2018年1月9日火曜日

ツェナーダイオードとLEDのノイズ測定(半分失敗)

今計画中の自作ヘッドホンアンプの回路内で定電圧を作る必要があり、4.7Vのツェナーダイオードを使うつもりでいます。
ところが…ツェナーダイオードはノイズが多いから使いたくない!という話をよく聞きます。ツェナーのノイズを嫌って、LEDを定電圧素子として使う場合もあるようです。自作オーディオ界隈だとLED電源というのが有名ですね。

しかし実際はどうなんでしょう。ツェナーダイオードでは降伏電圧が小さいほどノイズも小さくなりますから、(数十Vのものならともかく)4.7V程度ならオーディオ用に使っても問題無さそうな気がします。実際、メーカー製のオーディオアンプの回路図を見ても、数V程度のツェナーダイオードはバリバリ使われています。ノイズもバリバリ?そんなことはないでしょう。

「でしょう」とか「気がします」とか言っていても仕方がないので、簡易的な測定をやってみました。

まずツェナーダイオードの品種によるノイズの差を測ってみます。 測定対象は秋葉原で買ってきた以下の2種類。

メーカー型番電圧購入店価格
PANJITGDZJ4.7C4.7V秋月10円
RENESASHZ5B-1-E4.6~4.8V千石20円

測定用に、下の図のような小道具を用意しました。


失敗基板の端を適当に切りとって作りました。外部からのノイズ侵入をできるだけ防ぐため、基板に3.5mmジャックを直付けしました。

これを手持ちのICレコーダー TASCAM DR-07mk2に接続します。



レコーダーの設定は以下の通り。
44.1kHz 16bit モノラル WAV 録音レベル50 
これで0.1Vrmsの入力が大体-5dBとなるようです。
この設定で10秒間録音し、データをWavespectraに入れてピークのスペクトラムを見てみます。

まずは上の回路図のツェナーの部分をショートして測定限界を確認しました。
ギザギザノイズが気に入りませんが仕方ないですね。
グラフが小さくて見えにくいかと思いますが、クリックで拡大できます。

測定限界が分かったところで、千石電商で買ったRENESAS  HZ5B-1-Eを測定しました。
青が測定限界、赤がツェナーです。
このダイオードのノイズは測定限界以下のようです。これならオーディオ用にも問題なく使えそうです。
測定時のツェナーダイオードの電圧は4.72Vで、電流は4.82mAでした。

では次に、秋月電子で買ったPANJIT  GDZJ4.7Cです。
上と同じく青が測定限界、赤がツェナーです。
マジですの?
これはけっこうノイジーですね。電圧が同じなのに、品種によってこんなに差が出るとは思いませんでした。どちらかのダイオードで測定ミスがあったのではないかと思って両方やり直しましたが、結果は変わりませんでした。
ノイズを気にするときはこのダイオードを使わない方がいいかもしれません。安かろう悪かろう、か…
測定時のツェナーダイオードの電圧は4.80Vで、電流は4.68mAでした。


さて、気を取り直してツェナーダイオードの定番ノイズ対策を試してみました。
秋月ツェナーに25V 100μFの電解コンデンサ(東信 UTWRZ)を並列接続したときのグラフです。青が測定下限、赤がツェナー。
だいぶノイズが減りましたね。
ついでに、電解コンデンサの有無の比較を下のグラフに示します。青がコンデンサあり、赤がコンデンサなしです。

ツェナーのインピーダンスが低いので低域のノイズは取り切れていませんが、大体2kHz以上のノイズは測定限界以下まで落ちていることが分かります。

ツェナーダイオードについては以上です。

次に、LEDのノイズを測定してみます。
測定対象は以下の3種類です。

メーカー型番購入店価格
OptoSupplyOSG8HA3Z74A黄緑秋月10円
OptoSupplyOSY5JA3Z74A秋月20円
OptoSupplyOSR5JA3Z74A秋月10円

同じメーカーの高輝度ではないLEDを3種類選びました。色によるノイズの違いがあるかどうか知りたいというわけです。もちろんツェナーとの比較もしたいので、電圧ができるだけ4.7Vツェナーに近くなるよう2個直列にしました。

