無帰還広帯域真空管アンプ（製作編18）

製作編18

設計の見直しを行います。

気になっていた点

ここまで製作を行ってきましたが、設計で気になっていた点がありました。初段のSPRR回路の等価抵抗動作をする真空管のヒーターカソード間の耐圧仕様です。データシート上は90Vとなっていて（本記事アイキャッチ写真参照）、初段のB電源をトランジスタを使ったリップルフィルタ構成とした事で定常動作時にこの要求を逸脱する恐れはなくなりました。残りは過渡時と異常時の対応です。具体的には電源オン直後や初段差動入力部の真空管が動作不良時に、Ipが所定値以下となると上記気にしているカソードの電圧が90Vを越える恐れがあります。この時にその真空管が壊れるだけではなく、周辺の回路へ影響を及ぼします。という事で、このタイミングとなってしまいましたが対策を検討してみます。

対策案１

一番安易で確実な対策は、ヒーターカソード間の耐圧の高い真空管に変更する事です。以前間違って買ってしまい手元に12AU7があったので仕様を確認してみました。下記が仕様書の抜粋です。

12AY7の仕様と異なり、電圧印加条件により100Vと200Vの２つの数値が記載されていました。今回の用途では、ヒーター電圧の方が低いのでDC + Peakで200Vがスペックとなります。初段の電源電圧165Vを越えているので十分な値です。次はgmを確認します。プレート電圧により幅をもった値となっていて17～20です。12AY7が40なので、ゲインはざっくりと6dB下がってしまいます。下表は構想編で作成した現行機と今回設計したアンプの各段のゲイン一覧です。

この表から、現行の設計ではゲインに余裕がないため、12AU7の採用は断念せざる得ません。

対策案２

当該カソード電圧が90Vを越えたら、その真空管のヒーターを回路から切り離す事を検討してみます。具体的には初段の差動アンプを構成している真空管のプレート電圧が90Vを越えたらSRPP等価抵抗動作をする真空管のヒーター回路をトランス二次巻き線から切り離します。監視が必要なポイントは合計４カ所です。単電源用オペアンプをコンパレータ動作をさせて制御信号をつくります。その出力を４入力ANDで受けてリレー操作コイル駆動用のドライバへ入力します。リレーはヒーターの両端子を切り離す必要があるので、２回路品を使用します。まずは使えそうなリレーがないか調べてみました。秋月電子で手頃なリレーを見つけました。

操作コイル電圧は5Vで操作コイル電流は22.9mAです。消費電力は115mWです。このリレーを駆動するためのドライバ在庫がないか調べてみました。すこし大型ですが、2SC3422を見つけました。下記は概要です。

コンパレータ用に単電源のオペアンプの在庫を確認してみます。手頃なものが見つかりました。JRCのNJM2904Dです。下記が電源電圧5V時のスペックです。

その入力は初段差動アンプのプレート電圧を高抵抗値で分圧しておよそ2.5Vでコンパレートできるようにします。コンバレータの基準電圧は5V電源を半固定抵抗で調整して生成します。念のため４入力ANDの秋月電子在庫状況と仕様確認も行います。TC74HC21APとしてラインナップされていました。下記が仕様抜粋です。

上記を元にざっくりと回路図を描いてみました。

左上のブロックがコンパレータ回路で、その右がリレー制御回路です。下はこの回路の電源です。オペアンプ入力部の電解コンデンサはオーディオ信号除去用です。耐圧を厳密に守る事を考えるとフィルタを入れるべきではありませんが、どうしようか？他に何点か気になる部分はありますが、さらに検討を進めてみます。

つづく（製作編19）

無帰還広帯域真空管アンプ（製作編17）

製作編17

シャーシ内の配線を開始します。

出力トランス配線

初めに前回取り付け出力トランスの配線を行います。一次側の配線先はB電源と出力段真空管のプレートになりますが、一旦L型ラグ端子で受けます。取り付け用の端子を避けて４極中の３極に接続しました。

