水槽用照明器具のLED付け替え

珊瑚・魚・猫

海水水槽の照明用として、消費電力24Wの灯具を3つ使っている。
メーカ公表のスペクトル表示は以下のようになっている。

コトブキのLED照明だったかな、まったく同じスペクトルの図を載せていたのは。
製造元が同じと言うことなのか、LEDの個数比が同じだから(どちらかが)真似をしたのか。

フル点灯にするとホワイトをメインにブルー、レッド、グリーンのLEDが点灯する。
ブルーモードにすると、ブルーのLEDだけが(フル点灯時より)明るく点灯する。
無脊椎などが利用する波長は450nm付近が多く(それだけではない)、白色点灯だとコケなどの発生が増える。
そこで3灯の中央の灯具のみフル点灯にして、前後はブルー点灯で使っていた。

フル点灯モードでは129個のLEDが点灯し、12Vで約2Aの消費電流になる。
ブルー点灯時のLED数は26個で、消費電流は約630mAだ。
LEDは3個直列で電流制限抵抗は27Ωである。
LEDは43組あるので、1組あたりの平均電流は46mAになり、抵抗の平均損失は0.06W×43=2.46Wとなる。
LEDの駆動電力は全平均で約166mW(Vfが一定とした全平均)だ。

何故ブルー点灯時にLEDあたりの電流が増えるかだが、ブルー点灯時に電流が増えるのではなく、全点灯時にブルーの列にはダイオードを介して電圧が印加されるので、ダイオードのVf分だけ電圧が下がり、結果として電流が減少するためだ。

ダイオードが入っているのはメカニカルスイッチで全点灯とブルー点灯を切り替える為で、SPDTスイッチなのでダイオードがないと制御できない。

白色LEDをブルーのLEDに付け替えると、全消費電流は約2Aから約2.5Aに増大した。
ブルーのLEDの方が白色LEDよりもVfが低いためだ。
消費電流を増大させないのであれば、電流制限抵抗を交換する必要があるが、今回はそこまでは行っていない。

抵抗は旧型が27Ωで、新型は51Ωだが全消費電流は変わらず約2Aである。
LED素子の特性の違いにより、抵抗値が変更されたわけだ。
LEDが3個直列に対して抵抗1本が入っている。
Vfは赤が1.8V~1.9Vくらい、緑が2V前後、青は2.8V前後、白は3V前後である。
照明器具は12Vが定格だが、電圧を落としていくとVfの低いLEDが点灯する。
写真のように赤と緑が点灯、青や白は点灯するものとしないものがあった。

緑と赤に並んだ青が点灯しているのは、この3個が直列接続されているからである。
緑と赤のVfが低いので、青LEDに印加される電圧が他より高まったわけだ。

従来はフルスペクトルなどと言って、白色光が好まれていた傾向がある。
しかし最近は無脊椎に有効とされるブルー光のみで飼育する人が増えた。
ブルーのLEDのみでは、サンゴが必要とする波長の全てをまかなうことは出来ないので、補助的に白色光なども使う。

ブルーのLEDを増やしてみる

灯具の1台のLEDを交換してみようと思った。
白色LEDを取り外して、ブルーのLEDと紫外光のLEDに交換する。
紫外光と言っても近紫外なので見た目では紫~藤色くらいに見えるが、かなり暗い。
LEDの電流からして、順方向電圧が多少異なったLEDでも問題は少ないだろうと考え、現在付けられている白色LEDを外し、そのままブルーと近紫外のLEDに付け替えることにした。

灯具の構造

基板にLEDと電流制限抵抗が付いているだけである。
実は以前にLEDを外してみようとトライしたことがあったのだが、大容量半田ごてを以てしても半田を溶かせなかった。

