楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

回路を組み立ててみて、自分流の楽しみ方をしてみよう

このHPの多くの記事もそうですが、簡単な回路や動作確認のために、ブレッドボードを使って配線して説明しているものが多いようです。 

それに対して、雑誌などに紹介されている回路は、パターン化した基板に組み付けるような記事が多いですから、かなり本格的になってしまいますね。

そして、書籍などでは、回路図が書かれているものの、細かい抵抗値などが記載されていない場合も結構あって、電子工作初心者には不親切だなぁ・・・と思うことがしばしばあります。

本やHPなどに書かれている回路を、実際に装置などに組み込んで利用しようとすると、まず、ブレッドボードで動作確認をして、それをユニバーサル基板を使って組み付けるのが一般的です。

そして、詳しい作り方が書いてなければ、自分で、ユニバーサル基板の配置について、基盤の裏で配線が交錯しないようにしたり、配線経路が短くなるように、部品の配置位置を工夫しながら進めることになるのですが、自分で考えながら手探りでやっていくことも多いので、当然、いろいろな問題などがでてきて、結構難しいことに気づきます。

もちろん、プロではないのですから、初めから完璧なものを作れるはずもありませんので、何回も作り直す場合もでてくるかもしれませんが、このように、「自分で色々と考えて試行錯誤すること」も電子工作の楽しみだということを知っていただくために、ここでは一例として、ユニバーサル基板を使って、はんだ付けをして回路を組み付けていただくことを想定して、試しに、簡単な発振回路を作っていく過程を文章にしてみました。

もちろん、内容もオリジナルでないアレンジしたものですし、私の仕上がり状態も、決してきれいなものではありませんが、自分で考えたり工夫する過程を一緒に楽しんでいただけたらと思います。

ここでは、部品数が少なくて、入手しやすく、色々と発展していける回路例で、マルチバイブレーターの発振音を色々変えて聞いてみることをやっていきます。

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マルチバイブレータとは

下の図は、こちらのページで紹介したマルチバイブレーター回路の例です。

マルチバイブレータは、トランジスタ2つを「たすき掛け」に接続するような回路で、C1・C2の容量を変えれば、点滅の周期を変えたり、発振音の周波数が変わります。

詳細は前の記事を見ていただくとして、ともかく、上左図では、R1・R2を33kΩにして、C1・C2を10μFの電解コンデンサにすると、2つのLEDが交互に点灯しましたし、上右図のように、コンデンサの値をPF(ピコファラッド)まで小さくすると、スピーカーから音がでました。

ここでは、右側の回路をさらにアレンジして、LEDを使わない回路で、CやRを変えるとどうなるかを試せる回路を基板に組み付けるまでをやってみようと思います。

このような発振器を基板に組んだものを1つ作って、自分用に持っていると、簡易的な低周波発振器として利用できますし、LEDを点滅させて遊ぶことが出来ますから、さらに色々と発展的に改造して遊ぶこともできて楽しいものですので、一緒に「考えて、さらに手を動かす教材」になってくれることを期待して、これを作っていきましょう。

今回作ろうとしている回路はこのようなものです

図1

これについて簡単に説明します。

電源は、このHPでよく使っている 5V の定電圧電源です。 そして、トランジスタTr1とTr2は、このHPで常用している2SC1815 を使います。

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進める手順は、まず、これらの部品の詳細を決めて、それをブレッドボードに組み、うまく動くのを確認して、ユニバーサル基板に組んでみようと思います。

部品の詳細を決める

この、R2とR3 は、コレクタ電流を制御するためのベース電流の大きさを決める抵抗でしたから、その値は、こちらのページ で計算した抵抗値(33kΩ)を使うことで問題ないはずです。(これも、20kΩ~50kΩであっても、とくに問題はなかったということですね)

次に、2SC1815 の最大コレクタ電流は150mAですので、それ以下になるように R1とR4 を決めればいいですから、手持ちの抵抗器に47Ωがあったので、それを使うとすると、スピーカ側の Tr1 に流れる電流は、(概算ですが) I=E/Rから、5/(47+8)≒90mA となります。 音が大きすぎるようであれば、抵抗を大きな値にすれば音が小さくなるはずです。

