自転車ライトの点滅化改造ページに「１００円ショップ自転車用点滅ライト（赤色の尾灯）を改造して白色ＬＥＤ化していますよ」という投書を木下様(仮名)という方から頂きました。
　面白そうなのでメールで何度か連絡し、木下様の元の回路を二人で更に改良することで今回発表する改造ランプができあがりました。

　ここしばらくはチョッパ型の昇圧型DC-DCコンバータ形式の回路を使った記事が続きましたが、もう１つの昇圧回路の基本であるチャージポンプ回路を使った電子工作をご紹介する良い機会だと思い記事化しました。

　ザ・ダイソーで右の写真のような自転車用点滅ランプが販売されています。(税込み105円)
　自転車−１５１という商品番号です。

　透明ケースの中に赤色ＬＥＤが５個ついていて単４電池２本(別売)で光らせています。
　裏のスイッチを押すと常時点灯と６パターンの点滅の合計７パターンが順次選択できます。

　ケースが透明なので『白色ＬＥＤのライト！？』と勘違いしそうなちょっと怪しい面もあります。

　電源が３Ｖですのでそのまま赤色ＬＥＤを白色ＬＥＤに交換しても、一応点灯はしますが白色ＬＥＤをじゅうぶん明るく点灯させるだけの電圧ではありませんので、暗いですし電池が少し減るだけですぐに電圧不足でつかなくなってしまいます。

　何らかの改造を加えないとこのライトを明るく光る白色ＬＥＤ化するのは無理です。

　このライトの中の基板はこんな感じです。


　ＬＥＤが５個と、基板の中央にモールドされた点滅ＩＣがついているのがわかります。
　点滅パターン選択スイッチは接点を形作るパターン(櫛形の部分)に導電ゴムを押し付けるタイプです。電源を切るスイッチはありません。(８回押すと消灯に戻る)

　回路図はこうなります。

　５つのＬＥＤは全部独立しているのではなく３つのグループになっています。
　ＬＥＤをつける端子(出力ポート)は測定した結果オープンコレクタタイプのようです。電圧出力は無くＧＮＤへの引き込み専用です。

　赤色ＬＥＤの状態で、点灯時各ＬＥＤには約４０mAの電流が流れています。
　制限抵抗は特に無くＩＣ内部の出力トランジスタの飽和電圧ぶんにあたるほんのわずかの電圧減だけで、ほぼ直接電池の電圧がＬＥＤにかかっています。

　電源ＯＦＦスイッチはありませんが、ＬＥＤが全部消灯している時はＩＣにマイクロアンペアメーターでも計り難いような微弱な電流しか流れていませんので、ほぼ電池の消耗はありません。

　点滅している時はＬＥＤに定格以上(約２〜４倍の４０mAも)の電流を流してもこの機器の場合はＬＥＤは壊れませんが、常時点灯状態で４０mAも流してしまうと極端にＬＥＤの寿命を縮めてしまいます。
　「どうせ中国製だし、そんな所はちゃんと考えていないんじゃないの？」とも思いましたが常時点灯しているＬＥＤを見るとどうも点滅状態より暗いのです。

　そこでオシロスコープを繋いで調べてみると、常時点灯時は約１５０Ｈｚでデューティ比２５％くらいでパルス点灯させていました。
　常時点灯時でもＬＥＤが痛まないように、ちゃんとパルス制御で電流制限をかけていたのです。単４電池にしては大きな電流なので、電池を長持ちさせるという意味合いもあると思います。
　ちょっと中華回路を見直しました。

　で、ここで特に流用する程の物でも無いし・・・と私は長い間放置していたのですが、今回木下様より「このパルスを利用してチャージポンプを働かせて白色ＬＥＤ化しています」というご連絡を受けて、「なるほど、その手があったか！」とこのライトの利用価値がグン！と上がったというわけです。

【注意】
　今回は点灯時(常時点灯時も)ＬＥＤドライブ出力が発振している回路なのでこの改造ができるものです。
　発振しないタイプのライトでは同じ改造をしてもチャージポンプは働きませんのでご注意ください。

　では、この回路にチャージポンプ回路を追加して、白色ＬＥＤを点灯するのに必要な電圧を作る昇圧回路を組み込みます。
　改造後の回路図はこのようになります。
・赤色ＬＥＤを白色ＬＥＤに交換。
・ＬＥＤのコモン(＋側)を電源＋から切り離してチャージポンプ回路に繋ぐ。
・チャージポンプ回路を追加。(各ＬＥＤの−側を発信源にする)

