基礎電子工学をホタル作りで学ぶ

• 電子工学をまったく知らない状態で、ホタルをまねる回路を作ることで基礎を学ぶ物語
• Astable Multivibratorのような最小構成の回路で、LEDの点滅を実装する方法を探る
• 夜のみ動作し、点滅速度が遅い特性を得るため、LDRや可変抵抗などさまざまな部品の使用経験を積む
• 失敗と故障、そして直接実験を通じて得た気づきを生き生きと共有する
• 新しいものに挑戦して得る没入感と楽しさの意義を改めて認識する

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概要

電子工学に関する知識が全くない状態で、消えたホタルを恋しく思っていた筆者が、直接ホタルをまねた照明を作ってみることを決意したところから始まった。この記事は成功と失敗、試行錯誤を率直に記録した実体験談である。目標は基礎電子工学の学習であると同時に、独自に動作する「ホタル」を作ることだった。

初期試行と回路構成

• Astable Multivibratorという回路がLEDを自動的に点灯・消灯させることを知る
• 電圧と電流の違いすら分からない状態で、抵抗、コンデンサ、トランジスタなど各部品の基本原理を一つずつ身に付ける
• AIチャットボットやYouTubeなどで最小限の理論知識を得て、部品店で直接部品を購入し、最初の回路を組み立てる
• 驚くべきことに、最初の試行でLEDが正常に点滅する姿を確認した

改善および高度化の過程

• フィードバック工程で発見された問題点
  • 24時間ずっとLEDが点滅すること
  • 点滅速度が実際のホタルよりも速すぎること
• 夜間だけ動作するようにするため、**LDR（ライトデペンデントレジスタ）**の概念を導入
  • LDRを回路に接続し、暗いときだけLEDが点灯するように成功
  • 追加抵抗を直列に挿入することで、光に対する感度まで調整できることを発見
• 点滅速度を調整するために**ポテンショメータ（可変抵抗）**を使用
  • 簡単に抵抗値を調整し、LEDの点滅周期を1～5秒に調整
  • コンデンサ値も実験的に変更して最適化を進める
• 実験工程の反復効率を高めるため、直接Astable Delayシミュレータをウェブで開発し活用
  • 予測される点滅周期と実回路の結果を比較

電力管理および検証

• 回路の電力消費をマルチメーターで実測
  • 小容量コンデンサと高抵抗の組み合わせがバッテリー寿命に有利であることを確認
  • 自作したBattery Life Calculatorで予想バッテリー寿命を約8か月と計算

試行錯誤と解決プロセス

• 問題（Incident）#1: ジャンパーワイヤーの問題
  • 突然回路が動作しなくなったため部品を1つずつ点検したところ、ジャンパーワイヤーの接触不良と高抵抗が原因であることが判明
  • その後、“hookup wire”に交換して信頼性を確保
• 問題（Incident）#2: シミュレータ使用失敗
  • tinkercad.comおよびfalstad.comなどで実回路シミュレーションを試みたが、複雑な回路では作動しないことを経験
  • 一部のオンラインシミュレータが複雑なアナログ回路に対して不完全であることを認識
• 問題（Incident）#3: はんだ付け時の煙
  • はんだ付け工程で発生する煙が呼吸に影響を与えることを実感
  • 中古CPUのクーラーファンと12Vアダプターを活用し、簡易吸煙機（排気装置）として代用
• 問題（Incident）#4: 部品の再利用
  • 夜間に追加コンデンサが必要になり、廃棄された電源回路基板から直接部品を取り出して再利用した経験
• 問題（Incident）#5: 実際のホタルテスト
  • 完成した回路を暗い部屋で観察し、実際のホタルを模倣することに成功

ハードウェアの完成と多様な形状の制作

• 回路の仕上げと設置のためにホットグルー、安価な3Dペンなどを活用し、動作が安定したスタンドとハウジングを制作
• ブレッドボード、デッドバグ方式など、さまざまな形で合計5個の「ホタル」を制作し屋外に設置
• 夜に複数の光が闇の中で点滅する様子を見て、深い満足感と誇らしさを感じた

振り返りと所感

• このプロジェクトを通して、新しいことに挑戦する真の没入感と成長の楽しさをもう一度体験
• 以前のプログラミング言語入門時の高揚感に似た胸の高鳴りを感じた
• 将来はさらに長く、賢く光るホタルを作りたいという意欲が湧いた
• 最終的に、学びながら作りながらぶつかる過程そのものが最も意味深いことを実感

まとめ

• 電子工学を実践プロジェクトとして始めた経験は、失敗と試行錯誤の両方が貴重な学びの一部であることを教えてくれた
• ホタル回路は、動作・実験・創造的改善などを通じてエンジニアリング・マインドセットを育てる優れた入門プロジェクトである
• この旅はまだ続く予定である

[GN⁺]

