ダイソー300円USBミニスピーカーで遊ぶ

ダイソーで新発売された600円Bluetoothスピーカーも早速分解してみました

久しぶりにダイソーに行ったら、なんと300円スピーカーが売り切れになって空いた棚に600円Bluetoothスピーカーが出現していたので早速分解してみました。

ダイソー600円Bluetoothスピーカー分解 - HMcircuit

オススメ!能力覚醒した300円スピーカーの雄姿をご覧ください!

なんと「分解・改造なし」で300円スピーカーの小さなエンクロージャーに隠されてしまっていた強力マグネットがもつ本来の能力を覚醒させ驚くような低音を出すことに成功しました
ペットボトルと厚紙だけというエコロジー&エコノミーなダブルバスレフエンクロージャーの上にスピーカー本体を「置くだけ」で低域再生領域がグッと伸び、そして入力ケーブルと音源の間に教科書に載っているような超シンプルな受動式CRバスブーストを「繋ぐだけ」でバスレフポートからボーンと低音が響いてきます!
※動画の中で作り方の解説もしています。
動画はイヤホン・ヘッドホン・大型スピーカー等の低音の聴こえる環境でお楽しみ頂けると幸いです。

目次

<ご注意>
このサイトを参考に改造を行い、火災、感電、PCの故障等がおきましても筆者は一切責任を取ることはできません。必ず自己責任で実施してください。

ブラウザの幅を小さくする(縦画面にする)と小さい文字でごちょごちょ書いてある計算式を非表示にしてご覧いただけます。

0、はじめに

ダイソー300円USBミニスピーカー内部
最近ネットで話題になっているダイソーの300円USBミニスピーカー。
入手してみると値段の割に磁気回路がしっかりしており、エッジや振動版もしっかりした作りでなかなかの高音質。
また卓上で聴くにはパワーを持て余すほどのアンプが搭載されています。
ICを調べると、教科書に出てきそうなほど単純なOPアンプによる逆相(反転)増幅回路のBTL回路!これは楽しいおもちゃになりそう!
とにかくこのスピーカーのボトルネックは低音再生であり、低域改善を中心にいろいろ試していきます。

1、回路の調査

ダイソー300円USBミニスピーカー内部アンプ基板
ダイソースピーカーのアンプ基板です。左右独立でICアンプが載っています。
電源ランプ用LEDをつける端子がありますが部品は載っていません。
コストカットで設計変更されたのか、他のUSBスピーカー用に設計された在庫基板を流用しているだけのかはわかりませんが、改造して付けてみるのも面白いかもしれません。

まずは回路を調べないと改造できないため、パターンをトレースし回路図を起こします。
ダイソー300円USBミニスピーカー内部アンプ基板トレース回路図&C測定値
チップコンデンサは値が書かれていませんが、改造しすぎて壊れた内蔵アンプをパターンカットし、RC直列回路の理論を用いて測定してみました。
測定方法等は長くなるので最後に飛ばしてあります。 7、チップコンデンサの測定 をご覧ください。
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アンプには8002AというICが使われてます。検索して出てきたpdfデータシート

http://thaieasyelec.com/downloads/EFDV308/HXJ8002_Miniature_Audio_Amplifier_Datasheet.pdf

を見ると、中身は仮想グラウンドを使った単純な単電源OPアンプによるBTLアンプでした。

データシートには
"The 8002 is unity-gain stable and can be configured by external gain-setting resistors"
とあります。ユニティ・ゲイン安定(裸利得を全てNFBに回すという厳しい使い方ある利得1倍のバッファ回路を作っても発振しない)であり、利得の設定は外部抵抗で自由に可能であるということです。

オーディオアンプICは帰還抵抗がIC内部に組み込まれていて利得がいじれなかったり、いじれてもユニティゲインや低ゲインは発振するからダメという品種が多い中、
8002Aは内部位相補償型の単なるパワーOPアンプだから好きに改造してね!正相・逆相入力共にピンで出しておいたよ!と言わんばかりです。300円スピーカーはOPアンプの学習教材にも使えそうです。

