日立のパワーMOS-FET 2SJ554/2SK2955の秘められた魅力に惹かれて、久々にパワーアンプを造ってみたくなりました。
2SJ554/2SK2955はオン抵抗が非常に低いにも関わらず、電極間容量が従来のこの種のMOS-FETに比べて小さく、オーディオ用の2SJ200/2SK1529と置き換えても高域特性の差はほとんど無く、低負荷インピーダンス大出力時は逆に低歪みです。
ドレイン耐圧が低くいため電源電圧を±30V以内で使用する必要があり、大出力は望めませんが、家庭用としては十分な出力が得られます。大電流には耐えるので、電源がしっかりしていれば 4Ω、2Ωといった低インピーダンススピーカーにも対応でき、その場合8Ω時の2倍、4倍の出力を得ることができます。

下図は2SJ554/2SK2955を初めて使用し実験した回路です、出力段バイアス回路のトランジスターを出力段MOS-FETに熱結合して温度補償でアイドリング電流の安定化を図った方式ですが、アイドリング電流の安定性に問題があり、アイドリング電流が減少すると歪み率が増大するため、常時0.3A以上に保ちたいところが、出力の増減に伴いMOS-FETのチャネル温度が変化し、そのスピードに温度補償が追いつかないため、音楽などの信号を扱うとアイドリング電流が絶えず変動します。
また、放熱器温度が低い電源投入時はアイドリング電流が定常時の何倍にもなったり、アイドリング電流を多めに設定すると熱暴走の危険があったりして、高gmMOS-FETのアイドリング電流を温度補償で安定させることは不可能と判断しました。

そこで以前、出力段パワートランジスターのエミッタ抵抗を取り除くために考案したABC(オート・バイアス・コントロール)回路という、熱結合に頼らずアイドリング電流を安定化する方式を導入しました。
原型はA級動作でしか使用できないため、AB級動作するこのアンプにそのままでは移植できません。
ABC回路は出力段素子のアイドリング電流を検出して、それを一定とするようにバイアス電圧を制御する回路で、アイドリング電流の検出はA級プッシュプル出力段の電源電流を演算回路で引き算する方法です。

今回はAB級対応とするために新発想で臨みました。

アイドリング電流とは、出力電流が0の状態の出力段MOS-FETのドレイン電流ですから、出力信号電流が＋−に振れている状態のゼロを通過する瞬間を捕らえて、出力段MOS-FETのドレイン電流を検出すればアイドリング電流の値を読み取れます。出力電流がゼロ以外の期間は直前に検出した値を保持し、次にまた出力電流がゼロとなる時に値を書き換えるという一連の動作を繰り返すことで、アイドリング電流の検出が可能となります。この方式をZSABC(ゼロクロス・サンプルホールドABC)回路と呼ぶことにします。
これは、人が音楽の途切れた時に電源の電流計を見てバイアス調整用ボリュームを回しアイドリング電流を補正する動作を、電子回路で自動化したものといえます。

ZSABCの動作は様々な回路方式で実現できそうです。ロジックICやオペICを用いることで、あっさりできてしまいそうですが、私なりの回路を考えてみました。
ゼロクロスポイントを狙うのは、走る馬上から的に矢を射るような難しさがあるため、原型のABC回路と組み合わせて、サンプル範囲を出力段がA級動作する範囲まで広げ、低速な応答のサンプルホールド回路でも動作できるようにしました。
下図がZSABCを搭載したアンプ回路で、ZSABCは回路図の半分を占める大掛かりなものです。

回路はほぼ決定。

高域特性をデチューンして安定性を高めました。
出力段MOS-FETの入力容量を強力にドライブするため、MOS-FET毎に独立のプッシュプル・エミッタフォロワを設けました。

電圧増幅段は1段増幅ですが、負荷インピーダンスが高いとオープンループゲインは目茶高くなるため、NFBを掛けると発振しやすく不安定です。
そこで電圧増幅段の負荷インピーダンスをCRでダンプして、高域周波数のオープンループゲインを下げました。
これによってDCでは強力なNFBが掛かるため出力DC電圧のドリフトが小さく、高域周波数では負帰還量が少ないため安定な動作が得られます。