この黒い基板はアルミ製で放熱板を兼ねている。
厚さは0.5mm程度だと思うのだが、これだけの面積があるので半田ごてでは無理だ。

そこでヒートガンを使ってLEDを加熱し、外すことにした。
全体を温めて全部のLEDが取れてしまうのは嫌なので、外したいLEDのみを狙って加熱した。

これで半田が溶け、狙ったLEDはヒートガンの風で飛んでいく。
外したくない部品に風が当たらないようにしながら、白色LEDを外していった。

半田が飛んだりしているが、まあ仕方が無い。
抵抗が外れること無く、LEDだけを外すことが出来た。

交換用LED

LEDは中華ものを購入した。
近紫外は395nm~400nmの波長で、最大消費電力は200mWである。
ブルーのものは455nm~465nmの波長で、最大消費電力は500mWだ。
灯具に元々付いているブルーのLEDの波長は450nmとなっているが、新たに購入したLEDと見た目で色の違いは分からない。
サイズは5730と呼ばれる、5.7mm×3.0mmサイズである。
SMDのテーピング品で、100個あたりの価格が300円前後と安い。
白色に至っては1,000個で400円以下である。

裏面は端子とヒートパッドが付いている。

取り付けにちょっと苦労した

LEDを外すのは簡単だったが、付けるのはちょっと面倒だった。
これも他の部品が外れないようにと、最初は部品面から加熱した。
しかしヒートガンが近すぎて半田ごてのスペースが無かったり、半田を近づけたらヒートガンの熱で溶け落ちるなど、今ひとつうまく行かない。
そこでアルミ板全体を150℃位に温めることにした。

基板全体を温めておくが、半田が溶ける温度にまでは達しないようにする。
半田付けしたいLEDの部分のPADに半田を盛って、ちょんと付けておく。

全部のLEDを付け終わったら、裏側から加熱する。
結局裏から加熱することになり、だったらクリームハンダを使えば良かったという話だ。

チョン付けで浮いているLEDを上から押さえつけ、基板に密着させていく。
注意しないと、隣の部品の半田も溶けているので(触ると)動いてしまう。
しかしクリーム半田を塗ったわけではないので、ヒートパッドがちゃんと着いたとは思えないんだなぁ。

手際が悪いというか、少々苦労はしたがLED交換は無事に終了した。
もう一台の方はクリーム半田でやってみることにする。

下の写真は改造前の全点灯時だ。
このモードではブルーLEDは暗く点灯する。

ブルーモードで発光させると、ブルーのみが明るく点灯する。

これは電圧を下げて点灯させて撮った写真だ。
規定電圧にすると明るすぎて、デジカメの撮像素子が飽和してしまった。

下側の白色LEDを近紫外LEDに交換したものが下の写真だ。

これは更に電圧を下げて暗くしている。
左下の赤色LEDと、右下のブルーのLEDの間にある5個が近紫外のLEDだ。
デジカメだと暗く、青っぽく写っている。
見た目は紫っぽい感じで、水槽を照らすと植物育成用ライトのような色合いが混じる感じになる。

この後上の列の白色LEDをブルーに交換、中央部の白色LEDはそのままにした。

クリーム半田でやってみる

LEDを外すのも下からヒートガンで熱してみた。
抵抗が1本外れてしまったが、下から加熱しても特に問題はなかった。
ただし中央に近い列のLEDは外す気にはなれない。
あちこち外れてしまいそうで。
振動や風が当たるわけではないので、触れなければLEDや抵抗が外れることはないのだが、どうも嫌な感じなのだ。

クリーム半田は中華製である。

品質や安定性などを求めると国産の方が良いが、中華ものでも使えないことはない。
シリンジに入ったタイプもあるが、個人的にはカップに入っている方が良い。
細い針の先にクリーム半田を付けて基板に塗った方が、分量のコントロールがしやすい。
クリーム半田はぼそっとした感じで、クリームと言うよりも”こしあん”である。

