楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

音楽を奏でるIC部品を使ってみましょう

ここではメロディーICとよばれるもののうち、「UM66T」と「SM6201」「UM3485」という3つのICを紹介します。

これらは、電子音の音楽を内蔵しているICで、少ない外付けの部品を取り付けることで音楽を奏でることができます。


内蔵されている音楽や音は聞き覚えがある、しばしば耳にしますので、これらのICはいろいろな場面で使われているもののようです。 順に説明していきます。

メロディーIC 「UM66T」

このICは、2SC1815バイポーラトランジスタのような外観です。

メロディーICと結線図

これを使って、圧電スピーカーから音を出すようにすると、外付けの部品がなくても結構聞こえる音量で音楽を奏でてくれます。

グリーティングカードを開くと「ハッピーバースデー」のメロディーが流れるものをよく見かけますが、まさにそれで、コンパクトにまとめることができる使い方にはぴったりです。

ここで紹介するのは、UST社の「UM66T」シリーズで、5曲組(ICは5個)の部品として秋月電子さんなどでも販売されており、ICの1つの価格が30円程度という安価なものです。(各曲ごとに別個に販売されているようです)

ここでは、データシートに掲載された回路で発音する様子を見て、なにかに応用できるかどうか・・・などを見ていきましょう。


基本回路はデータシートを参照します

  

特に気をつかうところもなさそうな回路で使用できます。データシートの回路図に沿って動作状況を見てみます。

データシートには下図のように、「Buzzerブザー」と「Speakerスピーカー」の回路が示されています。

データシートにある回路図(データシートの回路図)

ここでは圧電スピーカー2種と小さな8Ωのダイナミックスピーカで音の出方を見てみます。

振動スピーカとダイナミックスピーカ

圧電スピーカー(圧電サウンダー)はいずれも一つ50円程度ですし、右のインピーダンスが8Ωのダイナミックスピーカも100円程度の安価なもので、サイズも様々なものが販売されています。

圧電スピーカーで音を出すと・・・


圧電スピーカ用回路図

この回路図でブレッドボードに回路を組みました。 これはデータシートにある非常にシンプルな回路をそのまま使っています。 

振動スピーカ回路をブレッドボードに組む

電池仕様を意図しているようで、1.5~4.5Vの電源電圧であることに注意します。

ここでは、電圧を変えた時の様子を見るために、可変の定電圧電源を用いていますが、今までこのHPで常用しているUSB充電器を改良した5Vの電源では、仕様の上限の4.5Vを超えますので、電圧を下げないと、そのままでは使用できません。 

もしも、5Vの電源を使うとすると、抵抗を利用して、分圧して取り出す方法を覚えておくと便利です。

電源電圧が高い場合の対処法

データシートには、メロディーICに流れる電流Icは 60μA以下 となっていますので、「R1+R2」は オームの法則でR=E/Iから 5/0.00006≒83kΩ 以上にすればいいことがわかります。

5Vから4Vの電圧wp取り出そうとする場合は、わかりやすいように R1+R2を100kΩとして、R1で1V、R2で4Vの電圧降下になるようにします。

そうすると、1/5と4/5で、20kΩと80kΩにすればいいことになります。

もちろん、きっちりの値の抵抗器は市販されていません。 そのため、その対策としては、流れる電流も少ないので、R2に100kΩの可変抵抗(半固定抵抗)を使って 4V になるように電圧を測って調整するのが実用的かもしれません。(もしも電流が大きいと熱が発生するので、別の方法を考えないといけませんが・・・)


さて、この回路をブレッドボードに組んでみましょう。

シンプルな回路ですが、SWを押している間だけ音楽が流れます。

20mm振動スピーカでは5m程度離れても聞こえる程度の音ですが、13mmの振動スピーカにすると、1m程度離れると聞こえにくくなる程度の小さな音しか出ません。

つまり、大きい音がほしいのなら、よく鳴る振動スピーカを選べばいいですし、グリーティングカードから音が流れる場合は薄くてコンパクトな振動サウンダーを用いるといいでしょう。

