ここでは、メロディカードを利用して、トランジスタ検波で動かす傘ラジオ、「メロカ・トラ検・傘ラジオ」を紹介します。
中級編の「１００円ショップだけでラジオの部品を揃える」では、ダイソーのメロディカードからセラミック発音体を取り出してイヤホンを作りました。その後には左の写真のような回路基板が残ってしまいました。これを何とか利用できないかと工夫したのが、旧ＨＰの「メロディカード用ＩＣの入力保護ダイオードを検波に使う」です。これは回路基板のIC内にあるダイオード部分を検波に利用するというものでした。(2005年8月) ダイオードが利用できても、感度は従来の傘ラジオ並です。しかも、ダイオードにバイアスをかけねばならず、そのために電池まで使っています。電池を使うならもっと有効に利用できないのか？つまり増幅できないかと考え続けていました。
この回路にはいくつかの端子が出ているので、どれかの組み合わせがトランジスタになってたりして？まさかね。という感じでやってみたら、本当にトランジスタの部分があったんです。しかも傘ラジオにつないでみると、動作はトランジスタ１石のラジオなので、感度が今までの傘ラジオよりはるかに良好です。(2007年3月) 今回、やっとそれを紹介いたします。(2009年5月)
なぜこんなに時間がかかったかと言いますと、面白いもの見つけたと思って、準備してた矢先にPCがクラッシュ。復旧した頃に「ＬＥＤ検波ラジオ」を見つけてしまって、それを優先しているうちに、サーバの不具合が起き、この新HP立ち上げに時間を費やし、日の目を見ずにここまで来てしまったのです。この間、高専に見学に来た人達には公開していましたが、このラジオも正真正銘の「１００円ショップだけで部品が揃う」傘ラジオなので、今度こそHPで多くの皆さんに見ていただこうと思います。
前置きが長くなりましたが、大事な注意があります。このラジオ、感度が良くなるのですが、内容的にはやや難しく、誰にでもお薦めできるというものではありません。正しく作れば動きます。実際、今まで同じ回路を作り方を変えて何度も作っていますが、失敗は一度もありません。ですが、回路をある程度理解しながら作らないと、完成しない可能性が高いと思います。上級編に置いたのも、そんな理由からです。
メロディーカードはダイソーで購入したものです。他のもので同じことが可能かは確認していませんので、もし追試をされる方がいらっしゃいましたら、ダイソーのメロディーカードでお願いします。
まず最初に、メロディーカードの本来の接続を確認しておきましょう。
このように、回路基板にプッシュスイッチとセラミック発音体が接続されています。電源はLR1134というボタン電池です。
トランジスタラジオとしての回路はこのようになります。 メロディーカードの回路基板のうち、左図に示した３つの端子が、１つのトランジスタのように働いています。
当然のことですが、クリスタルイヤホンと書いた所は、メロディーカードの発音体で作ります。ボタン電池LR1134もメロディカードについていたものを流用します。抵抗は4Bくらいの濃い鉛筆で作ります。
以下このメロディーカードの回路基板のことを便宜的に「メロディーカードモジュール」と呼ぶことにします。
この回路は旧ＨＰの「バイアスしたダイオードによる検波とコレクタ接地トランジスタ検波について」の中にあるこの図を書き直したものです。上の回路は、この回路のトランジスタをメロディーカードモジュールに置き換えたものとなっています。ですので、先にこのトランジスタを用いた回路の説明をしておきましょう。
前述の旧ＨＰでの検討で、傘ラジオにトランジスタを１つ追加するなら、エミッタ接地の増幅器にするより、コレクタ接地（エミッタホロワ）で使ったほうが良いという結論を得ています。同調回路に検波回路がつながりますとQが下がります。（この辺りもずいぶん前に測定済みなので、数値例をいずれ紹介したいと思います。）Qが下がると選択度が下がるばかりか取り出せる電圧振幅も下がります。よく見かけるトランジスタ１石ラジオは、ダイオードで検波してから低周波増幅してますので、一旦電圧を小さくしてから増幅しているようなものです。
ここでは、エミッタホロワの構成とし、バイアス電流を下げてトランジスタ検波とします。この構成は、同調回路のQを下げないので選択度も良いですし取り出せる電圧も下がりません。また、クリスタルイヤホンの静電容量を用いた検波回路の放電電流が最適に選べますので、検波電圧も大きくなります。
傘ラジオは大きくてかさばる分、電波を沢山捉えていますので（実効長が知りたい方はこちら）、このような構成のほうがメリットがあるのです。
ここでは、メロディカードモジュールの特性について記します。
