トランジスタ・シングルアンプへの考察 その３

  私自身はこの記事に取り上げるようなアンプをは製作するつもりはありません。参考資料として掲載します。 

　ある所で相談を受けたのはだいぶ前。その後もいくつか思う事があり、関連した内容をここに書きます。

[ ここまでの話１ ]  [ ここまでの話２ ]

　トランジスタであっても真空管であっても、普通のスピーカーを鳴らすシングルアンプを作るにはトランスが必要。でも、トランジスタ用として販売されたシングル用のトランスは無い様子。そうなると、真空管用のシングル用トランスを使用することを考えなければなりません。

　一般的な小出力用の真空管は100～250Vの電源で数十mA流して使います。だから小型の真空管用のトランスは数KΩから十数KΩのインピーダンスです。この動作では、真空管のプレートにはOFF側の区間で電源より高い電圧がかかります。真空管のピーク耐圧はかなり余裕があり、これで支障が出る事はまずありません。ところがトランジスタは電圧の制限が厳しく短時間でも超えると破損に繋がります。だから真空管をそのままトランジスタに置き換えるのは難しいです。このピーク電圧は負荷や信号の波形によるので、最悪は３倍ぐらいを見込んでおきたいです。一般的な電力増幅用のトランジスタでは耐圧の高目の品種で120V程度。電源電圧を真空管よりかなり低くしなければなりません。
　電源電圧を40Vとしてみます。小出力用のシングル用トランスでは3KΩという物が比較的安価に入手可能です。これを使うと出力は0.2W程になります。これより出力を得ようとすると、電流を増さねばならず、それにはもっとインピーダンスの低い(数百Ω程度)トランスが要ります。

 　市販のトランスを調べてみると、インピーダンスが600Ωや400Ωという物がいくつかありますが、このうち小型の物は重畳電流が書かれていないので、おそらくマッチングトランスでしょう。

　思いついたのは、タップの出ているトランスの巻き線を逆向きに使う事。一般的な0-3K-5k-8KΩのトランスを考えてみます。理想トランスとすると、各巻き線の巻き数は８Ωに対して54.8倍、70.1倍、83.7倍です。タップ間の巻き数は3-5K間が15.3倍、5-7K間が13.6倍、3-7K間が28.9倍。つまり3-5K間を使えば234Ω、5-7K間を使えば185Ω、3-7K間を使えば835Ωのインピーダンスになるはず。このぐらいのインピーダンスなら、20V程度の電源電圧で実用十分な出力が得られます。変則的な使い方ですが、磁気的には問題ないはずです。電流的にも公称の重畳電流内なら問題無く、多少越えても大丈夫と思います。高域特性はいくらか変わるでしょう。

　トランジスタでシングルアンプをつくるなら、この方向が良さそうに思います。

トランジスタ・シングルアンプへの考察 その２

 私自身はこの記事に取り上げるようなアンプをは製作するつもりはありません。参考資料として掲載します。

　ある所で相談を受けたのはだいぶ前。その後もいくつか思う事があり、関連した内容をここに書きます。

[ ここまでの話 ]

　ふつうのスピーカーをふつうに駆動するには、押すと引くの双方向に電流を流す必要がある。これをシングルアンプで果たすには、パワー素子の反対側をどうすれば良いのか。電圧増幅回路ＣＲ結合と違ってＲで吊るのではダメです。ここで有効に働くのはトランス(あるいはチョークコイル)。リアクタンスによってＯＮ期間に蓄えたエネルギーでＯＦＦに向かう期間を駆動する。トランスであればインピーダンスの変換も同時におこなえます。真空管のシングルアンプはこのようにトランスによって成立してるのです。
　そうなると、トランジスタのシングルアンプもトランスを使うのが確実ではないか。トランジスタと真空管の比較という点でも公平な気がします。問題はトランジスタに適したシングル用のトランスがあるのか。

　トランジスタ用のトランスで昔のアマチュア製作の定番だったのが山水のＳＴシリーズ。当時のカタログを見ると出力トランスはすべてプッシュプル用でシングル用はありません。
　実用オーディオ製品では無くても、トランジスタのシングルでスピーカーを駆動する回路は確かにあったはずです。２石レフレックスラジオとか。という事で手許の初歩向け雑誌を見ると、なんと、どの回路もプッシュプル用のトランスをそのまま(両端を)使っています。プッシュプル用のトランスは直流を流すようには作られていません。このような使い方ではコアが磁化されて飽和するか、そうでなくとも特性はメタメタのはず。無いから仕方ない、あるいは元々音質特性は問題外という事でしょう。