データシートでは1段目のアンプの利得を1倍として最終利得2倍で組んでありますが、ダイソーSPでは1段目を3.24倍とし最終利得約6.5倍で組んであります。

※ 逆相増幅回路の利得
= |-Rf/Ri| = |-22k / 6.8k| ≒ 3.24
ただし-は位相が反転する意味です。
8002AはBTL回路のためスピーカへは2倍の電圧が印加され
最終的な利得
= 2 * 3.24 ≒ 6.5
となります。

このICにはマイコン等から電源を制御する端子(1番ピン)がありますが、常時プルダウン(常時電源ON)されています。
また小信号グラウンドと大電流グラウンドは100Ωの抵抗(なぜかCと印字)で分離されています。
以降本ページ内でOPアンプの記号を用いるときは、3・4・5番ピンのOPアンプを意味します。
入力カップリング823でシミュレーション

次に0.082μFという見るからに低音が出なさそうな入力カップリングコンデンサの破壊力を確認しておきます。
理想OPアンプ(周波数特性無制限、出力インピーダンスゼロなど、計算を簡単にするために用いる理想的な特性を持ったOPアンプ)で周波数特性シミュレーションしてみると・・・これはひどすぎます。
カットオフ周波数を計算すると約285Hzになり、低音楽器をバッサリ切り捨てています。もはやカップリングコンデンサではなくハイパスフィルタです。
ダイソー300円スピーカーは低音が「出ない」のではなく、あえて低音を「出さない」ということみたいです。
発熱やエンクロージャの歪低減を考えての設計だと思いますが、この特性は音楽再生には厳しいものがあります。
聴く曲のジャンルによっては、内蔵アンプを使用する場合は次章の低域改善改造が必須になってきそうです。

2、低域改善下準備

入力カップリングコンデンサ(C3 / C4)が小さすぎて低音が出ないので、数μFのコンデンサを並列にして下準備します。耳で聞いてわかるほどHPF効果がかかっているため、元から低音が出る音源ですとこの改造を行うだけでも高音質化されます。
NF型バスブースト回路やトーンコントロール回路を試される場合は下準備をセットで行うことをお勧めします。オリジナルのままでは全くブースト効果が得られません。
入力カップリング改善シミュレーション
単電源アンプの場合直流カットの入力カップリングコンデンサが必要ですが、容量が小さすぎると入力インピーダンスによりハイパスフィルタを形成し、可聴域まで減衰してしまいます。
300円アンプと同じ定数の反転アンプを理想OPアンプで組み、コンデンサの値を変えてシミュレーションを行うと、図のようになります。

なおこの改造で音量を最大に上げると歪むようになるため、電源の電解コンデンサを追加してみたり、ケーブルを太くしてみたり、USB電源を強力なスマホ急速充電器から取ってみたり・・・とオーディオの泥沼への入り口となります(笑)

反転増幅回路の入力インピーダンスは入力抵抗と同じになるため、ここでは6.8kΩとなります。またハイパスフィルタの遮断(カットオフ)周波数(=ゲインが3dB下がる周波数)は
f_cutoff = 1/2πCR (Hz)
で与えられます。例えば0.1μFの場合
1 / (2*3.14*6800*0.1*10^-6) = 234Hz
となりシミュレーション波形でみると確かにその辺りで3dB下がっています。
バスブーストとトーンコントロールの動画の中では3.3μFを使っていますが、その場合は
1 / (2*3.14*6800*3.3*10^-6) = 7Hz
となります。(ただし元からついているC3/C4は無視)

リンク大作戦
LOVE in Action

3、NF型バスブースト回路

筐体が小さく低域がスカスカなため、バスブースト回路を追加してみます。

バスブースト回路
回路図の赤枠部分が追加回路です。
入力カップリングコンデンサには3.3μFを並列接続し低域改善したうえで、帰還抵抗にRC直列回路を追加し周波数特性を持たせています。
またスイッチをつけてON/OFFできるようにしています。(スイッチを閉じるとバスブーストが無効になります。)

よろしければ本回路のYouTube動画もご覧ください。
https://youtu.be/-aVkwHJoDFM

バスブースト回路シミュレーション
改造回路を理想OPアンプでシミュレーションしてみます。
「バスブースト」とは言っていますが、実際は中高域の利得を下げることで相対的に低域が大きく聞こえるようにしています。

