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無線電子工学および電気工学の百科事典 真空管アンプの設計。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
この記事では、高品質のサウンドを再生するためのシングルエンド真空管アンプを構築する機能について説明します。 著者は、そのようなアンプに最適な出力トランスの真空管と設計を推奨します。 おそらく、すべてのアマチュア無線家とすべてのオーディオ愛好家は、真空管増幅装置がトランジスター増幅装置よりも優れているという意見を聞いたことがあるでしょうが、誰もが自分自身でこれを確信できたわけではありません。 これにはいくつかの理由があります。現代では真空管アンプはあまり見かけられません。そして最も重要なのは、顕著な優位性を聞くためには、繰り返しの処理と再録音によって損なわれていない高品質のレコードを使用する必要があることです。 エミネムやセリーヌ・ディオンのような人の曲を聴いている場合、真空管機器の利点に気づく可能性は低いでしょう。 さらに、いくつかの録音を聞くと、まったく反対の結論に達する可能性があります。 しかし、もしシングルエンド真空管アンプの利点を感じたことがある人なら、その人は永遠に真空管に「うんざり」するでしょう。 真空管アンプはロック音楽をうまく再生できないと言われています。 しかし、最近では、一部のディスコでは、各チャンネルの出力に 6 つの 45P200S ランプを備えた、クラス B で動作するパワー アンプが使用され、成功しました。このアンプの最大出力は 300 ～ XNUMX W で、期待を裏切るだけでした。信頼性が低いため。 真空管アンプの反対者が真空管アンプを「緩い」「曖昧な」低音だと批判するのは当然ですが、この現象の理由は、たとえば [1] などの文献ですでに考察されています。スピーカーシステムの低周波セクションを十分に減衰させず、エミッターの主共振を抑制できません。 したがって、簡単ではありませんが、この問題に対する最善の解決策は、スピーカーを計算して調整し、特定のアンプと一致させ、さらにアンプをこのスピーカーに合わせて調整することです。 その結果、同じピンク・フロイドを聴いて、ギター・ソロの美しさを楽しみながら、定位の明瞭さと低音域の楽器の音の深さに驚くことができます。 そして、シンプルな真空管機材を使って作られた40～60年代の古い録音は、なんと心に響くことでしょう。 クラス A で動作する真空管アンプの利点の理由は、文献で繰り返し分析されています [2、3]。 「ハイエンドの第一法則」を定式化することができます。つまり、オーディオ信号はできるだけ少ない変換を受け、できるだけ少ないカスケードで増幅されるべきです。 そして、これはランプに最適です - 感度が0,1のアンプ...おそらくすべてのDACに適しているわけではありません）。 これにより、オペアンプで収集されるアナログ フィルターが排除されます。 ランプの高い電力利得と高い直線性に加えて、さらに XNUMX つの基本的な利点に注目する必要があります。それは、電極間静電容量の一定性、および温度からの特性の独立性、したがって増幅された信号のレベルからの独立性です。 。 線形増幅 (クラス A) の利点を一度認識してしまうと、UMZCH におけるプッシュプル カスケードの支持者の主張は完全に理解できなくなります。 彼らが宣言した第 2 高調波の補償は、必ずしも有利であるとは限りません。第 3 高調波が主信号の 4 ～ XNUMX% を超えない限り、サウンドを損なうことはなく、むしろサウンドを損なうことは繰り返し証明されているからです。反対。 また、プッシュプル カスケードに位相反転器が必要になると、一般に多くの問題が発生します。 これらすべてについては、上記の記事と [XNUMX] で詳しく読むことができます。 この記事では、シングルサイクルランプ UMZCH、その回路、使用済みランプおよび変圧器について説明します。 シングルサイクル真空管 UMZCH には主に 16 つの種類があります。