無電源ラジオ(ゲルマニウムラジオ)の自作は、たった2点の部品で出来ると知ったら驚きませんか？しかし、ラジオの基本は2点だけで原理や回路図を説明できるのです。
筆者が無電源ラジオを製作したのは小学校低学年で、初めて電子工作に触れたのもゲルマニウムラジオが始まりでした。
無電源ラジオの自作に必要な最低限の部品は、ダイオードとクリスタルイヤホンの2個で構成されています。
今回も前回の光るアンテナに続き、夏休みの自由研究のテーマに最適な無電源ラジオの自作方法から回路の動作原理や電池が要らない理由についてもご説明します。
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無電源ラジオ自作の為の回路図と簡単な原理と電池がいらない理由ポイント
- 無電源ラジオ(ゲルマニウムラジオ)はなんとダイオードとクリスタルイヤフォンの部品2点だけで制作可能。
- LC同調回路が無いので、選局は不可能だがラジオの基本的な仕組みを知る事が出来る。
- 電池や電源が必要ないので、電波条件さえ良ければ一生なり続け、災害時にも使える可能性を秘めている。
- 自作で無電源ラジオの部品を揃えようとした場合、ダイソーなどの100均では揃わないので、秋葉原に行くか通販での入手が必要。
無電源ラジオ・鉱石ラジオ・ゲルマニウムラジオ・トランジスタラジオの違いは？
ラジオと一口に言っても、見出しの様に無電源ラジオ(鉱石ラジオ・ゲルマニウムラジオの総称)やトランジスタラジオなど様々な物があります。
ラジオ受診のミソは検波で、ゲルマニウムダイオードがその役割を担っています。
各見出しではそれぞれのラジオの特徴について解説しています。
鉱石ラジオは方鉛鉱を検波器に使用した無電源ラジオ
ゲルマニウムダイオードを利用したラジオなら確実に検波が可能ですが、この鉱石ラジオはアンテナやアースの他に、検波できる部分を針で探さなければいけませんし、聞こえた位置で固定しなければいけないのでとても面倒なのは言うまでもありません。
ただ、鉱石ラジオはレトロなアナログラジオで今も教材にされる程人気が高いです。
上記は実験で使用する鉱石です。
様々タイプの実験用鉱石が入っています。(黄鉄鉱・鉄・花崗岩・金・銀・水晶・硫黄・雲母他)
縫い針の先端や、資料を纏める金属製のクリップを伸ばして、銅線と繋ぎ、鉱石をつついてラジオが受信できる場所を探していきます。
ラジオの音ではありませんが、近くに強いノイズを発生させる高周波などがあると、ラジオの電波を邪魔して高周波ノイズを受診する事があります。
特に、下記の記事で解説しているような、意図的に高周波を発生させるテスラコイルを傍において実験すると、高周波ノイズを受診して音に雑音が入る可能性もあります。
ゲルマニウムラジオは電子部品のダイオードを利用した無電源ラジオ
ゲルマニウムラジオと言っても、下記のようなトランジスタで増幅回路が組み込まれたものや、ポリバリコンとバーアンテナを付加して選局が出来るようにした無電源ラジオも存在します。
電源や増幅回路が無いゲルマニウムラジオが無電源ラジオという事になります。
今回の記事では、クリスタルイヤフォンとダイオードだけを利用したゲルマニウムラジオが無電源ラジオです。
冒頭でも触れたとおり、このラジオには電源が要らない代わりに、特殊なイヤフォンを利用しています。
それがクリスタルイヤフォンです。
このイヤフォンでなければ、ダイオードだけの検波回路で音を聞くことは出来ません。
トランジスタラジオは電池が必要な信号増幅機能を持った電子ラジオ
通常のラジオの基本部品はバーアンテナとポリバリコンにダイオード、クリスタルイヤフォンです。
これは今回の無電源ラジオのように無電源で受信できるラジオですが、ダイオードとクリスタルイヤフォンだけのラジオと違って、ポリバリコン(可変できるコンデンサ)がついて居るので、選局が可能です。
