ハイパワーLEDを自転車のダイナモで使う

【目次】

• 第一　SF-301による自転車用ヘッドライト製作
  • １　ダイナモ用ヘッドライトにLuxeon Star 3Wを組み込む
  • ２　SF-301本体を生かした製作
• 第二　超高輝度LEDによる自転車用テールライト製作
• 第三　SF-301を使用中の自転車 (05/12/3追加)
• 第四　あとがき

【関連サイト】

• SF-301
  • GENTOS……SF-301のメーカ
  • Lumileds LED Lighting - Luxeon LEDs……Luxeon Starのメーカ
• LED・半導体製品販売
  • オーディオＱ（LED 電子部品販売 通販）……LED、CRDなどの通販・回路図、LEDを使うノウハウも豊富
  • 小ロット生産者と共に歩む - 秋月電子通商……CRD、LED、ダイオードなど電子部品の販売
• ディスカウント・DIY
  • ハンズWeb……LED売場（6F）、素材、工具など
  • 株式会社　ケーヨー……DIY店、工具類など
  • - ディスカウントショップ・セキゼン -
• 学習・情報
  • mizunaga.jp Analog Technology & AMP SHOP……オーディオアンプ製作・販売、整流回路の解説など
  • ライトマニア……2chアップローダ・ライト改造、情報

■前提条件

• 改造は自己責任で。ここに書いてあるとおりやって壊したなどのクレーム、製作依頼などは一切受け付けません。
• ここでは、自転車用ライトの電源をダイナモ（ブロック・リム・ハブ）によって供給することを前提に書いている。
• Luxeon StarはLumileds社が開発したLEDであり、1W、3W、5Wのシリーズがあり、中でも3Wのものは明るさ（輝度・照度・「超高輝度LED」といわれるものの約30倍の明るさ）と寿命（約10万時間・5Wのものは寿命が短い）のバランスに優れていて、自転車の灯火として十分実用に耐えるスペックをもっている。
• SF-301はLuxeon Star 3Wを使用したGENTOS社の懐中電灯。
• 【コンセプト】安定化も瞬断対策もなし、最低限の構成で最大の効果（実用）を実現したい。

■なぜダイナモとLEDなのか

• 長寿命（ダイナモ）……構造がシンプルなのでメンテナンス次第で何十年でも使える。30年前から使っているブロックダイナモが現在でも使用可能な状態にある自転車（ランドナー。もちろん、自転車も現役）に乗られている方が著者の知り合いにいる。
• 長寿命（LED）……ダイナモライトで電球切れに泣かされた人は多いと思う。LEDはその点でも安心して使用できる。LuxeonのハイパワーLEDは、LEDとしては寿命が短い部類に属するが、実際の寿命が公称の10万時間の半分5万時間と見積もったとしても、毎日1時間で年間300日使用して166年、自転車の寿命はもとより、人間より長生きということになる。
• 省エネ（ダイナモ）……ダイナモは重いと言って敬遠される風潮がある。しかし、優れたブロック・リムダイナモ（ディスカウントで売られているものでも）は、調整次第で負担に感じることのない軽さにできる。
• 省エネ（LED）……LEDとダイナモの相性が良く、電球からLEDに変えると、消費電圧の関係から音が静かに、ペダルも軽くなる傾向が認められる。

■整流回路

• SF-301は、電池（CR123A×2本・直列6V）による直流電気によって点灯する。しかし、この電池（CR123A）は非常に高価であり、駆動時間も約3時間と短く、そのまま自転車で使うにはコストがバカにならない。
• ダイナモによって発電される電気は交流電気であり、クリプトン・ハロゲンなどの電球には使えるが、逆電圧に弱い（壊れる）Luxeon Star 3WなどのLEDには使えない。
• 交流電気を直流電気に変換する回路が「整流回路」であり、Luxeon Star 3Wをダイナモで使うためには整流回路が必要。
• 整流回路には基本的に次の２つの種類がある。
  • 半波整流……整流ダイオード1本。しかし、これではダイナモで発電した交流電気の半分を捨ててしまうことになり効率が悪い。ただし、後述のテールライト（赤色LED）には十分。
  • 全波整流（ブリッジ両波整流）……ブリッジダイオード1個（または整流ダイオード4本）。ヘッドライト（SF-301）に使用可。

