タミヤから発売されているミニ四駆用の「ニカドバッテリー自動放電器」、１０００円（ジョーシン店頭特価では８４０円）という手頃な価格で単三充電池を放電させる機器としてはリーズナブルな製品です。

　しかし開発された当初は今のような高容量のニッケル水素電池は無く７００〜１０００mAhのニカド電池用に設計されています。
　また子供が使うものですから、多少乱暴に扱っても事故の無いようかなりの安全係数で作られています。

　現在主流のニッケル水素電池を本製品で放電させようとすると気が遠くなるほど時間がかかったりして実用的とは言えません。
　そこでこのニカド専用放電器をいまどきのニッケル水素電池対応の高性能放電器に改造できないかを調査(そして改造)するとともに、いくつかの疑問点を解決してゆきたいと思います。

　「放電器」とはなんでしょう？
　ニカド電池・ニッケル水素電池は、完全に放電(*1)せずに使いかけで充電すると電池内部でその途中充電した容量を記憶してしまい、フル充電してもその記憶した途中の時点までしか使えなくなってしまう性質があります。これを「メモリー効果」と言います。メモリー効果が起きてしまった電池は本来の性能をフルに発揮することができません。
　メモリー効果が起きてしまった電池を元の状態に戻すには、完全に放電(*1)してからフル充電することを数回繰り返せば戻ると言われています。
　また、使用途中に充電しなければならない場合には一度放電してバッテリーを空(*1)にしてから充電する（この一連の操作を「リフレッシュ」と言います）とメモリー効果は起きません。
　最近では「リフレッシュ機能」つきの充電器も発売されていて、自動的に放電と充電を順次行ってくれて常にベストな状態を保つ製品もあります。

　使用する機器によりバッテリーをどれくらい使用してから充電するのかもバラバラですし、ミニ四駆のようにモーターがまだまだ回るけどスピードが落ちたのでもう使わないで充電するというまるで「メモリー効果を起こしてくれ！」と言わんがばかりの使い方をするには放電器は必要不可欠となります。

　そこで手軽に使えて安価なタミヤ製の放電器がよく使われているのですが、いくつかの疑問も聞かれます。

疑問１．本当に放電の終了を正しく検知しているのか？

　先に書きましたように、ニカド電池・ニッケル水素電池は終止電圧(約１Ｖ)を越えて放電させると電池を痛めてしまいます。
　ですので放電させるのに「懐中電灯に入れて電気を点けっぱなしにして消えるまで放置」「モーターを回しっ放しにして止まるまで放置」するようなことをすると、過放電で電池の性能が著しく悪くなります。

　タミヤ放電器では放電中を示す赤色ＬＥＤがついていて、放電が終わると消灯すると書かれています。
　たった１０００円の機器で放電終止電圧の検出をちゃんと行っているのか？
　終止電圧を検知してスイッチが切れる感じではなく、なんとなくぼ〜っとＬＥＤが消えて行くけど、ダイオード直列法のような非常に簡易な終止電圧保持回路ではないのか？

疑問２．放電電流はどれくらい？

　実際に「２０００ｍＡｈのｅｎｅｌｏｏｐを放電したら一晩でも終らなかった」という話を聞きました。放電が終ったら充電器に入れて充電しようとしたけど一晩中寝れなかった(苦笑)という悲劇が…
　果たして本製品の放電電流はどれくらいなのでしょうか？　「モーターを回したほうが早い」という噂は本当？
　また放電回路はどのような物なのでしょうか？　それは改造可能なのでしょうか？

　それでは早速中を見て見ましょう。

　ケースの裏でビス２本で蓋を閉じています。
　１本はすぐ見えますが、もう一本は説明書になっているシールで隠れています。シールを剥がすか指で探ってビス穴のある所を少し破ってビスを外します。

　ケースを開けると上部に回路基板があります。
　基板は電池ホルダーの金属端子にハンダづけされて固定されていますので、ハンダ吸い取り器などでハンダを取り去って外します。

