AMトランスミッターの製作

はじめに

ラジオの動作確認や音楽を楽しむのに、AMトランスミッタがあるといいと思っていたのですが、FMのトランスミッタは、製品としても販売されていますし、秋月から手頃なキットも販売されていますが、AMはなかなか見当たりません。ネット上を少し調べてみますと、簡単な回路で作製できる（1石!）ものは、昔から電子工作の定番であるものの、この回路はやや実験的なもので、周波数が不安定、音質いまいち、距離も限られるなど、性能的には実用は厳しいようです。

デジタル式の波形生成ICを使った作製されている方もいて、性能的にはこれがベストかもしれません(参考文献にリンクがあります)。しかし、マイコンの書き込みや表面実装パーツの使用など、わたくしには敷居が高いと感じていました。

ラジオの故障箇所の調査や調整に信号発生があると便利ですが、MWに使えるものは秋月やアマゾンなので安価なキットが売られています。これらのキットはXR2206という正弦波を生成できるICを使っているものが多いです。このICですがAM変調の機能があり、これを利用すれば、そこそこ安定したきれいな搬送波の発生と、その変調でも可能ではと思い調べてみると、国内外でICやキットを用いて製作している人がいました。それらを参考に、キットを活用して使ってなるべく安く、簡単にという方向でトライしてみました。

仕様

以下のような仕様で検討しました。

お手軽なアナログ回路で作製。
簡易回路よりは、実用になる程度の音質と周波数安定性。
今は使っていない、昔のiPod Nanoを接続する。
1,2m程度は離れても普通に聴ける。
周波数は基本固定だけど、必要に応じて調整できるようにする。

シミュレータ(LT Spice)でモデルを作製して動作確認後、ブレッドボードでテストしたのちに本設しました。

ブロックフロー

以下のような構成です。大きく分けて、電源部、入力信号の調整、正弦波生成/変調、高周波増幅の4パートになります。オレンジの部分はキットを流用しています。

入力信号の調整と高周波増幅はブレッドボードで試験してから、ブレッドボードタイプの基板にそのまま組み替えました。できあがりが大きくなりますが、普通の万能基板と比べて、配線ミスも減りそうですし、後からみても回路が追いやすいです。以下、各ユニットの説明になります。

電源(DC/DCコンバーター)

当初は006PタイプのNi-MH電池をそのまま電源にしようとしていましたが、このファンクションジェネレータICは電源電圧の変動で、結構周波数が変わってしまうようで、定電圧電源にしました。それならば、わざわざ006Pを使うこともないので、昇圧タイプのDC/DCコンバータにして、単3x2としました。アマゾンで2.4V→12Vが出せるものを購入しました。いろいろな会社が販売していますが、お安く入手できます。私が買ったのは、出力電圧可変で5個セットで700円ぐらいでした。

トランスミッタは、非常に小さい信号を増幅するものではないためか、ラジオ用の電源ほど雑音にシビアでないようです。元が電池電源のためかもしれませんが、とくに雑音が気になることはなかったです。

入力信号の調整（ミキサー、電圧増幅）

以下のような回路になります。ステレオ入力信号をミックスしてモノラルにしたのちにVRで電圧調整し、オペアンプで必要な電圧まで増幅し、4Vのバイアスをかけて、XR2206への入力信号を準備します。VR1, VR2はシミュレーションの都合で適当な値が入っていますが、実際には10kΩ, 20kΩを使っています。

以下のシミュレーションの結果です。4Vを中心に概ね+/-1.5V程度の出力が得られています。

iPodの出力

手元のiPod nano (3rd Gene)ですが、レベルMAXの400Hzの信号を再生して無負荷で電圧を測ってみると、最大音量では片振幅1.2Vぐらいでクリップしており、MAXの2段階手前が大きく歪まない最大値で、2.4 Vppぐらいが最大のようです。左が最大ボリュームの位置から、2つ下げたところで、右が、最大ボリューム位置の実測値です。デザインベースとしては、ボリューム真ん中ぐらいのイメージで、片振幅で0.4V(0.8Vpp)としました。

iPod Vol:Max-2

ボリューム最大時

電圧増幅

後からでてきますが、4Vp-pの変調用信号で、変調度が100%になる仕様のため、iPodからの信号はやや不足しています。汎用の両電源のオペアンプNJM4558を使って反転増幅しています。基本的なな使い方ですので、オペアンプはたいていのものが使えると思います。電源は単電源ですので、Vcc/2(=6V)のバイアスをかけています。

変調用信号のバイアス

XR2205の変調用の信号入力については、ICのデータシートにはグラフと説明があり、以下のようになっています。
1. Vcc/2-4　→　Vcc/2の入力で、100　→　0%の変調
2. Vcc/2　→　Vcc/2 + 4の入力で、0　→　100%の変調
仮に1で90%ぐらいを最大振幅にすると使うとすると、DC分をVcc/2-2として、最大信号時に+/-1.8Vぐらいをいう感じになります。今回は電源は12Vですので、4V底上げして、2.2V-5.8Vを入力するようにしました。変調信号を入れない状態で、4Vになるよう、VR2で調整します。

