センサーが無いのに暗くなるとＬＥＤ点滅回路
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ＬＥＤの性質とタイマーＩＣ定番の”５５５”のＣ−ＭＯＳ版の機能を上手く利用して、
センサーを使わず１つのＬＥＤを発光素子としても光センサーとしても使って
明るいところでは消灯、暗くなると点滅する回路です。
雑誌の記事風にご紹介いたします。
ＬＥＤは読者の皆さんには説明するまでも無く、電流を流すと光る「発光素子」ですね。
でも、ＬＥＤわ光らせるのではなくて、逆に光を当てるとどうなるでしょうか？極々わずか〜な電力ですが、太陽電池と同じように発電します。
そこで、発光素子としてのＬＥＤ自身が光センサーも兼ねて、一見センサーがどこにも見当たらないのに、暗くなるとＬＥＤが点滅を始めるちょっと不思議な回路を作ってみました。
●ＬＥＤに光を当ててみる
太陽電池は半導体のＰＮ接合に光を当てると発電します。一方でＬＥＤはＰＮ接合に電流を流すと光ります。ならば、ＰＮ接合部から光を出すＬＥＤに、外から光を当ててみるとどうなるでしょうか？「逆もまた真なり」なのでしょうか？早速試してみました。机の上に転がっていた赤色のＬＥＤを使ってテスターで確認してみたところ、１．２Ｖ程の電圧が発生することが確認できました。（写真１）電流はほとんど取れませんので、太陽電池のようなエネルギーを取り出す用途には無理がありますが、光で電圧が発生するのですから、光センサーとしてならば使えそうですね。
●暗くなるとＬＥＤが点灯する回路
ＬＥＤを光センサーとして使用して、暗くなるとＬＥＤが点灯する回路を考えてみます。簡単には、図１のように２ＳＫ２４１などのＭＯＳ−ＦＥＴのゲートにセンサーとして使うＬＥＤを接続する回路が考えられます。明るい時にはセンサー用の赤ＬＥＤに電圧が発生して、ゲート−ソース間の電位がマイナス側になるため、ドレイン電流は流れません。暗くなると赤ＬＥＤの電圧はなくなるため、ゲート電位も０になって、ドレイン電流が流れます。
でも、ＬＥＤの電流を制御するため別のＬＥＤを使用したのでは、お世辞にもクールな回路とはいえませんね。
●センサーと発光を兼ねさせる
１つのＬＥＤに光センサーと発光素子としての２つの働きをさせられないか？その場合の回路の動作を考えてみます。
周囲が明るい時ＬＥＤの電圧は１．２Ｖ程となりますが、暗くなるとこの電圧はほとんどゼロとなりますので、この変化を捉えてＬＥＤに電流を流す回路とすれば良さそうです。ところが、ＬＥＤに電流を流して光らせれば、当然のことですがＬＥＤには電圧がかかりますので、周囲の明るさを検出することが出来なくなってしまいます。そこで、タイマー回路でＬＥＤを光らせる時間を区切り、一定周期ごとにＬＥＤがセンサーとして働けるようにすればよさそうです。ただし、ＬＥＤは連続点灯ではなく、どうしても点滅動作となってしまいます。
●Ｃ−ＭＯＳタイプの５５５を使う
「タイマーで点灯時間を区切る」回路といえば、真っ先に思い浮かぶのがタイマーＩＣ「５５５」ですね。５５５の単安定回路では、トリガー端子（２番ピン）の電圧が、電源電圧の１／３以下になるとトリガーがかかります。ＬＥＤを２番ピンに接続して、電源電圧を３Ｖとすれば、明るい時にＬＥＤが発生する１．２Ｖから暗くなって電圧が無くなれば、ちょうど良い具合にトリガーをかけられそうです。ただし、電源が３Ｖでは、Ｃ−ＭＯＳタイプの５５５を使う必要があります。バイポーラタイプの５５５では電源電圧が４．５Ｖ以上必要なので、３Ｖの電源ではうまく動作しません。
●回路
図２が今回作成した回路です。以下のように動作します。
○明るいところではＬＥＤが発電するので、トリガー端子が１Ｖ以上（電源電圧の１／３以上）となり、ＩＣは動作しません。
○周囲が暗くなって、ＬＥＤが発電しなくなると、２番ピンの電圧が下がり、ＩＣはトリガーされて一定時間だけＩＣの３番ピンはＨレベルになります。すると２ＳＣ１８１５と２ＳＡ１０１５がＯＮとなって、ＬＥＤに電流が流れて光ります。時間が経過して、ＩＣの出力がＬとなると、ＬＥＤは消灯します。
○ＬＥＤが消灯したときに周囲が暗ければ、ＬＥＤの両端の電圧は下がり、再びＩＣはトリガーされてＬＥＤは光ります。再びＬＥＤが消灯したときにも周囲が暗ければ、ＩＣは上の動作を繰り返し、ＬＥＤは点滅動作をします。
○周囲が明るければ、ＬＥＤが消灯しても、周囲の光でＬＥＤ自身が発電した電圧によりＩＣの２番ピンの電圧が上がるため、Ｃ−ＭＯＳ ５５５はトリガーされずＬＥＤはそのまま消灯します。
４７０ｐＦは、ＬＥＤが消灯してからら電圧が１／３電源電圧まで落ちる時間（点滅周期の中の消灯している時間）を延ばすために入れています。このコンデンサが無い場合、周囲が暗いときのＬＥＤの電圧はよりすみやかに落ちますので、ＬＥＤはより「せわしなく」点滅します。
点滅周期の中での点灯している時間は、６、７番ピンに接続する抵抗とコンデンサにより調節できます。図の値では１／１０秒弱となります。抵抗×コンデンサの値に比例しますので、例えば抵抗かコンデンサのどちらかを倍の値にすれば、ＬＥＤが点灯している時間も倍になります。