　取り外した基板です。

　トランジスタ５石、８．２Ω金属皮膜抵抗を負荷にした放電回路であることがわかります。
　最近の放電器では主流の基準電圧発生チップや電圧比較器は影も形も見えません。ＰＩＣマイコンのような小型ＣＰＵによる制御でもありません。
　しかしトランジスタが５石も使われているところを見ると、単に電圧がある限り負荷抵抗に電流を流しっ放しにしているだけでは無さそうです。何らかの放電制御回路が組まれていると考えるのが妥当でしょう。

　基板パターンを解析して回路図を作成してみました。

　回路図の左側半分が「放電の開始・終了(保持)の制御部」です。
　右側半分が「放電回路」です。実際に放電をしているのはこちらです。

●放電回路を見てみましょう。
　Ｒ７(抵抗)からＱ３(トランジスタ)のベースに電流が流れると、Ｑ３→Ｑ４→Ｑ５と状態が反転されてＱ５がＯＮの状態となり、バッテリーの電気はＲ１０とＱ５を通って放電されます。
　ＬＥＤもＲ１０と並列に接続されていますので点灯します。
　もしＲ７からＱ３のベースに電流が流れなくなる(Ｑ２がＯＮになる)と、右図のように状態が反転してＱ５はＯＦＦとなり充電電流は流れなくなります。

　つまり、この放電回路はＱ３のベースに電流を流すか流さないかでＯＮ／ＯＦＦできます。

●放電の開始・終了(保持)の制御部を見てみましょう。
　Ｑ１とＲ１Ｒ４Ｒ６で電圧検出回路を構成しています。
　Ｑ１のベースにはＲ１：（Ｒ４＋Ｒ６）の比で分圧された電源電圧(電池電圧)が加えられます。(赤線)
　この分圧された電圧でＱ１が動作する点を電池の終止電圧になるように各抵抗値は計算されています。(ここ重要！)
　Ｑ２は放電停止制御用のトランジスタで、ベースにはＲ２Ｒ３Ｒ５を経由して電流(青線)が流れる回路ですが、Ｒ３Ｃ１で構成される積分回路のため電源投入直後はＣ１に電荷が溜まっていないのでＣ１に電流が流れ、Ｃ１の充電が終るまでＲ５に電流が流れませんのでＱ２はＯＮにはなりません。
　Ｑ２がＯＦＦの状態なので、Ｒ６Ｒ７を通ってＱ３のベースに電流が流れますから放電回路はＯＮになります。
（本当は、電池をセットした瞬間にＱ１が電圧チェックをして放電が必要な場合は最初からＯＮになりますのでＲ３Ｃ１の積分回路が充電されることはありません。もし放電の必要の無い電池をセットしたら、Ｑ１はＯＮにならないのでＣ１が充電されるまでの一瞬だけＱ２がＯＮにはならずに放電回路をＯＮにしＣ１の充電完了と共に放電ＯＦＦ状態になります、その放電ＯＮの間一瞬だけＬＥＤがピカッと点灯します。）

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　Ｑ１のベース電圧が設定値より大きい場合(放電させる必要がある)、Ｑ１がＯＮになります。
　Ｑ１がＯＮの場合Ｒ３Ｃ１の積分回路には電流が流れません。Ｃ１は放電した状態を保たれます。
　Ｃ１が充電されていないとＱ２は働かないので、Ｒ７から先の放電回路はＯＮのままです。

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　Ｑ１のベース電圧が設定値より小さくなった場合(放電停止させる必要がある)、Ｑ１がＯＦＦになります。
　Ｑ１がＯＦＦになるとＲ３Ｃ１の積分回路に電流が流れ、Ｃ１の充電が始まりますが、Ｃ１が充電されるまで(ほんの一瞬ですが)はまだ放電回路はＯＮのままです。

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　Ｃ１が充電完了するとＱ２がＯＮになり、Ｒ６を通った電流はＲ７から先には流れなくなり放電回路はＯＦＦになります。
　これで放電終了です。

　単純にＱ１の電圧検知部からＱ２の充電停止制御部を直接接続しているのではなく、Ｒ４Ｃ１の積分回路でヒステリシスを持たせているのは、電池挿入時の微接触不良など(子供が扱う物ですし)を規定値までの電圧低下と誤判断して放電を停止してしまわないようにしているものと考えられます。

