【第8回】自作エフェクター製作解説 [19 sixty 3 modify]

第８回では以前友人へプレゼントした自作エフェクターの製作について解説していく。製作したエフェクターの種類はブースターで、「19 sixty 3」の回路をベースに部品定数の変更し、筐体を小型化した。今回は製作工程をあまり写真で残しておらず、詳細な説明はしないが、コメント欄に質問してもらえると嬉しい。

今回はプレゼントなので、有って損しないブースターを選択。「19 sixty 3」は回路規模も小さく、電子工作の初心者にもオススメだ。さっそく回路設計に入る。

回路は単純で、ジャンクションFETを使用したソース帰還ソース接地増幅器だ。

ゲインは近似してドレイン抵抗 / ソース抵抗で計算できる。機能はブースターなので、信号がグランドや電源レベルに達してクリップしない様、ゲインは10倍に設定した。

尚、回路図に記載していないが出力のDCカットコンデンサの手前に、エフェクターのつまみになるボリュームを接続する。増幅器のゲインは10倍なので、ボリュームの設定が1/10のとき入出力の信号レベルは等しくなりバッファーとして機能する。

また、ソース抵抗によりゲート電圧はバイアスされるため入力にDCカットコンデンサは不要となる。

ソース抵抗によってジャンクションFETのバイアス点が変わるため、ソース抵抗値によって音の特徴は変化する。

次は部品の選定だ。

今回必要な部品は下記の通り。

・ジャンクションFET

・抵抗

・半固定抵抗

・積層セラミックコンデンサ

・電解コンデンサ

・アルミケース

・ボリューム&つまみ

・LED

・スイッチ

・DCジャック

 ジャンクションFETはベースの回路と同じJ201を選択。もう廃品種のためここ数年で秋葉原からも消えてきている様だ。2015年年末の時点で、ラジオデパート内でしか見つけることができなかった。

電解コンデンサは容量値が大きくなる程、耐圧が高くなるほど大きくなる。今回は小型化するため電解コンデンサのサイズに制限があった。このエフェクターは9V電源で動作させることを想定しているので、耐圧9V以上でサイズの制限をクリアできるものを選択した。

セラミックコンデンサは種類が豊富で、これもサイズと容量値のトレードオフがある。今回はオレンジ色の積層セラミックコンデンサ、通称オレンジドロップを選択。選んだ理由はサイズをクリアできていたことと見た目が好きだからだ。オレンジドロップはかわいい。とにかくかわいいので私は積層セラコンを選ぶとき、可能な限りオレンジドロップを使う。部品の見た目は電子工作のモチベーションに大きく影響すると思っているので、ぜひ自分好みの部品を探してみて欲しい。コンデンサなら秋葉原の千石電商B1Fにいけば好みのコンデンサに出会えるだろう。千石B1Fにはオーディオ用リード抵抗もありこれも色がかわいいので要チェックだ。後で出てくるLEDもカラーバリエーションが多く出ていて好みの色を選ぶことができる。部品の形も各社変わっていてそれぞれ技術的な裏付けがあり、機能美的な視点からそういった違いにも注目してみて欲しい。

話が脱線したが一気に実装過程だ。

小型化するため筐体は通常の19 sixty 3よりもひと回り小さいサイズに実装していく。

ジャックは接触ギリギリを狙ったため穴あけには注意が必要だ。スイッチはもっと下に配置できるが、スイッチを踏んだときに上部が浮き上がり踏みにくくなる可能性があったので中央寄りに配置している。LEDは基板の下に配置しており写真では見えないがホットボンドで固定している。エフェクターの電源はセンターコールドなので配線が逆にならないよう注意だ。

そして完成したのがこちら。完成品の写真すら撮っていなかったのでプレゼントした相手に撮ってもらった。塗装の工程は割愛。ベースを弾くテニスプレイヤーへのプレゼントだったのでそれっぽくデザインし、LEDは緑色。