高域のオープンループゲインを下げる周波数をどこに設定するかでアンプに性格付けできます。
可聴帯域の上に設定すれば、可聴帯域内で多量のNFBが掛り歪率は減ります。
可聴帯域の下に設定すれば、可聴帯域内のNFBは少なくなります。
本機は可聴帯域内の低域部分でオープンループゲインを下げ、中高域のNFBを少なくしました。
低域は制動力を高め力強い音質を、中高域ではナチュラルで伸びやかな音質を得る作戦です。

周波数特性

一番上のラインはオープンループゲインの周波数特性。
中間のラインは電圧増幅段の負荷インピーダンスを高域で下げた状態のオープンループ周波数特性。
一番下のラインがNFBを掛けたクローズドループゲインの周波数特性。
3本の曲線をアイラインに見立てると、そこに眼球をイメージできる。そしてこの特性がこのアンプの目玉ではないかと思う。

i(アイ）NFBアンプとでも名付けようか。

アイラインカットのサイドウインドが特徴のランボルギーニ　ミウラＳ

3DCGによる外観イメージ   放熱器の放熱性能を高めるために、通気の障害物がないケースの前面に放熱器を配置するのが合理的です。

内部構造 放熱器を縦にすると奥行き感が出る。空気がフィンの間を上昇して抜けるので放熱性が良い。 ブロックコンデンサーの端子はメンテナンス性が良いように背面側を向け、2つブロックコンデンサーを直角に配置して端子間を最短で接続する。

ｹｰｽの方は後は塗装すれば良いだけの段階まで出来ています。

今日から日誌形式で記述する。
最近はこのアンプにﾟにずっと取り組んでいるが、なかなか完成にたどり着かない。
これはきっと歴史に残るアンプになるだろう。私をここまで手子摺らせたということで。
然しこの私に掛かってこれまで物にならなかったアンプはない。きっとこのアンプもそのうち完成するだろう。

今日重大なミスを発見した。アナログスイッチIC 4066Bの電源として安定化した±6Vを設けてあるが、これを全ての定電流回路の基準電圧に利用したのが大きな間違いだった。アナログスイッチを動作させる信号で±6Vの電源電圧にノイズが乗り、それがアンプ部分の定電流回路に入り、ノイズを重畳した出力が発生するという有り様だった。

定電流回路の基準電源とアナログスイッチの電源を分離する必要がある。これが本日の収穫。

もう何度回路図を描き替えたことだろうか、普通の人間ならいい加減うんざりするだろうが、私はその度アンプが確かな方向へと軌道修正している手ごたえを感じる。

このアンプで以前にレギュレーターICを使用して電源電圧の低い状態で発振が起きたため、それからレギュレーターICの使用を避けていたが、ICの入出力に大きめのコンデンサーを入れることで安心して使用できると分ったので再び使った。
定電流回路にレギュレーターICの出力電圧を基準電圧として使用し、アナログスイッチの電源もこれを基準電圧とするが電源は上流から引いて来て別系統とした。

歪率は負荷抵抗8Ω出力1Wで 100Hz 0.0035%、1kHz 0.0042%、10kHz 0.0075% と悪くない。

これでやっと基板の部品配置を検討する段階に行けるだろうか。

私は実験中はAC電源に必ずスライダックを入れて、電源電圧を徐々に上げるようにしている。
配線ミスや調整不良で発生する過電流事故を未然に防ぐためだが、電源電圧の低い特定の電圧で発振したり、出力に直流分が発生するのを偶然発見することがある。
発振は素子がカットオフ状態から電流が流れ始めアクティブ状態に変移する時に起こりやすい。
出力に直流分が発生する原因は、プッシュプルを構成する素子の特性がアンバランスであることが多い。

