【ワレコの電子工作】実体顕微鏡用LEDリング照明にパーツ半田付け【PCBWay製基板】

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写真 さてLED照明の半田付けをするかなと考え中の猫さん

ニコン実体顕微鏡SMZ-2B用のLEDリング照明を自作しているのだが、先日、中国PCBWay社からそのプリント基板が届いた。

ワテがKiCadで基板レイアウトを設計してPCBWayさんに発注していた基板だ。注文してから丁度一週間と言う速さで自宅に届いたのだ。

基板の詳細は以下の記事を参照下さい。

その基板に電子部品の半田付けを行った。

結論としては、いい感じで光ったぞ!

では、本題に入ろう。

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  1. LEDリング照明基板や制御基板にパーツを半田付けする
    1. 古いLEDリング照明(Ver.1)のパーツを再利用する
      1. 古いPWM式調光回路基板(Ver.1)
      2. サンハヤト はんだシュッ太郎NEOで吸い捲った
      3. ニッパで抵抗のリード線を真っ直ぐに伸ばす
      4. サンハヤトのリードベンダーで足を折り曲げる
    2. 抵抗の取り付け位置と抵抗値をKiCadで確認する
    3. 半田付けが完了したPWM式調光回路(LM393コンパレータ使用)
    4. SMDタイプのLED素子を半田付けする
      1. ワテ自作の「半田付けお助け孫の手」でチップLEDを押さえてみた
    5. 表面実装タイプのチップ抵抗を半田付けする
      1. 抵抗は半田付け前に必ず値を計測しておく
      2. SMDタイプの抵抗は綿棒で押さえたら上手く行った
      3. 20個のチップ抵抗の半田付け作業が完了
    6. 無事に半田付けが完了したLEDリング照明本体とPWM式調光回路
    7. 基板同士の接続や電源コネクタにはピンヘッダを使う
      1. とりあえずLED基板と制御基板をLEDリング照明本体に取り付けてみた
    8. QIコネクタによる配線作業
      1. リード線の被覆を剥くにはベッセルのワイヤーストリーッパーがお勧め
  2. LEDリング照明の動作確認
    1. ところが電圧を上げても光らない!?
  3. Nikon実体顕微鏡SMZ-2BにLEDリング照明を取り付け
    1. 制御基板部分の蓋が無い
    2. ほぼ完成したLEDリング照明(ニコン SMZ-2B用)
  4. まとめ
      1. 砲弾型白色LED(Ver.1で使用)と表面実装LED(Ver2今回使用)の仕様比較

LEDリング照明基板や制御基板にパーツを半田付けする

PCBWayさんに発注した基板は直径Φ100mm、内径Φ60mmの円形基板で、その内部には長方形の制御基板を異種面付けで付けていた(下写真)。

その制御基板をリング基板から切り離した(下写真)。

写真 ワレコ設計のLEDリング照明基板とPWM式調光回路基板(PCBWay製)

基板の切断にはピラニア鋸を使った。

このピラニア鋸はよく切れるので一つ持っておくと何かと便利だ。

古いLEDリング照明(Ver.1)のパーツを再利用する

さて、今まで使っていたLEDリング照明(Ver.1)はLED素子の大半が故障してしまったが、制御基板自体は正常動作している。

写真 古いLEDリング照明(Ver.1)のPWM式調光回路基板

今回、新たにLEDリング照明(Ver.2)を作るが、制御基板部分はVer.1とVer.2は全く同じなのだ。

なので、Ver.1基板からパーツを取り外して再利用する事にした。

まあ、一個数円の金属皮膜抵抗や一個20円くらいのICソケットをプリント基板から取り外す手間を考えると、古い基板は廃棄して新しい部品を使う方が手っ取り早いが。

要するにワテは超貧乏性なのだw

古いPWM式調光回路基板(Ver.1)

写真 LEDリング照明の調光回路基板(Ver.1)を解体してパーツを再利用する

この当時は、抵抗やコンデンサのリード線を折り曲げて配線にも使う方式を採用していた。

でも、最近のワテはこの手法は使わない。

最近のワテは、パーツのリード線は潔く根元でカットする。

配線にはホームセンターで売っているΦ0.45の銅単線を使う事が多い。

一般に配線にはスズメッキ線が使われるが、銅単線を使うメリットとしてはハンダの乗りが良いのと銅色なので半田がどこまで広がっているのか分かり易いのだ。

写真 銅配線の例

引用元 https://www.wareko.jp/blog/perche-type-bluetooth-receiver-version3-0-active-filter-amplifier-completed-but-there-is-noise

