ガラケーの時代に懐かしい光るアンテナがありました。
この着信すると光るアンテナを現代のスマホ：iPhoneでも光るように自作する方法を元電気電子工学科の筆者が解説します。
自作のものはガラケーのストラップのように小さくするのは難しいですが、今回の記事を見ながら実際に作ってみる事で電波の受信の大まかな仕組みを学ぶことが出来ます。
部品もLED・ダイオード・コンデンサー・コイルの4つだけで制作出来、電源もいりませんのでお子さんの夏休みの自由研究のテーマとしても最適です。
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スマホの光るアンテナ自作！ガラケーの懐かしいストラップアクセサリーのポイント
- スマホの光るアンテナに必要な部品はたったの4点で構成されている。(ダイオード・コンデンサ・LED・コイル)
- ガラケーよりも電波出力の弱いiPhoneでも自作なら光らせる事が出来る！
- 基本的な仕組みはコイル内に電波が通過する事により発生した誘導電流をダイオードで整流後、コンデンサーに貯めてLEDを光らせている。
- 最低限必要な工具はニッパー・半田ごて・ハンダのみでOK。
自作したスマホのアンテナが光るのはなぜ？仕組みを解説
冒頭のポイントでも少し触れた通り、このiPhoneでも光るアンテナの仕組みは空中に飛んでいる電磁界を利用してLEDを光らせています。
空中に飛んでいる電波は電界と磁界がセットになって波状に進んでいます。この電磁界をコイルで捉え、コイルで発生した誘導電流をダイオードで半波整流したのち、コンデンサーに貯めてLEDに流します。
LED(ライトエミッティングダイオード)
ダイオードの部品と仕組みは似ています。これは光を放つデバイスです。
LEDにはプラスとマイナスの端子があり、接続時に間違えないように＋端子が長く、−端子が短く作られています。(間違えて逆電圧をかけるとLEDが破損する原因になる。また、LEDは電流制御で流せる電流や電圧が決められている)
通常の豆電球との違いを簡単に述べると、LEDは半導体の一種です。
豆電球は単に電線の抵抗を利用してその熱が光に変わります。電線が早く燃焼しないように、通常中は真空に保たれています。
LEDは豆電球と違い、低損失で商品電力が少なく低電圧駆動出来、デバイス自体も小型化出来ますのでこのような回路に最適です。
ダイオード(電流を一方方向にしか流さないデバイス)
先ほどのLEDの部品と少々にた動作です。
水道のバルブに例えるとまさにチャッキバルブ(チェックバルブ)と一緒です。
水と一緒で電流を一方方向にしか流さない役割をします。水もチャッキ弁を持ち上げるのにある程度水圧が必要ですが、電気の世界のダイオードではダイオードが電流を一方方向に流し始める順方向電圧というものがあります。
ダイオードの順方向電圧は約0.6Vから動作します。(水の流れの例えが電圧に変わっただけですので簡単です)
ダイオードにもLEDと同じように流す方向が決まっていますので当然向きがあります。
ダイオードの場合は端子の長さで＋と－を判別しているのではなく、ダイオードに刻印されている帯で判別します。(帯の白い部分がある方が−端子でカソードと呼びます。反対にプラスの部分はアノードと呼びます)
LEDも＋端子・−端子という他にアノード端子・カソード端子と言った呼び方をされる場合もあります。
上記迄は部品についての詳細でしたが、何故光るアンテナにはダイオードが必要なのかをもう少し詳しく解説します。
LEDには＋端子と－端子があり、電圧をかける方向に向きがあると述べましたし、その向きを逆にすると故障する可能性がある事も解説しました。
LEDには極性がありますので、きちんと向きに合せて電流を流してやらないと光りません。
コイルを想像してみてください。
コイルからエネルギーを取り出すにはコイルに電磁界を通過させる必要があります。
この電磁界は波ですので、プラスとマイナスの極性が一定周期ごとに変化します。
すると、コイルから取り出す電流もプラスマイナスが一定周期で変化する交流電源になるという事です。
LEDに交流は印加できませんし、コイルには常に安定した電磁界が供給されているわけではありません。
例えば、車のCB無線や雷などで発生した強いサージよってLEDの定格よりも高い電圧が印加されると簡単に故障します。
この回路におけるダイオードの重要性を纏めると、ダイオードはLEDに常に同じ向きで電流を流すために重要な部品という事です。
更に、もう少し詳細をお話しするとダイオードにも種類が色々ありますがここで使用するダイオードは電源周りに使用される耐圧の高いものではなく、小信号用の順方向電圧降下の低いダイオードを使用します。(取り出せるエネルギーが小さいため)
