ゲルマラジオの実験

ゲルマラジオの実験

～　茨城放送土浦放送局（ＪＯＹＬ／１４５８ＫＨｚ：現在停波中２０２４年２月１日～）を訪ねて　～

つくばＡ３

　昔から、「鉱石ラジオ」、「クリスタルラジオ」、「ゲルマニウムラジオ」とか、それを略して「ゲルマラジオ」と呼ばれる無電源で動作するラジオ（受信機）がある。 回路がとてもシンプルなので、電子工作を始める機会を与えてくれたり、また無線技術への興味を掻き立ててくれる一方、その感度の悪さに比べ、超小型でしかも高感度なラジオが数１０００円程度で手に入る昨今、やはり「何を今さら」感は否めない。

　しかし最近では、スマートフォンなどの携帯電話に搭載されているワイヤレス充電機能、また、SuicaやPASMOなどに使われているRFID技術（カード側は無電源）なども、非常に短い距離（～数センチ）ながら同様の原理で動作しているのである。 つまり、電波（電磁波）を使って電力を伝送し、それを利用している。

　さて今回は、この原理にもう一度立ち戻り、ゲルマニウムラジオ（以下、ゲルマラジオ）で、実際どの程度、聞こえるのか？否、聞こえていたのか？再確認してみることにした。

【このゲルマラジオで使われている部品】

　ケース(最大：約幅50mm、長さ90mm、厚さ25mm)は、内蔵する各部品のサイズに合わせＣＡＤを使って設計し、３Ｄプリンタを使って製作した。

　この同調回路の両端に繋ぐのが、それぞれ直列に繋いだゲルマニウムダイオードとセラミックイヤホンである。 受信された電波は、このダイオードで検波（半波整流）され、そして、さらにセラミックイヤホンを使うことによって、結果的にピーク検出、平滑化され、音声が復調（再生）される。 

　シリコンベースのFET、トランジスターやダイオードが主流の現代、ゲルマニウムベースの半導体デバイスの存在感は薄くなってしまったようだが、ゲルマニウムダイオードは今のところ、まだ入手可能なようである。 感度に関わるバンドギャップが、シリコン(約1.2eV)に比べ、ゲルマニウム(約0.7eV)は狭いので、ゲルマニウムダイオードは、このような無電源ラジオには、必須のデバイスである。

　音を再生するイヤホンは、昔、ロッシェル塩を使った「クリスタルイヤホン」が主流であったが、残念ながら現在では入手困難であり、圧電素子を使ったセラミックイヤホンしか入手できない。 しかし、これも今後いつまで入手できるのだろうか？ 

【受信テスト／予備実験】

　組み立ての終わったゲルマラジオを屋外で受信を試みたが、ダイヤルをいくら探っても何も聞こえない。 そこで、動作しているのかどうか確かめるため、全長約５ｍの電線の一端を軒下（地上高約３ｍ）に固定して垂れ下げ、他端を給電点として、図２のゲルマニウムダイオードのアノード側に繋いだところ、NHK第一(594 KHz)、NHK第二(693 KHz)、文化放送(1134 KHz)、そして茨城放送(1458 KHz)が微かに聞こえた。このような簡単な仕掛けで、しかも電源がないのにも関わらず、音声や音楽が聞こえてくるのは、何度作っても不思議なものである。勿論、電源スイッチはないので、放送電波がある限り、音は「掛け流し」状態である。

　送信所から空間を伝搬し、手元に届く頃にはすっかり弱くなってしまう電波。 これだけに頼るしかないゲルマラジオは、できるだけ大きな受信電力を得るため、実効高の高い大型のアンテナ（例：垂直１０ｍ、水平１０ｍ程度の逆Ｌ型アンテナとアース）が必要とされている。 しかし今回の実験では、敢えてバーアンテナだけを使って、どの程度受信できるのかを探ることにした。

【移動受信実験】

　ゲルマラジオというと、超「アナログ」な印象を持っていたのだが、ダイオードの「生」の特性が表れているためか、実際は、信号が非常に弱い場合、動作が「デジタル」な感じで、永国台での受信状況などを振り返ってみても、セラミックイヤホンの特性なのかもしれないが、エラー訂正が十分にできないデジタル無線機のようにも感じた。このような発見は、複雑で高感度なラジオでは気が付かないかもしれない。 

