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。)

[ 続きはこちら ]

ハンダゴテの働き場所

長年の積み残しの課題を片付けたあと、残渣の整理かたがた始めた真空管アンプ工作も完全に終了。あとは残った物の始末。

　部品で使えそうな物は譲渡したりオクなどで売ったりしてあらかた片付きました。時代遅れのデジタル物は保守用にもなりそうに無いので、早々に廃棄しました。あとは無駄な抵抗とか半端な物ばかり。希少そうな物もありますが、必要な人に届くような道筋が浮かびません。これらもそのうち、まとめて捨てることになるでしょう。

　立場が微妙なのは工具たち。何かしら作る事はありますから、ドリルやヤスリなど汎用工具はこれからも活用するでしょう。一方、シャシーパンチやニブラーなど専用工具はもうこの先本来のような使い方をする可能性はありません。それでも何か使い道はあるかもしれません。手放したら再度入手するのは難しいです。立場が微妙なのはハンダゴテ。がっつり働く事はなくなっても、ちょこちょこ出番はあります。

反対側も傷んでいるので両方とも交換します。

　私室で使っている床置きのスピーカー。狭い部屋なので、聴く場所に合わせてあちこち移動し、そのあとは片隅に片付ける。床を滑らせて運ぶので、時々コードをひっかけます。たいがいはコードが外れるのですが、時には先がちぎれたり。そして、そのストレスが蓄積して端子自体が傷んでくる。先日、ついに破損。反対側も傷んでるので合わせて交換します。
　以前なら日本橋の部品屋で買うのですが、今回は通販で購入しました。感染症蔓延の事が無くても、ここしばらくあちらへ行く事が無くなっています。百円ほどの物ですからこれだけ買いに行くのは無駄。交通費を考えればそれほど高く無い。そして、今日はしばらくぶりにハンダコテの出番。

BGMにmp3をかける (その３)

しばらく前に作ったmp3プレーヤー。USBにデータ入れて挿すと順次演奏するので、軽い音楽をダラダラ流すには便利。けっこうな曲数入る。でも入れすぎると曲を探せない。

　以前に使用したモジュールは比較的安い物。データをフォルダー 分けして入れても、全部続けて演奏される。もう少し高機能な物ならどうだろうか。ふと思いついてネットで探して、海外通販で購入しました。

　昨年から買い物に出にくい状態が続いています。なるべくお出かけは控えて、最小限の用事だけ手早く済ませるようにしています。人通りの多い所をあちこち歩き回って探すような事は避けたい。電気屋街に行こうとすると、乗降の多い駅で乗り換えることになるので。
　中国からの通販は安いのですが、何時届くか判らない。とにかく日数がかかります。長く待って届いた物が破損だった事もあります。何より、取説らしき物が無かったり、あっても製品と仕様が合ってなかったり。それでもまあ当て物ゲームと思って挑戦するのもアリかもしれません。

　で、しばらく待たされた後で問い合わせると品切れと。そこで代替になる物に注文変更。またしばらく待って封筒が届いたのだけど、今度は中身が違う。発送ミスだとかで交渉の結果返金。あきれて別の店に注文。またしばらく待って、今度は何とか届いた。あれこれ合わせて２か月ほど。この間に、筐体や電源などあれこれ考えました。

　手持ちの材料をやりくりして買い物に行かずに済ませる。余り物や解体部品を活用するパズルゲーム。ローパスフィルタはひと捻りしてオペアンプを反転増幅で使う多重帰還型の回路ができました。

木製の筐体に木ネジ止め

　今回入手したモジュールはパネル面が少し大きく、手許には合う大きさの筐体がありません。アルミケースを新たに買うのは大袈裟。あれこれ考えて、残り物の木の板で箱を作ることにしました。側面と背面は12mmの板で、上面は薄い合板。底蓋も薄い合板。子ども時代にはやらなかったけど、子どもの工作っぽい。電源トランスなどの取り付けは木ネジで。

　モジュールの電源は5Vです。手許に6.3Vのトランスがありました。これをブリッジ整流すると約8V。３端子レギュレータ入れるにはちょうど良いけど、オペアンプには足りない。探すと、うまい具合に5～9V入力で±12Vが出るスイッチングのモジュールがありました。物は試しという感じで、これを使って見ることにしました。ノイズが心配でしたが問題はありませんでした。