前提条件

以上により、「低音はオリジナルの利得にし、中高域の利得を下げる」方向で改造しても、スピーカー側の余裕を有効活用するだけで実用上特に問題は感じません。
周波数特性は、コンデンサが高域を通過し低域を阻止する性質を用いて実現します。
スイッチを開いている場合は帰還抵抗が低域に対してはオリジナルの22kΩ、高域に対しては並列の約3.9kΩとなります。
一方スイッチを閉じると全体域で3.9kΩとなります。
ブースト量は、反転増幅回路の
利得=帰還抵抗/入力抵抗
より、基本利得が
3.9k/6.8k (倍)
ブースト利得が
22k/6.8k (倍)
であるため、
(22k/6.8k) / (3.9k/6.8k)
= 22/3.9 (倍) = 約5.6倍
となります。
これをdBで表せば
20log10(22/3.9) = 約15dB
ブーストとなりシミュレーション波形通りになります。
ちなみにC(F)のコンデンサはf(Hz)の信号に対し (1 / 2πfC)Ω となります(ただし位相無視)。


バスブースト回路定数変更シミュレーション
バスブーストの効き具合は、追加する抵抗RやコンデンサCの値を調整することで変更することが可能です。
シミュレーショングラフのように、Cを調整するとブーストとされる周波数が、Rを調整するとブースト量(実際はオリジナルからの中高域ゲイン下げ幅)を変えられます。

4、CR型(繋ぐだけ)バスブースト

3章より簡単なバスブーストとして、入力ケーブルと音源の間に繋ぐだけで使用可能な受動タイプの回路もあります。
冒頭のダブルバスレフ動画で使用した定数で理想OPアンプによるシミュレーションをしてみます。
繋ぐだけバスブーストシミュレーション
CR型は改造不要で使用が可能ですが、改造なしの場合は入力カップリングコンデンサによるハイパスフィルタの特性と重なることでバンドパスフィルタのような特性になり、重低音はブーストされません。
動画で組み合わせたバスレフ型エンクロージャは共振周波数より低い重低音は急激に減衰する特性を持っており、アンプから重低音を出力しても歪むだけである為、このような特性でも大丈夫です。

重低音まで特性が伸びる密閉型エンクロージャに改造したい場合など、重低音までブーストしたい時は2章の低域改善を組み合わせます。

5、NF型音質調整(トーンコントロール)回路

ON/OFFのみバスブースト回路だけでは物足りないのでDAX型を元にNF型トーンコントロール回路をつけてみました。低域の調整はもちろん、高域の調整もできます。
改造箇所は図の囲ってある部分です。

トーンコントロール回路
以下のYouTube動画撮影時に使用した、スマホのマイクでも変化が拾えるような極端な特性の回路図です。
https://youtu.be/g_zIvoGvpDo
トーンコントロールシミュレーション
動画の定数でのシミュレーションです。
耳だけで合わせた回路な為、フラット時は特性がうねり、両方同時に動かすと中域のボリュームまで変わってます。
逆にスピーカーが小さい分フラット時に軽いバスブーストがかかるようになっているのは計算で合わせてないからならではです。

