第6章 トランジスタ検波ラジオ
トランジスタ入出力特性の非直線性(歪み)を用いて検波を行うことができます。これをトランジスタ検波といいます。この章では、このトランジスタ検波によるラジオを製作します。トラン
ジスタ検波ラジオでは結合コンデンサの値が重要であり、コンデンサの働きを学習する格好の対象です。

●一石構成
図5-18のダイオード検波ラジオの高周波増幅回路に、クリスタルイヤホンをつなぐとどうなるでしょうか。その回路を図6-1に示します。ここでは、後の考察がし易いように、コンデンサC1を図5-12の方式で用いています。さすがにC局は全く聞こえません。しかしD局なら、そこそこの音量で聞こえます。もし、トランジスタが歪みなく信号を増幅していれば、このようなことは起こりません。ここで図3-24を見てください。トランジスタが大信号で動作すれば、この図のような歪みが発生しました。しかし、このような歪みは、小さな信号でも多少なりとも発生しています。
検波は信号の正負の周期で大きさを変えると実現できました。ですから、図6-1の回路でも、このような歪みは発生していますので、AM信号が検波され、音声が聞こえるようになったのです。

図6-1のコンデンサC1の動作を理解することは非常に重要です。交流回路では直流をカットするのにコンデンサは欠かせませんが、図6-1のコンデンサの動作はこれらの典型例です。逆にいえば、本当にコンデンサの動作を理解しているかを試すには、最適な具体例といえます。まず、D局を受信して、コンデンサC1の容量を変化させたときの音量を調べることにします。表6-1にその結果を示します。ここでv1,v2は図6-2に示した電圧です。v2はクリスタルイヤホンを付けたときのコレクタ電圧ですが、R2とクリスタルイヤホンの容量が1次ローパスフィルタを構成し、音声信号のみとなります。

C1

v1[mV]

v2[mV]

音量

100pF

50

ほぼ完全に0

全く聞こえない

1000pF75

ほぼ0

かすかに聞こえる

0.01μF802～3mV

そこそこ聞こえる

0.1μF

805mV

上より大きい0.47μF805mVよりやや大上と同じ

表6-1 D局を受信時のコレクタ出力電圧-1-C1が1000ｐFのときと0.1μFのときを比べると、v1はほぼ同じにかかわらず、v2がかなり違うのがわかります。なぜこのようになるかを以下で考えていきます。
小信号の増幅では、トランジスタの入力抵抗を一定として考えました。しかし、もしトランジスタの入力抵抗が完全に一定でしたら、以上の現象は起こりません。そこで、トランジスタの入力抵抗を図6-3で考えることにします。この図で、r1とr2はトランジスタの入力抵抗ですが、r1＜r2とします。つまり流れ込む方向の入力抵抗を小さいとします。実際このようになっているために、図3-24の歪みが発生します。ダイオードは理想的なもので、正方向では抵抗=0、負方向では抵抗=∞とします。Rinは入力電源の出力抵抗です。なお、トランジスタの入力にはミラー効果等の容量が付きますので実際はもっと複雑ですが、ここでは簡単になるように抵抗のみで考えることにします。このように簡単にしても本質的な動作は同じです。

r1,r2に流れる電流をi1,i2とします。r1の方がr2より小さいので、i1の方がi2より大きくなります。その結果C1には図のように電荷がたまります。この電荷による電圧のために、i1が流れにくくなり、最終的にはi1とi2は同じになります。コンデンサには直流が流れませんので、このようにi1とi2は必ず同じになります。このとき重要なことは、i1とi2が同じになるように電荷がコンデンサにたまるということです。
ところで図6-1を見て、上記のi2、つまりトランジスタから信号に向かって流れる電流をイメージできるでしょうか。C1両端電圧は、トランジスタのベース電圧である直流電圧になるように電荷がたまっています。上記で述べたコンデンサC1の電荷は、この直流電圧の電荷にさらに加わる電荷の話です。この状態で入力信号がマイナスになったとき、ベース電圧が下がりますので、トランジスタへの電流が減少します。そのために、抵抗R1からコンデンサC1を通して信号に向かって電流が流れます。この電流がi2です。実際はこのような電流ですが、図6-3のような電流と考えてもよいのです。
図6-3ではi1とi2が同じになると述べました。しかし、これは信号の1サイクルで同じになるということではありません。ある時間の平均で同じになるということです。この時間がどうなるかは、コンデンサの容量が関係してきます。

-2-

コンデンサC1がなかったときの電流が図6-4のようになったとします。ここでコンデンサC1を付けたときを考えます。まずコンデンサC1の容量が小さいときです。なお、容量が小さいとは、r1とr2の平均rとC1とのしゃ断周波数1/(2πC1r)が、音声信号に比べて十分大きくなるということです。例えばr=10kΩ、C1=1000pFなら、しゃ断周波数は16kHzとなって音声信号に比べ十分大きくなります。ですから1000pFは、この容量が小さいときに相当します。

