光センサーのフォトレジスタを使ってみよう

フォトレジスタを使った回路を組んでみよう

ここで使う道具

光センサー

光などの電磁気的エネルギーを検出するセンサーだよ
光検出器ともいうよ

いろんな光センサーがあるけど、 電子工作でよく使われるのが CdSセル というフォトレジスタだよ

フォトレジスタ (photoresistor)

光センサーの一種で、入ってくる光の強さが大きくなると、電気抵抗が小さくなる電子部品だよ
光依存性抵抗 (light-dependent resistor, LDR) 、光導電体 (photoconductor) 、フォトセル (photocell) ともいうよ

CdS セル

硫化カドミウム (CdS) を使ったフォトレジスタだよ
当たる光に量によって抵抗値が変わる CdS の性質を利用しているよ

人の目に近い特性(緑色の光に対して高感度)があるので、明るさセンサーとしてよく使われているよ

CdS セルの種類によって、明るいときと暗いときの抵抗値が異なるよ

明るいとき : 数100Ω 〜 数10kΩ
暗いとき : 数100kΩ 〜 数十MΩ

CdS セルの抵抗値を測ってみよう

明るいときと指で隠したときのフォトレジスタの抵抗値を測ろう
明るいときが 約 1.3kΩ
指で隠したときが約 4.5kΩ だね


部品によるばらつきや周りの明るさ(部屋の照明がついているかなど)、どのくらいしっかり隠すかによって値は変わるよ

明るいときに LED が光る回路を作ろう

明るいときでも抵抗が 100Ω より大きいから、LED を光らせる回路の抵抗を CdS セルに置き換えてみよう CdS セルを手で隠すと LED が暗くなったかな?
CdS セルには、電源電圧(3V)から LED の順方向電圧(赤色 LED だと約 2V)を引いた分の電圧がかかるから、
CdS セルにかかる電圧は 3V - 2V = 1V だね CdS セルに流れる電流をもとめると

明るいとき : 1V / 1.3kΩ = 0.77mA
暗いとき : 1V / 4.5kΩ = 0.22 mA

だね

LED に流れる電流と CdS セルに流れる電流は同じだから、この電流が LED にも流れるよ

暗いときに LED が光る回路を作ろう

街灯を自動的にオン・オフさせるスイッチとして使うには、暗いときに LED が光ってほしいよね
分圧を使って、LED にかかる電圧が明るさによって変わるようにしてみよう

抵抗器を直接接続した場合 抵抗にかかる電圧は、それぞれの抵抗値の比になるよ R1:R2=V1:V2, R1/R2 = V1/V2 また、それぞれにかかる電圧の和が全体にかかる電圧と同じになるんだったね V = V1 + V2 この2つの式から、V1, V2 をそれぞれ求めると V1 = R1 / (R1 + R2) x V, V2 = R2 / (R1 + R2) x V になるよ

*途中計算 計算経過

R2 を CdS セルとして、CdS セルに並列に LED をつないだ回路を作ろう 暗いときに LED が光るには、R1 の抵抗値はいくつにすればいいかな?

まず暗いときに LED が光ることを考えよう
LED が光るから、CdS にかかる電圧は LED の順方向電圧になるね
種類の違うLEDを2個並列に接続したときのことを思い出してね

赤色の LED だと順方向電圧は約 2V だから V2 > 2V
暗いときの CdS の抵抗は 4.5kΩ だから R2 = 4.5kΩ
電源電圧が 3V だから V = 3V だね

この値を上の式に代入して、R1 の値を求めよう R1 < 2.25k R1 < 2.25kΩ だね
R1 として 2kΩ の抵抗を使うことにしよう

R1 = 2kΩ にしたら、明るいときに LED にかかる電圧 V2 はいくつになるかな?
明るいときの CdS の抵抗は 1.3kΩ だから R2 = 1.3kΩ だね V2 = 1.18 LED にかかる電圧は 1.18V
これなら LED は光らないね

実際に回路を組んで試してみよう!
暗くしたときに LED に流れる電流を計算してみよう

指で隠したときに 2kΩ の抵抗にかかる電圧が 1.25V だったから、LED にかかる電圧は 3V - 1.25V = 1.75V になるね この電圧だと LED はぎりぎり光るね

2kΩ の抵抗に流れる電流は 1.25V / 2kΩ = 0.63mA
指で隠したときのフォトレジスタの抵抗値は 4.5kΩ だから、フォトレジスタに流れる電流は 1.75 / 4.5kΩ = 0.39mA LED に流れる電流は、2kΩ の抵抗に流れる電流からフォトレジスタに流れる電流を引いた値だから 0.63mA - 0.39mA = 0.24mA
だね
この電流値だと LED はあまり強くは光らないね


実は、抵抗、CdS セル、LED だけの回路では、LED を強く光らせることはできないんだ
明るいときに LED が光らず、暗いときに LED が"強く"光るためにはトランジスタが必要だよ

トランジスタと組み合わせる方法はステージ5の「トランジスタとフォトレジスタを組み合わせよう」で取り上げるよ!
ステージ3 クリア!