　現行の既製品で、シングル用の、コイルに直流電流を流す前提で作られているトランスは真空管用だけです。で、これはトランジスタで使えるのだろうか。

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トランジスタ・シングルアンプへの考察 その１

私自身はこの記事に取り上げるようなアンプをは製作するつもりはありません。参考資料として掲載します。

　ある所で相談を受けたのはだいぶ前。その後もいくつか思う事があり、関連した内容をここに書きます。

　真空管アンプにはシングルとプッシュプルが普通に存在し、近年作られているものはシングルアンプが多いように見えます。揃った真空管が得にくい最近の事情もありますし、シングルの方がそれぞれの管の特徴が出やすいという考えもあるようです。一方、トランジスタを使ったアンプは昔からほとんどがプッシュプルでした。というか、実用向きのトランジスタのアンプでシングルという物を見た事がありません。初期のトランジスタではある程度の出力を得るにはプッシュプルにする必要があったとか、トランジスタは高効率省電力がウリなのでプッシュプルは必然とか、商業的な理由はすぐに思い付きます。しかし、トランジスタと真空管の音を論じる中でもトランジスタ・シングルアンプが登場した記憶はありません。

　あらためてトランジスタでシングルアンプを真面目に作る事を考えます。シングルアンプは当然Ａ級動作で無信号時に大きく発熱します。トランジスタは高温に弱く温度変化に敏感です。しかし小出力のアンプであれば、ある程度放熱と温度補償に配慮すれば扱い困難という事は無いでしょう。6AR5とか6BM8とかシングルで出力数Ｗの管と比較する物を今作るなら、TO-220ぐらいのトランジスタでも十分なはずです。

　手許の余剰の部品をかきまわすとTO-220のトランジスタがいくつか出て来ました。このようなトランジスタはどにでもあるはずです。これらは小さな放熱器でも数Ｗは取れます。電流はそこそこ取れますが耐圧は数十Ｖ程度。問題はこれでどうやってスピーカーを駆動するか。

　プッシュプルならトランスレスもあるのですが、真空管のシングルアンプには出力トランスがつきものです。実はシングルアンプのトランスは、プッシュプルと違って、インピーダンスの整合以上に重要な働きをしているのです。
　現在一般的なダイナミックスピーカーのコイルには交流が流れ、コイルの磁界が反転する事でコーンを前後に動かしています。コーンを押す時と引く時の両方で対称に電流を流す必要があります。この点でダイナミックスピーカー自体がプッシュプルな素子なのです。したがってプッシュプルアンプとは相性が良いのです。
　問題はシングルアンプ。プレート(コレクタ)へ引くにしろカソード(エミッタ)から流すにしろ、片側しか駆動できない。スピーカーは電力素子ですし、コーンの動きに伴ってコイルには電流が流れます。ダンピングの問題です。ここでトランスのＬが効いてきます。真空管(トランジスタ)がＯＦＦに向かう時に、ＯＮ 時にコイルを磁化したエネルギーによって電流が流されます。だからこれはチョークコイルでも良いけれど、普通のCR結合回路のように抵抗で吊るのではダメなのです。所謂アクティブ負荷という物がありますが、この方向に進むとSRPPに至ってしまいシングルとは違って来ます。 

　つまり、トランジスタでも真空管でも、シングルアンプならOFF側で積極的に電流を流す物が要る。そのためのシンプルな方法がリアクタンス。つまりトランスかチョークを直列に入れる。(昔のマグネチックスピーカーは、直流を重畳させて磁化させるように作られていて大きなＬ性を持ってます。だからトランス無しで繋いで良いのです。)

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出力トランス付き トランジスタアンプ

過去の遺物整理の中で発掘したサンスイのＳＴトランス。これを使ってランジスタのアンプを作ることにしました。

　長く中断していた電子工作を再開するきっかけは、懸案だった6CA7-PPアンプの製作。このアンプの設計の際には、ドライバ部については、３定数から求める略算法と特性図を基に図上に線を引くという昔からの方法に加えて、パソコンのSPICE(電子回路シミュレータ)を試しました。