続いて二次側の配線を行います。バランス出力するためにプラスとマイナス用のスピーカータミナル間に100Ω抵抗を直列に２本接続して、中点をとります。中点の配線は後回しにしてトランスの二次出力のみ配線しました。

後で位相反転しやすいように、２本の配線長は合わせています。反対のチャンネルも同様に配線しました。

電源ランプ配線

次は電源ランプ配線を行います。配線には赤と黒の平行電線を使用しました。電源ランプはC電源から供給しているので、GNDとマイナス出力なので注意が必要です。端子台への接続は赤の被覆の電線をGNDに黒の被覆の電線をマイナス出力に接続しました。

電源ランプ側は、本体からリードが直接出ています。ショート防止の為に一旦基板で受けて配線をします。基板は必要なサイズにカットして準備しました。

写真右上の一番小さなカット片を使います。電源ランプのリードを挿し、基板に沿ってリードを曲げてそこに電線はハンダ付けしました。

電線は電源スイッチ配線に沿って敷線し、インショロックで束線しています。念のため動作確認をしてみます。ACケーブルを挿し電源オンしました。

問題なく点灯しました。ロッカースイッチとの並びは私にとっては新鮮です。

CRD選別

今回の製作では、1mAのCRDを並列にして2mAの定電流源を２組と、終段のバイアス電流設定用に10mA品を２本使用します。初段の回路はインピーダンスが高い為、電流値のバラツキが動作点に大きな影響を与えてしまいます。そこで事前に動作点に近い条件で電流値の測定を行いました。初めに1mAのCRDの測定を行いました。測定回路は以下のとおりです。

初段の定電流源には約6Vの電圧がかかるため、測定回路の電源は7Vに設定しています。負荷抵抗を1kΩとしているので、電圧計の読み値がそのまま電流値（mA）として読む事ができます。トータル10本の測定を行い、下記の２ペアを選別しました。

１）0.94mA + 1.07mA

２）0.96mA + 1.04mA

同様に10mA品も測定を行いました。回路は以下のとおりです。

動作時にこの定電流源にかかる電圧は約4.4Vの為、電源電圧を14.4Vとしています。こちらは、そんなに厳密に選別する必要がないので、10mAに近いものを後で２本選ぶ予定です。

初段配線開始

改めてアンプの回路図を掲載します。

初めに上記で選別したCRDを真空管ソケットのターミナルに取り付けます。双三極管の２回路のカソードを接続して、その一方に並列に接続したCRDを取り付けました。

CRDの片側のリード配線は後で行います。残りのチャンネルも同様にCRDを取り付けました。次はCRDのリードに-5Vの配線を行います。接続先は配電用に取り付けた平ラグです。後で配線確認がしやすいように、青の被覆電線をフォーミングして使用しました。

もう一方のチャンネルも同様に配線しました。配線長が長いのでフォーミングに気を使います。（本記事のアイキャッチ写真参照）調子に乗ってきたところですが、続きの配線については次回報告します。

つづく（製作編18）

無帰還広帯域真空管アンプ（製作編16）

製作編16

ケースの収めた出力トランスをシャーシに取り付けます。

取り付け準備

ケースの収めた出力トランスは、シャーシに取り付ける部品で一番背が高くなります。念のため、ケーストップを養生します。材料は梱包用のダンボールでケースサイズにカットして貼り付けました。

次に未使用電線の処理をします。写真は出力トランス添付の説明書です。

今回は８Ω出力のみを使用する為、２次巻き線の茶と黄の電線は使用しません。処理には端末保護キャップ2mm品を使用しました。

未使用電線の被覆が剥がされた部分をカットし、上記の端末保護キャップを被せてインシュロックで固定しました。

黄色の電線も同様に処理を行い、２本の電線をフォーミングしてケースに収めます。

電源動作確認用に取り付けていたダミー負荷抵抗は、取り付け作業のじゃまになるので取り外しました。

すべて取り外してしまうと、通電確認時に高圧がチャージされたままとなってしまうので、20kΩをチョークインプット電源出力に取り付けました。

これで出力トランスをシャーシに取り付ける為の準備は完了です。

出力トランスシャーシ取り付け

最初にLチャンネルの出力トランスを取り付けます。初めにトランスケースの両側のパネルを取り外した状態で、ケースをシャーシに仮止めします。その際に忘れずに電線をシャーシの穴から引き出します。