　そしてＱ２がＯＮになったことで同時にＲ４Ｒ１にも電流が流れなくなります。
　ここがこの回路の第二の重要ポイント！
　Ｒ４Ｒ１の分圧回路に電流が流れなくなると、絶対にＱ１がＯＮになることはありません。つまり一度放電ＯＦＦになると電源を切る(電池を外す)まで二度と放電を再開することはありません。検出回路がＯＦＦでロックされた状態が作られます。

　なぜ「検出回路がＯＦＦでロック」みたいな面倒なことをしているのでしょうか？
　基準電圧を調べて放電のＯＮ／ＯＦＦをスイッチするだけではだめ？
　電池は負荷をかけて電流を流す間は電圧が下がりますが、負荷を外してしまうと自己回復力でまた電圧がある程度まで上がってゆきます。
　もし単に「規定電圧より上なら放電ＯＮ、下なら放電ＯＦＦ」とだけ検査していたら、放電を停止させた後に回復した電圧でまた放電を開始し、放電停止と再開を延々と繰り返して、電圧が残っている限りエネルギーを搾り出すことになり電池を痛めてしまいます。

　そうならないように、放電器では終止電圧まで放電したことを検知したら、放電を止めてそのまま再度放電を続けないようにすることが必要なのです。
　放電器を使用することは、先に書きました「懐中電灯をつけて放置する」のとは違うことがおわかりいただけるかと思います。

　現在主流の放電器では、精密な基準電圧発生ＩＣや高性能コンパレータ(比較器)、またはＡ／Ｄ変換回路を内蔵したワンチップマイコンなど技術の粋を集めた電子回路で制御することが多いのですが、本機ではたったトランジスタ２個と周辺に部品数個でそんな高性能パーツと同じ働きをさせています。
　単純なディスクリート部品だけで構成した回路なので精度は多少劣りますが、「ニカド電池の放電器」という機械の目的を達成するぶんには十分な働きをする回路です。

　まるでパズルのような動作をするこの回路はアナログ回路の面白さを再認識させてくれます。

　さて、本機の中身がどうなっているかは解析できました。

本当に放電の終了を正しく検知しているのか？

だいたい正しく検知しています
　実際に測定したところ、電圧検知部でほぼ「１．９Ｖ〜１．８Ｖ」で放電を停止させています。
　１セルあたり０．９５Ｖ〜０．９Ｖ程度となりますので、０．１Ｖ程度深く放電させてしまうこともありますが、だからといって電池を激しく痛めるような過放電ではありません。
　多少のブレがありますが、単純な回路ですのでこのくらいは許容範囲内です。

放電電流はどれくらい？

最大約３００ｍＡ、放電終了前約１５０ｍＡ
　単純計算では、バッテリー２本で２．６Ｖを８．２Ωの負荷抵抗にかけた場合、約３１７ｍＡとなります。
　終止電圧間近の２．０Ｖ(よりちょっとだけ上)を８．２Ωの負荷抵抗にかけた場合、計算上は約２４４ｍＡとなりますが実際には１８０ｍＡ程度しか流れていません。

　これは放電スイッチで使用しているトランジスタ(Ｑ５)のコレクタ−エミッタ間が完全に０Ｖとならない為(トランジスタの性質で飽和電圧といいます)で、実測で約０．５Ｖでした。
　負荷抵抗にかかる電圧は２．０Ｖ−約０．５Ｖで１．５Ｖ、８．２Ωに１．５Ｖかけると電流は約１８３ｍＡですので実測値とほぼ合いますね。

モーターを回したほうが放電は早い？

残念ながら、モーターを回したほうが早いです

プラズマダッシュ 1900mA 1.83V ジェットダッシュ 1600mA 2.08V ウルトラダッシュ 1000mA 2.16V アトミックチューンPRO 420mA 2.40V トルクチューン 400mA 2.40V レブチューン 400mA 2.41V 放電器 300mA 2.6V

　手持ちのモーターの「空転時」の消費電流を測定してみました。
　電源はフル充電後に少しモーターを回したニッケル水素電池。
　同じモーターでも個体差があると思いますが、単にモーターを回すだけでも無改造の放電器よりは多い電流で放電していることになります。