1mm以下の厚さで、外装のないサウンダーも市販されていますので、用途を考えて組み込むといいでしょう。

出力の波形を見ると、次のように方形波が出力されており、その周期(周波数)を変えることで音程とタイミング(スピード)を取っているようです。

ICから出る波形

写真は、「エリーゼのために」の1フレーズの最終音の波形ですが、約800Hzの聞きやすい周波数の音になっています。

次に、供給する電圧を変えてみます

仕様にある1.5-4.5Vですが、乾電池2個やボタン電池3Vを使うことを想定して設計されているようです。

電圧を変えてみると、電圧の高いほうが音程やピッチが安定するようです。

2V以下になると、少し音量が低下し、音が低音側に移動し、さらに、音の速度が低下しだします。

そして、1V程度までは音が小さくなっていって、それ以下では音が出ません。3V以上の高めの電圧で使うようにするのが良さそうです。

音を大きくしたいならスピーカーを使います

大きい直径の振動スピーカーでも実用になりますが、スピーカーを使えば、もっと大きな音が出ます。

スピーカを動かすためには電力増幅をするといいでしょう。

データシートの回路では見慣れないトランジスタが使われていますが、特にこだわることはありません。

トランジスタ特性比較

この表の数値は、正確ではありませんが、このように、NPNのバイポーラトランジスタであれば、基本的な小電力増幅では、ほとんど、何を用いても大差ないと考えて、ここでは、おなじみの2SC1815を使って、下のような回路にしました。

ダイナミックスピーカ用の回路

これで音をだしてみると結構大きな音で、洋間4畳のドアを締めた外側でも音が聞こえるくらいの音が出ています。

玄関ドアーを開けると音がなる用途でも充分な音量です。

逆に、音が大きいようなら次のように、可変抵抗を入れて音の大きさを調整するといいでしょう。

可変抵抗を追加

振動スピーカの場合と同様で、スピーカーの場合でも、音を聞いて良し悪しをみると、電圧は高い4-4.5Vのほうが安定していい感じに聞こえます。

ちなみに、スピーカを鳴らした時の出力波形は、下のように、かなりノイズのようなものが混ざっています。 そして、その時のスピーカに流れる電流は24mA程度でした。

ICから出るオシロ波形

この原因については確かめていませんが、もちろん、この波形の音楽の状態を耳で聞いていても、特に不快感はありません。 

しかし、何しろ、この音の音楽自体はよく耳にする「電子音」です。 聞くとすぐに『これだ・・・』とわかる音ですので、決して「心地よい」音楽とは言えませんが、これは、このようなものだと割り切らなければならないでしょう。

何よりも、安価でできる回路ですので、一度、作って、そして音を聞いてみてください。 聞いてみると、いろいろなところで使われていることに驚くはずです。

ハッピーバースデイ、エリーゼのために・・・など5曲のICがあるのですが、この2曲の他の3曲のICは、音程や旋律の仕上がり良くなく「イマイチ」の仕上がりに聞こえます。

もちろん、これはあくまで個人的な見方ですので、5曲セットを購入しても安価ですので、ぜひ自分で聞いて確かめてみてください。

次に、オルゴールIC「SM6201」を紹介します。

オルゴールIC SM6201-02

このICは、秋月電子さんのHPを見ていて、過去に何気なく買っていたもので、製造元の三合微科さんでは6種類のものを製造しており、私が購入したのは、SM6201-02です。

6種類の曲のICが販売

秋月電子さんのリンクからデータシートをダウンロードすると、2つの回路図が掲載されており、その簡単な方の回路図は次のものでした。 

電源電圧は2.4-5V となっています。

メーカー推奨の回路図データシートの推奨回路図

しかし、よくわからない部分があったので、次の回路に変えてブレッドボードに組みましたので、この回路図で説明します。

今回制作した回路図

ここではたまたま、電力増幅用トランジスタ S8050 が手元にあったので同型番を使いましたが、これは、上に示したように、電力も小さいですので、NPNの電力増幅用であれば2SA1815などの適当なものにして、その他をこのとおりにしても問題ないありません。

