ソーラーライトその後（ソーラーライトを長持ちさせる技）

改造したソーラーライトを1年ほど使ってみて幾つかのトラブルや故障を経験したので、その実例と対策について以下に記す。なお実際に使った吊るソーラーラート、ソーラーアクセントライト、ソーラーガーデンライトに言及する場合はそれぞれHSL、SAL、SGLと略記する。

１，太陽電池の水対策

ソーラーライトを屋外で使うと何か所かから雨水が侵入し部品や電子回路を痛める。とくに太陽電池周りは、それを張り付けるためにコーキング剤が裏面の配線を通す穴付近に使ってある以外は全く対策されていないと言ってよい。ここに水が浸入すると太陽電池の電極を傷めたり（写真）電線を伝って電子回路に侵入する。太陽電池が劣化すると起電力が低下しニッケル水素（NiMH）電池の充電が不足するとともに夜と認識される時間が長くなる。また太陽電池の配線が腐食して切れたこともある。

これを防ぐには太陽電池の周囲を接着剤かコーキング剤で埋め雨水の侵入を防ぐ必要がある。私はUV硬化のレジン液（要するにネイルアートに被せて紫外線で硬化させる液体）で埋めた。

 

２，電源スイッチの水対策

電源スイッチも雨水の侵入口である。電源スイッチは下面にあるが物理的に塞げず、1年も風雨に晒されると接点などに錆が出始め動きも悪くなってくる。

私は時々CRC 2-26を吹き付けている。 電源スイッチだけでなく内部にある素子や金属にも湿気対策も必要だが、CRC 2-26はそれにも効果があることを期待する。

もし電源スイッチをON/OFFする事が無いのであれば 電源スイッチを取り外し穴を塞ぐのも1つのやり方である。

 ３，LEDの電極の腐食対策

LEDの裏側の形状はフラットか少し凹んでおり、ここに水が溜まって電極を腐食することがある（写真）。

これを防ぐにはLEDの裏面をレジン液等を使って凸面にするとともにLEDをケース下面からあまり突出させないよう取り付けるか、またはLEDの周囲のケースとの隙間を接着剤等で固めて雨の侵入を防ぐ必要がある。次の写真はLEDの周囲をレジンで塞いでいる。また光を反射するようケースを銀色に塗装している。

 

４， ニッケル水素（NiMH）電池の過放電対策

 実際に使ってみたところでは3cm×3cm（９cm^2）の太陽電池を使っているSALやSGLでは真夏でも定常的に充電が不足しているようであり、個体差はあるが朝まで持たなかったり、特に曇りや雨の日が続くとほとんど光らなくなる事がある。それに比べ4cm×4cm（16cm^2）の太陽電池を使っている吊るソーラーライトは悪天が続かない限り朝まで比較的元気である。

実際にはSALやSGLはできるだけ長時間太陽光を当ててやるとともに、NiMH電池が弱ってきたら、過放電になる前に充電器で追充電してやると元気に復活する。 NiMH電池の充電器は千円以下でAmazon等で入手できる。

なお3種のソーラーライトに内蔵されている単４サイズのNiMH電池の容量には100mAh、200mAh、600mAhなどの種類がある。しかし容量が少ないと悪天が続いた場合に電池が過放電になってしまう。もし100mAhや200mAhの電池が入っていた場合にはもっと容量の大きい物と交換したほうが良い。

  〔※参考〕HSL、SALやSGLのLED点灯時の消費電流は11mA～12mA程度である。一方直射日光が当たる快晴の昼間（10月）にSALを太陽に正対させてNiMH電池の充電電流を計ってみたところ最大で23mA程度であった。太陽光の入射角は昼間を通じて変化するので近似的にsinθに従うと考えると平均充電電流は14mA（sinカーブの平均値は0.64なので）である。なお実際には太陽が出ていてもソーラセルの起電力が一定（概ね1.4V）以上ないと充電は始まらないが、その点は無視して計算しているので参考程度の値だと考えていただきたい。

