燻りエンジニアブログ

燻(くすぶ)り続けている組み込みエンジニアの備忘録

パワードスピーカーをブレッドボードで

今回は、武蔵野電波のブレッドボーダーズという本を参考にパワードスピーカーを制作しました。本の内容だけでも十分わかりやすく書かれていますが、本で見えにくい写真などはインターネットサイトの方であれば色付きで見ることができます。

武蔵野電波のブレッドボーダーズ―誰でも作れる!遊べる電子工作
 

本を参考に実際に秋葉原まで足を運んで部品を購入しました。これが今回初の試みになります。今まではスターターキットを購入していたので自分自身で部品をピックアップしていく作業は初めてだったのですが、これがなかなか難しく、面白く。部品を探しながら全然関係ない部品を眺めていたり、店員さんにいろいろ教えてもらったりと、キットを購入する場合には経験できないことを経験できました。

主要部品であるパワーアンプにはNational Semiconductor社製のLM386N-1というものを購入しました。(秋月電子さんで2個入り120円)小指の爪の大きさほどのICで8本の足がついています。丸いくぼみがある個所が1番で写真の場合、反時計回りに8番まで割り振られています。

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詳細はネットに製品のデータシートがありますのでそれを参照するのがいいと思います。このICを使用するための回路図例が載っているので回路図を理解するのに参考になります。

http://www.suzushoweb.com/pdf_file/484531e742ba4.pdf

  

部品購入時にいくつか迷ったことがありましたので書いておきたいと思います。

1. 半固定抵抗器の抵抗値の読み方
店舗によっては別々の抵抗値のものが合わせて一つの引き出しに収納されている場合があります。その場合には、製品にプリントされている抵抗値を読む必要があります。

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写真赤枠の3桁ある内の左2桁が有効数字で、右1桁がその有効数字の桁数(10のべき乗)を示します。写真の場合、

左側は、

10×(10の4乗) = 100000Ω = 100KΩ

右側は、

50×(10の2乗) = 5000Ω = 5KΩ

 となります。

 

2. 抵抗器のワット数
キットを購入する場合には意識したことがなかったのですが、抵抗にはカラーコードで示される抵抗値以外に定格電力という規格があります。店舗では抵抗が置かれている棚には、抵抗の種類、抵抗値と共に定格電力も記載されています(写真の場合0.25W)。使用する電圧と抵抗値から電力を計算し、それを超えないワット数のものを選ぶ必要があります。

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無事に部品を買いそろえたら、あとは本にある実態配線図と回路図を参考にブレッドボード上に部品を組み込んでいきます。下の写真が完成図です。30分もあれば完成します。

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パワーアンプはあくまでも入力信号を増幅させる回路なので、入力がないと機能しません。なので、別途作成したAMラジオの回路とつなぐことでつないで組み立てに間違いがないかを確認しました。AMラジオ回路についてはまた別の記事で紹介したいと思います。写真の左側の半固定抵抗の入力に挿してあるオレンジのジャンパワイヤが入力になります。

 

ブレッドボードを使用する場合、はんだ付けが必要なく簡単に回路を作成して動作を見ることができるので、いろいろ試してみたい人にはお勧めです。是非、挑戦してみてください。

光感知音声再生キット

今回のキットは秋月電子さんでまとめ買いしたキットの中では比較的高価(1500円くらい)なものです。タイトルからわかる通り光を感知して音声を再生するものなのですが、再生される音声をあらかじめ録音する機能もついています。

 

キットの中身がこちら。

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全部で36部品になります。今まで制作したキットの中では一番部品数が多いです。

購入したキットはAviosys International Incという台湾の会社の製品なのですが、この会社のキットは、製品に含まれているマニュアルが非常にわかりやすくお勧めです。マニュアルには、部品表と回路図が記載されており、また、PCBにも部品番号がわかりやすく記載されているので組み立てるのにとまどうことはないと思います。ちなみにマニュアルは英語か中国語なのですが、外国語の勉強もできて一石二鳥です。

さっそく抵抗から取り付けていきます。ちなみに、部品の取り付け順序にもいろいろとコツがあるようなのですが、私は熱に強く背の低いものからつけるようにしています。

久しぶりのはんだ付けだったこともあり?はんだごてのクリーニングができていないため?そもそもはんだ付けの練習不足?はんだ付けが失敗の連続。。。半分以上はツノができたりボールになったり。そしてついに・・・