ピン1とピン11はフリーにして、何もつなぎません。 この、ピン1のM0は、なんの動作をさせるものかがわかりませんでしたので使いませんでした。 

簡単に動作などを説明します

B01~B03は各曲を1回だけ演奏して停止します。 B00は、各曲を順番に1曲だけ演奏して停止します。 

SWをONにすると、3曲が順番に、そしてエンドレスに演奏されます。

LED0は電源を入れると点灯します。 LED1は、曲が演奏されるのに合わせて点滅します。

曲調は12ピン・13ピンの抵抗で変えることができます。 ここでは470kΩと書いていますが、抵抗値を大きくすると、曲のスピードが遅くなります。

なお、推奨の回路図では音が大きすぎたので、私の書いた回路図では、10kΩの半固定抵抗を入れて、音を小さくできるようにしています。

ブレッドボードに組んでみました

ブレッドボードに組んでみると、こんな感じです。

私の作業のやり方は、ICソケットを使わないで、ブレッドボードにICのさす位置に印をつけておいて、回りの配線をすませてから印をつけた部分に直接にICを挿すようにしています。 ICソケットの足も長くないので、このように、ICを直接挿すほうが作業しやすいのですが、ICに触れる場合の静電気除去を徹底しないと、MOS-ICは静電気破壊しやすいので、この点には十分注意してください。

次にこれを、試しに、ユニバーサル基板に組んで見たのですが、ブレッドボードと違って、裏向きの配線になるので、これが結構わかりにくく、さらに、思っていたよりも配線が入り組んでしまいました。 

これはまたこれで面白いのですが、こういうことをやってみると、ブレッドボードは上手く考えられているものだと感心します。

なお、ここでは、連続演奏のための「SW」はつけていません。

ユニバーサル基板に組んでみました

上面の部品配置 裏面の配線状態

これを組み立ててから音を出してみたのですが、上で見た UM-66T と同様に、単調な電子音ですので、あまり心地よい音とは言えません。

しかし、「しばしば耳にする音」ですので、聞くと、親しみは感じます。 

もちろん、音楽性もありませんが、「こんな程度のもの」ですが、何かのタイミングで音を出すサプライズなどのようなことに使えそうですね。

これに圧電スピーカを使おうとすれば、(これはやっていないのですが)このままでは電力が大きすぎる感じです。 そのために、S8050を使わないように回路変更するか、(これは、上のUM66Tのように、200Ω程度の抵抗を並列にして、直結すればいいはずです) あるいは、抵抗などで電圧電流をバイパスしてやる必要があるかもしれませんので、時間のある方は試してください。

ここでは、さらに、もう一つのミュージックIC「UM3485」を紹介します。

5曲入りのミュージックIC「UM3485」

このICはBowin Microelectronicsというところが製造しているICで、UM3481(8曲入り)、UM3482(12曲入り)の姉妹品があり、このUM3485は最も安価な5曲入りの16ピンのICです。(他の型番も形状や使い方は同じです)

UM3485の外観 UM3485の収録曲例

このICは、1.5V仕様で、乾電池1個で使えるように考えられている感じです。

データシートは英語で書かれていますので、私が作業しやすいような日本語にしてみました。

UM3481のデータシートの日本語訳例

適当な和訳ですので、英文も参照してください。

データシートにはピンのつなぎ方を変えると曲の順序が変わるような内容が書かれていますが、掲載の回路図には、①5曲が連続的に演奏され、スイッチを押すと曲が変わって演奏を開始する ②スイッチを押すと、1曲演奏されて止まる・・・という内容や、比較的部品数の少ない回路図が紹介されていますので、これに沿って音や状態をみてみましょう。

これを一部アレンジして音を確認しました

データシートには「A13と8550」というトランジスタを使った図になっており、75kΩや180kΩという特殊な数値の抵抗値が書かれていますが、ここでは、トランジスタは常時使っているNPNの2AC1815とPNPの2SA1015を使い、抵抗器は半固定抵抗を使ってあらかじめ指定の抵抗値に設定して使っています。

