無線・電子工作工房のＨＰですが、無線関係のページが多くなっていました。よってこの度"電子工
作の部屋"を作成しました。 小学校高学年の電気電子教材として作製しているものが主体となって
います。 児童が動作原理まで理解するのは難しいものもありますが、こんなことが出来るのか、や
そのおもしろさが伝われば良いと考えています。 作製品についてのご質問等がありましたら、ＨＰ
トップのアドレスへ連絡して下さい。今後とも追加したいと考えていますのでみなさんのお役に立て
ば幸いです。
その２ 無線・光・音波による伝送
モーターの基本であるフレミング左手の法則を壊
れたメーターの磁石による磁界を利用し、その中
にコイルをおいて電流を流してコイルが動くことを
確認します。 また電流の方向をＳＷで逆にすると
動く方向も逆になるのも確認できます。
当然回転はしません磁石にコイルがぶつかるとこ
ろまで動くだけです。
直流モーターとして最も簡単な固定界磁に馬蹄形
磁石を使ったものを作製しました。 シャフトは竹の
箸を使用し、整流ブラシは燐青銅板をカットしてい
ます。 長時間回転させると当然ですが、竹が摩
擦で次第に摩耗してきます。 ２極モーターを製作
したのは小学校の時以来でいにしえの昔を懐かし
く感じました。
ソレノイドコイルの内部鉄芯吸引動作を利用して
その横方向の動きをクランクで回転動作に変換し
て廻るモーターです。 クランクを吸引するタイミン
グは、同軸で回転する切り欠き板をフォトインタラプ
タで検出しＴＲとＦＥＴでコイルの電流を制御してしま
す。 したがってモーメントが発生する角度はせい
ぜい100度程度であり、フライホイールがなければ
連続回転とはなりません。 起動時も手で支援する
必要があります。 まあ１０００馬力のガソリンエン
ジンでも自ら動くことは出来ないですから・・・
昔のたんぼで石油発動機が廻っているようなのん
びりとしたまわり方です。
ＯＡやロボットの進歩で大変需要の増えているス
テップモーターの動作実験装置です。 基本的な
回転部は秋月電子の回路を参考にしています。
それに、ＶＣＯよる発振回路でパルスを発生して
ＶＲにより回転速度を可変としています。
それに、１ステップＳＷと正・逆切り換えＳＷを追加
したものです。 パルス数にて回転する角度を正
確にコントロール出来る、また停止時は自動的に
ブレーキがかかった状態となることなどの勉強が
できます。
多くの児童クラブ等でよく製作されているリードスイ
ッチモーターです。 コップの内側に張り付けた２
個の永久磁石をセンサー、と吸引又は離反のエネ
ルギーとして連続回転するものです。 リードリレー
は定格によっては最大電流をオーバーして簡単に
接点が溶着します。 小容量のものでは回転トルク
は低下しますが、電流制限抵抗が必要となります。
センサーとして利用するのであれば、別にドライブ
素子が必要となり、1.5Vでは動かせなくなり簡単と
いう趣旨から外れるのでやむを得ないとこです。
リードスイッチの動作原理を理解させるのが難しい
点でしょう。
これはリードスイッチモーターで使用するリードス
イッチの動作を理解する為の簡易装置です。
中央のリードスイッチに右巻き、左巻きで２つの
コイルを巻き付けてそれぞれの負荷に豆電球を
つけ、スイッチの接点で電子ブザーを鳴動するよ
うにしたものです。 電圧を印可して中央のスイ
ッチを押すとＬＲそれぞれのランプが同時に点灯
し、リードスイッチは逆方向の電流により磁界が
うち消されブザーはなりません。 どちらかのランプ
が切れた時は磁界が発生して接点がＯＮとなり
ブザーが鳴動します。 すなわち排他的論理和の
回路を形成しています。 自動車のストップランプ
切れの検出に昔使われていたのを思い出し作製し