47Ωではなくて、100Ωの抵抗器を使うと、5/(100+8)≒46mAで音が小さくなりそうですし、22Ωの抵抗器であれば、5/(22+8)≒167mAとなって、コレクタ電流が流れすぎるかもしれませんので、22Ωはダメ・・・という予測ができます。

さらに、5V・90mAが流れるのですから、5x0.09≒0.45Wになって、1/2Wの抵抗器が必要になるかもしれませんが、私は手持ちがありません。 そこで、1/4Wの抵抗器で、ブレッドボードに組んだ時に実測するのが手っ取り早いので、測定してみて、1/4Wの抵抗でいいかどうかを確認することにします。

このように、計算は一つの道具で、考え方が間違っていると、計算通りにならないことも多いですから、低圧・低電流では危険性も少ないはずなので、「まず、やってみる」・・・でいいということも当然出てきてもおかしくない・・・と思っています。

次に、上の回路図で、スピーカのところにつけたCsですが、本来、マルチバイブレータによる発振はあまり品質の良いものではない(波形が安定していない)ので、周波数もばらついて変動し、ノイズも多いので、少しでも、変な成分を除去するためのものとして付け加えているものです。このあたりも、確かめることにします。

当然、Csを大きくすると、出力波形はなめらかになると思うのですが、出力される周波数にも影響するかもしれないので、1μFにしたのですが、「エイヤァ」ということも大事なことですし、そのようなこともいろいろな場面で出てくることを経験するのも大事なことと思って、これも自分で色々変えて見てその変化を測定してみることにします。

そうして決まったのが、下のような回路図です

ここで、C1とC2をいろいろなものに変えてその音の変化を見ようというのが今回の目的です。

図2(完成形)

まず、ブレッドボードで動作させて、C1・C2だけではなく、その他のC・Rを変えてみた様子を紹介します。(これは、その様子を簡単に紹介しているのを見ていただいて、ここではとくに、自分でやる必要もないでしょう)

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ブレッドボードに組んでみます

まずは、C1・C2を0.1μFにして、SWなしでの部品は、このようなものです。

部品数が少ないですし、ありあわせの部品を使っても問題はないと思います。

私の経験で、一般的に、「発振」の回路例は色々書籍に載っていますが、それを実際に組んでみても、うまく発信してくれなかったり、変な周波数になることも少なくありません。

だからここでも、細かいことは気にせずに進めていって、問題が出ればそのときに考える・・・という方針で進めます。

ブレッドボードに配線してみました

整然とした結線ではありませんが、5Vの電源をつなぐと、連続音が鳴り響いたので、「この回路はまず問題なさそう」・・・ということのようです。

そして、47Ωの抵抗器(とスピーカ)に流れる電流を測定すると、21mA でしたので、1/4Wの小さな抵抗器でも、全く問題ないことがわかりました。

これをユニバーサル基板に組む前に、抵抗やコンデンサを変えてどのような発振状態になるのかを、オシロスコープで確認してみました。

もちろん、電子工作を始めたばかりの方は、オシロスコープは高価ですので、出てくる音を耳で聞いて、下の数字を見ながら、その違いを感じていただくだけでいいと思います。

(参考)私は専門家でないので、大きな事は言えませんが、オシロスコープは大変便利なものです。電圧計のように使えば簡単に使えます。 もちろん、高額の製品はそれなりに優れていますが、余分なものを買う余裕が無いのが普通ですので、私も、最初のうちは、息子が作った5000円程度のキットの簡易オシロを借りて使っていました。 そうするうちに、コロナ補助金を頂戴したので、家内に頼み込んで、そこから2万円少しを捻出して最安価機種を購入したのですが、世界が変わるぐらいに、いろいろなことが見えてきました。こちらに記事があります。ぜひ、電子工作の趣味を続けるのなら、ぜひ購入を検討してくださいネ。