メロディカードの特性と言っても、メロディが流れるとかメロディカード本来の特性ではありません。メロディカードモジュールのどこかにトランジスタのような性質はないか、またあるとしたらそれはどんな特性か、という話です。
筆者は勤務先で回路系と通信系の授業を担当しています。回路の授業では、回路をブラックボックスとして考え、端子に電圧や電流を与え、それに対する各部の電圧・電流から、回路の電気的特性を定めることを教えています。メロディカードモジュールをこのブラックボックスだと思って、それを実践してみたのが、ここで紹介するものなのです。
このような測定系でメロディカードモジュールの特性を調べました。
実際は色々な端子の組み合わせでやっているわけですが、ここではトランジスタのような特性が得られた接続のみを示します。
これは、出力電圧V2と出力電流I2の関係で、出力特性と呼ばれるものです。トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧対コレクタ電流のグラフに相当する特性図です。
トランジスタのデータシートにあるような特性が得られていますが、印加している電圧がずいぶん低いことにお気づきでしょうか。実は、メロディカード特有の問題として、電圧をかけ過ぎるとメロディICとして動作してしまう（笑）という事情があるのです。電圧を1.4[V]以上にするとIC内の発振回路が起動し、ノイズだらけになってしまいます。
（これは、内部の発振器が動作を始めメロディが流れている状態です。つまりメロディカードとして正しく動いているのです。それをノイズだなんて、なんて失礼な！）
でも「メロディカードモジュールを小さな電圧で扱えばトランジスタになる」という重要な情報が得られました。負荷線も引けそうな立派な特性です。このグラフの傾き（微分係数）がトランジスタのhoeに相当します。細かく見ると、入力電流が低いところで負性抵抗気味なのが気になります。
他の特性も見てみましょう。これは、入力電流I1と出力電流I2の関係で、電流伝達特性と呼ばれるものです。
このグラフの傾き（微分係数）がトランジスタの電流増幅率hfeに相当します。トランジスタのようにきれいな直線にはなりませんし、入力電流10[μA]以上では出力電圧からの依存も大きくなります。逆に、入力電流10[μA]までの範囲で使うなら、直線的な関係とみなす事もできます。
ここで用いたメロディカードモジュールの場合、入力電流10[μA]以下での電流増幅率の平均は142でした。2SC1815でいうとYランクくらいです。
入力電圧V1と出力電流I2の関係を示しています。
入力電流I1と出力電圧V2を様々な組み合わせで変えて測定しましたが、この特性は同じ曲線に乗っています。 このグラフの傾き（微分係数）は伝達コンダクタンスgmに相当します。
出力電圧V2と入力電圧V1の関係で、電圧帰還特性と呼ばれるものです。
出力の電圧変化が入力電流I1に影響していないことがわかります。このグラフの傾き（微分係数）がトランジスタのhreに相当します。hre=0と仮定してよさそうな特性です。
以上の特性から、被測定物の特性はバイポーラトランジスタの特性に良く似た特性だと判断されます。入力端子と出力端子は、本来のメロディーを流す回路のマイナス電源端子とプラス電源端子にそれぞれ対応していますから、ここの電位差が大きくなるとメロディーICが本来の動作を始めます。逆に、そうならないような電圧をかければ、トランジスタと同じように使うことができそうだということがわかりました。
そこで、もう一度、前出のラジオとしての回路をご覧ください。ポイントは同調回路のつながる位置です。
トランジスタ相当で考えると、ベース・コレクタ間につながっています。その理由のひとつはコレクタ接地で使うからですが、ここは回路にバイアス電流を与える部分でもあります。それを担っているのはループアンテナで、ループアンテナを経由してベース電流が流れます。ベース抵抗を入れていませんから、コレクタとベースの直流電位は同電位です。トランジスタであればここは十分な逆方向電圧をかけておくべきところです。動作点を活性領域内におくためと、そうしないとベース・コレクタ間容量が大きくなって高周波特性にも影響が出るからです。
ですが、この回路ではメロディICが動き始めてしまうので、大きな電圧がかけられないのです。また、トランジスタ検波にするので入力電圧−出力電流特性が立ち上がる0.6[V]付近にバイアスすることになります。ここで、出力特性を見ると、出力電圧を0.6[V]にしても活性領域にあることがわかります。それなら、同電位にしちゃえ。回路も簡単になるし、と言うわけで先ほどのラジオの回路が出来上がったのです。
