サブウーハーの製作(設計編3)

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設計編3

サブウーハー用のチャンネルデバイダー機能を含むボリュームユニットの設計をします。

カットオフ周波数

構想編でカットオフ周波数は100Hz以下とする方針を決めていましたが、まずは100Hzで検討してみます。二次のLPFの伝達関数は以下となります。

G(jw) = H0 x w0^2 /((jw)^2 + w0/Q x jw + w0^2)

ここでH0=1 w0=1とすると上記の大きさは以下となります。

|G(jw)| = 1 / SQRT((1-w^2)^2 + (w/Q)^2)

ここQはクオリティファクターです。二次のベッセルフィルタの場合Q=SQRT3なので上記の式は以下となります。

|G(jw)| = 1 / SQRT((1-w^2)^2 + 3 x w^2)

これをカットオフ周波数を100Hzに正規化してグラフ化してみました。

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グラフには、二次フィルタを直列に接続して四次フィルタの特性も記載しています。この場合のカットオフはずれてしまいますが、気にしない事にしました。正直なところ数式は正しいか自信がありませんが、特性グラフがほぼ想定どおりなのでこのまま検討を進めます。設計前にスピーカーの特性の推定もしてみます。まずはFE103EnとL12-44の周波数特性のグラフから数値を拾って計算用の特性グラフを作成しました。

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グラフは上からFE130En, LS12-44, 数値を拾った周波数特性です。最初に上で計算した四次のLPF特性とLS12-44の周波数特性を合成します。

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これがサブウーハーチャンネルの周波数特性となりますが、レベルのピークは30Hzとなっています。これであればNS-1000Mのマルチアンプシステムにも使う事ができそうです。次にFE103Enの周波数特性に上記のサブウーハーの特性を重ねてグラフ化してみました。その際にサブウーハーのレベルを+4dBしてバランス調整をしています。

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100Hzあたりにディップができていますが、まずはこの状態で設計を進めてみます。製作時には、フィルタ定数を簡単に交換できるように工夫する予定です。

フィルタ設計

以前にチャンネルデバイダを設計した際には、エクセルを駆使して定数を決めましたが、今回はネットで公開されている大川電子設計様のツールを利用しました。カットオフ周波数を100Hz, クオリティファクターをベッセル特性となる1/SQRT3(0.577)としてツールを実行しました。結果は以下のとおりです。

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このツールは、CRを系列値で算出してくれるのですごく便利です。算出値も現実的な値となっていました。算出された周波数特性と群遅延特性を参考に掲載します。

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これを直列に接続して-24dB/OctのLPFと使用します。

回路設計

構想編で作成した回路図に上記で決定した定数を追記しました。

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全帯域を受け持つバッファのみMUSES01にしました。私の音の好みによる選択です。今回はサブウーハーをR-chのみとしています。LPFのバッファはゲインを6dBもたせてレベルバランスをとれるようにしています。このバッファもMUSES01にする事も考えましたが、高いのでLFPで使用するMUSES8920としました。MUSES8920はMUSES01に比べて圧倒敵にGB積が大きいのでアクティブフィルタには適していると考えて選択しました。

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次回は電源回路の設計を行い、部品の発注を進めます。

 

つづく(設計編4)

サブウーハーの製作(設計編2)

設計編2

エンクロージャーの設計を行います。

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エンクロージャ設計

前回の記事で21mm厚のシナランバーをエンクロージャーの材料として使う事を決めました。推奨容量は50L以上との事なので、まずは大きさにあたりをつけます。50L=50,000ccなので、これを3乗根(立法根)すると、内容積の1辺(cm)が算出できます。約36.8cmです。この値を考慮して設計を進めます。最初にバッフル板のサイズを決めます。以下が選定したL12-44の寸法図です。

