楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

フォトレジスター(CdSセル)を使ってみよう

フォトレジスターとは光の強度で抵抗値が変化する電子部品で、硫化カドミウムCdSを使うので、普通は「CdSセル」と呼ばれています。

明るい光を受けると、抵抗値が減少します。逆に暗いところでは、数MΩの抵抗値になります。

簡単に言えば、「暗くなったら電気をつける」「明るいときにはファンを回し続ける」・・・などのイメージに利用すればいいと考えておけばいいでしょう。

簡単な回路で、光が有無や光の強弱(の程度)を検出できますので、初歩の電子工作向けとしては使いやすいセンサーと言えます。

これと同じ目的で使われるセンサに「フォトダイオード」「フォトトランジスタ」などがありますが、これらは光の強さを電流の量に変換するセンサです。


CdSセルの製造原料「カドミウム」について

CdSセルの製造原料の「カドミウムCd」は、人体に多く取り込まれると、イタイイタイ病で知られるような腎・肝機能低下や骨の機能が失われるなどの懸念があり、体内に永く滞留するために、RoHS(特定有害物質の使用制限)などで、世界的に製造者に対して、カドミウムを含む製品を排除することが求められています。

しかし、カドミウムは電池や肥料製造など工業的には有用なものであるために、国内ではこれを使ったたくさんの製品が作られて、日本はカドミウム使用量もその輸出量も多い国です。

このCdSセルは、RoHSに引っかかるだけでなく、コスト面もあって、すでに国内製造されていないのですが、優れた性能のために、アマチュアにとっては使いやすく、電子工作にはなくてはならないセンサーですので、外国製のものが現在も広く販売されているのが実状です。

優れた代替品が出てくれば、CdSセルは消える運命にあるのですが、まだしばらくは流通するでしょう。

このCdSセルに触れたり使うのが危険というものではありません。

直接食べる人はいないと思いますが、体内に入ると問題ですが、廃棄物などでの環境汚染が危険なもので、使ったり触れたりしても危険性はありません。

消費者(電子工作者)としては、持っている部品を焼却したり不用意に廃棄して有害物質が拡散しないようにすれば問題はありません。

実際問題としてどうすればいいのかといえば、変な言い方ですが、「廃棄せずに持ち続ける」ということです。

すでにカドミウムは、環境中に拡散しており、主食の米から最も多く体内に入っており、もちろん摂取してはいけないのですが、自然放射能などと同じで、健康対策自体も難しいという物質です。

これが危険順位が高かったら、PCBのように、何らかの対策や指導があるはずで、今、個別に廃棄処理をしようとすると、莫大な費用がかかるだけですので、それまでは捨てずに持っておればいいのです。

世の中には、生活に有用なものは、有害性があっても製造され続けています。 逆に言えば、無害無毒のものだけが製造されているのではないので、害にならない使い方知識をもっておれば問題になることはありません。

製品の製造者は規制に従う必要から、現状では、フォトトランジスタなどの代替品を使用するようになってきましたが、我々使用者は、CdSセルの優れた特性を生かした電子工作を楽しめばよく、それを悪者にしたり忌避しなければならないものではありません。

CdSセルの特性

CdS外観例

このような小さな部品で、価格も100円以下なので、使いやすいものです。

戸外での抵抗値 室内での抵抗値

実際に室内と戸外でどの程度の抵抗値になるのかを測ってみました。

日の当たる戸外では252Ω、室内では24KΩ、黒い袋をかぶせて光を遮ると、何と、10MΩ以上に抵抗値になります。

暗くなると抵抗値が増します。その差は実に、10000000/252=40000 倍以上もの抵抗値が変化するという、非常にすぐれものです。


簡単な回路で見てみましょう

CdS点灯基本回路   ブレッドボードで

このように、5Vの電源にLEDをつないで、CdSに照明光を当てますと、抵抗値が低下して、10.7mAの電流が流れ、LEDが点灯しています。 

そして、光源を遠ざけると、LEDは消灯します。

この状態の回路に流れる電流を計算してみましょう。

光を当てたときの抵抗値は①260Ω、当てないときが ②26KΩ ですので、光を当てると(LEDの電圧降下が2Vとすると) ①の場合は、(5-2)/260=0.0115A=11.5mA となって、LEDが点灯します。

また、暗くなった②の場合ですが、(5-2)/26000=0.000115A=115μAと1mA以下ですので、普通の室内の明るさでは点灯しない・・・ということが計算できます。

もちろん、点灯のタイミングは抵抗器を入れるなどで調整できますね。

ここでの計算値と実測値には誤差がありますが、LEDの順電圧を2Vとしていることや温度によるものなどによる誤差などですが、小さい誤差なので気にしないでいいでしょう。

ただ、この回路はおかしいですよね???