ただ、これだけだと信号が弱いので良く聞こえない場合がありますし、スピーカーを鳴らすほどの電力は得られません。
そこでトランジスタの出番となるのです。
トランジスタは簡単に言うと、微弱な電気信号を増幅する作用がある部品です。(詳しく説明するとものすごく長くなるので、興味のある方は調べてみましょう)
トランジスタを利用した、増幅回路を持った電子工作については、こちらの記事で詳しく解説していますので、是非ご覧ください。
下記の、お風呂ブザーの記事では、単に部品を購入するだけではなく、壊れた電子機器からトランジスタを再利用するという、SDGsにもつながる斬新な方法でお風呂ブザーを製作しています。
これを回路に組み込むと、クリスタルイヤフォンだけではなくスピーカーも鳴らせるような普通のラジオになります。
鉱石ラジオ・ゲルマニウムラジオ等のアナログラジオの欠点
鉱石ラジオはラジオの検波器の代わりに鉱石を利用しています。
塹壕ラジオとも呼ばれ、レトロで魅力的ではありますが、とても効率が悪いのは事実です。
鉱石ラジオは一般のラジオのように、ダイヤルを回したら直ぐにラジオ放送が聞こえてくるといった代物ではありません。
ピンで鉱石の部分を探り、検波が出来る部分を探すという余計な手間が必要になります。
これに対し、ゲルマニウムラジオは今回制作したゲルマニウムダイオードを使用するのが一般的です。
鉱石ラジオの様に、検波できる部分を探す必要は無いですが、LC同調回路が無いものは選局が出来ませんので、聞きたい番組を選択してラジオを聞くという事が出来ません。
これに対し、上記でも触れたトランジスタラジオはゲルマニウムダイオードとLC同調回路で検波した信号をトランジスタで増幅し、スピーカーがならせる様にしています。
AMラジオとFMラジオの違い。AMは2028年までに廃止される？
とてもシンプルに説明すると周波数の違いになります。
音楽放送はFMラジオがメインで、AMラジオは人がしゃべるだけのニュースなどのトーク番組に偏りがちです。
なぜ、このような使い分けをしているのでしょうか。
放送局がAMラジオはニュース専門と勝手に決めているわけではありませんし、電波の特性上こうしているのです。
■AMラジオは遠くまで受信できるが低音質
波長が長い電波がAMラジオで、障害物に強いですが混信が起こりやすく、低音質の放送になりがちです。
今回紹介した部品二点のゲルマニウムラジオもAMラジオの受信がメインです。
■FMラジオは遠くまで届かないが高音質
ラジオなので高音質といっても、混信などでノイズが入る事は避けられませんが、AMラジオよりは波長が短く高音質です。
ただ、短い場合は10km～前後の範囲しか受信できない事もあるので、今回のような簡易な回路でFM放送を受信するのは難しいです。(余程ラジオの放送局の近くにお住まいなら話は別ですが)
AM放送は2028年までにNHKを残して廃止されるってホント？
私が調べたところによるとその様です。
AMは遠くまで届き、災害情報の伝達に便利な放送手段ではありますが、広告費の激減などによる維持管理が難しく、NHK等の重要な放送を残して民間企業がAM放送を廃止するに至りました。
なので、完全にAM放送がなくなるわけではない様です。
高性能な無電源ラジオはスピーカーを鳴らせる？
無電源ラジオでスピーカーを鳴らす方法はあるにはありますが、それにはトランスが必要です。
検波したラジオの電圧をトランスで昇圧してスピーカーに流すというのがおおまかな原理です。
今回はそういった方法もあるよという事でご紹介しました。
ゲルマニウムダイオードだけでスピーカーを鳴らすほどの電力は取り出せませんので、クリスタルイヤフォンの代わりにスピーカーを繋いでも鳴らす事は出来ません。
