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Kosmos XN3000
Electronic Labor
http://www.kosmos.de/ |
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Maxitronics EL500in1
を買ってから1ヶ月も経っていないのに、
勢いで買ってしまったのが
Kosmos XN3000
。
これも電子部品を配置して回路を組み立て学んでゆく学習キットで、
カウンタICがあるものの、基本はオペアンプも含めたアナログ回路のトレーナー。
300種類の実験が可能、とあります。
シリーズ製品にそれぞれ100種類・200種類の実験が可能なXN1000とXN2000があり、
XN3000はシリーズ最上位機種です。 学研マイキット のスプリング式、 学研電子ブロック のブロック式、 Maxitronix EL500 のブレッドボード式に対して、 XN3000は中継ポスト式とでも言うべき仕組みになっています。 配線はマイキットよりも手間がかかるし、 EL500ほどの多様な回路機能が作れるわけでもありませんが、 このキットでは他では学べないことが学べそうなのです。 それはつまり･･･マニュアルが全部ドイツ語!!! |
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ホテルの部屋でパッケージを開けて、まずはニマニマして楽しむことにします。
大きなパッケージの中はご覧のように3つのパックからなっています。
おお、シャーシからして組み立てキットになってるぞ。 マニュアルはリング式のA4サイズ横置きで、全168ページ。 マイキットや電子ブロックのマニュアルは、 掲載されている回路が多少は入門から上級の順番になってはいるものの、 電子回路の動作原理をひとつずつ説明しているというには無理があります。 特に 電子ブロックEX-150 のマニュアルは学習テキストというにはお粗末すぎて、 これを読んでも接合トランジスタの動作原理が理解できるとは思えません。 これに対してXN3000のマニュアルは、むしろ電子工学のテキストといえる内容になっており、 半導体のPN接合モデルも説明されているし、 トランジスタのベース・エミッタ電圧が通常0.6Vを示すことにも触れられているし、 バイアス抵抗の計算方法も掲載されています。 順番どおりに実験を進めて最後まで到達すれば、 アナログ回路がひととおり理解できるでしょう。 ただし数式は並列共振周波数の算出式など一部を除いては使われておらず、 小学生・中学生でも無理なく楽しむことができるようになっています。 で、パッケージにある"300種類の実験"という触れ込みですが、 マニュアルの表紙では"300種類以上の"と書かれており、 実際には317の実験が掲載されています。 これはほぼ同一の回路を用いて 「○○○を×××してみましょう」といった派生実験も含まれているので、 基本回路としては200種類とちょっと、といったところのようです。 まあ、マイキット150が「電池で豆電球を点灯する回路」をいくつも違った実験として数えあげているのに比べればサギ度はずっと低いです。 まだ時間はあるし組み立ててみるかな、と思いましたが、電源は9V電池を2個。 これは手元にないので買ってこなくっちゃ･･･しかしすでに土曜の午後4時。 ホテルの近くのお店はレストラン以外はすべて閉まっていました。 本当にドイツの人々は何をして週末を過ごしているのだろう? 全体のパッケージは RADIOMANN よりも一回り大きいですが、 今回は大容量のキャスターつきダッフルバッグを持ってきていたので、 パンツと靴下の投棄を行わなくても持って帰ることができました。 |
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XN3000の大柄な筐体は、いつもとっ散らかっているラボのスペースではなかなか収容スペースに困ります。
ので、これは第2研究所配備としました。
週末にばあちゃんが
ポゴ
の面倒を見てくれている間のお楽しみ&ドイツ語の勉強にしよう、という趣向です。 このキットには、マイキットやEL500に比べて学習キットとして優れている点があります。 それは、まずシャーシの組み立てから始める、ということ。 プラスチック製のシャーシには初めは何も組みつけられていません。 シャーシは左右2分割。 このシャーシはシリーズ製品のXN1000/XN2000/XN3000に共通で、 ローエンドのXN1000では2分割シャーシのうちの左側だけが使われ、 XN2000/XN3000では右側シャーシが追加される、という構成になっているのです。 左右のそれぞれのシャーシは、上側パネルと下側トレイがヒンジで開く方式になっています。 作業の一番目は、上側パネルと下側トレイをプラスチック製のヒンジピンで結合し、 ついで左右を小さなプラスチック製のクサビで結合します。 シャーシは大きいもののシャーシの肉厚は薄く、プラスチックは強度がありません。 左右の結合は小さなクサビだけが応力を受け持つので、 シャーシ全体は軽いものの剛性は不足気味で、手荒な取り扱いは苦手なようです。 ヒンジピンやコントロールノブなどはちょうどプラモデルのようにライナーについたまま提供されており、 ニッパで切り離してバリを取り除く手作業も必要です。 シャーシが組みあがったら次は、フロントパネルに多数のシュテックフェーデルン(配線端子)を組みつけていきます。 ひとつのシュテックフェーデルンはスチールプレス製の金属部品で、 これに最大4本のワイヤを差し込むことができます。 |