製作時間は塗装抜きで2日程度で土日を使えば作れてしまう。慣れればもっと早く作れるだろう。部品代はざっくり5000円未満。これからエフェクターを作ってみたいという人にもオススメだ。

システムLSIのためのアナログ集積回路設計技術〈上〉

アナログCMOS集積回路の設計 基礎編

【第7回】2枚の板で音をキャッチする技術

　第7回ではマイクロフォン、通称マイクがどのように音を電気に変えるのか解説していく。マイクの動作原理には大きく分けて2つの種類があり、今回はそのうちの片方である"2枚の板"を使う方法について書いていく。

 

　現在、マイクはどこにでもある身近な存在である。例えばスマートフォンやノートパソコンには、ほぼ間違いなくマイクが搭載されており、多くの人が一つはマイクを持っている時代だ。

 

iPhone6sの場合、イヤホンジャックの隣の小さな穴の先にマイクがある

 

 

本題のマイクの動作原理について説明していく。

 

　今回説明する"2枚の板"を使う方法で音をキャッチするマイクは、一般に"コンデンサマイク"と呼ばれるものだ。この時点でピンと来た方は物理の授業を熱心に受けていたに違いない。コンデンサとは、2枚の板が平行に向き合ったデバイスのことで電圧がかかると電気を貯めることができる。

 

簡潔にコンデンサマイクの動作イメージを述べると、"電気を貯めたコンデンサの板の間隔を音の振動で変化させることによって電気を流す"のである。

 

 

<コンデンサマイクの動作で重要な3つのポイント>

①音の振動で板の片方が震える

②2枚の板のうち片方は震えやすくするためペラペラ

③あらかじめ電気を貯めておく必要があるので電源が必要

 

 

下図はコンデンサマイクの概要図だ。

2枚の板のうち、ペラペラの方を振動板(青色)、もう一方を固定板(紫色)と呼ぶ。

振動板に音がぶつかると、音の振動が板を揺らし振動板と固定板の間隔(図中記号：d)が小さくなったり、大きくなったりする。この間隔dの変化こそが、音を電気に変換したことに他ならない。

 

尚、図中には描いていないがあらかじめ電気を貯めておく為、固定板を基準に振動板に電圧をかけておく必要がある。

式を用いてもう少し補足していく。

 

コンデンサマイクの概略図

上でも述べたがコンデンサマイクはコンデンサそのものである。コンデンサは電気を貯めることができるわけだが、そのタンクの大きさを容量(記号：C)と言う。

式では、

C = ε × S / d

となり、間隔dが小さいほど容量Cは大きくなり、間隔dが大きいほど容量Cは小さくなる。尚、εは板の間にある物質(今回は空気)誘電率、Sは板の面積であり両方とも値は一定である。つまり、コンデンサマイクは間隔dが変化することで、コンデンサの容量を変化させていることになる。

では、なぜコンデンサの容量Cを変化させると電気に変換したことになるのだろうか？

それを説明する為にはコンデンサの式 Q = C × V が必要となる。

Qは電荷を意味するが、簡単に電気の元となる粒だとイメージしてもらえれば良い(図中には「+」、 「-」で描いた)。Cはコンデンサの容量で、Vは電圧である。

式を変形すると、

V = Q / C

となる。電荷Qは理想的にはどこにも漏れず一定であると仮定する。すると式から容量Cが変化すると電圧Vも変化することがわかる。

電圧の変化こそが電気信号そのものであり、めでたく音を電気に変換することができた！

ここからは余談だが、一般にマイクとは手で持って使うタイプをイメージする方が多いと思う。しかし、あの大きさではスマートフォンには到底入らない。実はスマートフォンに入っているマイクもコンデンサマイクなのだが、微細加工を得意とする半導体技術を駆使したMEMSマイクロフォンによって小型化を実現している。

