同調回路の動き

今まで取り上げてきたコイルとコンデンサによる回路にアンテナとアースが
繋がっています。こおではコイルは特にアンテナコイルといいます。また、
コンデンサは容量を変えられる(バリアブルコンデンサ略してバリコン
ようになっています。空中を飛んできた無数の電波をアンテナが捕らえ、
アースに流れると(電波は交流なので実はものすごいスピードでアンテナと
アースの間を行き来する)、コイルに交流の電流が流れるので、この回路に
交流電圧を加えることになります。ですからその周波数がコイルとコンデンサ
固有の周波数に合致した場合は、P、Q間に大きな電圧を生じます。これが
同調回路です。バリコンの容量を変えれば、固有の周波数を変えられるので、
お望みの周波数の電波を捕らえることができるというわけです。

同調路図

同調回路とブランコ

話を進めやすくするために、使われる用語を先に説明します。高いところにある物が
落ちると下にあったものを破壊しますが、そのような高さによって保持するパワー
のことを位置エネルギーと言います。同様に動いている物も何かにぶつかる
と破壊するパワーを運動エネルギーと言います。一方コンデンサに蓄えられる
電気を電気エネルギー、コイルに蓄えられた電磁石のパワーを電磁エネルギー
と言います。

LC_回路図
ブランコ
LC_回路図02

ブランコに乗った者が地面に着いた足で突っ張り、後ろの方へ移動して高さ
位置エネルギー)をかせいでいる状態(a)と考えられます。つまり、
「電気エネルギーが位置エネルギーに相当」します。スイッチをONにして、
コイルに電流を流し始める(足を地面から離す)と、コンデンサからの
電流が流れ出すのを妨げるような電圧がコイルに生じます。(電磁エネルギー)
次第に電磁エネルギーは減っていきますが、逆にコイルの磁気エネルギー
は増えていきます。(ブランコでは位置エネルギーがなくなる分、運動エネ
ルギーが増える。つまり、「電磁エネルギーが運動エネルギーに相当」します。
そして、コンデンサの電圧が0になった時点でコイルの電磁エネルギーは最大
になっています(ブランコでは位置エネルギーが0の時、運動エネルギー
が最大)。コンデンサの電気が0になった後は、コイルは蓄えた電磁エネ
ルギーで電流を流し続けます(ブランコは真下では止まらず蓄えられた
運動エネルギーによって反対方向へ揺れていく)。その電流によって、
今度はBの側を+として電気がたまっていきます。そして、コイルからの
電流がなくなるとコンデンサの充電も終了し電気エネルギーは最大に
なります(ブランコの揺れは反対側の最高点に達する)。以下同様に
繰り返します。
今の話では、最初コンデンサにあった電気エネルギーが一旦コイルの
電磁エネルギーに変わり、再びコンデンサの戻されたということになり
ます。ですから、コンデンサにもコイルにもエネルギーのロスが無け
れば、今の現象は永久に繰り返されるはずです(ブランコもつり下げ
られたロープの接点の摩擦や空気抵抗が無ければ永久に揺れつづける)。
さて今度は、ただブランコを揺らすのではなく、少し力を加えた
場合について考えてみましょう。
子供をブランコに乗せ、背中をそっと押すと、ブランコは静かにゆっく
り揺れ始めます。さらにそっと押しつづけると(押す力を強めなくて
も)ブランコは次第に大きく揺れるようになります。このとき肝心
なことは押すタイミングを揺れに合わせることです。先ほどのコン
デンサとコイルで作った回路をもう一度見てみましょう。コンデンサ
の容量 = キャパシタンス(電気を蓄える能力)をC、コイルのインダク
タンス(電流の変化を妨げる能力)をLで表します。コンデンサはCの
値が大きいほど放電や充電に時間がかかりますし、コイルはLの値
が大きいほど電流の変化を妨げる作用が大きいです。つまり、CもLも
両者の間をエネルギーが移動するスピードに関係するので、回路では
両者の関係による固有のスピードが生じることになります。先ほど
も見たように電流の流れは交流になるので、両者にとって固有の周波数
の交流が生じると言えるわけです。
そこで、この回路にこの固有の周波数の交流電圧を加えてみます。これ
がブランコをそっとタイミングよく押してあげるという話に相当します。
ブランコが次第に大きな揺れになるように、回路に流れる電流はどん
どん大きくなり、加えた電圧よりずっと大きな電圧がコンデンサやコイル
の両端に生じることになります。ただし、際限なく大きくなるわけでは
なく、コイルの内部抵抗などのせいで、ある一定の値で安定します。
コイルのQ値ということを耳にしたことがあるでしょうか。Q値が高い
というのはこの内部抵抗が低く、コイルとして性能が良いということを
意味しています(コンデンサでも損失の少なさをQ値として表す)。