■Luxeon Star 3W単体でなくSF-301を使うメリット

• LED単体で買えば3000円程度、SF-301はディスカウントでも5000円前後だが……
• SF-301にはCR123Aという3V出力の電池2本が直列で使われており、合計6Vの電圧をLuxeon Star 3Wの定格である3.7V（電流は700〜1000mA対応）に落として（降圧）LEDに供給するためのDCコンバータが付いている。
• このLEDと一体になっているDCコンバータを使えば、ダイナモでLuxeon Star 3Wを使うためには整流回路のみを用意するだけで足りる。
• SF-301に組み込まれているリフレクタ（スポット）を自転車用ヘッドライトに組み込まれているリフレクタ（広角）と合体させて使うことによる相乗効果が期待できる。
• 【注意】Luxeon Star 3Wを使ったSF-301以外の製品には昇圧回路が組み込まれているものがあり、それらにはここで述べられている方法は適用できない（同じことをやるとLEDを壊してしまう）ので注意。

■材料

• ダイナモ……ブロック・リム・ハブダイナモなどを使用する自転車。
• ヘッドライト……ダイナモの使用を前提に製作されたもの。
  
• SF-301……LED（Luxeon Star 3W）・DCコンバーター・リフレクタ・本体の一部を使用
  
• ブリッジダイオード……1個
  • W02G（耐圧200V）、W04G（耐圧400V）など
    
  • 1個あたりの価格は数十円
  • 4本足
  • ＋(プラス)と−(マイナス)、〜と〜は対角線上に配置されている（足が4本並んで付いているタイプのものもある）
• 電解コンデンサ……1個
  • 整流しただけの電圧波形は蒲鉾型（サイン波形）の脈流になっているので、より直流に近い波形にする（平滑化）目的で使用。
  • 【注】SF-301のDCコンバータにコンデンサが使われているので、平滑化のためのコンデンサは使わなくても行ける。
  • 2本足
  • 50V・220μF／330μF／470μF／1000μFなど……容量は小さいものでもOKだが、スピードによって増大するダイナモの交流電圧を考慮すると、耐圧は最低でも50Vのものを用意したい。
  • ＋(プラス)と−(マイナス)はコンデンサの側面に分かりやすく表記されている。
  • 極性を間違えると破裂する。
• その他……配線用コード（0.3〜0.5mm程度）・熱収縮チューブ・耐熱テープ・ハンダなど

■SF-301本体の加工

• SF-301本体のリフレクタ及びLED・DCコンバータが収まる部分を残して、鉄ノコ又はパイプカッター（自転車乗りなら持っている人は多いと思う）などで切断
• 【注】ヘッドライト本体には、この切断したSF-301の本体が収まる奥行きが必要

■整流回路の製作

• ブリッジダイオードの＋をDCコンバータの電極板（SF-301の電池[CR123A]の＋電極が当たる部分）へ、−をDCコンバータの−側（上記SF-301本体の切断面など）へ、〜の2本はそれぞれダイナモ及び車体アースに接続する。
• 【以下は、コンデンサを使う（平滑化する）場合】
• 5�o程度被膜を剥いた配線コードとブリッジダイオードの＋側の足とコンデンサの＋側の足を半田付け。余分な部分を切り落とし、熱収縮チューブなどで処理。この線はDCコンバータの電極板に接続する。
• 同じく、配線コードとブリッジダイオードの−側とコンデンサの−側を半田付けして上記と同様に処理。この線はDCコンバータの−側に接続。

■ヘッドライトへの組込み

• 上記SF-301本体にLED・DCコンバータを収めて、リフレクタを装着する。
  
• ブリッジダイオードの2本の〜から出ている足には、それぞれ配線コードを半田付けして接続。この線は、一方をダイナモからの電源コードに、もう一方はアース（普通はヘッドライト内にアース用の電極板が出ている）へ接続する。
• 整流回路の4本足が互いに接触してショートしないように処理し、絶縁テープなどを巻いておく。