MEMSとは、Micro Electro Mechanical Systems(微小電気機械システム)の略で、簡単に言うとすごく小さな電気仕掛けの機械を作り込んで電子部品として使う技術だ。MEMSマイクロフォンの場合は振動板と固定板、板を支える筐体等諸々を作り込む。大きさは1.5mm角よりも小さいイメージだ。

興味を持たれた方はぜひ調べてみてほしい。

RODE ロード / NT1A コンデンサーマイク

はじめてのMEMS (ビギナーズブックス)

2015年 ふりかえり

ざっくり振り返ると去年以降と比べて仕事をしてる時間は長くなったが、プライベートで少しながら何かしらできた年だったと思う。

一つはこのブログを始めたこと。更新頻度はひどいが、それでも文や写真を発信し始められたことは良かったと思う。自分の専門分野じゃない記事に限って、閲覧やブックマークが伸びたりもした。自分の分野に拘ら技術に興味を持ってもらえそうな内容でこれからも続けていきたい。来年の目標は2週間に一回更新かな。

他にも仕事と関係ないソフトを何個か覚えたり、今まさに勉強中だったりとできることも増やせた。覚えただけじゃ意味ないので形にして発信していきたい。

仕事面では来年に異動が決まっていたり、相変わらず慌ただしくなりそうだ。回路屋としてはまだまだ未熟なので、引き続き経験を積んでいきたい。1年で2製品開発完了できたらいいなあ。

今はちょっとかわった部署にいたり、会社に席が2つあったりで、ずいぶん社内では顔が広くなった。大体の部署に顔見知りがいるのは中小企業の良いところだと思うので、大企業じゃできない開発スピードを出すのが裏目標かな。

たらたら書いて振り返ることができたのは良かったが、年が変わるからといって何か変わるわけでもない。ひたすら今より充実させようとしていれば来年は今年より良い年になるだろう。

P.S. メインのツイッターアカウント等諸々を刷新することにしました。

ツイッター新アカウント:_iizk

Instagram新アカウント:_IIZK

フォローしてやっても良いよって方はよろしくです

現メインアカウントのYae_80は消すつもりも無いですが更新しなくなります

【memo】One minute speech

　会社から補助が出るということもあり、ひと月前から週一回で英語のクラスに参加しています。そこで１分間スピーチの課題があったので、原稿とそれを作る過程を載せてみようと思います。

スピーチのテーマは先生から指定され “The best place to visit in Japan” です。

このテーマを受けて、今回は「広島県竹原市」についてスピーチすることにしました。

尚、私自身の英語力は中学生レベルで止まっており、聞く側の人もペラペラ喋る人はいないのでなるべく簡単な単語を使うこととしました。

まず、聞き取りやすいスピードで話した場合、1分間で何単語使えるのか調べてみました。結果は70単語でした。1秒に1単語ちょっとと考えると相当遅い感じがしますが、初級者なのでとりあえず70単語を目安にしました。

次に、話の構成は下記のようにしました。

①完結な結論

②結論を支持する３つの理由

③再度結論＋α

私は「上手なスピーチの仕方」的な本を読んだことがなかったので、わかりやすい文章の書き方「ロジカルライティング」を意識して構成を決めました。

次に決めた構成に従い、日本語で原稿を作りました。日本語への翻訳は、単語レベルではGoogle翻訳先生に教わりながら作り、正直文法は適当で間違っているところがあるかもしれません。日本語の原稿はデータを紛失したので載せません。

また、実際にスピーチする際には自分で撮った写真も一緒に見せながら話しました。

話しながら見せた写真も原稿と一緒に載せます。また、下線をつけた単語は強調して発音しました。下線はその文で最も伝えたいことを言う単語であったり、意味がわかりにくそうな部分を選んでいます。

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Thema “The best place to visit in Japan”

The place that I recommend is Takehara city in Hiroshima.

There are 3 reasons.

First, Takehara has warm atmosphere such as time flows slowly. Especially, an old town that was saved gave me special feeling. This old town is called "small Kyoto".

Second, Views of the Seto Inland Sea is great. you can enjoy the Setouchi unique views that spreads the blue sky, white clouds, green of islands, and Shining sea.

