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円以下のものから、アナログの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

ここではこの写真のものについてどんなもので、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

これはポピュラーなもので、「光を出す素子」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、いろいろな種類のものがありました。

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。

このようによく似ているものがあると、足を切ってしまえば点灯してみないとわからなくなりそうです。

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、私はこれではわかりませんので、ともかく点灯して分別するのですが、「簡単に」とはいきませんので、ともかく、混ぜてしまわないように気をつけないといけません。

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焼け切れますし、電圧が高いと電流が流れすぎてしまい単寿命になったり焼け切れてしまいます。

変な言い方ですが、「明るくしすぎないこと」がLEDを長持ちさせる基本です。

特殊なものは別にして、2V用と3-3.5V用があり、私はいつも、下の回路で調べます。

LEDの点灯回路例

砲弾型LEDは、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ます。

LEDと抵抗を直列につなぐと、それぞれに同じ電流が流れます。 そこで、2VのLEDに15mAの電流を流したい場合は、(5-2)/0.015=200Ω 3.5VのLEDなら(5-3.5)/0.015=100Ω の制限抵抗をつければいいのですが、なぜか私はこの図のように、いつも、何も考えずに、220Ωを使っています。

点灯させて、正面から見て「まぶしい」ものは3V-3.5Vの高輝度タイプです。足を切ってわからなくなった場合は、反対につないでも点灯しなければ、LEDが切れています。慣れるとわかります。

余談ですが、交流でも2本足は点灯します。

点滅するタイプは商用の交流をトランスで電圧を下げて接続しますと、点灯しますが、点滅しません。

この方法で平面タイプや変わったタイプを試験したことはありませんが、LEDはダイオードなので整流作用はあるはずですので、途中に何かの回路が付加されていなければ、ほとんどは点滅すると考えていいでしょう。

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。

赤外線を感じるあとに紹介する部品と組み合わせて使うことを考えて、これを取り上げました。

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、デジカメで確認しています。(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。

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。 以上の簡単な紹介とします。

CdSセル

CdSセルの例

CdSセルは「フォトレジスター」と言われることもありますが、とおりがいいのでCdSセルで呼ぶことにします。

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。

こちらのページに簡単な使い方などを紹介しています。

CdSセルに使われているカドミウムが有害なために、次に紹介する照度センサ(フォトトランジスタ)に置き換えられる傾向があるようですが、こちらのCdSセルのページにも書きましたが、食べたり捨てたりしなければ、健康被害などに対して、過度に心配する必要はありません。

簡単に使える素子ですので、長所を生かしてうまく使えばいいのです。

一般的に公開されている詳しい技術資料も見つからないので、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を読んでプロットしたこともあり、このグラフはなめらかでないし、双曲線とも違う感じですが、それはともかく、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やると、電圧的には直線に近づきます。(直線にするのは難しそうです)

CdSセルの回路例

CdSの測定値

抵抗値を上げると、直線に近づきますが、電圧差は小さくなっていますので、用途によって抵抗値を変えると使えそうです。。

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程度になります。

手元に照度計があれば、実測すると、もう少し直線性の良いカーブになっていると思いますし、通常は電圧変化を利用した使い方をするので、実際に使うときにはこれらのこととを知っておくと、なにかに対応できそうです。


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ます。

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)特性から見るとCdSセルのほうが優れています。

このNJL7502Lは、砲弾型のLEDと同じような形で、トランジスタというものの、2本足ですが、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。

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、もちろん、逆では動作しません。

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な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し、結構な電圧差があるので、先のCdSセルと同じように使いやすそうですね。

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。


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が、いずれにしても、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です。それもあって、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。

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。(フォトダイオードの回路は電流計を直結しただけで、特に何もありません)

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。

電流を増幅するとなにかに使えそうです。

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」とあっても、太陽光下で「明るい暗い」の判定ができそうなので、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

この段階で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ですが、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。

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、溝を遮蔽するか開放するかで電流や電圧が変化します。

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、すきまを遮蔽すると、受光側の電流が変化します。

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もあります。

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 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や、定速で開閉する場合などは、回転数もわかりそうですね。

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、いろいろと購入しておいて、何に対して、どういう使い方ができるのかを考えていけば、オリジナルなもので何か使えそうです。

しばしば「ロボット」などで「反射型インタラプタ」を用いて位置決めをする例が見られます。後日これらを合わせて、センサの使用例を紹介する予定でおりますが、日にちは未定です。

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