6、内蔵アンプ故障とパッシブ化

12月某日、「ポッ」という音とともに蚊の鳴くような小さな音しか出なくなってしまった300円スピーカー。調べてみるとICが壊れた模様。
ヘッドホンアンプ等、ポップノイズが出るような信号源へ繋ぐと壊れることがあるみたいなので注意が必要です。
壊れたのは2回目で、3台目を買ってももはやスピーカーユニットを使う場所がないため(1台目はパッシブ化してトイレへラジオが流れるようにしています)、ICを載せ替えることも考えましたが、やっぱ自作アンプで鳴らしたい!本格的なオーディオだってアンプとスピーカーは分かれています!
ということでこれを機に内蔵アンプは卒業してパッシブ化してきます。
※アンプが入っていない普通のスピーカーのことをパッシブスピーカー、アンプ内蔵のことをアクティブスピーカーと呼びます
ハンダを取って
まずハンダを取って
オーディオケーブルだけにして
USB電源ケーブルとオーディオケーブルを分けたら
通して結んで
オーディオケーブルとアンプがないスピーカーのケーブルを通して結びます。
ここで結び目からハンダ付け部までの距離が奥行きに対して余裕を残しておかないとケーブルを引っ張られたときにハンダが外れます。
はんだ付けして
ハンダ付けはグランド(青)を両方のスピーカーのマイナスへ、右(橙)を右スピーカーのプラスへ、左(白)を左スピーカーのプラス(ケーブルに白いマークのある方)へつなぎます。
絶縁して
あとは左chのプラス接続部を絶縁して
組み立てれば完成
組み立てれば完成です。
真空管シングル自作アンプで鳴らしてみると・・・!、もう内蔵アンプには戻れません。
エンクロージャーに手を入れてないにもかかわらず、中高域の響きが内蔵アンプとは全然違います。真空管のキラキラサウンドとダイソースピーカー、意外と相性が良いのかもしれません。また内蔵アンプ基板が無くなる分エンクロージャー体積が増える為か、パッシブ化すると気持ち低音が出てくるようになります。
ただし口径が小さいため仕方ないですが、とにかくこのユニットは能率が低すぎます。0.5W×2の真空管アンプでは、BGM的に静かに聴くなら大丈夫ですが、ちょっと音量を上るとアンプ側がクリッピングして歪んでしまします。
バスブーストしてガンガン鳴らすなら、数W以上のパワーに余裕のあるアンプを組み合わせる必要がありそうです。
数十万するようなピュアオーディオアンプで鳴らしたらどんな音を聴かせてくれるんだろう・・・(笑)

7、チップコンデンサの測定

前章でパッシブ化しましたが、基板を捨てる前に、気になっていた印字のないセラミックコンデンサを調べてみました。
今回使った測定方法と原理です。
C測定の原理
固定抵抗を用意して図の回路を組み、オシロスコープで波形を見ながら低周波発振器を調整して調べていきます。
C測定準備した基盤
測定時には各コンデンサを他の回路から切り離し、クリップコードやオシロのプローブで掴めるようにメッキ線をハンダ付けしました。
測定の様子
写真はR=1kΩでC4を測定した時の例です。

抵抗をシャント抵抗と見立てれば、コンデンサの電圧と電流を同時に見ていると言うこともでき、理論通りにきれいに位相が90度回転しているのが分かります。

周波数はオシロのカーソル機能を使って測定しました。
写真の例では(6)式にR=1000Ω、f=1930Hz代入して
C4 = 1/(3.14*2*1930*1000)
= 8.25*10^-8(F)
= 0.0825(μF)
E24系列(市販コンデンサのラインナップ)にある近い値に近似すると
C4には0.082μF (リード線付きコンデンサでは 823 と印字)が用いられていると分かります。

冒頭の回路図は同様な実験を全てのコンデンサについて、220Ω・680Ω・1kΩで3通り実験し測定したものです。
ボリューム
ついでにボリュームの抵抗値も調べてみようとハンダを取ってみたら、裏面に書いてありました。
B 503(緑・黒・橙)で「Bカーブの50kΩ」と分かります。

8、ブーミングで低音強化

改造とはあまり関係ありませんが、メインのスピーカー(Victor SP-UXZ11WMD-M 12cm3Way)よりも「ペットボトルダブルバスレフ + パッシブ化ダイソー300円USBミニスピーカー」を鳴らすことの方が多くなって3か月が経ち、セッティングが落ち着いたので紹介しようと思います。

<ご注意> さて本題に戻ります。 ポイントは、部屋の隅に設置することで、部屋の音響特性で低音がボーボー響く「ブーミング」と呼ばれる現象を積極的に使うことです。
ブーミング
部屋の隅にスピーカーを設置すると、壁に囲まれるため大量の反射波が発生します。
その為、反射波や壁が共振して鳴る音同士が同位相で重なって低域がブーストして聴こえるようになることがあります。これが「ブーミング」です。
ピュア界では「不自然な低音」としてブーミングは対策すべき対象として嫌われています。

ところが、ダイソースピーカーの場合はピュアオーディオ用スピーカーのように低音が十分に出ないため、「不自然」になるよりも「低音が聴こえるようになる」効果の方が大きく、積極的にブーミングを使うことができます。

