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「無電源ラジオ」プロジェクト中間報告

ラジオ

Last updated at 2017-08-13Posted at 2017-08-11

「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）

アンテナ種別	大きさ	検波後電流(μA)	ホーンスピーカ距離 (注１)
円ループアンテナ	直径1m	4	5cm
四角ループアンテナ	１辺2m	10	1m

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。

音圧レベルの例	dB SPL	備考
空気動力ドリル（距離1m）	100
旅客鉄道（距離10m）	60-80
一般家庭でのテレビ（距離1m）	60
通常の会話（距離1m）	40-60
人が聞き取れる限界	0	20マイクロパスカル

　[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

|タイプ|型番|機器の dB SPL | 60dBとの音圧差 dB |必要電力W|負荷抵抗Ω|必要電圧V　(RW=E*E)|
|:--|--:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|
|ホーンスピーカ|M-02661|102 (1W/1M) |-42|63μ|8|22m|
|イヤホン|MX375|152 (1W) |-92 |630p|32|141μ|

##　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

受信場所	受信距離(Km)	電界強度 (mV/m)	誘起電圧（mV）
自宅	42	60	4.73
勉強会会場	34	100	7.89
東京ビッグサイト	51	40	3.16

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

アンテナ種類	絶対利得(倍)	絶対利得(ｄB)
点アンテナ	1	0
微小ダイポール	1.5	1.76
半波長ダイポール	1.64	2.15

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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付録２ ループアンテナ誘起電圧（理論値）

付録３ 受信点で得られる電力 (理論値)

計算パラメータ

電界強度

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付録３　受信点で得られる電力 (理論値)

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