Hi-ch用トランジスタアンプ製作(製作編8)

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製作編8

アンプ回路の2段目の実装を行います。

アンプ回路2段目

改めて回路図を掲載します。初段の実装で在庫の関係で抵抗値を変更しましたが、回路図反映済みです。

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実装前に、簡単に解説します。2段目は単純な差動アンプに、ドライバ段のバイアス電流を決める定電圧回路を組み込んでいます。定電圧回路を構成するトランジスタは、基板上には実装せずに終段のトランジスタ脇のヒートシンク上に取り付けて、終段の温度上昇に伴う熱暴走を防止するための補償回路となります。バイアス回路と反対側は、差動アンプのトランジスタのVceのバランスをとるために、小信号用スイッチングダイオードを4個直列に入れてます。どの程度の効果があるかわからないので、気休めくらいに考えています。

2段目実装開始

2段目実装のイメージをつかむ為に、1段目実装済みの基板のハンダ面を眺めていたところ、実装上の不都合が見つかりました。具体的には初段のカスコード回路のベース電位を決めるバイアス電流用の抵抗の配線です。1段目の負荷抵抗と2段目を遮るように+電源ラインへ配線されていました。後の事を考えて手間はかかりますが、配線をやりなおしました。

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左がオリジナルで、右は修正後の配線です。基板の下端の配線が+電源ラインで、左の基板の左下の縦の配線が2段目への配線を妨げになります。右の基板はバイアス用抵抗の実装を変更して縦のラインを電源端子台側に移動しました。これで1段目出力と2段目のベース入力の配線を格段にシンプルにできます。最初に適当な位置に2段目の電流を調整する半固定抵抗を取り付けます。続いて差動動作をするトランジスタを取り付けますが、hfe測定結果からペア選別を行いました。選別結果は以下のとおりです。

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これもhfeの大きい物からペア選別しました。トランジスタの実装配置は、内側にエミッタが対向するようにしました。

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次は1段目出力と2段目入力のトランジスタのベース間の配線を行います。上記の修正により、シンプルに配線できました。

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続いてトランジスタ印加電圧のバランスをとるためのダイオードを取り付けます。せっかく新たに購入したマルチテスタにダイオード測定モードがあるので、最初の基板に実装する4本の測定をしてみました。ファンクションをダイオード測定モートにして赤のリードをアノードに、黒のリードをカソードに付けるだけです。これで簡単に順電圧Vfの測定ができます。取説をみると、電流1mAを流した状態でダイオードの両端電圧を測定している事がわかりました。

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写真は測定用にワニ口クリップ電線を使っているため、数値がやや大きく表示されています。4本の測定結果は以下のとおりです。

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設計上0.6Vとしていますが、やや小さな値となっていました。基板実装スペースに余裕があったので、通常のリード部品の取り付け方法で実装しました。同時に差動アンプの負荷抵抗も取り付けています。

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2段目最後は差動アンプ出力側の部品実装です。取り付ける部品は、定電圧回路トランジスタ接続用の3極の端子台と半固定抵抗およびベースコレクタ間の抵抗と、差動アンプの負荷抵抗です。最初にトランジスタ接続用の3極の端子台の実装位置を決めて、それに合わせて、他の部品を実装していきました。端子台の位置は電線配線時の作業性を考慮して、できる限り基板取り付け時に上側となるように配置しました。ここでも定電圧回路用の3.3kΩの抵抗在庫がなく、3kΩに変更しました。回路図は別途修正します。

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ここまで、ハンダ面に被覆電線を使用せずに済み、いい感じで実装が進んでいるとおもいます。次回は、ドライバ段の実装および温度補償用のトランジスタモジュール基板を作成します。

 

つづく(製作編9)

Hi-ch用トランジスタアンプ製作(製作編7)

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製作編7

アンプ基板の初段の実装を行います。

アンプ基板初段実装

改めてアンプ回路図を掲載します。

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初段は、Dual J-FETによる差動アンプ構成で、差動アンプのドレイン電流の和は、トランジスタによる定電流源により約2mAに設定しています。初段FETのミラー容量による高域特性の劣化を防ぐためにカスコード接続によりドレイン電圧を固定しています。カスコードを構成しているトランジスタのVceは変動しますが、ベース電位を固定している定電圧ダイオードインピーダンスが低いため、ミラー容量の影響を無視する事ができます。負荷抵抗に接続した半固定抵抗は、あまり良い方法ではありませんが、オフセット調整用です。初めに半固定抵抗を実装します。電源入力用端子台から少し離して実装しました。

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次に負荷抵抗を実装します。半固定抵抗の両端に接続します。