抵抗器も熱い

まだまだ暑い日が続いてますが、そろそろ秋が近い感じ。朝晩の風は少し涼しくなって来ました。

　私室ではトランジスタアンプと併用しながら真空管アンプで音楽鳴らしています。気分程度の違いですが、先月は消費電力が最小の6AK6-PPが働いていました。今月は気分を変えて6Z-P1のシングルに。シングルアンプですから、出力の有無にかかわらず電力を消費します。音になっていない分はすべて熱です。

　真空管アンプでは、真空管のヒーターの発熱が目立ちますが、それ以外の部分も発熱しています。大型の管では出力管のプレートからの熱も目立ちます。しかしそれ以外の回路の発熱も要注意なのですが、昔は普通はほぼ完全に意識されていませんでした。

　真空管にかぎらず、電子回路のあちこちに抵抗器が使われています。抵抗に電流が流れると{ 電流 × 電圧＝電力 }の分の熱が発生します。この熱は抵抗器自体を加熱します。だから電力の大きな抵抗器は温度に注意が必要です。これはトランジスタ回路でも同様、というか、実装密度が高く温度に敏感な分一層要注意だったのです。
　トランジスタは温度で特性の変わるので発熱とその処理を考えるのは当然の事。そしてその心配は一緒に組み込む抵抗器にも及ぶ。

12G-B3/7シングルアンプ　出力管まわりの抵抗の処理

　昔の真空管用の抵抗器は容量の割に外形が大きかったです。そのため大きな表面積から熱を放散することができるので、定格に近い電力でもあまり高温にはなりません。たとえば1/2Wの抵抗は1/2W近い電力で使っても長時間耐えました。ところが最近の小型の抵抗は、短時間ならその電力に耐えるという設定です。1/2Wの抵抗を1/2Wの熱が発生する所に使うと、数分も経たずに非常な高温になります。つまり、抵抗器からの熱の行方も考えて、容量に余裕のある(表面積が大きい)抵抗を使うか、放熱の処理をしなければならないのです。


　抵抗で発生した熱は、一部はリード線を伝わり、残りはその表面から周囲の空気に伝わります。抵抗の周囲の空気の温度が上がり、この熱は周囲の部品を暖め、最終的には筐体に伝わります。抵抗の周囲に適切な通気が確保できていなければ、筐体内は筐体表面より高い温度になります。発生した熱は最終的に筐体の外面から放熱されるのですから、余分な回り道を辿るよりは、抵抗の熱を効率良く筐体に伝える方が良いはずです。

 　アマチュアの製作などで、大きな放熱器を密閉した筐体内に取り付けたものがありますが、これはまったく無意味です。放熱器を外面に付けるか筐体内の通気を確保する、あるいは筐体自体を放熱器として扱って熱の流れを作るべきです。

　写真の12G-B3/7シングルアンプはカーソド抵抗器の発熱が大きいです。低μでバイアスが深く、シングルアンプで電流が大きいです。概算で1.4Wぐらい。通常の炭素皮膜(金属皮膜も同様)は外装の耐熱性が低いので大型の物を使っても長時間の使用では焼け焦げの心配があります。そのため耐熱性が高いセメント抵抗を使用しました。小型であるかわり表面からの放散だけでは温度が高くなるので、リード線からの放熱も利用します。取り付けには磁器製のタイトラグを使用し、熱が筐体に伝わるようにしました。ラグの足に近い側に抵抗を置き、熱が嫌いなコンデンサは少し離してあります。

　G2に直列に入っている抵抗は手持ちの難燃性皮膜の抵抗を使いました。外装の耐圧の不安はありますが、電流が小さいので小型の炭素皮膜で済みます。

真空管アンプは熱い？

暑い日が続いてます。あとしばらく我慢。そんな中でも、今年は真空管アンプで音楽聴いてます。

　真空管は橙色に灯るヒーターがポイント。これは飾りではなく、真空管が熱さに耐えて真面目に働いている証拠。だから、LEDなど仕込んで照らすのは何か違うような気がしています。

　冬は暖かく見えるヒーターの灯りですが、夏は暑苦しく感じてしまいます。とは言ってもこれは気分的な物で、室内で使っている他の電機製品全体から見れば問題になるほどの発熱ではありません。特に最近製作したような小型アンプならばその消費電力自体が小さいので、ホント気分程度の違い。でも、アンプの置き場所は棚の中なので・・・・