そのうちの 1 つは、出力段が一般的な OOS のない三極管上に構築されており、もう 2 つは、出力段を最大 2 dB の深さでカバーする五極管またはビーム四極管上に構築されています。 OOS の最後の 300 段階。 図の例として図１および図２は増幅回路を示しており、以下でより詳細に説明する。 ちなみに、古典的な12AZや16Vなどの出力三極管では、現代の文献では沈黙するのが通例である内部フィードバックが、ほぼ同じ深さ（XNUMX ... XNUMX dB）を持つことに注意してください。 時々、三極管カスケードだけが最高クラスのサウンドのアンプを提供できるという記事を読むことがありますが、これは完全に真実ではありません。 そのため、Audio Note は、OTO Line SE、Soro Line SE など、四極管と一般的な OOS を備えたいくつかのモデルのアンプを製造しています。 ちなみに、後者はサンクトペテルブルクのオーディオ専門家によってリファレンスとして数年間使用されてきました。
XNUMX番目のグリッドで定電圧を使用する四極管の出力段は、いくぶん経済的であり、特性に多少の違いがある場合でも、いくつかの四極管を並列接続して電力を増加できるという利点があります。 ブロッキング コンデンサによるカソード自動バイアス抵抗のシャントに関する、よく議論される特定の質問に注目してみましょう。 オーディオ信号経路に酸化物コンデンサがあると余計な歪みが発生するという事実にもかかわらず、シャントは常に行うべきであると通常主張されています。 あれこれの決定の客観的な理由を見てみましょう。 段の出力抵抗を増加させず、最大感度を維持するために、三極管の出力段で抵抗をシャントすることが非常に望ましいです。 XNUMX番目のグリッドに定電圧を供給する四極管の出力段では、カソード抵抗をシャントする必要がありますが、ここでの理由はまったく異なります。 この抵抗によって生成される FOS は、カソード電流のみを線形化します。 アノード電流は、カソード電流から XNUMX 番目のグリッドの電流を引いたもので、同じカソード電流に対して比較的非線形な依存性を持ちます。 このような OOS の導入の結果、感度は約 XNUMX 倍失われますが、若干小さいものの、耳に不快な歪みを伴うカスケードが得られます。 三極管出力段に続く前段（ドライバー）段では、抵抗をシャントする必要はありませんが、シャントすることが望ましいです。 ここでの基準は、この段の出力抵抗と三極管段の次の入力容量の入力容量を組み合わせる条件になります。 Svx \ u1d Csk + CCA（K + XNUMX）、 ここで、CC はグリッド - カソード間の静電容量です。 SSA - メッシュアノード容量。 K はカスケードの電圧伝達係数です。 たとえば、ドライバー段がシャントされていないカソード抵抗を備えた 6N2P 三極管で組み立てられ、出力抵抗が 50 kΩ である場合、出力段の入力容量が 200 pF の場合、上部カットオフ周波数は f = 1 /（2πRC）= 16kHz！ 四極管の出力段に続く前段では、カソード抵抗はアンプの出力からフィードバック信号を供給されることが多いため、シャントできません。 入力段で、μ/2 未満のゲインを持つ必要がある場合、または周波数補正を導入する必要がある場合、たとえば、低周波領域でのスピーカーのむらがある場合は、カソード抵抗をシャントすべきではありません。 これにより、ゲインまたは補正パラメータの安定性が向上します。 さて、アンプ用の真空管の選択について話しましょう。 著者は、小信号および大信号モードから制限モードまでの出力信号の高調波スペクトルについて、さまざまなランプの研究を実施しました。 これに伴い、歪みスペクトルが音響再生の品質に及ぼす影響を聴覚検査（リスニング）によって評価しました。 主観的評価と計測学的評価の相関関係に特に注意が払われました。 このような比較研究の結果は、基本的に現代の文献から知られている情報を裏付けました。 アンプのさまざまな段に最適な特定の真空管に注目してみましょう。 四極管の出力段用ランプの中で、「音楽性」という点では定番のビーム四極管6P6Sがトップに立っています。 これは論文 [5] の記述と一致します。 