てみました。
音声を無線・光・音波を介して離れた場所へ伝える実験を行い、伝送(AM)とは何かについて理
解させるのが目的となります。 理屈は小学生では難しくこんなことが出来るレベルとなります。
その１ モーターについての教材
前記親機の音声ＡＭＰ出力を直流バイアスを掛けた
赤外線発行ダイオードへ与えます。 動作している
か見えないので、青色発行ダイオードを追加して目
で見えるようにしています。
送信側の赤外線を赤外線フォトダイオードで受けま
す被ＡＭ輝度変調波なのでそのまま取り出して増幅
しスピーカを鳴らします。 送受信装置の距離を離す
と音が小さくなります。 このとき虫眼鏡を受光部に
焦点距離をあわせて置くと光が強くなり音が大きくな
ります。 虫眼鏡で音を大きく出来るのは不思議な
感じがすると思います。 また、受光部に回転する羽
根付き板で光を遮断すると、回転スピードにより約
700Ｈｚの矩形波が出来て疑似サイレン音となりま
す。
前記赤外線送信機と同様に40KHzの超音波に音声
のＡＭ変調を掛けて送信してみました。
変調はトランスとダイオードによる平衡変調回路を作
りＩＣで発振させた40KHzのキャリアを注入します。
キャリアの一部を出力側へリークさせてＡＭ波を作り
ます。 それを40KHzの超音波振動子へ加えて送信
します。 超音波素子の周波数帯域が狭いのと、直線
性が良くないと思われ対向試験での音質、Ｓ／Ｎはあ
まりよくありません。 元から違う用途のものを流用
している訳ですからしかたないと思います。
低い音を高い音(聞こえない)に乗せて送ることが出
来るのを理解出来るかな？
上の超音波送信機からの被変調波を受信して増幅
し、スピーカを鳴らす装置です。 基板は秋月通商
の超音波デテクタキットを流用しています。 本来は
反射波を検出する為の回路なのでゲインが高すぎ
為ＡＭＰの段数を減らして適当なゲインとしています
。 超音波送受信素子の紙コップは見た目で超音
波の方向を示しているだけで特に意味はありませ
ん。 互いの対向位置をずらすと聞こえにくくなり、
素子の指向性や超音波の直進性が学習できます。
その３ 発電の基礎
フレミング右手の法則を基本とする発電の原理を理解するために磁束方向、運動方向、電流方向
の関係をわかりやすく見る為に作製しました。 その他の太陽光発電、圧電素子なども含めて学習
できるようにしたものです。
馬蹄形永久磁石による磁束の中をぶらんこ状のコ
イルを揺らすとコイルに電気が発生しその電流方向
を検流計で見れるようにしたものです。
また、その電圧はシンクロでも観測出来るように端
子を出しています。
馬蹄形永久磁石は固定の金具にはめ込みとしてお
りＮＳを逆にすることができる。
他の発電として太陽光パネルや圧電素子の発電の
様子も観測出来るように外部入力とメータ感度調整
ＶＲを追加しています。
実際の発電機として、直流と交流の手回し式発電
機をまた小型の太陽電池パネルを取り付けて切り
換え出来るようにしています。 負荷としては電圧
計を付けた、電子ブザー、タングステン豆球、発行
ダイオードとしています。 負荷にはＳＷ付きでス
ーパーキャパシタ(1F×2個)を付けて一応蓄電に
ついても学習できます。 外部電源による負荷動
作も出来るように端子を設けています。
写真右がＤＣ、左がＡＣ式の手回し発電機です。
但し、ＡＣ発電機は３相で内部に整流器を有して
おり出力はＤＣとなっています。 よって整流前の
ＡＣ出力のモニタ出力をだしています。
太陽光による発電実験用に定格６Ｖのパネルを２枚を購入し、容量が小さいので少しでも効率よく
発電出来るように、季節、時間帯により角度を可変出来るようにした台座に取り付けました。