　但しモーターでは終止電圧で自動的に止まってはくれませんので、充電容量がまだまだたくさん残っている電池をある程度まで放電するのには無改造の放電器よりはモーター（または台に固定して車輪を浮かせたミニ四駆）のほうが良いということです。
　益々この放電器を改造して、より早く放電できるものにしなければなりません。

放電回路はどんな回路？改造は可能？

回路は上記の解析のとおり、改造は「可能」です
　回路を解析した結果、大容量のＮｉ−ＭＨ電池対応に改造できます。

ＬＥＤの表示は正しい？

実は‥‥正しくないです
　放電終了が近づくと電池電圧は２．０Ｖ近くまで下がります。
　その時点では放電電流の項で説明していますが負荷抵抗まわりの回路は右図のような等価回路となります。
　ここでまずＬＥＤ＋制限抵抗にかかっている電圧はＬＥＤの順方向電圧の２Ｖより低くなっていて、薄暗くぼ〜っと点灯する程度の電圧です。
　それだけならぼ〜っと光るのですが、負荷抵抗の８．２Ωと並列接続されているためにＬＥＤを光らせるのに十分な電流が得られなくなってしまいます。(詳しい計算式は省略します)

　そのため、放電完了になる前に既にＬＥＤは暗くなり消えてしまいます。
　「ＬＥＤが消えたら放電完了」と説明書に書かれていますが、実はＬＥＤが消えたタイミングではまだ放電中です。
　かなり放電完了に近い電圧まで下がっていますので、その時点で電池を外しても大きな問題ではありませんが、この事実を知ってしまうとＬＥＤが消えたタイミングで電池を外すのはなんとなく嫌になりますよね。
　かと言ってその後実際に放電がＯＦＦになったことを外見から知る術はありません。
　電池の端子にテスターを当てて電圧をずっと見続けるなんてムダな事はしたくありませんし、無改造の本機ではＬＥＤ消灯からしばらく放置で本当の放電完了とするしか無いですね。
　寝る前に放電器にセットして、朝起きたらＬＥＤが消えていた！ならＬＥＤが消えてからじゅうぶんに時間が経っているので大丈夫でしょう。

　これは改造ポイントに追加しなければなりませんね。

改造１．放電電流を１Ａ程度までパワーアップする
　大容量ニッケル水素電池を従来のニカド電池と同等の時間で放電できる「ニッケル水素電池対応放電器」になるよう改造します。
　放電電流を１Ａ程度にし、そのための回路部品変更と増加する放熱対策について考えます。
※ニッケル水素電池なら２Ａ放電程度でも電池自体は大丈夫なのですが、放電回路の発熱の関係で今回は１Ａまでとします。

改造２．放電電流を自由にコントロール(可変)にする(できたらいいな)
　大容量対応化のついでに、放電電流がボリュームで自由に変更できると嬉しい。
　電池にあわせて放電電流を変更できると何かと便利かもしれない。
　ボリュームで変更が無理なら、スイッチで「ニカド」「ニッケル水素」モードを切り替えられるだけでも良い。

改造３．ＬＥＤ表示が放電完了まで灯いているようにする(できたらいいな)
　ＬＥＤが正しく「充電中」を表示するようにできないか？
　色々と部品を追加する事で目的を達成することは可能。
　しかし「いかに物を追加しないか」というこのコーナーの基本(貧乏)姿勢は貫きたい。
　ケースの空き空間が少ないので、あまり部品を増やすと熱問題にも関わってきてあまり良くない。

改造４．できるだけ原型をとどめる
　改造したは良いが、ケースの外に発熱する抵抗が出ていたりするのは不恰好な上に持ち運び時に破損したりする。
　できるだけケースの外観は変わらないように中の改造だけで済ます。
　発熱の関係でこれは無理かもしれない・・・。

　さて、これらの希望が叶えられるのか、実際の改造記事に続きます。

　全体の回路を解析したところで、放電電流を変更するには回路図の左側の制御部には何も手を加える必要が無いことがわかります。
　改造するのは右側の放電回路です。

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　まずは、本機の放電回路の部分をよく見てみましょう。
　放電電流はＲ１０とＱ５を通って流れます。
　Ｒ５は８．２Ωですので単純計算で流れる電流は(バッテリー電圧２．４Ｖ時)２９３ｍＡです。
（本当はトランジスタのＶce電圧を差し引いて計算する必要がありますが…）
　それを駆動しているＱ５に使用しているトランジスタはIce=800mA、hfe=200(160〜320)のもので、この電流を駆動するには十分なものです。