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そして、ドレーコ(バリコン)やポティ(ポテンショメータ)、メスヴェルク(メータ)、
ラウトスプレッヒャー(スピーカ)などをパネルに取り付けていきます。
これらの部品にはすでにリード線が半田付けされており、
リード線の末端をフロントパネルの穴を通して表側に出し、
所定のシュテックフェーデルンに差し込みます。 この仕組みにより、小さなスクリュードライバーやプライヤーは必要となりますが、 半田付けを一切せずにシャーシを組み立てることができ、 ユーザはキットで使うすべての部品を目にし、触れて学ぶことができます。 シャーシの組み立てが終わったら、 主要な部品が良品であることを確認するための回路組み立てを行います。 この工程で、ユーザは配線の方法を学びます。 パッケージの写真ではシャーシにかっこいいネームプレートが貼られていますが、 そのようなものは同梱されていません。 あれえ? と思いながらマニュアルを見てみると、 最後から2ページ目につづりこまれた厚手紙カラー印刷のページにネームプレートの絵が入っていて、 どうやらこれを切り取って糊で貼り付けてください、ということのようです。 うーん、学研の「科学」の付録みたいだぞ。 下側トレイにはご覧のように仕切り板が成型されており、 小物部品を整理収容できるようになっています。 |
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本キットに付属してくる能動素子は以下のようになっています。 本機の電源は9V積層乾電池が2本。 左右のシャーシにそれぞれ1つずつ電池を入れます。 これは本来左側はそれ単体でXN1000として販売されており、 XN2000/3000では右側シャーシが追加になっているという構成に起因しています。 ラジオなどの回路で右側シャーシの電池だけを使用するのですが、 オペアンプの実験を行うときは電池が2つあるということを生かして、正負の両電源を実現しています。 |
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この手のキットでは低周波発振器やラジオなどスピーカを駆動するものが多くなります。
小さなトランジスタ回路でスピーカを駆動するには出力トランスが必要となりますが、
出力トランスを使用するような機器は当の昔に世の中から消え去っていて、
日本でも教材用にごく少量あるのみ。
ドイツでは安定入手は困難なのでしょう、
XN3000では出力トランスは有していません。
フロントパネルに組み込まれているスピーカを駆動するプロジェクトでは、
ほとんどの場合オーディオアンプモジュールを使用します。 しかしすべてがモジュールを利用、ではオーディオアンプの原理が学べませんので、 XN3000ではコンプリメンタリペアでOTL駆動するアンプのプロジェクトが紹介されています。 オーディオアンプ モジュールに使用されているのは、STMのTBA820M。 3Vから16Vの幅広い電源電圧で動作できる、ポータブルラジオ等用のパワーアンプICです。 電源電圧が9Vのとき、1.6Wの出力を得ることができます。 右図はTBA820Mのデータシートに記載されているアプリケーション例。 2ピンのゲイン設定端子に接続される抵抗Rfが33Ωのときゲインは45dB、 120Ωのときゲインは34dBとなります。 1ピンの周波数補償端子に接続されるキャパシタは、 680pFだと2kHzあたりからゲインが低下し始め、220pFでは5kHzあたりまでゲイン平坦部が伸びます。 いずれの場合にも低域は100Hz以下ではゲインは落ちはじめます。 |
