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金属缶入りトランジスタ

昔のトランジスタやICのパッケージは、金属缶でした。
もうとっくの昔に絶滅して存在しないと思っていたのですが、実は今でも作られているのだそうです。

馬鹿アンプやヘッドホンアンプも、金属缶パッケージのトランジスタで作ってみたいですね。
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馬鹿アンプの最大効率点と最大出力点

馬鹿アンプの乗数を決めるに当たり、プログラムを組んでいろいろシミュレートしてみたら、面白いことに気づきました。
まずこのグラフを見てください。
BAKA_GRAPH.jpg
これはR3の値を変化させ、バイアスポイントを最適化(最大の出力振幅を得る点に調整)したときの最大出力や最大電力付加効率などをR3をパラメータにしてグラフに示したものです。(負荷インピーダンスは8Ω)

最大電力付加効率のポイントは、R3がおおむね負荷インピーダンスの1.5倍、12Ωの所にあります。このときの最大出力は0.58W、消費電力は7.63W、最大電力付加効率は7.6%、電圧利得は14.5倍です。
一方で最大出力のポイントは、R3が約2.3Ωの所にあります。このときの最大出力は1.09WでR3=12Ωのときに比べて約1.87倍、消費電力は28.1Wで約3.68倍、最大電力付加効率は3.8%で約半分、電圧利得は5.4倍で約37%となっています。

このようにR3ひとつをとっても、効率をとるか出力をとるかでどういう値をとればよいかが変わります。だから、作ろうとするものがどういうコンセプトであるかを決めておくことは、設計にあたっては大変重要です。

なお、私は効率優先で設計をしています。
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【速報】秋葉原ラジオストアー閉館!(11月末)

ツイッターより。
秋葉原ラジオストアーが閉館するそうです。
http://www.akiba-rs.co.jp/
秋葉原ラジオセンターと双璧をなす、通称「ガード下」が半分なくなるということです。
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ヘッドホンアンプ(ポタアン)をアルトイズ缶に詰めるには。[部品の高さに注意]

アルトイズ缶の深さは約20mmあります。
アルトイズ缶にヘッドホンアンプを詰める場合には、この深さによく気をつけなければなりません。
基板を缶に取り付けるために「スペーサー」を入れますが、たいていのスペーサーは最低でも2mmの高さがあります。また基板も通常1.6mmの厚さがありますから、合計で3.6mmも減ってしまいます。なので、部品の高さは最大で16.4mmに抑えなくてはいけません。

1-1-全画面キャプチャ 20130925 23702
ヘッドホンアンプに使う部品で背の高いのは電解コンデンサです。
電解コンデンサは品種によってによって大きさが異なります。
たとえば、秋葉原の千石電商で取り扱いのある電解コンデンサでは、おおむね大きさの大きい順に
  ニチコン MUSE > ニチコン Fine Gold > 東信工業 AUDIO用 > 東信工業 一般用
となっています。

大きさの比較表を作ってみました。
※各部品の欄の左側は寸法(径φD×高さH)、右側は千石電商の店頭価格(独自調べ)
1-全画面キャプチャ 20130925 22905
16V品だと、330μFは東信工業の2種類では余裕ですが、ニチコンのFine Goldでは高さがぎりぎりです。MUSEにいたっては大きすぎてしまうので寝かして取り付けるより他ありません。

また、大きさが違うとピンの間隔も異なるので、プリント配線版を作るときは要注意です。
1-全画面キャプチャ 20130925 35849
ボディの径φDに対するピン間隔Pとピンの太さφdの表です。
プリント配線版を作る際に穴の径をよほど大きくとっておかない限り、ボディの径が違うとピンの間隔が合わずに浮いてしまうことになります。
たとえば330μFだと、ニチコンMUSE KZとFG、東信のUTSJはボディ径がφ10~12.5mmなのでピン間隔5mmで共通で(高さが収まらないことはとりあえずおいといて)同じ板設計でいずれも使用可能ですが、東信の一般用UTESはボディ径が8mmでピン間隔が3.5mmになるので、この場合オーディオ用か一般用のどちらかで寸法を決定する必要がある、ということになります。