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穴径は282mmです。スピーカーの外形は315mmなので、穴の外側に16mmかぶる事になります。このスピーカーの取り付け用の穴があるフレームのエッジ部分は表と裏の両側にパッキンが張り付けられており、手前側は、バッフル板の表側の取り付けを考慮して見栄えの良い材質が選択されています。見栄え良いバッフル板の丸穴加工は自信がないので、バッフル板の表側にスピーカーユニットを固定する事にします。普段の置き場所をマルチアンプシステムのコントロールセンターを置いているテーブルの代わりにする事にしました。その為にはできるだけ高さを低くする必要があります。穴開け後のバッフル板の強度を考慮し、サブウーハーの正面はバッフル板一枚とする事にしました。上記を考慮して外観図を描いてみました。まずは正面図です。

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正面はバッフル板のみですが、天面と下面および側面の板材を点線で書き入れています。図面を縮小しているため、点線が実線に見えて紛らわしいですね。続いて天面です。

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バッフル板と背面板が見えています。側面の板は隠れています。次は側面です。

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側面は箱の内側にすっぽり入る構造です。最後に後面です。図面は2つのボイスコイルのターミナルを独立で出力させる仕様としています。最初は直列で使う予定ですが、後で、1つのボイスコイルをセンサーとして利用してFostexの上位機種でも採用されているモーショナルフィードバックも検討してみたいと考えています。駆動用のボイスコイルと電磁結合によりうまくいかないかもしれませんが・・・。

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ターミナル用の穴径は48mmとしていますが、下記の部品を使用する前提です。

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板どり

サブロク合板で2台分の材料を準備したかったですが、無理がありました。仕方がないので、とれるところまで板どりして、残りは2台目製作の際に考える事にします。カットサービスを利用しますが、カット回数よりも出来上がり寸法を重視して板どりを考えます。店で提示する予定なので寸法値が見やすいように1/10サイズで描き単位をcmとしました。上記を考慮して作成した板どり図は以下のとおりです。

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工具準備

最近木工は行っていなかったので、必要な工具の準備をします。まずは丸穴をあけるための穴びきを確認します。アマゾンで検索すると、ボードソーや挽回鋸などが該当しました。目にとまったものをリストアップしてみました。

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加工時まので準備したいとおもいます。接着時に必要なハタガネを検索してみました。目に止まったものを同様にリストアップしてみました。

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サイズの大きい物は値がはります。最低2本は必要ですが、組立時の効率を考えると何本必要となるでしょうか?こちらも組立時までに準備したいとおもいます。次回はサブウーハー用のチャンネルデバイダの設計を行います。

 

つづく(設計編3)

サブウーハーの製作(設計編1)

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設計編1

ウーハーユニットの選定を行い、エンクロージャの設計を行います。

ウーハーユニット選定

今回は経験を積むための製作の意味もあるので、あまり高額なユニットを使う事は考えていません。それでもエンクロージャはそこそこかさばる為、保管を考えると中途半端な物を作りたくありません。まずはFostexのWebサイトを確認してみました。今回の用途に適したユニットはPW305ですが、価格が46,200円と高く手がでません。

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続いてアマゾンでサブウーハーユニットで検索したところ、多数の商品がヒットしました。検索結果には通常のウーハーユニットと、サブウーハーユニットが含まれていました。その中から25cmと30cmのものをピックアップして比較評価しました。目にとまったものは、Dayton AudioのLS12-44です。

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30cmのサブウーハーで、低プロファイル(厚みが薄い)事が特徴です。仕様を整理してみました。

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インピーダンスは4+4Ωとなっていますが、4Ωの2個のボイスコイル2個内蔵されているために、このような記載となっているようです。サブウーハーという事で、周波数帯域の上限は300Hzと欲張っていません。メーカーのサイトで公開されている周波数特性も掲載します。

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700Hzくらいまでダラ下がりの素直な特性となっていますが、1KHz以上で共振起因とお思われるピークとディップがあります。チャンネルデバイダーのカットオフは、すでに決めているとおり100Hz以下としたいとおもいます。実はこのユニットですが、昨年(2021年)の11月11日に16,595円で購入していましたが、その翌週から価格が改訂されて32,593円と約2倍の価格となりました。円安が進行していたので、いづれ製作してみたいと考えていた為に早めに購入をした事が功を奏しました。こんな事なら2ユニット購入しておけばよかったと思いました。メーカーサイトにはエンクロージャの推奨容量の表記が見あたりませんでしたが、ネット検索したところ50Lとの情報を見つけました。今回はこの情報を信用して設計を進めたいとおもいます。