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　それでは改造の１つ目の目的「１Ａ程度の放電電流にしたい」を実現するために、Ｒ１０を２Ω(３Ｗ)の酸化金属皮膜抵抗に交換します。(36円)
　これで放電抵抗には約１．２Ａの電流が流れるようになります。
　しかし、トランジスタには４８０ｍＡまでしかドライブするようにはなっていませんので、単に抵抗を変えただけでは１Ａ放電器にはなりません。
　そのままベース電流値を決めているＲ９の値を小さくしていっても、このトランジスタでは８００ｍＡが限界で、しかも限界点付近の数値で使用すると発熱等でトランジスタを破損する恐れがあります。
　そこでこのスイッチング用のトランジスタも大きな規格の物に取り替えます。
　今回使用したのは２ＳＣ４６８５(ストロボ／中電力増幅用)です。Ice=５Ａなので今回の１Ａ程度の使用なら余裕です。また大電流をコントロールするための増幅率(hfe)も非常に高く、飽和電圧も低いので今回のような低電圧回路で大電流を流すには良いトランジスタです。(105円)
　更に中電力用にしてはパッケージが小型なので今回のＱ５を取り外した基板穴にぴったりのサイズなので好都合です。

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　次の課題「放電電流を自由にコントロール(可変)にしたい」を実現します。

　トランジスタに流れる電流の量はベース電流でコントロールできますから、Ｑ５のベース電流を絞ってやれば放電電流を制限することになります。
　元のベース電流を決めていたＲ９と直列に５ＫΩの半固定抵抗(密閉型)を取り付けます。(55円)

　基板の部品を取り替えて仮組みした状態で動作試験。大きな負荷抵抗は基板裏側に仮止めしているので見えません。

　負荷電流の可変実験や、各部の電圧・電流の状態などを詳しく検査して問題が無いかチェックします。

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　さて、３つ目の課題「ＬＥＤ表示が放電完了まで灯いているようにする」にとりかかる前に、Ｒ１０の値を小さなものに変更した弊害が発生しています。
　「電流負け」です。
　Ｒ１０の値を小さくしたせいで、並列に接続されているＲ１１＋ＬＥＤの表示回路に送るパワーがより少なくなると思ってください。(細かく説明すると長くなるので…)
　まえにも増して放電完了前にＬＥＤがより暗く、より早く消えてしまうようになりました。
　ですので、「ＬＥＤ表示が放電完了まで灯いているようにする」改造は「できたらいいなー」ではなく「重要な改造課題」となったのです。

　さてどうしたものか・・・・じっと手を見る。

　すると目に入ったのはさっき取り外した元Ｑ５のトランジスタ。
　「これを使わない手は無い！」ということで、もしかしたら捨ててしまっていたかもしれないＱ５を再利用した回路が次の改造です。
(意外と使い勝手の良さそうな石だったので、多分捨てずに部品箱に入れておいたでしょうけど)


　ＬＥＤのカソードをＱ５のコレクタから切り離し、放電回路とは別に「ＬＥＤ点灯専用ドライバ」を元Ｑ５のトランジスタでＱ６として作ります。
　リサイクル時代にふさわしい廃品利用です。エコですよエコ！
　点灯コントロールはＱ３をコントロールしている「放電／停止コントロール」点（Ｑ２のコレクタ）から１０ＫΩの抵抗(5円)を介して頂きます。ここに部品を追加するということは「終止電圧の検知回路」に少なからず影響を与えます。
(放電用トランジスタを制御しているＱ４のコレクタあたりから取るということも考えましたが、そこは可変抵抗をつけていたりして電圧が変動する点なのであえてここはＱ２のコレクタにしました)

　この影響の調査と改良は次に回すとして、これで３つ目の課題「ＬＥＤ表示が放電完了まで灯いているようにする」もクリアしました。
　以前のようにぼ〜っと暗くなって、いつ放電が終ったのかわからないのではなく、放電終了と同時にパッと消えます。(大電流放電では最後のほうは多少暗くなります)