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続いてカスコード構成としているトランジスタを実装します。2SC1815Lのhfe測定結果一覧から4ペアを選別しました。意図はありませんが、hfeの大きなものから選定しています。

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使用したトランジスタは、測定結果一覧を網掛けしています。配置はベース端子が内向きに対抗するようにしました。

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次はベース端子電圧を固定する定電圧ダイオードとバイアス電流用の抵抗を実装しました。配線ができる限りシンプルになるように配置をしています。

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次は変換基板に実装したDual FET装着用の6ピンソケットを実装します。ドレイン配線がシンプルになるようにソケットの向きを決めました。

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続いて入力用の2極の端子台を実装します。実装位置は迷いましたが、電線配線時の作業性と実装配線の両方を考慮して、電源用端子台の隣に配置しました。

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次に入力抵抗を取り付けます。実装位置は、入力用端子台のすぐ脇としました。

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同様に差動アンプのマイナス入力の入力抵抗を取り付けました。

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今のところハンダ面に被覆電線を使用していません。実装完了まで使わずに済むように気を使います。次は、初段の電流を決めている定電流源用のトランジスタを実装します。使用するトランジスタは、ペア選別から漏れたものを使用しました。

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水色の編みかけのトランジスタを使用しました。実装位置は、接続する部品の配置も考えて決めています。

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実装したトランジスタのエミッタとマイナス電源間に抵抗を接続します。回路図は4.3kΩとしていましたが、在庫がなかった為、3,9kΩを実装しました。若干初段の電流が増えますが体勢に影響はありません。

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わりとゆったり部品を配置しましたが、それでもマイナス電源間に余白が残りました。初段最後は、定電流源用トランジスタのベース電位を決めるツェナーダイオードとバイアス電流を流す抵抗を実装しました。

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電源用端子台と初段実装部品間を少し空けた為、バイアス電流用回路実装はあまり考えずに済みました。初段実装完了時のハンダ面はこんな感じです。

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無理せず配線できたとおもいます。本記事のアイキャッチ写真は初段実装を完了した4枚の基板ですが、いい感じではないでしょうか?次回は2段目の実装を行います。

 

つづく(製作編8)

Hi-ch用トランジスタアンプ製作(製作編6)

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製作編6

変換基板へ実装したDual FETのIdss測定を行い、アンプ基板の実装を開始します。

Idss測定

測定の前に、J-FETのIdss特性について整理します。J-FETのドレイン電流Idは、ゲート電圧Vgsによってきまります。図は2SK2145の仕様書から引用しました。

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グラフには7個の特性が描かれていますが、それぞれのチップのVgs=0Vのドレイン電流IdがIdssとなります。2SK2145はIdss値で3つのランクに分けられています。

Yランク品 :1.2~3.0mA

GRランク品:2.6~6.5mA

BLランク品:6.0~14.0mA

初段のバイアス電流は1mAで設計しているのでYランク品でミニマム品の場合、Idssが小さすぎ、BLランク品で大きすぎる為、今回はGRランク品を選定しています。上記のグラフをみると、差動アンプとして使うとは言え、直線性の良いエリアで使う為には、GRランク品のミニマム品を選別したいところですが、チップ品なのであきらめます。測定用のジグは、先日トランジスタのhfe測定をしたものを使用します。

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右下のエリアにdipソケットを実装しているので、そこに変換基板に実装したFETを装着して測定を行います。測定回路は以下のとおりです。

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測定用ジグにジャンパピンを使って必要な回路を構成しました。変換基板に実装したFETをジグに装着します。

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測定はドレイン抵抗印加電圧を測り電流値に換算するだけです。(アイキャッチ写真参照)測定は順調に進み、最後の1個でトラブル発生です。片側のFETのIdss測定時に電流が安定しません。ジグの配線に手をかざすと値が変動します。再度ハンダ付けをやり直しましたが症状は変わりません。次段へ問題を持ち越したくない為、追加でFETを変換基板に実装する事にしました。但し、接続ピンの予備がないため現品から取り外す必要があります。接続ピンの取り外しは難しく、結局変換基板をニッパでカットして1ピンづつ基板を取り外しました。

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追加実装したものは、問題ありませんでした。測定結果は以下のとおりです。

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4aと4bが追加実装したものですが、隣りどおしのパッケージング品ではないでIdss値が他と離れています。差動アンプとして使うため、aとbの特性が揃っていれば問題ありません。測定完了したモジュールは、一旦静電気保護袋に入れて保管しました。

