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、「CdSセル」と呼ばれています。

CdS外観例

このCdSセルは、明るい光を受けると抵抗値が減少して数百Ωに、逆に暗いところでは抵抗値が増えて数MΩというように、光の量によって抵抗値が大きく変化します。

この性質で、「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、明るさに反応する利用範囲の広いセンサーです。


光の有無や光の強弱(の程度)で大きく抵抗値が変化するので、簡単な回路でそれを利用できるので、初歩の電子工作向きで使いやすいセンサーです。

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。 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セル自体は危険なものではありませんが、食べると有害なカドミウムを含んでいるので、その危険性について知っておくのがいいでしょう。

CdSセルの製造原料の「カドミウムCd」は、自然環境中に分布しており、作物や食物を通じて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ます。

そのために、RoHS(特定有害物質の使用制限)などで、世界的にカドミウムを含む製品を作らないように規制しています。

しかしカドミウムはなくてはならない工業用原料であり、日本では、電池や肥料製造のために、カドミウムの使用量や輸出量も多い国ですが、有用なためのこれらの製品はすぐにはなくなりません。

CdSセルについても同様で、日本国内では、RoHSに引っかかることに加えて、外国の低価格に勝てないために、すでに製造されていないのですが、安価で優れたセンサーなので、現在も、外国製のものが日本国内でも広く販売されています。

CdSセル自体は危険ではありませんが、安全に回収して処理する方法が確立していないために、廃棄して環境中に飛散することが問題視されています。

時間とともに、フォトダイオードやフォトトランジスタなどのセンサーに置き換えられていくでしょうが、このCdSの特性が優れているので、しばらくは流通し続けるでしょう。

CdSセルを廃棄しないことで環境保全をする

それなら、消費者(電子工作者)としては、どうすればいいのかといえば、安全に回収する仕組みができるまでは廃棄しなければ問題は出ません。使っている限りは問題ないのです。

つまり、現在では、安全な廃棄の仕方などの技術指針もありませんし、専門処理業者に委託すると、いくら金額を請求されるかわかりませんから、捨てないのが、今のところは最良の方法です。

カドミウムは有毒物質ですが、自然放射能などと同じで、地下水や土壌に一定量含まれており、作物を食べていますので、どうしても体に入ってきます。

つまり、これ以上に環境中に放出しないようにすることが大切で、現在は、水質などの管理が進んでいるので、イタイイタイ病を発症することはないので、普段の生活をしておれば気にすることはない・・・としかいえません。(気になる方は、「カドミウム 危険性」などでWEB検索してみてください)

CdSセルに限らず、世の中には、有害であっても有用なものは、製造され続けているので、もっともっと危険な物質を使った製品はいくらでもあります。

例えば、カドミウムも金属ですし、電子工作分野でよく目にする「有鉛ハンダ」の鉛問題が問題にされることがありますが、「無鉛はんだ」も無害ではありません。

金属蒸気は健康被害を引き起こしますし、例えば亜鉛ZnやバナジウムVはサプリメントも販売されていますが、とりすぎると人体に有害です。

だから、何においても、危険性を知って対策すればいいのであって、CdSセルを用いること自体は、何の問題もありません。

CdSセルの特性

そこで、このCdSセルですが、価格も100円以下で、使いやすいものです。 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。

直接に、テスターの抵抗レンジで測定します。

戸外での抵抗値 室内での抵抗値

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した。

暗くなると抵抗値が増し、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。


簡単な回路で特性を見てみましょう

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に照明光を当てると、抵抗値が低下して、10.7mAの電流が流れ、LEDが点灯します。 

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 とすると、光を当てた①の場合は、(LEDの電圧降下が2Vとすると) (5-2)/260=0.0115A=11.5mA となってLEDが点灯します。

次に暗い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。

普通タイプのLEDは1mA程度から点灯し始めます。(電流と明るさはこちらの記事を参照)

もちろん、点灯する明るさを調節するには、抵抗器を直列に入れると、必要以上に明るくしないと点灯しないように調整できますね。

ここでは、LEDの順電圧を2Vとしていることや温度による誤差などで計算値と実際の値が違う場合がでてきますが、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、LEDが点灯する場合には、実用的な使い方ではないことになりますが、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、この回路も使えそうですね。

このように、LEDやモーターと連動させて、役に立つ動作を実現させてくれるセンサーが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から、次に、明るくなればLEDが点灯するのではなくて、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・・・

下左の回路図がボリュームでLEDの明るさを変える回路でした。(こちらのページで紹介しています) 

それを下右図のように、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、比較的薄暗い室内では12.3mAの電流が流れてLEDが点灯し、周囲が明るくなると消える状態になります。

このようになる理由ですが・・・、

周囲が暗くなってCdSセルの抵抗が高くなると、CdSセルからアースに電流が流れなくなるので、電流はトランジスタ側に全部流れてトランジスタが働いてLEDが点灯します。

周囲が明るくなると CdSセルの抵抗が小さくなるので、アース側に電流が流れて、トランジスタ側に行かなくなるので、トランジスタが働かなくなり、LEDが消灯する ・・・という原理です。

もっと暗くならないと点灯しないようにするには、CdSの直上か直下に100-500kΩの可変抵抗(ボリューム)をつけて調節するといいでしょう。


さらなる応用は?

