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ても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。直列にする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、上下２つのベースを(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がありませんでした。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。

6SN7-PP 電源部をつくりかえ

今年の夏は増えたアンプを繋ぎ替える乗り切る算段。依然暑いですが、朝晩にはちょっと涼しさも感じるようになって来ました。

[製作した6SN7-PPアンプの詳細]

　繋ぎ替えると 、ついつい違いが気になって普段以上にじっくり聴いてしまいます。それぞれが理想的な物になっているなら、繋ぎ替えても違いは無いはずです。しかし違いが感じられなければ、それぞれが存在する意味が疑わしくなります。使っていて劣って感じることがあれば問題ですが、そうでなければそれぞれ他に優る点がひとつでもあれば嬉しいです。

　「居間のヌシ」の6BX7-PPアンプや「本命」の6CA7-PPと違って、私室の小型アンプたちはアソビ的な物です。実験であり、興味関心であり、余り物の整理であり、倹約と妥協でもあります。いろんな意味でチープで不十分です。だから、あらためて見直せば改善の余地はあります。
　あらためて聴き比べると気づく違い。その中には、製作時には「この程度なら支障ない」と判断した所もあります。気になればやはり気になるもの。時間のある時にひとつづつ修正。やって効果があれば他にも適用して、また聴き比べ。

6SN7-PPアンプ 電源部をつくりなおしました

　聴こえる音にはあらわれないけど、長く安心して使おうとすると耐久性も気になります。発熱の多い部品と熱に弱い部品が近接していたり。悩ましいのが『ラグ板』。昔からフェノール樹脂の板(いわゆるベークライト)が使われていますが、これは長時間熱が加わると変質し、絶縁低下します。昔はこれしか無かったのですが、往年のテレビにはこれよりも優れた素材が使われるようになっていました。しかしすっかり隙間世界となってしまった「真空管アンプ」に使われるラグ板はいつまでも昔のまま。
　配線整理の関係で12BH7-PPアンプは電源部をつくりなおしました。この時、使える平ラグ板の手持ちが無いので、ガラスエポキシ板とハトメラグを使って代用品を作りました。代用品ですが、耐熱性はこちらの方が良いです。そこであらためて他のアンプも点検して、発熱の多い電源部を見直しました。

アルミ板でブロック化したタイトラグ

　6BM8シングルアンプでは、回路部分がタイトラグに載っているのでこれに合わせる意味もあって、、ひと工夫して余剰品のタイトラグを活用しました。手間はかかりましたが、予想以上に具合良く仕上がりました。そこで、この方法をそのまま適用して、6SN7-PPアンプの電源部も作り直しました。このアンプは発熱的に厳しい訳ではないのですが、電源部が複雑です。このあたりの見かけの改善ももくろんだ訳です。
　タイトラグは２本ならべてアルミ板に付けて、これを元の平ラグの位置に付ける。アルミ板は、留めネジの頭を避けるために凸状に曲げて、ケミコンやトランスの取り付けネジに干渉する部分は切り欠いて、微妙な形です。

12BH7A プッシュプルアンプ 配線変更

暑いです。我慢も限界で、お部屋はエアコン入れてます。ならば、多少熱いアンプでもだいじょうぶ？

　暑さに向かう頃から、数が増えた小型アンプをあれこれ繋ぎ替えて鳴らしています。あらためて鳴らし比べると、それぞれ一長一短あります。不満足を感じれば、あらためて見直して手を加える。ひとつ底上げされると、今度は別のが見劣りして感じられるようになります。以下くりかえし。

　6AQ5シングルアンプに続いて先週作業したのは6BM8シングルアンプ。このアンプは製作時におもいついて、結線の変更で簡単にUL接続とK-NFをかけたりはずしたりできるように作りました。４種類を聴き比べ、最終的には最初の計画どおりのUL接続のみの状態で使うことにしました。この状態でしばらく使ったのですが、今後は他の結線で使うことは無さそうと判断しました。そこで、思い切って余分な配線の引き回しを撤去することにしました。
　回路自体は変わっていないのですが、微妙に音質が向上したような気がします。電流の流れがすっきり整理されたのが効いたのでしょうか。