コイル(発生した電磁界のエネルギーをコイルで取り出す)
コイルにiPhoneやアンドロイドのスマホで発生した磁界を通すと電流が流れます。
コイルは直流は良く流す部品ですが、交流では抵抗のようなふるまいをします。
ここではコイルも自分で様々な大きさや形にして実験してみるとLEDの光り具合も変化して面白いです。
コイルは少ないよりも多くまいた方が取り出せるエネルギーも大きくなります。
実験では、モンスターエナジーのようなエナジードリンクの空き缶や塩ビ管に銅線を50回巻きつけてコイルを制作しました。
コンデンサー
コンデンサーが無くても一応点灯はしますが、あった方が良いです。
コンデンサーは、コイルで発生した交流をダイオードで半波整流した後にコンデンサーに貯める事によって光る時間を延長してくれます。
LEDにかかる電圧は半波整流されていますので、おおざっぱに説明すると一定時間点灯して一定時間消灯する周期を繰り返すわけです。
これをコンデンサーに一旦蓄電する事で、バッファのような働きをしLEDの視認性を良くします。
水のタンクと一緒で、断続的に蛇口を開閉してそのまま水を流すよりも、一旦何かタンクに貯めて水を流した方が流れはある程度平均化できますよね？
その現象とコンデンサーの役割は似ています。
スマートフォン(iPhone)のアンテナは内臓されている
ガラケー時代の携帯電話はアンテナが露出していましたが、スマートフォン(iPhoneやアンドロイド)等のスマホは何処にアンテナはどこにあるのでしょうか？
iPhoneやアンドロイドはアンテナがなくなったわけではなく、本体の基盤に小さなものが内蔵されています。
アンテナの送受信の出力は、ガラゲー時代より下がっていますがアンテナの制度は向上し、ガラケー時代よりも低消費電力で動作できる仕組みになっています。
アンテナが内蔵されているので、当然ガラケー時代に流行ったアンテナをiPhoneやアンドロイドのスマートフォンで使用する事は出来ません。
余談ですが、こうしたアンテナを光らせる行為は電波の出力の一部を無駄に使用してる事になるので、場合によっては通信に余計な時間がかかったりすることもあります。
スマホの光るアンテナを自作する。iphoneでも光るアクセサリー
基本的な仕組みを理解した所で、実際に現代のスマホのiPhoneでも光るアンテナのアクセサリーを製作してみましょう。
iPhoneで光るアンテナを自作するのに必要な工具は？
道具は前述した通り、最低限半田コテとハンダにニッパーがあればスマホの光るアンテナを自作する事が出来ます。
電子工作の道具に関する詳細は下記の記事が参考になりますので、工作前に確認しておきましょう。
スマホの光るアンテナを自作する時に必要な電子部品
次に電子部品ですが、東京近郊に近いのなら秋葉原にある秋月電子や千石電子などが有名ですが、ネット通販で購入することも出来ますが、何を購入して良いか分からない方の為に具体的な商品を載せておきます。
ここから購入しても良いですし、類似の商品を秋葉原で探しても良いでしょう。
LEDは一般的な3V砲弾型のものを使用します。
LEDといってもこちらも様々な種類があります。12Vで動作するものもありますが、これでは動作電圧が高すぎてコイルで発生させた電圧で12VのLEDを点灯させることは出来ません。
12Vで動作するLEDでメジャーなものは、オートバックス等で販売している車用のLEDです。
車用のLEDは12Vで動作する事が出来るように中に抵抗が内蔵されています。
LEDも様々な形、用途がありますので上記の色や形が気に入らなければ他の物を選択する事も出来ます。
選択する時のポイントは動作電圧が3Vの物を選ぶことです。
面白いもので、他にも自動で点滅するLEDや様々な色が順に点滅するタイプのものも販売されています。
そういった動作をさせるには本来、他に電子回路が必要ですがあらかじめ内臓されていますので、電圧を加えるだけで上記のような動作をします。
ダイオードは小信号用タイプのものを使用します。
電磁界をキャッチしてコイルで発生させたエネルギーは非常に小さいので、小信号用ダイオードを使用します。
昔は互換品でISI588という商品がありました。(現在も秋葉原に在庫は確認しています)
100Vで200mAを流す事が出来ます。
通常の整流用ダイオードのVf(順方向電圧)は0.7Vですが、小信号ダイオード(ショットキーバリアダイオード)は0.3Vといった具合です。
何が違うのかイマイチピンと来ないという方に、先ほどのチャッキバルブの説明を思い出して下さい。
水と一緒で、ダイオードも順方向電圧が低い方が少量の水でチャッキ弁を押し上げる事が出来るのと同じです。
コンデンサーはフィルムコンデンサで高耐電圧のものを選択しました。