この代償として、メロディカードモジュール側を見るとやはりいくらか静電容量があるようで、同調周波数範囲が幾分下がることが確認されています。
次に、以上のような特性測定をもっと簡単に行うために、旧ＨＰの「家庭用ＴＶを用いたＶ−Ｉカーブトレーサ」を活用してみました。
注意点は、カーブトレーサが出す電圧はGNDに対して2.5[V]のオフセット電圧を持っている点です。従いまして、入力側に加える電圧は、2.5[V]を超えた分が実際の入力電圧ということになります。また、出力側に1.2[V]以上の電圧がかからないようにするため、ダイオードを2個直列にして、それを出力端子に並列につないで測定しています。これが無いとメロディーICが動作を開始し画面が乱れます。
これは出力特性を観測しているところで、入力電圧を変えるとこのように特性が変化します。
このＶ−Ｉカーブトレーサは、原理的にはIを与えてVを測っているので、正しくはＩ−Ｖカーブトレーサです。そのため上で説明した出力特性とは測定の方法が異なっており、負性抵抗があるような特性の場合は正しく観測できません。それでも、手軽に測れるのは大きなメリットです。実際の測定では、いろいろな端子の様々な組み合わせを検討しなければいけません。そんなときにはもってこいの道具と言えます。
説明が後になってしまいましたが、Ｖ−Ｉカーブトレーサ画面の読み方と軸のスケールは左の図のようになっています。（ひとつの升目ブロックが横1V縦1mAに対応、画面中心が原点）
ところで、このメロディーカードモジュールの特性のバラツキはどのくらいあるのでしょうか。14枚のメロディーカードに対して、出力電流1mAを与える入力電流のバラツキという形（hfeのバラツキに相当）で調べてみました。その結果によると、14枚中12枚が入力電流10µAであり、残り2枚は入力電流56µAとなってました。本来の回路動作とは関係ない部分の特性ですから、こんなものでしょう。むしろ揃っていると見るべきかもしれません。
以上を踏まえ、傘ラジオを作るとすると、必要な材料は次のようになります。
ビニール傘です。
これは今まで通り。
アルミテープです。
これも今まで通りですが、一部、メロディーカードモジュールの配線にも使います。
メロディーカード、プラスチック製の鉛筆キャップ、結束バンド15cm、ペットボトルのキャップです。
これも今まで通りですが、メロディーカードの活用率が上がります。イヤホンとトランジスタ検波回路の材料となります。
厚手のビニール袋、クラフトペーパー、洗濯ばさみです
これも今まで通りです。
ペーパークリップの小型のもの。
これは新規で、メロディーカードモジュールの配線に使います。このラジオでは２〜４個しか使いません。
ここでは、メロディーカードモジュールをトランジスタの代わりに用いて、トランジスタ検波の傘ラジオにする方法を説明します。 ただし、ループアンテナやバリコン、イヤホンなどの作り方は今までの方法と変わらないので、その部分は省きます。
この回路図は、前出の回路図を書き直したものです。
メロディーカードモジュール以外の主要パーツであるループアンテナ、バリコン、イヤホンはどれもアルミテープ製です。 見分けにくいので記号をつけました。
左図のクリーム色の領域は、メロディーカードの台紙上に作りました。
メロディーカードモジュール周辺の配線です。
ループアンテナに利用したアルミテープ（ダイソー）を利用して配線します。 アルミテープの片側は粘着剤が付いていますので、台紙に直接貼り付けて配線パターンを形成します。 電気的な接触があるところだけは、粘着面を内側に折り返して、両面アルミ箔むき出しの状態にします。
メロディーカードモジュールの部分の拡大写真です。
端子Hと端子Gは、リード線をそのまま使います。この長さを十分確保するため、プッシュスイッチの根元でリード線を切ります。 端子Eと端子Fはアルミテープで引き出します。
端子Eのアルミテープは、端子Fのアルミテープの下に剥離紙を隔ててもぐりこんでいて、プリント基板上の本来ボタン電池のマイナス側が接する端子に接しています。接している箇所のアルミテープは粘着面が内側になるよう折り返してあります。
その上に剥離紙があり端子Fのアルミテープがきますから、ボタン電池のマイナス端子は端子Fのアルミテープに接することになります。 端子Fのアルミテープは特に折り返す必要はありません。基板の反対側まで飛び出させて、粘着面でしっかり台紙に固定します。
端子Eのアルミテープは外側でも配線しますので、長く伸ばしておきます。台紙から飛び出させた部分は粘着面でべたべたしないよう、折り返しておきます。