一方ソーラーライトは通常太陽電池を真上に向けて設置するので太陽の高度角による影響が出る。南中時の高度角は夏至の関東ではで78度（sinθ=0.98）、冬至で31度（sinθ＝0.52）程度であり、夏至での発電能力低下は些少であるが冬至には発電能力は約半分に低下する。実際には雲や悪天も影響してさらに悪化する場合もあり得る。

結局、夏至に平均14mAで充電できたとして昼間の長さが14時間あるとすると、これを充電するには196mAhの容量の充電池が必要である。これはLEDを夜通し光らせるには十分な電気量である。もっと太陽電池の面積の広いHSLではさらに大容量（300mAh以上）のNiMH電池が欲しい。一方冬至では平均11.5mAで9時間充電できるとしても充電量は103.5mAhしかなく、これは冬期の長い夜を通してLEDを光らせるには不十分であり、この問題はNiMH電池の容量を増やしても解決しない。気温の低い冬場の電池の充電効率の低下を考えると条件は更に悪い。この場合は回路の消費電流を減らす事を考える必要がある。

  ５，ソーラーガーデンライトのハンガー（吊り下げ用部品）は弱い

ソーラーガーデンライトでは吊り下げるためのハンガーが柔らかめのプラスチック製（写真左）で強度が弱く、しばしば強風で落下し、時に太陽電池や電子回路、また外箱にダメージを与える。これを金属製に替える事で落下防止になる。

私は百均でジャンボ ゼムクリップ（70本入りが100円だった）を買ってペンチで曲げてハンガー作った（写真右）。

吊るソーラーライト キャンドル化用の基板を作る

 この1年で計50個以上の百均の100円ソーラーライトを改造してきたが、いちいち基板の配線を切ったり繋いだり、さらに部品を立体的に配線して改造するのも面倒なのでプリント基板作りに挑戦することとした。

プリント基板は若い頃（半世紀前）から作ってきた。銅面にマジックインクで書いたりサンハヤトで売っていたシールやテープを切り貼りしたりしてパターンを作り、それを塩化第二鉄溶液でエッチングして片面基盤を作ってきた。この方法でエレキーやニキシー管の周波数カウンタなど作った事がある。また大学では卒研で8ビットコンピュータ関係の両面基板（B5サイズ）を設計し手作業で配線パターンを作成、外注した経験がある。しかし今はCADの時代である。

CADには以前から興味があったが複数のCADソフトを使いこなすほど器用でもないので、どのCADが自分に合っていて習得すべきか決めかねたまま放って今に至る。最近何気なくYoutubeを見ていたらフリーソフトのKiCADで基板を作成・発注する動画が目に留まった。これなら爺（自分）にもできそうだ。そして基板を格安で発注できることも分かり、やる気が起きた。さらにKiCADの開発がCERN（欧州原子核研究機構）からサポートされている事も大きい（CERNは最初にWWWを開発したところとしても有名である）。

しかしこの手法をソーラーライトに適用するにはもう1つ問題がある。 これまでの改造では立体的に追加部品を配置したため追加部分を狭い場所に押し込むことが出来たが新たに基板を起こす場合、全ての部品を平面上に配置することとなり、これが可能かわからない。吊るソーラーライトに元々付いている基板の大きさは22mm×17mmであるが、電源スイッチ、取付用ネジ穴、LEDは決まった場所に配置する必要があるため、それ以外の部品を余白に配置する必要があるが、実際にはこの面積ではSMD（表面実装部品）でも使わない限り全ての部品を載せることはできない。そこでプラスチックの土台に載せることが可能な基板の大きさを調べると22mm×25mmまでは拡大しても大丈夫であることが分かった（次の写真の橙線）。

