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本文は台湾華語で、ChatGPT で翻訳している記事なので、不確かな部分や間違いがあるかもしれません。ご了承ください
自作簡易ラジオ
私にとって、ラジオの発明は非常に神秘的です。無線で音声が遠くまで伝わり、ラジオを通じて音声が再現される様子は驚くべきものです。本記事では、自分で簡易的なラジオ回路を作成し、その背後にある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、主に三つの部分から成り立っています:
- 共振回路
- フィルタリング
- 増幅回路
したがって、本記事ではこれらの三つの部分について紹介します。その前に、音声がどのように伝播するのかについて話しましょう。
発信側:振幅変調(AM)と周波数変調(FM)
導体を流れる電流は周囲に電磁場を生成し、電流の強弱を調整することで異なる振幅や周波数の無線波を生成できます。この特性を利用して、情報を無線で送信し、さらに遠くへと伝達することが可能です。元の信号(データ)を無線波に混ぜる過程を「変調」と呼び、一般的には振幅変調(AM)と周波数変調(FM)に分かれます。振幅変調は元の電波の周波数を変えずに振幅を変え、周波数変調は元の信号を運ぶために周波数を変更します。
画像引用元:ウィキペディア(Berserkerus, CC BY-SA 2.5)
このようにして、音声を「埋め込む」ことができ、基地局を通じて発信されます。例えば、福岡タワーは福岡にある電波塔です。
受信側:共振回路
さて、受信側ではどのように信号を受信するのでしょうか?基本的な電気理論では、共振回路を使って特定の周波数の無線を受信できます。無線は小さな信号の交流電流が周囲を循環していると考えることができます。
交流回路において、コンデンサーとインダクターが存在すると、電圧と電流は常に変化します。電流が変化すると、インダクターはその変化に対抗する電動勢を生じます。そして、その電動勢がコンデンサーに抵抗を生じさせ、互いにエネルギーを吸収し放出し合います。特定の周波数では、両者のリアクタンスが相殺され、特定の周波数の電流が最大に達します。アンテナの本質は導体であり、無線信号を受信すると内部に電磁誘導が発生し、電流を生成します。それを共振回路を通じ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、C はキャパシタンスです。
フィルタリング回路
ラジオのアプリケーションにおいて、音声の電圧は常に正です。したがって、ダイオードを追加して整流します。ダイオードは一方向にしか導通しない特性を持っています。
増幅回路
無線から受信した信号は非常に小さく、聞き取りにくいため、信号を増幅する必要があります。信号の増幅はオペアンプやトランジスタを使用して実現できます。実際には、通常はオーディオ専用に設計されたオペアンプICが選ばれます。
実装
回路は非常にシンプルで、前面には可変コンデンサーを用いた共振回路があり、周波数を調整しやすくなっています。ダイオードにはショットキー・ダイオードを使用し、順方向導通電圧が一般的なダイオードよりも低く、小信号でも導通できるようにしています。増幅回路には東芝の TA7368 オーディオアンプ1を使用しており、トランジスタではありません。最後にスピーカーを接続すれば完成です。
実験中に可変コンデンサーの範囲が狭すぎることに気づき、初めてのテストでは非常にぼやけた音しか聞こえませんでした。その後、無造作にテストしているうちに、金属部分に手を置くと音声をしっかり受信できることがわかりました。手にもわずかなキャパシタンスがあり、それがちょうどラジオ局の放送周波数範囲内だったのです。
後記
このような素朴なラジオ回路は現代ではあまり見かけなくなりました。通常、既に設計されたICが利用可能であり、デジタル信号を通じて周波数選択や音量調整が行われます。しかし、自分の手で作成し、その背後にある原理を理解することは非常に楽しい経験です。
また、Fox Radio2と呼ばれるものも存在します。第二次世界大戦中、インターネットがなかったため、敵に位置を見つけられないようにするために、兵士が電源なしで機能するラジオを発明しました。その原理は、銅線をアンテナとインダクタとして使用し、酸化したひげ剃りの刃と鉛筆の芯を整流ダイオードとして用いるというもので、無線電力だけで駆動されます。詳細はこの動画を参照してください:
Footnotes
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