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RとCを変えて変化を見ました

基準の回路図(C=0.1μ)の波形

ベースの抵抗を33kΩ、C1とC2を0.1μF、Csを1μF のときの波形はこのようなものです。(いいのか悪いのか、分かりませんが、こんな波形です)

まず、コンデンサによる周波数の変化を見るために、C1とC2を0.01μと0.33μにした時の様子は次のようになりました。


次に、ベース抵抗33kΩを47kΩに変えてみました。 それらの数字を読むと次のようになっています。

C・Rによる変化

これを見ると、C1・C2は発振周波数に大きく影響しています。 そして、ベース電流を抵抗値の値を変えることによっても、周波数と出力電圧に変化が見られます。

ここでは、Cの値を変えることで、かなりの音程が変化することがわかりますので、次の段階で、ユニバーサル基板に配線するときは、簡単にコンデンサを変える仕組みを作りました。(ICソケットで差し替えるだけのことですが・・・)

つぎに、同様にCsについても、CsなしとCs=10μについて見てみると、下の表のようになりました。

出力電圧は低下は少なく、波形は、10μになると、なだらかになる程度で、大きな変化はありませんでしたが、Csがないと、かなりノイズが多いことがわかりますので、回路図のように1μでノイズ除去をするようにしました。

Csによる変化

Csなしの波形

以上で、周波数変化は、C1・C2を変えることで大きく変化するので、その他を上の回路図のようにすることにしてユニバーサル基板に組んでみます。

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ユニバーサル基板に回路を組みました

簡単に周波数を変えることができる低周波発振器として使えるように、ICソケット(14ピン)を使って、いろいろなコンデンサC1とC2を抜き差しできるようにして、ユニバーサル基板にはんだ付けして回路を組みました。(基板の寸法=約36x47mm)

・・・・・ とは言うものの、ある程度、行き当たりばったりで組み付けましたので、裏側は下のような、交差や継ぎ足しの配線が多いものになってしまいました。

14ピンのICソケットは、中央2ピンをフリーにして、3ピンずつ短絡させています。

このような仕上がりでは、書籍などで公開するのは気が引けますし、もしも、きっちりと公開するなら、もっとレイアウトを考えて、シンプルなものにしなければなりませんが、ここでは、自分が楽しむためのものですし、「発振させる」という初期の目的を達成できましたので、これはこのまま、自分用に使用するだけのものです。

ちなみに、C1・C2に1μから0.001μのコンデンサを色々付け替えて、スピーカーの両端で、オシロスコープの周波数表示をみると、36Hz~22200Hzの発振をしているようですが、もちろん、この安価なスピーカでは一部の音しか聞こえません。

こんな簡単な基本回路ですが、その他にも、いろいろな遊び方ができそうですね。

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スピーカーにも手を加えてみましょう

スピーカーについては、普段は、実験と思って、スピーカーをむき出しのままで使うことが多いのですが、少し手を加えてやると、音が良くなります。

スピーカーをつないで、ICソケットにいろいろな容量のコンデンサを挿すと、発振音が変わりますので、色々ちがったものを差し替えてみてください。

スピーカはケースに入れるといい・・・

ここでは8Ω0.5Wの安価(購入価格100円程度)なスピーカを使っていますが、上の写真のように、家にあった塗り薬の容器に入れてやると、裸で鳴らすのとは違って、音がなめらかで大きい音で響くようになりました。

警報音や警告音としても使える音量になります。是非、試してみてください。

ハンダゴテで、青い蓋に小さな穴を開け、裏にスピーカーをボンドで貼り付けて、リード線を外に出すようにして、ピンヘッダアーとピンソケットで接続するようにしています。


以上です。 ここでやっていることは大した内容ではありませんが、ともかく、自分で組み立てて、初期の目的を達成してみることが大切なことで、自分で手を動かさなければ、電子工作も楽しくありません。

ともかく、このような回路を自分で1から手と頭を使って作ってみるなどで、電子工作を楽しみましょう。

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(来歴)R4.6記事作成    R4.8に見直し
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