昨日から気付いていたが、電源電圧の低い部分で出力に1V程の直流電圧を生じる。
このままでは電源オンオフ時にショックノイズを生じることは必至だから改善しなくてはならない。
原因はすぐ判明した。正電圧レギュレーターICと負電圧レギュレーターICのドロップアウト電圧の差による物だ。
レギュレーターICの出力段の素子は正負共にNPNトランジスターで正電圧レギュレーターはエミッタ出力であり、負電圧レギュレーターはコレクタ出力になっているため、対称性がない。
仕方ないから、レギュレーターICを再度トランジスターによる定電圧回路に置き換えた。

歪率は負荷抵抗8Ω出力1Wで 100Hz 0.0022%、1kHz 0.0028%、10kHz 0.0044% と減少した。
もうレギュレーターICを使う気はしない。

基板に部品を付けては外し、また付けては外しして最良の配置を検討している段階だ。図は5回描いた。
まだ通電してないので動作確認できてないが、現時点の基板をお見せする。

サンハヤトのユニバーサル基板293Gに合せた部品配置を考えた。
銅箔面から部品を挿しているので、部品の付け換えが容易にできるし、銅箔に固定してないので部品に掛かる機械的ストレスが少ない。

2SC3423/2SA1360は放熱性が悪くならないように間隔を取って配置する必要がある。
ドライブ段の2SC4793/2SA1837はヒートシンクにネジ止めして放熱する。
電流検出用の0.1Ωはほとんど発熱しないが、形状が大きくて邪魔なため基板の端にぶら下げた。
帰還抵抗は通常の音楽信号では発熱する心配はないが、連続信号のフルパワー時は発熱するから、安全のためその周囲からトランジスターは離す必要がある。
最初は間延びした配置で無駄な空間が気になったが、現在は緻密でありながら必要な絶縁距離は保たれている。

基板に部品を実装するに当たって回路と定数の一部を変更してあったので、回路図を描き換えた。

アンプ基板の動作を確認した。
基板の配線に問題はなかったが、ABC回路基板との接続ミスで異常動作を2つ体験できた。

1つはフォトカプラLEDの極性を逆に接続していたため、電源電圧が±4〜6V位で発振した。更に電源電圧を上げても出力段MOS-FETはバイアス電圧が低くなっているためアイドリング電流が流れない。しかし奇妙なことに、後で行った再現実験では発振しないから、何か別な要因があったかも知れない。

もう一つは電流検出抵抗マイナス側の配線で-V_Dと-V_Lの接続が入れ替わっていた。このためABC回路が動作を始めた途端アイドリング電流が上昇して、予防のためAC100V側に入れてあった5Aの電源ヒューズが切れた。

ABC回路は電源電圧が50%以上になってV_LとV_Hの電圧差が大きくならないと動作しない。
ABC回路の調整は始めにセットアップスイッチをONしてV_R3でアイドリング電流を0.5Aにし、次にセットアップスイッチをOFFしてV_R2でアイドリング電流を0.5Aにする。
セットアップスイッチをONした状態はABC回路は動作せず、V_R3による手動制御でアイドリング電流を調整できる。しかし素子の発熱などの条件変化に伴い、放っておくとアイドリング電流は変動し増大方向に暴走する。
セットアップスイッチをOFFするとABC回路の動作でアイドリング電流は一定に保たれる。それでも多少はアイドリング電流が増加するから放熱器の温度上昇には気をつけたい。

ABC回路基板がようやくでき上がった。
回路がもつれ合うように入り組んでいるため、部品配置に苦労した。
5mm方眼紙で部品配置を何度も検討して小さくまとめることはできたが、裏面はジャンパー線が何本も重なり合っていて醜い。