LS12-44

現品が届きました。重さの割には簡単な梱包です。

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ファイバーコーン採用との事ですが、こんな感じです。

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スピーカーの裏側から見るとこんな感じです。

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ハニカム構造?として強度を上げているようです。現品を見てわかりましたがターミナルが2対あり、その接続によりデュアルボイルコイルは直列でも並列でも使用できるようになっていました。

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バランス駆動させる予定の為、直列仕様(8Ω)で使用するつもりです。外観のみで言えばこれで16,595円は安いとおもいます。

エンクロージャ

だいぶ久しぶりの木工製作となります。容積50Lの箱を作りますが、まずは材料を選定します。学生時代に製作したときには、ラワン材、ラワン合板を使いました。ラワン材は加工しやすいですが、単板の為そりやすい事が欠点です。ラワン合板は、合板とする事でそりの問題は軽減されますが、表面が荒く塗装映えしない事が欠点です。そこで今回は、シナ合板を使いたいとおもいます。ラワン合板を心材として表面にシナ材を使用している合板です。シナ材は木質が緻密で木肌がなめらかなため、ラワンに比べて塗料の吸い込みが少なく塗装がしやすくきれいに仕上げる事ができる点が特徴です。さっそく近所のスーパービバホームへ行ってみました。在庫を見ると、シナ合板の代わりにシナランバーが目にとまりました。調べてみると、心材がベニア合板の代わりにブロック状に接着された集成材が用いられ、下記の特徴がある事がわかりました。

・腐りにくい

・反りやねじれの心配が少ない

・釘やネジなどの保持力が高い

・軽い

サブロクサイズ(910x1820)の価格(税込み)は以下のとおりです。

18mm厚:5,478円

21mm厚:5,698円

24mm厚:6,248円

カットサービスは1カット55円(税込み)でした。今回は価格や重さを考慮して21mm厚を選択したいとおもいます。次回はエンクロージャの設計を行います。

 

つづく(製作編2)

サブウーハーの製作(構想編1)

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構想編1

フルレンジスピーカーの音をより良く聴く為に、サブウーハーの製作を構想します。

きっかけ

年始にFE103を使ったフルレンジスピーカーを久しぶりに引っ張り出して聴いてみました。エンクロージャは学生時代に製作したバスレフ方式です。当時取り付けていたFE103はコーンがボロボロになった為に2016年9月に当時販売されていたFE103Enに交換したものです。最初は昨年製作したHi-ch用A級BTLトランジスタアンプで鳴らしました。悪くはありませんが、長時間聴いていると疲れる印象でした。

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次は、Mid-ch用EL34A級プッシュプルアンプで鳴らしてみました。

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FE103Enとの相性が良く、特にシンプルな女性ボーカルの楽曲はいい感じで聴く事ができました。FE103Enはその前のFE103Eおよび現行のFE130Nvと比べてQ値が低くオーバーダンプよりのチューニングとなっています。その結果トランジスタアンプよりも真空管アンプと組み合わせた方がバランス良く聴く事ができたと思われます。

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ベース、ピアノとのセッションの楽曲もそれなりに聴く事ができますが、ベースの音がどうしても薄くなります。この定位の良さを生かしつつ、低音の厚みを増やしたいと思い、サブウーハーの製作構想をする事にしました。久しぶりにマルチアンプシステムから離れた製作となります。

サブウーハー

元々サブウーハーに対してあまり良い印象を持っていませんでしたが、インターナショナルオーディオショウのFostexのブースで聴いた限りではあまり違和感がありませんでした。情報収集の為にFostexのHPを見てみました。Hi-Fiシリーズに2つの製品がラインナップされていて、上位機種はMFB(モーショナルフィードバック)が採用されていました。どちらの機種もR-chの低音域を再生する仕様となっています。