測定装置はツェナーの時と同じです。
結果から言うと、これら3種類のLEDのノイズは全て測定限界以下でした。
測定時のLEDの電圧は3.7~3.9Vで電流は5.6~5.8mAでした。
グラフは省略です。

【まとめ】
同じ電圧のツェナーダイオードでも品種によってノイズの量が全然違うということが分かったのは意外な収穫でした。今計画中の自作アンプにはRENESAS  HZ5B-1-Eを使おうと思います。
また、今回の実験ではPANJIT  GDZJ4.7C以外のノイズが全て測定限界以下となり、評価できませんでした。もともとLEDとツェナーのノイズを比較したかったわけですから、そういう意味では実験は半分失敗ということです。測定装置や測定方法をもっと工夫して、他の素子のノイズも評価できるようにしてみたいものです。

2018/01/20 追記
トランジスタ技術 2014年8月号やトランジスタ技術SPECIAL 139号に掲載されている記事「抵抗の熱雑音が見える!1nV/√Hz低雑音プリアンプ」に、4種類の定電圧素子(赤LED, 青LED, TL431, 3.3Vツェナーダイオード)のノイズ測定結果が載っています。この記事では測定結果をもとに青LEDを低ノイズな素子として推薦していますが、1種類の青色LEDの測定結果から青色LED全般を勧めるのは適切なのでしょうか。
私が測定した2種類のツェナーダイオードと同様に、青色LEDのノイズの大きさも品種によって違うかもしれません。せめて、測定したLEDの型番を明記していただきたかった…と思っています。

2018年1月5日金曜日

テルミンの設計と製作(4)完成

前回までの記事でテルミンの回路が全部できたので、ケースに組み込みました。




タカチのプラスチックケース TW11-5-22を使いました。
アンテナはBNCコネクタで接続するタイプで、取り外し・伸縮可能です。
電源には12V 100mA以上の適当なACアダプタが使えます。スイッチング式だと多かれ少なかれ出力にノイズが乗るので、トランス式のものが必要です。

動作させてみました。



このテルミンはスピーカーを内蔵していないので、外部のアンプを通して動画の右後ろに映っているスピーカーから音を出しています。
最初はエフェクターなしで、36秒頃からディストーション、50秒頃からディレイを入れています。
案外難しく、まだ曲を演奏する段階には至っていません。

アンテナと直列にコイルを入れると演奏しやすくなると聞いたのですが、いろいろなインダクタで実験してみても周波数可変範囲が狭くなるだけで全然演奏しやすくならなかったのでやめました。

最後に、全回路図を載せておきます。
メイン基板で1枚、エフェクター基板で1枚、基板に載っていない部品で1枚の計3枚です。


メイン基板


エフェクター基板

基板外の配線図
音声信号のラインにはトロイダルコアを使ったコモンモードフィルタ、電源ラインには市販のEMIフィルタを入れました。これらがないと、テルミンに繋いだ音声ケーブルや電源ケーブルに手を近づけるだけで微妙に音が変わってしまいます。

もうちょっと回路をブラッシュアップしたいところですが、動作に問題がないのでとりあえずよしとします。
秋葉原の店頭で手に入る部品しか使っていないので、部品の入手に困ることは今のところ無いはずです。ぜひ読者の皆様も作ってみてください。

おわり

テルミンの設計と製作(3)エフェクター部

前回までの記事でテルミンは完成しているのですが、ただのテルミンでは面白くないのでエフェクターを内蔵させましょう!

…しかし楽器の演奏は全くやらないので、エフェクターを作ったことがないのは勿論、どんな種類のものがあるのかも全然知りませんでした。
そこでwebでいろいろなエフェクターについて調べたり試聴したりして、まずはディレイをつくることにしました。

ディレイ用のICとしては、秋月で買えるPT2399が便利です。早速これを買ってきてほぼデータシート通りの回路を組んだら、すんなり動いてくれました。ディレイ時間は約40mSから数百mSまで半固定抵抗で変えらるようにしました。
これは簡単で面白くて良いですね。いろいろ遊べそうです。