動作テストはいきなり正規の電圧を掛けることなどしない。アイドリング電流と出力電圧の挙動に注意しながら、過電流保護回路の備わった実験用電源で0Vから徐々に電圧を上げるのが鉄則。
実験用電源は最大0.5Aで±0〜20V可変できる自作装置。
電源を切った時に出力段電源の大容量ブロックコンデンサーの電圧を残さないために、出力段電源V_Lから電圧増幅段電源V_Hへダイオードをつないであるため、出力段電源にだけ実験用電源を接続するだけで動作する。ただし、ABC回路は動作しないからセットアップスイッチをONしておく。

初め、±3Vぐらいから点灯するはずのLEDが点灯せずアイドリング電流が流れない。
初段カスコード回路にバイアス電圧が掛かっていないからだ。
このバイアス電圧はABC回路の定電流回路の電流を基準にしている。
そこでABC回路基板をよく見たら、定電流回路のトランジスタの1個がエミッタとベースが逆に取り付けていることに気付いた。
このようなミスは度々あることで、何のミスも無くすんなりとできてしまう方が慢心を助長させるため余計に怖い。

次にスライダックを通したAC電源でABC回路の動作テストをしたら、V_R2を回してもアイドリング電流が流れない。
セットアップスイッチ端子間に発生するABC電圧が-4.5V程度になっている。
これではフォトカプラのLEDに電流が流れず出力段のバイアス電圧が低くなっていてアイドリング電流が流れない。
ABC回路がアイドリング電流の値を設定するための基準電圧は27Ωに発生する電圧だが、これが発生せず0Vになっている。
基準電圧を発生させるための定電流回路のトランジスタのコレクタと直列のダイオードが逆向きになっていた。
このダイオードは出力段電源が働かなくなった場合に電圧増幅段電源から27Ωを通して出力段に電流が流れるのを防止するためで、通常の常態では必要ないが、もしもの場合を想定して入れた。

放熱器に基板を取り付けてみた。

アンプ回路基板とABC回路基板は20mmスペーサーを介し重ねて取り付けた。

基板を取り付けるため放熱器にネジ穴を加工する必要がある。
ネジ穴の加工はタップという工具を使うが、なれない頃はよく失敗したものだ。
ネジ穴よりも一回り小さい下穴をドリルで開ける。3mmのネジ穴なら2.5mm位、4mmのネジ穴なら3.5mm位が適当だ。小さ過ぎると大きな力が要るのでタップを折る危険がある。大き過ぎるとネジをきつく締め込んだ時にネジ山が取れて穴馬鹿になる。
タップを回す時にもコツがある。穴とタップにたっぷりと切削油を付ける。切削油は手近な物として石油とかミシン油でもいいが私はKURE CRC5-56を使っている。これはタップやドリルの錆防止にもなる。タップを回し込んで行くだけだと、切り屑が詰まって回らなくなってしまうから、三歩進んで二歩下がる調子で3/4回転したら1/2回転戻す。刃先から切り屑を排出することが切削加工を綺麗に行うことの必要条件だ。刃先に切り屑がこびり付いているようではその工具は使えない。
棒状のタップハンドルを使って手で回す場合はタップの芯が振れて穴が傾いたり大きくなったり、最悪タップを折ることがある。深い穴の中で折れたタップはもう取ることができない。
私はボール盤にタップ取り付けて、右手でレバーを静かに押しながら左手でチャック部分を回して加工する技を編み出した。この方法でタップを折ったことは無いし、ネジ穴は綺麗に垂直に立たる。

方形波出力波形を観測したら平坦部分がうねっていたため、この数日間は製作作業がフリーズしてしまった。
だが原因は分かった。電源の配線がおよそ30cmに長くなっため、配線インピーダンスが影響したのだ。

基板上に1μFの積層セラミックコンデンサーを電源高周波成分のバイパスに入れておいたが、こんなものでは足りないようだ。
積層セラミックコンデンサーと並列に電圧増幅段に100μF、出力段に1000μFを基板上に仮付けした。
結果は写真の通り一目瞭然の効果。

