公開講座｢身の回り品を使った電子回路工作｣

長野 1二 男F , ･ J J 等I l fr l . ] J l l U : 柁紅紫節3 ｣号 ( 20 0 0) 1 63

公開講座｢身の回り品を使った電子回路工作｣

青 木 博 夫   柄 澤 孝 一   山 田 達 朗 知 野 照 信

The Seminar, "Electronic Circuit with Personal Belongings"

Hiroo AOKI Koichi KARASAWA Tatsuro YAMADA and Terunobu CHINO

キー ワー ド: 範子工作 .ゲルマ ラジオ,身の回 り品,公開講座

1. ま え が き

怒気 工学科の公開講座 は,平成

年度か ら ｢中学生の ための昭子回路教室｣ を実施 して きた1 ) が,同一テーマ で開始 してか ら4 年 を経過 したため,平成

年度 か ら仏 新 しいテーマ ｢ 身の回 り品を使 った電子回路工作｣に切

り替 えた.そ してこのテーマ も本年 で4 年経過 した こと か ら,その総括 を行 うこ とと した. このテーマ を選んだ 理 由を以 下に述べる.

戚 近の電子機器の中味は,ほ とん ど

化 されてお り, その動作 を理解す ることは専門家であって も不可能な状 態である.また電子回路工作 も

を組み合わせて行 う のが主流 となっている. この よ うな方法では電子工作の

本

' 1 1の面 rlさが分か らない と考 え,身の回 りにある品々 でr ･ ･ l 蹄軌 鼠か ら作 り.それ らを組み合わせ て,電子回路

〟

) 占本 数が をか な り含 んでい るゲルマ ラジオを作製 し, 中 学〈 l 三 にT t l r ^{l n} l路の不恩議に触れ て もら うことを 目的 と

して この: j･ マ 々迦択 した.

2.

公開許座テキス ト 2) 3) 公

F . テ キス ト/ a : 以 卜に' T ' . ･ す.

2‑ 1

何は ともあれ ます作 ってみ よ う.

これ か ら1 1ろ ･ )> 1 7 J

ー Jd) 令回路図t . t 殴1 1 のよ うになってい は す . 愉I i i , / r l ･ ̲ ･ Ⅰ 蛸で･ , T l がF 比代の 【 ･レ/ /

トロニ クスは.すべて / /ルマ ワジ汁か ( )川見L L といっ て も過 言ではあ りませ ん.

2‑ 2 自作 できない部品

2‑ 2‑ 1

ゲルマニウムダイオー ド

ダイオー ドは トランジスタの Lうな! F ' ･ 帝体の ･ f 収です.

電 F ･ 回路では シ リコン ダイオー ドが よく仙 わJt , 滋十 が . ゲルマ ラジオを作 るには,理由があ ってゲル ′ r jムJ A / イオ‑ ドを使 います.今回使 うゲルマ̲ウムダイオー ド

A

t

IJ話稲受付 2000年10)J31n

大 地

ー ス

図

ゲルマラジオの全回路図

E

E ｣ ;

図2 ゲルマニウムダイオー ド1 N60 電流が流れる 電流が流れない

戸 戸

( a)

図

ゲルマニウムダイオー ドの特性

の名前は

( 図

と言います. ダイ オー ドにはア

164

_{l l T '} 木 博夫 ･柄搾孝一 ･L I J E n達朗 ･知野郎信

ノー ドとカ ソー ドとい う2 つの足 があ ります.印刷 され た帯 ( カ ソー ドマー ク)のある方が カ ソー ドです･図

の よ うにダイオー ドは電流がア ノー ドか らカ ソー ドに しか 流れ ませ ん.

2‑ 2‑ 2 ク リスタルイヤホ ン

ウォー クマ ンな どに使 われてい るイヤホンは正確 には マ グネ チ ックイヤホンとい うタイ プです.これ は音がい いのですが,電流 を多 く流 さなけれ ば使 えません.電池 な どの電源があればよいのですが,ゲルマラジオでは電 源がないので電流をあま り必要 としないク リスタルイヤ ホ ンを使 います. したが って音は若干 マグネチ ックイヤ ホンよ り劣 ります,図4 は今回使用す るク リスタルイヤ ホンです.