パネルはネットで適当に購入したものでよく仕様を確認しなかったことよりその出力電圧はＭＡＸでも
１３Ｖ程度しかなく１２Ｖの鉛電池を充電するのには全く不足でした。 やむなくロスは覚悟のうえで手
持ちの１２Ｖ→５ＶのＤＣ−ＤＣコンバータの電圧を改造し出力を直列として、14.5Vになるようにしまし
た。インバータは３００Ｗのものを使用しています。 電池とインバータ盤との間は10A以上の電流が流
れることよりかなり太い線で接続しています写真の赤、青線はとりまわしが不可能な為接続部分のみ
です。充電用電源及びインバータはスイッチング方式の為、かなりノイズを発生します。 よってそれら
を低減する為、容量の大きいフィルタを取り付けています。 ＡＣ１００Ｖの出力は矩形波なので、小型
の電動工具等でスピードコントロールに使用されているトライアックは殆ど機能しませんので念のため
測定器はノイズの件もありもっぱら半田こてとルーターの電源として使用しています。
室内のラジオ(6Vへ変換)や無線機へは１２Ｖから直接供給しています。
設備費用を考えたら九電からの電気を使用するのがはるかに経済的と思いますが極わずかではあり
ますが省エネには貢献できているのは確かです。
その４ 音の学習
子供用の遊びと自己保持の学習用として、いらい
ら棒を作製してみました。 以前テレビではやった
ものは、２本のパイプ間をうまく触れないように棒
を通すものでしたが、簡易的に適当に曲げた銅線
に触れないように丸く作った片方の電極を通す方
法としています。 丸の直径はレベルにあわせて
大、小２つ作製しました。 触った場合は赤のＬＥ
Ｄ点灯と電子ブザーの鳴動としています。 自己保
持はＰＵＴの１３ＴＩを使用しています。 リセットは
ノンロックの跳ね返りＳＷで行います。 低学年の
子供では大の丸でもかなり難しいようでした。
単三電池２本で動作します。
身近な存在である”音”についてその存在や特性について学習することになりました。その教材
としての実験装置を製作しましたので紹介します。 やや音の仲間である超音波主体となってい
ます。
音の基本を学習する為に、ＡＦ帯発振器よりの信号を
増幅して各周波数各レベルの音を鳴らすＡＭＰです。
ＴＡ７２４０Ａを使用したＢＴＬ式１０Ｗとしています。基板
はエッジングにて作製しています。 その他モニタ用の
端子、ＣＤプレーヤ入力ジャック、赤外線及び超音波
送信機用のＤサブ９ピンコネクタ等を追加しています。
電源はＡＣ１２Ｖで本機内で全波整流を行っています。
これはＡＣアダプタの出力コネクタの極性が２種類あり
どちらでも対応出来るようにした為です。
黒く見えるのは安物のカーステレオ用のスピーカで
切断スイッチを付けています。
これは以前に購入して保管していた秋月電子のキットで沖の音程変換用ＩＣを使用したものです。 キットの出力に２ＷのＡＭＰ基板を追加しています。また屋外で使用出来るように取付板の裏側に１２Ｖの充電式電池パックを取り付けています。 充電は１５ＶのＡＣアダプタで行います。
音程はアップとダウン各７ポジションでパルスにて設定し、リセットでノーマル出力となります。
このＩＣはピンのピッチが狭い為、普通のユニバーサル基板には刺さりません。 よってＩＣの各ピンに０．２５ｍのメッキ線を延長接続しています。 細
かい作業でした。 マイクの音声が宇宙人の
声になるので子供は喜びます。
本機は上記秋月のキットがデジタル処理しているのに
対して、アナログ方式にて音程を連続可変出来るよう
にしたものです。 ベースは７．８ＭＨｚのクリスタルフィ
ルターを実装した熊本スタンダード方式のＳＳＢジェ、レ
ータを使用してＩＦ出力で折り返しＳＳＢのリング復調器
に外付けの同じ周波数のキャリア水晶をＶＸＯとしてそ