サンハヤト はんだシュッ太郎NEOで吸い捲った

ワテが使っている半田除去ツールは「サンハヤトのはんだシュッ太郎NEO」だ(下写真)。

このはんだシュッ太郎は、実売価格で五千円前後なので安くはない。

ワテの場合、それまでは半田吸い取り線を使っていた。

でも、思い切ってはんだシュッ太郎を買って使ってみると、物凄く便利なのだ。溶けた半田をスッポンスッポンと吸い取れる。

電子工作を趣味として何年も続けるなら、銅網線はランニングコストが掛かるが、はんだシュッ太郎なら消耗品も必要としないので長い目で見れば五千円の投資は高くは無いだろう。

 

あるいは最近では似た様な中華製もある。

まあ、ワテの場合はこの手の商品はオリジナル商品を買う場合が多い。

 

はんだシュッ太郎でスッポンしまくって、無事にパーツの取り外しが完了した。

写真 LEDリング照明調光基板(Ver.1)のパーツを取り外した(はんだシュッ太郎を使用)

ワテの場合、豆腐のケースを良く使う。

銅網線を使ってパーツを取り外すと、銅網線を加熱した熱がパーツにまで伝導して必要以上にパーツが熱せられる。その結果、パーツを壊す確率が高くなる。

一方、はんだシュッ太郎を使えば、狙った半田をピンポイントで狙って加熱出来るので、パーツにも優しいのだ。

ニッパで抵抗のリード線を真っ直ぐに伸ばす

さて貧乏性のワテが取り外した一個数円のカーボン抵抗のリード線をニッパでシャキッと伸ばした。

写真 ケイバのラジオペンチ(溝なし)HLC-D14は使い易い

ワテが使っているこのケイバのラジオペンチ(溝なし)HLC-D14は、ワテの電子工作で最も良く使うハンドツールになっている。

普通のラジオペンチには挟む部分にギザギザの線が入っているが、このケイバ(マルト長谷川工作所)の溝なしラジオペンチHLC-D14はそのギザギザが無いので、何を摘まんでも傷が付きにくいのだ。

ワテ推薦のケイバのラジオペンチ(HLC-D14)。

皆さんも一つ買うと良い。

サンハヤトのリードベンダーで足を折り曲げる

ワテ設計の基板では、抵抗のリード線は2.54ピッチの4倍の長さ、つまり約10mmの間隔に設計している。

写真 PWM式調光回路基板にリード線型抵抗を半田付け(PCBWay製)

上写真ではver.1になっているが、それは基板のバージョンがver.1と言う意味。PWM調光回路基板としてはver.2になる。でもややこしいので上写真基板のシルク文字はver.2にすべきだったw

写真 サンハヤトのリードベンダーは電子工作に必須のツールだ!

電子工作の必需品、リードベンダーだ。

電子工作をやっていてリードベンダーを知らない人は、モグリだろうw

抵抗の取り付け位置と抵抗値をKiCadで確認する

さて、今回設計したプリント基板では、表面のシルク印刷文字の部分を少し手抜きして抵抗値を書いていなかった。

なので、抵抗を取り付ける前にその場所には何オームの抵抗を付けるのか確認する必要がある。

KiCadを使えばその手の作業がやり易い。

下図に於いて、左画面が回路エディタ(Eeschema)、右画面が基板エディタ(Pcbnew)。

写真 回路図エディタと基板エディタは双方向に連動できる

例えば上写真の左画面(回路図エディタ)でR5抵抗をクリックすれば、右画面(基板エディタ)の該当R5抵抗がハイライト表示されて場所が確認出来る。

もちろん右画面でR5をクリックすれば、左画面でR5がハイライト表示される。

KiCadのこの辺りの機能を使えば、半田付け作業でパーツの取り付け間違いは防止できる。

半田付けが完了したPWM式調光回路(LM393コンパレータ使用)

