RGB-LED鑑賞魚用照明の製作

 我が家では20年近く熱帯魚を飼育しています。ごく普通の種類ですが、水草との調和が自慢で、水替えは年にたった1回という良好な「環境循環サイクル」が実現できております。クーラーや紫外線殺菌装置という贅沢な設備まであり、年中一定の水温と病原菌の無いクリーンな環境であり、魚達にはこの上のない快適な住居です。
 今まで使っていた蛍光灯が入手不可能なり、この機会に照明器具を最近流行のLED照明に変えようと考えました。魚が鮮やかに映って、尚且つ水草の生育にも役立つ照明を目標として、一般的な白色LEDではなく、RGBタイプのフルカラーLCDを使って、自由自在に色調を変更できるように考えました。また、観賞魚用として十分な明るさを確保するため、蛍光灯40Wの明るさに負けないように27Wとしました。
 現状の太陽光発電所の出力では、消費電力面で27Wは苦しい面もありますが、将来の太陽電池の増強を見越して、DC12Vで点灯できるように設計をしております。アクアリュームファンで腕に自身のある方はぜひチャレンジしてみてください。たいへん満足度の高い作品でお勧めの逸品です。


輸入禁止になった蛍光灯

 PSEマークをご存知でしょうか。日本で販売する電気製品に義務付けられている安全規格をパスしたマークです。我が家の水槽は熱帯魚用品メーカーのスドーがイタリアのフルーバルから輸入した90cm水槽です。熱帯魚屋さんで手頃な価格で売られていたものを12-3年前に購入しました。
 蛍光灯の管長は24インチという日本製より少し長く、海外では標準的な蛍光灯です。買った当時はお店にNEC製の交換用球があったのですが、それも無くなり、NECに問い合わせてもPSEマークの都合、日本ではもう販売していないとの事で、仕方なく英国留学中の方から送って頂きましたが、とうとう3セットあったストックも底を尽きてしまいました。

 水槽自体はイタリア製ということもあって、ご覧の通りデザイン的に照明器具まで一体化し、日本製には見られないスッキリとした形状です。タイマーとヒーター用のコンセントタップまで装備され、なかなかの気配りです。
 実は途中で光量アップのため、安定器をインバーターに交換しています。普通のインバーターでは上手く点灯できず、ボズシ工房さんに蛍光灯を送り、専用品を作って頂きました。思い入れの深い水槽です。
 現在一般的で販売されているニッソーやコトブキの水槽では照明灯のデザインが悪く、買い替える気になれません。今回は、この器具を上手く活用してLED化にチャレンジします。

熱帯魚用蛍光灯の波長特性

 熱帯魚用の蛍光灯には様々な波長(色)の蛍光灯が使用されますが、最も一般的なのは、白色蛍光灯と熱帯魚専用蛍光灯の組合せです。右はNECのビオルクスHGという熱帯魚用蛍光灯ですが、三波長の割とハッキリした特性を持っています。
 前回作った植物育成用と較べて青色光が多いですが、これは一般に熱帯魚が青色光を当てると美しく発色するためです。また、水草には褐色系と呼ばれるものもあり、赤い光では育ち難いものもあります。緑色が必要な理由は勿論、観賞用として水草を美しく見せるためです。
 このように熱帯魚用照明は、理屈よりも見た目重視の設計です。また、明るさも重要な要素であり、マニアはメタルハライドランプという太陽光に近い強い光りを好んで使う方も居られます。


LEDの主要スペックを決める

 1.波長特性
 基本は白色光となります。一般的な白色LEDは青色LEDに黄色の発光体を重ねたもので疑似白色です。一般に販売されている安価な熱帯魚用LED照明灯はこのタイプが多いのですが、実使用状態の写真を見る限り、青が強過ぎて海草を殆ど使わない海水魚用としては良いのかも知れませんが、淡水魚用の水草水槽では水草が死んだような色合いになってしまいとても実用に絶えないと思います。
 従って、今回は基本に忠実に三波長タイプのLEDを採用することにします。三波長とはカラーテレビの原理と同じで、R(赤)G(緑)B(青)の三色のLEDの光を合成して白色光を発するもので、RGBの光の強さを調整することで、原理的にはどのような色調でも発光させることができます