Finally, Food is delicious. I recommend a okonomiyaki shop "Horikawa" that is in the old town. I went three times in three days.

I think Takehara is the best place to visit in Japan. Please try to visit if tou want to forget the busy life.

Thanks for listening!

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最終的に単語数は100弱になってしまいましたが、あくまで英語力アップのためのクラスなので1分間に収めることをやめました。意味は伝わったでしょうか？

せっかくなので、広島で撮った写真を載せます。

グラデーション

青靄

白

風待ち

朝焼け

入り江

年輪

シルエット

友人T

たくさん撮ったので載せきれないです

PENTAX 標準単焦点レンズ DA35mmF2.4AL ブラック Kマウント APS-Cサイズ 21987

Photoshop Lightroom CC/6 スーパーリファレンス for Windows&Mac OS

【第6回】川と電気は似たもの同士

　第5回ではLEDを光らせるために必要な回路設計について解説した。今回はそもそも「電気が流れるってどういうこと？」という視点で電気が流れるイメージを説明していく。

xxxxmhj.hatenablog.com

タイトルに書いたように川と電気は似たもの同士で、電気が流れるということは水が流れることにイメージが近いのだ。まず、なぜ水が流れるかについて考えてみよう。

　結論から言えば、水が流れるのは重力があるからだ。川は水のある坂道であり、りんごが木から落ちるように、水も坂を下へ下へと向かっていく。これが川の正体だ。

　では、この川が急な坂道だったら水の流れはどうなるだろうか。逆に限りなく水平に近い坂道だったら水の流れはどうなるだろうか。多くの人にイメージしてもらえると思うが、急な坂道であれば水の流れは速くなり、逆では水の流れが遅くなる。

　また、川の中が水面から顔を出す程の大きさの岩でいっぱいの場合と、そうでない場合では水の流れはどうなるだろうか。岩でいっぱいの場合では、水の流れは勢いを失い、そうでない場合に比べて水の流れは遅くなるだろう。

　ここで、ひとつイメージしてみてほしい。1本の川が途中で2本に分かれている。片方は岩のないなだらかな川で、もう一方は水面から顔を出す程の大きさの岩でいっぱいの川だ。この分かれた後の2本の川ではどちらの方がたくさんの水が流れるだろうか。尚、川の傾斜は同じものとする。

イメージして頂けただろうか。

おそらく、多くの人は岩のないなだらかな川の方がたくさん水が流れると考えたと思う。なぜなら岩がたくさんあっては「水が流れにくい」からだ。「水が流れやすい」方にたくさん流れるという発想はいたって自然だ。

この「流れやすい方にたくさん流れる」という当たり前の発想は、電気でも同じことが言える。川でいう「岩」は、電気回路でいう「抵抗」に相当する。「抵抗」というのも名前の通りで、電気の流れを邪魔する存在だ。言い換えれば抵抗が大きい程、電気は流れにくくなる。下図のように抵抗が大きな流れ道と小さな流れ道があったとするとどちらの方が電気はたくさん流れるだろうか。もちろん抵抗が小さい方に電気はたくさん流れる。ここでは小学生でやったであろう豆電球を光らせる実験に準えて図示した。

川の話に戻るが、山が高ければ高いほど川の傾きは大きくなり、流れは速くなる( たくさん水が流れる)。電気でも同じことが言えて、しかも乾電池といった電源の電圧(山の高さに相当し、高いほど川の傾きは急になるイメージ)と電流(水の流れる量)は比例するという法則がある。

この法則こそがオームの法則である。式で書くと下記のようになる。

電流 = 電圧 / 抵抗

これは電流(水の流れる量)は、電圧(山の高さ)が高い程多くなり、抵抗(岩)が多い程少なくなることを式で表しただけである。例えば岩が多くて抵抗が高いとすると、式の分母は大きくなり、電流は小さくなる。