基板上にコンデンサーを追加するため部品配置を変更して基板を作り直さなくてはならない。
ここまで来てまた厄介なことになったが、やらざるを得ないだろう。

連休に入ってようやく製作活動を再開できた。

基板を作り直すついでに回路を少し直した。

入力のローパスフィルターはどう言うわけか出力方形波にリンギングの発生を招くため取り外したが、再び元に戻せるように基板上にはスペースを残してある。

入力抵抗を47kΩから270kΩへと大きくした。これは入力が直流的にオープン状態の時に初段FETのゲートリーク電流 I_GSXをアースに流し、初段FETのゲート電圧を0Vにすることが目的の抵抗であるため、I_GSXが少なければいくらでも大きくできる。
2SJ109と2SK389はV_DSが6Vの I_GSXは3pA程度で、2SJ109と2SK389の I_GSXが等しければ入力抵抗に流れる電流は0となるが、2SK389の方が少し大きいので、最悪1pAが270kΩに流れてもゲート電圧は0.27μVしか生じない。

出力段MOS-FETの電流検出抵抗を、前は0.1Ωを2個並列接続して0.05Ωにしていたが、並列接続をやめて0.1Ωにした。
これによるデメリットは低負荷インピーダンス時の最大出力の減少だが、それは僅かだ。
音に及ぼす影響は、ソース側に入っている場合は大きいが、本機のようにドレイン側である場合はほとんどない。
逆にメリットはアイドリング電流の安定性がより高くなること。そして何より部品による占有スペースが減り基板が広く使えることだ。

作り直したアンプ基板のイラストを以下に示す。

アンプ回路基板   pdf
上面	下面

組立てる段取りとして、左写真のように電流検出抵抗は、前もってABC回路へ接続する配線コードを半田付けしてから、基板へ取り付ける。

電解コンデンサーはオーディオ用に拘らず、形状の小さい一般用を使用した。
50V1000μFの高さをクリアするため、ABC回路基板を取り付けるスペーサーを長さ25mmに変更した。

ABC回路基板のイラストが完成したのでアップロードする。

ZSABC回路基板   pdf
上面	下面

自分で書いた図を元に自分で作ることができるか検証してみると、見落としていた間違いが発見できる。
ZSABC回路図のアナログスイッチ4066Bのピン番号が実験機の時のままだったのを、現在の基板のピン番号に修正した。
ZSABC基板図のアンプ基板のVR1を回すために空けた穴の位置がズレていたので直した。

ZSABC回路図の間違いを修正。ZSABC基板図の間違いを修正。もう間違いはないと思うが自信がない。

ZSABC基板はアンプ基板に接続する前に単体で動作チェックする。
初めはV_R2とV_R3はセンター位置にしておく。
+V_Hに+10V、-V_Hに-10V程度の電圧を加えて、+Aに+5V,-Aに-5V程度が発生しているか確認する。
+V_Hと+B間および-V_Hと-B間に1V程度の電圧が等しく発生しているか確認する。
これらの電圧はアンプ回路のバイアス電圧と兼用しているので、異常があるとアンプの動作がおかしくなる。

セットアップスイッチをONした状態で、TLP521のLEDの代わりに普通のLEDを接続し、V_R3を回すことでLEDの明るさが変化することを確認してLEDが暗くなる方向に回しきっておく。
この時V_R3の抵抗値が0に近くなるまで回してしまうと過電流で幾つかの素子が破壊するため注意する。
本来なら用心のためV_R3と直列に1kΩ程度を入れておくべきだが、実験基板で調整の要領を心得ていることもあって基板スペースを稼ぐためそれは省略した。

4066Bの2番ピンに接続してある配線を外して、ZSABC基板をアンプ基板に全ての配線を接続し、セットアップスイッチをONした状態でアンプの動作テストをする。
アンプの動作テストのやり方は前に書いた通り。
V_R3でアイドリング電流を0.5Aに設定する。