　これを見ていたら、「メロディーＩＣでもつけて、放電完了を知らせるオルゴールが鳴ると嬉しいかも」とか、野望は膨らみます。

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　さて、ＬＥＤドライバの追加で終了電圧検知に影響が出る可能性が出てきました。

　具体的には、Ｑ１で行っている終止電圧検知用のチェック電圧がほんのわずかに下がりますので「メーカーの設計より高い電圧で停止してしまう」ことになります。
　そういえば最初に調査した時に１．９〜１．８Ｖと多少低い電圧で終了しているという結果が出ていますので、これが「２．０Ｖで終止するように調整できるかもしれない」という『副作用』が望めるのではないか？という実験を行うことになりました。
　右の写真は実験中の様子です。完成直前で色々と検査用の配線が接続されています。２ＳＣ４６８５に放熱板を付けている様子も見れます。

　Ｑ６へのベース電流制限抵抗を半固定で変更したり固定抵抗を色々と取り替えたりして調整した結果、１０ＫΩで最小放電時ほぼ丁度２．０Ｖ(2.006V前後)で放電終了することがわかりました。
　但しこれは無負荷時で、負荷に大電流を流すほど検知点が下がります。１Ａ放電ではやはり１．８Ｖくらいまで下がりますので元のメーカー設計状態とほとんど変わりませんでした。

　あまり意味無し。

　放電電流を大きくしたことでこの回路で消費する標準消費電力も約２．５Ｗ前後とかなり大きくなっています。

　負荷抵抗の消費電力は流す電流に応じて大きくなります。(青線)
　トランジスタが消費する電力は電流が約６００ｍＡの時点で最高となります。(紫線)
　両方をあわせた消費電力は流す電流に比例します。(黄線)
※400〜1200mAが半固定抵抗で可変できる実際の領域

　この消費電力はそのまま「熱」になって空気中に発散されます。

　実際、１Ａ放電を行っている最中の２Ω負荷抵抗は触るとヤケドするくらいの温度になっています。
　しかし（電子部品として）特に冷却をしなければならないほどの温度ではなく、密閉せずに空気が循環する状態であれば問題ありません。(写真→)

　トランジスタのほうも少し熱を帯びています。
　こちらは高熱で壊れてしまう部品ですので、安全のために熱伝導の良い銅版で小さな放熱板を作ってとりつけました。

　０．７Ｗ程度の発熱であれば元のプラスチック製のケースでも何ら問題はありませんでした。
　２．５Ｗの発熱源をケースに入れたらどれくらい熱くなるのか測定してみましょう。(写真→)

　１Ａ放電を続けて、本体内の回路基板付近で約５０〜６０度でした。
　負荷抵抗の真上のケース内で約７０〜８０度、ぎりぎりプラスチックが変形しない限界ですね…。
(大出力のオーディオアンプなんかだとよくある温度です)
　ケース側面の下側にドリルで数箇所穴をあけて空気の通り道を作り放熱効果を上げてみましたが、約１度くらい下がるだけでほとんど効果はありませんでした。

　もし２Ａ以上の電流で放電する装置にすると、とてもこのプラスチックケースでは耐えられない温度になります。「できるだけ原型をとどめる」ために外に部品を出したり大きな放熱板を付けたりしないためには１Ａ放電が限界です。

　現在の状態でケース外側では触って「あったかい」と感じるくらいなので、燃えたりヤケドをしたりする温度ではありませんが、フル充電のニッケル水素電池を放電させるなどの無意味なハイパワー放電はあまりしないほうが良いです。

　また、放電中は本機を逆さにしたりすると熱が中の基板のほうに回りますので電子部品の寿命を縮めます。必ず電池が上になるように置いて使用します。
　間違っても使用中に放熱口を塞いだり、本機に布を被せたりしないように！

　今回の改造のまとめです。

改　造　前 改　造　後 対応電池 ニカド電池 (ニッケル水素電池) ニカド／ニッケル水素電池 放電電流 約300mA 約400mA〜1200mA可変 ＬＥＤ表示 あいまい 正　確 発　熱 少ない 多い(但し大電流放電時) エネループ 放電時間 一晩 １０５分

　改造費用(部品代のみ)２０１円。