トランスの原理

コイルに直流の電流を流すと、目には見えない磁力線が生じて、その力で鉄などの
金属を引きつけます。その際鉄などを芯にして巻くと、磁力線がより強力な磁石
にすることができます。このとき生じる磁力線の向き(Nから出てSに入る)は
コイルに電流の方向で決まります。コイルが右まわりに巻いてあり、コイルを
流れる電流の向きが右回りになるような方から見たとき、手前から先へ向かって 磁力線が生じます。これを「右ネジの法則」という覚え方をします。ネジ
を回す向きがコイルを流れる電流の向き、ネジの進む方向が磁力線の生じる方向
と一致しているからです。
コイルに電圧計(電流計でもよい)をつなぎ、棒磁石を素早く接近させてみます。
すると電圧計の針が降れます。コイルに電圧が生じた訳ですが、そのとき流れる
電流の向きは、接近する棒磁石の極に反発する向きの磁力線が生じるような方向
です。接近させた状態の棒磁石を素早く遠ざける場合にも電流が流れますが、
その場合の電流の向きは反対になります。
さて、コイルは自分自身に電流を流すと磁力線を生じ、逆に変化する磁力線を
受けると電流が流れますが、この性質を利用して作られたのがトランスです。
トランスは口の字型に作られたある金属(鉄等の板を重ねあわせたもの)の両側
にコイルを巻いた状態でできています。左側を一次側、右側を二次側と呼ぶことに
します。今一次側のコイルに直流の電流を流したとしますあ。磁力線が生じ、
口の字型の金属のおかげで効率よくループします。磁力線は二次側のコイルを通過
しますが、直流の流れ始めるときと終わるとき以外は何も変化は起きません。磁力線
が一定だからです。そこで今度は一次側に交流の電流を流してみます。大きさも向き
も変化する交流に合わせて、金属をループする磁力線も大きさと向きが変化します。
すると二次側のコイルにやはり大きさと向きが変わる電圧が生じます。一次側に
交流の電流を流すと、二次側にも交流の電圧が生じるのです。しかも、それぞれの
コイルの巻き数を変えることによって、二次側に生じさせる電圧を変えることが
できるのです。トランスの一次側、二次側の交流電圧をそれぞれE1、E2、巻き数を
n1、n2とすると、E1:E2=n1:n2という関係が成り立ちます。
上のトランスは電源トランスをいう言い方をしますが、トランスにはもう一つ、
インピーダンス変換という働きを持たせたものがあります。ある二つの回路を
組み合わせる(つなぎ合わせる)際、両者の間を効率よく信号の「電力」が伝わる
ようにするには、両者のインピーダンスを合わせる必要があります。これを
インピーダンスマッチングと言います。
例えば、トランジスタで作ったスピーカを鳴らすためのアンプは、出力する側の
インピーダンスは数kΩですが、一方スピーカのインピーダンスは4〜16Ω程度です。
このまま両者を直接つないでも、インピーダンスの違いから伝達の効率が良くなく、
ほとんど鳴ってくれません。そこで一次側が1kΩ、二次側が4〜16Ω程度になるような
コイルの巻方で作られたトランス(この場合は出力トランスという)を間に入れると、
両者のそれぞれの能力を効率良く発揮させることができるというわけです。
トランスの一次側、二次側のインピーダンスをそれぞれ、Z1、Z2、巻き数をn1、n2
とすると、√Z1:√Z2=n1:n2という関係が成り立ちます。

コイルの働き

一般にエナメル線(現在はホルマリン線やポリウレタン線が多い)などをぐるぐる巻いて
作られたものをコイルと言います。モータや機械式リレーなどに使われています。最も
簡単なラジオ、ゲルマニウムラジオでも必ず使われます。アンテナコイルがそうです。
コイルを組み合わせて作るトランスというものもあります。
コイルというのは直流を流せば電磁石になるという性質があります。しかし、電流が
変化するときは奇妙なことが起きます。