6 位は 6PZS (類似品 - 6L6 7P807S、G-XNUMX) で、スペクトルは非常に似ていますが、高調波のレベルがわずかに高く、XNUMX 倍強力なビーム四極管です。 出力ビーム四極管 - 6P14P、EL34 (6P27S - アナログですが博物館では珍しい)、6550 (KT88) - には多少の遅れが生じます。 6P1P フィンガー ランプは 6P6S オクタル ランプの類似品ですが、オクタル ランプを使用する方が優れており、見つけやすいです。 6F6S 五極管は線形で「音楽的」だと言われていますが、それはまれで、出力が小さすぎます (3,2 W)。 水平走査テレビランプはUMZCHには適さないという意見があります（6P45S、6P44Sなどについて話しています）。 これはそうではありません。これらは使用できますが、通常のモードではなく、6 番目のグリッドの電圧が半分になります。 たとえば、このような非定型モードの 44P6S ランプは、定型モードの 14PXNUMXP とサウンドが非常に似ていますが、XNUMX 倍強力です。 三極管の出力段用ランプのグループのリーダー、そして一般的に絶対的なリーダーは、まったく予想外なことに、三極管接続の 6P44S ビーム四極管であることが判明しました。 音の扱いの繊細さという点では、二番目に置くべき三極管6C4Cをも上回りました。 制限直前の最大信号で測定されたアノード電流 6P44S の高調波の構成を表に示します。
推奨ランプ動作モード: UAK = 250 V、IA ≤ 90 mA、RH = 2450 オーム、UCK = -34...-37 V、RK = 400 オーム。 このランプを備えたカスケードの出力電力は 5 W (最大 8% の損失で変圧器の後に測定)。 これは 6С4С 三極管の 6 倍の出力です。 ちなみに、一部の記事では、4C5C ランプの出力電力値を過大評価しています: 10、20、さらには 15 W ですが、そうではありません。クラス A モードでは、陽極によって消費される公称電力で 250 W (60 V) 6C4C 三極管の出力電力は、トランスの損失を除いて 3,7 W です。 同じ電力値は、[6、p. 132] に示されています。 6]。 44P36S の制御信号の振幅は 43 V であるのに対し、6S4S の場合は XNUMX V です。 次に、有名な 300V 三極管を挙げる必要があります。 「音楽性」の点では、このランプ（スヴェトラーナ協会が製造）は 6C4C 三極管よりわずかに劣りますが、8 つのランプから少なくとも XNUMX W の出力電力を得ることができるため、多くのオーディオマニアがこのランプを好みます。 6P44S ランプの使用に関するその他の推奨事項。 三極管増幅モードを取得するには、ランプの 100 番目のグリッドを 6 オームの抵抗を介してアノードに接続する必要があります。そうしないと、RF で自己励起が発生します。 出力電力を高めるために、44 つ以上の 1P2S ランプを並列接続して使用できます。 ただし、この場合、動作点の差が1 ... 100%以内でパラメータμに従ってそれらを選択することが絶対に必要です。 勾配マッチング (S) はオプションです。 各ランプには、制御回路と 470 番目のグリッド回路に独自の「寄生防止」抵抗器 (抵抗値がそれぞれ 63 kOhm と XNUMX Ohm) が必要であり、また、XNUMX で XNUMX マイクロファラッドのコンデンサで分路された別個の自動バイアス抵抗器も必要です。 V. ちなみに、三極管を並列接続すべきではないという意見は非常に正当です。 しかし、μ用のランプを正確に選択することができれば、三極管を並列に接続することができ、これについては多くの証拠があります。 たとえば、多くの人に愛されている 6S4S (2AZ) ランプには、シリンダー内に XNUMX つの並列接続された三極管が含まれており、一部の高価なオーディオ ノート モデルには、XNUMX つの並列接続された三極管の出力段があります。 残念ながら、6P45S ランプの三極管スイッチングに適したモードを見つけることができませんでした。 