図 4 クリスタルイヤホン 2‑ 2‑ 3 抵 抗 器

抵抗器 は 自作できない耳はないのですが,かな り錐 し いです. ここで は市販 品の カーボ ン抵抗糖 22k r と( キ ロ オー ム) を使 います.

3.

部品の製作 3‑ 1 コイルを作 ってみ よ う

今 回の コイル に使F T ) す る線 u ウレタン線 といって,鍋 線 に ウレタン樹脂の皮膜 を付 けた ものでう. ウ レタン線 は銅色 を しているので , ^{見かけは絶松} 披 経のない快銅線 と変わ りあ りませ ん.今回の魁作 に

n径 0. 5mm の ウ レタン線 を 10m 使います.それ では ｣イルををき たLt L う.巻 き枠 にす る円筒 ( ボ ヒン とい う)が必 ' ガで‑ ㍗.接 庭にあるラップや トイ レッ ト‑‑パーの. ' J : ' 七/ . ‑ nI /ラス チ ック製 の筒で結構 です.ただ し金城製の何ではだめで す.ボ ビンの直径 は 3cm 以上あれ ば結構でi ).帆 . r : ) のよ うにボ ビンに穴 を開けてそこに ウ レタン鰍 を過 し ぐか

巻きは じめます.

線 は隙間な くできるだけ固 く巻 いて下 さい. ウレタン 線のはんだ付 けは,カ ッタナイ フで絶縁の被 襟 をはが し てか ら行 います.

3‑2

バ リコンを作 る前にバ リコンの原理

バ リ 'ン E エバ リアプル コンデ ンサの略です. コンデ ン

図

自作コイル b

: . ･ : : ̀

図

良も簡単なコンデンサの構造 と静電容量

サは' i E文を蔚える装匠です.図

は

枚の金属板 ( 極板) を向かい合わせた平板 コンデ ンサ と呼ばれ る,最 も簡 単 で鹿本的 なコンデ ンサです.

極板に昭池をつな ぐと,極板にプラスの電気 ( +Q)と マ イナスの電気 ( ‑

がたま ります

のことを電気免 といい, これ は極板 に加 えた電圧 V に比例 します.こ の比例定数 を静電容畳 C といいます.つま りコンデ ン サに蓄 え られ る電気 虫 Q と電圧 V との間には,

Q ‑CV

( 1 )

が成 り立ちます.電気 丑 Q の単位 はクー ロン,静電容丑 C の単位 はファラ ド ( 記号は

です.平板 コンデ ンサ の静屯容 最C ｢ F】は,次式の よ うに極板の面積 Sl m

1に 比例 し,極板 の距離

lに反比例 します･ただ しこれ は 極板 のI 7 ' r l に何 もは さまない場合で,何か をは さむ とその 物で決まるあ る伯をかける必要があ ります.

C = ( 8. 85×1 0‑1 2) S

( 2)

‑ ] Ocm で,

‑1 r n m な ら,

8

.

×0 . 0 1

0. 00 1 ‑

.

× 1 0 1 1

‑88･55LpF

】

ピコファラ ド

とな ります.さて2枚の極板 を図 7のよ うにず らす と,向 き合 っている面積が減 りますか ら,静穏容丑 も減少 しま す.極板の片方 を固定 し, も う一つの極板 をスライ ドさ せ ると,スライ ドした丑 に応 じて静電容 丑を可変す るこ

とができます. これがバ リコンの原理 です.

公開講座 ｢ 身の回 り品をほった屯 7 ‑回路工作｣

図

バ リコンの原理

図

ボール紙 とアル ミ箔で極板を作る

/ 段ポ ル板 アルミ箔 の端3cm を折 り返 し､目玉 ク リ ップ ではさむ

l 1 8cm I

図9 段ボール横にアル ミ箔を貼 り付け./(リコンの 固定極板とする

図

ゲルマ ･ラジオ

165 3‑3

バ リコンを作 ってみ よ う

極板 はア/ レミ箔 を使 います.キ ッチ ンにあ るアル ミホ イル です.箔 の厚み は 15ミクロンくらいなので普通の は さみ で カ ッ トで きます.ただ しアル ミ箔 が薄 いの で , そのままではす ぐクシヤクシャにな って しま って極板 の 用 をな しませ ん.そ こで,図

の よ うにアル ミ箔 に厚 手 のボール紙 をあてが い,ボール紙 をアル ミ箔 で くるんで しまいます.アル ミ箔 の周辺 をセ ロハ ンテープでボール 紙 に固定すれ ば立派 な極板 です.