　この掲示板、ご覧の通りだいぶ錆びついていて、一見、古寺や遺跡の案内板のようでもあり、長い時の流れを感じさせてくれる。 現在は、主に中継局としての役割を担っているようだが、以前、水戸局（JOYF)とは別のプログラム（以下の番組表を参照）を時々放送していた時期もあったらしい。最近、インターネットでも聞け、またＦＭ補完放送（９４．６ＭＨｚ／８８．１ＭＨｚ）も始まり、中波放送の存在感が薄れつつあるが、災害時など重要な情報源であることに変わりなく、この小さな灯は今後も絶やさずにいてほしい。 

【実験結果】

【市販のＡＭラジオとの差は？】

　”きょうとＹＭ３９局”によると、ＪＯＹＬは、ポケットラジオ（ＰＪ－３５：ＯＬＹＭＰＵＳ製）単体で、 しかも特別な工夫などなく、ノイズが多い京都市内中心部（距離：約４００ｋｍ）でも夕刻、受信できるのだそうです。 

　市販のＡＭラジオを使った上記受信例（茨城放送：1458 KHz/1 KW）から、この場合の受信限界距離を４００ｋｍ程度と仮定すると、 今回実験したゲルマラジオの限界は４００ｍ程度だったので、電離層の反射などの影響を無視し、単純に距離の比較だけで考えると、 市販のＡＭラジオと今回実験したゲルマラジオの受信感度（電界強度）では、少なくとも約１０００倍（６０ｄＢ）以上の差があると考えられる。よって、大型（現実的なサイズ）のアンテナを使ったとしても、市販のＡＭラジオの感度には、遠く及ばない。つまり、真空管やトランジスタなどの発明によるメリットは、計り知れないのである。 

【考察】

　今回実験で使ったバーアンテナは、ループアンテナの一種なので、アンテナの実効高（同調時）は、以下の式①から概算できる。

実効高：Ｈ ＝（Ｑ * ２π * Ｔ * Ｓ * μe）／ λ　（ｍ)　... 式①

　ループアンテナから出力される受信電圧Ｒ(Ｖ)は、実効高Ｈ(ｍ)と、電界強度Ｅ(Ｖ／ｍ)の積なので、

受信電圧：Ｒ ＝ Ｈ * Ｅ　（Ｖ）... 式②

　電界強度：Ｅ(Ｖ／ｍ)は、ここで紹介した以下の式から概算（地表波が主なので若干違いあり）してみる。

Ｅ = ７ * (√Ｐｒ * √Ｇｒ) ／ ｄ　(Ｖ／ｍ)　... 式③

　ゲルマニウムダイオードが動作する最低限の受信電圧（受信限界）を、Ｒ＝１００（ｍＶ）と仮定して、式①～③より受信限界地点（屋外）と送信所との距離ｄ（ｍ）を概算してみると、

ｄ　＝　５４０．４９（ｍ）　となる。

　実験の結果から、受信限界が４００～１２００（ｍ）付近にあるようなので、この値と概ね一致しそうである。

　他の放送局（～半径１００ｋｍ程度：昼間）も、目的の送信所の送信電力（Ｗ）や距離（ｍ）などの情報を基に、十分なアンテナのサイズ（実効高）を求めておけば、無電源のゲルマラジオで中波放送を受信できるかもしれない。 

【今後の実験】

　その他の茨城放送の中波送信所は、水戸局（水戸市下国井町:1197 KHz/JOYF/5 KW）や県西中継局（筑西市辻:1458 KHz/1 KW）があり、また機会を見て、このゲルマラジオでの受信状況をレポートする予定である。

【謝辞】

　今回の実験に際し、貴重な番組表（１９９１年１２月～）の提供など「きょうとＹＭ３９局」に感謝いたします。

【参考文献】

ぼくらの鉱石ラジオ（筑摩書房：小林健二　著）
ゲルマラジオ製作徹底ガイド（誠文堂新光社：初歩のラジオ編集部　編）
Lucky FM 茨城放送ＨＰ（株式会社　茨城放送）

【更新】

２０１９年　３月１０日：Initial Release
２０１９年　４月１９日：誤字、脱字の修正、図の追加など
２０２４年　３月１６日：現在停波中の追加など

【ご注意】

本記事を利用して生じたトラブルに関しては、筆者は責任を負いかねますので、ご了承ください。