楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

光を利用する素子で使えそうなものを取り上げます


光を利用する電子部品でLEDやCdSセルなどについては別のページでも紹介していますが、電子工作への応用範囲も大きそうなので、ここでは、その他の光が関係する素子やセンサで、単価が100円以下のものでアナログ的に電子工作に使えそうなものをピックアップしてみました。

CdSセル LED フォトダイオード フォトトランジスタ フォトインタラプタなど

ここでは、これらの写真のものが、どんなもので、どのように使えるのかの一部を紹介して、「アナログ電子工作に使えそうかどうか」のイメージを持っていただきたいと思います。


(1)LED  (2)CdSセル  (3)PINフォトダイオード  (4)フォトダイオード(照度センサ)  (5)透過型フォトインタラプタ について見ていきましょう。


LED(発光ダイオード)

いろいろなLEDの例

LEDはかなりポピュラーになりましたが、「光を出す素子」の代表です。

種類や形状は多岐にわたりますが、手元にあるLEDだけでも、いろいろな種類のものがあります。

2本足のポピュラーな砲弾型の普通タイプでも5mmと3mmのものがありますし、それと同じ形状をしている高輝度の白色LEDもあって、さらに、それらと同じ形状でも、点滅するものあったり、赤外線を発光のものあったり・・・と、外観で区別するのも難しいくらいの種類があります。

足の長いほうが+アノード側で、アノードから反対のカソードに決められた電圧と電流を流すと発光します。(こちらにLEDの記事があります)

書籍などには、電極の形でプラスマイナスの方向を説明しているものもありますが、私自身もよくわからず、外観からは簡単には見分けることが難しいので、テスターで調べることも多いので、保管に気をつけて、種類の違ったものを混ぜてしまわないように気をつけるようにしましょう。

砲弾型で用途の違うLEDの例 目で見てもわかりません

LEDは電流を流しすぎると簡単に焼け切れてしまいますし、加える電圧が高いと電流が流れすぎてしまいますので、電流制限抵抗などを使って明るさを決めるのですが、「明るくしすぎないこと」と周囲温度をあげないことがLEDを長持ちさせる基本と覚えておいてください。

特殊なものは別にして、大きく分けて、2V用と3-3.5V用があるので、私はいつも、下の回路を使って確認や区別をすることにしています。(こちらにLEDの記事

LEDの点灯回路例

砲弾型LEDでも、電圧が普通タイプの2Vのものと高輝度タイプの3.5Vのものがほとんどですので、これで点灯させると赤外線タイプ以外は判別できるのですが、少しの慣れも必要です。

余談ですが、LEDはダイオードの一種ですので、交流でも2本足のものは点灯します。(LEDのページで紹介しています)

赤外線LED

赤外線LEDは点灯すると赤外線を出すLEDで、発光していても、もちろん光っているのは人間の目では見えません。

赤外線センサと組み合わせて使うこともあるので、簡単に紹介します。

人間の目に見える光の波長は350~850nm程度で、350以下は紫外線、850以上は赤外線と言われます。

赤外線LEDもいろいろな形状がありますが、何にでも簡単に使えて安価なのが砲弾型です。

発光する波長は920-940nm中心のものが多く、もちろん、私にはその光は全く見えませんが、下のようにデジカメを通すと、光っているのが見えますので、発光しているかどうかは、デジカメで確認できます。(左は消灯状態です)

赤外線LEDの目視

データシートでは、1.35-1.6V 50mA(max100mA)となっており、上の回路の抵抗を100Ωにして電流を測ると、35.8mA流れていました。(少し流しすぎですが・・・)

I=(5-1.5)V/100Ω=0.035A で、ほぼ計算通りですね。

後で紹介するフォトダイオードやフォトインタラプタは赤外LED対応のものが多いのでこれを取り上げましたが、具体的な使い方などは別に考えることとして、目に見えない光・・・というのは、面白そうです。 