　このSPICEは、半導体メーカーが無料で提供してくれている物です。ネットで拾えた真空管のパラメータを組み込んだので真空管の回路も設計できていますが、本来はトランジスタ回路の設計のための物です。パラメータがどのぐらい実際の特性を再現しているか不明ですが、製作後の実測値を見ると略算法よりは信頼できる感じです。やや変則的な6AQ5の動作についても、かなり近い値が得られました。
　半導体の回路のシミュレートという点では、6CA7-PPに先行して予習という感じで製作した6Z-P1アンプのドライバ部(FETとTrのカスコード)の設計で使用し、結果は良く一致しました。これをふまえて、6SN7-PP、6AQ5-PP、6AK6-PPとドライブ回路に半導体を使ったアンプでは全面的にSPICEを使用しました。

出力部のトランジスタは放熱板に接着しました。出力トランスはこの裏側に付けました。

　最近製作しているアンプは真空管が主です。パソのモニタ用にＩＣを使ったアンプを作りましたが、これはSPICEを使うような設計ではありませんでした。という訳で、今回ははじめてSPICEを使ったトランジスタアンプの設計。もっとも、作ろうと思ったのは出力トランス付きのトランジスタプッシュプルアンプという時代錯誤な物。これを手持ちの部品を活用して作る。SPCIEだと試行錯誤は無料です。ゴミ屑が出ませんし部屋も散らかりません。思いつきを図にして試す。

　合間にいろいろやって、それらしく動きそうな回路ができたので、この連休を利用して形にしてみました。トランジスタはすべて手持ちの余剰品。抵抗とコンデンサの数本を除くほとんどの部品も手持ち。ここで使わなきゃ廃棄されそうな物たち。

　実装時に勘違いをやってしまい、動作不良の原因がなかなか見つけられずにシンクロスコープまで出してチェックすることになりしまたが、なんとか部品の損傷もなく無事に安定動作するようになりました。
　やはりトランス物だからなのでしょうか、音が落ち着くまでに２時間ほどかかりました。普通のトランジスタアンプとは全然違いますが、真空管アンプとも違う不思議な感じの鳴り方です。

トランジスタとトランス結合

トランジスタ回路の初期には真空管との違いで戸惑ったことがいろいろありました。

 　真空管は電圧を入力して電流を加減する素子です。負荷に抵抗(あるいはコイル)を置くと、ここに電圧が生じます。この電圧で次段を駆動する。伝えるのは電圧ですから、交流的にはコンデンサで 結合してかまいません。しかも、通常の動作では入力側に電流は流れずインピーダンスが高いので、前段と後段はそれぞれ相手のことはあまり考えずに済みます。

 　トランジスタは基本的には電流を増大させる素子です。入力に流れる電流に応じて出力の電流がかわる。入力側の電流は流れる先の電位やインピーダンスによって変わります。とこからどこへ電流が流れ、その電流(あるいは流れる先の電位)は何で変わるのか。前から後ろからと、丁寧に電流を追って行けば流れは見えます。その上で抵抗と電流から電圧を求めてチェックする。これを真空管の時の要領で電圧から始めると混乱が混沌になります。 もうひとつ、電流が流れることで面倒になるのは前から後ろを見た時のインピーダンス。電流が流れるのが基本なので、結合にコンデンサが使いにくいです。これらを考えると、真空管のＡＢ２級と同じ感じで、段間にトランスを使うのが簡単なように見えて当然です。

インピーダンスに合わせるため、ドライバトランスと入力トランスが使われていました。

　トランスを使う利点のひとつが電圧の利用率が良いことです。抵抗負荷ならば電源電圧の半分ぐらいを捨てることになりますが、トランス負荷なら、オフ側では電源電圧の1.5倍ぐらい振れます。これは小型で電池駆動の装置が多かった初期のトランジスタ回路には重要なことでした。バラツキが大きいトランジスタを使う上で、余裕をあまり取らなくても済むのは楽だという事もあったでしょう。初歩のラジオ製作でも、できあいのトランスを使えばこのあたりで悩まされずに済んだのは大きかったです。

　もうひとつ、トランジスタを使う上で困ったのは「温度特性」。電流を流すにはバイアスが要りますが、この電流が温度で変わる・・・というか、温度で必要なバイアス電圧が変わるので、電流が変わってしまう。これは半導体の接合の順電圧が原因なので、簡単にはダイオードか何かを入れてその順電圧でベースの電位をシフトさせれば良いのです。いわゆる「温度補償回路」です。素子自体の発熱による温度変化が問題になる(熱暴走！)出力段にはこれが必要ですが、これを入れるには前段と直流的に切り離されている方が簡単です。この点、トランス結合は好都合だったのです。

