PCL86全段差動ppアンプの設計詳細と測定結果

2008/01/19, 2008/03/03, 2008/11/05


アンプ部(設計)

PCL86を用いることに関する基本設計はJK1EYPさんの作例(PCL86全段差動トーンコントロール付き)を参考にして、動作点、定数、定電流回路などを変更しました。ぺるけさんの全段差動プッシュプル・ベーシック・アンプの平衡化に倣って平衡入力化を行いましたがこれは単に将来への布石でしかなく、現在は専ら不平衡入力で使用しています。

以下の回路図に記載の電圧は設計値で、実機の値は違います(電源が当初設計どおりにならなかったため)。実機での確認ではB+電圧が278Vを示しました。それを考慮すればおおむね矛盾は無いようです。実機測定値と、B+電圧が当初設計値と異なった理由について、本頁末尾に考察しています。

[2011/05/31] 実は五極部グリッドバイアス調整回路が回路図と実器で一致していません。実器は配線ミスで180kΩの行き先がVR中点でなくPCL86 五極部グリッドになっています。出力段G1の電圧測定値がおかしいのに気づかないままでした。初段交流ロードラインが違うだけで大した実害はないので、そのままにしています。


BSch3V形式回路図ファイル(アンプ部・電源部共) (BSch3Vは岡田仁史さん作の回路図エディタです。詳しくは→水魚堂 ONLINE

この回路にはいくつか変則的なこと(いずれ改良したい)があります。たとえば、本来は入力22kΩの左側に、入力〜アース間に入れておくべき抵抗が無いのは単なる手抜き省略です。負帰還は、4Ωスピーカーを前提にすれば0Ω〜4Ωから取り出すのが良いと思うのですが、これも負帰還定数を真面目に検討しないで330Ω・47Ωで決め打ちしてしまい、4Ωタップでは聴いた感じで低域がぼんついてしまったので、やむをえず16Ωタップを使っています。
また、入力インピーダンスがかなり低いです。CDプレーヤーから10kΩボリウム仕様セレクタとの組合せが前提なためです。もし真空管プリアンプと組み合わせるなら、負帰還抵抗の定数(22kΩ、68kΩ)は変更が必要な可能性が高いです。

抵抗はすべて千石電商で購入したもので、信号系はKOA金属皮膜1%(1/4W)、電源系(3.3k, 18k)とスクリーングリッド抵抗(220)はKOAカーボン小型1/2Wです。終段バランス確認用の1Ωは、100本360円を買ってペア選別しています(1Ωとかの低抵抗は、1%級でもけっこうばらついている)。
ひずみゲージ用の2心シールド線(撚りピッチが非常に狭い)の廃物が手元にあったので入力に使っています。Lch/Rchのシールド線は、絵では離れていますが、実際はぴったりくっつけています。しかし、シールド線にする意味はほとんど無いと思います。

設計動作点

PCL86三極部 片側あたりRL=150k(DC) 150k//390k=108k(AC), VP=140〜150V, IP=0.7mA

元の作例よりも電流をやや増した動作点にします。平衡入力化で見かけの総合ゲインが減少するのを多少なりとも補うため、プレート負荷抵抗を大きくします。一方、安定動作のため終段グリッドリーク抵抗を少し小さめにします。これらを総合すると裸ゲインを少しだけ補うことができるが、高域特性は1割ほど劣ることになります。

定電流回路 2SK30ATM-GR IDSS=3.83mA Rs=680Ω I=1.43mA。手元にGRランクしかなかったのでソース抵抗で調整しています。


PCL86五極部の三極管結線 片側あたりRL=4k, VP=247V, IP+G2=28mA
プレート特性曲線の出典(PDF画像ページ(Tubes: Technical data)国内引用例(JK1EYPさん)

やや低い電源電圧とのかねあいのため、少し控えめな動作点になりそうです。(図の赤線程度)
→実測電源電圧が当初設計よりも高くなったため、結果的にちょうどいい具合に落ち着きました。緑色の線の動作点を右に10V程度平行移動した状態になっています。


利得予想計算

初段はμ=100・rp=80kΩ、RLac=108.3kΩで実質利得は57.5倍。
終段はμ=14.3・rp=2.5kΩ×2・OPT巻線抵抗0.2kΩ×2・RL=8kΩで実質利得は8.54倍。
今回はSPが4Ωなので4Ωタップを用いるから、無帰還出力Zは(2.5kΩ×2+0.2kΩ×2)÷(8kΩ/4Ω)=2.7Ω@4Ωタップ、DF=4/2.7=1.48程度と予想。0.2kΩはOPT(HW-40-8)の一次巻線抵抗で、(0.2kΩ×2)はOPT二次巻線抵抗を簡易的に一次側に投影するため。
OPTの巻線比1/44.72倍。
裸利得57.5×8.54÷44.72=10.98倍。入力抵抗と帰還抵抗の分圧による減衰68÷(22+68)=0.7555倍を含めると、無帰還総合利得8.296倍@4Ω。(11.73倍@8Ω、16.59倍@16Ω)

負帰還定数β=(47/(47+330))×(22/(22+68))=0.03047、β'=1/β=32.82。
16Ωタップから負帰還すると、まず16Ωタップ16Ω負荷で裸利得21.96倍と考えて帰還後利得13.15倍(入力減衰除く)、9.94倍(総合)、負帰還量1.669倍=4.45dB、DF=3.13になるので、これを4Ωタップ4Ω負荷に換算して利得4.97倍(総合)となる。(7.03倍@8Ω)


電源部(設計)

