた。これで何があっても大丈夫。 LED部分がバッチリ中央になるように配置すること。後方の白いものは、ダイオード ブリッジが接触するための熱伝導シート。
※後に回路を固定するため、アルミ板の底面側に3mmの穴を開けておくこと。
後に、この上にレンズを載せることになる。上に書いたけど、14mmφのLED基盤は 配線部分がレンズ下部と干渉するため、レンズ下部を少しだけ削る必要があるかも しれない。20mmヒートシンクのLEDにすればよかったよ…。
回路は、ちっちゃく切り出したユニバーサル基板上に作成する。つっても、ダイオード
ブリッジとコンデンサを載せるだけ。
今回のダイオードブリッジのドロップ電圧が1Vだそうなので、1Aかかるとすると
発熱量は1Wとなり、結構大きい。放熱も考えて、ダイオードブリッジはアルミ材に
(ひいてはケースに)接触させるよう配置し、熱伝導シールも貼っておく。
ユニバーサル基盤はボルト・ナットを利用してダブルナットで固定する
(後でボルトの先をケースにあけた穴に通し、それを外から
ナットで固定する)。ユニバーサル基盤上の配線は、可能な限りコードを使わず、
半田とパーツの足を上手に折り曲げることで実現する。ショートなどの可能性を
下げ、かつ確実に接続するためだ。立体的な配線に涙せよ！(我輩は泣いた)。
今回、LEDライトの後部蓋についてるスイッチはそのまま利用する。このスイッチは、 ケース本体と、スイッチから生えてる電極(元は電池へ接する)への物理スイッチだ。 だから、スイッチから生えてる電極と、上の回路だけを接続すればよい(ケースへの 配線は別途)。 確認したところ、スイッチから生えてる電極が、上で作った回路にケース内で 接触してしまうことがわかったため、この作例ではバネ部分を少し切り取っている。 これは現物あわせて必要可否を判断されたし。
LEDと回路はコンデンサ部分に接続する。＋と−を間違えないように！ 距離は短いから、配線の長さは4cmくらいでよい。 あんまり長いとケースに収まらなくなる。
ダイナモからの配線は、1. ケース、2. 作成した回路の片方 に接続する。 前述の通り、本LEDライトはケースを電極として利用しているため、配線は 短くて済む。この例では、ダイナモからの配線の一つを 2. のように回路に、 もう一つを 1. のようにケースに接続した。ケースへの接続は、回路から出てるボルトに ダイナモからの配線を巻きつけるだけでよろしかろう。ダイナモからの 配線をケースに引き込む穴は、配線が鋭利なケース切り口で傷つくことを防ぐために、 ゴムブッシュを被せることを考慮すべき(マヂ配線が切れます)。
後ろスイッチは、基盤のもう片方に接続する。このスイッチは最終的にケースに ネジ込むことになるため、配線はちょっと長めにして、くるくる回されても大丈夫 なようにしておくこと。
ケースの穴は、上下に二箇所、コードを通す方が4mm、基盤を止める方が3mmで開ける。 コードを通す穴は邪魔にならない位置であれば適当でいいが、基盤を止める穴は、LEDのレンズを前方から入れて きっちりケース内部の段差とLEDに合うように開けること。L字に曲げたアルミ板上にLED前面まで12mmの場所に穴を開けたなら、ケース先頭から35.8mm(段差までの14.0mm+レンズの高さ13.0mm-レンズフランジ高3.2mm+12mm)の部分に穴を開けることになる。
後は魂に従い組み立てるだけ。基盤＋LEDはケース後方から入れるのが楽。 上手に入れて、基盤のネジを外に出したらそれをボルトで固定する。
レンズはぴったり嵌るはずなので、ケース前方からそこまで押し込むこと。 レンズをケースに接着してもいいが、後から分解することを考えて、 今回は接着していない。
最後に、取っておいた風防プラスチックを前方から押し込む。コレが結構キツいので、 そのおかげで走行中に振動でレンズがポロリと外れて落ちることを防いでいる。 ごめん写真撮るの忘れた。
防水について考えたいなら、この風防プラスチック、アルミ板を止めるボルト、 ケースから出てる配線の三つを、みんな大好きシューズドクター …というかゴムパテとかで接着・シールすればバッチリ。 そうすると今度は分解することができなくなるので判断は難しいところだけど。
というわけで、完成品はこちら。うむ、スマートな外観にぐっとくるね！ 中の回路が酷いことになってるとか誰も気づくまい！ 余ってたCATEYEのブラケットにタイラップで固定してみたが、もともとライトが 非常に軽いので、それだけで固定力は十分。