専用基板(両面スルーホール、ガラスエポキシ、1.6mm厚)なので、パーツを半田付けするだけでサクサクと作業が進む。

写真 黄色レジスト基板を選択したのだが見た目がフェノール基板っぽいのがワテ好み

DIP8のICがLM393コンパレータ、NMOS FETは秋月電子で昔買っていたサンケンのトレンチゲート型パワーMOSFETだ。

 

写真 NchパワーMOSFET FKI06051 (60V69A)

引用元 https://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08471/

■サンケンFKI06051の主な仕様
・構造:MOSFET
・回路数:1
・チャネル:N
・ドレイン・ソース間電圧:60V
・ゲート・ソース間電圧:±20V
・ドレイン電流(DC):69A
・ドレイン・ソース間オン抵抗:3.9mΩ
・許容損失(25℃):42W
・パッケージ:TO-220F

まあワテ設計のLEDリング照明の最大電流は0.4Aなので、電流69Aも流す予定は無いが、手持ちでTO-220タイプのNMOS FETはこれしか無かったので使ってみた。

写真 PCBWay製黄色レジスト基板(半田面)は市販品のような仕上がり!?いい感じだ

PCBWayさんの黄色レジスト基板(ガラスエポキシ)はワテが好きな薄茶色のフェノール基板のような雰囲気だ。

例えばサンハヤトさんのこんな基板の色がワテの好みなのだ。

SMDタイプのLED素子を半田付けする

さて、LEDリング照明の中心的パーツであるLED素子の半田付けを行う。

写真 LEDパラダイスさんで買った5060 3chip白色LED LP-5060H252W-3[1913] 

5060 3chip白色LED LP-5060H252W-3[1913] の仕様は以下の通り。

引用元 https://www.led-paradise.com/product/1414

5050サイズなので5x5mmだから、これくらいの大きさなら半田付け作業は問題なく出来る。

ワテ自作の「半田付けお助け孫の手」でチップLEDを押さえてみた

 

金属先端で押さえるとLED素子に傷が付く恐れがあるので、ビニル被覆の切れ端を被せてみた(下写真)。

写真 半田付けする時にビニル被覆でチップLED素子を押さえてみた

まあこの「半田付けお助け孫の手」でチップLED素子を押さえておけば左右の手が自由になるので半田付け作業がやり易い。

でも数個のLED素子を半田付けした後は、「半田付けお助け孫の手」は使わずにワテの左手の指でLED素子を押さえるようにした。

そのほうがより確実だった。

無事に半田付けが完了したLEDリング照明基板(下写真)。

写真 無事に半田付けが完了したLEDリング照明基板

いや~あ、中々いい感じだ。

まるでどこかの会社のちゃんとした製品と言っても良いくらいの完成度だ。

(有)ワレコ企画 でも作って販売するかなw

表面実装タイプのチップ抵抗を半田付けする

引き続き、チップ抵抗の半田付けを行う。

写真 秋月のチップ抵抗2W10Ω1%(10個入)

メーカーカテゴリ FAITHFUL LINK INDUSTRIAL CORP.
■特長
・高精度(1%)
・表面実装用
■主な仕様
・精度:1%(F級)
・定格電力(@70℃):2W
サイズ:6.4mmx3.2mmx0.6mm
・サイズ表記:
6432(ミリ表記)、2512(インチ表記)
・最大連続印加電圧(RCWV):300V
・サージ耐量:20W@1秒、80W@0.1秒、270W@10ミリ秒
・抵抗体:RuO2(酸化ルテニウム)

チップ抵抗だが、サイズが6.4×3.2mmと大きいので、ワテの裸眼でも問題無く半田付けを行う事が出来た。

よく考えてみると、このチップ抵抗なら取り外す事も簡単なので、再利用し易い。なので、今後の電子工作にはリード線タイプのパーツを使うのでは無くて、これくらい大きなチップ抵抗、チップコンデンサを使うと言う案も良いかも知れない。

追記(2020/11/21)

その後、抵抗を変更して10Ωは200Ωに交換した。

抵抗は半田付け前に必ず値を計測しておく

一応念のために、抵抗、コンデンサは半田付けを行う前に必ず値を計測しておくのがワテ流だ。

写真 ネオジュウム磁石を利用したテスター計測ステーション(ワテ自作)