記載の電圧値はPMC-140HGの定数測定をする前の概略設計値で、実機の値はかなり違います。詳しくは本ページの最後をご覧下さい。

ちなみに、平滑コンデンサ静電容量と残留リプル電圧はおおむね反比例の関係にある。(→詳しくはこのリンク先の「整流直後の残留リプル」(図5)) これは言い方を変えると「残留リプル電圧×静電容量=ほぼ一定」ということである。
平滑コンデンサに流れるリプル電流=(残留リプル電圧÷平滑コンデンサのインピーダンス)=(残留リプル電圧×静電容量÷2πf)=ほぼ一定。つまり平滑コンデンサに流れるリプル電流は電源トランスと負荷電流が決まれば静電容量によらず一定となる(厳密には平均整流電圧の変化、平滑コンデンサのESRや、整流素子の通流率の違いに因る差がある)。このことから、特に大容量の電源トランスでは、整流直後にあまり小容量のケミコン(≒許容リプル電流が小さい)をあてがうと、残留リプル電圧だけでなく寿命も不利になる。

電源設計(概算値)

電源トランス ノグチPMC-140HG
一次100V+二次5V2Aを直列に100V印加
ヒーター:PCL86(14.5V0.3A)×4を、6.3V2A+6.3V1.5A+2.5V1.5Aで供給 15.1V÷1.05(一次100V+5V)=14.4V
B+:二次220Vタップ、概算消費電流120mA→整流出力261V(220÷1.05×(1.4-(120÷140)×0.18))
C-:ヒーター回路のうち6.3V×2を両波整流

B+リップルフィルタはチョークコイル1段 PMC-115H DCR=27Ωに120mA→電圧降下3.24V、電源出力電圧258V

OPT
HW-40-8 片側DCR=100Ωに30mA→電圧降下3V、出力管プレート電位255V バイアス 約-8V 実効プレート電圧247V
FE-25-8 片側DCR=150Ωに30mA→電圧降下4.5V、出力管プレート電位253.5V バイアス 約-8V 実効プレート電圧245.5V

初段は258Vからch別に3.3kΩと10uF経由 1.5mA 電圧降下5V 初段電源電圧253V

このページの最後で述べるように、PMC-140HGの220Vタップは実は220Vでないので、整流出力電圧(他の全箇所も)はこの計算どおりにはならない。


実機の測定結果

測定器らしい測定器は持っていないので、テスターで測れるものだけ測りました。電源100.8V 50Hz。同時測定ではないので、測定タイミングの違いにより互いに辻褄の合わない値になっている場合があります。

項目 備考
ヒーター電圧 14.4V-
整流出力電圧 280.5V-
B+ 277.6V-
B2+ 273.2V 273.2V初段デカップリング後の電圧
C- -6.59V-
初段P 164.4V 163.7V 162.7V 165.6V -
初段K 1.401V 1.354V-
初段実効プレート電圧 163.0V 162.3V 161.3V 164.3V -
初段定電流 1.43mA 1.44mA組付前モジュール単独での測定値
出力段G1 -0.328V -0.081V -0.269V -0.156V 少し変動、テスター内部抵抗(10MΩ)の影響あり?
出力段P 275.4V 275.7V 275.4V 275.6V -
出力段K 8.14V 7.97V-
出力段実効プレート電圧 267.2V 267.5V 267.2V 267.4V -
出力段定電流 57.5mA 57.5mA組付前モジュール単独での測定値
無帰還ゲイン 未測定 未測定-
無帰還D.F. 未測定 未測定-
帰還後残留雑音 0.25mV 0.25mV山水ST-32(巻線比1:12.0)で昇圧して測定した値が各3mV、テスターの精度が信頼できない
帰還後ゲイン 5.62(4Ω実測)
7.95(8Ωtap換算)
5.68(4Ω実測)
8.03(8Ωtap換算)
-
帰還後D.F. 3.26 3.264Ω負荷時1V→無負荷時1.306V

この表は30時間ほど通電した後の測定値で、当初に比べて球のばらつきが減っています。これをエージングというのでしょうか。
計算よりも利得が高いようですが理由は不明です。


整流出力電圧が合わなかった理由について考察

「情熱の真空管アンプ」p.112の整流出力電圧計算式

整流出力電圧=B巻線電圧×(1.4-0.18×(整流出力電流÷定格電流))
において、出力電流をゼロとすれば、整流出力電圧はB巻線電圧の1.4倍(←√2倍)である。すなわち、この式のB巻線電圧にはトランスの電圧表記値にかかわらず真の無負荷電圧値を代入する必要がある。
同じページの図3.11「電源トランス整流出力特性の実測データ」では、TANGO PH-185の無負荷整流電圧が350V、ノグチPMC-190Mが310Vとなっている。これらを√2で割るとそれぞれ247.5V、219.2Vとなり、これらのトランスではB巻線電圧表記値と実際の無負荷電圧がほぼ等しく、上記のことを裏付けている。
また本にはないが「Building My Very First Tube Amp講座」の「電源トランスと出力トランス」では、ダイオードとコンデンサの間に20Ωの保護抵抗を挿入したと記述されているので、この計算式にはこの20Ωの効果が含まれているとみられる。

PMC-140HGは測定結果より、220Vタップの無負荷電圧は236Vである。よって、今回の構成における整流出力電圧の正しい計算は、今回は一次巻線を100V+5V(測定値5.26V)としたので (236÷1.0526)×(1.4-0.18×(120÷140))=279V となる。
今回、20Ωの保護抵抗を用いていないにもかかわらず整流出力電圧実測値がほぼ計算式どおりなので、PMC-140HGは容量のわりにB巻線抵抗が大きいといえる。


トップページ / 工作室 / PCL86全段差動pp - 詳細