の出力をＶＲで可変し復調音声をシフトさせるものです。
基板はそのままではゲインがありすぎるので適当に
ＦＥＴを削除しています。
問題点は同じ装置内にほぼ同じ水晶周波数が存在
するため平衡変調にて、しんけんにバランス調整を行っ
ても回り込み等でビート音を０には出来ないことです。
小さな音ですが無音時は聞こえてしまうのは現状では
やむを得ないと思っています。
ここからは超音波利用の秋月キット３連発です。
これは超音波ディテクタキットを組み立てたもので
す。超音波送受信素子がキットではＴ４０１６とＲ４
０１６になっていますが都合で本機ではＵＴ１６１２
ＭＰＲとＵＲ１６１２ＭＰＲに変更しています。
周波数はいずれも４０ＫＨｚであり特性もほぼ同じ
と考えています。
放射方向へ約３ｍ程度内でうごくものを検知した
場合は中央の赤色ＬＥＤが点灯するようにしてい
ます。当初同時に電子ブザーも鳴動するようにし
ましたが同一基板に取り付けた場合鳴動時の振
動が受信素子に機械的に伝わりホールド状態と
なります。よって取り外しました。 他の基板に取
り付ける又はクッションで振動が伝わらないように
しなければだめですね。
秋月の超音波距離計です。 超音波を発射してその
反射入力をカウンターのゲート信号にすることにより
本機と対象物との距離をデジタル表示するものです。
測定可能距離はせいぜい３ｍ程度です。
今回基板を単独動作可能なように背後に１２ｖの
充電式電池を搭載しています。
超音波の直進性や音速の学習が出来ます。
これも同じく秋月の単一指向性可聴スピーカの実
験キットです。 音声信号に変調をかけて５０個の
超音波素子より一定方向へ放射するものです。
音声は空気中で生成され耳で聞こえるようになり
ます超音波の特性として、正面方向へ指向性が
あり、側面方向では音圧レベルが低下します。
実験器なので出力も低く正面での音の大きさは
ｍａｘ通常アンプースピーカのせいぜい０．２ｗ程度
でしょうかまた指向性については、広い場所で試し
ていないので正しい評価は出来ません。
超音波利用の一例として、今後用途は広く期待さ
れるものです。 音声入力はＣＤプレーヤにて行い
ました。 聞こえる理由については添付の資料や
ネット内を見ても今一よく理解出来ません。
本器は発振用ＩＣ８０３８にて３８ＫＨｚを作りそれを増幅して、素子へ出力する超音波洗浄機です。
勿論素子は水中に入れて動作させます。発振周波数を素子と共振させて、出力を上げると素子の
正面にキャビテーションの泡が発生します。
実際の洗浄能力評価は不明ですが彫刻式キー
トップの洗浄ではまあまあの仕事はできました。
その他
その５ホール素子モーターの作製
その１で作製したリードスイッチモーターのリードスイ
ッチの部分をホール素子(SHI-MDUU1)としたもので
す。 素子の出力はＴＲコレクタ出力(MAX15mA)とな
っている為、マグネットドライブに2SK1342を使用し
ています。 またマグネットの動作監視用にＬＥＤを
追加しています。 センサーの位置は微妙な為、調
整しやすいようにしています。
動作電圧は10V〜12V程度で元気に回転します。手前のスイッチはマグネットの極性を反転させ回転方向を決めるものです。 変更時はセンサーの位置も同時に変える必要があります。
リードスイッチモーターはマグネットとリードスイッチの位置調整でその回転速度が変わります。
ベスト位置で最高回転となる訳ですが、児童が
作製後その回転数を競うことが出来るように”
回転計測アダプタ”を作製してみました。
(1)反射型フォトセンサータイプ(黒コード)
回転コップに反射テープを貼ってその部分に反射型フォトセンサー(TPR-105)を使ったプローブを作製してパルスを計測します。