写真 計測結果は10Ωと正しく出た

SMDタイプの抵抗は綿棒で押さえたら上手く行った

指で押さえると熱で熱い場合もあるので、綿棒で押さえて半田付けを行ったら上手く行った。

写真 予め予備半田をしたランドにチップ抵抗を載せて綿棒で押さえて半田ごてを当てる

チップ部品の半田付けはワテの場合、過去に数回くらいしかやった事が無い。

取り敢えず、ランドの一方に予備半田をしておいて、そこにチップ抵抗を載せて綿棒で押さえておく。

その状態で、予備半田の部分に半田ごてを当てると半田が溶けてチップ抵抗の片側を半田付けする事が出来る。

次に、反対側のランドにも半田付けすれば完了だ。

20個のチップ抵抗の半田付け作業が完了

写真 20個のチップ抵抗の半田付け作業が完了

このリング基板では、チップ抵抗もLED素子もリング一周360度に18度ステップで20個配置している。

チップ抵抗もLED素子も購入単位は5の倍数とか10の倍数が多いので、20個なら過不足無くパーツを購入出来るので、無駄の無い設計だ。たまたま20個になったのだがw

無事に半田付けが完了したLEDリング照明本体とPWM式調光回路

写真 無事に半田付けが完了したLEDリング照明本体とPWM式調光回路

途中で数回休憩したが、延べ一時間も掛からずにサクサクと半田付け作業が完了した。

やっぱり専用基板は良いなあ~

ユニバーサル基板に手配線なんてやっていると配線間違いが起きやすいが、専用基板ならそれはほぼ防ぐ事が出来る。KiCadで事前にERC(エレクトリカルルールチェック)、DRC(デザインルールチェック)を何度も実行してエラーを検出できるからだ。

基板同士の接続や電源コネクタにはピンヘッダを使う

さてLEDリング基板とPWM式調光回路基板とは二本の配線で接続する。NMOS FETのドレインと正電源(9V予定)との間にLED素子20グループを負荷として入れる為だ。

写真 コネクタの接続にはピンヘッダを使う

上写真の基板端にある接続端子は、2.54mmピッチの2倍(約5.04mm)にしていたので、3連ピンヘッダの中央ピンを引き抜いて使う事にした。

写真 ピンヘッダを半田付けした

 

とりあえずLED基板と制御基板をLEDリング照明本体に取り付けてみた

三つのパーツに分けて印刷していた照明カバーは事前に接着して組み立てておいた。

を使ったら、しっかりと接着出来た。

あるいは「アクリサンデー」と言う接着剤もPLA樹脂の接着には適しているとの事だ。

写真 LED基板と制御基板をLEDリング照明本体に取り付けてみた

基板の固定にはM2.6x6の鍋ネジを使った。

3Dプリンタで作成した白い本体部分には設計ではM3ネジ穴を持つスペーサーを形成しているのだが、M3ネジが入らなかったのでM2.6ネジを無理やり捻じ込んだら上手く行った。

QIコネクタによる配線作業

写真 QIコネクタにケーブルを圧着する

ピンヘッダに挿すコネクタにはQIコネクタを使った。

秋月電子で買ったやつだ。QIコネクタは「2550コネクタ」とも呼ばれ広く使われている。

圧着タイプなので、ワテは圧着工具を買った。

■秋月QIコネクタ用ソケットの主な仕様
・種類:ソケットコンタクト
・実装タイプ:電線用
・適応電線径:AWG #22~28
・定格電圧:250V
・定格電流:3A
・接触抵抗:20mΩ
・コンタクト材質:黄銅
・コンタクト仕上:金めっき
・使用温度範囲:-25~+85℃
・全長:11.6mm
・コンタクト長:4.5mm

エンジニアの圧着工具のPA-21が最新式だ。一つ前の型にPA-20がある。両者はよく似ているが、PA-21のほうが長いバレル(ソケット金具の二枚の羽根の事。リード線に巻き付ける部分)にも対応しているのだ。

