Arduino & NeoPixel 自作オプトカプラで複数リレーを 1 ピン制御

概要

Arduino の出力ピンが足りないとき、NeoPixel（WS2812B）LED とフォトレジスタ（LDR）を組み合わせた自作オプトカプラで、1 本の出力ピンから複数のリレー（またはアクチュエータ）を独立制御する手法を紹介します。最大 300 系統（5m/300 LED ストリップの全長）まで拡張可能です。

原理

1. NeoPixel ストリップの各 LED を個別にアドレッシング（1 ピンで制御可能）
2. 各 LED に LDR を対向配置し、遮光材（黒色フォーム＋黒テープ）で「光クロストーク」を防止
3. LDR と直列抵抗（27kΩ）で分圧回路を構成、リレー駆動トランジスタのベースへ入力
4. LED 点灯 → LDR 抵抗値低下 → トランジスタ ON → リレー駆動

必要な部品

部品	数量	備考
WS2812B LED ストリップ（5V、300 LED/m、5m巻き）	1	10 LED 程度切り出して使用
フォトレジスタ (LDR, CdS セル)	4	リレー数に合わせて
抵抗 27kΩ	4	LDR 直列用（光電流調整）
5V リレーモジュール（4 回路版等）	1	または個別リレー ×4
Arduino UNO / Nano / ESP32 等	1	本例では ESP32 (NodeMCU) 使用
黒色フォーム、ブレッドボード、黒テープ	適宜	オプトカプラ筐体用
はんだ付け工具、配線材	1式

製作手順

ステップ 1: 自作オプトカプラアレイの作成

1. LED ストリップから必要数（例: 4）を切り出し、ピッチに合わせて LDR を配置
2. 黒色フォームに LED と LDR のペアを埋め込み、黒テープで完全遮光
3. LED のピッチ＝LDR のピッチになるよう精密に配置（クロストーク防止の要）
4. 実験では 10 LED 中 4 ペアのみ使用し、残りは未接続

ステップ 2: 電子回路の組み立て

ブレッドボード上に以下を構築：

• ESP32 GPIO21 → NeoPixel DIN
• ESP32 5V ピン → NeoPixel VCC / リレー VCC
• 各 LDR + 27kΩ 直列 → 5V と GND 間、中点をリレー制御入力（またはトランジスタベース）へ
• リレー出力側に AC 100V/200V 負荷（例: 照明）を接続

注意: ESP32 は 3.3V ロジックですが、NeoPixel は 5V 駆動。ESP32 の 5V ピン（USB 入力直結）から NeoPixel とリレーに給電し、GPIO21 の 3.3V 出力で NeoPixel 制御可能（WS2812B は 3.3V ロジックでも動作）。

ステップ 3: ソフトウェア実装

Adafruit NeoPixel ライブラリを使用。リレー制御関数 ControlRelais(relayNo, state) で指定番目の LED を低輝度（RGB=15,15,15）点灯/消灯し、strip.show() で反映。

#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define NUM_LEDS 10
const int RelaisPin = 21; // ESP32 GPIO21
Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(NUM_LEDS, RelaisPin, NEO_RGB + NEO_KHZ800);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(RelaisPin, OUTPUT);
  strip.begin();
  // 起動時テスト: 全 LED を順次点灯
  for (int t = 0; t < 10; t++) {
    strip.setPixelColor(t, 15, 15, 15);
    strip.show();
    delay(500);
    strip.setPixelColor(t, 0, 0, 0);
  }
}

void loop() {
  // パターン 1: 1→4 へ順次 ON/OFF
  for (int r = 1; r < 5; r++) {
    ControlRelais(r, true); delay(500);
    ControlRelais(r, false); delay(500);
  }
  // パターン 2: 4→1 へ順次 ON/OFF
  for (int k = 4; k > 0; k--) {
    ControlRelais(k, true); delay(500);
    ControlRelais(k, false); delay(500);
  }
  // パターン 3: 交差点灯
  for (int r = 1; r < 5; r++) {
    for (int k = 4; k > 0; k--) {
      ControlRelais(r, true); ControlRelais(k, true); delay(500);
      ControlRelais(r, false); ControlRelais(k, false);
    }
  }
}

void ControlRelais(int RelaisNo, bool RelaisState) {
  strip.setPixelColor(RelaisNo, RelaisState*15, RelaisState*15, RelaisState*15);
  strip.show();
  Serial.print(" RelaisNo "); Serial.print(RelaisNo); Serial.print(" = "); Serial.println(RelaisState);
}

重要な設計上の考慮点

• 光クロストーク対策: 完全遮光が困難なため、LED 輝度を最小限（15/255）に抑制
• 応答速度: LDR の応答は ms オーダー。高速スイッチングには不向き
• 絶縁耐圧: 物理的ギャップのみで絶縁。高電圧用途では市販オプトカプラ併用推奨
• 電流容量: NeoPixel 1 個約 20mA（全点灯白色時）。4 個なら 80mA + MCU 消費。USB 給電で十分
• 拡張性: LED ストリップ長の限り（300 個まで）チャンネル増設可能

応用例

• ピン数の少ない MCU（ATtiny, ESP-01 等）での多チャネル制御
• 既存基板への後付け制御チャネル追加
• 照明、ポンプ、ファン、ソレノイド等の並列制御
• PWM 制御可能なアクチュエータへの応用（LED 輝度でデューティ比制御）

リソース

• Fritzing 回路図: プロジェクトページの Schematics セクション（.fzz ファイル）
• Adafruit NeoPixel ライブラリ: GitHub