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隣とくっついてしまった。絵に描いたようなはんだ付けの失敗例です。これも経験だと思い、吸い取り線で救済措置。熱を加えすぎないように慎重にやりました。(こうやって写真に撮ってみると自分のはんだ付けのへたくそさがよくわかります笑。きたない。。。)

作業開始から1時間弱でようやく抵抗すべてがはんだ付け完了。ちなみに私は、はんだ付けが完了した部品を部品表にチェックするようにしています。進んでる感があっていいです。間違いも少なくなるのでおすすめです。

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次にコンデンサですが、今回使用するコンデンサはセラミックコンデンサ電解コンデンサの2種類があります。それぞれ、容量と極性に注意しながら作業する必要があります。セラミックコンデンサに極性はありませんが、今回10個中1つだけ470pFが入っていて間違えそうになりました。右側が470pFのもの。他はすべて0.1μFです。

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電解コンデンサには極性があります。キットの基盤には取り付ける向きが分かりやすいように絵が書いてありますので気を付けていれば間違えることはないと思います。+のプリントがされている方が電解コンデンサの+側になるように取り付けます。

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コンデンサを付け終わり、次はICソケットの取り付けです。今回のキットにはRecording IC(28 PIN)とIC 386(8 PIN)がありますので2つのICソケットがあります。ICソケットは、はんだ付けする前にセロテープか何かで固定しないとはんだ付けができません。(足が短く、裏返すとするっと抜けるため)下が固定したところ。

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1時間半程度でようやくここまで完了。かなり疲れてきました。途中経過の写真。

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その後さらに1時間ほどかけてようやく完成。後半は写真も撮らず黙々と作業しておりました。完成の写真がこちら。例によって電池パックは直接はんだ付けはしておりません。完成するとやはりうれしい。

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マニュアルにしたがって、音声の録音をして、光センサ(CDSセル)を手で覆うと無事に音声の再生ができました。今回使用しているIC(Recording IC ISD1110)では10秒の録音しかできないようなのですが、ICだけ取り換えることでもっと長い時間の録音も可能だそうです。光センサの感度が非常に良く(今まで使ったことがないのでこういうものなのかもしれませんが)、少し影を作るだけで反応して音声が再生されます。ちょっと感動しました。暗くなると音声が再生される機能の使い道が難しいですが、こういうところにビジネスチャンスがあるのかもと夢を膨らませながら達成感に浸ることができました。

 

今回の制作に使用した道具はこちらになります。

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次は、はんだ付けがもっとうまくできるように練習をします。まずは、クリーニングの仕方の勉強から。

 

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ゲルマニウムラジオ

電子工作で必ず誰しもが一度は制作するといわれるゲルマニウムラジオを制作しました。今回も秋月電子さんでキットを購入。ゲルマニウムラジオは部品数も少なく、電池も不要なため制作にかかるコストも時間も少なくて済みます。実際にラジオを聴けるようにするためにはアンテナの制作などプラスα頑張らなくてはいけないのですが、今回は、キットの制作までをとりあえず実施。

 

<部品>

抵抗 × 2

電解コンデンサ × 1

セラミックコンデンサ × 2

ダイオード × 1

バリアブルコンデンサ × 1(通称バリコン)

アンテナコイル × 1

クリスタルイヤホン × 1

 

部品の数が少ないのではんだ付けも計20箇所程度。それくらいであれば、少ないと感じるようになってきたということは私も少しは電子工作に慣れてきたのかも。いつも通り完成した写真しかとっていないため、まずは完成の写真を。

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そもそもゲルマニウムラジオとは、ゲルマニウムダイオードを使用しているからそう呼ばれているようです。下記Wikipediaから引用。

ゲルマニウムダイオードを用いたラジオをゲルマラジオまたはゲルマニウムラジオと呼ぶ。ゲルマニウムダイオードは鉱石よりも小さく、安定した性能が得られる。ゲルマニウムダイオードが出現した当時は既に真空管が広く使用されており、さらに直後にトランジスタの普及によりトランジスタラジオに取って代わられたため、ゲルマラジオが実用されたのは限られた用途と期間であった。しかし、現在でも電子工作の入門用としては定番のテーマとなっている。