出力トランジスタをドライブする

時間を見て古い雑誌などの記事や回路を発掘してみました。 

[製作したトランジスタアンプの詳細は→こちら]

　真空管アンプについては(段間トランス＋出力トランス)から(コンデンサ結合＋出力トランス)へ移行し、その先にトランスを使わないSEPPが作られたという感じでした。
　トランジスタアンプは、出力段のドライブに悩まされたためか、SEPPでも段間のトランスを使った物がけっこうありました。しかし、出力トランスを使ったプッシュプルで段間トランスを使っていないという回路は見あたりませんでした。このあたり、位相反転回路で苦労したうえにドライブで苦労するのは引き合わないという事のようです。

　不要品から発生した古い出力トランスを活用するために、ドライバトランスを新規購入するのは本末転倒。なんとか現代的な回路で使えないか考えることにしました。命題は、なるべく手持ちが使えて新規購入する部品が少ないこと。シンプルで安定した回路で実用的な性能。できれば単電源12Vで動作。では、SPICEを使ったゲームの開始です。

　出力段の素子はトランジスタです。バイアスのことと、DC安定性のことを考えると、入力段から出力段のあいだのどこかで直流を切る必要があります。段間にトランスは使わないので、どこかにコンデンサ結合が入ります。

オーディオ用として知られたトランジスタたち ＠hfe測定中

　出力段のトランジスタを電流で駆動するのですから、思いついたのは{前にFETを置いて(電圧→電流)変換}というプラン。反転ダーリントンの前側をFETにした感じの組み合わせです。真空管アンプっぽい雰囲気になりますが、電圧の無駄が大きいです。おそらく音質的にはトランジスタアンプというよりもFETアンプ。面白そうだけど。
　位相反転回路が要りますから・・・・ここはトランジスタアンプらしく差動アンプが良さそうです。出力段のベースに電流を流すという視点から、差動２段にして２段目と出力段を直結というのも考えましたが、バイアスをかける良い方法が思いつきませんでした。出力段がAB級で休止区間ではベース電流が流れないのも面倒。

　結局、出力段自体をダーリントンにして等値的にhfeを高くしてベース電流を無視できる程度にするのが簡単という事になりました。こうすれば前から見たインピーダンスがかなり高くなるので、普通にコンデンサ結合で済ませられます。ベース電流が小さいので、かなり高い抵抗を通してバイアスを与えられます。そうなればバイアス電圧はダイオードの順電圧で済ませられます。
　見かけのインピーダンスを稼ぐのに高いhfeのトランジスタを使いますから、出力部の電圧利得は高目になります。SPICEで試すと、手持ちのある2SK30を差動アンプに使ってドライブできそうです。ただし、差動１段で平衡度を確保しようとすると、下に引くのに定電流が必要になります。都合、片側７石という構成になりました。石数は多いですが、動作的には6SN7-PPアンプと同じ２段アンプです。

　手持ちの2SK30は6AQ5-PPアンプ製作の際に測定してありますから、ここからほど良い物を選り出せます。あとはトランジスタ。ほど良い大きさのトランジスタでhfeがだいたい揃う物があるか。長く使っているテスタには簡単な付加回路でhfe測定ができる機能があります。ひさしぶりにこれを活用しました。

トランジスタとＳＥＰＰアンプの考察

サンスイ製のトランジスタ用の出力トランスが２個でてきました。これを活用したアンプを作れるかを検討しました。

　昔のトランジスタアンプ(音声出力回路)には出力トランスが使われていました。しかし今では出力トランスを使うトランジスタアンプはほとんどありません。まずは歴史を遡って考察してみることにしました。