CdSセル

CdSセルの例

こちらのページでも紹介していますが、CdSセルは「フォトレジスター」とも言われますが、ここではよく使われる 「CdSセル」 としています。

これは光の強さで素子の抵抗値が大きく変わる電子工作に使える安価な部品です。

先端の直径が約5mm小さな素子で、この面に光が当たると、明るさとともに抵抗値が下がリます。 その変化が大きいことが使いやすい一つの理由です。

CdSセルに使われているカドミウムが有害で、フォトトランジスタに置き換えられる傾向ですが、こちらのCdSセルのページにも書いたように、食べたり捨てたりしなければ問題はなく、環境汚染は進んでいるのですが、過度に心配する必要はありません。

簡単に使える優れた素子なので、長所を生かしてうまく使いましょう。

不思議に、一般的に公開されている詳しい技術資料が見つかリません。手元にあった照度(LUX)と抵抗値の対数グラフから普通の目盛りにプロットし直したグラフ関係を示します。

照度と抵抗値の例

書籍に掲載されたグラフから点を読み取ってプロットしたので、なめらかな線ではありませんし、双曲線とも違う感じです。

抵抗変化を電圧変化に変える

電圧変化のほうが直線的な変化に近づくので、扱いやすい場合も多いので、下のように固定抵抗を入れて抵抗変化を電圧変化に変えてみましょう。

これはリニアライズともいわれますが、ただ、完全に直線にするのは難しいようですが、電子工作のレベルでは、これでも抵抗値の関係よりも使いやすそうです。 

CdSセルの回路例

CdSの測定値

抵抗値を上げると、直線に近づきます。 しかし、電圧変化量は小さくなっていますので、用途によって抵抗値を変えて使うのが良さそうです。

手もとにあるCdSセルでは、暗いところでは10MΩ以上で、太陽光にあてると250Ω程度ですが、使う範囲を狭めれば、直線の関係が充分に利用できます。

照度計があれば、何かの関係がわかるかもしれませんが、抵抗変化、電圧変化、照度との関係・・・などがあるということを知っていれば、実際に使うときには対応しやすいでしょう。


照度センサ(フォトトランジスタ):NJL7502L

フォトトランジスタ例 先端部拡大

フォトトランジスタも「光の変化量を電圧変化」として捉えるセンサです。

これはCdSセルに変わるものとして、一般の製品ではこのフォトトランジスタの用途が増えていますが、感度(や光量による変化量の)特性を比べると、CdSセルのほうが優れていますので、趣味の電子工作ではCdSセルのほうが使いやすいのは確かです。

このNJL7502Lは、砲弾型のLEDと同じような形で、トランジスタではあるものの、2本足です。

下の回路図のような使い方ができます。

この製品は自然光(太陽光)向けのもので、その他に、赤外線に対応したものもあります。(これはCdSセルにはない特性です)

2本足のうち、長いほうが+アノードで、短い足が-カソードで、光を受けると、アノード(+)からカソード(➖)に電流が流れます。

逆電圧は10Vまで耐えますので、電源電圧5Vでは、逆につないでも、破損することはありませんが、しかし、もちろん、逆につなぐと動作しません。

次のような回路で、LEDに光を照射または遮光すると電圧が変化する・・・等の使い方ができますが、ここでは、取り出す電圧傾向を見るために、図の抵抗Rの抵抗値を変えて室内と室外で出力電圧の変化をみました。

フォトトランジスタの回路例

太陽光下で測定中

室外では、このように太陽光の下で測定しています。

測定結果

実際の回路を考えるときは、用途に合わせて出力値を考える必要はありますが、周りの明るさで何かの動作をさせようとすれば、照度(LUX)よりは電圧変化のほうが使いやすいので、それにはつないでいる抵抗値を変えればいいだけです。

