自作アンプについて 
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[自作アンプについて][エミッター抵抗レス方式][バイアス電圧制御回路][ダイレクト・スピーカー・ドライブ・システム][水冷式システム][出力段の設計][本機の回路][電圧増幅部][保護回路][その他][製作][調整][特性と音質][終りに]
水冷式 スピーカーボックス内蔵型
エミッタ抵抗レス 無帰還 A級30W パワーアンプ
自分で回路を考え,自分で部品を選び,自分で組み立て,
自分の気に入る作品とすることに自作アンプの楽しみがあります.
あえて付け加えるまでもありませんが,
他人が考えた回路を他人と同 じ部品でそっくりに組み立て,
他人が好むであろう仕上げとしたのでは,
当人の意志はメーカー製品を買うの と同様,
単に入手したい品物を選択 しただけにとどまり,
自作の極意で ある創造の世界を冒険することがで きません.
また一方,作品には作者の人柄,技量,センス,生き方,主義など,個性がにじみ出るため,
それを鑑賞する楽しみがあります.
私にとって,自作アンプの価値は, 自分自身が作品に反映していることにあり,
自己の確認と,記録のためアンプ作りをしています.
アンプを 深く追究することが自分を高めることにつながると思ってます.
パワーアンプの出力抵抗が高いとスピーカーの制動力が不足し,ハギレの悪い,シマリの無い, 気の抜けた音となり,忠実な音の再生など到底望めません.
また元々出力抵抗の高い回路へNFBを掛けて出力抵抗を下げても,元の音の傾向が完全に消えないことから,無帰還低出力抵抗アンプの実現は1つの目標でした.
[図1] REレス方式
エミッターフォロワ回路のエミ ッター直列抵抗REを取り除いた場合, (図1)の出力抵抗ROは, 出力TrのVBE-IE特性(図2)で決まり,傾きが垂直に近いほどROが低くなり,傾きが直線に近いほど歪が滅ります.
[図2] VBE-IE特性
この特性通りの出力抵抗を得るためには,出力Trを定電圧ドライブすることと,VCE を出力電圧と無関係に一 定することです.
そこで本機の電力増幅部の基本回路は,図3に示すような3段ダーリントン･フィ ードフォワード･カスコードブートストラップ接続として,さらに出力TrのVBE -IE 特性の出力抵抗が小さい部分を動作範囲とする真のA級動作とし, RE レス方式の特徴が十二分に発揮されるようにしました.
[図3] 電力増幅部の基本回路
このようにしてバイポ ーラTrの潜在能力が100%発揮されると,その代わりに今までREでマスキングされていた,素子や回路の素性が露呈されてしまう怖さがあります.
REを取り除くと, 出力TrのICの温度変化による変動量が増え,熱結合式のバイアス回路では熱の伝達に時間を要するため,バイアス電圧のコ ントロールがICの変動に追い付かず熱暴走してしまいます.
そのようなアンプの必要悪である, RE と完全に手を切るため,より直接的な方法で,出力Trのアイドリング電流を安定化するバイアス電圧の制御回路(図4)を採用しました.
[図4] バイアス電圧制御回路 
PDF77KB
この動作は,正負それぞれの出力 TrのICを,コレクター側の直列抵抗 RCで検出し,正負のIC成分を演算回路で引き算して,出力電流 IOの成分を消去し,アイドリング電流 IQ に比例した電圧VABCを抽出して, これを一定とするようにバイアス電圧を制御します.
バイアス電圧の制御信号はフォトカプラーで伝達して,オーディオの信号系に影響を与えないようにしました.
RE に代わって入るRC の影響については,エ ミッターに比ベコレクター側のイン ピーダンスが桁違いに高いため,ほとんど無視できます.
この回路は原理上, A級動作のプッシュプルアンプにしか使えず,また出力Trの並列接続にも対応しにくいのが難点です.
エミッター抵抗を取り除いただけで音が良くなるならば,さらにアンプとスピーカーの間に介在するスピーカーコードも取り去れば,もっと音が良くなるに違いありません.
スピーカーコードでアンプとスピ ーカーを離して使う方式は,言わばスピーカーのリモート・ドライブ・システムです.