この極板 を 2 枚作 り図 7 のよ うに対向 させれば,スライ ド式バ リコンにな ります.バ リコンの最大容丑は

位必要で,そのためには極 板 の距離 を

位 に しな い といけません.で も2 枚 の極板 が こんなに接近す る と, 極板 同志がおそ らくシ ョー トす るで しょ う.そ こで極板 の間 に紙 を は さみ ,両者 を絶縁 します.厚 み が

0, 1 mm 位 のす べ りの よい丈夫 な紙 を使 います.絶縁紙 の挿 入 に よ り静電容 最 も増 えるた め,一石 二鳥 です.な お アル ミ箔 の しわや た るみ は, よ く伸 ば して くだ さい . アル ミ箔には普通 のはん だが付 かないので, 目玉 ク リッ プでアル ミ節 をは さみ , 目玉 ク リップに リー ド線 をはん だ付 け します.ボール紙 とアル ミ箔 に よる極板 はそ りが 避 け られ ないので,静電容丑 は計算値 よ り少 な 目にな り ます.そ こで極板 と絶縁 紙 が互 いに密 着す るよ う,極板 に少 し圧 力 をか けます.

また次 の よ うに作れ ば容虫 は さ らに安定 します. まず 薄 手の段 ボール を カ ッ トして

の ボー ドを

枚 作 ります･そ の一枚 にアル ミ箔 (

を貼 り付 け ( 図

,アル ミ箔 の周辺 をセ ロハ ンテー プで固定 しま す その上 にアル ミ箔 よ り少 し幅広の絶縁紙 を乗せ , こ れ もセ ロハ ンテー プでボー ドに固定 します.その上 に図 8の櫛 板 を 1枚 乗せ , も う1 枚 のボー ドを重ね ます .図 1 0 の よ うに 2 枚 のボー ドの三方 と関に入れた極板 をそれ ぞれ

1 三/ / リップでは さめば,スライ ド式バ リコンの完 成です.

4.

ラジオ本体の製作

自作 ボー ドの上 に コイル , ダイオー ド,抵抗 を取 り付 け図

の とお り配線 します.

4‑1

ア ンテナ とアー ス

ゲル マ ラ ジオ は電 漁 が な いの で ,イ ヤ ホ ンの振動 板 を動 かす た め の エネ ル ギ は ,放 送 局か ら放射 され る髄 液 の エネル ギー を利 用 す るほ か あ りませ ん.そ の エ ネ ル ギー を取 り込 む の が受 † 言ア ンテナ の役 割 です.受 † 斉

しよ うとす る屯 波 は中波 肺 の r f lの周 波数 が

1600kl

1 2 ; 位 の範周の昭 波です.本校 で受 信で きる主な放

送局は

第

です.ア ンテナは, ビニール線 (ビニー

ル 披律 の銅線) を,窓 か ら水 平に数 m 出 して張 り, その

一端 をコイル に接続 します.ア ンテナ に劣 らず重 曹 なの

が アー スです.ゲルマ ラジオ は感 度 が 低いので, コイル

166

青木博夫 ･柄浮草一 ･山田達朗 ･知野照信 の一端をアース して電流を流 しやす くす る必要があ りま

す. しか し電波の強い所では,アースを接続 しなくても 聞こえることがあ ります.

4‑ 2 調 整

ゲルマラジオにアンテナ とアース線をつなぎ,バ リコ ンの極板を出 し入れす ると,なにか放送が受信できるは ずです.もし何 も聞こえない ときには,次の原因が考え れ られます.

(1) 配線間違い,接続不良,バ リコンの短絡など.

(2) 同調がずれている.

電子工作は,なかなか一発で成功 とはいかないものです.