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昔のサブウーハーは、L-chとR-chを加算してモノラル化した信号をLPFを通して信号生成をしていたと記憶しますが、今は違うようです。昔は振幅の大きな低音域の楽器はセンター定位させていたと思います。そうしないと(アナログ)レコードの溝の深さが維持できずにスタイラスのトレース性を損ねると聞いた記憶があります。現在はアナログレコードの仕様を意識する必要がないので、低音域の楽器の定位も自由にできるからだとおもいます。サブウーハー設置の理想形態は、L/R独立仕様です。今回はR-ch仕様で製作したいとおもいますが、L/R独立サブウーハー仕様への拡張も考慮して構想を進めたいとおもいます。

システムブロック

いままで製作したバランスボリュームユニットの出力を横取りしてLPFを通してサブウーハー用の信号を生成する構成で検討を進めます。ブロック図を描くよりも回路図の方が手軽なので、構想用に作成してみました。

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入力は、DACからのバランス信号が入り、ボリュームを介してメインチャンネル用のパワーアンプにバランス出力します。サブウーハー用の信号は、ボリューム出力を一旦バッファアンプに入力して、LPFでサブウーハー用帯域とします。その出力をボリュームを介してバランス出力し、サブウーハー用のパワーアンプに入力します。LPFはもう1チャンネル分の実装スペースを確保しておけば、L/R独立サブウーハー対応も可能です。

クロスオーバー周波数

FE103Enの周波数特性を確認します。生産終了品ですが、FostexのWebサイトにありました。

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R-ch方式でカットオフ周波数を上げると、低音楽器の定位に影響を与えるとの事なので、100Hz以下に設定したいとおもいます。これでだいたいの構想がまとめられたので次回は設計をします。

 

つづく(設計編1)

Hi-ch用トランジスタアンプ製作(まとめ編4)

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まとめ編4

引き続き製作のまとめを行います。

アンプユニット通電

組立前にアンプユニット単体で通電および調整を行います。電源はユニバーサル電源から供給しましたが、給電ポイントが多いので、配電用の基板を作成して対応しました。

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アンプユニットの通電結果は以下のとおりです。

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組立

サイドパネルにフロントおよびリアパネルを取り付けて、最後にボトムシャーシを取り付けました。

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電源系の配線を行うために、一旦左側のサイドパネルを外します。

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配線完了後、電源単体の動作確認を行いました。各部電圧の確認と電源ランプの点灯確認を行いました。

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上の写真がSWオフ時で、下がSWオン時の点灯状態です。次はアンプユニット電源配線です。電圧増幅段、ドライバ段、終段へ配線します。

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通電は最初に方側を行い、もう一方のアンプユニットの電源配線を行って両側の確認を行いました。

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アンプユニット最終調整

正規の電源と組み合わせて各アンプユニットの最終調整を行いました。各基板の調整結果は以下のとおりです。

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ドライバ段と終段の電源オフ時の各部電圧も念のため確認を行いました。

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温度補償回路動作確認

終段のバイアス電流の熱暴走を防ぐ為の温度補償回路の動作確認を行いました。終段の2本のエミッタ抵抗(0.33Ω x2)の両端電圧を測定して電流値換算して、その変化をモニタしました。

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4つのアンプユニットの確認結果は以下のとおりです。

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結果から、正しく動作している事が確認できました。

入力配線

間違いなく作業を行うために、XLRパネルコネクタを外してコネクタ配線を行いました。

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反対側は、基板の端子台に接続します。

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これでアンプの組立は完了です。

周波数特性の測定

測定は、発信器出力をバランス変換ボリュームユニットでバランス信号に変換してアンプに入力します。アンプの出力には8Ωのダミー抵抗を取り付けました。0.2Vppの正弦波を入力して出力波形をオシロスコープでモニタしました。各アンプユニットの周波数特性は以下のとおりです。