リード線の被覆を剥くにはベッセルのワイヤーストリーッパーがお勧め

写真 リード線の被覆を剥くにはベッセルのワイヤーストリーッパーがお勧め

定番中の定番のベッセルのワイヤーストリーッパーだ。

黄色グリップがお勧めだ。黄色グリップは電子工作で使う細いリード線に対応している。赤いグリップのタイプもあるが、太い電線を使う人向きだ。

写真 専用圧着工具を使うとコネクタ作りが楽しい

ワテの場合、ベッセルワイヤーストリーッパーやエンジニア圧着工具を買ったのは、一年ほど前だ。

それまでは、カッターナイフで被覆を剥いて、ラジオペンチでバレルを曲げてコネクタを作る。念のために半田付けも行う。

そう言う方式でコネクタを作っていたのだが、やはり専用工具を使って作業すると、仕上がりも綺麗だし失敗が無い。

電子工作を長く趣味として続ける予定の人は、やはりこの手の定番のハンドツールは常備しておく方が良いだろう。

最近のワテが良く使う電線が住友電工イラックスワイヤーだ。

イラックスの何が良いかと言うと、耐熱性250℃1分間不溶と言うのが凄い。

耐熱150℃くらいのワイヤーなら良く見かけるが、イラックスは250℃でも溶けない被覆なので、半田ゴテで熱し過ぎても被覆が溶けない。それとイラックス素材のワイヤーは表面に光沢があり見た目が綺麗なのだ。

LEDリング照明の動作確認

無事に接続コネクタも完成したので、実験用の定電圧電源を使って動作確認を行う。

写真 実験用定電圧電源を使って8~9Vくらいの電圧を掛けてみた

ワテがヤフオクで中古で買った高砂製作所の安定化電源を使って、DC0ボルトから徐々に電圧を加えてみた。

設計ではDC9V程度の電源で最大電流400mAになるように作っている。

つまりLEDは下図のように三つずつグループになっていて、直列に10Ωの抵抗を入れている。

───▶├───▶├───▶├──  抵抗 ──

従って、三つのLEDの一つでも故障すると三つともに点灯しなくなるので、故障には弱い構造なのだ。まあ仕方ない。

使ったLEDは3チップが1パッケージで、1チップ当たり

V : 3.1V(typ)
Flux: 25lm @20mA (typ)

なので、20mA以下くらいで使う事を目安にした。

そのユニットが20個あるので、回路を流れる最大電流は

最大電流 = 20mA x 20個 = 400mA

なのだ。

ところが電圧を上げても光らない!?

写真 予定した電源電圧9V近くを与えても光らないぞ!?

あかんがなw

と思ったら、ボリュームで最小光量(消灯)状態に絞っていただけだったw

写真 ボリュームを回したら少し光った

いや~、ほっと一息。

安心した。

徐々にボリュームを回して行く。

写真 いい感じで光っている

写真では、デジカメの自動露光が効いているので、明暗のバランスが最適化されている。

なので、あまり明るく見えないが実際にはかなり明るい。

上写真の時点でボリューム80%くらいか。

 

ボリューム100%で最大光量にすると下写真のようにかなり明るい。

実体顕微鏡の照明としては、十分な光量だ。

 

で、下写真はと言うと、

 

デジカメの撮影をマニュアルモードにして、絞りを開いて露光時間も長くしたら明る過ぎる写真が写っただけだw

Nikon実体顕微鏡SMZ-2BにLEDリング照明を取り付け

顕微鏡の鏡筒にこのLEDリング照明を固定する部分はM3ネジを四個で固定する方式にしている。

ホームセンターをブラッとしていたら良いパーツを見付けた(下写真)。

写真 白いツマミ付きのM3ネジ(4個)のセットをホームセンターで見付けた

値段も一袋(4個入り)で百数十円だったので、買ってみた。

その結果、下写真のように、ワテ自作のLEDリング照明の為にあるかのように馴染んでいる白いツマミ付きネジだ。

写真 白いツマミ付きM3ネジを使い四カ所で鏡筒に固定したLEDリング照明

下から見ると下写真のようになる。

写真 LEDリング照明を下から見た

 

制御基板部分の蓋が無い

現状では制御基板部分に蓋が無い。

まあ蓋が無くても機能的には問題は無いのでこのまま使っても良い。

でも、3Dプリンタを使えば蓋の印刷くらい3時間程度で終わると思われるので、時間が有れば蓋を設計して印刷したい。

その蓋の固定方法を考えていなかったのだが、良い方法が浮かんだ。

つまり、上写真で制御基板は対角線の二箇所をM2.6×6ネジで固定している。当初は普通の鍋ネジを使っていたのだが、上写真のようにM2.6の六角ネジが手持ちに有ったのでそれを使ってみた。

この六角ネジはM2.6のナットにもなっているので、上蓋はこのM2.6の雌ネジにM2.6ネジを捻じ込んで固定する事にしたのだ。完璧や!