■リフレクタの加工と取付け
最近のダイナモ用ヘッドライトは、プラスチック製のものがほとんどで電極版のみ金属という構成になっている。
SF-301に使われているリフレクタは、そのままではヘッドライト側のリフレクタの穴（豆電球をセットする部分）に入らないので、ライト側の穴を削って広げる加工が必要になる。
現在流通しているヘッドライトで、サンヨー製（ダイナモとセットで売られている）は前面レンズとリフレクタがプラスチックの一体成型になっていて、リーマーは使えないのでヤスリなどを使って根気よく加工する必要がある。
ミツバ製（東急ハンズでヘッドライト単体で売られている）は、リフレクタの部分が独立していて取り外し可能な構造なので、リーマー（ただし、25�o程度まで穴を広げられるもの）を使うことができる。
【写真の砲弾型ヘッドライト】
これは三洋製でも上記の現在流通しているものではなく、旧型のもので金属製のボディ、レンズとリフレクタは現在のものと同じくプラスチックだが分離可能。大きさも十分で内部もシンプル。

• ライト側のリフレクタはプラスチックなので、ナイフなどでも削りやすいが、慎重に加工して、SF-301のリフレクタがピッタリ填まる大きさにしなければならない。
• ライト側のリフレクタの厚みはせいぜい1�o程度、本体に装着したSF-301側のリフレクタは2�o以上の長さがあるので、そのまま装着するとライト側のリフレクタに死角ができてしまう。
• そこで、SF-301のリフレクタにシリコン（耐熱性・東急ハンズ素材売場）の輪ゴムを填めて、SF-301のリフレクタがライト側のリフレクタから必要以上に頭を出さないように調整する。
  
• これにより、SF-301のリフレクタによる遠くまで届くスポット的な照射とともに、ヘッドライト側のリフレクタによる広角の照射も得られる。ていうか一石二鳥。

■配線〜最終段階

• サンヨー製ヘッドライト（新型）の場合、内部に電極板が2つ出ていて、一方はダイナモから、もう一方はアース側になっているので、ブリッジダイオードの「〜」につないだ配線コードをそれぞれの電極に接続（どちらでも良い）するだけ。ダイナモからのコードは、ヘッドライト下部に出ている端子に挟めば良いだけなので、保守性・密閉性に優れている。旧型については写真参照。
• ミツバ製ヘッドライトの場合、内部の電極板はアースのみで、ダイナモからの配線はライト下部の小さな穴を通して、ブリッジダイオードの「〜」につないだ配線コードの一方と接続する必要がある。ここは、単により合わせてテープを巻いて絶縁する程度で十分。ブリッジダイオードの「〜」につないだ配線コードのもう一方はライト内の電極板（車体アース側）に接続する。
• 【整流回路の外付け】上記以外のヘッドライトで、ライト本体の容積が小さく、整流回路を収めるスペースが確保できない場合、整流回路と配線をまとめて外付けのプラスチックケースなどに収める方法もある。この場合、ケースの防水、自転車への固定方法などにも留意。
  【注】コンデンサを使用しない整流回路（ブリッジダイオードのみ）なら、かなり小さなヘッドライトにも収納することが可能。

SF-301をそのまま懐中電灯として使用する場合、本体全体でLEDの発熱を吸収して放熱するような構造になっているが、ここでは一部だけを使用した工作なので、LEDの発熱と寿命については長期間使用してみないと結果は出ない。
要するに、放熱対策が不十分な改造によって、高価なLEDが壊れたり、寿命が短くなってしまう可能性は十分考えられるので、あくまでも改造は自己責任で。

■材料

• SF-301……LED（Luxeon Star 3W）・テールキャップと電池以外全部使う。
• ゴムパッキン……水道用補修部品。上記SF-301のテールキャップとして使う。ケーヨーデイツーで購入。
• ブリッジダイオード1個（数十円）
• 電解コンデンサ……1個。平滑化用。耐圧50V・【注】使用せずに整流回路のみでも可。

■製作

1. ブリッジダイオード（平滑化したい場合は電解コンデンサを加える）で整流回路を作成。
2. ブリッジダイオードの＋側の配線コードをDCコンバータの電極に半田付け。
3. ブリッジダイオードの−側の配線コードは、SF-301本体内の任意の場所に接続。
4. ブリッジダイオードの「〜」からの2本の配線は、テールキャップ（ケーヨーデイツーで購入したゴムパッキン）の穴から外へ出し、ダイナモ及び車体アースへの配線として使用。
5. 上記加工済みのSF-301本体を、任意の場所に固定。また、SF-301本体が自転車の金属部分に接触（アース）していれば、アース用の配線は不必要になるので、ダイナモ用の配線のみで足りる。
6. SF-301の本体をそのまま生かしているので放熱の心配がない。
7. 【問題点】SF-301をそのまま使うので、照射範囲がスポット的で狭い。