ガラエポ板とハトメラグで平ラグ相当の物を作りました

 
　そこで他のアンプも見直し。 数が増えたプシュプルアンプの中で、現状でいちばん音の粒立ちが欠けているように感じるのが12BH7A-PPアンプ。ずっと昔に製作した物で、製作直後に回路を大幅変更し、その後も何度か少しづつ手を入れて性能向上して来ました。この過程で部品を追加したりして、内部はかなり混沌となっていました。ここをきちんと整理するのが良さそうです。ついでに、初期に急遽追加した電源トランスと初段の回路との間のシールド板もきれいに作り直しましょう。

　まず、後から追加した関係で散らばっていた電源まわりの部品を集約することにしました。それには平ラグ板が要りますが、ちょうど良い端子数の物が手持ちにありません。そこで、ふとした思いつきを実験。
　普通のラグ板はいわゆるベークライト製。プリント基板では最安価なタイプで、耐久性に難ありの材質です。これより優れているのがガラスエポキシ。手もとにはプリント基板の端切れがあります。これを元にしてハトメラグを付ければちょっと丈夫な代用品ができるはずです。まず裏面の銅箔をはがして、端子位置にアナをあけて、ハトメを留める。ハトメをきれいに付けるのに苦労しましたが、それらしい物ができました。

　回路は変わっていません。部品もそのままです。変な所を回っていた配線を整理して、隙間に無理して付いてた部品を移動した程度。その程度ですが、不思議なことに、僅かですが小さな音の粒立ちが向上した感じがします。この程度のことで違いが出るというのは、それはそれで悩ましいことです。
　一方、ガラエポ板で平ラグの代用品が作れることが判りました。手間はかりますが、安価に作れて信頼性が向上。発熱の多い部品が付いているような所はこれと交換するのもアリかもしれません。

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。
　

6AK6 PP 組み立て完了

じっくり準備を重ねたので、動き出したらスムーズに進みます。作業を切り分けて毎晩少しづつ。そして最後は一気に。

　私室の小型アンプは昔に作った物を含めて計８台。回路も使っている管も全部違います。部品配置や配線方法はそれぞれ違いますが、部分的に見れば共通点するところもあります。
　6AK6プッシュプルアンプは意図的に6SN7-GTプッシュプルアンプに似せた部品配置にしました。後ろに出力トランスを置き、ドライバ基板はシールド板を挟んでその下に。このあたりの構造も同じです。

ドライバ回路が半導体なので、内部は隙間が多いです。

　出力トランスはイチカワの ITPP-3W-16Kです。6SN7-GTのアンプで使った物と同じです。メールで照会してATMで送金。送料はかかりますが、買い出しに行くより早いです。

　今回は手持ちの買い置きや余剰品を活用することを目標に加えています。回路のうち厳密でなくても良い箇所はこれらに合わせて加減しました。手持ちで間に合わない部品は、用事で市内へ出たついでに購入しました。

　という具合で、意外なほどスムーズに進んで完成。念のため各部の電圧を測って、信号を入れてみると、ちゃんと音が出ました。6SN7アンプで使って出力トランスの極性が判っているので 、NFもそのままかかりました。オシロで見ると、矩形波の角が少し尖っていたので、位相補償のコンデンサを変更しました。
　どうやらイチカワのトランスは馴れるまでに時間がかかるようです。テスト中にもどんどん音が変わって行きました。２時間ほどたつとだいたい落ち着きましたが、6SN7アンプの時の感じからは、まだもうしばらく慣熟が要ると思います。

※ イチカワは真空管用トランスの製造販売を2022年1月で終了しました。