 

ちなみにM2.6六角ネジは、対角5mmのナットドライバーで締められる(下写真)。

ワテの場合、ナットドライバーはM3ネジ用に対辺5.5mmのやつも持っていてそれは良く使う。

M3用ナットドライバー(5.5mm)を買った時に、一緒に今回使った5.0mmのやつも買っていたのだが、今まで何年も、いや十何年も使う事は無かった。

今回、M2.6ナットを締める時に初めて活躍したのだ。

ほぼ完成したLEDリング照明(ニコン SMZ-2B用)

どう!いい感じでしょ!!

写真 ワテ自作のLEDリング照明は市販品のような完成度の高さ!

ただし、下写真のようにPWM式調光回路基板はカバーが無いので中身が剥き出し。

時間が有れば蓋を設計して3D印刷したい。

その場合、蓋にはDC9V用のDCジャック(5.5mm/2.1mm)と電源スイッチも取り付けたい。

まとめ

当記事では現在ワテが製作中の実体顕微鏡用LEDリング照明の製作過程を紹介した。

今回の記事では、PCBWayさんから一週間と言う速さで届いたワテ設計プリント基板に電子部品を半田付けして、LEDリング照明の動作確認を行うところまでを紹介した。

専用基板を使ったおかげで、半田付け作業は延べ一時間程度で完了し、その後の動作確認もスムーズに完了した。

これでほぼ問題無くLEDリング照明が完成に近づいたので、残す作業は電源電圧を何ボルトにするかなど、再度調整したいと思っている。

と言うのは、当初はDC9V辺りで考えていたのだが、実際に動作確認してみるとDC8V程度でも十分な光量だった。その時の回路全電流(大部分がLED部分の電流)は、確か200mAも流れていなかったと思う。

元々は最大で400mAを流す予定で有ったが、それだと明るすぎる事が判明した。

もし最大電流200mA程度で良いなら、LED素子一個当たりで10mAで良くなる。それは標準値(Typ)の20mAの半分なので、LED素子の寿命も延びるから一石二鳥だ。

今回購入したLEDパラダイスさんのSMD型LED素子は、ワテが最初に作成したLED照明(Ver.1)で使った砲弾型白色LEDよりもカタログ上では、光量は少ない(このあと説明)。

でも実際には20個のSMD型LEDは48個の砲弾型LEDよりも明るかった。

砲弾型白色LED(Ver.1で使用)と表面実装LED(Ver2今回使用)の仕様比較

前回使ったやつ(LEDリング照明ver.1)

形状:砲弾型
発光色:白色
光度:25000~28000mcd

光度 25000~28000mcdだ。

光度(こうど、英語: luminous intensity)は、点状の光源からある方向へ放射される光の明るさを表す物理量である。 光束を光源を中心とする立体角による微分として表される。

引用元 https://ja.wikipedia.org/wiki/光度_(光学)

 

一方、今回使ったやつは以下の通り。

5060 3chip白色LED LP-5060H252W-3(LEDリング照明ver.2)

LP-5060H252W-3
V : 3.1V(typ)
If : 60mA (20mA×3)
Iv : 7000-9100mcd
Flux: 25lm @20mA*3 (typ)
Angle : 120°
オリジナル 中国製

引用元 https://www.led-paradise.com/product/1414

光度  7000-9100mcdなので、ver.1で使ったアマゾンで買った砲弾型LED(25000~28000mcd)の三分の一くらい。

それにもかかわらず20個で、砲弾型48個以上の光量だ。

と言う事で、アマゾンのやつはカタログの数値が怪しいのかも知れない。

その後、少し改良した↴

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