(2)非接触回転速度センサー(OH182/E)タイプ
(白コード)
動作原理は難しいですが、自ら磁気を送出してその磁気の乱れを検知するようです。 よって
コップの内側に貼り付けているマグネットに反応し、パルスとして取り出すことができます。
この場合実際の回転数の２倍となります。
写真はセンサーの感度、位置、角度などで不確定要素があるため、固定ホルダーに取付て測定している様子です。 正しく検知しているか？目で確認出来るように、パルスをバイナリーカウンターの4520Bで分周して速度に応じた点滅
としてＬＥＤを点滅させています。(IC出力を切り換え)電源は8.4Vの積層充電電池で行っています。連続３時間は余裕で動作します。
出力は10Hz程度なのでユニバーサルカエンターのタイムモードで計測しｆ＝１／ｔで算出します。写真の場合10.593Hz 635.5rpmとなります。
センサーの切替は８ピンのマイクコネクタへそれぞれ別の端子へ出力しており、差し替えて
使用します。
反射型フォトセンサー 1〜4ピン
非接触磁気センサー 5,6ピン
バッテリィーの電圧監視用に小型のラジケーターを取り付けています。
反射センサーにて回転数を計測中
アダプタ内部の部品配置状況
その６ＬＥＤライトの作製
近年ＬＥＤは標示用の素子から照明用素子へと
なり、又個人でも簡単に高出力のものが入手出
来るようになりました。 そこで昨今の節電運動
もあり、前記の太陽光で得られる12Vで動作する
ＬＥＤランプを作製してみました。
１ｍｍのアルミ板を曲げてその内側へ３ＷのＬＥ
Ｄ３個をシリーズに接続して、供給電圧をコントロ
ールする為にLM317（MAX1.5A）と2.2Ωの抵抗
を取り付けています。
最も明るくした場合15Vで約600mA流れます。
動作確認後元々作業机で使用していたAC100V
の蛍光灯部分へ取付ました。
＊元々の蛍光灯は２０Ｗ
夜間点灯中かなり局所照明となるが、明るさ
はまあまあである。
使用したＬＥＤは0SW4XME3C1S 3W 放熱付き
３個を裏面にシリコングリスを塗ってビス２本で
固定
作業中はＡＭラジオを聞いているが、蛍光灯を
点けるとインバータ方式の為、ノイズを発生して
弱電界地域(田舎)では大変耳障りでした。
直流でしかも電気代がただとなり、ノイズも無く
なりました。
回転数の測定方法をもう一例作ってみました
回転体をストロボ発光周期と同期させて(止まって見える状態)その時の周期又は周波数を測定する方法です。 ストロボの発振回路は以前購入した秋月のキットを使用しました。 本キットでは、白色の
やや大型のＬＥＤ３個を使用していましたが、輝度が
不足し、同期状態が判りづらいものでした。
近年高出力のＬＥＤが入手可能となったことより、この発光部を１ＷのＬＥＤに交換して実験したところ
かなり改善することより、ケース(中古)に組み込む
こととしました。 キットでは周波数の可変はポテンショメータ＋バーニアに依るもので目盛りの直読(RPM標示)となっておりますが、操作性、直線性の
問題で通常のＶＲとボール式のバーニアで目盛り
板にカウンタで校正しながら数値を手書きとしました
おおよその周波数は判りますが、正確には外部へ
カウンター出力を出して計測可能としています。
また、目盛りのワイド表示化の為周波数のバンドを
Ａ：5Hz〜35Hz Ｂ：35Hz〜210Hz Ｃ：21Hz〜1500Hz の３つに分割しています。 それと、基板内
にある発光時間調整用の半固定ＶＲを表面パネルにＶＲとして移動しています。
今回の測定では回転が不安定なこともあり、なかなか同期させるのは難しかったです。
写真は周期測定で58.3mSで17.15Hz
1,029.2rPmとなります
内部の様子
計測の様子