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Chapter 16. Kline Radios - selbstgebaut ラジオ回路 ラジオは以上の13回路。この手のキットにつきもののゲルマラジオはありません。 これは、付属しているイヤホンがマグネチック型であるがゆえに、 増幅段なしではほとんど鳴らすことができないためです。 №108はICオーディオアンプのチャプターで登場しますが、 AM変調とダイオード検波の仕組みの説明がここで行われています。 マイキットでは見られなかった再生式が4つもあるのがドイツっぽいところです。 同調コイルはスーパーヘテロダイン用の局発コイルを使用しています。 したがって、高感度なバージョンであっても多少のアンテナ線は必要となるでしょう。 再生検波はいずれもポテンショメータで再生量を調整しています。 番号の大きな3品はオペアンプ実験およびカウンタ実験のオーディオソースとしてラジオを使っています。 やはりAMラジオをつくるならバーアンテナが欲しいところですね。 AGCなしのストレート式ではやはり実用性に欠けますから、 バーアンテナに加えて局発コイルと中間周波トランスも用意し、 AGCつきの実用的なスーパーヘテロダインもラインアップに加えたいところです。 MOSFETもあることだし、インダクタンスの小さな同調コイルを用意すれば再生式短波受信機もできそう。 トランスミッタ 驚くべきことにトランスミッタはただのひとつもありません。 イノセントな電波障害が発生してしまうことを恐れているからなのでしょうか? でもそれなら再生式ラジオを取り上げるべきでもありません。 ドイツ国内(もしかしたらEU圏内)ではAMトランスミッタはたとえ微弱でもご法度、 というのをどこかで読んだような記憶がありますのでこの辺が事情なのかもしれません。 リレーはないので1910年代の火花式は無理。 でもトランジスタが3つとMOSFETがひとつあるので、 コルピッツ発振+エミッタフォロワ+変調+出力、音声増幅にはオペアンプ、 といった構成は採れそうです。 あるいはNE555でトーン発振してA2送信機も可能でしょう。 試してみよう。 |
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LEDやフォトトランジスタ、赤外線ダイオードなどの光学系部品の組付けは後のお楽しみにとっておくことにし、
組み立てが完了したシャーシで、さあて、やはり手始めはラジオでしょう。 ファースト・プロジェクトに選んだのは、 No.137 Bild 190 再生つきMOSFET高周波増幅(ソース再生) ダイオード検波 IC低周波増幅ラジオ 。MOS FETで再生つきの高周波増幅を行い、 ゲルマニウムダイオードで検波した後オーディオアンプICで低周波増幅し内蔵スピーカを駆動します。 本機のパネルにはポテンショメータが2つありますが、 10kΩのポテンショメータ(パネル左側)はボリュームコントロールとして、 100kΩのポテンショメータ(パネル右側)は再生コントロールとして使います。 MOSFETはデュアルゲート品ですが、本機ではふたつのゲートを並列接続してシングルゲートとして使います。 配線材料はすべて青色シースを持つ単芯すずめっきワイヤで、 あらかじめ両端のシースに切れ目が入れられています。 最初の組付なので、すべてのワイヤについて整形作業が必要です。 両端のシースを取り除いて芯線をむき出し、所定の寸法でコの字型に折り曲げていきます。 この作業はシャーシに設けられた折り曲げ治具を使って行います。 配線のピン間寸法は基本的に15mmおよび30mmに統一されており、 一部 必要に応じて付属のワイヤを使って任意長のワイヤを作ります。 最初のトライなのでマニュアルの通りに配線しましたが、 アースラインや電源ラインの引き回しは15mmのワイヤをいくつも使用して行います。 このため、回路規模に比べると使用するワイヤの数はかなり多くなっています。 使用されているドレーコ(バリコン)はトランジスタスーパーヘテロダイン用の2連ポリバリコンで、 2連を並列接続して使います。 同調コイルは前述したようにスーパーヘテロダイン用の局発コイル。 さあ、30分以上かけて配線が完了。 再確認した後、電源供給のワイヤを挿入します。 それでも一箇所ワイヤを忘れていて最初は無音でしたが、 それを補って再生コントロールを上げていくと、アンテナ線をつないでいないのにバリコンに応答がありました。 30cm程度のワイヤをアンテナとしてつないでみると、 JOAKとJOABがすぐさまいい感じで、十分な音量で聞こえてきました。 本機にはアンテナ線用のワイヤは付属していません。 そこで手持ちの3m程度のビニールより線をアンテナとして使ってみたら、 第2研究所のロケーションではいままでマイキットや電子ブロックでは不可能だった、 JOKR TBSラジオがかすかながらも聞こえてきました! 再生制御を発振直前のクリティカルなポイントまで進める必要があるものの、 入力インピーダンスの高いMOSFETを使用しているおかげでしょう、NHKの混信は無く、 さすがMOSFET再生式の面目躍如といったところです。 つづいて配線をちょこっとだけ変え、 No.138 Bild 192 再生つきMOSFET高周波増幅(ドレイン再生) ダイオード検波 IC低周波増幅ラジオ にトライ。 