楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

発振を利用してBEEP音を出してみよう

トランジスタの発振を使うと様々なことに使えそうです。

このHPでは、低電力の直流をメインにした内容がメインで、電子工作では、光、音、振動などの動き(変化)はも重要ですので、このページでは、発振を利用して、スピーカーから音を出してみます。

発振の方法は色々あります。 ここでは最も簡単な「ブロッキング発振」という方法を利用します。 また、こちらの次のページでは、マルチバイブレータと呼ばれる発振でLEDを点滅させる内容を、さらに、こちらのページでは、その他の発振のいくつかの方法を紹介しています。この記事のあとにお読みいただくと、使えそうなのが見つかるかもしれません。

実は、私自身、色々な発振回路の記事に沿って回路を組んで見るのですが、うまく発信してくれないことが多いのです。 しかし、ここに記事にしているものは、実際に回路を組んで確認していますので、比較的に失敗は少ないと思います。

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さて、音が聞こえる・・・というのは、人間の耳で空気の振動を感じることですが、電気的な信号を音にして出すアイテム(部品)にはブザーやスピーカーがあります。

そのブザーやスピーカーは電気的な振幅を振動板(コーンなど)を振動させて音として放出するのですが、その振幅を与える電気的な方法の一つに「低周波発振」があります。


「低周波発振」についてはいろいろな方法があり、WEBにもいろいろ紹介されています。 このHP記事でも、マルチバイブレータ、PUTを用いた発振、弛張発振、水晶発振子による発振などを紹介しています。 

もちろんこれらの回路はいろいろなところに利用され、改良もされているようなのですが、じっさいに回路を組もうとすると、細かい部品の値(**kΩ・**μFなど)が書かれていないものも多いですし、詳しい値が書いてあっても、ブレッドボードで空中配線などをすると、うまく発振してくれないものも多々あります。

回路を組んで思ったとおりに動かないとなると楽しさも激減しますので、まず最初は、比較的失敗の少なそうなものを選んで、ブレッドボードで回路を作って、「発振している」ということを体感していきましょう。

もちろん、私自身が電子の専門家でなし、発振の現象や仕組みを充分に理解していませんが、回路を組んで確かめていますので、ここでは、難しいことは考えないで、ともかく発振させてみましょう。

ブロッキング発振   

ここでは、もっとも簡単な部類の発振回路を見てみます。

もちろん、「音がなる」というだけのものですので、ちょっとした環境や条件で音程・音質が変わる・・・という欠点もあります。

いわゆる、「高品位で安定した発振」というものではないのですが、簡単に回路を組めるのが魅力ですし、回路中のパーツ(抵抗値やコンデンサ容量)を変えると簡単に音が変わるので、結構、アレンジして楽しむことができるとおもいます。

これに味をしめれば、もっと高級な発振回路に挑戦してみるのも楽しいでしょう。

さて、その「人間の耳で聞こえる音」 ですが、人間の声は、およそ100~1300Hz程度の周波数で、女の人のキャーという叫び声が4000Hz程度と言われています。 つまり、そのあたりの周波数の音が最も認識しやすい「聞こえやすい音」・・・ということですね。

また、楽器の基音は(例えば広帯域のピアノで)100~4000Hzといいますし、人間は20-20000Hzの音が聞こえるといいますが、私は、年齢とともに高音が聞こえなくなっており、11000Hzまでしか聞こえません。

ここでは特殊な音ではなく、聞こえやすそうな 1000Hz程度の周波数の音をスピーカーから出すことで色々やってみましょう。

最も簡単ブロッキング発振回路

これがその回路です。トランスの1次側に「中点タップ」のあるものを用います。

ブロッキング回路例

抵抗やコンデンサは適当な値でも構いません。 あとの方でいろいろ値を変えて試していますので、ともかく、いろいろ試してみましょう。

実体配線

ここで、このブロッキング発振について簡単に紹介します。

「ブロッキング」は「阻止する・ブロックする」という意味で、この回路においては、電流を阻止すること・・・ですが、その主役を演じるのがトランス(コイル)です。

トランスに巻いてあるコイルは、電流を流そうとすると「流さないように抵抗」し、電流が途切れると、途絶えた電流を補うように「逆起電力を発生」して、電流を流そうとするという性質があります。

