自作簡易ラジオ

ラジオの発明は私にとって非常に驚くべきものです。無線電波を通じて音声が遠くまで伝わり、ラジオを通じて再生されるのですから。この記事では、簡単なラジオ回路を作ってその原理を理解することを試みます。ラジオの構成要素を簡略化すると、主に次の3つの部分で構成されます：

• 振動回路
• フィルタリング
• 増幅回路

したがって、この記事ではこれらの3つの部分について説明します。それに先立ち、音声がどのように伝播するのかについて話しましょう。

送信側：振幅変調（AM）と周波数変調（FM）

導体を通る電流は周囲に電磁場を生成します。電流の強さを調整することで、異なる振幅や周波数の無線電波を生成することができます。この特性を利用して、情報を無線電波に乗せ、さらにそれを遠くまで無線で送信することができます。元の信号（データ）を無線電波に混ぜるプロセスを変調¹と呼びます。一般的に、変調には振幅変調（AM）と周波数変調（FM）の2種類があります。AMは元の電波の周波数を変えずに振幅を変えるものであり、一方、FMは元の信号を運ぶために周波数を変えます。

画像はウィキペディアから引用（Berserkerus、CC BY-SA 2.5）

この方法により、音声を無線電波に「埋め込む」ことができます。そして、基地局を通じて送信されます。例えば、福岡タワーは福岡にある電波塔です。

受信側：振動回路

では、受信側ではどのように信号を受信するのでしょうか？基本的な電気学の中で、特定の周波数の無線電波を受信するために、振動回路を利用することができます。無線電波は、小さな信号が周囲を囲むように交流電流が存在すると考えることができます。

交流回路では、容量とインダクタンスが存在する場合、電圧と電流は常に変化します。電流が変化すると、インダクタンスは電流の変化に対抗する起電力を生成します。そして、生成された起電力は、容量に対して容抗を生じさせ、互いにエネルギーを吸収し放出します。特定の周波数では、これら2つのインピーダンスは相互に相殺され、電流が最大になる特定の周波数になります。アンテナは導体の本質であり、無線電波信号を受信すると内部で電磁誘導を生じ、それによって電流が発生します。そして、振動回路を介して特定の周波数の信号を受信します。

共振周波数は次の式で計算できます：

ここで、fは周波数、Lはインダクタンスの値、Cは容量の値です。

フィルタリング回路

ラジオアプリケーションでは、音声の電圧は正の値になりますので、整流のためにダイオードを追加します。ダイオードは一方向に導通する効果を持っています。

増幅回路

無線で受信した信号は非常に小さく、聞こえるようにするためには増幅が必要です。信号の増幅は、オペアンプまたはトランジスタによって行うことができます。実際の応用では、オーディオ用に設計された専用のオペアンプICを選択することが一般的です。

実装

回路は非常にシンプルで、前部分は可変コンデンサを使用した振動回路で、ダイオードはショットキーダイオードを使用しています。ショットキーダイオードは順方向の導通電圧が一般的なダイオードよりも低く、小さな信号でも導通できるようになっています。増幅回路には東芝のTA7368オーディオアンプ²を使用しています。最後にスピーカーを接続すると、完成です。

実験中に可変コンデンサの範囲が狭すぎることがわかりました。そのため、最初のテストでは非常にぼやけた音声しか聞こえませんでしたが、ランダムに試していると金属部分に手を置いた後は正常に音声を受信することができました。手にもある程度の容量があり、ちょうどラジオ放送の周波数範囲に合っていたためです。

追記

実際には、このような手作りのラジオ回路は現代ではあまり一般的ではありません。通常は設計済みのICが使用できるか、デジタル信号を使用して周波数を選択し、音量を調整します。ただし、自分で原理を理解するために手作りすることも楽しいものです。

また、Fox Radio³というものもあります。第二次世界大戦中にはインターネットがなく、敵に位置を悟られる可能性があるため、兵士たちは完全に電力を必要としないラジオを発明しました。その原理は、銅線をアンテナとして、酸化した剃刀と鉛筆芯を整流ダイオードとして使用し、完全に無線電波の電力で駆動するものです。詳細については、この動画を参照してください：