　しばらく前に電源１次側で消費電力を測りましたから、これに従って春から夏に向かって、順繰り発熱の多いアンプから少ないアンプへと繋ぎ替えて来ました。そして、先月半ばからは消費電力最少の 6AK6-PP が働いています。

6AK6プッシュプルアンプ

　このアンプは5極管のプッシュプルで効率が良いこと、ドライブがトランジスタという事もありますが、使っている 6AK6 のヒーター電力が小さいことが効いています。.6.3Vで150mAですから、４本でも僅か約.3.8Wです。
　あらためて、他のアンプのヒーターの電力を計算して見ます。最大は当然ながら 12G-B3/B7シングルで約15W。次が12BH7ブッシュブルの約13Wですが、これはドライバの6BL8のヒーター電力が大きいからです。出力管だけなら 6SN7プッシュプルと同じ約7.6Wです。ドライバが真空管だとその分のヒーターが効いてきます。6AQ5のプッシュプルは駆動が半導体ですから450mAが４本で約13W。シングルの方はドライバに使った6AU6の分がかわりに加算されて約9.5W。6BM8は複合管で、その３極部が加わって約9.8W。6BX7はヒーター電力が大きいですが、１本でステレオになっているので、ドライバ込みで約11Wで済んでいます。管は大きいですが、6Z-P1のヒーターは6AR5より小さいです。そのためドライブが半導体という事もあって約4.4Wです。いずれも、普通の電球よりずっと少ない発熱です。つまり気にするほどの事では無いです。

　もっと暑くなると冷房をかける時間が増えるので、そうなれば居直ってラスボスの6CA7-PPを部屋で鳴らすのもアリかもしれません。

BGMにmp3をかける (その２)

作業中とか、だらだら音楽をかけるにはUSBメモリーに入れたデジタルデータが便利。机上用アンプに繋いでる装置の使い勝手が良いので、もうひとつ同じような物を作ることにしました。

　デジタルの音楽データにはいろんな形式があります。いちばん一般的なのはmp3でしょうか。圧縮効率が良いのですが、音質的にはいくつか問題があります。非可逆圧縮であり、その圧縮時のアルゴリズムによって音質がかなり変わるのが困りもの。mp3の他にもいくつかの形式がありますが、総合的に見れば大同小異。結果、単独の音楽用についてはmp3が使われ続けています。一方、まったく非圧縮のwavデータからある程度小さくできる可逆圧縮の形式もいくつかあります。両者を合わせればかなりの種類があります。統一できれば良いのですが、非可逆形式の場合は変換するほどデータとして劣化がおこります。つまり、ある程度一般的な形式については、そのまま再生する方向で考えた方が良いでしょう。

　で、今回入手したモジュールは、以前に入手した物より多くの形式をサポートしています。電源が５Ｖ単独なのは同じですが、直接スピーカーを駆動するのではなく、別のパワーアンプに接続する仕様です。つまり出力がグランド基準のラインレベル。これは案外使いやすい？？

ケースも含めてすべて余剰部品と解体廃品の活用

　で、とりあえず+5V(ＵＳＢ電源)を繋いで見ました。ちゃんと機能して、音楽が再生されたので、不要装置の解体廃品を利用して実用的な装置にまとめることにしました。トランスは少し電圧が高いですが、必要な電流は少ないですから、５Ｖの３端子電源ICを通せば問題無い。

　簡単な工作で済ませて、オーディオセットに繋いで聴くと・・・やはり音がガサツな感じ。基板上にはチップ部品がいくつか付いてますが、ちゃんとしたフィルタになっているようには見えません。そこで前作で有効だったＣＲフィルタを付けてみました。ライン出力でインピーダンスが不明なので、適当に作ったのですが、効果がいまひとつな上に音質に影響が出ました。

　やはりトランジスタでバッファを入れるか。という事を考えていて思い出したのが、オペアンプ使った帰還型のＬＰＦ。幸い整流直後の電圧がDC12Vほどありますから、念のため9Vの３端子レギュレータを挟んでも汎用オペアンプを働かせるのに足ります。
　この時期に部品の買い出しには行きたくないです。手持ちをかきまわしたところ、解体部品も活用すれば16KHzのフィルタができることが判りました。という事で急遽追加工作。

