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

電子工作を楽しむために、発振はよく使います。
ここでは、トランジスタを使った簡単確実に発振する方法をいくつか見ていきます。

このHPは、低電力の直流をメインにした内容がメインで、危険なものは扱っていません。 光、音、振動などの動き(変化)をつけることは、楽しいですし、難しいものではないので、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しょう。

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ので、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。

書籍などに、色々な発振回路の記事がありますが、部品の詳細が書いてなかったり、回路を組んでも、うまく発信してくれないこともしばしばあります。 しかし、ここに記事にしているものは、私自身が、実際に回路を組んで動作することを確認しており、回路も簡単ですので、比較的に失敗は少ないと思います。

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)として、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。

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「低周波発振」についても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、実際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意外と多いものです。

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いし、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音を出してみましょう。

ブロッキング発振   

もっとも簡単な部類の発振の回路です。

もちろん、「音がなる」というだけのものですから、ちょっとした環境や温度などの条件で音程・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でしょう。

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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、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を色々やってみましょう。

最も簡単ブロッキング発振回路の例

これがその回路例です。 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

0.05μFは、0.047μFを使用しています。

抵抗やコンデンサは、あとで、いろいろ取り替えて、音の違いを見ることにします。

実体配線組立図

このブロッキング発振の「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)」が生じますので、それをコンデンサで特定の周波数に共鳴させるということを、この回路はやっている・・・という原理のようです。

その発振が、可聴範囲の周波数で、なおかつ、スピーカーが再生することができる周波数であれば、音が出てくる・・・というのがブロッキング発振の原理です。

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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、音がフラフラして安定していないのですが、これも結構、面白いので、さらにこれを、少しアレンジして楽しんでみましょう。

抵抗値を変えてみる

ここでは、回路の33kΩを変えるてみましょう。 これによって、コンデンサに充電する時間が変化して、共振周波数が変わります。

ここでは、抵抗値を変えた場合の紹介はしませんが、抵抗値を変えると、少しですが、音が変わるのがわかります。

この33kΩは、トランジスタ2SC1815のベース電流の制限用の抵抗でした。 この数値にした過程は前のページ(こちら)にありますので、参考にしてください。

抵抗値を大きく変えると、2SC1815のベース電流値が変わるので、まず、10~50kΩ程度にして、音が変わるかどうかを試してください。

この回路は、トランスのコイルに流れる電流が不安定になるのを利用しているのですが、コイルは、予期しない変化を生む場合があるので、音が変わればいいですが、変な発振になるようなら、次の、コンデンサを変えることで音を変えるといいでしょう。

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ので、いろいろ試してみてください。

 →【オススメ】Amazonにいろいろな安価な抵抗器のセットが販売されています。1つあると、結構便利です。

ここでは2SC1815を使っていますが、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に使えますので、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。

 →【さらに】色々なセットがあれば、結構いろいろなことに使えます。どんなもののがあるのか、Amazonのページを見ているだけで楽しいですよ。

 

発振の正体

この回路では、コイル(ここではトランス)によって高い電圧を発生しているはずです。オシロスコープでみてみました。

発振状態

a-a、a-b は、上の組立図に示した位置です。

このVppは、波形の最高最低の電圧差で、このときにトランスの2次側のc-cの電圧は、4.6Vでしたから、トランスによって、電源電圧の約10倍もの電圧になっています。

このように、変な形の波ですが、記事の後のほうで、この音を録音したものを聞いていただくとわかるのですが、聞いていて不快になるような変な音ではありません。

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これを利用して何かを作る

ブロッキング発振回路は、簡単な回路で、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に不安定で、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、考え方によっては面白いものでしょう。

抵抗変化で音の変化を楽しむ

これを利用して、例えば、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。

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、その金属板に水がくると音がでて、水量が増えて、触れる面積が増えると、抵抗値が減っていくので、若干電流が変化して流れて音が変わっていくでしょう。

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この発振では、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。 フラフラした音になるのが欠点でもあり、面白さもあるので、何かをやってみるといいでしょう。

コイルは高電圧とノイズを発生するので注意しましょう

トランスのコイルがあることで、電流電圧が断続すると、高い電圧が発生します。

上で測定したように、5Vの電源が、10倍の50Vになっていますから、手を触れると感電します。 電流が少ないので、危険はありませんが、端子やコイルに触らないようにしましょう。

回路中にコイルがあると、このことを常に意識しておくぐらいでいいかもしれません。

蛍光灯は、グローランプの断続を利用して、コイルを使って高電圧を発生させて点灯させていますし、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、微小電流の50Vでは、ほとんどショックはないものの、汗をかいていると、ビリビリと感じます。

ここで、電気を扱う人であれば、感電についての知識を持っておくのがいいでしょう。

42Vは、死にボルト」という語呂合わせがあります。 42V以上で死ぬ・・・という語呂合わせですが、一般に、50Vで20mAの電流が体内の流れると、死亡する可能性がある・・・とされています。

人間の身体の抵抗値は、テスターの端子を握ると100kΩ以上あるのですが、文献などによると、身体の抵抗値は5.5kΩ・・・という数字があります。

50Vの電圧が発生していたので、身体の抵抗が5.5kΩであれば、オームの法則で電流値を計算すると、50/5500≒0.009A つまり、9mAなりますし、100kΩであれば、1mA以下なので、感電死の危険はほとんどないのですが、ビリビリするでしょう。

コイルがあると、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、注意しているに越したことはありません。

また、どんな発振でも、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、そのこともあわせて頭に入れておいてください。

パッシブブザーに変えると違う音に

ここではマグネチックスピーカ(普通のスピーカ)を利用しましたが、スピーカが取り扱いにくいようであれば、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

電源の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1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。この周波数測定は、オシロスコープを使って実測しました。

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。

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さらに違った感じの音にしたい場合は・・・

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

点線の部分の部品追加したりして、アレンジしています。 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、コンデンサに音を蓄える時間ができて、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。 リンクをクリックすると、音が出ます。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

変更する場合は、0.1μFを0.05~0.3μFに、220μFを100~1000μF 程度で変えてみてください。

このコンデンサ容量を変更するときにも、値を大きく変えてしまうと、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。

*****

内容は以上です。 WEBの記事を見ると、ブロッキング発振回路によって、電圧を高めることができことを利用して、3Vの順電圧のLEDを1.5V乾電池1つで点灯する記事や、発振によって、蛍光灯やネオン管を点灯させるというように、コイルの昇圧を応用した記事や、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」だと考えておけば、発振しなくてもそんなに気になりません。

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るだけでも、知らぬまに外部に影響を及ぼしている可能性があるということもアタマに入れておいてください。

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、常に安全性を意識して、危険でない、他の人に迷惑をかけない配慮をしながら電子工作を楽しんでください。

次のページ: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R6.1月に確認
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