ディレイだけだと2回路入りのオペアンプが1回路余っていてもったいないので、ついでにディストーションを実装することにしました。
いろいろなディストーション・エフェクターの回路図を見てみましたが、ダイオードで波形をクリップさせるタイプが一般的であるようです。
というわけで(?)、全然違うタイプのものを作ってみました。下に示す回路図の右上の部分です。
出力波形はダイオード式と全然違うので、音も違うでしょう。ディストーションと呼んでいいのかどうかは分かりませんが、歪んでいることには違いないのでディストーションということにしておきます。

できたエフェクター部の回路図です。
(2018年1月7日 図の高解像度化・赤文字の追加)


完成した基板はこんな感じです。
秋月のC基板にぴったり収まりました。


これでテルミンの基板は全部できたので、あとはケースに組み込んだら完成です。次回の記事はまとめ。



テルミンの設計と製作(2)低周波部


さて、今回はテルミンの低周波部について解説します。
高周波部はシミュレーション通りにいかないことも多く、いろいろと試行錯誤が必要で意外に面倒でしたが、低周波は大体思ったとおりに動いてくれるので気が楽ですね。
低周波部の回路はこんな感じです。



まず、前回触れたDBMの出力からです。
このDBMの3pin出力はエミッタフォロワなので、適当な抵抗を1本外付けしてやれば信号が取り出せます(※2pinからコレクタ出力も可能)。ここではデータシート通りの510Ωを使っています。
DBMの出力には高周波も含まれているので、まずはLPF(ローパスフィルタ)で音声信号だけを取り出します。出力電圧は100mVpp程度なので、オペアンプで適当に増幅します。
単電源なので反転増幅の方が楽に作れるはずですが、普段よく使う非反転増幅を何も考えずに採用してしまいました。
このあたりは疲れていたのか、全体的に適当で筋の悪い設計になっており若干恥ずかしいです。改良の余地があちこちにありますね。

まあいいでしょう。

さて、前回途中まで触れた音量調整についてです。
倍電圧整流でできた直流電圧をオペアンプで適当に増幅してやり、アナログフォトカプラに入れます。
アナログフォトカプラはLEDとCdSセルが向かい合わせになった素子で、電流の変化を抵抗値の変化に変換することができます。このCdSセル部をボリュームとして使えば音量制御はバッチリです。やったぜ。
フォトカプラ用のオペアンプには、入出力レールtoレールで±250mAまで出力できるAD8532を使いました。音量最大時にはフォトカプラのLEDに20mA程度流れます。
アナログフォトカプラの代わりにFETを使うのも良さそうです(むしろそれが普通か)。

というわけで、音声信号はアナログフォトカプラ内のCdSセルを使ったボリュームと普通の可変抵抗を通り、もう一度オペアンプによるバッファを経由して出力されます。出力のオペアンプは安くてパワフルなNJM4556Aを使っており、直接イヤホン・ヘッドホンを駆動することもできます。

メイン基板はこんなところでしょう。ここまでがテルミンの主要部分でした。

製作風景を1枚。


やらせ写真です(工作中の机がこんなにきれいなわけがない)。


次回はエフェクター基板について書きます。

テルミンの設計と製作(1)高周波部

テルミンを作りました。

テルミンは1919年にロシアで発明された世界最古の電子楽器です。
本体に手を触れず、空間中で手を動かすことによって音程と音量を制御します。
現代ではマイコンと距離センサがあれば似たようなものが簡単に作れると思いますが、今回はあえてアナログ回路で伝統的テルミンを作ってみることにしました。

さて、距離センサを使わないならば空間中の手の動きをどうやってセンシングするのか?
言われてみれば簡単なことで、高周波発振器を使います。
高周波発振回路にアンテナを付けてその周囲で手を動かすと、静電容量の変化によって発振周波数が若干動きます。この周波数変化を使って音程や音量を変化させるのが伝統的なテルミンです。単純そうに見えるテルミンですが、実は中身は高周波回路なんですね。

というわけで、まず音程制御部からです。


約455kHzの発振回路が2つあります。ひとつはセラミック発振で、もうひとつはLC発振です。
セラミック発振の周波数は固定されているのですがLC発振器にはアンテナが付いており、これに手を近づけると静電容量によって発振周波数が若干下がります。

この2つの発振器の出力をNJM2594というIC(DBM)に突っ込んで、2つの発振周波数の差の周波数を取り出します。これがテルミンの音の周波数になります。
例えばセラミック発振の周波数が455kHzでLC発振の周波数が453kHzだった場合、
455-453=2kHzの音が出るという具合です。