対してアンプとスピーカーを直結する方式は,スピーカーのダイレクト・ドライブ・システムと言え るでしょう.パワーアンプの信号エネルギーをスピーカーに確実に伝達するには, その経路を太く短くすべきです.
しかもパワーアンプは,一方的にエネルギーを送り出すだけでなく,スピーカーの発生する逆起電力を時間遅 れなく吸収しなければなりません.したがって,アンプをスピーカーボ ックスの内部に入れて,さらに出力Trをボイスコ イルの近くに配置するのが理想です.
ダイレクト・スピーカー・ドライブ・システムを目標にして,中途半端な方法で無駄なことをしていたくはなかったので,決定的とも言える水冷式の採用に踏み切り,最高のA級アンプをスピーカーボックスに内蔵して,一気に目標の頂点を目指しました.
水は比熱が大きく熱媒体に適してます.
水冷式システムで必要な物は,放熱器に相当するウォ一タージャケット(熱交換器),配管ホース,タンク,循環させるためのポンプとクーリ ングのためのラジエター,それに冷媒としての水です.水は冬季の凍結を防止するため,自動車に使う不凍液を混合して使用します.
不凍液には防錆,防腐の効果があるのでメンテナンスが楽になります.
不凍液100%は-20℃でも凍らないので,その位の低温にアンプを冷却して,音を聴いてみたい気もします。
ウォータージャケットは図5のように,手近な放熱器(フレックスTF1210)を利用して,外周にアルミ板をエポキシ系接着剤で貼り付け,フィンの隙間を水が流れるようにしました.
[図5] ウォータージャケット
このような作りのため,通水しないで空焚きしたり,高い水圧を掛かけると,接着がはげる危険があります.
約7年間使用して水漏れ事故はまだ発生していませんが,信頼性の高い構造にしないと,アンプが水に浸っていないか心配で,落ち着いて音楽に浸ることができません.冷却水は,水道の水をチョロチョロと掛け流す程度で十分な冷却効果がありますが,厳冬期の凍結に備えて,図6のようにバケツに溜め置きした不凍液を水中ポンプで汲み上げ,廃車から取り外してきたラジエーターで冷して,ウォータージャケットへ送るシステムを作りま した.
[図6] 冷却水の配管
注意する点は,ウォータージ ャケットの内部に空気が残らないように,ウォータージャケットの水口を上へ向けることと,配管の途中を外した場合に水がタンクヘ戻るよ うに,タンクを一番低い位置に設置することです.
最大の出力PoをA級動作で30W (RL=8Ω)とした場合に,最低必要なアイドリング電流 IQ は,
ですが,
歪みの少ない動作を得るためは,図2の特性の直線に近い部分を動作範囲としたいので,0.3A以上多く流します.
最大の出力電圧Voは,
となります.
電源電圧VCCは,Voと, 出力段カスコードTrのバイアス電圧(約6V)と,出力段カスコードTrの飽和電圧(約3V)の合計よりも高い必要があります.
電源トランスにタンゴRS2501を採用して, VCC = 35Vとしました.
直流設計を図7に示します.
[図7] 出力段の設計
出力段に採用したパワーTrは, Q23,Q24が2SD555/2SB600, Q29,Q30が 2SD834/2SB753です.
コレクター損失PDCは, Q23,Q24が52W, Q29,Q30が10Wで,自然空冷では無理ですが,水冷式ではこの程度の電力を喰わせても,図7の熱設計の計算式から導き出された,表1のデータが示す通り大丈夫です.
[図7] 熱設計の計算式
[表1] パワートランジスタ熱設計のデータ
|
最大定格 | 熱設計 | |||||||
| 項目 | VCBO | VCEO | IC | PC | TJ | θi | θc+θs | PDC | Tw |
| 単位 | [V] | [V] | [A] | [W] | [℃] | [℃/W] | [℃/W] | [W] | [℃] |
| 条件 | Ta =25℃ | Ta =25℃ | Ta =25℃ | Tc =25℃ | Tw =40℃ | ||||
| 2SB600/2SD555 | 250 | 200 | 10 | 200 | 150 | 0.625 | 0.35 | 110 | (PDC
=60W) 90 |
| 2SB753/2SD843 | 100 | 80 | 7 | 40 | 150 | 3.125 | 0.875 | 27.5 | (PDC
=12W) 108 |
ウォ一タージャケットの温度TW =40℃に保てば,2SD555/2S8600はPDC =110Wまで,あるいはPDC =60WであればTW =90℃まで許容できます.