V_R2両端の電圧が大きくなる方向にV_R2を回しきって、4066Bの2番ピンの電圧がマイナスになっていればOK。
V_R2を徐々に回して行くと4066Bの2番ピンの電圧が減少してプラスに増加するように変化するなら、ABC回路の演算部は正常に動作しているので、マイナスになる方向にV_R2を回しきっておく。
この時もV_R2の抵抗値が0に近くなるまで回してしまうと過電流で幾つかの素子が破壊するため注意する。

一旦電源を落としてセットアップスイッチをOFFして、ABC回路を働かせた状態の動作テストをする。
問題なければV_R2でアイドリング電流を0.5Aに設定できる。
ABC回路は電源電圧が6割以上の電圧にならないと動作しないから、電源電圧が低い状態ではアイドリング電流が流れなかったり、1.5倍程度多く流れる場合がある。

電源投入時には電源トランス1次側に2次側整流回路の大容量コンデンサーの充電電流と合わせて定格1次電流の50倍程度の突入電流(ラッシュカレント)が約1ms間流れ、電源スイッチや電源ヒューズの寿命に悪影響を及ぼす。
それだけでなくAC100Vラインの電圧が低下して瞬時停電を引き起こすため、部屋の蛍光灯が一瞬消えたりすることもある。私のパソコンには無停電電源装置を備えているので心配ないが、そうでなければ作業中のファイルが消えたりハードデスクが壊れる危険がある。

そこで電源トランス1次側に直列抵抗とタイマーリレーによる突入電流を低減する回路を設けた。
回路は有合せの部品で作ったため洗練されていないが機能は果たす。
直列抵抗の代わりに、この用途向けのパワーサーミスタがあるが、パワーサーミスタは熱を持ってしまうと抵抗が低下するので、冷めるまで突入電流を抑止することはできないから、短時間に電源オンオフを繰り返した場合は役に立たない。
私はパワーサーミスタを信頼できない。10年以上昔だが産業機械に組込まれていたコンピューターの電源のスイッチングレギュレーターにパワーサーミスタが使われていたが、それが劣化したため、冬の寒い朝に電源電圧が低下して機械が起動しなかったという経験がある。

本機に使用する（株）フェニックスのRAシリーズRコアトランスには温度ヒューズが内蔵されている。 RA400タイプに内蔵されている温度ヒューズの定格は125V 7A 130℃となっている。 7A程度のヒューズでは突入電流で溶断する可能性がある。 温度ヒューズは簡単に取り替えできないので、温度ヒューズの定格電流以下のヒューズを更に入れておく必要がある。

電源部の組立に入った。 でき上がりは人工衛星のようなハイテクマシーンをイメージしていたが、これはどう眺めても時限爆弾みたいな危険物にしか映らない。そこらに置いてあったらきっと警察に連絡されて爆弾処理班が飛んでくる。 冗談でなく、こんなでかいブロックコンデンサーが破裂したらと思うと恐怖を感じる。極性をもう一度確認しておこう。

アンプブロックとドッキング完了。 動作テストを行って、問題ないことを確認。 電源トランスの鳴きがうるさい。 （株）フェニックスの説明では、コンデンサーインプット方式の場合、電圧と電流の位相ズレによってトランスに唸りを生じるという。 突入電流防止抵抗が入っている間は鳴かないが、リレーがターンオンすると途端に鳴き出すから、常時抵抗を入れておこうかと考える。

上部から見た写真。 これからカバーに通気孔を開けて塗装する作業が残っている。

やっとカバーを着けた外観をご覧頂けるとこまで来た。 塗装は銀ラッカーとクリアラッカーを交互に2度スプレーして、きめの細かい梨地に仕上げた。 シンプルな形だが角度によってイメージが大きく変化するので見飽きない。 ブルーのパワーインジケーターが点灯すると一層存在感を増す。

音が耳に留まっていたら、これほどの感動はない。

音が心にまで届くから、意思を共感できる。

そんな音楽の素晴らしさを、新鮮な気持ちで認識した。

Copyright © 2000 Shinichi Kamijo. All rights reserved.
最終更新日:2001/11/08 08:06:14 +0900