　の３つのポイントになります。

　各ＬＥＤの−側、すなわちＩＣの出力端子は常時点灯時には約１５０Ｈｚで発振しています。
　また点滅パターンの場合にはその点滅周期で発振している発信源とみなせます。

　その発振信号を昇圧回路の発信源にしてチャージポンプを働かせようというものです。

* 追加 *
　「常時点灯」時の発振出力は、ダイナミック点灯ではなく全グループが同時にON/OFFしています。
　最初はダイナミック点灯ではないのか？(電気屋的に考えればそれが最適)という所から設計が始まっていますが、実際に測定して全部同時に動いていることを確認していますので今回の回路図のようになっています。
　「常時点灯」では全出力同時に、「点滅」では各出力別にＧＮＤに引き込まれますので、どちらの点灯パターンの時でも昇圧できるようにしています。

● チャージポンプ昇圧回路のはたらき
　ここでチャージポンプ昇圧回路がどのようにして昇圧するのかを説明します。

　チャージポンプとは、「ポンプ」の名の通りコンデンサに電気を溜めたり流し出したりしてまるで水を送るポンプのように電気を吸ったり吐いたりする回路のことです。
　電気を吐き出す時に、電源の電池とコンデンサを直列にすると電圧は最大約２倍にすることができます。

● コンデンサに電気を溜める
　ＬＥＤが点灯していない時間にコンデンサに電気を充電します。

　ＬＥＤが点灯しないとき、ＩＣの出力ポートはＯＦＦで電流のＧＮＤへの引き込み動作はしませんのでトランジスタはＯＮにはならずトランジスタに電流は流れません。

　トランジスタがＯＦＦの状態ではコンデンサには電源からダイオードを通って＋から−に電流が流れ、充電されます。
　充電完了までの時間は保護抵抗の値により変わります。


● コンデンサから電気を吐き出す
　ＬＥＤが点灯する時はＩＣの出力ポートは内部でＧＮＤに接続されます。

　その信号を抵抗でトランジスタのベースに接続することで、ＬＥＤ点灯時に同時にトランジスタをＯＮにします。

　トランジスタはコンデンサの−側を電源の＋側に接続するよう接続されていますので、ＯＮになると「電池」→「コンデンサ」と直列接続したようになり、コンデンサの＋側からＬＥＤに電池とコンデンサに溜められた電圧を足した電圧が供給されます。
　これでＬＥＤには電池電圧より高い昇圧した電圧がかかり、電池２本の３Ｖからでも白色ＬＥＤを点灯させる電圧を供給できます。

　コンデンサとＧＮＤの間に接続されている制限抵抗には、コンデンサ充電時には充電電流が流れますので抵抗値が小さいほうが良いのですが、放電時にはトランジスタを通じて電源に接続されてしまうために何にも使われない無駄な電流が流れますのでなるべく大きい抵抗値にする必要があります。
　大きすぎると十分に充電できずにＬＥＤは暗くなり、小さすぎると電池を無駄に消費したりトランジスタを壊してしまったりします。
　このライトの発振周波数には個体差でかなりのバラつきがあるようですので、１００Ωから１ＫΩの間くらいで適宜カットアンドトライして決めてください。

　図ではいちばん上のＬＥＤ(外側２個)が点灯している様子で線を描いています。
　「点滅パターン」でどれか１組が点灯している瞬間は図のようになります。
　「常時点灯」では、３組全てが同じようにＯＮになって同時に点灯します。

　今回使用した部品はこんな感じです。
　なにしろ点滅ライトの基板とケースの隙間が数ミリしか無く大きな部品を使うとうまく収まりませんので、厚みのある部品はなるべく小さな部品を使います。
　トランジスタは手持ちの２ＳＡタイプの２ＳＡ１０４８を使用しましたが、小信号用のＰＮＰタイプであればなんでもかまいません。お店で「２ＳＡ１０１５互換品でパッケージが小さい物」と言って購入すればよいでしょう。
　写真では標準的なTO-92パッケージのトランジスタ(2SC1815)を比較用に並べています。

　そして今回の改造で最も苦労したのは１００μＦの電解コンデンサで直径が３〜４ミリ以内の物を探すということです。
　一般的なアルミ電解コンデンサでは７〜８ミリ程度以上の太さがあり隙間に全く収まりません。積層フィルムコンデンサ等で適当な小ささの物が無いかと探していたら、手持ちのパソコン関係のジャンク基板の電源回路に１５０μＦのチップコンデンサがいくつか載っているのを見つけましたのでこれ幸いと基板から剥がして使用することにしました。秋葉原のチップコンデンサを売っている店などでも新品を入手可能だと思います。
　容量２００μＦ以上にしてしまうと、十分に充電できずにＬＥＤが非常に暗くなります。逆に５０μＦ程度では容量不足で明るく光りません。１００μ〜１５０μＦの部品を使用してください。