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各アンプユニットの周波数特性は良好です。念のためカットオフ周波数(-3dB)の確認も行いました。

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結果は変な感じもしますが、入出力のバランス信号の振幅を比較すると素直な結果になるように思われます。

まとめのまとめ

私のNS-1000Mのマルチアンプシステムは、今回の製作で以下のとおりとなりました。

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設計で広帯域化を考慮したとは言え、無帰還の真空管アンプとの比較では今回製作したアンプの方が私の好みの音となったように思います。当面この構成で音楽を楽しみたいと思います。9月に構想を開始して約4ヶ月間製作を楽しめました。今後もこのアンプで音楽を楽しむ事を考えると、あながち贅沢な趣味ではないと思います。今回も長い間おつきあいいただきありがとうございました。

 

おわり(まとめ編4)

2021年末を聴く(番外編43)

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番外編43

あけましておめでとうございます。毎年恒例の年末の番組をシングルモルトをお供に製作したシステムで聴いてみます。

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今回のシステム

昨年同様に真空管ヘッドホンアンプを使います。システムブロック図は以下のとおりです。

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単に聴くだけではつまらないので、事前にヘッドフォンアンプの改良を行います。

真空管ヘッドホンアンプ改良

改良に入る前に簡単に真空管ヘッドホンアンプについて紹介します。回路図は以下のとおりです。

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初段はHi-gmの双三極管12AX7を使った差動アンプで、終段は双三極管6N6Pを使ったA級プッシュプル方式です。バランス入力出力仕様の為バランス入力ヘッドホン専用です。出力を分圧せずに使っているために、ヘッドホンの感度に対してアンプのゲインが高く、ハム対策に苦労しました。その結果特性を追い込むまで気力が続かずに性能面で妥協した状態となっていました。下記がこのヘッドホンアンプの周波数特性です。

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製作当時に検討したのは、終段入力にコンデンサを追加してフィルタを構成し、特性の改善を試しました。対策回路とその結果は以下のとおりです。

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結果を見るとピークの周波数が下がるだけで、特性はかえって悪化してしまいました。またピークの周波数はCD帯域外の為、聴感上への影響は少ないと判断して対策せずに放置してきました。今回の番外編で使用するので改めて対策検討をしてみます。対策案は、オーソドックスですが帰還抵抗100KΩにコンデンサを並列に追加してみます。仮に100KHzをカットオフとした場合の容量値は以下となります。

C = 1 / (2πx 100E3 x 100E3) = 約16pF

最初に20pFを取り付けたところ、CD帯域にも影響がでるような特性となってしまいました。仕方ないので容量を10pFに変更してみました。

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この結果周波数特性は以下のとおり改善されました。

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これで改善したという事は、オリジナルの特性は帰還回路起因だったと考えられます。対策前後の音の差は正直なところよくわかりませんでしたが、これで年末の番組を特性を気にせずに安心して聴く事ができるようになりました。

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クイーンライブ'86

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12/30にNHKの地上波で放送されました。1986年ロンドンのスタジアムで開催されたライブ映像です。全18曲で後期のクイーンを聴く事ができました。カメラーワークも良く、ライブの雰囲気が伝わる録音であっという間の一時間でした。フレディーはオリジナル曲の高音が発声できずに雰囲気を壊さずに音程を変えて歌っていました。ボヘミアンラブソディーのコーラス部の音声は録音に切り替わり、映像はMV風なものが使われていました。映像切り替わり直前の舞台は暗転していたので、映像がスクリーンに流れていたものと思われます。切り替えは違和感なく感心しました。ライブをみる限り、フレディーは根っからのエンターティナーだと思いました。1/9(8日深夜)に'75のライブ放送があるので、初期のクイーンも聴いてみたいとおもいます。