学校のテストでは電流の計算ができることが重要視されるが、電気の流れるイメージを持っていれば「こっちにたくさん電気が流れるはずだ」とわかった上で計算できるので明らかなミスに気付くことができる。

今回は抵抗の並列接続を例にとったが直列接続でもイメージしてみてほしい。おそらく新しい疑問が出てくるだろう。直列接続と並列接続さえイメージできてしまえば中学レベルまでの物理電気は高いレベルまで理解できるだろう。

今回は身近なすごい技術というよりかは電気の基礎的な内容となった。

次回からはまたブログタイトルのテーマに沿った内容にしていく。

余談だが、今回「川」を例に挙げるにあたり10分程度流体力学をかじったが、間違ったことを書いていたら指摘してほしい。岩があれば本当に流れは遅くなるのか小一時間悩んでしまった。

わかりやすい電気基礎

入門アナログ信号処理

写真練習＠新宿

本のあるカフェBrooklyn Parlorで撮影しました。

この鳥はセキセイインコらしいです。

一緒に行ってくれた鳥マスターが教えてくれました。

ちなみに生きてません。

Slow Response

せっかくなので今回から写真の撮影、修正について一言書いてみます。

もっとこうしたら良くなる等の意見もぜひよろしくお願いします。

まず撮影は、3分割構図を意識して鳥とサボテンを配置しています。サボテンは暗く右にはみ出していますが、光が強く当たっている鳥がこの写真の主役なので結果的に印象のバランスは取れているように思います。

次に修正ですが元の写真はもっと暗く、それはそれで雰囲気があったのですがせっかくいい感じの青、赤、緑がそれぞれいたので、ある程度の明るさまで持ち上げています。感度高めの設定で撮影したこともあり、ノイズが結構乗っていました。そのためノイズ除去＋明瞭度低の設定でぼやっとした感じにし、コントラストもあげてトイカメラ風に近い設定にしています。鳥のリアルな感じは印象的だったので、鳥だけは明瞭度を高くし少しだけ浮き出るような効果を狙っています。

タイトルはこの鳥しゃべったらおばあちゃんみたいな話方しそうと思ったのでつけました。

また写真撮ったらアップしていきます。

【第5回】ペンで描く電気の通り道② -回路設計編-

　第4回では「AgIC回路マーカー」AgIC回路マーカーを使ってLEDを光らせるまでを解説した。今回はLEDを光らせるにあたり必要だった計算について解説する。解説すると言っても複雑なものではないので、「回路設計」の簡単な具体例として気軽に読んでほしい。

xxxxmhj.hatenablog.com

　前回ではAgIC回路マーカーを使用し、LEDを光らせることができた。

LEDを光らせるために必要だった部品は、LEDと電池と抵抗の3つだ。

写真の部品接続を図にすると下図のようになる。急に記号になるが、非常にシンプルなので拒否反応がでる方も我慢して見てみてほしい。

これが一般に言う回路図になる。部品の接続は電池のプラス側(電池の記号で線が長い方)に抵抗が繋がっており、抵抗の反対側にLEDの片端が繋がっている。さらにLEDの反対側は電池のマイナス側に繋がっており、言葉を変えれば部品はすべて直列接続されていることになる。

計算を始める前に、ひとつ部品の接続に注意点がある。LEDの記号に着目してほしい。

LEDの記号は三角形と直線が合体した形をしており、この形は電流が流れる向きを示している。三角形は部品の接続線とセットでみると、矢印に見ることができ感覚的に矢印の方向に電流が流れるとわかるようになっている。直線の方は”壁”のイメージで矢印と逆方向には電流は流れないことを示している。この場合は回路図の向きに接続しないとLEDに電流が流れず光らせることはできない。

では、本題の回路設計を今回の例に沿ってやってみよう。

今回計算で設計しなければならないものは、電池とLEDの間に挟まっている抵抗の値である。抵抗と一口に言っても、その値は様々な種類のものが販売されている。この回路での抵抗の役割はLEDに流れる電流の大きさを設定することで、電流の大きさによってLEDの光の明るさが変わってくる。