■Luxeon Star 3Wの すごい 威力
LEDの特性から、歩くような低速から坂道を40キロオーバーで下る時もほとんど変わらない明るさで照射する。停止する寸前まで点灯しているし、押し歩いている時でも照らしている。リム（ブロック）ダイナモをリム（タイヤ）に押しつけてない状態で、指で軽く回すだけでも点灯するほど。
歩行者や四輪などに対する視認性が優れていることは言うまでもないが、ライトの角度は歩行者や他の交通機関との関係（上向きになっているとまぶしいはず）をよく考慮した上で決めるべきだろう。

■注意

• 改造はくれぐれも自己責任で。

■材料

• ダイナモ駆動によるテールライト装着可能な自転車
• 基板
  • サンハヤト製・東急ハンズで購入
  • LED3本、定電流ダイオード3本のみの工作なので、必要最小限の大きさがあれば足りる。
  • 銅の縁取りのない方が表でLEDと定電流ダイオードを差込む側・裏は半田付する側。
• 5φの超高輝度・赤色LED3個……2V・20mA・東急ハンズで購入
• 定電流ダイオード(CRD)3個……15mA（E153）・秋月で購入
• 一般整流ダイオード1個……半波整流回路用
• その他……配線コード（0.3〜0.5mm）・ゴムキャップ（基板の裏面保護）・輪ゴム（ユニットをランプ内に固定）・キボシ端子セット・圧着スリーブ・ハンダなど

■基板への取付け

• 【極性】定電流ダイオード……帯印のある方が−（カソード）
• 【極性】LED……足の長い方が＋（アノード）
• ダイオードもLED(発光ダイオード)も、ダイナモからの交流電流は＋側（アノード）から入力して−側（カソード）へ流す
• 基板上の配置
  1. （↓　基板上の穴のつもり）
  2. 【一列目】　●○●○●
  3. 【二列目】　●○●○●
  4. 【三列目】　○●●●○
  5. 黒●へLED及びダイオードの足を差し込む・白○は空き
• 【一列目】LEDの−側の足を差し込む
• 【二列目】LEDの＋側の足とダイオードの−側の足をまとめて差し込む
• 【三列目】ダイオードの＋側の足を差し込む
• 裏側に出た足を根本で半田付けし、余った部分は切り取る。
• 一列目と三列目は、それぞれ配線コードと足をかしめて半田付け。
• 外側のLEDを傾けて配置すれば、基板の穴は3×3で済ませることが可能。

■整流ダイオード追加

• 上記LEDとCRD（定電流ダイオード）のみの構成では、逆電圧によってLEDが壊れる可能性がある（たいていの超高輝度LEDの逆電圧耐性は2〜4V）ので、整流ダイオードを追加して半波整流する。
• 整流のみでコンデンサ（平滑化）は不用。
• 整流ダイオードの向きは、定電流ダイオード・LED（発光ダイオード）と同じ。

■配線と取付け

• 基板の裏側（半田付けした方）はゴムキャップをかぶせて保護と絶縁。
• 全体の配線は
  [ダイナモ]＝＋[整流ダイオード]−＝＋[CRD]−＝＋[LED]−＝[アース]
  それぞれのダイオードの位置は交換可能。
• 自転車への取付けの前に、＋側に電池の＋、−側に電池の−電極を接続してテストできる。
• ＋（アノード）と−（カソード）を間違えないよう注意。

■その他

• 赤色発光ダイオード(LED)は効率が良いので、最低限の構成で十分実用になる。
• 今回は超高輝度LEDを3本使ったが、たぶん、1本でも十分。
• 同様の理由で、20mAのLEDに10mAの定電流ダイオード2本（並列）を使って定格どおりの20mAを流す必要はない。
• 走り始めは点滅しているが、10km/h程度も出れば点灯しっぱなしに見えるようになるので実用上は十分。