同様に2SD843/2SB753 についても,TW =40℃ではPDC =27.5W,PDC =12WではTW =108℃まで許容できるので,十分な余裕があります.
図8に本機の全回路を示します.
[図8] 本機の全回路 PDF303KB
電圧増幅部は,コンプリメンタリープッシュプル無帰還2段増幅回路です.
初段は差動回路に見えますが, Q5,Q3の目的は,Q1,Q2の非直線歪をソース側で打ち消すためのリニアライザーです.
Q1とQ5,Q2とQ6の特性の一致しない分をRS1で補正 して,Q1,Q2側だけを歪みの無い状態にしているため,アンバランス分の歪電流が総てQ5,Q6側に流れるので,Q5,Q6側からは信号を取り出せません.
全段カスコード接続としたのは, 電源変動に強くして,安定化電源を不要にするためです.
本機は出力DC電圧の発生と,出力段過電流に対する保護に加えて,特に水冷式であるため,冷却装置の異常によって発生し得るパワーTrの過熱に対しても保護するようにしました.
保護動作はQ46,Q47のラッチ回路がターンオンして導通状態になると,パイロットランプの2色LEDが,緑から赤へ切り替り,電圧増幅部カスコード回路のバイアス電圧と, 出力部のバイアス制御回路の電源を0Vにして,アンプ全体をカットオフ します.
異常原因がなくなれば,リセットSWをONすることで保護動作を解除できますが、異常状態が続いていて保護条件にある間はリセットSWをONしても保護動作は解除されません.
Q31, Q32が出力DC電圧検出用, Q33,Q34が出力段の過電流検出用で, これらの信号はQ33で1つにしてQ47のべースヘ与えています.
パワーTrの温度検出はQ47が行います.
Q47は温度に敏感なゲルマニュームTrで,Q24の頭にアルミ板で作ったホルダーと共に,エポキシ系接着で貼りつけてあります,(右図参照)
Q24の発熱でQ47が暖まると,Q47はICBOが増加して自身のICが増加するため,2色LEDの赤色側に電流が流れて,LEDの光の色は緑→黄→橙と変化し,パワー Trの温度をLEDの色で監視できます.
リミットの温度に到達すると, Q46,Q47がターンオンし,前述の保護動作をします.
リミット温度の設定は Q46ベース側に入っている470Ωで調整できます.
本機のリミット温度は約47℃に設定してあります.
入力側にローパスフィルターを入れて,不要な高周波の侵入を防ぎました.
電源ON-OFF時のショックノイズを減らすため,電源ON時は電圧増幅部が先に立ち上り,電源OFF時は電力増幅部が先にカットオフするように,その順位をD3,D4とHZ24Lで規制しています.
D1,D2はオーバードライブの防止だけでなく,接合容量で発振の防止をしています.
電力増幅部のTrは発振しにくい物を選択して用いました.
初段の2SK246 /2SJ103は歪が最小となる物を選別しました.
本機で使用した素子の規格を表2に示します.