正 しく作ったっ もりでも,人間のす ることですか ら, ど こかに見落 としのあるのが普通です.簡単な回路 といえ ども,動作 させ る前には

回配線 を点検 しま しょう.

4‑3 同調回路の しくみ

アンテナにはあらゆる電波が飛び込みますので,その 中か ら希望の電波を選ぶのが同調です. どうや って選ぶ か とい うと,放送電波の周波数の違いを利用するわけで す.電波は電磁波 とい う波の一種です.一般に周波数の 異なる波がいくつ もあるとき,その中か ら一つの波を取

り出すには共振 とい う現象を利用 します.

4‑ 4 共 振

音波の振動に関する共振を特に共鳴 といい,この言葉 はよく知っていることと思います.また電波も波ですか ら,電子回路の中で共振 とい うことを起こします.電子 回路の中で とくに共振を起こしやすい回路を共振回路 と いいます.そ して電波のような外部か ら入 って くる信号 の周波数に共振 させ る回路を同調回路 と呼びます.

4‑5

共振周波数

ゲルマラジオにも同調回路があ ります.コイル とバ リ コンの並列接続回路 ( 図 11)で ｢ 並列共振回路｣ とも呼 ばれます. その共振周波数は,バ リコンの静電容量 C とコイルの 自己インダクタンス L の値によって定まって きます.

自己インダクタンス とい う言葉が突然出てきま した

L

f

図11 並列共振回路

が, これ はコイルの 自己誘導現象に関係す る定数です.

コイルに電流を流す と磁界が発生 します.電流の大きさ を変 えると磁界の強 さに変わ ります.その磁界の変化を 妨げるような電圧 ( 起電力)がコイルに発生します.こ れが コイルの自己誘導作用です. 自己誘導によって発生 する起電力の大きさは,電流の変化の速 さに比例 し,起 電力 ‑L X 電流の変化の速 さ, とな ります.この式の比 例定数 Lを自己インダクタンス といいます.起電力の単 位は

ボル ト) ,インダクタンスの単位は ( ‑ンリー)で す･また電流の変化の速さ 【 A/ S 】 ( アンペア毎秒)です.さ て図 11の同調回路の共振周波数 Jは,コイルに自己イ ンダクタンス

とバ リコンの静電容量

によって次に ように定ま ります.

I‑

蒜 ^{畠 【 Hz ] ( 4)}

そ こで ,L または

の値を適 当に変えれば

Fをさ まざまな放送局の周波数に一致 させ られます. これがバ リコンを使 う理 由です.コイルのLは巻き数や ウレタン 線の太さやボ ビンの直径な どによって変わるので,今回 の自作コイルの 自己インダクタンスは,おおむね

200J止

Ⅰの範囲にば らつきます.また 自作のバ リコンの

も極板間の距離を正確に制御できないので最大容丑が

位の範囲にばらつきます.

5. ま と め

身近にあるものか らラジオができたので感動 したこと と思います.なぜアル ミ箔の大きさがあれではなくては いけないのか,コイルの巻数はどうい う意味があるのか, ダイオー ドと抵抗は どうい うはたらきを しているのか と いろいろ疑問も感 じたこととと思います.またスピーカ を鳴 らす にはどうしたらよいのだろ うか.テ レビは どう い う仕組みになっているのだろ うか.コンピュータはな ぜ計算できた り,いろいろな情報処理ができるのだろ う か. これ らの疑問は電磁気学,交流理論,無線工学,辛 導体工学,電子回路 といったようなことを学べば,わか るよ うにな り,また もっと複雑が回路 も設計できるよう にな ります.

時間に余裕のある生徒のために以下のテキス トも用意 した.

6.

トランジスタアンプの製作

6‑ 1 低周波 1 石アンプ

ゲルマ ラジオは電源が無 くても聞 くことができ,その

点では優れていますが,必ずイヤホンを使わなければな

らないとい う面倒 くささが残 ります.そこで トランジス

タ1個 と トランス,スピーカな どか ら成 る最 も簡単なア

ンプを作 り,そ こにゲルマラジオをつなぎ,スピーカか

ら音を出 してみましょう.その全体の回路図は図

の通

りです.試作 した低周波一石アンプは図

のようにな り

公開講座 ｢ 身の回 り品を放った電子回路工作｣

図 12 低周波一石アンプ

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｢

図

試作 した低周波一石アンプ

ます.