「変化する電流をコイルに流そうとすると、コイルには電流の変化を妨げようとする
ような電圧が生じます」

一般にコイルでは、電流が変化するスピードが速いほど大きな電圧が生じます。この
ような現象を「逆起電力」が生じるという言い方をします。電磁石になったり
逆起電力を生じさせたりするコイルの性質をインダクタンスといってその大きさ
ヘンリー(H)という単位で表します。

1H = 1000mH
1mH = 1000μH

交流回路におけるコイルの働きはかなりわかりにくいものになります。コイルに流れる
交流は周波数の低い交流(直流に近い)ほど、そしてインダクタンスの値が小さいほど
流れやすく、逆に周波数が高いほど、そしてインダクタンスの値が大きいほど流れにくく
なります。コイルのこの性質はコンデンサのキャパスタンスと正反対です。

電子工作メモ

I(電流)= E(電圧) / R(抵抗)
抵抗器によって元の電圧より低い電圧が得られることを「電圧降下」と言う。

  • 電力の公式

P(電力)= E(電圧) × I(電流) 電力の単位はW(ワット)

  • 交流

大きさと流れる向きが周期的に変わる電流
一般家庭のコンセントに来ている電気は交流で、はるか遠い発電所から家までつながった
電線の中を、一秒間に50回もしくは60回行ったり来たりしている。
一秒間のこの繰り返しの回数は「周波数」と言って、サイクルあるいはヘルツ(Hz)
という単位で表す。

  • 抵抗の直列と並列

抵抗器を直列につないでいけば電流の流れにくさはどんどん大きくなっていく。

R = R1 + R2 ……

逆に並列は電流の流れやすさはどんどん大きくなっていく。
電流の流れやすさは電気の専門分野ではQで表す。

Q = Q1 + Q2 ……

  • 可変抵抗器(ボリューム)

主に二通りの使われ方をする。
・ステレオの音量調節のように、その機器を使用する。
・回路の中で必要とする微妙な抵抗値調節する。

電極と呼ばれる平行な二枚の金属板でできている。二枚の金属板は
絶縁状態にある。(したがって二枚の金属板の間には電気は流れない) コンデンサに電池で電圧を掛けると、+の電荷と-の電荷はひきつけ会うので、
二枚の電極にそれぞれ電池の+側には+の電荷が、電池の-側には-の電荷がたまって、
お互いくっつき合おうとする。両者の間は絶縁状態にあり、また
引き付けあっているので、電池を外してもそのまま電極に留まる。
ちなみにコンデンサは電気を蓄えると言う意味で蓄電器とも呼ばれる。

コンデンサが蓄えられる電気の量は、電極の面積が大きいほど、
電極の隙間が狭いほど多くなる。また隙間に挟む絶縁体の種類にもよる。
この蓄えられる電気の量を容量(キャパシタンス)といって、
以下のような単位で表す。

1F(ファラッド) = 1000000μF(マイクロファラッド)
1μF = 1000000pF(ピコファラッド)

なお、コンデンサに電気がたまっていく状態を「充電」、
たまっていた電気が流れ出ていく状態を「放電」と言う。

コンデンサにも容量を変えられるバリアブルコンデンサ(略してバリコン) がある。固定された何枚もの羽の隙間を、軸につけられた何枚もの羽が回転する。
羽を何枚も使うのは電極の面積を大きくするため。回転させることで二つの
電極の向かい合う面積を変化させ、容量を変える。バリコンはラジオの同調回路
で使われる。

N型半導体とP型半導体を接合して作られたもので、A(アソード)からK(カソード)の方向にだけ
電気が流れる性質を持っている。最も一般的なのはシリコンダイオードで、
LEDもダイオードの一種。

電子工作で最も基本的であり、重要なもの。
P型半導体をN型半導体で挟んだ「NPN型トランジスタ」と逆の「PNP型トランジスタ」がある。
それぞれの半導体からE(エミッタ)、B(ベース)、C(コレクタ)と呼ばれる足が出ている。
電流を増幅させる働きがある。
平らな面を手前にして、左からE(エミッタ)、C(コレクタ)、B(ベース)、
と足が出ていて、通称エ・ク・ボと覚える。