アンプ基板実装準備

製作中のアンプはBTL方式の為、アンプ基板はステレオ分で4枚必要です。モノラルアンプの筐体へは、2枚の基板を実装しますが、それぞれの基板は、ヒートシンクを兼ねたサイドパネルに取り付けます。

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アンプ基板の端子台への配線作業を考えると、端子台の位置をトップカバーに近い位置に配置すべきと考えて、実装は大変となりますが、左右のサイドパネルに取り付ける基板の実装をミラー対象とする事にしました。部品の実装は、効率を考えてBTLステレオ分の4枚を平行して進めます。最初に四すみにスタッドを取り付けました。

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電源配線

電源入力用の3極の端子台は基板の短辺の上側としました。

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次に基板内の+電源配線を行います。半固定抵抗の実装位置を考慮して+電源配線は基板をサイドパネル取り付け時に基板の上側の端となるように敷線しました。

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次に配線した+電源ラインにパスコン0.47uFを取り付けました。

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続いて、ー電源ラインを敷線します。基板取り付け時に基板の下端に敷線しました。さらに+電源ラインと同様にパスコン0.47uFを取り付けます。

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これで電圧増幅段用の電源ラインの敷線は完了しました。次回は初段の実装からスタートします。

 

つづく(製作編7)

Hi-ch用トランジスタアンプ製作(製作編5)

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製作編5

実装完了した電圧増幅段用電源基板の通電確認を行い、引き続きアンプ初段用Dual FETを変換基板への実装を行います。

電圧増幅段用電源基板通電確認

電源の回路図を改めて掲載します。

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通電確認は、終段用電源基板通電確認時と同様に、電源をユニバーサル電源から供給します。本来であれば、供給電圧は電源トランス2次のピーク電圧を供給する必要がありますが、私のユニバーサル電源の最大電圧は+/-18.45Vなので、この電圧で確認を行いました。

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電源ランプ用端子台には、直接LEDを接続して点灯確認を行いました。但し、アンプ動作時には、消灯する仕様の為、点灯確認後はLEDを取り外しました。確認は、終段用電源確認時と同様に、供給電圧の極性反転状態の確認も行っています。確認結果は以下のとおりです。

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確認時に1点気になる点がありました。ユニバーサル電源の供給電流が+と-で異なりました。

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写真上が、+の供給情報で下が-時のものです。+電源は6mAに対して-電源は-4mAとなっています。三端子レギュレータの仕様書を確認したところ違いの原因がわかりました。

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上記は、それぞれのICの無効電流の仕様です。供給電流の差はこの仕様に起因していると考えられます。これでモノラルBTLアンプステレオ分の電源基板の実装は完了しました。

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Dual FETの変換基板実装

次は、アンプ初段のDual FET 2SK2145の変換基板への実装を行います。現状オーディオ用DCパワーアンプの初段に適した簡単に入手可能なDual FETは他に選択肢がなく、私にとってハードルが高いチップ品を選択せざる得ません。このチップ品をアンプ基板に実装するために、変換基板に実装します。どちらも秋月電子で調達しました。

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実際の部品は以下のとおりです。

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基板のランドは6個ありますが、2SK2145は5ピンです。

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最初にゲートに相当する基板のランドにハンダを盛り、全体の位置を合わせてゲートをハンダ付けします。残り4ピンをハンダ付けしますが、端子間のショートを恐れずにハンダ付けをして、ショートしてしまった場合は、ハンダ吸い取り線で余分なハンダを取り去ります。作業は、変換基板をテープで固定して行いました。

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ハンダ付け完了後は、各FETの端子と変換基板の引き出し先のスルーホール間の抵抗値確認を行います。

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次は、変換基板に接続用の端子をハンダ付けします。

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この接続用端子ですが、変換基板のスルーホールと微妙に位置がずれているため、端子を奥まで差し込まない事がポイントです。

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接続用端子は、端子を固定しているモールドの形状が上下で非対象となっています。アンプ基板への実装は、6ピンソケットに装着するため、取り外し時を考慮して変換基板への取り付け端子を選択しています。息切れしつつも、必要分(4個)の実装が完了しました。

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細かな作業時は息をとめるため、まさしく息切れした状態となりました。やれやれ。次回は、変換基板へ実装したDual FETのIdssの測定を行います。

 

つづく(製作編6)

Hi-ch用トランジスタアンプ製作(製作編4)

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製作編4

実装完了した終段電源基板の通電確認を行い、電圧増幅段電源基板の実装を開始します。

終段用電源通電確認

改めて回路図を掲載します。

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トランスを使った通電確認は手がかかるので、ユニバーサル電源でDC電圧を供給して行います。供給電圧は、トランス2次電圧のピーク電圧とします。トランスの二次電圧は6.3Vなので、通電確認時の供給電圧は、+/-DC8.9Vとしました。念のため入力は+/-の極性反転状態も確認しました。結果は以下のとおりです。

