簡易ラジオの自作方法

簡易ラジオの自作

僕にとってラジオの発明はとても不思議なものだ。電波伝送だけで、音声がこれほど遠い場所まで届き、さらにラジオを通して音声を復元して再生できるなんて。本記事では簡易的なラジオ回路を自作し、その背後にある仕組み・原理を理解してみる。ラジオの構成要素を簡略化すると、主に以下の3つの部分から構成される：

• 共振回路
• フィルタ回路
• 増幅回路

そのため本記事でもこの3つの部分について解説する。その前に、まずは音声がどのように伝播するのかについて話そう。

送信側：振幅変調（AM）と周波数変調（FM）

導体を流れる電流はその周囲に電磁場を生み出す。電流の強弱を調整することで、異なる振幅や周波数の電波を発生させることができる。この特性を利用して、僕たちは情報を電波に乗せ、さらに電波を通じて遠くまで伝送することができるのだ。元の信号（データ）を電波に乗せる過程を変調¹と呼び、一般的には振幅変調（AM）と周波数変調（FM）に分けられる。AMは元の電波の周波数を変えずに振幅を変化させ、FMは周波数を変化させることで元の信号を乗せる。

画像引用元：Wikipedia（Berserkerus, CC BY-SA 2.5）

このような方法によって、僕たちは音声を電波に「埋め込み」、送信所（基地局）から発射することができる。例えば福岡タワーは福岡にある電波塔だ。

受信側：共振回路

では受信側ではどのように信号を受信するのだろうか？基礎電気工学において、僕たちは共振回路を利用して特定周波数の電波を受信することができる。電波は、周囲を取り囲んでいる微小信号の交流電流のようなものと考えることができる。

交流回路にコンデンサとインダクタ（コイル）が存在する場合、電圧と電流は常に変化している。電流が変化するとインダクタは電流の変化に抵抗する起電力を生み出し、その起電力によってコンデンサ側にも容量リアクタンスが生じ、互いにエネルギーを吸収・放出し続ける。固定された周波数において両者の誘導リアクタンスと容量リアクタンスが相殺し合い、特定周波数の電流が最大になる。アンテナの本質は導体であり、電波信号を受信した際に内部で電磁誘導が起きて電流が発生する。そして共振回路を通して特定周波数の信号を受信するのだ。

共振周波数は以下の公式で計算できる：

ここで f は周波数、L はインダクタンス値、C は静電容量値である。

フィルタ回路

ラジオの用途において、音声信号の電圧は正（プラス）である必要があるため、ダイオードを1つ追加して整流を行う。ダイオードには一方向のみに電気を通す性質がある。

増幅回路

電波から受信した信号は極めて小さく、そのままではほとんど聞こえないため、信号を増幅して初めてしっかりとした音声を聞くことができる。信号の増幅はオペアンプ（演算増幅器）やトランジスタによって実現できる。実際の現場では、オーディオ専用に設計されたオペアンプICを選択するのが一般的だ。

実装

回路は非常にシンプルだ。前段は共振回路で、周波数を調整しやすいようにバリコン（可変コンデンサ）を使用している。ダイオードにはショットキーバリアダイオードを採用し、順方向降下電圧が通常のダイオードよりも低いため、微小な信号でも確実に導通できるようにした。増幅回路にはトランジスタではなく東芝のTA7368オーディオアンプIC²を使い、最後にスピーカーを接続すれば完成だ。

実験の際、可変コンデンサの容量範囲が狭すぎたため、テスト当初は非常に不明瞭な音しか聞こえなかった。その後、あれこれ適当に試しているうちに、僕の手を金属部分に置くと音が綺麗に受信できるようになることに気づいた。手にもいくらか静電容量があるため、それが加わることでちょうどラジオ放送の周波数帯域内に収まったのだ。

あとがき

正直なところ、現代においてこのように手作りでラジオ回路を組むことは滅多にない。通常は専用に設計されたICが存在するし、デジタル信号によって選局や音量調整を行うこともできる。しかし、自分の手で一つ作り上げてその背後にある原理を理解するのは、かなり面白い体験だった。

また、Fox Radio（フォックスホール・ラジオ）³と呼ばれるものもある。第二次世界大戦中、インターネットなど当然なく、さらに敵に位置を察知されるリスクもあったため、兵士たちが電源を一切必要としないラジオを発明した。その原理は、銅線をアンテナおよびインダクタとして使い、酸化したカミソリの刃と鉛筆の芯を整流用ダイオードの代わりにして、完全に電波のエネルギーだけで駆動させるというものだ。詳しくは以下の動画を参考にしてほしい：