ベースからエミッタに僅かな電流を流すことで、コレクタからエミッタに大きな電流の流れを作ることができる。これを増幅という。

トランジスタはコレクタにある電圧を掛け、ベースに適正な電圧を掛けると増幅作用として働くが、
特に重要なベースに掛ける電圧のことをバイアス電圧と言う。トランジスタで増幅回路を
作るポイントは、いかにしてこのバイアス電圧を正しく掛けるかということである。
なお、バイアス(bias)とは「偏り」という意味。

  • オーディオジェネレータ

数百kHzまで低周波のサイン波及び矩形波を発信する装置。
矩形波とは長方形の波形を上下に繰り返す交流信号。

入力された交流信号の波形を画面に表示する装置。
増幅回路が信号を増幅する様子を目で見ることができる。

  • 各種バイアス回路

トランジスタによる増幅回路は主に次の三種類がある。 バイアスの掛け方による。

1.固定バイアス
その名の通り、固定された(変動しない)バイアス電圧をベースに掛ける。機械的
わかりやすく、一番の特徴は他の二つに比べて増幅度が大きいことである。
ただし、欠点があり、微妙であるべきはずのバイアス電圧に融通性がない。

2.自己バイアス
トランジスタ自身が自動的にバイアス電圧を調整して適当な状態に保つ。
なかなかの優れものだが、短所は増幅度を若干犠牲にすること。 つまり、増幅度優先なら固定バイアス、安定度優先なら自己バイアスということになる。

3.電流帰還バイアス
固定バイアス、自己バイアスに比べて回路は使われる部品の数も多く、
原理も少し複雑になる。この回路は音質を重視したmので、低域から
高域までフラットに増幅し、雑音も音の歪も少ないなど、良い事尽くめ
のようだが、一番の短所は増幅度をかなり犠牲にしていること。
例えば、固定バイアスの回路で増幅度が100倍だったとすると、
この回路では1/10の10倍程度の増幅度になるのが普通。また、
この回路の場合は電源電圧もある程度高い物が必要である。
固定バイアス、自己バイアスの二つは3V(場合によっては、
1.5V)でも可能だが、本回路は5V以上は欲しい。
名称にある帰還に関しては、あまり簡単ではない。一般に帰還回路
というのは、一度増幅された信号を再度入力側に戻すという
ことを行う回路だが、正帰還というのは増幅度が
上がるような戻し方をする回路、負帰還というのは
増幅度が下がるような戻し方をする回路である。オーディオ
装置のアンプなどでは当然音質優先だから、この負帰還回路
をふんだんに用いる。実は自己バイアスも少しだが増幅度
を犠牲にして安定性を高めている。これも負帰還のせいなのである。
実際、固定バイアスよりも音量は落ちるが、雑音が抑えられ
聞きやすい音になる。手軽にトランジスタで増幅回路を
作りたい場合、自己バイアスがお勧めである。

小さな出力電流で大きな電流を必量とするものを動作させたい、
そのようなときはトランジスタを用いれば良い。これまで
説明してきたように、トランジスタはベースに小さな信号
(電流)を流せば、コレクタに大きな電流を流すことができる
からである。ベースに高い電圧を掛ける際は、ベースから
エミッタにあまり大きな電流が流れないように抵抗で制限
する。電源の電圧にもよるが、5V程度の時でおよそ1〜5kΩである。
コレクタに流す電流を大きくしたいときは抵抗値を小さくする。
このようにベースに掛ける電圧をON、OFFすることによって
(ON時でもベースに流れる電流はわずか)、コレクタの大きな
電流をON、OFFすることから、トランジスタによるスイッチング作用
という言い方をする。スイッチング作用のように、わすかな
電圧・電流で大きな電圧・電流を必要とするパーツや装置などを
動作させることを、〜をドライブするという言い方を
することもある。