Hacker Newsのコメント

• ホタルが本当に大好きだが、この数年でどこかへ消えてしまい、暗い夜に小さく光る点々をもう見られなくなった。その寂しさは思った以上に大きい。理由は分からないが、光害と農薬が大きな原因だろう。あらゆる昆虫の個体数が深刻に減少している。25年の間にドイツの自然保護区内で飛翔昆虫の4分の3が消えたという記事もある リンク

  • 私の知る限り、ホタルは芝生用の薬剤と光害に非常に弱い。幼虫として2年を過ごし、成虫として地上にいるのはわずか数週間だけだ。芝生用殺虫剤は幼虫を殺し、明かりは交尾を妨げる
  • もう一つの理由は、人々が落ち葉を片づけてしまうこと。ホタルは落ち葉の山に卵を産むので、落ち葉がなければ交尾しに来るホタルもいなくなる
  • 昔は夜に車を走らせるとフロントに虫がびっしり付いたものだが、今はそうではない
  • 30年前にヒューストンのハイツ地区へ引っ越してきたときでさえホタルで有名だったが、古くから住む人たちによればすでに昔ほどではなかった。20年ほど前にはほとんどすべていなくなった

• ソフトウェアはきれいなのに、回路図(schematic)がめちゃくちゃなのとの対比が本当に衝撃的。それでも動くのだから大したものだ。今なら大半の人はマイコンでタイマーを入れて終わりにするだろうが、そこには面白さがない。アナログ設計にはミニマルな優雅さがあり、電子をそのまま扱う特別な手応えがある

  • 最近のメイカーコミュニティの多くは、安く、速く、簡単に動く方法を好む傾向があるが、私の経験ではDIYシンセのコミュニティは正反対だ。ごく基本的な回路やICさえ避けようとし、単純で基礎がはっきりした構成を好む
  • アナログ回路は本当にわくわくする分野だ。まだあまり探究できていないからこそ、なおさら不思議に感じる。以前は真空管もいじってとても楽しかった。トランジスタは長い間とても難しかったが、Forrest Mims IIIの本をもとに トランジスタ遊び場 を作ってロジックゲートを組みながら慣れていった。関連資料は ここ と ここ を参照
  • 最近こういうものを久しぶりに触っていて、2025年時点で黄色LEDを駆動する程度のGPIOを少し備えたシンプルなArduino風チップセットがどれくらい安く手に入るのか気になった
  • 電子回路図の表記が実際の動作とは逆になっていても、みんながそれを当然のように受け入れていることにまだ慣れない

• 著者がホタルを見かける機会が減った本質的な理由の一つは、昆虫の個体数が世界的に毎年2〜10%ずつ減っている現象だ 関連リンク

  • これは本当に衝撃的な現象だと思う

• この記事を見ていろいろな感情が湧いた。Philip K. Dickの『アンドロイドは電気羊の夢を見るか?』では、戦争の余波で野生動物が絶滅し、ほとんどの人が電気動物をペットにするが、この投稿の創造的な電子回路のホタルは、人工照明とLEDの光害が実際にホタルの交尾やコミュニケーションを妨げて個体数を減らしていることを思うと、いっそう悲しく意味深く感じられる 研究1, 研究2

• 電子工学の学士号を持っているのに、回路、とくにトランジスタが入った回路はいまだによく分からない。電気や電子の流れをいろいろ想像してきたが、100%説明できる思考モデルを見つけられなかった。頭の中で一括して変数計算するより、アルゴリズム的な流れとして段階を追う考え方を好むので、それが難しさの原因かもしれない

  • 学部時代、毎週新しいアナログ回路で異なる問題を解かなければならない、とても厳しい授業を受けた。最初はBJT、抵抗、コンデンサしか使えず、その後はトランジスタで555タイマーを自作して「IC使用可」をアンロックするような形だった。最終的にはopampやさらに多くのICが使えるようになった。20年たった今でも、その授業のおかげでアナログ電子への直感的理解が残っている。近道はなく、地道な努力が何より大事だ。最近のAI学習の話でも、結局いちばん重要なのはモチベーションだという点は同じだ。AIが学習過程を楽しくしてくれることはあっても、本質は変わらない
  • どうしても「0x69をGPIOに書けばLEDが点く」で頭の中の処理を終えてしまうので、それではだめだと感じる
  • 私が学んだのは Electronic Engineering のBEngで、こちらの方面により合っていた。一般的な Electrical Engineering のBEngは主に電力・制御・モーター寄りで、この種の趣味回路とは分野が違っていた

• プログラミングから先に始めたが、アナログ回路についてはまったく知らなかった。Radio Shackの160-in-oneキットも一応なぞってはみたが、各部品はまるでコンベヤーベルトの作業工程のように、単に自分の役割だけを果たすものだと思っていた。結局、大学でLRC回路を学び、波動や振動の概念が結びついて初めて、回路の魔法のような魅力を感じた。部品一つひとつより、それらを組み合わせて「波のシステム」を作ることこそが本当に面白い。電流と電圧を制御してさまざまに活用できる