6‑ 2 新たな部 品

6‑ 2‑ 1 トランジスタ

トランジス タは' F 電子回路の部品で,主役が この トラン ジスタです.ダイオー ドと同 じよ うに,ゲルマ ニ ウムや シ リコンを主材料 と して作 られ,作 り方 によって

n

型 と n

n 型が あ ります. トランジス タには 3 つの電極 があ り,それぞれ コ レク タ ( C) ,ベース (ら) ,エ ミッ タ (E) と呼び ます. トランジス タの主なはた らきは, マイ クロホ ンや ラジオ屯波な どか ら得 られた小 さな電気 信号でベー ス昭流をコン トロール して. コレクタ側で大 きな電気信 号を終 ることであ り. この ことを増幅作用 と 呼びます. トランジスタの紀 砂とf 正極 ( 良)の関係 を図

に示 します.

6‑ 21 2 電解コ ンデ ンサ

コンデ ンサにはた くさんの板類 があ りよす. ラジ*で も自作の コンデ ンサ を使 いま したが,比較的人 きな静t t E 容魚を必要 とす る時 に電解 コンデ ンサ を仕 い よ

U) 電解 コンデ ンサには電池 と同 じよ うに,プラスマイ

があ り,これ を間違 える とパ ンクす ることが あ りよう.

コンデ ンサには

)電気 を一時的に蓄冠す る

交流

通す が,直流は通 さない, とい う2 つの性質 があ り 底流 の官を良 く した り,交流信号 と電源電圧 ( 直流)を分け るな どF ‑くさんの用途が あ ります.

6‑2‑3

ト ラ ン ス

トノンストは唱源 トランス ( 変圧器) と低周波 トラン ス ( ' 8 : 佃解) とが あ ります. ここで使 う トランスは変成

NPN型 PNP 型

図14 トランジスタの回路記号

1 67

… 篭

図 15 トランジスタの実物図

照です.電子部品の 中では理解 しに くい部品ですが, こ こでの トランスのはた らきは,電気信号 を効率良く伝 え るために,回路 と回路,回路 とス ピーカの間 をつな ぎ合 わせ る部. ( . Lと 考えて くだ さい.仕組みは図

のよ うに鉄 心に こっの コイル を巻 いた もので人)) 側 を一次 コイル , 出ノ ブ 側 を 二 次 コイル といいます.

図 16 トランスの回路記号

図

トランスの実物図

l

168

青木博夫 ･柄揮孝一 ･山田達朗 ･知野照倍

ス ピ ー カ

ス ピーカのはた らきは,電気信号 ( 電気の振動)を音 ( 空気の振動)に変 えることです.永久磁石,コイル,振 動板か らできています.

6‑2‑5

電 池

アンプには電池のよ うな直流の電源が必要です.交流 信号を増幅す るとい うことは,直流電源か らエネルギー をもらいその一部 を交流に変換す ることで行 われます.

6‑ 3 アンプの製作

プ リン ト基 板 の上 に図

の回 路 図 を見 て配線 しま す,この回 路 で は ス ピー カ に流 れ る電 流 が まだ 小 さ い た めそれ ほ ど大 きな音 が 出ませ ん .大 きな昔 にす るの は も う一 段 ア ンプ を接 続 す る方 法 が あ ります.

7.

アンケー ト結果

平成

年度 に以下の よ うなアンケー トを行 った.

平成〇年度 公開講座アンケー ト

(1) 中学 何年生ですか ? ( 1 年 2 年 3 年) (2) 出身地方は どこですか ?

( 北信 中信 東信 南信 県外) (3) この公開講座 を何で知 りま したか ?

( パ ンフ レッ ト 先生 親 その他)

(4) この公開講座 に参加 した動機 は? ( 2 個以上の 丸も可) ( 電子工作に興味があった 先生に 勧 め られた 親 に勧められた 学校 を見学 した

い その他)

(5) 講座 の内容 は ?( 難 しい や さ しい 丁度 良い)

(6)

実習の指導の方法は ? ( ていねい 不親切 ふつ う)

(7) 適 当な公開講座 の 日数は ? (1日 2日 3 日以上)

(8) 適 当な公開講座 の時期は ? (7 月下旬 8 月 上旬

月下旬)

(9)

本校‑の受験 を誰に勧め られているか ? (自分 先生 親 その他)

図

に各アンケー ト結果を示す.