　どうしても超小型の１００μＦの電解コンデンサが入手できない場合は、ケースを一部削るか、上側に付いている銀色の反射板を一部カットしてコンデンサが入る隙間を作ればなんとか入ります。
（共立電子で４Ｖ１００μＦの電解コンデンサが販売されていて、かなり小さいのでケースを削らなくても使えるのではないかと思います）

　改造後の基板はこんな感じです。
　必要な部分をパターンカット、グリーンレジスト剥がしを行った後に各部品を載せてゆきます。ＬＥＤは赤色をとり外して白色ＬＥＤに替えています。
　抵抗も1/8W品を使えばもっと小さくなりますが、その部分はこれ以上厚みを少なくする必要も無いので1/4Wの物を使用しています。写真では他部品が小さいので抵抗が大きく見えますね。
　制限抵抗の値はカットアンドトライで１２０Ωにしました。

　ダイオードは少しでもコンデンサに多く充電電圧をかけられるようＶｆの低いショットキータイプを使用すべきですが、実際の回路ではＶｆが0.6Vのごく普通の小信号用ダイオードまたは整流用ダイオードでも充電電圧には微々たる差しか現われませんでした。
　特に高価なショットキーダイオードで無くても５〜10円くらいの小信号用ダイオードでじゅうぶんです。

● 詳しい改造手順
　本記事を公開後、「完成写真を見ても改造方法がわかりません」という投書を何通か頂きました。（頑張って勉強して自分で工作できるようになってください…）
　参考までに改造手順を掲載します。
　元からついている赤色ＬＥＤを全て取り外します。
　基板上の３箇所(白い丸の中)をパターンカットします。
　これでＬＥＤのコモンを電源から切り離します。同時にＩＣの電源端子も電池の＋から切り離されますので、後にリード線で接続します。
　基板上の４箇所(赤い丸の中)をグリーンレジストを削ってパターンを露出させます。
　後で部品やリード線をハンダ付けするポイントになります。
　基板の表側に白色ＬＥＤを５つ載せます。極性に注意してください、写真の下側がＡ(アノード)上側がＫ(カソード)です。逆にすると光りません。
　つぎにパターン面にダイオード・電解コンデンサ・抵抗を載せます。ダイオード・電解コンデンサにも極性があります、写真を見て正しい向きに取り付けてください。
　黄色い丸の部分は基板のパターンにハンダ付けします。赤い丸の部分は部品の足同士を接続するだけです。
　１ＫΩ３本の足を接続した側は、次にトランジスタを載せるまでは宙ぶらりんのままでＯＫです。
　トランジスタを載せます。向きは表がこちらを向くようにします。
　黄色い丸の部分はダイオードの足と同じところにハンダ付けします。赤い丸の部分は部品の足同士を接続するだけです。
　ダイオード・電解コンデンサの側は２本の足が同じ方向に伸びていますのでショートしないよう注意してください。
　ＩＣへの電源(赤い線)とＬＥＤ電源(黄色い線)の渡り線を接続します。
　どちらもパターンカットをした部分のすぐ横にハンダ付けしますので、カットした部分をハンダで繋いでしまわないよう細心の注意を払ってください。

　接続間違いや、違う配線・ハンダ付けポイントとのショートが無いかよく確かめたら基板の改造は終了です。
　電池を仮配線で接続してみて、スイッチ部のパターンにゴムスイッチ(元からある部品)を押し付けて点灯や点滅するかのテストをします。

　ケースに入れて完成！

　電池ボックスの部分に部品がはみ出たり、追加回路が厚すぎてちゃんとネジ止めできない、などの不都合も全くありません。
　改造した部分が全く見えないので、電池を交換する為にフタを開けても改造機だとは気付かないほどです。