第72回紅白歌合戦

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今回はNHKホールが工事中との事で、インターナショナルオーディオショウでも使われている東京国際フォーラムでの開催です。2年ぶりの有観客との事ですが、客席はコロナ対策の為、観客はまばらです。昨年に続きお祭り騒ぎがあまりなく和久井アナウンサーの仕切りも良く好印象でした。選曲は全年齢に配慮されていて、私も知っている曲が多数ありました。特に印象に残った楽曲およびイベントは、星野源「不思議」、藤井風「燃えよ」、エバンゲリオンの小芝居でした。私はエバンゲリオンの映画は見ていませんが、映像はオリジナルだったのでしょうか?放送の質も良く、ヘッドホンで十分楽しめました。今年もマイペースで製作を行っていきたいとおもいます。予定を早めて土曜アップロードした関係で、次回は1/7(金)のアップロードとなります。

 

おわり(番外編43)

Hi-ch用トランジスタアンプ製作(まとめ編3)

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まとめ編3

引き続き今回の製作のまとめを行います。

アンプ基板実装

BTLステレオ分で4つのアンプユニットを製作しました。基板4枚分です。実装に当たって下記の項目を考慮しました。

1)組立後の配線や調整を考慮した部品配置

2)帰還ループの最短化

1項については、各アンプ基板をヒートシンクを兼ねる左右のパネルに1枚づつ取り付ける為、部品配置を対称にしました。取り付けた状態で、できる限り端子台とボリュームが上側の配置となるように考慮しました。

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2項は安定性と性能を考えると外せないポイントです。この為にドライバ段のトランジスタを基板上に配置し、基板内で帰還ループが完結するようにしました。

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このおかげで、基板単体で20dBのアンプとして動作可能となり通電および動作確認が容易にできました。

ヒートシンク部品実装

ヒートシンクにはアンプ基板以外に終段のコンプリメンタリペアのトランジスタと温度補償用のトランジスタを実装します。加工図は以下のとおりです。

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図面は右側のヒートシンク用ですが、今回ミスをしてしまい左右で基板の実装位置(高さ方向)が約5mmずれています。しっかり見ないとわからないレベルなので気にしてはいません。穴はすべてM3用に下穴をあけてタップでネジを切っています。最初にアンプ基板を取り付けます。7mmの六角スペーサをヒートシンクに取り付けて、それに基板を固定しました。

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温度補償用のトランジスタは、小さな基板に実装して基板をネジでヒートシンクに固定しました。その際にトランジスタヒートシンクに密着するようにしています。

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残りは、終段トランジスタの取り付けです。小さな基板にトランジスタとエミッタ抵抗、パスコンを実装して、この状態でトランジスタヒートシンクに取り付けました。

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これでアンプユニットは完成です。

電源基板実装

電源基板は電圧増幅段用と終段用をそれぞれ基板に実装しました。実装には下記を考慮しました。

1)できる限りコンパクトに実装する

2)入出力は端子台として、できる限り各ライン専用に設ける

1項は、オリジナルのLo-ch用アンプ組立時に基板とトランスで窮屈な状態となってしまい、配線に苦労した事の反省によります。(下の写真)

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各電源は72 x 47.5mmのユニバーサル基板への実装を決めました。2項は特に終段用電源基板を想定した考慮点です。ドライバ段と終段へ独立して給電するため、端子台の数が多く基板の周囲が端子台だらけとなっています。

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ボトムシャーシ組立

ボトムシャーシに取り付ける部品は、上記で組み立てた電源基板2枚とトロイダルトランス2個です。トロイダルトランスは、共立エレショップで購入しました。あまり大容量のものはありませんが、今回の用途では十分な仕様です。下記が加工図です。

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基板の配置は、配線を考慮しています。部品取り付けの前に、メンテナンス性向上の為に、追加加工をしました。ボトムシャーシを外さずにサイドパネルの取り外しができるように、サイドパネル固定用のネジにアクセスできるように穴を4カ所あけました。

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これで、フロントパネルおよびリアパネルとボトムシャーシを接続した状態で、サイドパネルの取り外しができるようになりました。追加加工したボトムシャーシに電源基板2枚とトロイダルトランス2個を取り付けました。

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ねらいどおり、余裕のある配置となりました。次回も引き続きまとめを行います。

 

つづく(まとめ編4)