ネット上だと高価ですが、たまーに秋月電子でセールをやっていてめちゃくちゃ安い掘り出し物を手に入れる事が出来ます。(私はいつも爆買いしてストックしています)
高耐圧のものを選んだ理由は、流れてくる電圧がどれくらいの物か明確に分からないのでとりあえず耐圧の高いものを使っておけば問題ないといった程度です。
他にも家庭にある一般的な壊れた家電から上記のような高耐圧のコンデンサーを取り出す事が出来ます。
ミソは高電圧を発生させる回路が内蔵されている電子機器を分解する事です。
例を挙げると夏に蚊や虫を捉える電撃ラケットや電撃殺虫灯がねらい目です。
中に同じようなクロレッツのガムのような部品が入っており、大抵は出力付近の目立つ部分に取り付けられているので外して使う事が出来ます。
参考までに、上記はカインズで購入した電撃殺虫ラケットを分解した時に手に入った基盤についているコンデンサです。
茶色のガムみたいな大きな部品がコンデンサです。
最後は、コイルを作るときのエナメル線です。
これは1mm程度のもので十分でしょう。使うときはエナメルを剥がす必要がありますので、紙やすりも必要です。(エナメルがついたままだと半田付け出来ません！)
紙やすりが無い場合はライターでエナメルを炙って、カッターなどで灰をこそぎ落とす事でも可能です。
スマホの光るアンテナの回路図を見ながら自作してみよう
回路自体は非常にシンプルなもので、当初の説明通りコイル：Lにダイオード：DとLEDにコンデンサー：Cで構成されています。
制作時の注意点は、コイルとコンデンサーに極性はありませんが、ダイオードとLEDには極性があるのので注意してください。
回路図だけだと分かりにくいと思うので、実体配線図を書いてみました。
部品をよーく見ながらこの通りに配線すればスマホの光るアンテナが自作できるはずです。
コイルはモンスターなどのエナジードリンクの空き缶に10回から50回程度巻きつけてセロハンテープで固定しました。(巻き数によってLEDの明るさが変化するかなど実験してみましょう)
ダイオードと書かれている部品も販売している商品リンクの画像をよーく見てください。
所品画像では良く見えない場合は、商品名で画像検索してみましょう。ダイオードの拡大された写真がいくつも出てくるはずです。
ダイオードは実際は米粒位小さな部品に端子がついて居ます。
その小さな部分を見ると、青や黒の帯がついて居る側の端子があると思います。
何度も言いますが帯のついて居る側の端子が−端子です。
LEDも分かりやすくあえて極端に書きましたが、長い足の側が＋端子で短い足が−端子です。
制作時に上記の二点を間違えては動作しないので、何度も確認して作業イメージを明確にしてから半田付けをしましょう。
実際に組み立てた回路をiPhoneに乗せて誰かに電話をかけるかメールなどを送信してもらいましょう。
見事にLEDが点灯するはずです。
スマホの光るアンテナ自作！ガラケーの懐かしいストラップアクセサリーまとめ
無事にiPhoneやアンドロイドでLEDを光らせる事が出来たでしょうか？
ガラケー時代に流行った着信で光るアンテナのストラップアクセサリーを製作する事が出来たと思います。
もう一度簡単に光るアンテナ回路についてまとめます。
スマホで光るアンテナは基地局から送信された電波をコイルでキャッチしてエネルギーに変換しています。
電磁界はプラスマイナスが周期的に変化する波ですので、当然コイルに発生する電圧も交流電源となります。
LEDに流すのは直流電圧だけで交流電圧を印加すると故障の原因になりますので、ダイオードを使用して波の半分をカットして半波整流の状態にします。
それをコンデンサに蓄電し脈流にします。脈流にすることで直流に近い電源となり、LEDに供給されます。
ダイオードの概念が若干難しかったかもしれませんが、何度も説明している通り、水と一緒です。
ダイオードは水を一方方向にしか流さないチャッキバルブ(チェックバルブ)と全く同じ動作です。
チャッキバルブも水を少ししか流さなければ、鋳物製の蓋の重みでバルブが開くことはありません。
ダイオードもこれと同じで、水が流れ始めるのが小信号ダイオードだと約0.3V付近だというだけの話です。
整流用のダイオードはVP13の塩ビ管に異形継ぎ手を接続して無駄に20Aや50A等の大口径のチェックバルブを付ける行為に等しいです。(この場合は水の量、即ち動作電圧が小さいので小信号ダイオードを選択しなければいつまでたっても電流はダイオードに流れて行かないという訳です)
この回路はコイルの巻き数や大きさを変更したり、ダイオードを整流用の物に取り換えると実際にどうなるのか、半導体デバイスの基礎について考える良い機会だと思いますので、色々工夫して実験してみましょう。
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