「無電源ラジオ」プロジェクト中間報告

「無電源ラジオ」プロジェクト中間報告

(Maker Faire Tokyo 2017 出展プロジェクト、　東京ビッグサイト8月5日-6日)

2017/8/9　清水 素釘武
　May Storm Labs　
　ロボット部 （日本Androidの会 秋葉原支部）

初めに

日頃からNHKラジオ第1放送をBGMにすることが多い。このため、NHKラジオをスピーカーで鳴らすことを目的として、「無電源ラジオ」プロジェクトを立ち上げた。本稿ではプロジェクト構想、現状、今後の予定等を記述する。

基本構想

• 無電源で中波AM放送をスピーカで聞く
• 目的放送局　NHKラジオ第一 　594kHz　波長505m
• 目的送信所　埼玉県久喜市菖蒲町ラジオ放送所　300kW　245ｍ高　1/2波長モノポール(通常は1/4波長)　
• 受信距離42km
• 理論面も考慮する　アンテナ工学、受信電力、出力音圧、Spiceシュミレーション
• 電波のエネルギーハーベストも考慮する

Web、書籍調査

「無電源で鳴るスピーカーラジオ」でWeb検索をすると１万件以上ヒットする。
Webページ等の調査により、次の点について検討することにした。

• 高性能なアンテナとアース
• コイルLのQ値を高くする　　[https://ja.wikipedia.org/wiki/Q値]
• LC同調回路の型
  • 基本型　LCを並列接続、両端より信号と得る
  • タップ型　LCを並列接続、Lの中間タップより信号を得る
  • トランス型 トランス一次側L1とCを並列接続、２次側L2より信号を得る
  • その他　複同調回路、倍電圧回路等
• 出力トランス(スピーカやイヤフォンインピーダンス８Ω等と整合をとる)
• 高能率のスピーカー　
• ループアンテナ、LANケーブル等による実装
• ループアンテナの寄生容量による自己共振周波数

• 寄生容量C　[https://ja.wikipedia.org/wiki/寄生容量]
  寄生容量の値に影響を与える要素

  • ループアンテナ(ループ面積、巻数)
  • 配線
  • ブレッドボードの隣接ラインの静電容量は約3.1pF 　　　Radio Experimenter's Blog

• 各種倍電圧回路

• 検波

  • 検波ダイオードの型番による音量変化
  • トランジスタによる検波 (トランジスタのダイオード接続　Ic＝Hfe*Ib)

LTSpiceでシミュレーション実験

• 並列同調回路
• 直列同調回路
• コイルのQ値
• AM変調の信号源

製作、入手等

• ループアンテナ　
  • ２つの円ループアンテナ(直径1mと1.5m) 　LANケーブルで実装
  • 四角ループアンテナ(１辺2m)　10線フラットケーブルで実装
• 携帯型無電源ラジオ
  • ループアンテナ(LANケーブル)をLAN端子(RJ-45)で接続
  • ポリパリコン
  • 小型出力トランス
  • ダイナミックイヤフォン（スマフォ用）へ音声出力
  • LANケーブル内の４組のツイストペアケーブル間の接続は、20ピンICソケット上で行った。このためICソケット交換によりLANケーブル内の結線を変更できる。これにより同調回路の型、巻数等を任意に設定できる。

• デモ、運用環境構築
  • 高能率ホーンスピーカ、高能率ダイナミックイヤフォン
  • テスト送信環境（AMワイヤレスマイク＋スマフォ信号発生アプリ)
  • 電波確認用のラジオ
    
    
• 実験用ブレッドボード環境構築
  • エアーバリコン
  • 電流計
  • 各種ダイオード
  • ３種類の出力トランスと各種スピーカの切替Box

ブレッドボード上での各種の実験環境

• ループアンテナの巻き方、巻数によるインダクタンスと寄生容量と直流抵抗の測定
• ループアンテナによる各種同調回路（基本型、中間タップ型、トランス型）
• 検波後電流値（電流計使用）
• 各種検波ダイオード
• 倍電圧回路（トランス２次側中間タップ等）
• ３種類の出力トランスと各種スピーカによる音量

現状の受信状況（NHKラジオ第一）

スマフォ用のダイナミック型イヤホンでは、両アンテナともよく聞こえる。

（注１）：静かな部屋で耳をすまして聞こえる距離

今後の作業予定、目標

• 固定高性能アンテナ（ワイヤーアンテナ等）とアースの設置
• ループアンテナの自己共振周波数により、使用できない巻線の利用方法検討
• ブースデモ用にAM変調ができるシグナル・ジェネレータの確保（できれば周波数カウンタ付）
• 無電源「トランジスタ」ラジオ(検波後に十分な電力を確保できた場合)
• Spiceシュミレーション
• 普通のオーディオスピーカを鳴らす

付録１ 必要なラジオ出力電力　（理論値）　

　　[結論]　通常会話の大きさで鳴らすために　63μW　の電力をホーンスピーカに供給する必要がある。

　音圧の目標値　60dB SPL　（通常会話のレベル）

音圧レベル(sound pressure level)は絶対値であることを明示するために［dB SPL］と表記する。

　[https://ja.wikipedia.org/wiki/音]