負荷に 10 W を簡単に供給できます (有名な 300 V 三極管よりも大きい)、このランプは高調波スペクトルが貧弱です。2,5 次高調波は、6 W の出力から音を台無しにします。また、このランプの信頼性はそれほど高くありません。 逆に、ランプ 44P15S は非常に信頼できることが判明しました。一部のサンプルは XNUMX 年間使用できました。 さらに、セットアップの過程で、陽極が赤熱することがありましたが、これはその後の作業にまったく影響を与えませんでした。 電圧安定器用に設計された三極管 (6S19P、6S3ZS、6N13S など) は、顕著な非直線性があるため、シングルエンド アンプでは使用しないでください。 もちろん、211、845、および国内のGM-70などの強力な三極管はまだありますが、これはまったく異なる安全技術です。陽極電圧は1000 V以上に達し、そのようなランプ用の出力変圧器を作るのは非常に困難です。自宅で。 法外な価格のために研究対象になっていない優れた出力三極管がまだたくさんあります。これらは、Western Electric 製の 300V、2AZ (1 つあります) の単陽極バージョン、それに類似した戦前のドイツの AD180 です。 、同時期の国産三極管UB-30、現代のWXNUMXBなど。 ドライバー段ランプは、最小限の出力インピーダンスで大きな信号振幅を提供する必要があります。 記事 [4] には、6N1P、6N2P、6N8S、および 6N9S の 6 種類の双三極管がリストされています。 確かに、これらの三極管は特性の直線部分が最も長いですが、出力抵抗の点では最高の真空管ではありません。 多くの場合、23N120P 双三極管が最適であることがわかります。 正しいモード (UA= 14 V、IA= 2,25 mA、UCK= -12 V、RA= 160 kOhm、RK-57 Ohm) では、2 V の信号振幅が非常に直線的に発生し、出力抵抗はわずか 2,5 です。 ...200 .80 kΩ なので、約 300 kHz の帯域幅が得られます。 ただし、たとえば6Vの三極管を構築するために8 Vの信号振幅を取得する必要がある場合は、もちろん、次のモードで6H6C三極管を使用する方が良いです: IA \u1d 50 mA、UCK \u6d - 12 V、RK \uXNUMXd XNUMX kOhm、RA \uXNUMXd XNUMX kOhm。 もう一つ非常に興味深いランプ XNUMXFXNUMXP があります。 このランプの三極管と五極管は両方とも注目すべき特性を持っています - 実験することができます。 真空管アンプの最も重要なノードは出力トランスです。 何らかの理由で、その適切な製造の秘密のいくつかは文献には記載されていません。 高品質のアンプのトランスが複数のセクションに分かれていなければならないという事実は、おそらく誰にとっても秘密ではありません。 そして、何らかの理由で、容量を減らすために一次巻線と二次巻線のセクションの間、および一次巻線の層の間にスペーサーを配置する必要があるという事実についてはどこにも書いていません。 さらに、これらのスペーサの厚さは、分離される層間の応力の変動成分に正比例して変化する必要がある。 ガスケットに最適な絶縁材料は PTFE-4 です。 極端な場合、また追加の材料として、乾いたワットマン紙は適していますが、一部の説明にあるように、コンデンサー紙は適していません。 スペーサーの厚さと巻線セクションの数は計算できますが、複雑であるため、この記事ではいくつかの具体的な設計のみを示します。 出力電力が 10 ～ 15 W のアンプの場合、OSM-0,25 kVA (SHL32x50) トランスの磁気回路とフレームを使用するのが最適です。 変圧器を分解し、巻線の最初の層が置かれているフレームの端を半径1,5 mmで丸くする必要があり、その頬にリード線用の追加の穴を開ける必要があります。 非常に注意深く巻く必要があります。各セクションには、頬から頬まで満たされた整数の層が含まれている必要があります。 以下は、三極管接続で並列接続された 6 つの 44P325S 四極管の出力段のトランスに関する情報です。 