 また、今回は既存の灯具を流用する関係で十分なスペースがあり、大型の放熱板が使用できます。そのため組み立て易さを考えて、パワーLEDを使います。
 今回は秋月電子で販売されているOptoSupply社のOSTCXBV1C1Sというパワーモジュールを使用します。1WのRGB各LEDがワンパッケージにされたLEDアレイをセラミック基板の放熱器に取付たもので、取扱いが楽です。

 各LEDの諸元は以下の通りです。

Red

Green

Blue

If(mA)

350

350

350

Φv(lm)

50

70

15

λpeak(nm)

625

525

470

Vf(V)

2.5

3.3

3.3

Power dissipation(mW)

1200

1600

1600

Peak Forward Current(Pulse mA)

500

500

500



 2.LEDの必要個数を算定する
 電源電圧は、後々太陽電池で駆動したいのでDC12V基本で考えます。パワーLEDのスペック表からは、Vf(R/B)=3.3V(typ.)とありますので、3直列が限度です。先に述べたように従来の蛍光灯と今回のLEDでは波長特性や発光効率が異なるので、直接的な比較は難しいのですが、LEDでは蛍光灯の40/2.5=16W程度あれば置換えには十分です。
 しかし、今回の用途を考えた場合、RGB各フルパワーで使用するのではなく、熱帯魚用LEDと似たような波長特性で使用するため、GもしくはBのLEDを減光する必要があることから、ある程度のマージンは見て置かないと、全体的に照明が暗くなってしまう可能性があります。3直列で1組9Wですから2並列の18Wでは自信が持てず、余裕を見て3並列の27Wで設計することにします。


 3.LEDの駆動方式を検討する
 流石に27WのLEDとなると抵抗制御のよる定電流回路ではエネルギーの無駄が気になります。今回はPWM方式の定電流回路を前提に考えることにします。
 条件としてはLEDの1直列に対して350mA程度の電流供給能力と、調光制御ができることが必要になります。この回路がRGB各色に対して3並列分、即ち9回路分必要です。これをディスクリートで組むとなるとちょと気が重くなりそうです。
 市販の350mA定電流モジュールは1,000円以上しますので予算を遥かにオーバーします。こういう時は、困った時の秋月電子です。ありましたよ、格安定電流モジュールが。LEDと同じOptoSupply社が出しているMR16というスポットランプに組込む定電流モジュール、型番がOSMR16-W1231で、何と@180円です。これを使いこなすことを前提考えます。

 

 4.調光回路を検討する
 しかし、秋月電子のHPにある資料はたった1枚。調光制御については一言も触れられていません。ネットサーフィンを続けること1時間、見つかりました共立電子デジットのブログページです。共立エレショップでも同じ商品を扱って居られ、その記事があるのですが、中に使用されている制御ICのCL6807の3番ピンが実はADJ端子になっているとか。
 早速CL6807を調査し英文データシートを見つけ出しました。そこには「3番ピンがADJ端子で、アナログ電圧またはパルス波で調光制御が可能」、「アナログ電圧の場合、この端子の電圧を0.5V~2.5Vの範囲で0~100%の調光が可能」と記載があります。
 予備実験をして実際に調光制御が可能なことが確認できましたので、この方法を使うことにします。実用的には、定電圧ICで2.5Vの基準電圧を生成し、可変抵抗器(VR)にて出力電圧を調整するという簡単な回路になっています。

 

 5.主要諸元の決定

電源仕様

DC12V,3A以内

LED仕様

625nm, 525nm, 470nm RGBタイプ

LED最大消費電力

27W(1W×3LED×3直列×3並列)