そのために、回路中にコイルがあると、少しの電流変動があれば、定電流ではなくなって、「電流の波(電流の変化)」が生じます。

そのために、実際には、コイルが回路中にあるだけで、電流をON-OFFや制限が加わって、電流の大きさの波になります。 つまり、何らかの「発振(電流の変化)」を生じます。

その波の周波数を固定するために、共鳴(共振)させるためのコンデンサを入れてやると、コンデンサに共振する周波数が出来て、それが可聴範囲の周波数であればスピーカーから音が出ます。



ともかく音が出れば、第1段階はクリアです。

発生する周波数をかえてみよう 

音を出すとわかるのですが、この共振状態(発振)はちょっとした電気的な変化や環境変化で変わりやすく、あまり安定していないのですが、これも結構、面白いのですが、少しアレンジしてみましょう。

抵抗値を変える

ここでは、回路の33kΩを変えると、コンデンサに充電する電力によっても共振周波数が変わります。

しかし、トランジスタ2SC1815のベース電流の制限もあるので、ここでは、抵抗値は固定して考えますが、なぜ33kΩにしているのかは、前のページ(こちら)を参考にしてください。

ただ、この抵抗値を変える場合は、2SC1815のベース電流の最大値をデータシートで確認して、その範囲内で抵抗値を変えると周波数を変えることができるはずですが、「コイル」というのは曲者で、変な電圧・電流が発生する恐れがありますので、10-50kΩ程度で試していただくのが無難かもしれません。

少しですが、音が変わるのがわかります。

コンデンサ容量を変える

次に音を変える方法として、この回路にあるコンデンサを0.01~0.1μF程度に取り替えて試してみてください。

あまり大きく変えてしまうと、音が出なくなったりしますが、いろいろ試してみてください。

さらに、2SC1815については、それに限らず、同様の低周波増幅用のバイポーラNPNトランジスタであれば同様ですので、手持ちのものがあれば、どうなるのかを見てみるのもいいでしょう。

低周波増幅用では、ほとんど同じように使えるはずですが、およその仕様はこちらを参考にしてください。 

発振の正体

この回路では、コイル(ここではトランス)によって高い電圧が発生している可能性があります。

発振状態

このVppは、波の最高最低の電圧差で、電源が5Vに対して約10倍もの電圧になっています。 ちなみに、このときにトランスの2次側のc-cの電圧は、4.6Vでした。

変な形の波ですが、記事の後のほうで音の録音を紹介しているように、聞いていて不快になるような、変な音ではありませんね。


これを利用して何かを作る

簡単な回路ですが、抵抗やコンデンサなど、少しの部品を変えると音が変わりますし、スイッチを押している間にも音が変わっているくらいなので、いたって簡易的な発振回路といえます。

逆にいうと、簡単に音が変わるのも考え方ではいいことかもしれません。

水の触れ方などの抵抗変化で音の変化を楽しむ

これを利用して、例えば、お風呂や雨水タンクの水のたまり具合によって「抵抗値の変化」で音が変わる仕組みなども作れそうですね。

水の抵抗は数10kΩですので、回路の33kΩのところを「金属板2枚」を近接して置き、お風呂の水を入れるときに、その金属板に水が来て、触れる面積が変わると若干電流が変化して流れるはずです。

そうすれば「水の量が増えるとともに音が変わる」という面白いものができるでしょう。


その他では、電子楽器のようなものもできそうですね。

この発振は、容量変化で音が変わるので、これを利用して面白い楽器やおもちゃを作ることができる可能性も考えられます。ただ、フラフラした音になるのが欠点ですが、何かやってみると面白いでしょう。