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馬鹿アンプがパワーアップしました。

馬鹿アンプがパワーアップしました。
何がパワーアップしたかって言うと、馬鹿さ加減が

・・・冗談はさておき。比較して説明します。
まずはもとの馬鹿アンプの説明をします。便宜的にこれを「Ver.1」とします。
1486fe1a1b85015ff11f9746e22b6e40.png
R1,R2,R4をこのように接続してバイアスをかける回路構成を「ベースブリーダー型」と呼ぶそうです。
出力振幅は電源電圧から、R4にかかる直流バイアス電圧の2倍と、トランジスタのコレクタ-エミッタ間飽和電圧とを引いた値で決まります。
R4の直流バイアス電圧はほぼR4の値に比例しますから、R4が大きい(すなわち直流バイアス電圧が高い)と出力振幅、ひいては最大電力付加効率に響くので、出来る限り小さくしたいところです。
しかし、この回路構成でもR4の直流バイアス電圧は0.5~0.6Vと極端に低い上、Q2のベース-エミッタ間飽和電圧が温度によって変動すると、その影響をもろに食らって動作点が大きく動いてしまいます。R4が小さくなれば小さくなるほど影響が大きくなります。よって、0.82Ω程度がほぼ下限ぎりぎりといったところでしょう。

R4を小さくできない理由はもうひとつあって、電流ゲインが高くなるので発振しやすくなるということです。それも音声周波数帯域を大きく越えた、数MHz~数100MHzという周波数で発振するのです。
実際にR4を0.33Ωに調整してみたところ、オシロスコープで測定したら2MHzくらいの周波数で1Vp-pもの強さでノイズが乗っているのが観測されました。

馬鹿アンプVer.1の抱えている2つの問題
・バイアス電圧が変動しやすい
・発振しやすい
という2点を解決した「馬鹿アンプVer.2」が、これです。どこが変わったかというと・・・
1-全画面キャプチャ 20130922 180755-001
だれですか?「色が変わった」って言ってるのは!(笑)
Q2のベース-エミッタ間飽和電圧の温度変化に対しては、シリコン製のダイオードD1の順方向電圧降下をバイアスに利用することにしました。本来ならD1とQ2を「熱結合」させておくべきなのでしょうが、Q2自体はあまり発熱しないでしょうし、ベースブリーダー型バイアス回路自体が温度変化に対しての安定度がよい回路ですから、基板上では離して配置してあります。
発振に対しては、いわゆるエミッタフォロワ回路の発振防止の手法を使いました。Q1、Q2のベースに小さめの抵抗を挿入し、電源とGNDの間にセラミックコンデンサを追加してデカップリングを強化しています。またR3にも並列にセラミックコンデンサを入れて、こちらはフィルタの役目を持たせています。
なお、ベースバイアス電圧の誤差もシビアになってくるので、ベースバイアス抵抗は並列にして誤差を追い込めるようにしました。E24系列を使えばコンマ数%のオーダーまで追い込めますが、E12系列でも最大誤差±1.5%程度に設定できます。
P4-10004_BAKA_AMP.jpg
Q1とR3の取り付け位置には、放熱のために基板に馬鹿穴を開けておきました。

なお、Ver.2の回路定数は、電源電圧9V、負荷インピーダンス8Ωで計算しています。
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Maker Faire Tokyo 2013 出展承認されました。

9月6日付けをもって、「Maker Faire Tokyo 2013」出展承認されましたのでお知らせします。
出展予定内容はこちら。>【Maker Faire Tokyo 2013 に出展申し込みをしました。】

・・・まえもって出展申し込みの告知をしたのが効いたかも知れない(笑)。

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プロフィール

@ぽっけ

Author:@ぽっけ
底辺Makerを自負する@ぽっけが日々製作している「初歩の電子工作」の記録です。
自分で「あっ、あれ欲しい!」と思ったものを猪突猛進、地で製作しています。

★略歴

電子工作は中学のとき、授業でやるよりも早く自分で始めました。・・・といっても小遣いも少なく技術も未熟だったので、ラジオを作るのさえもやっとでした。

高校・大学でも工作を続け、大学在学中にようやくトランジスタ回路の基礎が理解できるようになってきました。

大学卒業後はメーカーに就職し設計職で忙しい毎日を過ごす中で工作からは遠ざかっていましたが、事務職に配転となり時間に余裕ができてまた工作を始めました。そんな中で2011年のCP+(カメラショー)併設展の「Business Meets」に出展していたテキサス・インスツルメンツのブースで「MSP430 Launchpad」に出会ってから、マイコンを使った電子工作を始めました。

また、鉛フリーはんだに興味を持って、10数種類のはんだをリールで購入。個人で使うには約1200年分の在庫を持つという暴挙を成し遂げ(?)ました。

★イベント出展実績
●Make: Tokyo Meeting 07
●Make: Ogaki Meeting 2012
●Maker Faire Tokyo 2012
●ニコニコ超会議「作ってみタワー ワークショッププロジェクト」
●NT金沢2013
●Maker Faire Tokyo 2013
●ポタアン自作er展示会 atポタ研2014冬
○NT金沢2014(予定)

☆TwitterID:
  @pokke_yamada

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