クリーム半田は置くと言うより塗る感じ。
分量は0.01mlくらい、水滴の1/5位の分量で十分だ。
沢山塗るとはみ出す。
しかしボソっとしているので、どうにも塗りにくい。
特にクリーム半田が冷えていると、ボソボソ感が増大する。
チクソトロピーなのでかき混ぜると柔らかくなるが、そもそも40μmくらいのハンダのつぶつぶなので、ペンキのようにはならない。

国内メーカ品だとチクソトロピー性(指数)だとかハンダの粒径が表示(管理)されている。
ただし工業用が殆どで、一般用は余りで回っていない可能性がある。
これは鉛フリー化の事情もあると思う。

塗り過ぎよりは、少なすぎるかな?位の方が良い。
ソルダマスクがあれば何と言うことはないが、手で付けていくので面倒だ。
LEDの全交換など、多数のPADにクリームハンダを塗る必要がある場合は、薄い板(金属板など剛性が高いものでないと、ふにゃっとしてしまう)などを加工してLED1個だけのソルダマスクを作れば効率的だ。

クリーム半田の塗布が終われば、作業はもう終盤である。
クリーム半田を塗ったパッドの上に、LEDチップをそっと乗せる。
乗せるだけで上から押さえつけてはいけない。

クリーム半田が多いとはみ出す。

あとは加熱するだけだ。
クリーム半田はグレーだが、加熱すると溶けて銀色になる。
溶けると表面張力が働いて、パッドにチップが引き込まれるようになる。
見ていれば着いたかどうかはすぐに分かる。

クリーム半田が多いとはみ出す。

適度な量だと、半田が見えないくらいになる。

あとは点灯試験を行って終了だ。
部屋を明るくして相対的にLEDが暗く見えるようにし、12Vで点灯させてデジカメで撮ってみた。
それでも露出オーバーで色がおかしい。

ノーマル状態の全点灯

ノーマル状態のブルーのみ点灯

改造後の全点灯

中央の列の白色LEDはそのまま残してある。
青く明るく光っているのは、青ではなく緑色LEDである。
EVをマイナス2にすると緑色は分かるようになるが、白色も青っぽくなる。

赤色LEDの数は少ないのだが、この赤があるためか全体として少し紫っぽい感じになる。
近紫外LEDを付けたほどではないが、意外と赤のパワーは強いのかも知れない。

中央に置いている灯具は未改造のままで行こうかと思ったが、これも白色LED21個をブルーと近紫外のLEDに交換した。
新型は鉛フリーハンダが使われているようで、かなり高温にしないとハンダが溶けなかった。
リフロー炉で処理する場合は温度や温度傾斜が管理されているから良いが、手付けの場合はパーツにストレスを与える可能性がある。

灯具によっては以下のようなLED各色を組み合わせている。
水色発色LEDで青色LED+蛍光体を使うものだと、スペクトルが450nmから540nmと広くサンゴに有効だと言われる。
またピンクも蛍光体を使うので幅広い波長が観測される。

UVB:280nm
UVA:370nm
近紫外:400nm
ブルー:460nm
水色:480nm
シアン:495nm(ブルーLED+蛍光体のものはスペクトルが広い)
エメラルドグリーン:505nm
グリーン:520nm
黄緑:550nm
オレンジ:600nm
赤:660nm
ピンク:蛍光体による
ホワイト:蛍光体により、3000K~12000K位までのものが入手できる。

各色LEDの駆動電流を任意に設定できたり、その駆動電流を時間ごとに設定できるなど、照明器具の高機能化も進んでいる。

サンゴの育成に必要な波長

こちらのサイトは横浜時代から存じている。
サンゴと光に関しては非常に詳しく説明されている。
余談ではあるが、1.023WorldのWebmaster氏と敵対関係?にある某水槽関係ケミカル販売者氏は、波長だなんだと語るのは無意味だ、市販の照明器具を付けておけばそれでサンゴは育つ、重要なのはケミカルだと豪語していた。
しかし最近になって多種類のLEDを並べた、サンゴ専用照明を発売するに至り、波長がどうのとかと語り出している。