■写真１

• 多摩川サイクリングロード沿いの公園。
• 製作過程（第一　１）の写真に掲載したサンヨーの旧型ライトに組み込んだSF-301で使用中の実用車（ナショナルレギュラー）
• テールライトには第二で紹介した超高輝度LEDが組み込まれている。
• サンヨーの6V・3.2W×2系統というブロックダイナモでヘッドライトとテールライトを駆動。
• 主として通勤・ポタリングに使用。現在までトラブル皆無。

■写真２

• 小峰峠旧道のトンネル。
• 向かって右側が、SF-301をナショナルの砲弾型ライトに組み込んだTOEIスポルティーフ。
• 左側は一般的な6V3Wの豆電球（ソービッツ丸玉）を装着したランドナー。明るさの差は一目瞭然。
• ダイナモは両車とも同じソービッツ製の6V3W出力。
• 主として休日のランに使用。現在までトラブル皆無。

• 【謝辞】ここに至るまで、いろいろと助言を頂いた方々に厚く御礼申し上げます。電気の初歩的な知識すら全くなかった私が、ここまで来られたのもその方々のお蔭です。
• 【参考文献１】『図解でわかる電気回路のしくみ』稲見辰夫・稲見昌彦著／日本実業出版社……自転車の絵まで載っていて初心者に有難かった。
• 【参考文献２】『実用電源回路設計ハンドブック〜整流回路からスイッチング・レギュレータまで〜』戸川治朗著／CQ出版社……整流回路の基本的な考え方（クネクネした交流電気をきれいな直流電気にしてやれば良いんだという程度）を理解するのに役立った。しかし、計算式や理論的な話になるとサッパリだし、理解できない部分がほとんど。
• ともかく、この方面の知識のある人には当然の前提となっている事柄が理解できないので参った。回路図を見せられてもチンプンカンプンだし、ダイオードやLEDのプラスとマイナスの区別もつかず、そもそも、どう接続すれば良いのかもサッパリだった。
• 基板を使うのも初めてだった。半田付けの経験はあったが、DCコンバータの小さな電極板を見た時には途方に暮れてしまった。
• SF-301のテールキッャプに組み込まれているスイッチを外そうとして、無理矢理やって1台のテールキャップを壊してしまった。
• SF-301のDCコンバータをさらに分解（電極板を外そうとした）しようとして悪戦苦闘。線が1本取れてしまい、小さな基板上に自分で半田付けしなければならないハメになったり。そこまでする必要がないことに後で気が付いた。
• 欲張って買ったひと回り大きなコンデンサを使った整流回路をSF-301本体に収めるのに苦労した。
• コンデンサの容量でいろいろ悩んだが、シンプルに整流のみで行けることが分かって脱力。
• ナショナル製の小振りなヘッドライトにLuxeon Star 3Wを組み込むのは難しかった。結局、整流回路はプラスチックケースで外付けにした。しかし、後に平滑化（コンデンサ）も不用であることが判明。
• 自分の好み（ポリシー）
  • 自転車のヘッドライトは砲弾型が好き。
  • ヘッドライトの位置は中心の高い位置が好き。ダイナモの横（一体型・ママチャリなどに多く見られる）などはイジケているようでいやいや〜ん。
  • リムダイナモ、ブロックダイナモが好き。ハブダイナモが優れていることは認めるが、自分としてはいまいち馴染めない。
  • ブッシュ・アンド・ミューラーのブロックダイナモ（6Vだけでなく12Vバージョンもある）と同等以上の性能のものを国内メーカに安価で提供してもらいたい。
  • 電池式のライトはいやいや〜ん。点滅しているともっとイヤ。赤の点滅は最悪。
  • しかし、ロードには余分なものを一切付けたくないので、電池式ライトを使っている。
  • 幅寄せする四輪・自転車をナメて突っ込んでくる対向右折車は逝ってよし。
  • 携帯しながらフラフラしている歩行者は危ない。
  • 実用車は通勤・買物・街乗りに最強の友。
  • 笑いかけてくる金髪の美少女はスキスキス〜♪
  • ロードでコケて醜態を晒したオレに「大丈夫ですか」と声をかけてくれたようじょもスキスキス〜♪
  • その後の製作関連記事は「[Cycle & Fitness」にあります。