明るいな！というのが第一印象。なんとびっくり、停止状態からハブダイナモの 1ノッチだけ動かすだけで、ビカッ！っと点滅する。え、それ電圧大丈なのん？と 不安になったが、念のため全力で加速して走ってみたところ、切れたり することはなかったので大丈夫なんだろうきっと。 非常に明るくて助かるな！以外、不満点は無い。光の広がり方もこんなもんだと 思う(MTBだともっと広いほうがいいかもしれない)。直視できないのはもちろん、 一度手に当てた間接光ですら見ると目が焼けそうになるのはスゴい！ 元のLP-R600より随分明るいし、これ…実は結構イイもんじゃないの？
点灯状態を以下に示す。正直、速度が低くてもこんなに明るいとは思っても みなかった。うれしい誤算というか。
点滅をなんとかしたいなら、もっと大容量のコンデンサに変えればいいんだろうが…
このライトに収めるには、結構物理容量的に既にキツいんだよね…。
2014/07/07追記。コンデンサを25V1000uFに変更したところ、確かに点滅具合は改善したんだが、上の記録 -2km/h しただけだった。やっぱ周波数が低すぎるんだよねぇ…。
正直、発熱はほとんどない。25km/h〜30km/h程度で、気温20℃の夜の多摩CRを 一時間くらい走ってみたが、本体はほのかにすら暖かくならない。 そんなもんなんだろうか。中に熱がこもってるだけじゃないことを祈る。
実際走ってみて、気が付いたことを以下に記す。
これは、電流が頭打ちになっているんじゃなかろうか、という仮説を連想させる。 ハブダイナモって確か回転速度に応じてモノスゴ電圧上がるんじゃないっけ。 50km/hだと20V超えるという話をどっかで聞いたことがあるような…ああ、でも 定電流装置みたく、電流量はほぼ一定なんだろうか。
そういう観点で調査してみた。手元では電圧・電流を測れない(そういう機械持って ないから)ので、人様のページを参照させていただくことにする。
これらと、我輩の現状とを鑑みると、おそらく
ハブダイナモは回転数に応じて電圧が上がるが、流せる電流には上限があり、それは0.5A程度である
…のではないだろうか。つまり、ハブダイナモは定電流回路なのだ(？)。
もしそうなら、LEDを接続していても10km/hくらいで電流はサチってしまい、
それ以降はスピードを上げても(電圧は上がっていたろうが)電流が変化しない。
LEDは明るさが電流量だけに左右されるため、それ以上明るさも変化しなかったわけだ。
納得はするが…それでいいのか、という気もちょっとする。
だとすると、
さて、そうすると、ハブダイナモを使う上で、明るく効率の良いLEDライトとは、
直列に接続した複数のLEDを、電圧に応じて通電・スキップさせる動的ライト、という
ことになる。…あれ、そういう製品があるってなんか聞いたことがあるぞ…と思ったら、
スーパーノヴァ E3トリプルライトだった。28000円って高ッ！
３灯じゃなくても、２灯くらいだったら簡単な回路で実現できそうな気がする…。
ある電圧を超えたら別LEDに給電するようにすりゃいいんだよね。えーと…7Vくらいを
閾値にすればいいのかな。トランジスタでイッパツできそうな気が…。
こういう仮説が正しいとすると、ハブダイナモの走行負荷がどうなるのか気になる。
定電流回路だとすると、スピード上げると負荷は下がっていくはずだけど…。
残念ながら我輩程度の貧脚では、そんなの感じられるワケもないのでした。
剛脚さんのレポート求む。
交流でLEDを点灯させる効率のよい方法として、「二つのLEDを互い違いに接続する」
という回路が知られている。以下のようなカンジ。確かに回路は簡単で、効率は
よさそうな気がする。
このように接続すると、双方のLEDに対して交流の正位相側だけが通電して点灯するので、
直流に整流するのに比較してLEDの点灯は以下のような特徴を持つ。
ということで、簡単に実験。CREE XP-G R5 1Aを二つ、以下のように接続したものを
作ってみた。他には何もつないでない。
いざ実験開始！…うーわー点滅激しー！15km/h超えても明確に点滅してて、
路面照らしてても目が痛い。25km/hくらいになるとようやく点滅が見えにくくなるが、
点滅してることはわかってしまう。ダメじゃん！目がちかちかするじゃん！
対向車キラーじゃん！こんなん使い物にならないじゃん！
というわけで、こういう直結回路は、(確かに効率はいいかもしれないけれど、)
ハブダイナモだと点滅が激しすぎて使えないことがわかった。ダイオード入れて
コンデンサ入れて…とかすればいいんだろうけど、だったら上のように普通に
直流に整流した方が回路が簡単だしロスも少ない。
韓国メーカーが作ってるという「交流入力が可能な発光LED」(実際は