こちらは照射する光の波長とサンゴの生長の相関を研究したものだ。
青色と赤色がサンゴの生長にとって重要だとの結果が出ている。

この実験の中でLEDの光出力に関しては触れられていない。
波長ごとのLEDの光出力を揃えてあるのか否かが分からない。

研究結果でも示されているが、緑色LEDに褐虫藻が集まるとされる。
同様な研究結果はこちらにもある。
従って緑色光が不要というわけではなく、白化からの回復などに有効なのではないかと書かれている。
蛍光タンパクの所に書くが、この緑に集まる褐虫藻の特性をサンゴが利用する。

ZEOvitは褐虫藻を極限まで減らすことで、サンゴをパステルカラーするものだ。
サンゴは褐虫藻の共生によって存在しているわけで、その褐虫藻を減らせば生長も遅くなるとは思う。
しかし観賞用と考えた場合は、生長などによる形状変化がない方が好ましいとも言える。
珊瑚に関しては、いわゆる色揚げなどと呼ばれる、人間の好みの色にしていく飼育手法がある。
それがサンゴにとって良いことなのか、迷惑なことなのかは褐虫藻にでも聞いてみなければ分からない。

照明器具に関して言うと、珊瑚にしろ水草にしろ、それを育てるための光(波長)と見るための光(波長)は一致しない。
植物のクロロフィル(葉緑素)の吸収波長は460nm(青)付近と660nm(赤)付近だ。
葉は緑なのだが、それは緑の波長を良く反射するからである。

植物育成用ライトが赤色LEDと青色LEDで構成されているのはその為で、ビオルックス(NECの植物育成用蛍光灯)も450nm付近と650nm付近の波長が出るようになっている。
水槽用でも使われている植物育成用蛍光灯は、紫っぽい発光色(赤と青)である。
しかしこれでは見た目が悪い。
植物の葉は黒っぽく見えてしまい、観賞用として適するとは言えない。
そこで緑色のスペクトル成分を出すことによって、葉を綺麗な緑色に見えるようにする。

蛍光タンパクと紫外線の関係

サンゴの場合は蛍光タンパクの励起波長という概念があって、特定の波長の光によって蛍光タンパクが叩かれて光を発する。
この蛍光タンパク励起光を適切に選択することで、サンゴを良い色に発色させるわけだ。

蛍光タンパクは発色に寄与するが、サンゴ自信が見た目を気にしているわけではない。
自らの生長に使えない近紫外線域の光により蛍光タンパクが励起され、サンゴの生長に必要な波長に変換するのだ。
紫外域LEDで蛍光体を叩いて白色光やピンク色を出力するLEDと同じである。

これによって紫外線域の光でもサンゴが生長できる(生長度合いは少なくなる)事になり、これは上にリンクした、各波長でのサンゴ生長の比較実験にも示される。
更にはこの蛍光タンパクの発色が人間にとって有益(綺麗に見える)になる。

褐虫藻は紫外線が嫌いで緑色光が好きだ。
この特性をサンゴが利用するには、紫外線を受けて緑色光を発する蛍光物質を持てば良いことになる。
いわゆるミドリイシが緑であるのは、褐虫藻を集める為なのかも知れない。

メタハラの時代でも近紫外域の波長は必要だと言われていて、それによるサンゴの色合いの変化などがあるとされた。
ただどの位の光出力が必要なのかとか、波長がどの位であるかなどは余り語られなかった。

海水は青い光を透過するが、紫外域や赤色などのスペクトルは吸収する。
従ってごく浅い場所に存在するサンゴには紫外線が当たるが、深場のサンゴまでは紫外線は届かない。

今回のLED交換でも近紫外域のLEDを付けた。
とは言っても水槽にミドリイシを入れているわけではないので、他のサンゴに対する効果があるのかないのかはよく分からない。