容量が小さいC1を付けたときの電流を図6-5に示します。容量が小さいので、音声信号の周期では、正負の電流が等しくなります。このとき、図の破線で示した電圧がコンデンサC1にたまります。信号が大きくなるほど、この電圧は大きくなります。逆にいうと、破線に示す電圧がコンデンサC1にたまることによって、正負の電流が等しくなります。このように正負の電流が同じになると、当然コレクタ電流も同じになります。ただしhfeは一定としています。コレクタ電流が正負で同じになると、検波作用はありません。表6-1の1000ｐF以下では音量がなかったのは、以上が原因です。
話は少々変わりますが、かつて真空管の時代にグリッド検波という検波方式がありました。真
空管をグリッドリークバイアスという浅いバイアスで使用すると、図6-3と同じような入力特性になります。このとき、C1に適当な小さい値を使用すると、まさに図6-5の破線に示す電圧がC1に発生します。真空管は入力電圧を増幅するものですから、真空管では、この電圧が増幅されてプレート電流になり、検波と増幅が同時に行えます。これがグリッド検波です。
次にコンデンサC1の容量が大きいときを考えます。ここで大きい容量とは、例えば0.1μFです。
このとき、しゃ断周波数は160Hzとなり、音声信号の周期では、コンデンサC1両端の電圧はほとんど変化しなくなります。この様子を図6-6に示します。この図の太い破線がコンデンサC1にたまる電圧です。参考のために、細い破線でC1が小さいときの電圧を示しています。ここで注意していただきたいのは、太い破線と細い破線の平均は同じになるということです。

ベース電流が図6-6のようになると、コレクタ電流は図6-7のようになります。ただし、コレクタ電圧が大きくなる方向を、コレクタ電流の正方向としています。コレクタ電流の平均を破線で示しています。この平均の電流が音声信号です。コレクタにクリスタルイヤホンの容量が付いて-3-いるときは、コレクタの負荷抵抗にこの平均の電流が流れ、コレクタ出力電圧となります。表6-1
でC1が0.1μF以上では、そこそこの音量が得られたのは、以上の理由により、コンデンサC1が大きいときは検波作用があり、音声信号が得られるからです。
表6-1でC1=0.01μFのときは、r=10kΩとして、しゃ断周波数は1.6kHzとなり、ちょうど音声信号ぐらいになります。ですから、この1.6kHzぐらいから音声信号が減衰します。ですから、C1=0.1μFよりも音が小さくなりますが、そこそこ聞こえます。
最後に、R1,R2を変えて実験してみました。R1=2MΩ,R2=4.7kΩの組み合わせと、R1=4MΩ、R2=10kΩの組み合わせです。どちらも、C1は0.1μFを用いました。結果ですが、どちらも多少音量が大きくなる程度で、そんなに変わりませんでした。

●ニ石構成
まず、図6-1の回路に低周波増幅回路を付けてニ石構成にします。この回路を図6-8に示します。
C3はクリスタルイヤホンの容量の替わりです。表6-1より、D局を受信したときのTr1の音声出力のピーク値は5mVでした。Tr2はゲインが42ぐらいですので、Tr2の音声出力のピーク値は200mVぐらいになります。実際の値もだいたいこのぐらいの値になりました。この値ですと、クリスタルイヤホンががんがん鳴ります。ではC局はどうでしょうか。C局はごくごく、かすかに聞こえるだけでした。

トランジスタ検波もダイオード検波と同じく、入力が大きくなると、検波効率が非常に上がってきます。そこで、Tr1を高周波増幅回路にして、Tr2でトランジスタ検波をすることにしました。
回路を図6-9に示します。C1を1000pFにして、Tr1では検波作用がないようにします。ここでC2をどうするかですが、表6-1と同じ実験をしてみました。結果を表6-2に示します。

-4-C2

C局

D局

1000pF

ほぼ0100mV

0.01μF

5mV

500mV

0.1μF

10～20mV

0.5～1.0V

表6-2 図6-2の回路の音声出力のピーク値

表6-2の結果は表6-1の結果とほぼ同じです。C2=0.1μFにしたときは、図5-18のダイオード検波とほぼ同じ音量になります。ですから、同じニ石でラジオを作るなら、図5-18より図6-9の方がすぐれていることになります。
第5章のラジオと同じく、R2をコイルに変えると、音がかなり大きくなります。その回路を図610に、製作したものを写真6-1に示します。この場合もダイオード検波と同じく、L1の値によって各局の音の大きさが違ってきます。L1=0.22～0.47mHを用いると、周波数の高いA～C局が大きくなり、L1=0.47～1.0mHを用いると周波数の低いE,F局が大きくなります。このように、L1の値はダイオード検波よりも小さい値を使用する必要があります。ダイオード検波と異なり、Tr1のコレクタはC2を介して直接Tr2のベースに接続されています。トランジスタのベースには、いろいろな容量が等価的に付いていますので、L1の値はダイオード検波よりも小さくする必要があるのです。
VR1は音量調節のために付けたものです。このVR1は、コイルを用いることにより発振するのを防ぐ役目もしています。C1は0.01μFを用いて、少しでも信号を大きくしています。この回路では、C局をうるさいくらいの音量で聞くことができます。また、図5-17に示した歪みもダイオード検波より小さくなり、音質もあまり悪くありません。