講座 を受けてみた感想 ･意見を書いて もらった.

(a) 解 らない ところを丁寧に教 えて もらい,す ごく わか り易かった.

(ら) 電源 がないのに聞こえたのが良かった. 自分で 作れて楽 しかった.

(C) 自分で作ったラジオが開けて とて も感動 した.

(d) 今まで難 しそ うなイメージがあったけど作って みると思っていたよ り簡単で本みたいのを見な が ら一人でできた.面白かった.

(e) 身の回 りの もので しかも簡単な回路で聞 こえて

図

アンケー ト (1)結果

図 19 アンケー ト (2) 結果

図 20 アンケー ト (3) 結果

公開講座 ｢ 身の回 り品を使 った電子回路工作｣

図 22 アンケー ト (5)結果

図 23 アンケー ト (6)結果

図 24 アンケー ト (7)結果

図 25 アンケー ト (8)結果

図 26 アンケー ト (9)結果

169

170

_{符木博夫 ･}

浮孝一 ･山町道朗 ･知野照信

図

ゲ

マラジオを劉作する受u 推生

図

ゲル マラジオを附く受派生 よか った.聞 くことがで きた.

(∫ ) 意外 な ものでラジオがで きるなあ と思った.

(g) コイルの ときに絡まった り切れた りしたけ ど, 最後には うま くいったので 良かった.

( h) 先生や先輩方の説明が良 くわかった.

(i) 少 し難 しか ったが.いい勉強になった.

( j) とて も楽 しか ったです.先生や5 年生の先輩方 もとて も親切で あ りがたか ったです.暑 い中で したが, とて も充実 した一 日にな りま した.

(k) 理科や技術科の実習は とて も好 きなので今 日は

とて も面 白かった.

(I) 電子 工作が もっ と面 白くなった.

(m) アル ミホイルや紙 導線 な どで本 当にラジオが できて しまって驚 いた.

(n)

思 っていた よ り楽な気持 ちで講座 を受 け られて 良かった.周 りの人に多 くのことを教えてもらっ て とてもよかった.

(o)

電気工学に興味が湧いてきた.とて も楽 しかった.

(p) 難 しかったけど,時間を忘れ るぐらい楽 しかった.

公開講座 の様子 を図

に示す.

8.

む す ぴ

ア ンケー ト結果か らわか るよ うに,中学生 に電子回路 の面 白さと不思議 さを体験 して もら うとい う所期の 目的 はほぼ達成 した と考 えている.特に,身の回 りにあ る意 外な物が ラジオの部 品になることに対 して多 くの中学生 が感動 していた.

最 近,中学 生や 高校 生 の理科離れが言われ てい るが, その原因は身の回 りの機器があま りに もブラ ックボ ック ス化 され ,また高度化 されてお り,その原理の追求 を不 可能 な もの に して いる ことが一つの原 因 と考 え られ る.

その よ うな中で, も う一度原理に立 ち返 った今回のテー マは中学生に とって新鮮 に写 った もの と考え られ る.今 後 も機会 があればこの よ うな興味を持たせ るよ うな教材 を開発 して行 きたい と考えている.最後に公開講座 を開 くに当たってお u L ‑ 話になった関係各位 に感謝致 します.

参 考 文 献

I)

宮崎敬,J K之内其‑,柄滞孝‑,古川万寿夫.松島 久夫.山田達朗 :" 公開講座 ｢ 中学生のための電子 工作教室｣のr R践報告一 中学生に果 たす役割‑ , "

長野工業高等中門学佼紀要,第

号

,

2)

鈴木意次 : " 手作 り工作 を楽 しみ なが ら学ぶ 高 周波回路の設計 と製作 , " トランジスタ技術, 第

号

3)

小林健二 :" ぽ くらの鉱石 ラジオ, "筑摩笹房