今回確かめる回路図は、①連続で曲が演奏され、SW(スイッチ)を押すと別の曲に変わる回路 と ②1曲ずつ演奏して止まる回路・・・というものです。

図中の75kΩは100kΩの、180kΩには500kΩの半固定抵抗を使ってあらかじめ75kと180kに調整しておきました。

①連続演奏し、スイッチを押すと曲が変わって連続演奏する

UM3485を使った回路例【①回路】

ブレッドボードの組付け例

圧電サウンダーを8Ωスピーカーに変えた場合

スピーカを使った組付け例

この回路では、電源電圧1.5Vを加えると、すぐに曲が始まります。

最初の曲が繰り返し演奏されて、SWを押すと次の曲が連続して演奏されます。

電源電圧や抵抗値などを変えるとどうなるかをみてみました

電源電圧を3Vまで徐々に上げると、曲のスピードが若干早くなり、音の大きさも若干大きくなります。 

逆に電圧を低くすると、0.8V程度まで曲が流れますが、1V以下になると、不明瞭な曲で変な音になってしまいます。 やはり1.5-2V程度が良さそうです。(乾電池1本の仕様を考えているのでしょう)

75kΩの抵抗値を上げると曲のスピードが遅くなります。このことから、75kΩにこだわらなくてもいいようです。

また、180kΩや2.2μFについても変えてみましたが、特に音が変わることもありませんでした。

②1曲ずつ演奏して止まる回路

UM3485の1曲演奏用の回路例【②回路】

PNPトランジスタなので、2SA1015を使っています。 そして、これについても、スピーカと圧電サウンダーについてブレッドボードに回路を組みました。

2SA1015を使った組付け例

写真は圧電サウンダーを使った場合のものですが、これは音が小さくてあまり感心しません。

100mHを抵抗に変えたり電源電圧などを変えてみたのですが、改善しません。(これについては、2つのトランジスタを1つにしたほうがいいような感じがしますが、詳しくは検討していません)

ただ、この回路のままでサウンダーを8Ωスピーカーにした場合は、上の①の回路よりも音が大きくて、さらに音質も優れています。

一番音のいい状態は、8Ωスピーカで電源電圧を2Vにしたときでした。

この時、全体の消費電流は約50mA程度です。(1.5Vの場合は35mA程度)

これらの使い方を考えると・・・

乾電池やボタン電池3Vで作動できるので、引き出しやドアを開けた時の注意喚起音などに使えそうです。

機械的なドア用のリミットスイッチを使ったり、磁気を利用したセンサーなどを組み合わせると、非接触で曲のON-OFFもできそうですね。

リミットスイッチの例 WEBより

たとえば、こちらで紹介した磁石のN-S極で切り替わる「ホール素子」やこちらで紹介した「リードスイッチ」などを使って、非接触でドアの開閉で音楽が鳴り出すようにするのも面白いかもしれません。

また、転倒スイッチ(傾けるとスイッチが入る)や振動スイッチ(振動させるとスイッチが入る)などを使うと、組み込んだ品物を動かすとスイッチが入って曲が鳴るなども面白いと思います。

さて、どれがいいかと聞かれると・・・?

ここでは3種類のメロディーICを紹介しました。

このうちで、「どれがいいのか」といえば、私は、圧電スピーカを使う、取り付け部品なしで使えるUM66T がおすすめです。

さらに薄く仕上げるには、厚さが1mm以下の、パッケージのない圧電スピーカを用いると、さらに薄い製品に回路を仕込むことができますし、いろいろと工夫すると、かなりコンパクトにできます。

3種類の音については、極端に言えば、全てが「音楽性のない音」ですので、音質を求めるのも無理ですから、アイデアを巡らせて何か面白い仕掛けを考えないといけませんね。

以上、簡単にメロディーICを紹介させていただきましたが、往々にして、回路図やデータシート通りに作っても思ったように上手く行かないものもあるので、ともかく何でも、自分で回路作って動かしてみてください。 自分で動かしてみると、なにかに応用するイメージも出やすいと思います。

何らかのヒントにしていただければ幸いです。

→次のページは、サーミスタと温度センサICを紹介します

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