無電源ラジオの部品を100均で手に入れるのは不可能！
最近は生活費の高騰から、実験道具や材料もダイソーの100円均一で揃える風潮がありますが、結論から言って(無電源ラジオ)ゲルマニウムラジオの部品をダイソーで揃える事は不可能です。
あきらめて秋葉原に行くか、電子部品店の通販で購入しましょう。
静岡県静岡市にお住まいなら、マルツオンラインがおススメですし、駅の近くに実店舗も構えていますので、気軽に足を運ぶ事が出来ます。
今回の無電源ラジオの自作実験で唯一ダイソーなどの100均でも揃えられるのが、道具です。
半田ごて・ハンダ・ニッパーは、今回の無電源ラジオの自作では100均で十分でしょう。
半田ごて等の使い方はこちらの記事でも紹介していますので、一度確認してから道具を揃えましょう。
もし、ダイソーが近くに無いのであれば、こちらの半田ごてがおススメです。
最初は100均でも十分ですが、長くやるならどうせなら初めから良いものを揃えましょう。
無電源ラジオの動作原理は簡単に理解できる！
無電源ラジオの動作原理について解説します。
こちらの光るアンテナでもダイオードについて簡単に解説していますが、今回の無電源ラジオ様にもう少し加筆修正して解説します。
無電源ラジオの動作の基本は検波にあり、検波に使用する部品がダイオードです。
ダイオードにも様々な種類のダイオードがあります。
一例として、電源回路に使用される高耐圧の整流用のシリコンダイオード。
それから、光るアンテナでも使用された、ショットキーバリアダイオード(小信号ダイオード)等が代表的です。
他にもゲルマニウムダイオードというラジオに使用するダイオードがあります。
今回は、何故無電源ラジオにゲルマニウムダイオードが必要なのか概要を理解する事で、工作に対する知識も深まります。
結論から言うと、順方向電圧の違いによって、ゲルマニウムダイオードが選択されているのです。
順方向電圧とは光るアンテナでも説明しましたが、ダイオードは電流を一方方向にしか流さない性質があります。
これは水を流し逆流を止めるチャッキバルブ(チェックバルブ)の動作そのものです。
チャッキバルブには金属製の弁が使われていますので、水圧をよわ~くして流せば蓋の重みでなかなか水が流れて行かないわけです。
ダイオードもこれと同じ事が『順方向電圧：敷居電圧』として説明できます。
水は水圧ですが、電気は電圧です。
ゲルマニウムダイオードは、他のダイオードに比べ電圧が約0.1Vの超低電圧でも弁が開くというイメージを持っていただければわかりやすいと思います。
何故、他のシリコンダイオードや光るアンテナで使用されたショットキーバリアダイオード(小信号ダイオード)では動作しないのかも、この考え方で説明できます。
つまり、シリコンダイオードや小信号ダイオードは、ゲルマニウムダイオードに比べて順方向電圧が高いのです。
具体的にどれくらいかというと、シリコンダイオードで0.7V位でショットキーバリアダイオード(小信号ダイオード)では0.3V位です。
ゲルマニウムダイオードの順方向電圧(水で例えると弁の重さの違い)が、いかに小さいかご理解いただけたと思います。
ゲルマニウムダイオードも他のダイオードと同様に、整流作用がある事は言うまでもありません。
ラジオの電波はプラスとマイナスが等しい大きさで流れているので、そのままでは打ち消しあってしまいます。
そこでダイオードで整流してやり、＋側もしくはマイナス側を取り出して電気信号として回路に流せるようにしているわけです。
無電源ラジオ(ゲルマニウムラジオ)自作の為の回路図
これでラジオが聞こえるのか？と、疑問に思うくらいシンプルです。
ダイオードとクリスタルイヤフォンを繋いで、アンテナとアースを接続しただけなのですから。
