「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
#「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)

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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](http://ja9ttt.blogspot.jp/2016/06/capacitance-on-breadboard.html)
 

- 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。

[]( scale=0.5 )![](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/78212/847b839e-a64b-187c-5e6c-e1a534d54051.jpeg)
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- 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
<br /> <br />
- 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

[]( scale=0.5 )![]("https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/78212/871aa3f3-e198-28ca-a1c0-8b7025fa041a.jpeg")

##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

```math
最大指示時電圧： IR＝50μA＊4.5KΩ＝0.225V  
```

```math
  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

```math

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

```

```math

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](http://www.circuitdesign.jp/jp/technical/DesignGuide/guide3.asp)

##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　

```math

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）

```math

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。

```math

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

```


```math

P_{D}=\dfrac {E^{2}} {Z_{0}}　W/m^{2}
```

Eについて整理すると


```math

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

```math

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)


```math

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)

```math

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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