LED駆動方式

50kHz PWM方式

LED調光範囲

各色0-100% 独立制御

LED放熱方式

t=2.0mm 1071.6cm アルミニューム板

ケース

既存 熱帯魚用照明灯 改造




機構設計

 今回は既存の灯具に組込むために、3つのアルミ製パーツを設計しました。灯具の種類が多少違っても蛍光灯2本分のスペースは殆ど変りません。少し小さめに設計しましたので、他の灯具にも応用が効くと思います。
 一つ目は反射板です。今回使用のパワーLEDはスポット光ですので、適当に拡散させてできるだけ均一な照明にする必要があります。また、パワーLEDは発熱も大きく、放熱板への取付が必須となります。
 反射板は熱電導性に優れたアルミニュームを使用し、十分な熱拡散を図るため板厚も2mmとしました。これくらいの大きさになるとアルミニューム板自体が入手が難しく、あっても高価です。従い、材料手配と加工を井上商事にお願いしました。(3社相見積で一番安い)

 二つ目は操作盤です。RGBの各LEDの発光量を調整するボリューム(可変抵抗器)を取り付けます。傷が付くと目立つため自分で加工せず、これも井上商事にお願いしました。
 三つ目は操作盤固定用のピン板ですが、これは元々成型品でできていたタイマー盤の代わりに今回の操作盤を取付けるために用意したもので、特に必須のモノではありません。
 穴加工はタレットパンチを使用されているため非常に綺麗ですが、パンチ寸法に制約があるため自由な穴径にはできず相談しながら決めました。親切な代替提案、迅速な見積り、安価、短納期とイチ押しです。
 設計したパーツは合計3種類です。CAD図を添付しておきます。

反射板 PDF 8kB

操作盤 PDF 8kB

操作盤固定用ピン PDF 4kB


回路設計

 今回は市販パーツを流用し、僅かな回路を追加しただけなので、いつものうんちく設計資料は省略します。なお、各資料は無断転載禁止とします。

 ・回路図 PDF 36kB

 ・部品表 PDF 20kB

 ・基板パターン図 PDF 32kB

 上記データをご覧になりたい方はご連絡ください。パスワードを教えます。

製作編

 今回は作ってみたいと思われる方が多いと思われますので、制作過程についてしっかりと説明します。
 先ずは、パワーLEDを反射板に取り付けます。放熱用シリコングリスを塗って密着させますが、Φ3mmのビス頭がパワーLED基板のパターンとショートしないように、ナイロンワッシャを挟みます。

 パワーLEDを3つずつ並列に接続します。配線部材はRGBおよびプラス・マイナスが分かるように色分けすると便利です。LEDチップに余計なストレスが掛からぬように、配線には余裕を持たせてください。
 筆者は共立エレショップで販売されているAWG22の耐熱ビニル線を使用しています。ハンダゴテ程度ではなかなか溶けないので重宝しています。

 3直列したLEDを3組み配線します。
 右図は全部配線を終えた状態です。

 操作盤を組み立てます。
 筆者の場合、もともと照明器具内にあったタイマー部分を活用して、操作盤を埋め込む方法を取りました。

 基板の組立を行います。先ずは完成品をみて、全体のレイアウトをイメージしてください。ユニバーサルプリント基板のどの位置にどんなパーツが搭載されるか、基板パターン図も参考にして見てください。

 定電流モジュールを基板に固定するためにピンヘッダを使用します。先ずは所定の位置9ヶ所にピンヘッダをハンダ付けします。その後、順番に定電流モジュールを実装して行きます。
 モジュールの黒い電源線は予め除去しておきます。実装は、左写真にあるように黒い電源線のハンダ付けされていた個所にピンヘッダをハンダ付けします。真ん中のピンはハンダ付けしません。

 

 調光用の配線も忘れずに引き出してください。モジュールに搭載されている6ピンICの3番ピンからです。配線はAWG28くらいの細い線の方が作業がし易いでしょう。RGB各制御用のモジュールで色分けしてください。
 特に注意して欲しいことは、モジュール9個を付ける順番を良く考えてください。左2つ上の完成写真の左上から右にR用を3つ、次は真ん中左から右へG用を3つ、最後に左下から右へB用を3つ取り付けて行けば作業は楽にできます。