明るいときにLEDが消えるのでは、あまり役に立つような回路とは言えません。暗くなるとLEDが点灯する・・・でないといけませんね。

つまり、この場合は、間違った使い方をしていることになります。

もしも、LEDを点灯させるのではなくて、明るくなれば「カーテンが閉まる」・・・というような回路であれば使いみちがでてくるかも知れません。

こういうことを考えさせてくれるのがCdSセルです。 ともかく、アイデア次第で面白いものが出来そうですね。

このように、明るい時にLEDが点灯しても仕方がないので、次は、暗くなったらLEDが点灯する回路を考えましょう。

バイポーラトランジスタを使う、今までの回路で・・・

左がボリュームを使ってLEDを点灯させるもので、これは、すでに作ったことのある回路ですが、それを右のように、ボリュームの代わりに、CdSセルを使えば暗くなると点灯する回路になります。

回路比較

最終回路ブレッドボードに

これで、比較的明るい室内では12.3mAの電流が流れてLEDが点灯しているものが、明るくなると消える状態になります。


さらなる応用は?

さらに違ったことを考えるのがこのHPの目的でしたので、本格的な応用は別にして、何かを考えてみましょう。

例えば、夜が明けて明るくなるとベルや音楽を鳴らす。夕方暗くなってくると、イルミネーションをつける。簡易照度計のようなものをつくってみる。・・・。

・・・など、「明るい」「暗い」のキーワードで何か考えてみると面白いアイデアが浮かぶかも知れません。

たとえば、先程の、「明るくなるとカーテンを開けたい」ということを実現しようとすれば、リレーなどを使ってモーターなどを動かせればいいので、下のような回路なども考えるといいかも知れません。

明るくなってCdSセルの抵抗が少なくなれば、トランジスタのベース電流が増え、コレクタ電流が流れてリレーを動かし、カーテンが動く・・・というイメージです。

リレーを使った回路例

もちろん、この回路図ではいろいろ問題がありそうです。リレーが動作するか、電流不足ではないか、MOS-FETにしたほうがいいか、などなど、・・・・・・ でも、こういうことを考えることから電子工作のアイデアが実際のものになっていくので、これが電子工作の面白さです。

このモーターの実験では別電源が必要なので、ここでは、LEDを使った回路を考えて、うまくいくかどうかを見ていくことにしましょう。下が回路の例です。

リレーとCdSで作った回路 今回使ってリレー

ブレッドボードに組んだ状態は、下のようになりました。

電流を測るための線など余分なものがあるので複雑そうですが、難しくはありません。

ここでは100kΩの可変抵抗はつけていませんが、これは、ON-OFF時のタイミングを調節するためのものとして回路図に入れています。

夜間点灯回路をブレッドボードに組んでみた

回路の状態の説明ですが・・・

周りが明るい状態ではCdSの抵抗値が下がっており、アース側にたくさん流れるのでベース側に電流が流れないので、コレクタ電流が小さくてリレーを動かすことができないのですが、暗くなってくると、CdSの抵抗が増えてアースに流れる電流が減り、ベース側に流れる電流が増えることでコレクタ電流が増えていき、ある時点でリレーの電磁石を引き寄せるだけの電流が流れると、スイッチが入る・・・ということになります。

この図では、「明るくなるとLEDは消える」状態になっています。リレーの接点のもう一方側にLEDをつなぐと「明るくなるとLEDは点灯」という状態になりますね。

ここでは5Vで作動する2回路2接点のリレーを使っていますが、1回路2接点のものであれば、100円程度ですので、いくつ種類の違うものを購入しておくと、いろいろ遊べるでしょう。

5Vの電源からLEDを点灯していますが、上のモーターの図のように、独立した電源を使うと、このリレーでは2Aまでの余裕でモーターなどをON-OFFできます。

参考に、この回路で実測した、制御のためのベース電流とリレーを駆動するコレクタ電流を示します。

CdS回路の電流値

このように、16~18mA程度の小さなコレクタ電流でリレーが動くので、簡単なトランジスタ回路でもいろいろなことができそうです。ともかく、手を動かして遊んでみましょう。

CdSセルだけではなく光を遮ると作動するセンサーなどもあリますし、もっと高感度のセンサーもあります。

どこかでいろいろな部品を紹介していこうと思っていますが、いずれも安い部品ですので、購入しておいて、いろいろ手を動かして遊んでみるといいでしょう。

これらについては別の機会に考えてみますが、ともかくこのCdSセルは、非常に抵抗変化が大きいので、比較的その閾値(境界値)を操作しやすいので、使い方の自由度は高いと思います。

この「CdSセルは、明るさを抵抗値に変える」ということを覚えておくと、何かひらめいたときに使えそうですね。

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