あまりに簡単な回路なので実体配線図は公開しませんが、配線のポイントだけ詳細にお伝えします。
よく読んで理解しながら進めて行けば、電子部品やラジオの原理が分からなくても、必ず作る事が出来ます。
大まかな作業工程と、回路が動作するかどうかは、クリスタルイヤフォンとゲルマニウムダイオードを繋ぐ作業にかかっています。(これさえ確実に行えば、電波の条件がよければアンテナが無くても動作する場合がる)
クリスタルイヤフォンに関しては極性がありませんので、どちらにダイオードを繋いでもかまいませんが、ダイオードには極性があります。
手に入れたダイオードをよく見ると、この部品はガラス管で出来ており、ガラス管には赤い帯が見えます。
赤い帯側が−端子で、この−端子をクリスタルイヤフォンのどちらかに繋げば完成です。
ダイオードは、電流を一方方向にしかな流さないチャッキバルブのような働きをしますので、接続方向を間違えると、どんなに電波条件が良くても動作しませんのでご注意ください。
さて、次にアース線ですが、アース線は家庭の洗濯機の躯体もしくはアース用の端子がコンセントにあるので、そのアース端子に接続するのが確実でしょう。(間違ってもコンセントのプラグの活線に接続してはいけません。非常に危険です)
アンテナ線は、購入したエナメル線を電灯線等に数回巻きつけましょう。
それでクリスタルイヤフォンを耳に当てて聞こえれば成功です！
聞こえない場合はアンテナ線を伸ばしたり、テレビのアンテナ線に接続するなどの工夫をすると聞こえる場合があります。
無電源ラジオの自作に必要な電子部品
無電源ラジオの自作に必要な電子部品はたった2点(基本動作に必要という意味)だけと紹介しましたが、実際にはエナメル線なども必要になります。
クリスタルイヤフォン
なんだか補聴器を改造したような無骨なデザインですが、これがクリスタルイヤフォンです。
ダイソーなどの100均で売っているようなイヤフォンは、クリスタルイヤフォンでありませんし、ダイソーにクリスタルイヤフォンは何処を探しても売っていませんので、あきらめて通販で買いましょう。
因みに、クリスタルイヤフォンはかなり特殊で、用途が限られるイヤフォンですので、ホームセンターで探したところで売ってないのでご注意ください。
上記の商品のように、ワニ口クリップがついているのがおススメです。
ただ挟むだけで半田付けしなくても良いからです。
補足：クリスタルイヤフォンは普通のイヤフォンと違い、圧電セラミックを利用して小さな電圧で金属板を振動させる事が出来るイヤフォンです。
普通のイヤフォンはスピーカーと同様の原理でコイルと磁石から構成されています。
このタイプのイヤフォンを鳴らすには電源を利用し、電気信号を増幅して鳴らします。
ダイオード：1N60
ダイオードは、ゲルマニウムダイオードの1N60を使用します。
部品の写真に、ISI588などのショットキーバリアダイオードを載せてしまいましたが、ラジオを聴くにはこれらの小信号ダイオードで代替は不可能なので、1N60を使用しましょう。
詳しくは割愛しますが、単にLEDを光らせる時と違い、無電源ラジオの検波にはV-I特性を意識したゲルマニウムダイオードを選択する必要があります。
ゲルマニウムダイオードの1N60は実は廃盤ですが、まだまだ球数は沢山あるのでこの機会に揃えておきましょう。
穴あき基盤やその他の部品
他にもあると便利な部品を紹介します。
■ジャノメ基盤(穴あき基盤)
今回の様に簡単な回路構成の場合、部品を空中で配線しても良いのですが、直ぐに端子が曲がったりしてしまうので、よろしくありません。
そんな時に、ジャノメ基盤に半田付けして固定すれば見た目も良く作る事が出来ます。
ジャノメ基盤と書きましたが、画像のようなものより初めて使用するなら平ラグ板がおススメです。