こちらはドレイン電圧をポテンショメータで分圧したのちアンテナ端子に戻すというもので、 この回路ならタップの工夫の無い同調コイルを使う場合でも適用できますね。 試してみると、再生をフルに上げても発振に至りません。 このためか、ゲインはソースフィードバック式にやや劣ります。 ･･･と思いましたが、 これはソースフィードバック式には必要なかったアンテナコイルのグラウンド配線を追加するのを忘れていたため。 今度はしっかり発振領域に入るようになり、 TBSラジオだけでなく文化放送も聞こえました。 2連バリコンをいずれも使うとAM放送帯の高いほうには同調できませんが、 これは片側だけ使えばOK。 局発コイルをアンテナコイルとして使うというのはやはり性能面で最適とはいえなさそう。 バーアンテナか、専用のコイルを作ってみたくなりました。 短波帯用のコイルも巻いてみようかな。 XN3000に登場する再生式ラジオは、いずれも高周波増幅段に再生をかけていますが、 検波そのものはダイオード検波です。 |
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XN3000にはKOSMOSのロゴが入ったアナログメータが用意されています。
私はこのタイプのメータが大好きなので、振らせてみることにしましょう。
オーディオ レベルメータを組み込みたいと考えているプロジェクトがあるので
(いったいいつになったら着手できるのか見当もついていませんが)、
その準備の勉強としてXN3000でオーディオレベルメータを作ってみることにします。 オーディオ レベルメータとしてはつぎのものがあります。 これはオペアンプのトレーニングの一環として出てくるもので、 原型は です。 スピーカをマイクロホンとして使い、オペアンプ4段で85000倍の増幅を行い、イヤホンを駆動します。 No.253の騒音計は、4段めの出力をイヤホンで聞く代わりに、シリコンダイオードで整流して10uFの電解コンデンサを充電し、 その電圧を測定しようというものです。 右図は、Bild349の最終段を抜粋したもの。 この回路では、キャパシタの容量と放電用抵抗の値によって応答特性は変わってくるでしょうが、 瞬間的なパルス的な大音量には応答しにくく、ピークレベルの把握には使いにくいと思われます。 どんなものかな? 土曜の午後にのんびりと No.253 Bild 349 Lautstärkemesser を組み立ててはみたものの、XN3000のオペアンプ回路はどれも正負電源で駆動するタイプで、9Vの電池を2個必要とします。 ところがいままで電池1つだけで使っており、第2研究所には2個めの電池の在庫がありませんでした。 買いに行くにもお昼にビールを飲んでしまい夜まで運転できないし･･･次回持ち越しになってしまいました。 |
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2週間後、ようやく2つの9V積層電池がそろい、電源ON。
大きな声を入れるとメータが振れることはありますが、
どうにも感度は低いし動作が不安定です。
配線をチェックしてみてもヘンなところは見つからず。
マイキット80を使っていた小学4年生のころは、 それ以外に何の機材もなく、回路の動作原理も理解していないし、 トラブルシューティングの理論も皆無でした。 こんな状況ではしたがってなすすべがなく、 あきらめて泣きながら配線を外し、気を取り直して別のプロジェクトに挑戦していたものでした。 ここ第2研究所は機材が揃っていないので似たような状況ですが、 今回は秋月で買ったデジタル・マルチメータがありますのでそれを使うことに。 最終段のオペアンプ出力電圧を見ると、マイナス側レール張り付き。 入力側を見ると、無音時0Vであるはずのものがやはりマイナス側張り付き。 すると･･･おお、抵抗のグラウンド側が配線していない!! 最終段オペアンプが動作を始めても、まだ感度不足。 ひとつ前段をみると、やはり出力端子がレール電位。 入力側を調べると･･･またまた抵抗のグラウンド側が配線していない!!!! 結局、真剣に取り組みさえすれば機材を持たない小学生でも見出せたトラブルでした。 この手の配線キットの鉄則、「正しいと確信してからさらに2回チェックせよ」は本当でした。 私のようなそそっかしいヤツには困難な課題ですけれどね。 完成したレベルメータは本当に高感度で、 動作開始後30分ほどしてメータのゼロ点が上がってきてしまいましたが、 これは折から降り出した雨音に反応していたもの。 ゲインが高すぎ、ポテンショメータを追加して感度を落とす工夫が必要でした。 メータの動きはやや緩慢で、平滑キャパシタを1μFにしてもいいかも。 しかしなぜかこのキットには1μFは付属していないので断念。 最終段の振幅は±7V程度はあるので、 使っているシリコンダイオードの電圧障壁0.5Vは実用上ほとんど影響しません。 |
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