組み込む回路は以前に作ったそのままである。最初にKiCADの回路図エディタで配線図にする必要がある。このとき一般的な部品のシンボルはあらかじめ用意されているがライブラリに無い部品のシンボルはシンボルエディタを使って自分で作る必要があった。そのとき、後で行うエレクトリカルチェックに必要な信号線の属性の定義が面倒であった。VDDが電源入力なのは間違いないがGNDは何だ？あと太陽電池からの入力SOLは電源なのか？信号なのか？

 最終的にはエレクトリカルチェックで合格するようトライ&エラーを繰り返し上図のように設定した。これを使って出来上がった回路図は次の通り。なおキャンドル型のLEDや色がリアルタイムに変化するRGB-LEDなどでU2が不要な場合はU2の1-2番ピン間をジャンパ-する必要がある。

 回路図が出来上がると次にPCBエディタで基板の設計を行う。そのためには各部品のフットプリント（基板上を占める形）が必要である。

 一般的な部品のフットプリントはあらかじめ用意されている中から選べばよいが足りないものは他の部品を流用するかフットプリントエディタを使って自分で作る必要がある。例えば回路図のU2用には次のフットプリントを作成した。

フットプリントは多層のデータで構成されている。回路（表裏）、シルクスクリーン（表裏）、マスク（表裏）、マージン、エッジカット、等々であり画面上では色で識別する。

これはバグかも知れないがフットプリント作成時にマージン層に線（赤紫色）を引くとそこを越えて配線を通せなかった。本来は部品の配置上の問題（過接近や重なり）を検出し警告を発する機能のはずなので随分悩んだが、結論として次図の様にマージン層は使わない様変更して思った通りの配線を引けるようになった。なお外形を丸から長方形に変更したのは実装の方法を変更したからで上記問題とは関係ない。

 〔後で分かった事だが部品の配置上の問題を検出するのにマージン層を使ったのは間違いで、その目的にはコートヤード層を使うべきであった〕

配線図の各シンボルに対応した実際の部品のフットプリントはその部品の置き方によって変わるため、部品ごとに必要に応じて複数のフットプリントを用意し、各シンボルとどのフットプリントを対応させるか指示する必要がある。今回は次のような対応にした。

ここでまで来てPCBエディタによるプリント基板の設計に移るが、今回のように基板の物理的要件が決まっている場合は先ずそれを設定する。今回は先ず基板の大きさを設定し、次に電源スイッチ、取付用ネジ穴、LEDを決まった場所に配置した。次に残りの部品を基板内にうまく配置できるかを試した。（SMDは使わないので）部品の配置には平面だけでなく空間、特に高さを考慮する必要がある。というのは隙間が基板の下側に6mm、上側にも同程度しかないからであって、場所によってはもっと狭くなる。とくに高さのある電解コンデンサなどは基板の外に横置きにする検討が必要である。

PCBエディタを起動すると最初は部品が一塊になって隅に置かれている。それを手作業で基板上に配置しなおし結線する。部品間に必要な結線は配線図を元に予め直線で結ばれているので、それを元に実際の基板上の線に落とし込んでゆく。この過程は文字で説明するより動画で見たほうが分かり易いのでYoutubeなどを参考にして欲しい。 また別のソフト（freeroute等）を使って自動配線させ、をれを手作業で修正・調整することもできる。

一通り配線を終えるとデザインルールチェッカーによって問題点を洗い出す。デザインルールチェッカーは配線が回路図通りに結線されているか、線間の間隔は妥当か、部品が重なって配置されていないか等をチェックするほか基板の製作上の問題をチェックしエラーや警告を出してくれる。その時、初めは分かりにくく手こずったエラーは配線の1mm以下の短い断片が残って取れない（部品の裏に隠れて場所が分からない）事である。これは部品をアウトラインモードにして透かして見ると発見しやすい。

デザインルールチェッカーで問題が無くなればガーバーファイルおよびドリルファイル、ドリルマップファイルを出力して基板の設計が出来上がり発注できる状態になる。

そして実際に発注した。基板の厚さはやレジストの色は選べる（選択内容で価格が変わる場合がある）ので、基板の厚さ1mm、レジストの色は標準的な緑を選択した。料金は20枚で5.86ドルである。安い！このほか送料が着払いで600円程必要である（製作に１～2日、送付に6～8日程度かかる）。