 そろそろキットを制作するだけでなくて少しづつ動作原理についても理解を深めていきたいので、今回はゲルマニウムラジオの動作原理についても少し触れます。

ゲルマニウムラジオの動作原理を理解するには、同調回路と検波回路を理解する必要があります。

同調回路

電子部品としては、コンデンサ英語圏ではキャパシタ)とコイルで構成される回路であり、2つの部品の間に生じるある特定の周波数の交流に対して、交流電圧を加える(これが電波。電波はアンテナから受信されアースとの間を流れる交流として考えられる)ことで、加えた電圧よりもずっと大きな電圧がコンデンサとコイルの両端に生じるという原理を利用して、ある特定の周波数をとらえるというもの。コイルとコンデンサの両端に生じる電圧を変更するためにコンデンサはバリコンを使用します。

検波回路

これは、ダイオードコンデンサを使用して高周波から低周波(音声信号)を抜き出す働きをする回路のことです。ダイオードの性質のアノードからカソードの方向にしか電流を流さないことを利用しています。実は、私も検波回路についてはいまいち理解しきれていないのでまた後程詳しく書きたいと思います。今回は、ダイオードコンデンサをつかった回路で音声信号を取り出すための回路というくらいの理解にとどめておきます。

ゲルマニウムラジオの動作原理まとめ

今までの内容から動作原理を整理すると下記のようになると思います。

1.アンテナから受信した電波(交流)がアンテナとアース間を高速に行ったり来たり。ここでは、いろんな周波数の電波を受信している。

2.コイルとバリコンによって構成される同調回路によって特定の周波数(聴きたいラジオの周波数)を捕らえる。

3.捕らえた周波数(高周波)をゲルマニウムダイオードによって検波する。低周波の音声信号をとりだす。

4.検波によって生じた音声信号でイヤホンの振動板を振動させることでラジオ音声が聞こえる。

今回 は今までの記事よりも少しだけ技術的に踏み込んで書いてみました。ただキットを制作するだけでもいい経験にはなりますが、せっかくなので調べてわかる範囲だけでも少しずつ勉強して行きたいと思います。今回、チャレンジできなかったアンテナの制作もそのうち書きたいです。

同調回路と検波回路についてはサイトや本によって様々な説明がなされておりますので自分が理解できるものを見つけてみてください。

 

今回制作したキット

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日本電機メーカーが外国企業の傘下に入ることについて

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先日、日本家電メーカー最大手のSHARPが台湾の企業鴻海(ホンハイ)に買収されることが決定したというニュースがありました。このニュースを見て私を含む多くの人が直感的に抱いたイメージは下記だと思います。

 

日本の技術が外国に流出する!

 

自分でそう思ったにもかかわらず、ふと冷静に、はたして本当にそうなのかと考えました。経営やビジネス、お金の観点では私はあまり詳しくはありませんので、わかりませんが、今回の決定は、SHARPの経営者の人たちが、少なくとも、この記事を読んでいる誰よりも考えたうえで決断したことであるのは間違いないはずです。

 

誰よりも、SHARPのことを考えた人たちが決めたことが、単純に上記のような結果だけをもたらすとは思えません。むしろ、海外の製造業とは異なる文化を持つ日本のやり方が、うまくいかないことをSHARPの経営陣の方は苦しみながらも認めて、理解されたのかもしれません。

 

少し話は、変わりますが、私は以前、ある大手コンビニエンスストアの食品生産工場でアルバイトをしたことがあります。食品工場なので、全員、白衣にマスクを着用し、目以外は見えない状態で作業をするのですが、仕事が始まってまず驚いたのは、外国人労働者の多さです。工場内にあった張り紙によると、20ヵ国近くの外国人労働者がいるとのことでした。私が一緒に作業をしたのは、フィリピン人とベトナム人の方たちでした。外国人労働者の多さにもびっくりしたのですが、一番驚いたのは、日本人従業員の彼らに対する態度でした。一方的に日本語で怒鳴りつけ(まぁ、ベトナム人の人たちがまじめにやっていなかったこともあるのですが)、最後には、「まぁ、日本語わかんねえよな」と一言。私も、全身白衣なのでおそらく日本人だとは思われていなかったと思います。すかさず、日本語で、作業の質問をしたところ、「あっ、日本人の方ですか」と態度が急変しました。

 