●部品について
タイマーＩＣにはＣ−ＭＯＳタイプのＬＭＣ５５５（写真２）を使用しました。ＮＥ５５５などのバイポーラタイプは使用できません。
トランジスタは小信号用で、ＰＮＰ（２ＳＡ１０１５）ＮＰＮ（２ＳＣ１８１５）をあわせれば、どれでも使えるでしょう。
抵抗は１／４Ｗを使用しましたが、１／８でも使えます。値も多少異なっても大丈夫です。４７ΩはＬＥＤへの電流制限用なので、電池を長持ちさせたい場合には、ＬＥＤの明るさが許せる範囲で大きな値（例えば１００Ωとか１ｋΩとか）に変更してください。
セラミックコンデンサは、古い物で漏れ電流が大きくなっていると回路が動作しない可能性があります。新しいものを使用してください。最初はこのコンデンサは取り付けないで組み立て動作を確認したうえで、点滅動作の中の消灯期間を少し延ばしたいと思ったら取り付けた方が、無難かもしれません。
ＬＥＤはこの回路の要です。微妙なバランス（？）で動く回路のためか、緑などのＬＥＤでは動作しない場合があります。私が実験した範囲では、赤のＬＥＤがもっとも無難なようですので、まずは赤色のＬＥＤで動作することを確認してから、お好みの色に変更してみてください。今回は写真３のレンズ部分が無色透明で直径５ｍｍのタイプを使用しました。
●製作
図３に部品配置図を、表１に使用した部品一覧を示します。部品点数はそれほど多くありませんから、工作自体は難しくないと思いますが、一か所ずつ確認しながらハンダ付けしましょう。
工作の際、ハンダは必ず「電子工作用」のものを用いて、別途フラックス（やペースト）を使う場合にも必ず「電子工作用」を用いてください。板金用のハンダを使い、板金用のフラックス（やペースト）を使用してしまうと、基板上の絶縁状態が悪くなって、回路が動作しなくなってしまいます。模型工作が得意で電子工作は初心者の方に、よく見られる失敗です。
部品によっては極性があります。間違えて取り付けてしまうと動かないばかりか、部品を壊してしまうこともありますので、確認しながら取り付けてください。図４に各部品の極性を示します。
写真４が完成した様子、写真５は基板裏の配線の様子です。
表１ 部品一覧
・タイマＩＣ ＬＭＣ５５５ （ＩＣＭ７５５５でも可） ・・・ １個
・トランジスタ ２ＳＣ１８１５ ・・・ １個
〃 ２ＳＡ１０１５ ・・・ １個
・ＬＥＤ ５ｍｍ 赤 ・・・ １個
・電解コンデンサ １６Ｖ１０μＦ ・・・ １個
・積層セラミックコンデンサ ０．１μＦ ・・・ １個
・セラミックコンデンサ ４７０ｐＦ ・・・ １個
・炭素皮膜抵抗 ４７Ω（黄紫黒金） ・・・ １個
〃 １０ｋΩ（茶黒橙金） ・・・ ２個
〃 ２２０ｋΩ（赤赤黄金） ・・・ ２個
・ＩＣソケット ８Ｐｉｎ ＤＩＰ ＩＣ用 ・・・ １個
・電池ボックス 単３乾電池２本用 ・・・ １個
・ユニバーサル基板 サンハヤトＩＣＢ−９０ ・・・ １／２枚
・乾電池 単３ ・・・ ２個
・スズメッキ線 ０．４ｍｍ程度の細めの物 ・・・ 約５０ｃｍ
●動作の確認
電池ボックスに新しい乾電池を入れて周囲を暗くしてください。ＬＥＤがチカチカと点滅すれば無事に完成です。（写真６）センサーが無いのに暗くなるとちゃんと点滅し始めるのは、理屈をわかっていてもちょっと不思議な感覚です。もし点滅しない場合、もう一度工作に誤りが無いかを確認しましょう。工作に誤りが無いのに動作しない場合、４７０ｐＦを外してみてください。
●長所と短所
この回路の長所ですが、「光の出入り口」が一つだけです。ＣｄＳなどのセンサーを使った回路では、ケースに組み込む際に、光の出口としてのＬＥＤのための穴と、光の入り口としてセンサーのための穴を開けなければなりません。単純なハコならはさして問題にならないかもしれませんが、例えばぬいぐるみの目の中にＬＥＤを仕込んで、暗くなったら光らせるようなギミックに応用する場合、センサーの位置を考える必要が無いのは、大きな利点でしょう。
もう一つの長所としては、自分自身で出す光での誤動作が、原理上有り得ない事が挙げられます。センサーを使った場合、ＬＥＤからの光がセンサーに当たってしまうと、暗くなって光ったはずなのに、光った瞬間センサーは明るくなった様に動作してしまい、回路は正常に動作しなくなってしまいます。センサーの位置を工夫したり、筒を被せたりして、ＬＥＤの光が当たらないようにしなければなりません。この回路では、発光素子が受光素子も兼ねていますから、そのような誤動作の心配がありません。
一方で短所ですが、ＬＥＤを「選ぶ」事が挙げられます。赤のＬＥＤでしたら、筆者が試した限りではどれでも上手く動作するのですが、緑では動作が怪しくなる場合もありました。また、どうしても点滅動作となってしまうこと。点滅周期の中の消灯時間はＬＥＤの電圧が５５５をトリガーするまで落ちる速度に左右されるので、真っ暗な時と、動作を始めるギリギリの明るさの時では大きく変化してしまいます。暗くなるほど、消灯期間は短くなります。