しかし残念な事にこの設計では大きなミスを犯していた。この図では表から見たようにCADは設計しているが、上の写真に従って私は裏から見たつもりで作業をしていた。つまり表裏が逆になっているのである。幸いな事にこの回路で使う部品は裏返しても問題はない、つまりシルクスクリーンの印刷されていない裏面に部品を取り付けても問題は生じないので実害はない。あるいはこのシルクスクリーンの通りに部品を付けて基板を裏返しに取り付ける手もあるが、その場合電源スイッチのON/OFFが表示と逆になる。

初めてCADを使ったので理解が足りてない分ミスは仕方がないが、リカバーできるので良しとしよう。

ダイソーの「吊るソーラーライト」をキャンドル化する Make flickering lantern from cheap solar light

ダイソーで100円の「吊るソーラーライト」を買った。

上面に太陽電池が張り付けてある。 昼間に太陽電池でニッケル水素電池（NiMH）を充電し、夜間はこの電力を使って発光ダイオード（LED）を点灯するものである。日が暮れて太陽電池の出力電圧が低下すると夜間モードになりLEDを点灯させるようになっている。 

このライトを選んだ理由は上面の太陽電池が4cm×4cmと100円のわりに他のライトより大きかったからである。

全体は上下に分かれ、上部（蓋に相当）が機能が集約された本体であり、下部は模様が透かし彫りで刻まれた箱である。

ソーラーライト本体はネジ4本を緩めることで簡単に分解できる。中には簡単な片面基板と単４ニッケル水素電池が入っている。

回路をトレースしてみると次のようなものである。

回路はYX805Fという4本足のICを中心に構成され、このICで全てを制御している。このICは太陽電池の電力をニッケル水素電池に充電するとともに、太陽電池の起電力が低下すると夜モードに切り替わりLEDを点灯させる。実測すると太陽電池の起電力が約0.4V以下になると夜間モードに切り替わるようである。さらにスイッチング方式の昇圧器を備え、Vf(順方向電圧降下)が３V位あるLEDを1.2Vの電池で駆動する機能を持っている。

 この回路を、秋月で売ってるキャンドル駆動IC（OSCDIC6441）を用いて次のように改造した。

IC2がキャンドル駆動用ICである。このICのVDDに2～5Vの電圧（LEDのVfより高い必要がある）を加えるとLED端子に接続したLEDの光をキャンドルのように揺らめかせる（明滅させる）ことができる。D1とC1は平滑回路で、IC１で作った駆動用電圧(パルス)を平滑化し直流にしてIC２に供給している。D1には順方向電圧降下の少ないショットキーダイオードを使うのが良いが私は手持ちの普通のシリコンダイオードを使った。回路のスイッチング周波数が数百KHzと高いのでC1には周波数特性の良い積層セラミックコンデンサを使った。

改造は、LEDを好きな色に交換し、基板のパターンを1か所カットし、3個の部品を取り付けるだけで済む。

この回路を組んで何色かのLEDを付けて比べてみた。次の動画で右端はオリジナルのソーラーライトで、それ以外は改造品（左から緑、蝋燭色、赤、青）である。

赤色のLEDが思いのほか暗い。これは使った赤色LEDの光量が少ないためだと考えられる。その対策として赤色LEDを2個直列にしたら次の動画のように少し明るくなった。赤色LEDは電圧降下(Vf)が少ないため2個直列でも光らせることができ、その場合でも消費電流は何故か増えなかった。

 

ライトの明るさはLEDの電流と発光効率に依存するので良く光るLEDを選んだほうが良い。緑のLEDは他と比べて明るいが、これはLEDのデータシートによると他に比べ光量が約3倍あるようである。またL1の値を変更することで電流を制御することができるが、電流を増やすと当然電池の「持ち」も悪くなる。YM805Fのマニュアルを探す事が出来なかったので代わりにYM805Aのマニュアルにある定数を見ると次の様になっている。