問題点も意識しておきましょう

瞬間的には、トランスのコイルがあることで、高い電圧が発生します。

ここでは紹介しませんが、蛍光灯の点灯やスタンガンなどはコイルを利用して高電圧を発生させているのですが、数十ボルトでも、汗がある状態で触ると、ビリビリくるかも知れません。

電流が少ないので危険ではないのですが、高い電圧が発生していることを知っておいて、通電したまま端子などを触るときは、注意するに越したことはありません。

また、この発振は、回路内部で高電圧やノイズの発生源になっていますので、回りの機器にノイズが出てしまうことも考えられますので、そのことも頭に入れておいてください。

パッシブブザーに変えてみました

ここではスピーカを利用しましたが、取り扱いにくそうであれば、この写真のように、小さなパッシブブザーでも同様に使えます。

パッシブブザーを使って

次に、電源電圧を変えたときの様子をみてみました。

このHPは、5V電源を使うのを基本にしていますが、可変の定電圧装置を使って、加える電圧を変えて見たところ、電圧変化でも音が変わることがわかります。

電源電圧V およその発振周波数Hz 
 2  1170
 3  1270 
 4  1530
 5  2230
 6  2730


これは実測値の例ですが、このように、電圧を変えると、周波数が変化します。この測定は、オシロスコープを使いました。

このように、本などにある回路を組んで音を出すだけではなく、発振回路に深く踏み込むと、いろんな現象に出会えますので、「音が出るのを楽しむ」ためというだけでもいいので、色々アレンジしていくと、結構楽しむことができるでしょう。


少し違った感じの音にしたい

次に、さらに、ちょっと違う感じの音にしたい・・・と考えましたので、ちょっとアレンジしました。

前の回路と少し違いますが、発振のさせかたはよく似ています。

回路の変更

変更後の実体

よく似た回路ですが、これらの抵抗やコンデンサは一つの例ですので、これをもとにアレンジしていただくといいでしょう。

点線の回路を追加すると、音が断続するようになります。

これをちょっと録音してみましたので、聴き比べてください。(mp3で録音しています。最初にPCのボリュームを絞っておいてくださいね)

点線部分のないBEEP音

点線部分を追加したときのBIRD音

0.1μFを0.05~0.3μF、220μFを100~1000μFに変えてみてください。

このコンデンサ容量の変更でも、値を大きく変え過ぎると、音が出ないなども起こりますが、いろいろやってみると結構楽しめます。

*****

説明は以上ですが、先にも書きましたが、他の人のWEBの記事を見ると、ブロッキング発振回路によって、3Vの順電圧のLEDを1.5V乾電池1つで点灯する記事や、蛍光灯やネオン管を点灯させるコイルが応用された記事や、コイルを用いた発振回路もたくさん紹介されています。 


このあとのページでもいろいろな発振回路を紹介していますし、発振は電子回路の基本ですので、いろいろな回路が書籍などに紹介されています。

しかし、本に書いてある高級な発振回路を組んでみても、うまく安定した発振ができない場合が非常に多いことは私自身よく経験しますので、「発振はそんな気まぐれなもの」だと考えておく程度が精神的にも負担にならないでしょう。

また、文中で、高圧の危険性やノイズの影響について書きましたが、電子工作を楽しんでいても、知らぬまに外部に影響を及ぼしている可能性もあるということもアタマに入れておいてください。

もちろん、ここで取り上げる内容は回路を組んで確認していますので直接に端子に触っても危険なことはありませんが、安全に対する知識はもっておいて、危険や迷惑をかけない電子工作を楽しんでいくことを心がけておきましょう。

マルチバイブレータでLEDを点滅させる

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(来歴)R2.3記事作成   R2.8様式2カラムに  最終R3.10に見直し
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