何が言いたいかというと、外国人労働者を大勢雇っているにも関わらず、彼らと真剣にコミュニケーションをとろうとは思っていない人が現実にいるということです。しかも、日本人だと分かっただけで見る目が急変するのもおかしな話です。それほどまでに、日本人は、外国人に対して壁があるということです。これは、島国であるかつ歴史上非常に長い時間独立国家として存続してきた国の考えや思想が遺伝子に深く刻まれているからだと思います。

 

今回の買収によって、事実SHARPの技術は多少海外に出て行ってしまうのかもしれませんが、それ以上に、鴻海から得るものもあるのではないでしょうか。その時に、技術のみならず、外国人と働くということについて考え直すきっかけになるのではないでしょうか。

 

このサイトで何度かお話ししているメイカーズブームの一番の魅力は、世界的な動きであることだと思います。海外のエンジニアとも積極的にかかわりを持ち、アイデアとアイデアが重なり、世界に一つの魅力的な製品が出来上がるのです。そう考えると、SHARPは新しいメイカーとして出発する大きなチャンスなのかもしれません。

 

いろいろと筆者の勝手な考えを述べさせてもらいましたが、やはり日本人としてSHARPの今回の経営再建がうまくいくことを望みます。社名の由来となった早川式繰出鉛筆(のちのシャープペンシルといわれているようですがこれには諸説あるようです。)を発明した時のように、また、文具メーカーとして復活するのもありなのかもしれません。

トランジスタについて理解してみる

トランジスタについて少し理解を深めてみます。

まず、そもそもトランジスタとは何なのか。Wikipediaにはこう書いてあります。

トランジスタ: transistor)は、増幅、またはスイッチ動作をさせる半導体素子で、近代の電子工学における主力素子である。transfer(伝達)とresistor抵抗)を組み合わせた造語である。

なるほどトランジスタの名前の由来はわかりましたが、結局何ができるものなのかまだピンときません。前回の記事「トランジスタの基本原理LED点滅回路」で少しだけトランジスタについて記載しましたが、トランジスタには大きく、「バイポーラ・トランジスタ」と「電界効果トランジスタ」の2種類があります。今回は、バイポーラ・トランジスタについてまとめます。

見た目

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板かまぼこのような形をした黒い物体から3本の足が出ています。それぞれ、エミッタ、コレクター、ベースと呼ばれます。

機能その1(スイッチング作用)

本を読んだり実際に工作したりしたもののいまいちトランジスタの機能について理解できていなかったのですが、下記サイトを読んでやっとイメージができました。

トランジスタ入門:トランジスタとはどんな部品?

スイッチング作用という名の通り、PUSHスイッチで電流のON/OFFを制御するのと同じ仕組みを人の手を介さず、ベースと呼ばれる端子に流れる電流で制御するというものです。

ソフト屋の発想をすると、if文の条件が「ベースに流れる電流が一定値以上」となり、その場合に実行される処理が、「コレクターエミッタ間に流れた電流により有効になる回路部分」となるイメージでしょうか。ハードの原理をソフトで説明するのも変な感じがしますが。。。

機能その2(増幅作用)

増幅作用についても同様のサイトにて説明があります。トランジスタはさらに、ボリューム(可変抵抗器)と同じように、電流の値をコントロールすることも可能だというのです。むしろ、この電流の調整の先に電流のON/OFFという事象があるのです。

あらためてトランジスタとは?

人為的作業を電気で自動化することのできる夢のある部品だということがわかりました。きっとトランジスタが発明された当初は、パソコンや3Dプリンタが発明された時よりも衝撃的だったに違いありません。そもそも、パソコンもトランジスタがなければ実現できていないものですし。(あるサイトにはCPUには1億個ものトランジスタが使用されていると書かれていました。)

まだまだ、トランジスタについて調べてみたくなりました。

nmake.hatenablog.com

 

トランジスタの基本原理LED点滅回路

秋葉原で電子工作キットを大量買い。その中で、マルツエレック製のトランジスタの動作原理を学習できるLED点滅回路を制作しました。

本キットでは、トランジスタの増幅原理とスイッチング原理が学べるということで、事前に本を読んでそれらについて勉強してみましたがいまいちピンとこず。まずは、購入したキットを組み立てることに。キットの部品数は多くはないので付属の説明書等を参考に1時間ほどで完成。無事にLEDが点滅しました。LEDはスイッチとボリュームによって点滅の速度を変更することができます。また、今回使用しているLEDは超高輝度と呼ばれる非常に明るいタイプのもののようで直視すると目をやられますのでご注意を。