  • 子どものころ、RadioShackのScienceFair Advanced Electronics Lab（300プロジェクトキット）を持っていた 製品写真。つい昨日、非常に古い電子部品店でそれをまた見つけ、懐かしさに浸りながら姪や甥に譲るか、アップグレードして渡すか悩んでいる。見直してみて二つのことに気づいた。1) LRC回路などはオシロスコープがなければまともに理解できない。子どものころに安いオシロスコープでもあれば本当によかったと思う。2) そのキットの説明書はあまりに雑で、創造的な探究心を刺激できていなかった。説明が不十分で、概念をきちんと身につけられず、大学に入ってからようやく理解できた。そのキットでは結局、赤いLEDを焼いてしまうのがいちばん楽しかったが、記号やブレッドボードなどにはかなり慣れ、電気への親しみは育てられた
  • 今の時代に、Radio Shackのビンテージキットの代わりになる良いキットがあるのか気になる
  • 160-in-oneは本当に欲しかったが、結局手に入らなかった。その代わり、Radio Shackの組み立てキットはいろいろやった

• 昆虫が消えていることは、釣りをしていても実感する。私は一生釣りをしてきたし、年配の釣り人たちも昆虫が減ったとよく言っている。昔はよく効いた餌が効かなくなったのも、魚がその昆虫を世代をまたいで経験していないからではないかと思う

  • 私もその話を聞いたことがあるが、私の経験では最大の原因は殺虫剤だ。蚊やノミ、アリ、ゴキブリを駆除しようとして毒をまくので、結局すべての昆虫が減ってしまう。自宅の芝生管理サービスを解約したら、餌を求めて鳥が戻り、ランタナの花には蝶が群がり、夜にはホタルもかなり見られるようになった

• tinkercad.comの回路シミュレータでは単純な回路は正常に動いたが、自分で作った astable multivibrator 回路は正常に動作しなかった。falstad.com/circuitでも同じ結果だった。こうしたシミュレータは複雑な回路ではしばしばうまく動かないのだと分かった。macOSまたはオンラインで使える、趣味向けの回路設計・シミュレーションソフトがあればぜひ勧めてほしい。kicad、diylc、fritzingなどいろいろ使ってみたが、使えるものがない。こういうソフトを作った人たちは、何か特定の形で壊れた(?)思考をしているのではと感じるほどだ。私にとって理想のソフトは、電子的および空間的な回路設計、動作テスト、基板作成（特にstripboard対応）までできるものだ

  • プログラマの本能としては「回路シミュレータを作るのってそんなに難しくなさそうだが?」と思うが、いまだに適切に解決されていない事実がかえって考えさせられる
  • 私の趣味の経験では、回路設計とシミュレーションは別のプログラムで行うのが最善だった。LTspiceはシミュレーションに、KiCad/EasyEDAは基板設計に使っている。こうしたソフトとうまく付き合うには、かなり独特な(?)思考様式が必要なように思う。たとえばLTspiceのシミュレーションで部品値を変化させられる機能は良いが、習得にはひどく苛立たしいほど慣れにくく苦労する
  • astable multivibrator を知らないので、もう一度聞いてみたい

• シミュレータでうまくいかないのは、実際の回路が寄生(parasitic)特性を利用しているからかもしれない。たとえば joule thief 回路も、見た目には capacitor がないが、物理部品そのものが持つ抵抗、インダクタンス、キャパシタンスが実際の動作に影響する

• ホタルは光に反応して点滅することもある。非常に敏感な光センサーを見つけられれば、この「電子ホタル」同士で通信できるかもしれない。ひょっとすると本物のホタルとも通信できるかもしれない。ただし、周囲の明るさの変化にだけ反応するよう回路を設計すれば、昼間にずっと作動し続けるのは防げそうだ

  • 単純なCdSフォトセルとトランジスタの組み合わせだけでも可能だ。実際のホタルもこのように同期する。回路のトリガートランジスタにCdSフォトセルと抵抗を直列につなげば、外部の光パルスに反応して点灯しつつ、自律的な点滅も維持できる
  • Le Dominoux という製品も555で似たように動作し、互いにトリガーし合う 動画
  • サンフランシスコの昆虫館でアート作品を作ったことがあり、そこで各ホタルにフォトダイオードを付けた。暗い場所に設置し、窓にはフィルターをかけたので、ホタルたちは互いの点滅を十分に認識できた
  • 私も似たことを考えた。人工のホタルで本物のホタルを呼び戻せるだろうかと想像したが、実際のホタルの光信号は求愛メッセージなので、光子ベースのコミュニケーションは、ランダムに点滅する発光ダイオード1個で説明できるほど単純ではない、もっと複雑なシステムなのだろうと思う。結局ホタルたちは「変な信号は無視」して去ってしまう気もする