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DC電圧を入力しているので出力電圧値はあくまで参考値ですが、全出力端子台が所定の電圧となっている事が確認できました。LED用出力は用端子台に直接LEDを取り付けて点灯確認を合わせて行いました。

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無事2枚分の電源基板の実装が完了しました。

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大容量オーディオ用電解コンデンサが見た目のキーポイントで、いい感じに仕上がったと思います。

電圧増幅段用電源実装

実装前に大物部品をまとめてみました。

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終段用電源に比べて端子台の数は少ないですが、他の部品が多いので手間がかかりそうです。この基板も部品選定時に念のため実装検討を行いました。検討結果は以下のとおりです。

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実装前に改めて検討し直しました。配線の効率を考えてLED出力用端子台の位置を変更しました。

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部品配置検討基板を段積みしているのは、まだ電解コンデンサのリードをカットしていない為です。電解コンデンサのリードは太い為配線に流用したいと考えています。配置検討が終わったので、実装を開始します。終段電源と同様に、穴径を広げて端子台を装着して仮ハンダしました。電解コンデンサは、リードを流用して配線しています。初めにGNDと+/-電源配線を行いました。

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基板の左側が汚れていますが、ブリッジダイオードを仮止めしていましたが、配置に不都合が出たために、向きを変えたためです。電解コンデンサの向きを180°変えていればブリッジダイオードの向きも変えずに全ていい感じに収まったのですが、後の祭りです。部品面はこんな感じです。

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もう1枚の基板も同様に組立しました。

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次に全波整流回路にフィルムコンデンサを実装しました。

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2枚の基板で一部GND配線が異なっていますが、結局後で配線しなおしています。

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次に三端子レギュレータを実装します。+用と-用で端子配置が異なるので注意します。

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続いて三端子レギュレータ出力にフィルムコンデンサを接続しました。

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さらに出力に電解コンデンサを追加します。部品面とハンダ面はこんな感じとなりました。

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もう1枚の基板も同様に実装を行いました。

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いつもは、配線を縦と横としますが、今回は斜めの配線も多用しました。配線効率も上がり、見た目もそんなに気になりませんでした。

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これで完了と思いましたが、放電用の抵抗の接続を忘れていました。10kΩ2本です。

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こんどこそ実装完了です。次回は実装完了した電圧増幅段電源基板の通電確認を行います。

 

つづく(製作編5)

Hi-ch用トランジスタアンプ製作(製作編3)

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製作編3

終段用の電源基板の実装を行います。

閑話

約40年ぶりにテスタを新調しました。今まで使用してきたものは、KAISE SK-6200で大学の電子回路の課題対応の為に秋葉原で買ったものです。

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課題はトランジスタ2石の差動アンプの設計製作評価でした。十分な帰還をかけていないため、不安定でこんなものがアンプとして使えるのかと思った事を思い出しました。オートレンジでファンクションと電源SWが別となっていて操作性が良く気に入っています。年代物なので、時々液晶表示が薄くなり、そのたびに本体をこづいていました。もう1台のアナログテスタは、大学で配布されたKITを組み立てたものです。

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前回までの記事で報告したhfe測定時のIc調整用にはアナログタイプが適しています。会社の昼休みにアマゾントップページを眺めていたところタイムセールの表示に誘われて思わずテスタを購入してしまいました。KAIWEETS HT113Bです。送料込みで2,184円でした。いままで使ってきたものの半額以下だとおもます。

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電源SWと機能選択が1つのロータリSWで行うため、操作性は今まで使っていたものに比べて後退しました。機能選択のロータリーSWの位置が少しずれると、DC電圧測定モードとなってしまう事もあり、完成度はいま一つの印象です。機能は豊富ですが、電圧と抵抗値測定しか行わない為、機能説明は省略します。ユニバーサル電源で13.5Vを出力して電圧を測定してみました。

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ユニバーサル電源の電圧表示をセンターに、SK-6200が約-0.5%、KAIWEETSが+0.5%となっていました。どれが真値かわかりませんが、ユニバーサル電源出力が真値とするとすべて仕様範囲内と言えます。閑話休題

終段電源基板実装

初めに終段電源基板の実装を行います。平滑用電解コンデンサとして33,000uF x2を72 x 47.5mmのユニバーサル基板に実装する事がポイントです。下記が部品選定時に行った実装検討結果です。