　今回のチャージポンプ昇圧回路がどのような働きをしているのかを確認してみましょう。

　テストはブレッドボード上で部品定数の確認などを行っている状態で行いました。

● 改造前
　これは改造前のチャージポンプ無しの状態で、ＬＥＤにどのような電圧がかかっているかを測定したものです。

　「常時点灯」状態のパルス点灯の様子を測定しました。
　約6.6msec周期(約151Hz)で、約1.9msecの間点灯するパルスとなっています。

　ＬＥＤにはほぼ電池の電圧しかかかっていません(約2.9V)。白色ＬＥＤはなんとか点灯はしますが本来の眩しい位の輝きではありません。
※ ＯＦＦ期間に波形が乱れているのはオープンコレクタの為ＯＦＦ時はＬＥＤは完全に浮いていて、オシロが高感度すぎて周辺ノイズを拾っているからです。

● 改造後
　チャージポンプが働いて、点灯時に電圧が上がっているのがわかります。

　常時点灯では同時に５つのＬＥＤを点灯していますので、１００μＦ程度ではあまりパワーが上がらずに３．１Ｖ程度となっている様子がわかります。

　わずかな電圧上昇ですが、ＬＥＤの定格電流を流す電圧範囲に入っていますので明るさは2.9Vの時とは断然違い明るくなっています。


● コンデンサ電圧
　コンデンサに充電されている電圧です。

　今回の充電周期では約０．９Ｖまで充電したところでＬＥＤと接続され、約０．３Ｖまで放電しています。

　この充電量はコンデンサの容量と制限抵抗の値で変わります。



● 点滅
※ 横幅が20msec/DIVと上の写真の１０倍です。
　常時点灯ではなく、全部のＬＥＤを同時に点滅させた時にＬＥＤにかかる電圧です。

　パッ‥‥パッ‥‥パッ‥‥と間隔を開けて点滅するのでＬＥＤが消灯している時間が長くコンデンサに充電された電圧も高くなっています。
　約３．６Ｖ(観測波形の外側での実測値)と白色ＬＥＤを点灯させるのに十分な電圧まで上がっていますので、この点滅周期ではＬＥＤが眩しすぎるくらいの明るさに光ります。

　しかし点灯時間は約50msecありますが、10msecも持たずにコンデンサは放電しきってしまっています。
　このように常時点滅のような約6.6msecの発振ではなく、コンデンサに充電した電気を単発で放電してしまうような光らせ方だと「光った瞬間はすごく眩しく、しかし瞬時に暗くなってしまう」という光り方をします。

　点滅パターンでは『目立つことが目的』ですから、各点滅サイクルで一瞬でも強力に光れば人間の目の残像減少で強力な光の印象が続きますので、このような瞬間だけの昇圧でも効果は絶大です。
　パパパパパパ…と速い点滅の場合はこの最高の明るさでの瞬時発光がずっと続いているように見えて、それはもう眩しくて直視できません。

● 消費電流
　この回路が消費する電流を測定してみました。

　常時点灯(発振)状態で、ＬＥＤ点灯時は60〜82mA、ＬＥＤ消灯・コンデンサ充電時で10〜13mA流れています。

　点灯中にＬＥＤ一個には約十数mAが流れているようですので、完全にフル発光しているわけではありませんが、直接電池電圧３Ｖで光らせるより目視の感覚的には２〜３倍明るく光っています。

　しかしこれはあくまで「目印ランプ」としてこのランプを人間の目が直接見た時の明るさの感覚です。(正面から直接は見ないでください)
　「照明」としてこの改造ライトで室内や道路の足元を照らした場合はやはり白色ＬＥＤを電流不足で光らせている程度の明るさにしか照らせません。
　改造には超高輝度ＬＥＤを使用しましたが、照明としての明るさでは１００円ショップのＬＥＤ一個のキーホルダーライトと同じくらいです。
　自転車の目印灯として使用するには眩しすぎるくらいの明るさですが、暗闇走行で路面を照らすライトとしては使用できないレベルです。安全のため、元の「目印灯」(無灯火防止の前照灯程度)としての利用目的以外には使わないようにしましょう。

　常時点灯の際に発振(パルス点灯)させていて『暗い』というマイナスポイントのあった自転車ランプを、その発振を「チャージポンプの発信源に流用してしまう」という発想の転換をされた木下様のアイデアには敬意を表します。
　改良する為にメールのやりとりをしている間にも他の機器の改造・流用ネタをお教え頂いたりと「技術交換」とでも申しましょうか、同じように電子回路を弄ってる者同士で楽しい時間を過ごさせて頂くことができました。

　木下様、本当にありがとうございます。

　電子回路の可能性と、おバカな改造には「これで決まり！」という絶対の正解はありません。
　技術者が何人も居れば出て来る答えも沢山あります。

　この記事を読まれている皆さんもぜひ色々な改造や自作回路を製作して、電子のパズルを楽しんでください！