では具体的に回路を見ていきます。
まずはDBMまわりからです。
DBMの電源には、あらゆる箇所で使われているLPF(ローパスフィルタ: 上の図中のR7とC7)に加えてダイオード(D1)が入っています。これは電源電圧をDBMの推奨動作条件[1]の範囲内まで落とすためです。
DBMの入出力インピーダンス整合は特にやっていませんが、動作に問題はありませんでした。

また、DBMへの入力は5pin(セラミック発振側)を600mVpp以下, 7pin(LC発振側)を100mVpp以下に抑えたほうが良いようです[2]。セラミック発振側の電圧についてはIFT(T2)のコアをテキトウに回し、あえてIFTの共振周波数を外してやることで調整できます。邪道ですね。
またLC発振側については、おかしなIFTの使い方をしています(上の図中のT1)。ここではIFTの共振は非常にブロードで、単なる降圧トランス的な働きになっています。ますます邪道感が高まってますね。このIFTで発振回路の出力を大体100mVppに落としています。

音程制御部はだいたいこんな感じです。

次に音量制御です。
ここでは、周波数の変化を抵抗値の変化に変換する回路が必要になります。
まず、周波数変化を電圧変化に変換するため下の図のような回路を作ってみました。

LC発振回路がひとつあります。周波数は470kHz程度です。音量制御部の発振器と同様にアンテナが付いており、手を近づけると発振周波数が下がります。
発振回路の出力にはBPF(バンドパスフィルタ)が付いています。三端子のセラミックフィルタを使いたかったのですが、適当な周波数のものが入手できなかったのでセラミック発振子とコンデンサ2個を使って構成しました。
さらに、BPFの後に倍電圧整流&平滑回路を設けてBPFの出力を直流にします。
ここまでで、発振周波数の変化が直流電圧の変化に変換される回路ができました。
電圧変化を抵抗値の変化に変換する部分については次回の低周波編で書きます。

【注意】
音量制御と音程制御の発振周波数を同じにすれば定数がそのまま流用できて楽ですが、やめたほうが良いようです。私も最初は両方455kHzにしたのですが、引き込みが起こって音程と音量が常に同時に変化するようになってしまいました。
なお、この引き込みはアンテナ経由で起こるようで、どれだけ基板上のセパレーションを良くしても意味がありません。

次回は低周波部についての記事です。


【参考資料】
[1] NJM2594 データシート
 https://www.njr.co.jp/products/semicon/PDF/NJM2594_J.pdf

[2] 電子うさぎ NJM2594を検証してみた!使えるDBMまとめ
 https://xn--p8jqu4215bemxd.com/archives/2229


【続き】
テルミンの設計と製作(2)低周波部
テルミンの設計と製作(3)エフェクター部
テルミンの設計と製作(4)完成

2018年1月2日火曜日

QSOパーティ移動運用

あけましておめでとうございます。
毎年恒例のQSOパーティに合わせ、ハンディ機を持って移動運用に行ってきました。
本当は朝から運用するつもりだったのですが、初売りに行ったり昼寝したりしていたら遅くなってしまい、運用地に着いたのは13時半頃でした。


場所は広島市西区の山の中腹です。標高は150m程度。

去年のQSOパーティで使った三脚やロッドアンテナ(RH-770)は東京に置いてきてしまったので、屋根馬を使って立てた塩ビ管に1mほどのモービルホイップを取り付けて運用しました。

終始0.5Wでの運用でしたが2mのFMでCQを出すとよく呼ばれ、1時間半ほどで20局と交信
しました(4エリア18局、5エリア2局)。中学生の頃からお世話になっていた方々とも久しぶりに交信できてよかったです。
よく晴れていて暖かかったので、コートも脱いで気持ちよく運用できました。

そして帰る途中、運用地から少し下ったところにある公園で偶然JR4DHK局とお会いできました。デジタルモードやフリーライセンス無線に関する様々なお話をうかがったり設備を見せていただいたりして、特にD-STARに興味が湧いてきているところです。アイボールありがとうございました。