［表2］素子の規格
1.トランジスタ
品名 |
構造 |
メーカー |
最大規格 |
電気的特性 |
外形 | ||||||||||
| VCBO | VCEO | IC | PC | ICBO | HFE | ft | Cob | ||||||||
| VCB | VCE | IC | 接続 | ||||||||||||
| (V) | (V) | (A) | (W) | (μA) | (V) | (V) | (A) | (MHz) |
(pF) | No. | 1 2 3 | ||||
2SA1085 |
Si,E |
HITACHI |
-120 |
-120 |
-0.1 |
0.4 |
-0.1 |
-50 |
250〜800 |
-12 |
-0.002 |
90 |
3.5 |
1 | ECB |
2SA1144 |
Si,E |
TOSHIBA |
-150 |
-150 |
-0.05 |
10 |
-0.1 |
-150 |
150 |
-5 |
-0.01 |
200 |
2.5 |
3 | ECB |
2SA872A |
Si,E |
HITACHI |
-120 |
-120 |
-0.05 |
0.3 |
-0.5 |
-100 |
250〜800 |
-12 |
-0.002 |
120 |
1.8 |
1 | ECB |
2SA915 |
Si,E |
NEC |
-120 |
-120 |
-0.05 |
1 |
-0.1 |
-120 |
200 |
-10 |
-0.01 |
80 |
2.5 |
2 | ECB |
2SA968 |
Si,E |
TOSHIBA |
-160 |
-160 |
-1.5 |
25 |
-1 |
-160 |
70〜240 |
-5 |
0.1 |
100 |
30 |
4 | BCE |
2SB600 |
Si,T |
NEC |
-200 |
-200 |
-10 |
200 |
-50 |
-200 |
70 |
-5 |
2 |
14 |
450 |
5 | BEC |
2SB649A |
Si,E |
HITACHI |
-180 |
-160 |
-1.5 |
20 |
-10 |
-160 |
60〜200 |
-5 |
-0.15 |
140 |
27 |
3 | ECB |
2SB753 |
Si,T |
TOSHIBA |
-100 |
-80 |
-7 |
40 |
-5 |
-100 |
70〜240 |
-1 |
-1 |
10 |
250 |
4 | BCE |
2SC1775A |
Si,E |
HITACHI |
120 |
120 |
0.05 |
0.3 |
0.5 |
100 |
400〜1200 |
12 |
0.002 |
200 |
1.6 |
1 | ECB |
2SC1940 |
Si,E |
NEC |
120 |
120 |
0.05 |
1 |
0.1 |
120 |
200 |
10 |
0.01 |
120 |
2.3 |
2 | ECB |
2SC2238 |
Si,E |
TOSHIBA |
160 |
160 |
1.5 |
25 |
1 |
160 |
70〜240 |
5 |
0.1 |
100 |
25 |
4 | BCE |
2SC2547 |
Si,E |
HITACHI |
120 |
120 |
0.1 |
0.4 |
0.1 |
50 |
250〜800 |
12 |
0.002 |
90 |
3 |
1 | ECB |
2SC2704 |
Si,E |
TOSHIBA |
150 |
150 |
0.05 |
10 |
0.1 |
150 |
150 |
5 |
0.01 |
200 |
1.8 |
3 | ECB |
2SD187 |
Ge,A |
SANYO |
25 |
0.15 |
0.2 |
15 |
20 |
100 |
1.5 |
0.03 |
1 |
6 | - | ||
2SD555 |
Si,T |
NEC |
250 |
250 |
10 |
200 |
50 |
200 |
70 |
5 |
2 |
15 |
300 |
5 | BEC |
2SD669A |
Si,E |
HITACHI |
180 |
160 |
1.5 |
20 |
10 |
160 |
60〜200 |
5 |
0.15 |
140 |
14 |
3 | ECB |
2SD843 |
Si,T |
TOSHIBA |
100 |
80 |
7 |
40 |
5 |
100 |
70〜240 |
1 |
1 |
10 |
250 |
4 | BCE |
2.FET
| 品名 | 構造 | メーカー | 最大規格 | 電気的特性 | 外形 | ||||||||||
| VGDS | IG | PD | IGSS | IDSS | VDS | VGS(OFF) | gm | Cis | Crs | ||||||
| VGS | 接続 | ||||||||||||||
| (V) | (mA) | (mW) | (nA) | (V) | (mA) | (V) | (V) | (pF) | (pF) | No. | 1 2 3 | ||||
2SJ103 |
J |
TOSHIBA |
50 |
-10 |
300 |
1 |
30 |