この状態で一旦片側のパネルを取り付けます。

開いている側の取り付けネジを締め付けます。

パネルの取り付けはコの字のケースの矯正が目的です。パネルを取り外し、反対側に改めて取り付けます。同様に開いている側の固定ネジを締め付けて、この面のパネルも取り付けました。

これでLチャンネルの出力トランスの取り付け完了です。単なるトランスのシャーシ取り付けですが、トランスケースの構造上地味に手間がかかりました。続いてRチャンネルのトランスケースを取り付けます。手順は基本的に同様ですが、ケース取り付けネジで、電解コンデンサ固定用のＬ字金具を共締めする必要があります。

従来の製作では、共締めするＬ字金具を先に取り付けて、後で電解コンデンサを取り付けたＬ型ラグの取り付け穴位置を決めていました。今回は事前にチョークインプット電源の動作確認をするために、先にＬ型ラグを取り付けていました。その結果Ｌ字金具と電解コンデンサの間にわずかな隙間ができてしまいました。

さてどうしたものか・・・？以前製作に使用したアルミパネルがあったので、それをカットして挟む事にしました。カットはハンドニブラで容易にできました。

このアルミ片を両面テープで、Ｌ字金具が電解コンデンサに当たるポイントに貼り付けました。

結構いい感じに隙間を埋められました。Ｌ字金具にインシュロックを通して電解コンデンサを固定します。インシュロックは100mm品を使いましたが１本では長さが足りない為、２本で延長しています。

Ｌ字金具は、近所のスーパービバホームでいろんな種類のものが販売されていますが、選定のポイントをまとめます。

・インシュロック固定用の２つの穴が縦に並んで開いているもの

・インシュロック固定用の穴のサイズが十分なもの

・シャーシ内に収まるサイズのもの

見た目以上にカッチリと電解コンデンサが固定できました。

出力トランス取り付け後の状況は、本記事のアイキャッチ写真を参照ください。次回はシャーシ内の配線にとりかかります。

つづく（製作編17）

無帰還広帯域真空管アンプ（製作編15）

製作編15

出力トランスをケースに収めてシャーシに取り付けます。

閑話（ハンダこて安全）

製作作業の半分以上にハンダこてを使います。何度も同じ事を繰り返している為か、作業終了後に電源を切った事を忘れてしまい、後で外出先でやきもきする事がたびたび起こりました。趣味の不注意で取り返しのつかない事態を起こしてしまったらと考えて、ハンダこての電源はタイマーで設定時間後にオフするようにしてきました。写真は運用中のタイマーです。

アマゾンで約1200円で購入したものです。それでもタイマーの故障や猫のいたずらを想定して、使用を終えたときに、このタイマーを取り付けているテーブルタップのスイッチを必ずオフにしています。テーブルタップは床置きの為タイマーセットや、スイッチオフの作業性がいまいちでした。作業性改善の為にいろいろ探していたところ、スイッチ付きで作業テーブルにクランプできるテーブルタップを見つけたので購入してみました。アマゾンで約1300円です。

実際に作業テーブルに取り付けてみました。

比較的しっかり固定できました。さらにタイマーを取り付けてみました。

タイマーの表示が縦になってしまっていますが、違和感なく取り付け取り付けられました。写真では見にくいですが、ハンダこての電源ケーブルは写真中でタイマーの上に挿さっています。このテーブルタップをテーブルの縦辺に取り付ければ、タイマー表示も水平となりよりいい感じになると思います。（本記事アイキャッチ写真参照）安物の作業テーブルがなんかちょっとカッコよくなり、作業性も改善しました。本日の作業はこれで満足してしまいそうです。閑話休題。