その一次巻線は、直列に接続された 1300 巻きの 0,355 つのセクションで構成され、直径 0,2 mm のワイヤが合計 4 巻きになります。 各セクションは 77 つの層で構成され、それらの間には厚さ 0,77 mm の PTFE ガスケットが挟まれています。 抵抗が 32 オームの負荷の二次巻線は、並列接続された 0,56 巻の 3 つのセクションで構成されます。 各セクションには、直径 XNUMX mm のワイヤが XNUMX 層含まれています。 この巻線の XNUMX 番目と XNUMX 番目のセクションの上に、スペーサーなしでさらに XNUMX つのセクションが巻かれます。各セクションは、直径 XNUMX mm の XNUMX 本のワイヤで XNUMX 回巻かれます (巻線の配置は図 XNUMX に示されています)。
これらのセクションは、頬から頬まで層が均一に充填されるように、巻きの間にギャップを設けて巻く必要があります。 32 ターンの 77 本のワイヤはすべて並列に接続され、結果として生じる巻線は 109 ターンの巻線と直列に接続されます。 したがって、8 オームの負荷に対して 1,3 ターンの巻線が得られます。 一次巻線の 0,2 つのセクションと二次巻線の XNUMX つのセクションの間には XNUMX つのスペーサーがあり、その厚さは巻線間の交流電圧成分として XNUMX mm (最初のスペーサー) から XNUMX mm (最後のスペーサー) までほぼ等差数列で変化します。セクション I と II が減少します。 トランスを組み立てるときは、磁気回路の隙間に厚さ0,18 ... 0,19 mmの硬質絶縁ガスケットを入れる必要があります。 このようなトランスを備えた出力段の再生可能な周波数帯域は、小信号で 4 Hz ～ 200 kHz、最大パワーで 20 Hz ～ 200 kHz です。 次に、電源トランスの設計上の特徴について話しましょう。 クラス A モードでアンプが消費する電流は実質的に変化しないため、電源トランスは常に大量の電力を供給します。 フィルタを備えた整流器で動作する変圧器を計算するための本に記載されている方法は、複雑すぎるか、単純すぎるかのいずれかです。 以下は、大きなコンデンサから始まるフィルタを備えた整流器で動作する変圧器を計算するための、かなり正確で簡単な式です。 最も単純な式から始めましょう。 変圧器の二次巻線の無負荷電圧は U2 = 220(n2/n1) [V] です。これは理解できますが、ネットワーク内の実際の平均電圧または最大電圧に依存する方が良いでしょう。 抵抗を示しましょう R=RB+RT。 ここで、RB は整流器の抵抗 (以下を参照)、RT は二次巻線に換算された変圧器の抵抗です。 Rt= R2+R1 (n2/n1)2 ここで、R2 は巻線抵抗です。 R1= 0,017 (Ii[m]/Si[mm2])。 次のステップは、電圧降下 VU を計算することです。 これは、次の XNUMX つの方程式系から計算されます。 ΔU = √2·U2(1-cosφ); ΔU = 1,5I R(90°/φ)、ここで、I はアンプに流れる直流電流です。 この連立方程式を解く最も簡単な方法は、20...30°以内のカットオフ角 φ を最初の近似としてフィッティング (反復) することです。 すべてのフィルタおよび段間コンデンサが耐えなければならない変圧器の二次巻線の無負荷電圧の振幅は、最初のフィルタ コンデンサのランプを加熱した後の等価性と定格電圧から決定されます。 U = √2 U2-ΔU - UB、UB とは何ですか。以下を参照してください。 最後の式は、変圧器で放出される熱出力の式です。 P = 0,8IΔU（RT / R）。 式を簡略化する際に、いくつかの近似が使用されましたが、それらは誤差に寄与しますが、一般に、ネットワーク内の電圧の実際の形式の正弦間の差異よりも寄与が小さいです。 特に、整流器の電流-電圧特性は線形であると考えられます。 U（t）= UB + RB I（t）。 シリコン ダイオードを備えた整流器ブリッジの場合は、RB=0、UB=1,5 V が考慮され、5TsZS ケノトロンの場合は、たとえば、RB=160 オーム、UB=11 V が考慮されます。 