LEDコアに２つのLEDを乗っけて上と等価な回路をLED内に作った模様)だと
どうなるんかね。
とういうことで、(ローラーダイナモなら交流の周波数が高いので
こういう接続はアリだと思うが、)ハブダイナモだとこの回路は使えない、と
結論付ける。
「自転車のダイナモは交流電源だから、LEDを発光させる効率がいい回路はこうだ」と
紹介してるページは色々あったけど、実際試してどうだったという実験結果が
見つからなくて、結局自分で試すことになってしまった。しかも実験失敗。
このくらい誰か試しといてよ！
紹介してる人々は、理論だけじゃなくて、是非実験した結果を紹介する
ようにしといてくださいお願い。
…余ったLED(CREE XP-G R51A)x2、どうしよう…。1360円の無駄出費…。
やっぱりコレまぶしすぎる。かなり下向きに照射してるはずなのに、100m先の5m上に
設置された道路標識がモノスゴい輝く。ということは、対向車への幻惑は相当な
ものだろうと想像できる(自身では見たことないのでわからない)。これはなんとか
せねばなるまい！ということで、庇(ひさし)を付けることにした。
こんなときは便利で安価な素材屋、100円ショップに駆け込むに限る！
ということで渋谷ダイコクドラッグ2Fで見つけたのがこちら、ハンディスプレー容器。
本当はピンクと青の二本セットだけど、既にピンク使った後なので青しか残ってない。
で、ネジ部を残しつつ、コレを適当な形と長さに切断する。
裏側にはダイソーで購入したアルミテープ(50mm x10mで100円はお買い得だと思う)を、
反射板のよーに貼る。
で、このネジ部のねじ山をカッターでイイカンジに削る。
そうすると、これも奇跡のように、100円ライトの開口部にバッチリとハマる。
接着剤などは不要、キツいので、単純にハメるだけでよい。
えなにこれ！？こんなぴったりハマっていいのん！？
ということで、完成形はこちら。色がピンクじゃなければよかったのにね。
あ、接続が楽になるようにRCA端子付けました。
これで、上方への光の漏れは「結構」削減できた。気持ちもう1cmくらい長い方が
よかったかもしれないし、前方に更に下方向に庇をつけた方がいいかもしれない。
容器はお安いし試すのは簡単なので、今後も色々試してみようと思う。
アルミシール貼ってるのに、それを透過しちゃうくらい激しい灯りだというのには驚いた。
そりゃー対向車も大変だわな…。
結論：更に快適になる。
どうしてもBD-1でもハブダイナモが欲しくて、サイクルハウス ジロでハブダイナモ付きホイールを組んでもらった。
通販で入手できて便利。DA-16(406)+DH-3N80で二万円ちょっとなので、
価格的にワリに合うかどうかは微妙だけど、平日移動できないサラリーマンにとっては
通販はありがたい。注文して三日で届いて早かったし。
ついでに18-406のリムテームもそろえてくれてればよかったのに。
なお、リムテープ、幅16mmはダメだ！DA-16だと18mmがジャストフィットだ！
オレタチのヤクソクだ！
で、実験。そもそもDH-3N80を小径車で使って大丈夫なんか、ということも考えつつ、
夜の多摩川CRへ。ああ…いいね！小径だから700cに比較して回転数が1.72倍くらいな
わけで、点滅が劇的に軽減されてる。歩くくらいの速度からバッチリ明るく連続点灯に
なるから、走ってて安心感がある。そして、加速してもLEDが切れるようなことは
やっぱりなかった。うん、いいよコレ！
上と同じことをやってみたら、結果は以下のようになった。1.72倍くらいイイ！
もちろんタイヤの回転は渋いし、手で回してもすぐ止まっちゃうくらいアレだけど、
まぁBD-1ごときでそこまでこだわらなくてもいいでしょ。
DH-3N70に比較するとDH-3N80は(無負荷の時も有負荷の時も)回転抵抗が
確実に小さくなっていて、やっぱり進化してるんだなぁ、と感慨深い。
整流回路付きなら普通に使えるので満足。今のところ不具合はない。
しばらく使ってみて、問題があればお知らせする。
うーん、どうせ２灯は確実に点灯できるくらいの電力はあるんだから、と考えると、
欲が出てきて、もう１灯追加して明るくなればいいなー、とか思い始めてしまった。
ので作ってみたのがこちら。
■もっと効率のよい方法？
いや、しかし、我輩が作ったヤツでは、直流整流してコンデンサ入れても
10km/hまで点滅してたわけで、ということは、(仕組み的にはそのままじゃコンデンサ
入れられないから)点滅が激しすぎて実用に耐えないんじゃないか？
■色々追記
■小径車で使うとどうなる？
■おわりに