トランスケース加工

せっかくカッコ良くなった作業台ですが、最初はハンダこてを使わない加工作業です。出力トランスとトランスケースの選定に紆余曲折がありましたが、最終的に出力トランスは春日無線のKA-54-5Pをトランスケースは東栄変成器のトランスケースSを選定しました。トランスケースのコの字型の壁面にトランスを取り付けます。現行のHigh ch用の真空管アンプで同じ構成としていて、その際に作成した加工図を印刷しました。

加工図を外形に沿って切り取ってトランスケースの壁面に貼り付けました。

続いて、トランス取り付け用のネジ穴のセンターにポンチで印を付けて加工図をはがします。印を付けた位置にφ3.2の穴を開けました。

トランスケースの材質はスチールの為、いつも加工しているアルミシャーシの感触とだいぶ異なりました。取り付けネジは、取り付け時の見栄えを考慮して黒のトラスネジを使いました。

開けた穴を使って出力トランスを取り付けます。スパナやモンキーを使うスペースがなかった為、ラジオペンチでナットを固定してネジを締めつけました。

試しに１枚サイドパネルを取り付けてみました。コの字型の取り付け用のネジ穴にM3用のタップが切られているので、取り付けは容易です。

ケースに収めると高級出力トランスのように見えます。シャーシへの取り付けの作業性が悪くなるため、取り付けたサイドパネルは一旦外します。もう１つの出力トランスも同様の加工を行い、トランスケースに収めました。次回は、シャーシへ出力トランスを取り付けます。

つづく（製作編16）

無帰還広帯域真空管アンプ（製作編14）

製作編14

実装完了したB電源回路の動作確認を行い、続いてC電源回路を実装して動作確認を行います。

B電源動作確認

動作条件は無負荷で、チョークインプット電源の負荷は20KΩとしています。緊張しつつ電源オン、何も起こりません。各部電圧は以下のとおりです。

整流後電圧：265V

出力電圧：173V

チョークインプット電源出力電圧：234V

観測ポイントは以下のとおりです。

定電圧電源は無負荷、チョークインプット電源は低負荷の為か設計値よりも電圧が高くなっています。という事で、チョークインプット電源の負荷を2.45kΩとしてみました。

整流後電圧：264V

出力電圧：172V

チョークインプット電源出力電圧：157V

上記結果からチョークインプット電源の負荷電流は約64mAと実動作に近い値となっています。チョークインプット電源の負荷を上げても、全波整流出力電圧はほぼ変化がありません。チョークインプット電源は電源トランスに対して優しい事の裏付けだと言えます。最後にB電源回路の負荷を45.5kΩとしてみました。この条件はB電源の実動作に近い負荷となります。結果は以下のとおりです。

整流後電圧：258V

出力電圧：169V

チョークインプット電源出力電圧：157V

念のため出力電圧をオシロで確認してみました。

ch1は、B電源出力をACモードでリップル観測したものです。50mV/divレンジでリップルは観測できませんでした。ch2はB電源出力をDCモードで観測しています。特に問題はありませんでした。これで初段用B電源回路の動作確認は完了です。

C電源回路実装

続いてC電源（-5V）の実装を行います。残った基板スペースに三端子レギュレータを使った回路を実装します。電源回路図を参考に再掲載します。

初めに大物部品の実装位置を決めます。対象部品は平滑用の電解コンデンサ1000uF/16Vです。基板をシャーシに取り付けて、電解コンデンサと取り付け位置を決めます。

上記で決めた位置に電解コンデンサを取り付けて、整流回路を完成させます。次は三端子レギュレータを実装します。今後の配線を想定して取り付け位置を決めました。念のためクリアランス確認を行いました。