端子も大きく配線しやすいですし、ワンチャンその辺のホームセンターでも売っている場合があります。
■エナメル線
アンテナを自作するのに必要です。
実は無くても単に水道管や外壁に繋いだだけでラジオが聞こえる場合もありますので、一度試してダメならアンテナを高く伸ばす等の工夫が必要ですので、下記のような長いエナメル線が必要になります。
ちなみに、エナメル線はエナメルで被覆されていますので、そのままでは半田付けも出来ませんし、部品を巻きつけても電流は流れません。
従って、使用する時は紙やすりでエナメル質の部分を削るか、ライターなどで焙ってカッターで削る等の処理が必要です。
エナメル線は細いので、ハサミなどでも切れない事は無いですが、金属ですのでハサミを傷める原因になりますので、出来るだけニッパーを使って切断しましょう。
無電源ラジオ自作の為の回路図と簡単な原理と電池がいらない理由まとめ
無電源ラジオ(ゲルマニウムラジオや鉱石ラジオ)は、空中に飛んでいるAM電波を受信して微弱な電気信号に変えて、クリスタルイヤフォンを鳴らしいる事が分かりました。
電源がいらないラジオにゲルマニウムダイオードを利用する理由は、順方向電圧を低くする事が出来る為です。
空中に照射された電波は極めて微弱な為、シリコンダイオードのような順方向電圧が0.7Vのものや、ショットキーバリアダイオードなどの小信号ダイオードでも順方向電圧は0.3Vと高いです。
それに比べ、ゲルマニウムダイオードの順方向電圧は、0.1Vと大変低いです。
これくらい低い順方向電圧でないと、空中で捉えた電波を電気信号に変換する事が出来ない為です。
この順方向電圧の概念は、何度も説明している通り、水道のチェックバルブに置き換えて考える事が出来ます。
チェックバルにもある程度水圧をかけてやらないと、鋳物製の重量のある鉄製の弁は開かないのとおなじことです。
今回のゲルマニウムラジオにシリコンダイオードを使用するという事は、細い水道管に無駄に大口径のチェックバルブを使用している行為に等しいという訳です。
さらに、この微弱な電気信号を音に変換するにはもう一工夫必要です。
普通のスピーカーやイヤフォンのように、大電力を使用するものは使えませんので、微細な電力でも動作するクリスタルを使用したクリスタルイヤフォンが必要という訳です。
この無電源ラジオをうまく動作させるには、ダイオードの接続とアース・アンテナの接続の3つがポイントです。
実際に、私が初めて電子工作に触れたのが、小学生のころでこのゲルマニウムラジオが最初でした。
部品や動作の原理が分からなくても、とりあえず説明をよく読んで図のように配線すれば、特に難しい作業もいりませんので、電子工作の入門用としては大変お勧めの実験です。
ラジオ関係の書籍はラジオライフが有名です。
ラジオだけではなく、様々なマニアックな情報の宝庫です。面白いので一冊購入してみるのも良いでしょう。
コメント
小学校6年の時に、自分と同級生の間で、電子工作が流行りました。
多分男子限定とは思うのですが、回路図等を見た時のワクワク感は、登山用の地図と共通する、なんともそそられるものがありました。
キットで幾つかラジオを組立てたりしましたが、原理の理解までは至らず、継続はしませんでした。そのまま深めていれば、理系科目も得意になり、別の能力も伸ばせていたなあ、と少し後悔もしています(^_^;)
コメント有難う座います！
自分も、小学生の時はゲルマラジオで初めて放送を受信できることを知り、大変驚きと共に感動したのを覚えています。
空中の電波をゲルマニウムダイオードとクリスタルイヤフォンだけで受信できるなんて本当に面白いですね！
機会があったら、今度は無電源でクリスタルイヤフォンではなくスピーカーを鳴らせる回路を製作してみようと思います。