私の使ったLEDでは青と黄色が暗かったので、これらのL1を220μHに変更した（消費電流が2割ほど増加した）。

回路の消費電流の実測値は12mA程度であり内蔵のHiMH電池が表記通りの容量（100mAh）だとしてもフル充電で８時間しか持たず朝まで光らせる力はない。これを国産品の750mAhのものに交換して一晩持つようにする事ができた。

 とりあえず8個ほど作ってベランダの物干しに吊るしてみた。

LEDには指向性があり下向きに取り付けているため（使ったLEDの半値幅は60度～70度）光が出来るだけ水平方向に拡散するようランタンの中に縮れさせたアルミホイルを丸めて入れている。

なお秋月ではLEDに被せるキャップを扱っているので、（好みによっては）それを使って光を拡散させるのも良いだろう。 

キャンドル駆動用IC OSCDIC6441（IC2）の入力電圧の絶対定格は5.5Vであるが、LEDが消灯している瞬間はこれを超えピークで７～8Vになる。（実際、制作の途中で何個かOSCDIC6441を壊した）IC2を壊したくない場合はC1と並列にLEDのVfより少し高い電圧（色にもよるが概ね3.6V程度）のツェナーダイオードを入れると良い。

また何らかの要因でLEDがほとんどチラつかない場合がある。とくに悪天などで充電不足となり電池が消耗して電圧が下がった場合に顕著のようである。これはC1と並列に100uF程度の電解コンデンサを入れて直流を安定化させると改善されるようだ。

これらの修正を加えた回路は次のようになる。

この図ではD2の位置が上に述べた場所と違うが、同じ効果が得られ、またこの方がIC1の過電圧保護にもなるだろう。ただ、C2を入れることでピーク電圧が抑えられ電圧が安定するのでD2は必ずしも必要ないようだ。

【不具合】色々テストしている間にキャンドル駆動用IC OSCDIC6441には次のような不具合がある事が分かった。即ちVDD端子に10mV程度の電圧を加えた後その電圧を上昇させてもLED端子に接続されたLEDは光らない。この現象で一見OSCDIC6441が壊れたように見えるが電圧をかけずに放っておくと復活している。ソーラーライトでこの不具合が発現するのは電源SWがOFFの状態で太陽電池に弱い光が当たってる場合や曇り続きでNiHM電池が消耗した時である。

これを復活させるには、
（１)もし電池が消耗している場合はスイッチをONして数時間太陽光に当て、NiHM電池を充電する。
（２)その後太陽電池を覆った状態でスイッチをOFFにしてそのまま暫く放置しておき、その後太陽電池を覆った状態で電源をONにする。

復活するまで(2)を繰り返す。
別の方法としてOSCDIC6441のVDD端子に（テスターの抵抗計などで）弱いマイナスの電圧をかけてやると直ぐ復活するがその為にはソーラーライトを一度分解する必要がある。

【その後】1年ほど使ってみたが、やはり防水がキチッとしておあらずいくつか問題が発生した。まず（１）ソーラセルの周囲から雨水が侵入してソーラーセルの電極辺りが腐食したものが出てきた。防水するために一度ソーラーセルを取り外したいが接着されていて力を入れたら割ってしまって諦めた。仕方ないのでソーラーセルの周囲を紫外線硬化樹脂で埋めてみた。（２）電源スイッチが錆びてきた。これは CRC 2-26 をスプレーするくらいしか対応はない。（３）LEDを出っ張って取り付けていたがLEDの付け根がU字に凹んでいてここに水が溜まり電極の付け根を腐食させた。これもLEDの付け根を紫外線硬化樹脂で埋めるとともに、基板からあまり突出させないよう取り付け直し、ケースとLEDの隙間も紫外線硬化樹脂で埋めた。