写真6-1 製作したトランジスタ検波ラジオ-5-

■ちょっと道草3 ディジタルICラジオ

かつてLM3909というLED点滅用のICがありました。ある本に、このICの応用例としてAMラジオが載っていました。当時の私は、LED点滅用のICとラジオがつながらず、非常に不思議に思ったものです。今にして思えば、これは増幅回路の非直線性を用いたものだったのです。原理はトランジスタ検波と同じです。LED点滅用のICには発振をさせるための高ゲインの増幅回路があります。この高ゲインの増幅回路の歪みを用いたラジオだったわけです。負帰還をかけない裸特性のままの増幅回路は、必ず歪みがありますので、トランジスタ検波ラジオを作ることができます。
ところで、非直線性の増幅回路といえば、ただちにディジタルICのゲートが思い浮かびます。
図M3-1に74HCU04の入出力特性を示します。なお、これは正確なものではありません。この図で、入力がV1またはV2のところでは非常に直線性が悪く、よいAM検波ができそうです。そこで今回、この74HCU04を用いたラジオを作ることにしました。回路を図M3-2に、製作したものを写真M3-1に示します。ディジタルICは必ず74HCU04を使用してください。74HC04はゲインが大きすぎて発振してしまいます。

-6-写真M3-1 製作したディジタルICを用いたラジオ

IC1(1/6)は増幅回路です。R1で負帰還をかけることにより、増幅回路になります。この回路はいろいろなところで、よく使用されています。VR1は図M3-1のV1またはV2のところにバイアスするためのトリマです。実際のV1とV2の間隔は非常に狭く、V1とV2の中間は非常にわかりずらいです。ですから、V1,V2をあまり気にせず、とにかく音が大きくなるところで固定します。C1は10pと非常に小さいですが、これは少しでも混信を少なくするためです。C1を大きくすると音量は大きくなりますが、混信が大きくなります。R3、C3は音声信号のみを取り出すための1次ローパスフィルタです。IC1の出力インピーダンスは小さいので、このようにR3が必要です。この回路はCMOSにもかかわらず、結構電流が流れ、全体で3mAぐらいになります。これは、IC1の入力を電源電圧の中間の値にしているためです。CMOSでも、入力を電源電圧の中間の値にすると、結構電流が流れてしまいます。
このラジオの音量ですが、C局が十分な音量で聞くことができます。また、歪みも小さく、結構よい音質で聞くことができます。
ところでC4は電源のパスコンですが、このコンデンサをとると、音量が大きくなりました。最初理由がわからず、少々悩んでいました。理由がわかってしまうと何のことはありません。私はI
Cクリップを付けたリード線で電池と接続しているのですが、このリード線に流れる電流で磁束が発生し、それがバーアンテナに帰還して再生ラジオになっていました。再生ラジオについては第9章で詳しく説明します。通常のラジオ、例えば図5-18のラジオではこのようなことは発生しません。このラジオではICの高周波電流が大きいために、このようなことが発生します。
ならば、積極的に正帰還をかけてみたらどうなるかを実験してみました。もちろん、C4ははずしておきます。写真M3-2にその様子を示します。電源につなぐリード線を2回巻いて、バーアンテナに近づけています。写真の距離より近づけると発振してしまいます。しかし、結構いい感じに再生がかかります。再生をかけると受信している局だけが大きくなりますので、混信を少なくすることができます。写真M3-2では混信も少なく、また結構音質もよいラジオになりました。

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写真M3-2 電源のリード線で再生をかける

私は音量調節を付けませんでしたが、音量調節を付けるときは図M3-3のようにすればよいでしょう。このとき、C5が必要なことに注意してください。

最後にお願いがあります。CMOSは入力に電源電圧以上の電圧がかかると、ラッチアップを起こす可能性があります。ラッチアップを起こすと、大電流が流れ続けるので危険です。今回の回路
では、入力の共振回路を手で触る等により、ラッチアップを起こす可能性があります。これを起こりにくくするには、IC1(1/6)、IC1(2/6)ともに、入力に1kΩの抵抗を入れればよいのですが、今回は入れておりません。まずラッチアップは起こりませんが、念のために電源は電池を使用してください。

ふじひら・ゆうじ
RFワールド・ウェブ・ブックス「ラジオで学ぶ電子回路」第9章 再生・超再生ラジオ(C)Yuji Fujihira 2009http://www.rf-world.jp/-8-