前出の通り、オペアンプの増幅の際に6V底上げしていますので、一度コンデンサーで除いてから、4Vでバイアスしています。オペアンプのところを4Vのバイアスとしておけば、そのまま接続できますが、もともと9V(006P)を電源でテストしてたため、別々にバイアスをかけています。(9V電源だと、変調側のバイアスは2.5Vになりますが、オペアンプのバイアスをこの値にすると、出力の下限(1.5Vぐらい)に掛かってしまい、振幅が大きいときにクリップしてしまいます)

正弦波生成・変調

XR2206は正弦波、三角波、方形波等の信号を生成するアナログICで、1990年代に開発されました。今主流のDDS(Direct Digital Synthesis)ほど精度はないものの、歪率0.5%程度の正弦波が得られるとあります。最近はパーツ屋さんではあまり取扱がないみたいですが、アマゾンや秋月でキットが販売されています。アマゾンのキットは、少し工夫する必要があります。秋月のキットはAM変調含めてICの多くの機能がつかえるようになっているため、そのまま使用できますが、流用するにはもったいないかもしれません

わたしはたまたま手元に両方あり、さして使っていなかったため、アマゾンのキットを方を流用しました。このキットを購入して流用する場合は、それほど部品も多くないので、万能基板に組み直したほうがすっきりするかもしれません。インターネット上でICのマニュアルが入手できます。詳細な説明がありますので、そちらをみれば、

秋月電子

歪率が最小化できるVR付き。
AM変調入力の端子付き
周波数の調整がポテンショメータで細かく設定できる
作動LED付き
価格2400円、ちょっと高い

アマゾン

AM変調の端子がでていないので、ICのピンを曲げて付ける必要あり
正弦波波形（歪率）の調整部が固定されている（実測で1.7%ぐらいでした、VRの後付けで対応可）
周波数調整が普通のVRで、細かい調整がしにくい。ただ、つまみ付で操作はしやすい。
コンパクト。
安い。600-800円程度。

周波数の設定

コンデンサーとVRで決定され、計算値としては、f=1/(RC)となっています。コンデンサーの推奨値は1000pF - 100μFとなっていますが、今回は周波数調整の都合上、大分小さくする必要があり、47pFとしました。元のキットのコンデンサーの詳細が分かりませんので、気休めかもしれませんが、温度特性が良いとされている、マイカコンデンサーを使いました。

C=100pF、周波数を500kHzから1600kHzとすると、計算上はR=6-20kΩとなります。アマゾンで買ったキットには100kΩと50kΩのVR付いており、荒いですが一応そのまま使えます。微調整のためにはポテンショメータに付け替えるとよいかもです。私は、5.1kΩの固定抵抗と、20kΩのポテンショメータに付け替えました。秋月のキットは100KΩのポテンショメータが付属しています。

出力できる周波数は、仕様上はMax 1MHzとなっています。ただ、振幅や精度は満たしていないかもしれませんが、もう少し高い中波帯は一応出力はできます。

変調入力

1番ピンから入力します。秋月のキットには端子がありますが、アマゾンのはありませんので、1番ピンは水平方向に曲げてソケットに差さずに、直接配線して入力を接続しました。

高周波増幅

シグナルジェネレータからの出力電圧はMAXで3Vpp程度となっています。電圧増幅1段を付けています。普通のエミッタコモンの回路で、コレクタの負荷がバーアンテナの二次側（巻数の少ないほう）になっています。一次側はトリマコンデンサーを並列にいれて送信周波数で共振させて、電圧をあげています。

信号の強度は、ジェネレータ基板の振幅設定と、VR1にて調整します。また、トリマコンデンサの同調レベルを調整することでも変わります。バーアンテナは磁界アンテナで、近傍では距離の3乗に比例して電界が弱まるそうですので、距離による減衰が大きいです。逆に、飛びすぎ防止の面では安心方向です。

この部分は参考サイト4を参考にしております。私はそれほど距離が必要ありませんでしたので、バーアンテナを購入したままつかっていますが、巻き数の調整をすればさらに到達距離は伸びます。また、共振側のGND側でない方にリードアンテナを接続することでも、到達距離を延ばすことができます。

高周波回路でバーアンテナのデータも不十分なので、シミュレーション結果は絶対値としては怪しいと思いますが、傾向は確認できます。

パーツについて補足

バーアンテナ：　本設時には、千石電商のAM-88というものを使いましたというか、スーパー用(2つのコイルが巻いてある)のものは、これしか見つけられませんでした。コレクタ負荷になるコイル、同調側のコイル両方とも、ベストな巻数があるようで、参考にしたサイト(*4)には、検討結果がまとめられています。恐らく2次側を解いて巻き数を減らした方が良い感じでしたが、このまま使用しても自分の目的には支障ありませんでしたので、簡単にということでそのまま使用しています。