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今回は抵抗を取り付けるときに、金のラベルが同じ方向を向くように揃えて取り付けました。抵抗に極性はないのでどちら向きでも問題ないのですが見た目と抵抗値の読みやすさを考慮するとこのように取り付けるほうが良いです。

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このLED点滅回路は2つのトランジスタを使用して「無安定マルチバイブレータ」なるものを形成しているようです。無安定マルチバイブレータについては、いろいろなサイトで解説がされていますが、一番わかりやすかったのは下記サイトでした。まぁそれでもまだ完全には理解できておりませんが。。。

非安定マルチバイブレータ - 無作為研究所

そもそもトランジスタとは何をするものなのか、今の時点で私が理解している範囲でまとめたいと思います。トランジスタとは半導体で作られている電子部品であり、N型半導体とP型半導体の組み合わせによってNPN型とPNP型の2つが存在する(今回使用したものは8050Sと呼ばれるNPN型のもの)。それぞれE(エミッタ)、C(コレクタ)、B(ベース)と呼ばれる3本の足が出ており、ベースへの電圧を制御することで、コレクターエミッタ間の電流を調整することができる部品である。主に、増幅作用と呼ばれる、微量な音声や信号を増幅する働きと、スイッチング作用と呼ばれる、電流をON-OFFする働きがある。無安定マルチバイブレータを理解するにはトランジスタに加えてコンデンサの働きについて正しく理解する必要がありそうなのでおいおいまとめていこうと思います。

 

今回学んだこと

トランジスタの機能について少し。(増幅作用、スイッチング作用)

・抵抗は極性がないので取り付ける向きに決まりはないが、金ラインが同じ方向になるように揃えて取り付けると、後々抵抗値が読みやすいし、見た目もきれいになる。

・無安定マルチバイブレータの回路について少々。。。

・コンビニで電池を買うと高い。今回はTOSHIBA IMPULSE 9Vが500円強。

 

今回使用した電子工作キットはマルツエレックさんの下記製品になります。

トランジスタの基本原理LED点滅回路 M2PK3400 マルツエレック製|マルツオンライン

LEDを点灯させる。そして壊してみる。

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ブレッドボードを使ってLEDを点灯させてみました。

使用部品

・ブレッドボード

・赤色LED

・抵抗

・単3電池(1.5V)2本

・ジャンパーワイヤ(オス - オス)

LEDには、そのLEDが耐えうる最大定格電流というものが決まっているようです。が、それがどのくらいなのかがLED本体を見てもわかりません。一般的に最近のものは20mAくらいのようです。これも製造メーカーや、また、色によっても変わるようです。

電圧3Vに対して、LEDに20mA以内の電流を流すには抵抗値をいくつにすればよいかをオームの法則で算出します。

0.02A = 3V / R

R = 150(Ω)

最大定格電流で計算したものが150Ωなのでそれよりを大きい値の抵抗を使用します。私が持っている抵抗で一番近いものが330Ωだったのでそれを使い下記のように接続。

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特に、難しいことなく点灯。終わりにしたいところですが、腑に落ちない点が1つ。なぜ抵抗をつなぐ必要があるのか。本やインターネットの解説サイトを見るとLEDを接続するときに抵抗をつなぐのは一般常識であり、繋がないと過大電流が流れLEDが壊れるとのこと。過大電流が流れる理論がわからなかったのですが、いろいろ調べてやっと理解できました。

抵抗をつながない場合、オームの法則の公式のRの部分が限りなく0に近くなります。導線のみでもわずかながら抵抗があるので0になることはない。たとえば、3Vの電源で抵抗なしの場合にR = 0.001Ωだとすると、LEDに流れる電流は下記のように3000Aとなります。

I = 3V / 0.001Ω

I = 3000(A)

実際には乾電池そのものに3000Aもの電流を流すことはできないため、もっと低いアンペアになるようですが、数アンペアの電流が流れることになります。試しに、乾電池に直接LEDを接続したところ、ブツッ、パキッと音を立てて焦げ臭い匂いがしはじめました。

正しい使い方とダメな使い方が分かったことでLEDについて少し理解を深めることができました。部品がもったいない上に危険でもあるのでLEDを点灯するときには抵抗を使用してください。