この違いは、車内のかなり奥の方(アクセルペダルの真横あたり)にドアスピーカーが取り付けられている車種で、カーオーディオのBASSをMAXにして爆音で鳴らしてみることで体験することができます。
例えばBASS FLATでもともと低音の出ていた17cmクラスの大口径スピーカーが設置された乗用車のカーオーディオでは、車内全体に不自然な低音がボーボー響くようになってまともな音になりません。ところが携帯ラジオみたいな音が鳴っていた10cmクラスのカーオーディオですと、「オーディオの設定をいじっただけで口径の割に低音が出るようになった」という印象に変わります。
設置例
私は6畳和室で写真のように設置しています。醤油のペットボトルで作ったダブルバスレフと、ディスプレイ台代わりにしているスーパーでもらった空き段ボール箱(2Lペットボトル用)の高さがぴったりで、サブディスプレイの両脇に違和感なく設置できています。
バスレフポートを壁側に向けることで、低音を部屋全体へ拡散させるようにセッティングしています。
ブーミングは聴く場所を移動することでブースト量が変わります。部屋の隅にペットボトルダブルバスレフを設置して部屋を歩き回ると、トーンコントロールを回すみたいにはっきりと低音の聴こえ方が変化するのが感じ取れます。
PC作業するときは適度な低音でBGM再生、動画を見るときにはスマホをBluetooth接続して自分が対角の隅へ移動し、低音ボーボーで楽しんでいます。対角の隅は、音が良いだけでなく、L字の壁に体をホールドされ、スマホで快適に動画が見られます。
リスニングポジションの探し方
ここで移動でブースト量が変わる仕組みを簡単に説明します。部屋を動き回ると波の到達経路が変わることで、耳に到着する時点で重なり合わさる波が変わり、聴こえる波(全て波が合成された波)の振幅や位相が変わってきます。

部屋の反響は無数の波が飛んきますが、簡単のために一つの反射波だけを考えます。
また簡単のため反射波の振幅は同じとします。
スピーカーから直接耳に届く直接波と、同位相の反射1、90度異なる反射波2、逆位相の反射波3をそれぞれ重ね合わせてみると・・・
同位相:ガッツリブースト、90度違い:ちょびっとブースト、逆位相:カット という感じになりました。
実際の部屋では反射波や共振音が複数重なるため、ガッツリブーストされる位置を見つけたけど箪笥の上だった・・・みたいなことも起こって不便なこともありますが、スピーカーの位置と、リスニングポジションをチューニング、時には模様替えもしながら楽しんでみるのも位置ゲーをやっているみたいで面白いです。

なお低音のみについて書きましたが、ペットボトルダブルバスレフはスピーカーが上を向いているため、部屋の隅に設置することで天井へ反射した中高域が部屋全体へ広がり、後ろからも音が聴こえるような感覚を楽しむことができます。
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参考文献・サイト

藤井 信生先生の各種アナログ電子回路の書籍
学生時代の教科書・参考書に指定されており図書館にも多く置いてあり、非常にお世話になりました。
電子回路理論がわかり易く学べてお勧めです。
https://www.amazon.co.jp/%E8%97%A4%E4%BA%95-%E4%BF%A1%E7%94%9F/e/B004KWP8YC/ref=dp_byline_cont_book_1#
オペアンプで始めるアナログ回路
オペアンプの基礎知識がまとめられています。
http://www.mech.tohoku-gakuin.ac.jp/rde/contents/course/mechatronics/analog.html
低音が増強されるトーン・コントロール回路はどっち? | CQ出版社
NF型トーンコントロールの回路が載っています。
http://cc.cqpub.co.jp/system/contents/1248/
トーンコントロール回路
CR型トーンコントロール回路が載っています。「繋ぐだけバスブースト」はCR型から高域調整を取り払い、低域調整側だけを最大に固定して作った回路です。
NF型では帰還回路に組み込んで使う周波数特性を持たせるコアの回路はCR型と同じような形をしています。
http://www.mizunaga.jp/tone.html
ヘルムホルツ共鳴器 - Wikipedia
ペットボトルを使った「置くだけバスブースト」で使っているバスレフポートの学術的な原理です。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%98%E3%83%AB%E3%83%A0%E3%83%9B%E3%83%AB%E3%83%84%E5%85%B1%E9%B3%B4%E5%99%A8
E6系列 E12系列 E24系列 E48系列 E96系列 E192系列の一覧表と概略計算方法
抵抗・コンデンサのE系列ラインナップ一覧表です。
http://sim.okawa-denshi.jp/keiretu.htm