上記の方法では、白熱ランプの巻線（巻線）が考慮されていませんでした。 これは、昇圧巻線の電圧損失を電流とその抵抗の積として考慮し、一次巻線の実効 AC 電圧の損失が通常約 2% であることを考慮して、昇圧巻線の計算とは独立して計算できます。 。 次に重要な問題は、音響的な背景を生じさせない強力なトランスをどのように作るかということです。 記事[7]では、変圧器の「ハム」のいくつかの理由が検討され、計算値と比較してボルトあたりの巻数を15 ... 20%増やす必要があるという完全に正しい結論が下されました。 。 この対策は磁気回路のバズ音のみを軽減しますが、それでも常に軽減されるわけではありません。 逆に、負荷がかかった巻線によって生成される音響背景は、巻数の増加とともに増大します。 巻線バズに対処する方法は驚くほど簡単です。これは出力トランスの場合と同じセクション分けです。 場合によっては、一次巻線を二次巻線の半分の間に配置するだけで十分であり、音響バックグラウンドが許容可能なレベルまで低減されます。 電源トランスのノイズのもう 300 つの原因として考えられるのは、電圧の一定成分による磁気回路の飽和です。電圧の一定成分は、小さいとはいえネットワーク内によく存在します。 この理由は、通常、連続磁気回路を備えたトロイダルトランスでのみ現れ、巻数の増加と一次巻線の抵抗の減少に伴って飽和効果が増加します。 この現象に対処する唯一の方法は、トランスの一次巻線に直列に直流成分を遅延させるフィルターを設置することです。 V. Shushurin [1.1] によって開発されたアメリカのアンプ LAMM M8 から借用した、最大 4 W の電力に対応するネットワーク トランスのフィルター回路を図に示します。 XNUMX. 変圧器がより強力な場合は、酸化物コンデンサの静電容量を比例的に増加させ、抵抗器の抵抗を小さくする必要があります。
図上。 図 1 と 2 は、真空管シングルエンド アンプの 10 つの実際的な回路を示しています。三極管接続の四極管で 12 W、四極管で 1512 W の電力です。 最初の出力トランスについては上で説明しましたが、四極管のトランスは同じ磁気コア上に組み立てられていますが、巻線がわずかに異なります。 その一次巻線 - 直径 0,35 mm のワイヤを 168 回巻いたもの - は、336、504、336、168、4 巻の 77 つのセクションで構成されています。 それらの間には、抵抗が 0,77 オームの負荷用の 32 次巻線の 0,72 つのセクションがあり、直径 77 mm のワイヤが 8 回巻かれ、並列に接続されています。 この巻線の XNUMX 番目と XNUMX 番目のセクションでは、スペーサーなしで、直径 XNUMX mm のワイヤを XNUMX 回巻いた XNUMX つのセクションが巻かれ、並列に接続されます。 この巻線は XNUMX ターンの巻線と直列に接続されています。 これは、XNUMX オームの負荷に対する二次巻線が得られる方法です。 一次巻線と二次巻線の間、および一次巻線の層間のガスケット、および磁気回路のギャップのガスケットは、三極管アンプのトランスと同じです。 8 オーム負荷の出力に三極管を備えたアンプの出力インピーダンスは 2,4 オーム、四極管では 1,6 オームです。 4 オームの負荷の出力では、正確に XNUMX 倍小さくなります。 最後に、信号回路用のコンデンサの選択について説明します。 高品質アンプでの使用には、少なくとも 78 V の電圧に対応する、ポリプロピレン製の誘電体 (K6-78、K2-40) および紙製の誘電体 (K9U-400、MBM) を使用したコンデンサが最適です。 -容量コンデンサ（図6のC2） -マイカKSO-1。 酸化物コンデンサは海外の有名企業（TCシリーズ、SK Jamiconなど）の製品を選択してください。 国産のK50-35を使用しても構いません。 パワーフィルター回路では、コンデンサ K50-20、K50-32 を使用できます。 文学
著者：A.Ivanov、Ivanovo
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