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実装前に改めて回路図を確認してみました。その結果下記2点を変更しました。

1)終段+電源回路に放電用抵抗の追加

2)電圧増幅段-側全波整流回路のLED電流バランス用抵抗削除

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1)項は、電源単体通電確認時にLED負荷を接続しない場合の電解コンデンサ放電用に追加しました。2)項は、動作時には+電源回路を電源とするLEDは消灯するので動作時のバランスが逆に崩れるために抵抗を削除しました。まずは大物部品を準備します。

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平滑用電解コンデンサは耐圧が16Vと低くても容量が大きいため、さすがにサイズが大きいです。基板の四角にスタッドを取り付けて主要部品を並べてみます。

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端子台は基板の穴に比べて若干太く、そのままではほぼ挿さりませんでした。仕方ないので、φ1.2のドリルで穴径を広げます。3極は両端の2つを、2極は1つを広げるとガバガバにならなくていい感じです。

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最後にブリッジダイオードを装着してみました。

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これで大物部品の実装場所の確認ができたので、配線を開始します。最初はGNDと+/-電源の配線を行いました。

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部品面はこんな感じです。

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さらに端子台へのGND配線とブリッジダイオードAC入力配線を行います。

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次にフィルムコンデンサ0.47uFを実装します。実装場所はブリッジダイオード近傍としました。

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LED点灯回路の抵抗および端子台への電源配線を行い実装完了です。

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部品面はこんな感じです。

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次回は、実装完了した終段用電源の通電確認を行い、電圧増幅段用電源基板の実装を行います。

 

つづく(製作編4)

Hi-ch用トランジスタアンプ製作(製作編2)

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製作編2

電圧増幅段で使用するトランジスタのhfe測定を行います。

電圧増幅段バイポーラトランジスタhfe測定

地味な作業が続きますが、自作ならではの贅沢と考えて我慢して進めます。電圧増幅段で使用するバイポーラトランジスタは2SC1815と2SA1015です。オリジナルは東芝製ですが、すでに生産終了の為、手にはいりません。今回はセカンドソースのUTC製のものを購入しています。写真は東芝製とUTC製の2SC1815です。

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捺印が異なりますが、UTC製(右)は文字サイズが小さくルーペがないと視認が難しいです。2つのトランジスタは、コンプリメンタリペア品がありますが、秋月電子の在庫の関係で2SC1815はBLランク品を2SA1015はGRランク品を購入しました。今回のアプリケーションでは、コンプリメンタリペアは必要はないので問題となりません。最初は2SC1815L-BLの測定を行います。hfeの測定回路は、前回と同じですが、電流値を変えるため定数を変更します。Icは使用条件に合わせるべきですが、電流値を小さくしすぎると、Ibの測定誤差が気になります。バランスを考えて、今回はIc=5mAとしました。測定回路は以下のとおりです。

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ジグには必要な抵抗が実装されているので、配線を変えるだけで対応できます。測定の手順は、前回の記事と同じです。トランジスタはレバー固定式のDIPソケットに装着します。

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レバー式のDIPソケットは優秀で、いままでの測定で一度も接触不良がありません。Icが小さく発熱量が少ないので、電流値はすぐに安定します。測定結果は以下のとおりです。

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トータル45個測定しました。hfeは560~630の間に分布しています。BLランク品の仕様は350~700ですがセンター上寄りの分布となっています。この結果から十分なペア選別ができます。続いて2SA1015L-GRのhfe測定を行います。測定回路は以下のとおりです。

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測定結果は以下のとおりです。

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このトランジスタも45個測定を行いました。hfeは224~248の間に分布しています。このトランジスタも十分はペア選別ができます。

測定トランジスタの保管

測定したトランジスタは、管理在庫として保管し、必要な時に選別使用できるようにします。写真は保管箱です。

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箱は仕切で4分割されていて、それぞれに小袋を入れています。小袋はナンバリングし、左はNo.1~10、その隣はNo.11~20、一番左はNo.40以上とし番号順に並べています。小袋は以下のとおりです。

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写真はNo.19とNo.45の小袋です。小袋のNo.と測定結果一覧のNo.を合わせているのでトランジスタの特定が可能です。袋の中身は、全て異なるトランジスタで、使用の有無により、中身のトランジスタの数が異なります。hfeの測定結果は、PCのドライブに「選別フォルダ」を設けてトランジスタ別にExcelシートとして保管しています。トランジスタ使用後は、該当のトランジスタを編みかけして使用済みのものがわかるように管理しています。こうする事で、必要な特性のものを、無駄なく使用できます。次回は電源基板の実装を行います。

 

つづく(製作編3)