メタハラとLED

横浜時代にはメタハラが全盛というか、LEDはまだまだ暗い時代だった。
カタログ上のスペクトルの比較なども行ったし寿命に関する測定も行った。
当時に比較すればサンゴの育成環境も大きく変化し、メタハラと違って特定の波長の光のみが出るLEDによる、サンゴ育成のレポートなども多く見ることが出来る。

発光効率は色にもよるのだが、LEDもメタハラ同等かそれ以上になっている。
横浜時代にはメタハラの総消費電力が1.5kW近くになっていた訳だが、今同じ光量を得ようとすれば700W程度で済むのではないだろうか。

メタハラの発光効率は100lm/W程度なのだが、短波長域では効率が落ちる。
一方でLEDは高効率な白色系で100lmを超えている。
こうしたこともあり、水槽用のメタハラ灯具は製造中止などが相次ぎ、交換用のバルブも保守扱いとなっている。

京セラのサンゴ育成用LEDは、蛍光体ドライブ方式で広範なスペクトルを有する。
これはあくまでも、一定の水深に於ける太陽光のスペクトルを模したものであり、サンゴの育成には不要なスペクトルの光も含まれている。

サンゴの生長だけを考えるのならば、生長に必要な波長の光があれば良い。
しかしサンゴの色を良くする(人間の好む色にする)とか良い色で見たいとなると、水草水槽に於ける緑色の光の成分の如く、様々な波長の光が必要になる。

明るいLEDと明るく見えるLED

明るく見える蛍光灯にPanasonicのパルックなどがある。
これは光の3原色のスペクトルを強化したもので、RGB以外のスペクトルパワーを小さくした。
人間の目はRGBを見ているので、3原色の合成が白であればそのものは白と認識できる。
同じようなことはLEDでも行うことが出来る。
RGBの3色型のLEDもあるが、蛍光体ドライブ方式では赤+黄色の組み合わせで白色を作る。
黄色の光によって人間の目は赤と緑の錐体が受感することになり、これに青色を加えれば見た目は白色になり、疑似白色などと呼ばれる。

疑似白色は白色に”見える”だけで、余計なスペクトルを含まないので発光効率が高くなる。
従って高効率或いは高輝度LEDの多くは、この疑似白色である。
疑似白色LEDは高効率を誇るが、演色性が悪い。

光を当てる

これは2004年の記事なのだが、そこに掲載した図が以下のものだ。

最近のLED灯具では、ガラス面の反射を積極的に利用して影が出来ないような照射を行うものもある。
メタハラ時代には広角かスポットか程度だったが、点光源でプラスチックレンズの使えるLEDでは、様々な特性を作ることが出来る。

褐虫藻にしても蛍光タンパクにしても、光があるから活動できる訳で光がなければ消滅してしまう。
サンゴの裏側にポリプが無いのは、そこに光が当たらないので褐虫藻が活動できないからだ。

メタハラ時代には点光源と狭角ビームのスポットが、水面の波にきらめく光を演出するなどと言って好まれる傾向があった。
これは面発光の蛍光灯では得られないものであり、光と影のコントラストの美しさは自然の海の中を見るように映ったものだ。
その後広範なスペクトルを持つ蛍光灯がもてはやされる時代があり、蛍光灯は面発光だから影が出来なくて良いと言われた。

そしてLED時代になると、スポットビームでも広角でも作り出すことが可能になり、使う人の要求に合わせた光を手に入れることが出来る訳だ。
サンゴのためには影が出来ない方が良いのかも知れないが、自然の海の中の見え方の再現と考えれば、水面の揺らめきやそれによる影が欲しくなる。

観賞用の水槽と考えると、サンゴのためになる照明が良いのか?鑑賞のための照明が良いのか?難しい所だ。
これはZEOvitなどによりサンゴの色をパステル化することも同じで、観賞用として考えれば人間の好む見え方のサンゴを作りたくなるというわけだ。

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