同調用の可変コンデンサー：　スペースの関係もあり、ポリバリコンではなくセラミックのトリマコンデンサーを使っています。通常周波数は固定という仕様ですので、秋月で販売されている60pFのトリマーと、固定コンデンサー(549kHz用には100pF)をパラで付け、固定側はソケットにして差し替えられるようにしています。発振器の周波数を変更した場合は、トリマーの再調整 and/or 固定コンデンサーの変更が必要です。必要同調無しのそのままでも、極く近くにラジオを置けば聴けます。

トランジスタ: 1MHz程度の増幅ということで、トランジスタは手元にあった2SC1815を使っています。

ブレッドボード試作

試作はブレッドボードを使い、ブレッドボード配列の基板で本設しました。テスト時は、謎メーカーのジャンクICラジオから外した詳細不明のバーアンテナ（センタータップ式）を使って動作確認しました。同調のコンデンサーも実測値に合わせて設定しています。

使用レポート

周波数の安定性

普通のラジオでチューニングして聴く分には、実用上支障ありません。波形発生はアナログ回路で、フィードバック制御してるわけでもありませんので、電圧や温度等の影響で、多少触れる揺れるようです。9kHzステップのPLLのラジオでは、ピッタリチューニングが合わないこともありました。微調整用のVRをパネルに付ければよかったかもです。

アマゾンにお手頃な周波数カウンターキットが売ってましたので、少しデータとりました。1V電圧が下がると、2.6kHz程度周波数が下がってしまいます。また、ケーブル類を手で触ったりすると、0.1kHzの桁が動く感じです。Ni-MH電池と定電圧回路がありますので、使っているうちにどんどん動いていくということはなく、数100Hzには納まっているようでした。数日試した感じでは、+/-0.3kHzぐらいには入ってそうです。

信号はジェネレータのSQU端子のからは方形波を取り出していますが、この周波数カウンターの入力インピーダンスは余り高くないのか、直接繋いでも値がでませんでしたので、トランジスタのバッファを通してます。

音質

送信バーアンテナを同調させると、ピークが鋭くなり、帯域が狭くなる方向になりますが、スーパーヘテロダイン自体、帯域をいくらか削っていることもあってか、手元のラジオで聴く分には一般放送とそれれほど差はないです。やや音量が小さく張りが無い気もしますが、現在のAM放送は、プリエンファシスという音質調整を行っているそうで、そのためかもしれません。

到達距離

免許なしに電波を飛ばせる微弱無線局の電波は、3m離れた場所での電界強度が500μV/m(54 dBμ/m)以下とする必要があるそうです。500μV/mは目安としては、AM放送で受信良好と受信可能のボーダーあたりのイメージのようですので、3mで雑音が入りだし、聞こえはする程度に調整しました。バーアンテナは磁界アンテナで、λ/2π(500kHzの場合で100m程度)よりも近い範囲では、距離の3乗で減衰するそうなので、電波が飛びすぎるという点では安心です。

手元にある最近のDSPラジオは、信号強度(dBμ)がデジタルで表示されます。アンテナの有効長などがよくわからず、絶対値は分からないですが、相対的な比較には使えます。電界強度が計算できるループアンテナで送信して確認すれば、簡易強度計としてつかえそうなです。

参考サイト

製作にあたり、以下のサイト等を参考にしました。

1. XR2206 Datasheet

https://www.sparkfun.com/datasheets/Kits/XR2206_104_020808.pdf
ICのデータシートがウェブ上で入手できます。いろいろと情報が書いてありますので、製作に際して一番参考になりました。Sparkfunはアメリカで電子回路やキット等を販売している秋月みたいな会社のようです。

2. LA3ZA Radio & Electronics / Longwave AM transmitter based on the XR-2206

https://la3za.blogspot.com/2020/10/longwave-am-transmitter-based-on-xr-2206.html
私が購入したAmazonのキットと同じようなもの(同一品っぽい)を購入されて、長波用のAMトランスミッタとして使用されています。高周波増幅はありませんが、ラジオのごく近くで使う分には問題ないようです。

3. O-Family / AVRマイコン制御　AMラジオ・トランスミッターの製作

https://www.ne.jp/asahi/shared/o-family/ElecRoom/AVRMCOM/AM_Transmitter/AM_Transmitter.html
XR-2206を使ったAMトランスミッタの製作記事です。VRの手動調整で周波数を設定するのではなくて、マイコンを使って送信波の周波数を制御していますので、精度がよいようです。

4. 電子うさぎ.com / AM送信機(トランスミッター)の自作！高性能なAM送信機

https://電子うさぎ.com/archives/2728
DDSとマイコンを使った本格的なAMトランスミッタの製作記事です。XR-2206は関係ないのですが、バーアンテナ、高周波増幅について詳しい記載があります。記事では、バーアンテナコイルの巻数等、いろいろと検討されています。

2022/10/27, Last Update 2023/01/06