下の写真はLEDの仕様だ。書かれている内容について簡単に説明する。

発光色　→　LEDの光の色。現在様々な色のLEDが販売されている。

Vf　→　LEDが光るために最低限必要な電圧

If　→　LEDを光らせる上でLEDに流す電流の推奨値

Iv　→　LEDに流す電流をIfとしたときの光の強さ

Angle　→　LEDの光が広がる角度(真正面から見たときの半分の光の強さになる角度)

回路設計する上で特に注意が必要な仕様はVfとIfである。

VfはLEDが光るために最低限必要な電圧なので、このLEDを光らせるためには最低3.1Vが必要で一般的な筒状の乾電池の場合、3本直列に接続しないと光らせることができない(一般的な筒状の乾電池は1本1.5V)。乾電池を直列に接続することが手間だったので、今回は9V電池を選択している。

Ifは光の強さの目安として使うことができるが、Ifよりも大きな電流を流すと発熱等の理由でLEDが壊れてしまう可能性があるので、基本的にはIf以下の電流を流すように設計する必要がある。

今回の例ではLEDに流れる電流をIfの20mAになるよう計算してみよう。前提として直列接続された部品に流れる電流は同じになるので、LEDに流れる電流と抵抗に流れる電流は同じになる(他に電流が流れる経路がないので同じになるのは必然)。そのためLEDに流れる電流は、抵抗に流れる電流を設定することで決めることができる。

抵抗に流れる電流の目標は20mAである。この目標通りに設定をするために必要な情報はたったひとつで、抵抗の先っぽ同士の間にどれだけの電圧がかかるかである。これは「抵抗に流れる電流と抵抗にかかる電圧は比例関係になる」という法則を用いることで計算ができるからだ。

実は抵抗の先っぽ同士にかかる電圧の計算はとても簡単で、具体的には「9V-3.1V」で答えは5.9Vとなる。察しが良い方は気づいたかと思うが電池の電圧からLEDのVfを引き算しただけである。LEDを光らせるためにはLEDにVfだけ電圧が掛かっていなければならないので、抵抗にかかる電圧は電池の電圧からVfを引いたものとなる。

式で書くと、

Vr = E - Vf　(Vr：抵抗にかかる電圧, E：電池の電圧)　…①

となる。

「抵抗に流れる電流と抵抗にかかる電圧は比例関係になる」ので、式で書いてみると、

V = R × I (V：電圧, I：電流, R：正の比例定数)

比例の関係は色々な書き方があるが、式をみてもらえれば電流が増えると電圧も増えることがわかると思う。この式でいう比例定数Rこそが抵抗値である。

今回求めたいのは電流が20mA流れるような抵抗値なので式を変形してみると、

R = V / I　…②

となる。今回の回路では抵抗にかかる電圧Vrは①式となるので2つの式を合体すると、

R = (E - Vf) / I

となる(VをVrに置き換えた)。

あとは具体的な数字を入れて計算すると、

R = (9V - 3.1V) / 20mA = 295Ω

となり、LEDに流れる電流を20mAに設定するための抵抗値を求めることができた。

残念ながら295Ωという中途半端な値の抵抗は売っていないので、実際に使う抵抗は300Ωが妥当だろう(300Ωが売っていなかったら次に近い330Ωになる)。ここで計算値よりも小さい抵抗を使用するとLEDに流れる電流が20mAを超えてしまうので注意が必要だ。

長々と説明したが、結局は最後に数値を代入した式の計算のみで難しいことはない。

「抵抗に流れる電流と抵抗にかかる電圧は比例関係になる」という法則を使用して計算したが、この法則こそが「オームの法則」である。誰もが聞いたことがあるであろうこの法則は回路設計にとって不可欠なものであり、実際の回路設計作業では息をするように使用している。

次回はこの「オームの法則」を感覚的にわかるよう解説していく。