　初期の真空管アンプ(音声出力回路)では出力トランスのほかに段間にもトランスが使われていました。トランスを使うことで電源電圧の利用率が良くなります。これは高耐圧で性能の良いコンデンサが得にくかったという事もあったかもしれませんが、電池で駆動するのでなければあまり重要ではありません。おそらくは価格と性能上の問題でしょう、段間のトランスはしだいに抵抗とコンデンサに置き換わって行きました。トランスが優位とされたのは、グリッド電流が流れるAB2級とか一部のプッシュプル(位相反転をトランスで済ます)ぐらいのようです。
　プッシュプルアンプの出力トランスはインピーダンスの整合という事と合わせて押し引きの相反する２つの動きを合成する働きをしています。トランスを使って並列に合成するかわりに、直接上下に積み重ねれば２つの出力を合成できます。これがSEPP回路。上下は逆相で駆動されますが、下側はグランド基準なのに対して、上側は(下側の出力＝出力端子の電圧)の上に載るので、上側の基準電位は出力端子になります。一部のアンプではこれを段間トランス(上側を駆動する巻き線のコールド側を出力に結ぶ)で解決していました。トランス無しにする工夫としては、P-K分割のプレート側の電源を(コンデンサで結合して)出力で振るという方法がありました。
　これは初期のトランジスタアンプでも同様でした。多くのアンプは(別の問題もあったようですが)段間の結合にトランスを使っていました。本格的トランジスタアンプの初期の名器と言われたサンスイのAU-777では、P-K分割と同様のやり方でC-E分割の位相反転回路を使っていました。　

AU-777の頃の出力トランジスタはコンプリがありませんでした

　この点では逆極性のトランジスタを組み合わせる「コンプリメンタリー回路」は反則級の大技という事になります。
　真空管と違ってトランジスタは電流の向きが逆の素子が作れます。真空管ではカソード＝マイナス電源側と決まっていますが、トランジスタではプラス電源側基準でも マイナス電源側基準でも回路が作れるのです。直列にした出力段の素子のうち、下側はマイナス側電源基準で駆動し、上側はプラス側電源基準で駆動する。こうすることで上側の入力を出力と合わせて振る必要が無くなります。そしてこの時、(素子の動作自体が上下逆転しているので)上下の素子を駆動する信号は同相で済むことになります。つまり位相反転回路も要らなくなる。
　コンプリメンタリーＳＥＰＰの基本回路は、NPNとPNPのトランジスタを上下に重ねて、ベースとベースを(バイアス回路を挟んで)結んで入力にするだけ。

　ゲルマニウムトランジスタの時代には、NPNの良いトランジスタはありませんでした。シリコントランジスタになっても、しばらくは 出力用に適したPNPトランジスタはありませんでした。このため、初期のトランジスタアンプの中にはゲルマニウムトランジスタとシリコントランジスタを組み合わせた物もありました。小型のトランジスタでコンプリの品種が出回るようになると、ダーリントンの片側を反転型にした準コンプリが多く使われました。

サンスイのSTトランス

サンスイは高級オーディオメーカーとしても有名ですが、昔のラジオ少年のイメージではやはり『トランス』。特にSTシリーズの小型トランスのお世話になった者は多いはずです。

　最初はゲルマニウムラジオから始まる初歩のラジオ工作。次はどっちへ行く。私の時代は「１石レフレックス」が定番でした。トランジスタでイヤホンを鳴らすところにトランスがひとつ。スピーカーを繋ぐにはもう一つトランスとトランジスタを足して・・・

　部屋の棚の中を片付けていると、ずいぶん前に役目を終えた装置が出て来ました。ヘッドホン用のインピーダンス整合器。中にはトランスが入っています。思いついて解体しました。
　中に入っていたトランスはサンスイのトランジスタ用トランス ST-84 。プッシュプル用の出力トランスで、１次側が150Ωで２次側は4Ωと8Ωで容量は0.7W。

サンスイ ST-84

　現代でも真空管アンプでは出力トランスを使うのが普通。しかし現代のトランジスタアンプには出力トランスは使われません。トランジスタも出始めの頃はトランスを使うのが普通でした。電池式の小型ラジオなどはかなり後までトランスを使っていました。真空管でも出力トランスを使用しないアンプも作られました。
　いろいろ難点のある出力トランスをなんとか排除したい。トランジスタも真空管も、そのためにいろいろ工夫されました。結局、トランジスタではトランスレスにする都合の良い「コンプリメンタリー」回路が作れたのに対して、真空管ではそういった都合の良い回路が無かった。

　で、出て来たトランジスタ用の出力トランス。合間の時間を利用して使い道を考えてみることにしました。といっても、このトランスをちゃんと働かせるのだから、出力段はトランス式のＡＢ級プッシュプル以外あり得ません。あとは、これをどうやってドライブするか。
　手持ちの部品を活用して面白い回路ができるでしょうか。トランスのインピーダンスから逆に追ってゆくと、電圧12Vでほど良い出力のアンプができそうです。