FETとはField Effect Transister(電解効果トランジスタ)と言って
トランジスタの一種だが、いわゆる一般的にトランジスタと呼ばれる
ものとは構造も動作の仕方も異なる。現在のデジタルICはこのFET
で作られたものが主流となっている。単にトランジスタと言った
場合は昔からのトランジスタを指すことにする。なお両者を区別
したい場合、トランジスタバイポーラ(動作において
電子と正孔の二つが関係するという意味)、FETをユニポーラ
(電子か正孔どちらかひとつ)という言い方をすることもある。
FETはトランジスタほどわかりやすくなく、しかも構造や働きが
異なる種類がいくつかある。ここでは、その中の電子工作で使われる
ことの多いJFET(Junction=接合型 FET)、
もうひとつは大きな電流のスイッチングに使われる
MOS(Metal Oxide Semiconductor)FET。
JFETはトランジスタ同様、構造の異なる二つの型がある。N型とP型
で、N型は「2SK_」、P型は「2SJ_」という型番の名称が付けられる。
ここで紹介するのはN型だが、P型の場合は、以下の説明でNをPに
入れ替えたものになる。N型チャネルというのはN型半導体
できていて、S(ソース)からD(ドレイン)への
通り道になっている(チャネルとは通り道という意味)。つまり、
Dを+、Sを-として電圧を掛ければ、電子がSからNへ(電流はDからSへ)
流れる。次にG(ゲート)であるが、これはP型半導体
できている。つまり、Gとチャネルの接点はP型とN型が接合した
ダイオードになっている。従って、Gが-、Sが+になるように
電圧を掛けると、ダイオードに対して逆向きの電圧を掛けること
になるので電流は流れない(ここがポイント!)このように、
電流が流れない向きに電圧を掛けると、接点の付近に空乏層
と言って、電子が(P型の場合は正孔が)存在しない領域を
できる。するとその空乏層のせいで、先ほどのSからDへの
電子の流れが悪くなる。つまり、Gに掛ける-の電圧によって
DからSへの電流の流れ具合を制御できるという訳である。
ここでFETのトランジスタとは異なる重要な特徴であるが、
ゲートは電圧を掛けるだけであって、電流は流れ込まない
ということである(ダイオードに逆方向の電圧を掛けるので)。
トランジスタの場合は、わずかではあるが、ベースから
電流が流れ込むことによって増幅作用あるいはスイッチング作用
が働いたが、FETの場合は電流を使わない。これは非常に
大事な特徴である。
さて、JFETはゲートに(ソースから見て)-の電圧を掛ける
ことで動作する。-の電圧を用意するのは簡単でないような
気がするが、心配はいらない。ゲートの電圧を0V(GNDの電位)
にして、ソースの電圧を+にすれば、ゲートはソースに
対して-の電圧になるのである。

ALSAの設定

  1. $ sudo make menuconfig

  2. [Device Drivers] → [Sound card supoort] → [Advanced Linux Sound Architecture] → [HD-Audio]と移動

  3. xxxxxx codec support の項目すべてに * をつける

  4. $ sudo make && sudo make modules_install

  5. $ sudo make install

  6. $ sudo grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

  7. $ sudo reboot

  8. 再起動後、aplay -lでサウンドカードの情報を確認する

    出力例)

    % aplay -l
    ハードウェアデバイス PLAYBACK のリスト
    カード 0: HDMI [HDA Intel HDMI], デバイス 3: HDMI 0 [HDMI 0]
    サブデバイス: 1/1
    サブデバイス #0: subdevice #0
    カード 1: PCH [HDA Intel PCH], デバイス 0: ALC1150 Analog [ALC1150 Analog]
    サブデバイス: 1/1
    サブデバイス #0: subdevice #0
    カード 1: PCH [HDA Intel PCH], デバイス 1: ALC1150 Digital [ALC1150 Digital]
    サブデバイス: 1/1
    サブデバイス #0: subdevice #0

  9. ホームディレクトリに.asoundrcを新規作成し、以下を記述する

pcm.!spdif {
type hw
card 0
device 3
}

pcm.!default {
type plug
slave {
pcm “spdif”
}
}

ntpについて

1.systemctl enable ntpdate.service

2.systemctl enable NetworkManager.service

3.systemctl enable NetworkManager-wait-online.service

4./etc/systemd/system/ntpdate.service.d/10network-online.confを新規作成

[Unit]
After=network-online.target
Wants=network-online.target

ネットワークがオンラインになるのを待ってから、ntpdateを動かすよう設定