まず分解。

クリスマスの季節が近づいてくると、お店にクリスマス関連のアイテムが並びますね☆
やはり目玉はクリスマスツリーやイルミネーションアイテムでしょうか。最近はLED化されており、非常に消費電力が少ないので電池駆動の製品も増えてきましたね。
しかし、24時間常時点灯させたいと考えると電池交換の手間や電池代がバカになりません。
そこで、USB電源化することでモバイルバッテリーやUSB-ACアダプタから電力供給できるように改造してみました。

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クリスマスツリーに付属するコントロールユニットとは

今回USB電源改造に使用するイルミネーションユニットです。
今年にニトリで販売されているツリーには、このタイプの電池ボックス兼コントロールユニットが付属しています。

コントロールユニットを開けてみると、単三電池を3本使う仕様となっています。
乾電池を格納する部分にはゴムパッキンが仕込まれており、簡易防滴仕様になっているようです。

一般的な使い方は、このように充電式電池やアルカリ電池等をセットして使う方法です。
しかし、長時間使いたい場合は電池交換の頻度が高く手間がかかります。

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USB電源を仮接続して動作チェックしてみた

まずはUSB電源で動作可能かどうかチェックしてみる為に、USBワニ口クリップ電源コードで仮配線をしてみました。
基本的には1.5Vが3本で4.5Vで動作する設計ですが、電池駆動の製品は基本的に幅広い電圧で動くように設計されているものが多いです。
下はニッケル水素充電電池の1.2V*3本=3.6Vから、上は1.5Vリチウム乾電池の初期電圧1.8V*3本=5.4Vまで対応するように設計しないといけません。
という事は、USBの5Vでも問題ないのでは？？という考えでUSB電源を接続してみました。

5V時の電流は0.08A～0.12AとLEDならではの低消費電力です。
しかし乾電池で使うとなると24時間の連続点灯は避けたいところ。
ひとまず耐久試験ということで、この状態で1週間ほど連続点灯させてみましたが特に問題は発生しませんでした。

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クリスマスツリーのコントロールユニットを分解する

USB電源の5Vでも故障や発熱することなく正常に動作し続けたので、早速改造に取り掛かりましょう。
まずはコントロールユニットのビスを取り外して内部をチェックしてみたいと思います。

ビスを外して基板押えカバーを取り外しました。
内部は8pinのICが搭載された基板で構成されていました。

コントロールユニットの基板です。
基板型式はJL-863F-Sとなっており、ICの表面にも863Fと印字されていました。
チップの素性は謎ですが、コンデンサや抵抗などが一切搭載されていない潔い設計に驚きます(^^;
ICの電源周りも電池直結という状況なので、スイッチング電源を取り付けるとノイズの影響で正常に動作しない可能性もありますね。。。

ひとまずUSB電源化といことで、長さ1mのUSBケーブルを買ってきました。
先端は切断して利用するので、MicroUSBでもTYPE-Cでも問題ありません。色や長さで選ぶと良いでしょう。

まずはコントロールユニットに先ほどUSBケーブルを通すための穴あけが必要です。
今回はブラックアンドデッカーのUSB充電式ドライバーを利用しました。

充電端子はMicroUSB B端子を採用。
ドライバーに専用ACアダプタは付属していますが、一般的なUSBケーブルで充電可能です。

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クリスマスツリーのコントロールユニットを改造する

付属のドリルビットでサクッと穴をあけました。
この時、基板や既存の配線を破損させないように十分注意しましょう。

この通り、綺麗に穴が開きました。
USB充電式ドライバーでもこの程度の樹脂であれば穴あけ加工など十分対応可能ですね✨

コントロールユニットにちょうど良いサイズの穴が開いたので、次はMicroUSBケーブルの加工に移りましょう。
加工に必要な道具はニッパ一本です。

こちら側のコネクタは必要ないので・・・

ニッパでチョッキン！カットしちゃいましょう(^^

カットしたUSBケーブルを外側から中側に向けて穴を通します。

先ほど穴を通したUSBケーブルの先端部分を5cmほど被覆を向いて内部ケーブルが見えるようにしましょう。
USBケーブルの場合、赤・黒・白・緑の4色のケーブルが通っています。
それぞれ役目がありますが、電源として使う場合は赤・黒の2本だけ残して、白・緑は切断して問題ありません。

さらに赤・黒のケーブルは先端の被覆を向いて、中の銅線が見える状態まで加工します。

そして、内部の銅線に予備ハンダ作業を行います。
予備半田とは事前に銅線部にハンダを浸透させておく作業を意味します。

事前にハンダを浸透させておくことで、次のハンダ付け作業がスムースに行えるようにするのが目的です。
ハンダ、ハンダコテ、一眼レフを一度に持って撮影したので、あまり良い角度で写真が撮れませんでした。すみません。

先ほどのケーブルを基板に半田付けして作業は完了です。
基本的には黒がマイナス、赤がプラスという色分けになっています。
この考えでほぼ90％間違いありませんが、念のためにテスター等で極性をチェックしておくと良いでしょう。

この状態でモバイルバッテリーを接続して点灯試験を実施しました。

ところが、LED自体は点灯するものの、点灯パターンによっては動作がおかしいようです。
ゆっくり明暗するようなパターンは高速で点滅して明らかに異常な状態です。
おそらくスイッチング電源のノイズに起因するICの異常動作だと思われます。

という訳で電源ノイズ対策の基本となるコンデンサ増設を行いました。
この基板は電池駆動という事でコンデンサの類が一切搭載されていませんでしたが、基本的にはマイコンICの電源部にコンデンサを装着するのが一般的です。
本来は積層セラミックコンデンサを搭載したい所ですが、手持ちがなかったため小容量のアルミ電解コンデンサを搭載しました。
この状態で様々なUSB電源に接続して動作確認しましたが、全く問題ありませんでした☆

ハンダ付け作業が終わったら、ケーブルの断線を防ぐための固定作業を実施しましょう。
今回は紫外線硬化樹脂を使って短時間で仕上げたいと思います。
これは手芸やアクセサリー制作で利用されるUVレジンです。

まずはUSBケーブルの長さを調整して無理のない引き回しを取りましょう。

そしてUVレジンを適量流し込みます。
不意にケーブルが引っ張られた時や、万一ハンダ付け箇所が外れてしまった時を想像しながら塗布しましょう。

UVレジンを固める作業を行います。
基本的には太陽光などでも硬化させることが可能ですが、短時間で硬化させるにはLEDやUVランプを使った人工光が最適です。
今回はハイパワーUVLEDを搭載ししたネイル用の紫外線ランプを使ってみました。

UVレジンの硬化中はレジンの急激な発熱や軽い発煙などの現象が発生します。
これは正常な化学反応なので焦らず作業を続行しましょう。

UVレジンが完全に硬化すると、表面がカチカチに固まり、ベタつきなどが無くなります。

最初に外したカバーを再度装着して、改造作業は完了です。

では実際にツリーに装着して点灯させてみましょう。
明るさも十分で多彩な点灯パターンがあるので、お値段以上の価値があると思います。

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USB電源化作業のまとめ

いかがだったでしょうか？
LED全盛の時代という事もあり、売られているものはコンセント式ではなく、電池式の物が多くなりました。
省電力だからこそ、時間を気にせず長時間点灯させたい！と考える方も多いかと思います。
比較的簡単に改造出来て電池代や交換の手間も不要となりますので、ぜひUSB電源化改造にチャレンジしてもらえればと思います。