このCdSセルのその他の使い方は、いろいろとイメージできます。

「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光らせる」 「簡易照度計のようなものをつくってみる」 「白い紙に書いた黒い線に沿って模型の車を走らせる」・・・ など、「明るい」「暗い」のキーワードで何か考えてみるとアイデアがどんどん浮かぶでしょう。

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ですし、黒い線に沿って模型自動車を走らせて、黒い線から外れると、モーターを回して方向転換する・・・なども、下のような回路で簡単に実現できそうですね。

動作原理をイメージしてみると、リレーを用いると簡単に実現できそうです。

モーターを回す場合では、明るいと CdSセル の抵抗が少なくなり、トランジスタのベース電流が増え、コレクタ電流がたくさん流れて、リレーが作動し、モーターが回ってカーテンが動く・・・というイメージになります。

リレーを使った回路例

もちろん、これをそのまま実用化するには、いろいろ問題があります。

例えば、リレーが動作するかどうか、電流が足らないのではないか、MOS-FETを使ったスイッチ回路のほうがいいのではないか・・・、などなど、気になるところもあるのですが、まず考えたことを形にして、うまくいかなかったら、改良していく・・・ というのが電子工作の面白いところでしょう。

実際に確かめてみましょう

このモーターの実験では別電源が必要ですが、ここでは、同電源を使って、LEDの回路でこの回路がうまく動くかどうかを見ましょう。(5Vで動くDCモーターであればLEDでなく、モーターが使えますね)   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。(実験のために、リレー部分で発生するノイズの対策・・・などは除いています)

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に見えますが、この回路を組むのは難しくはありませんので、ぜひ自分でやってみてください。

ここでは回路図中の100kΩの可変抵抗はつけていませんが、このボリュームは、明るさの変化でリレーがON-OFFするタイミングを調節するためのものです。

夜間点灯回路をブレッドボードに組んでみた

うまくいきましたか?

周りが明るい状態ではCdSの抵抗値が下がっています。 この状態では、アース側にたくさん電流が流れるので、トランジスタのベース側に電流がほとんど流れないので、トランジスタのコレクタ電流も少なく、リレーを動かすことができない状態です。

周りが暗くなってくると、CdSの抵抗が増えていくと、アースに流れる電流が減っていき、ベース側に流れる電流が徐々に増えて、トランジスタに流れる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ます。

そうなると、リレーのスイッチが入る・・・ということになります。

この図では、負荷をLEDにしていますので、「明るくなるとLEDは消える」状態になっています。

このリレーは「C接点」ですので、もう一方側にLEDをつなぐと「明るくなるとLEDは点灯する」という状態になりますね。
(スイッチの動作についてはこちらのページを参考に)

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、いくつかの種類の違うミニリレーを購入しておくと、いろいろなところで使って遊べるでしょう。

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、この小さなリレーでも2Aまでの余裕があるので、モーターなどをON-OFFできます。 モーターを使った工作も面白いと思います。

こちらのページで、CdSセルの抵抗値変化や、抵抗値変化を電圧変化に変えて、変化を直線化する方法などを紹介しています。

【参考】他のページでも紹介している「タミヤ」のページですが、面白い製品や、役に立ちそうなグッズがあります。アイデアを練るためだけでも面白いページですので紹介しておきます。




【さらに参考ですが】 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、18mA程度の小さなコレクタ電流でリレーが動くので、このような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セル以外にも、光を遮ると作動するセンサーなどもあリますので、順次に紹介していく予定ですが、これらのセンサーは安い部品ですので、目に止まれば購入しておいて回路を考えて遊んでみるといいでしょう。

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センサーだと思います。

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。

→目次のページに

次のページ 電子工作に使えそうなスイッチ類


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(来歴)R1.12記事作成  R2.4見直し  R2.8様式2カラムに  最終R3.7に見直し

電子工作記事の目次

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最小限必要なことのおさらい(1-2)

電子工作に使う電源のいろいろ(1-3)

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