結構な電圧差があるので、先のCdSセルと同じように、結構使いやすいようです。

明るさの変化は、場所の状態だけではなく、遮光のあるなし・・・などでも使えそうですね。


Siフォトダイオード

Siフォトダイオードは光を受けると、電流や電圧が発生する受光素子です。

使い方としては、 ①光の有無・強弱  ②色検知  ③光ファイバー通信用途  ④放射線用途 ・・・ などに使われていることもあって、様々な製品があります。

Siフォトダイオード例

ここで使用したのは、Si PINフォトダイオード(型番 浜松ホトニクス S6775-01)で、可視光をカットする近赤外対応のものです。

いずれの製品も、他の部品と回路を組む必要があって、使いこなすにはいろいろな知識が必要な感じです。(性能は優れているのでしょう)

それもあって、趣味の電子工作に使うのはやや大変で、ここでは品物の紹介にとどめますが、データシートには、いくつかの使用例が掲載されていますので、興味ある方は御覧ください。

人間の目に見える光の波長は350~850nm程度なのに対して、この製品は960nmの波長が中心で可視光をカットしている・・・とあります。 

また、照度によって短絡電流が流れる・・・とあるので、ここでは、このSiフォトダイオードにテスターの電流計を直結して、上で紹介した赤外LEDをこのダイオードに当てた時の変化をみました。

下の写真の試験回路は、赤外線LEDを発光させて、それに密着させたSi PINフォトダイオードに電流計を直結しただけで、特別なものは何も使っていません。

測定中赤外線なし

赤外線で測定中赤外線密着照射

写真のように、照射なしの時に21μA、照射すると158μAになりました。

これは、電流を増幅するとなにかに使えそうだ・・・という感じの結果になりました。

データシートには、320-1100nmに感応して、最大感度が960nm、短絡電流が30μA/100lux・・・とあるので、「可視光カット」という仕様であっても、太陽光下で「明るい暗い」の判定ができそうです。

①明るい戸外(直射なし)  ②室内   ③赤外LED5mm間隔照射 で、短絡電流と短絡電圧を測ると、次のようになりました。

測定結果

この実験結果だけの段階では、このセンサをどのように使うといいのかはわかりませんが、光の有無、光の強さについては、オペアンプやトランジスタ増幅をすれば使える感じがします。

ただし、電子工作のレベルでは、ちょっと精密すぎて、今までの素子より使いにくい感じがしますので、紹介はここまでにします。

透過型フォトインタラプタ

フォトインタラプタの例 拡大

溝の両側に赤外線LEDとフォトトランジスタを配した部品です。

非常に安価なもので、使い方もかんたんで、溝を遮蔽するか開放するかで電流や電圧が変化します。 それを検知することで、いろいろな条件が判別できるという用途で使うことができます。

この製品は型番 CNZ1023で、足が4本でており、上側が発光のための赤外LEDの1:+アノード 2:-カソード、下側が受光側の3:コレクタ 4:エミッタ が一体化されたものです。

すきまを遮蔽すると、受光側の電流が変化します。

これは一体型ですが、その他に、反射式のものもあり、品物によって反射光を受け取ることで電流電圧変化を感知するものがあります。

電流変化を測定しました

フォトインタラプタを使った回路例

このようなかんたんな回路で、抵抗Rを変えて、隙間を開いたときと閉じた時の電流電圧を測定して、その差をみてみました。

220ΩはLEDの電流制限抵抗です。

測定結果

①電流が流れるか流れないか と、②電圧の変化  のいずれかで隙間が遮断されているかどうかがわかります。

電流が「流れる」か「流れない」のですから、簡単に状態がわかりますね。

定速で開閉する場合などは、回転数もわかりそうです。

私も、モーターの回転数を測るのに、モーター軸に隙間のある円盤を付けて、それをオシロスコープにつないで回転数を測る・・・などをしています。(次のページで紹介)

この部品は非常に安価でうまくできていますので、使いみちはありそうです。

*****

以上、発光側のLEDなどと受光側のセンサについていくつかの例を見ましたが、いずれも安価なものですので、これらも、いろいろと購入しておいて、事前に何に対して、どういう使い方ができるのかを経験しておくと、オリジナルなもので遊べそうですね。

→次のページで、フォトインタラプタとフォトリフレクタを紹介しています

→目次のページへ 


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(来歴)R2.8記事作成  R2.9見直し  最終R3.7に見直し

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