端子Hはリード線になっていますが、鉛筆で作る抵抗との接続のため、一旦アルミテープに接続します。 このアルミテープの末端部はやはり両面がアルミ箔となるよう折り返していて、リード線の導体部分を挟み込んでいます。 また、この写真では見えないのですが、端子Hは外部と接続するので、アルミテープが台紙の反対側へも折り込んであります。 押さえつけは、他の配線が完了した後にペーパークリップで行います。
端子Fと端子Hの間に形成する抵抗は、このように鉛筆で作ります。
2B以上の濃い鉛筆を用意して、台紙の表面を傷めないよう気をつけながら濃く塗りこんでください。テスターがあればアルミテープを接触させて抵抗値が10〜100kΩとなるよう塗っていけばよいのですが、テスターがない場合は完成させてからカットアンドトライで調整します。抵抗を低くするには幅を太くし、高くするときは幅が狭くなるよう消しゴムで消してトリミングします。
尚、鉛筆を塗った箇所に接する部分のアルミテープも、両面アルミ箔となるよう折り返しが必要です。
以上の準備ができたら台紙を閉じて、ペーパークリップで挟みます。
クリーム色のペーパクリップは、端子Hのアルミテープとリード線の接続部分を押さえられる位置に留めています。 青のペーパークリップは鉛筆抵抗とアルミテープが接している箇所を覆うように留めています。
端子Gはリード線のまま、端子Eはアルミテープの形で出ています。端子Hはクリーム色のペーパクリップの部分でこの面とは反対側にアルミテープで貼り付けています。
傘ラジオへの取り付けです。
- ループアンテナの内側の線である端子Bを傘の軸（端子D）に洗濯ばさみで留め、その部分に端子Eを挟む。
- 端子Hのアルミテープ部分にイヤホンからのアルミテープ（端子J）を接触させ、ペーパクリップで留める。
- バリコンの端子Cのアルミテープの先に、端子Gのリード線を剥いて接触させ、洗濯ばさみで留める。
この端子Gの線を、つないだりつながなかったりすることで、電源のON／OFFの代わりになります。
全体の接続はこうなります。
上の接続の他、バリコンの端子Cのアルミテープに、ループアンテナの外側からの線である端子Aとイヤホンのもう一方の線である端子Iをつないで、洗濯ばさみで留めます。この例では洗濯ばさみをうまく利用して、接続しつつメロディーカードを保持しています。
これで完成です。 なお、接続は回路図を意識して正しく行なってください。そうしないと全く動作しませんので、その点だけはご注意ください。
ここでは、回路は同じですが、作り方の他の例を載せます。
上の製作例と同時期（2009年1月）に作ったもので、台紙がはがきサイズのタイプです。
台紙が大きい分、回路部分は作りやすいのですが、傘側の部品との配線はややごちゃごちゃしてしまいます。
台紙を閉じたところです。
全体はこのような感じになります。
これは、メロディカードモジュールにトランジスタのような特性があることを見つけた、2007年3月の試作機です。
ここに使われているアルミテープは、粘着剤付きのものではなく、アルミホイルを短冊状にしただけのものです。 鉛筆抵抗はクラフトペーパー上に作っています。
全体はこのような感じです。
これは持ち運んでデモンストレーションができるようにと、配線部分を電線にし、みのむしクリップを取り付け、抵抗はプリント基板上に実装したものです。（2007年5月）
安定性はありますが、日用品で作った感じには見えません。
イヤホンのリード線も電線に変更しています。
接続後の様子です。
見た目のインパクトには欠けますが、分解・組み立てがとても楽です
メロディーカードの一部にトランジスタがあるなら、他のものでもあるんじゃないか？ 誰でもそう思うのではないでしょうか。
ショットキーバリアダイオードをもぎ取られた１００円ショップのソーラー電卓もひょっとして？ と言うわけでやってみたら、これもあったのです。ただ、結論を言うと、良い結果は得られませんでした。
入力側の静電容量が大きいので、トランジスタ検波は無理でした。低周波増幅には使えましたが（左の写真）、増幅度はいまいちでした。確かに大きくなったな、とは認識できるのですが、メロディーカードほどの感動はありませんでした。（2007年5月）
全体の様子です。
お遊びで、メロディーカードモジュールと組み合わせました。
これはなかなか感度良好です。でも、その大半はメロディーカードモジュールの性能のようです。 太陽電池駆動のメロカ・トラ検・傘ラジオが基本で、電卓低周波増幅がほんのちょっと効いている、という感じです。
全体の様子はこんな感じで、しばらくこの状態のまま、見学会などで披露していました。
傘と電卓がラジオになっているように見えますので、見た目のインパクトはありますが、性能は作る苦労に見合っていないと思いました。
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