問題なかったので、回路実装を進めます。部品点数が多くはないので、容易に全回路の実装が完了しました。

入出力の端子台を取り付けナットと干渉しないように部品を配置したため、基板センターが空いています。

C電源動作確認

初めにユニバーサル電源から電圧供給して各部電圧を確認します。入力電圧は、AC6.2Vのピーク電圧に相当する-8.6Vとしました。

せっかくなので電纜ランプ出力端子台にLEDを接続して点灯確認もしました。無事LEDも点灯し、出力電圧も問題ありませんでした。

念のため、出力をオシロで確認して発振波形等のノイズがない事も確認しています。

単体で問題ない事が確認できたので、シャーシに搭載して動作確認を行います。搭載するとこんな感じです。

先に配線したB電源の端子台に配線接続すると、基板が撓んでしまい、うまくネジ締めができません。撓み防止の為に基板のオリジナル取り付け穴２カ所にスタッドを取り付けました。

これでこころおきなく、基板端の端子台のネジ締めができます。本題のAC入力配線を行いました。回路の単体確認は終わっているので、出力に実動作時とほぼ同等の負荷となるように390Ωを接続し、平滑出力と電源出力にオシロのプローブをつなぎ電源オンしました。（本記事アイキャッチ写真参照）下記がオシロのモニタ結果です。ch1, ch2ともに1V/divとしてGNDを画面上端に設定しています。ch1が平滑信号ch2が出力電圧です。この結果から、三端子レギュレータの最低印加電圧は2.64Vと確認できました。

仕様書上の出力電圧特性は以下のとおりなので、三端子レギュレータの印加電圧は低いですが問題ないと判断しました。

真空管を装着し、ヒーター点火した際に改めて印加電圧を確認したいとおもいます。

つづく（製作編15）

無帰還広帯域真空管アンプ（製作編13）

製作編13

前回設計した初段用のB電源回路を実装します。

初段用B電源実装

必要な部品を秋月電子に注文しました。このところ注文の際に、「通販が混んでいるので発送に時間がかかる事があります」のようなメッセージが出ます。コロナの影響で買い物の為の外出を控えて、代わりに通販で済ます方が増えているのでしょうか？それでも週の前半に注文すれば、週末の製作には必要な部品の入手ができているので助かります。余談はこのくらいにして実装を始めます。この電源基板には、初段用B電源と-5V電源（C電源）を実装するので、B電源は基板の半分に納める必要があります。最初に入出力用の端子台の位置決めをしました。実際に基板に端子台を挿して様子を見ます。リアパネルに取り付けたACインレットとヒューズホルダとのクリアランス確保の為にスタッドを10mmから5mmに変更しました。

初段用B電源回路は、写真の手前側に実装します。写真の左側の３極の端子台からAC180V x2を入力し、左の2極の端子台からDC165Vを出力します。写真上の左の端子台はAC6.3Vを入力し、左の端子台からDC-5Vを出力します。出力の端子台を４極としているのは、電源ランプ用に２極を使用する為です。-5V電源入力用の２極の端子台の片側がACインレットのアース端子と近いですが、配線時にドライバが電極に接触してもアース端子は未使用の為、問題ありません。安全の観点から、配線時はACケーブルを外して端子台のネジ締めを行うつもりです。次は入力部の全波整流回路を実装します。作業性改善の為に基板の４角にスタッドを取り付けて部品実装を行いました。

背の高い部品は、平滑用の電解コンデンサで、400V/100uF品です。高さは35.5mmあり設計上はシャーシ内に収まります。念のためクリアランス確認を行いました。

シャーシのボトムカバーに対して5mm強のクリアランスがある状態です。余裕はありませんが、問題ありません。残りの部品を実装しました。省スペースを意識して実装した為にごちゃっとした印象です。

ハンダ面はこんな感じです。

出力用端子台のGND配線に１本だけ被覆線を使っています。

B電源動作確認

動作確認でいきなり高電圧をかけるのが心配だったので、一旦ユニバーサル電源から適当な電圧を入力して確認を行う事にしました。

入力電圧は18.5Vです。もう少し電圧を上げたいところですが、私のユニバーサル電源の最大出力電圧です。各部の電圧は以下のとおりでした。

もともと各部品の消費電力を押さえる為に、電流値を抑える設計を行っていますが、入力電圧が低いとさらに電流値が下がります。それでも、ほぼ設計どおりの電圧となっている事が確認できました。続いて実動作確認を行います。基板からスタッドを取り外し、シャーシに取り付けてみました。