　フィルタは昔にオペアンプで作って遊びました。それで甘く考えて、電源まわりの処理をテヌキしたら異常発振が起こり、急遽パスコンを追加。グランドの処理をいいかげんに済ませたのが祟ってハムが出て、レギュレータまわりとか配線をやりなおし。さらには、ケチって使った解体部品の抵抗の１本がノイズ発生器になってたり・・・と、いろいろあって１日遊べました。

アンプの発熱と電源トランス

大出力アンプはそれ相応に熱くなりますが、真空管アンプは小出力でもそこそこ熱くなります。

　Ａ級アンプでは無信号時には出力に回されない分の電力が出力素子で消費されますから、大出力アンプほど発熱する理屈。ＡＢ級アンプでもアイドリング電流が流れます。このアイドリングはトランジスタの場合はかなり少なくて良いので、大出力アンプでもあまり熱くならないのです。
　ドライバ回路はＡ級動作なので無信号時にも電流は流れます。ここは出力の大小よりも回路方式による違いが効いてきます。動作電圧が高い真空管アンプの方が不利ですが、一般的に見るとトランジスタの方が複雑な回路を使う傾向があるので、この部分は案外トランジスタアンプの方が発熱しているかもしれません。
　しかし真空管にはトランジスタには無いヒーターというやっかいな物があります。特別な物を除くと小型の管でもそこそこの大きさがあり、おおまかな傾向としては、大出力用の管ほど大きくなります。

　私室のアンプは棚の中で使うので、あまり発熱が多いと夏場は困ります。真空管を含む信号回路部分は(各部の動作電流の和×Ｂ電圧)で求められます。電流の和は、電源部のフィルターの抵抗のドロップから簡単に求められます。これにヒーター電力を加算すると、回路全体の消費電力になります。この値からアンプの発熱の多少を知ることができます。

　ところが、これらは電灯線の電源からそのまま供給されるのではなく、すべて電源トランスを通って来ます。この部分でかならずいくらかのロスが生じます。このロスもアンプを熱くさせる要素になります。つまり、実際のアンプの熱さを考えるなら、トランスも込みで見なければなりません。

　ふと思いついて、揃った私室用小型真空管アンプの実際の消費電力を測ってみることにしました。それには電源トランスの一次側に入る電流を測れば確かです。教科書的には、ここに電流計を入れれば良いのですが、それには交流電流計が必要です。
そこで、『きわめてアマチュア的で野蛮な方法』を使って測定することにしました。

下記の方法は感電や測定機器など破損する危険が高いです。安易におこなってはいけません。

　延長コードを加工して、片方の配線の途中に１Ωの抵抗を直列に入れました。回路全体から見ると１Ωは無視できる値です。この両端の電圧を測ります。ここに生じる電圧を測ればオームの法則から電流が求められます。たとえば 0.3Vであれは 0.3A流れているので、電力は 30Wという事になります。

測定結果は 昇順に

6AK6 プッシュプル	13W
6Z-P1 シングル	20W
6SN7 プッシュプル	21W
6BM8 ULシングル	25W
6BX7 シングル	26W
6AQ5 プッシュプル	29W
6AQ5 シングル	30W
12BH7A プッシュプル	32W
12G-B3/B7 三結シングル	36W

　6AK6-PPと6SN7-PPはヒーター電力が4Wほど違いますが、規模的にはほぼ同じですから3極管と5極管の電圧利用率の差が効いているようです。
　6AQ5 シングルと6BM8 ULシングルはほぼ互角のはずなのですが、6AQ5 シングルがずいぶん高いです。このアンプは(定格では容量に余裕があるはずなのに)電源トランスがかなり熱くなるので、ここの損失が大きいのでしよう。

 12BH7A-PPはかなりＡ級寄りの動作で、プレート損失では6BM8-Sや6BX7-Sと同程度ですが、ドライパが真空管の6BL8というのが不利に働いてます。6AQ5-PPはを12BH7-PPに合わせて製作しました。だいたい近いですが少し小さく出ています。12BH7-PPの方が電源トランスが熱くなるので、能率の差でしよう。
　かなり超過するつもりで作った12G-B3/B7 三結シングルが意外と低く出ました。このアンプは電源トランスがあまり熱くならないので、トランスの能率が良いのかもしれません。