-1.2〜-14 |
-10 |
2〜5 |
1(MIN) |
18 |
3.6 |
1 | SGD |
2SK246 |
J |
TOSHIBA |
-50 |
10 |
300 |
-1 |
-30 |
1.2〜14 |
10 |
-0.7〜-6 |
1.5(MIN) |
9 |
2.5 |
1 | SGD |
2SK30ATM |
J |
TOSHIBA |
-50 |
10 |
100 |
-1 |
-30 |
0.3〜6.5 |
10 |
-0.4〜-5 |
1.5(MIN) |
8.2 |
2.6 |
1 | SGD |
3.フォト･カプラー
| 品名 | メーカー | 最大規格 | 電気的特性 | 外形 | |||||||||
| If | VCE | Ptot | Viso | Vf max | Ic/If | VCE(ON) | tr/tf | ||||||
| If | If | Ic | |||||||||||
| (mA) | (V) | (mW) | (Vrms) | (V) | (mA) | (%) | (V) | (mA) | (mA) | (μs) | |||
TLP521-1 |
TOSHIBA |
70 |
55 |
250 |
2500 |
1.3 |
10 |
50〜600 |
0.4 |
8 |
2.4 |
2/3 |
7 |
4.LED
品名 |
構造 |
メーカー |
最大規格 | 電気的特性 (光度=4mCd) | 外形 | ||||||||||
| IF | VR | P | IF |
VF | |||||||||||
| 電極 | (mA) | (V) | |||||||||||||
| (mA) | (V) | (mW) | 赤色 | 緑色 | 橙色 | 黄色 | 赤色 | 緑色 | 橙色 | 黄色 | |||||
SLP540 |
GaP |
SANYO |
30 |
4 |
60 |
C 1 |
5 |
0 |
3 |
2 |
1.9 |
- |
1.9 |
1.9 |
8 |
C 2 |
0 |
15 |
5 |
10 |
- |
2.05 |
2 |
2 |
|||||||
外形
スピーカーボックスに入れるため,外形をできるだけ小さくして,且つアンプ出力とスピーカーユニッ ト端子を最短で接続できる構造としました.
図9に示すように合板を台として,電源トランスの唸りの伝達を防ぐためゴムマットを引いて,その上に部品を取り付けてあります.
[図9] 本機の構造 PDF158KB
スピーカーとアンプの配置 PDF173KB
Q1とQ5,Q2とQ6,Q15とQ16をそれぞれ熱結合してあります.
発熱の大きな Trはアルミ板を介してウォータージャケットへ放熱しました.2SD835/2SB753の取り付けは1点締めのため,図10のようにモールド部分を金具で押さえつけました.
[図10]
フォトカプラーはバイアス回路へ配置して,LED側の配線を引 き廻します.
Rs2とRs3は前もってQ13とQ45のIDがDC6Vで0.33mAとなるように調整しておきます.(右図参照)
RS4は∞,RT1とRT2は0としておきます.出力電圧をオッシロスコープで見ながら,スライダックで電源電圧を徐々に上げて,発振しないことを確認 して,RC (0.22Ω)両端の電圧が 0.4 VになるようにRS4 を調整します.
RS1で歪率を最小に調整し,RT1またはRT2で出力DC電圧を0Vに調整します.
尚,Q1に対してQ2のgmが高いことを想定してRS1はQ2のソース側に入れてありますが,Q1のgmが高い場合にはRS1をQ1のソース側に入れ換える必要があります.
また,Q1に対してQ2のIDSSが大きい場合はRT2は0のままで RT1の方を調整し,逆にQ1のIDSSが大きい場合にはRT1を0にしてRT2を調整するようになります.
周波数特性を図11に,歪率特性を図12に示します.
[図11] 周波数特性
[図12] 歪率特性
使用スピーカーは,フ ォステクスUP-203スーパーの90リットル密閉箱入りです.
REレス無帰還A級アンプの音はナチュラルであるため,何の誇張もない,おとなしい静かな音ですが, ダイレクトドライブシステムによってアンプとスピーカーが一体化した効果は明確で,これまでのシステムとは音が一変し,明るく端々しい躍動感が増し,低減から高域まで力強 くシャープです.
さらに高域の聴感 レベルが少し上昇し,高域においてもアンプがスピーカーを強力に制動しているようで,フルレンジ1発から信じられないほどの広帯域でフラットなレスポンスを感じます.当初は,前作のREレス無帰還A級15Wアンプでツィータを鳴らし,さらにエッジレスウーハーを加えた3WAYシステムを計画していましたが,結果的にこのスピーカーだけの音が私のリファレンスとなっています.
本機は究極を狙ったため,2度と作りたくないほどに手間がかかりました.
ステレオ用に2台を時期を隔てて作った経験から言いますと,要点をわきまえれば再現性の良いアンプです.
単なるデッドコピーでなく, 本質にあるものを汲み取り,応用していただければと思います.
Copyright © 1997
Shinichi Kamijo. All rights reserved.
最終更新日: 2000/04/23 11:33:13 +0900