いい感じに実装できています。まずは電源の入力配線を行いますが、その前に配線済みのチョークインプット電源配線をやり直します。現状の敷線では、電源基板の取り付け時に干渉してしまう為です。敷線の経路変更で対応できそうです。

最初の写真が敷線変更前で、次が敷線変更を行いB電源入力配線を行ったものです。本記事のアイキャッチ写真が配線完了時のシャーシ全景です。次回はシャーシレベルで動作確認を行います。

つづく（製作編14）

無帰還広帯域真空管アンプ（製作編12）

製作編12

引き続きB電源の検討を行います。

B電源問題点

設計した回路の初段のSRPP構成の等価抵抗動作をさせる真空管のヒーターとカソード間の耐圧仕様を守るために初段の電源電圧を180V以下に押さえる必要があります。前回のチョークインプット電源の動作確認結果から負荷電流を30mA以上流さないと出力電圧が180V以下にならない事が確認できました。ブリーダー抵抗で30mAを流してしまうと定格動作時の負荷電流が約100mAとなり、電源電圧が設計値を大きく割り込んでしまいます。解決する方法として考えたのは以下２案です。

１）電源電圧に応じてブリーダー抵抗を切り替える

２）初段のみ別電源として定電圧化する

１案の課題は、回路追加が必要となり、誤動作で真空管を壊してしまう恐れがあります。２案の課題は、もう１系統電源回路が必要となります。どちらも一長一短ですが、真空管アンプにロジック回路を搭載するのは今一つと考え、２案を検討する事にしました。

電源回路追加検討

回路の実装場所を検討します。現状の設計は、-5V電源のみ基板に実装予定の為、電源基板として47x36mm品を選定していました。さすがにこの基板に電源回路を追加実装する事は無理そうです。１サイズ大きな基板（72x47mm）在庫があったので使えないか確認してみます。（写真左）

幸い選定済みの基板の長辺と在庫基板の短辺の長さが同じ為、固定用の穴をうまく開けると現状のスタッドに基板の固定はできそうです。実際に加工してみました。

実際にシャーシに取り付けてみるとこんな感じです。

電源トランス２次巻き線用の配線が干渉しましたが、ギリギリ取り付けができました。これで電源回路の実装スペースが確保できました。

電源回路検討

実装スペースは確保できたものの十分ではないので、できる限り部品点数を減らす事を考えながら回路検討を行います。入力電圧はAC180Vの全波整流出力なので、約254Vとなります。出力電圧は165Vとすると、電源のドライバで約90Vドロップさせる必要があります。幸い負荷は初段回路のみなのでL/R合計で4mAのみです。従って電源ドライバの消費電力は約360mW程になります。現行の真空管アンプの電源のドライバはダーリントン接続としていますが、消費電流が小さく消費電力も小さいため、プリドライバ段で使用しているトランジスタのみでドライバが構成できるのではと考えて確認してみました。プリドライバで使用しているトランジスタは東芝製の2SC5122です。

上記のとおり実装スペースもあまり必要ありません。続いて特性を確認します。

上が絶対定格で、下がAC特性表です。コレクタ損失は900mWの為仕様範囲内です。hfeはIc=1mA条件でmin80です。負荷電流が小さい為この程度で十分そうです。念のためPc-Ta特性も確認してみました。

消費電力360mWであれば周囲温度100℃までいけます。十分ではありませんが余裕はあります。それではこのトランジスタを使って定電圧回路を設計してみます。いつもの回路なので容易に設計できました。

基準電圧をつくる抵抗には0.8mAを流します。電源の出力電流は4mAなのでその時のベース電流は0.05mA（Max）となります。0.8mAに対して十分小さいので問題なしと判断しました。出力の1MΩは無負荷時に約0.17mA電流を流して出力電圧を安定化させます。この回路であれば準備した基板スペースに実装できそうです。次回は部品を調達して電源実装を行います。

つづく（製作編13）