 調光用の基準電圧回路と電源パイロットは基板の空いているスペースに設けます。
 基板パターン図を見ながら配線してください。今回は立体的なレイアウトで部品を配置しており、写真で見るより実際の作業は楽な筈です。
 こういう作業ではピンセットや細手のラジオペンチは欠かせませんね。

 配線が終了したユニバーサル基板の裏側です。非常にシンプルですので、それほど時間は掛からないと思います。

 反射板を灯具に移植したところ。
もともとは蛍光灯2本が入っていたスペース

 もともとインバーター(その昔は安定器)が収まっていたスペースに基板を取付ます。取付は接着スペーサーを使用しています。黒いケーブルは電源ケーブルです。

制御盤の可変抵抗器への配線を行います。

 電源引き込み部の空きスペースにACアダプター用のΦ2.1mmのDCプラグを取付けます。

 赤色LEDの点灯テストです。約1/3の出力で行いました。定電流モジュールに出力バラツキがかなりあるようです。

 同じく緑色LEDの点灯テストです。

 同じく青LEDの点灯テストです。

 RGBのフル出力テストです。余りにも明るいのでカメラの絞りが効いています。(背景が少し暗い)

 完成して元の灯具に組込んだ様子です。最初からそうであったような出来栄えに大変満足です。


LEDによる熱帯魚照明の効果

 熱帯魚照明灯は見た目が命です。百聞は一見にしかず。先ずはRGBパワーLEDの効果をじっくりみて頂きましょう。


 27Wフルパワーでの点灯です。蛍光灯2本分40Wよりはかなり明るいです。透過率が抜群に高く透明度の強い白色です。
 水面のさざ波が床に虹色に映って大変綺麗です。蛍光灯では味わえない雰囲気です。

 色合いを調整した状態です。赤はフルパワー、緑は60%程度、青は80%程度にしています。明るさ的には蛍光灯より若干明るい程度です。調整の決め手は水草の色あいでしょうか。

 赤OFFの状態です。

 緑OFFの状態です。要するに植物育成灯と同じような状態ですね。

 青OFFの状態です。

 砂の色が活きてきます。結構透過率が高い印象です。まるで水変えをしたような。

 カージナルテトラの青が美しいですね。水草の自然な色合いも抜群です。

 何といってもラミノーズの赤が印象的ですね。ちょっと今までには無い赤ですね。

 ネオンドワーフレインボーが美しく輝いています。う〜ん満足!

 動画でもお楽しみ下さい。これだけ見ると蛍光灯と区別が付かないかも知れませんね。


RGB熱帯魚照明灯の効果

 省エネ効果は勿論ですが、RGBタイプのLEDを使うと蛍光灯よりかなり演色性は高い満足の行く照明が得られました。考えてみれば、液晶テレビのバックライトにもRGBタイプのLEDが使われているそうで、普通の白色LEDより格段に色が綺麗のは当たり前かもしれません。
 震災以降、省エネに感心が高まる中、LED照明が着目を集めており、ホームセンターでももはや白熱電灯の売場は殆どがLED電球に変ってきています。まだまだ値段は高いですがシーリングライトと言われる天井取付け型の器具にもLEDタイプが登場しています。
 白色LED電球の殆どは、白色LEDを使った物が多いと思いますが、RGBタイプで色が綺麗で、食事が美味しくなるようなLED照明がでてくる日も近いのではないかと思います。


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第一章

30Wベランダ設置型 太陽光発電システムの製作

第二章

噴水ポンプ、庭園灯、植物育成灯の制御基板の製作

第三章

100W屋根設置型 太陽光発電システムの製作

第四章

リモートモニタリングシステムの製作

第五章

市販チャージコントローラー 実試用評価

第六章

LED植物育成灯の製作

第八章

蓄電池の大容量化に欠かせない循環電流防止装置

第九章

ベランダにフットする2倍電圧システムの製作

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