というわけで、6回目(多分)のQSOパーティを楽しんできました。これからログを提出しようと思います。

2017年10月29日日曜日

8cmフルレンジユニットでスピーカーを作った

かなり今さら感がありますが、つい先日「これならできる特選スピーカーユニット フォステクス編 (ONTOMO MOOK)」を買ってきました。


フォステクス製のOMF800Pという8cmフルレンジユニットと、ちょっとした冊子が入って定価4,968円。大学の生協で買ったので1割引で4,471円でした。

これを使って早速小さいスピーカーを作ります。今回設定した条件は以下の3つ。
・机の上に置ける程度のサイズ
・製作が簡単
・音がそこそこ良い
これらを考慮して、小型のスリットバスレフに決めました。

まずspedというソフトで簡単なシミュレーションを行います。
結局、長岡鉄男氏のBS-8を参考にしてほぼ同じものを作ることにしました。私のような初心者がいきなりオリジナルですごいものを作ろうとすると大抵失敗するので、真似から始めるのが一番です。
BS-8では14mm厚の板が指定されていますが、そんなものは身近にないので15mmを使うことにしました。このサイズのスピーカーで15mmは割と分厚いほうだと思います(例えばFostexのP-800Eは9mm)。

設計が決まったので、さっそく東急ハンズに買い出しに行きました。台風21号の風雨の中でしたが、思い立ったが吉日というやつです。
910×300×15mmのMDFを購入し、直線カットをやってもらいました。カットは1回につき54円です。

ユニット用の丸穴は、無線部室でボール盤と自在錐を使って開けました。
東急ハンズで丸穴を開けてもらうこともできたのですが、少しでも節約ということで…

ユニットの着脱が繰り返しできるように、板に鬼目ナットを埋め込んでみました。

組立ては木工用ボンドのみで行いました。さすが東急ハンズ、カットの精度はバッチリです。
バスレフポートの出口には、カッターナイフとやすりを使って自分でRを付けました。少々の個体差を気にしてはいけません…

上の画像のところまでできたら、側板をF型クランプで仮どめして試聴します。内部に入れる吸音材の位置と量を調整するためです。

↑試聴中のようす。普段CM5S2を載せているスタンドを使っているので、かなりミスマッチに見えます。

いろいろ試してみた結果、下の画像のように両側面、上面、背面上部に吸音材を配置することにしました。
音の躍動感を損なわず、バスレフ効果を阻害せず、かつ余計な付帯音を出さないように…というのは結構難しいですね。適当なところで妥協してしまいました。
ちなみに、今回使った吸音材はジャンクの既製品スピーカーから抜き取ったものです。

吸音材の調整が済んだらあとは側板をくっつけるだけ!
いちおう完成です。
2~3時間ほど鳴らしてみましたが、なかなか良い感じです。
変な癖は小さいようで、躍動感があって楽しく聞けます。8cmフルレンジ1発ですから低音は出ませんが、ポップスならあまり気になりません(オーケストラなどは当然無理)。
高音に多少キツいところがあります。空間は平面的です。
これからしばらく鳴らしてみて、どう変わっていくか楽しみです。

今回使った材料をまとめてみました。
材料 購入場所 価格
スピーカーユニット 大学生協書籍部 \4,471
スピーカー端子 千石電商 \500くらい?
MDF
910*300*15mm
東急ハンズ
池袋店
\1,917
(うち加工費\594)
M4*10mm 鬼目ナット どこかのホームセンター \200くらい?
M4*15mm ネジ どこかのホームセンター \100くらい?
木工用ボンド ダイソー \108
買い置きがあったものについては価格が曖昧ですが、だいたい7000円くらいで作れたことが分かります。

使った道具は以下の通りです。
道具 今回の用途
ボール盤 穴開け
自在錐 穴開け
F型クランプ 接着時の固定
レンガ 接着時の重し
カッターナイフ R加工
六角レンチ 鬼目ナット取り付け
プラスドライバー ユニット取り付け
紙やすり 仕上げ


このスピーカーの置き場所を考えなければ…

(2017/11/26 追記)
ダイソーの100円水性ニスでサッと塗装しました。
さらに、底に鬼目ナットを埋め込んで仰角を付けられるようにしました。
TDA7492アンプを繋いで鳴らしています。