　スピーカーの出力音圧レベル　

秋月１０Ｗホーンスピーカー M-02661　SPL(1W/1M) 102dB±3dB　8Ω

　[http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-02661/]

出力音圧レベルは、音声信号が音響に変換される効率（能率）を表す。、
通常はスピーカーの中心から1メートルの距離において、1 Wの測定用信号を加えて測定される。
アンプの出力を倍にすると 3dB SPL 増え、距離が倍離れと 6dB SPL 下がる。

[https://ja.wikipedia.org/wiki/出力音圧レベル]

　イヤフォンの出力音圧レベル　

　1mW、1kHz入力時の音圧感度で、この値が大きいほど音量が大きい。（ただし、1mWではなく1Vでの値であったり、1kHzではなく100Hzでの値であったりとメーカーによって異なることがある）。

ゼンハイザー イヤホン MX375　　122 dB　32Ω

122dB(1mW)と仮定し、１Wに換算すると+30dB で、152dB (1W)となる。
　[http://www.sennheiser.co.jp/sen.user.Item/id/950.html]

　音圧レベル　60dB SPLに必要な電力

　アナログ電流計の最大値指示に必要な電圧と電力

秋月　アナログ・超高感度電流計（５０μＡＤＣ）ＳＤ－５０ 内部抵抗：約４．５ｋΩ

最大指示時電圧： IR＝50μA＊4.5KΩ＝0.225V  

  最大指示時電力： I ^{2} R＝(50μA)^{2}＊4.5KΩ＝11μW   

　LED点灯に必要な電力

LED 0.1mW あれば光るとの報告あり。
単純計算では順電圧VF　2V,3mA とすると V*I = 6mW。
放送局に近い等で電波が強いとLEDが光るとの報告有り。

付録２　ループアンテナ誘起電圧（理論値）

ループアンテナに誘起する電圧

V=E\dfrac {2\pi AN} {\lambda }\cos \theta　\tag{1.1}　

V:　ループアンテナに誘起する電圧（V）　\\\
E:　電界強度 (V/m)
A:　ループ面積 (m^{2})
N:　巻き数(回)
\lambda:　電波の波長(m)
θ:　電波の到来方向となす角度

　　アンテナの開放端に誘起する電圧は、ループ面積と巻数に比例する

ループアンテナ誘起電圧（理論値）

NHKラジオ第1　594KHz　300kW　埼玉県久喜市菖蒲町三箇3047-1

付録３　受信点で得られる電力 (理論値)

計算パラメータ

周波数　600kHz、波長　500m、周期　1.67μS　
受信距離　　42Km　

電界強度　

電界強度　1mV/m は実効長1mのアンテナで1mVの電圧が誘起される。
NHKでは、3mV/m以上でAMラジオがよく聞こえるとしている。　[http://www.nhk.or.jp/shobu-kuki/shoubu/index.html]

1μV = 0dBV が基準。1mV/m=60dBμV/m　
AMラジオでは　1mV/m から　10mV/m で良好な受信ができるようです。
受信距離42Kmでは　60mV/m　 (表より)[http://crystal-set.com/report/t200.htm]

UHFデジタルテレビでは70dBμV/m程度が必要。3.16mv/m

計算式、理論

これから無線モジュールを使用して無線機器を設計する方へ

仮定　

• 送信アンテナは点アンテナ（Isotropic Antenna） 放射の強度が全ての方向で等しい仮想的なアンテナ

• 自由空間　（平面大地の反射波を考慮しない）

　受信点電力密度

受信点電力密度 ＝　送信電力／球面の面積　

P_{D}=\dfrac {P_{T}} {4\pi D^{2}} = \dfrac {300KW} {4\pi (42Km)^{2}}=1.35  μW/m^{2}

　受信点電界強度　（実効値、尖頭値ではない）

E=\dfrac {\sqrt {30P_{T}}} {D}=\dfrac {\sqrt {30*300KW}} {42Km}=226mV/m 

上式は自由空間の波動インピーダンス（電波インピーダンス、特性インピーダンス）が120π ≒ 377Ω であり、次の関係からEについて整理すると導出される。

Z_{0}={120π}={\sqrt{\dfrac {真空の透磁率} {真空の誘電率}}}

P_{D}=\dfrac {E^{2}} {Z_{0}}　W/m^{2}

Eについて整理すると

E={\sqrt{120π\dfrac {P_{T}} {4\pi D^{2}}}}=\dfrac {\sqrt {30P_{T}}} {D}

　受信地での点アンテナ実効面積

A_{R}=\dfrac {λ^{2}} {4\pi }=\dfrac {(500m)^{2}} {4\pi}= 1.94Km^{2}

　受信電力(フリスの伝達公式より)

P_{R}=P_{D}A_{R}=1.35  μW/m^{2}  * 1.94Km^{2} = 2.6mW

　受信電力(受信点ポインチング電力より)

P_{V}=\dfrac {E^{2}} {120\pi }=\dfrac {(226mV/m)^{2}} {4\pi}= 4mW

プロフィール

May Storm Labs　清水 素釘武

電子工作、機械学習、脳、人工知能、哲学、ロボットなどをテーマに研究、Makeしています。ロボット部（日本Androidの会 秋葉原支部）に参加しています。

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