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【悲報】超3結ヘッドホンアンプが発振する

5U8で超3結アンプを組んでいて、ヘッドホンアンプとして使ってみたところ、大きな問題が発生しました。
数Hz~数十Hzという超低周波で発振するのです。
最初は電源のハムだと思っていたのですが、確かに電源にリップルはあるもののさほど大きなものではなく、ビートのような現象も見られること、左右で出方が異なること、真空管を左右交換するとそれにつられて出方も交代することから、真空管に固有な出方をする現象であることはわかりました。

しかし、原因はわかりません。
ただ、測定すると5極部のカソードに接続しているバイパスコンデンサの電圧が、発振周波数につられてふらふらと変化していました。
直感的に、このコンデンサをさらに大きなものに交換しても、単に周波数が低くなっていくだけで解決しそうにないな、と思ったので、とりあえず増幅率を下げて対処してみることにします。

増幅率を下げるには
  1. 3極部の増幅率(Amplification Factor:μ)の低いものに変える
  2. 3極部のカソード-ゲート間に接続している抵抗を低いものに変える
  3. 入力トランジスタのエミッタに接続している抵抗を高いものに変える
の3つがあります。

超3結アンプの多くの作例では5極部のプレート抵抗を調整する目的で入力トランジスタのエミッタ抵抗を半固定抵抗にしています。これだとゲインも変わるので僕はこれを嫌って、5極部のカソード抵抗を分圧する方法を取ったのですが、裏目に出ました

そこで、手持ちの真空管の中で3極部のμが小さい「8A8」を使ってみることにしました。
5U8の3極部のμは40ですが、8A8だと20で半分です。
ヒーター電圧も異なるのですが、ヘッドホンアンプ程度の出力ではほとんど問題になりません(同等管に9A8というのもありますがこれだと電圧が低すぎる可能性があります)。

果たして・・・発振は収まりました

しかし、そのままではプレート電流が多く流れすぎて、トランスが飽和してしまいます
半固定抵抗をまわして、電流を調整しなおしました。
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超3結真空管アンプの過渡現象

超3結真空管アンプの過渡現象をシミュレーションにより解析しました。

解析にあたって、回路の変更を行いました。
5U8_STC_4.jpg
5極部のコントロールグリッドからカソードに向けて、シリコンダイオードを挿入しました。これにより、コントロールグリッドの対カソード電圧はダイオードの順方向電圧である0.7V以上にはならなくなります。そのため、電源投入時の5極部プレート電流が抑制され、またグリッドの過熱も起きなくなります。但し、ダイオードが順バイアスになっている期間、このダイオードには電流は流れていないものとします(実際には3極部から電流が流れている)。
また、通常の電源投入であればカソードが冷えている状態からになりますが、今回はカソードは十分に加熱されている状態から高圧電源を投入したと想定しています。

解析結果はこちら。
※3極部プレート-カソード間電圧 VPK(T) は縦軸を10分の1にしてあります。
6U8_STC_KATO.jpg

高圧電源投入後には5極部コントロールグリッド-カソード間に正の電圧(VGK(P):オレンジの曲線)が加わるので、5極部プレート電流(IP(P):薄い灰色の曲線)は定常状態に比べて過大な電流が流れます。
しかしダイオードによってグリッド電圧の上昇を抑えているので当然といえば当然ですが突入電流はあまり大きくない値に抑えられていることがわかります。

5極部プレート電流によってカソードコンデンサが充電され、電圧(VCK:緑の曲線)が上昇すると、トランジスタのベース電圧も上昇してエミッタ抵抗に電圧(VRE:茶色の曲線)が発生し、電流が流れだします。
この電流は3極部プレート電流(IP(T))に等しいので3極部にも電流が流れることになり、3極部プレート-カソード電圧(VPK(T):水色の曲線 ※縦軸を10分の1にしてあります)も上昇します。
そしてこれが5極部プレート-カソード電圧(※グラフに記載なし)を超えると5極部コントロールグリッド-カソード間電圧(VGK(P))が負に転じ、5極部プレート電流(IP(P))が減ってカソード抵抗に流れる電流(IRK:黄色の曲線)と等しくなり、定常状態となります。

突入電流の流れる時間はゼロコンマ数秒と大変短いことがわかりました。
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5U8で超三結アンプを組んでみた

5U8_STC.jpg
5U8という、1本の管に3極管と5極管を一緒に詰めた「3極5極管」をつかって、「超三結アンプ」を組んでみました。

写真右下の基板はB電源部で、上記の回路は全て真空管ソケット(写真左)に直付けしています。
11078205_478148975672419_4585214121954588023_o.jpg
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5月連休にワークショップを開催します。真空管アンプも作ります!

5月の連休に、東京・神田末広町のはんだづけカフェさんにて電子工作ワークショップ(工作教室)を開催いたします。
  • 5月3日(日)
  • 5月4日(月・祝)
  • 5月9日(土)
  • 5月17日(日)
  • 5月23日(土)中止
  • 5月31日(日)
受付開始は当日ツイッターにて発表いたします。なお特に発表ない場合は13時から開始します。また、受付終了時刻はメニューごとに異なります。


●基本的に「予約不要」でやっています。ぜひご来場ください!
★今後も定期的に開催することを予定しております。基本的に土曜日と日曜日で交互に開催する予定です。

◆また、電子工作についてのご相談も承ります(無料:但しご提案・ご指導までです。当方作業の発生する案件はご遠慮ください。)

●メニュー ※内容は変更になる場合があります。
1)「シンプルな真空管アンプを組んでみよう(その1)」
BuDBQChCIAA0OaJ.jpgDSCN0599_a.jpg
1日お一人様限定
「双3極管」という1本に2個の素子を入れた真空管を使って、基本の1段増幅アンプを製作します。テーブルの上で使って楽しむくらいの小出力(ミニワッター)アンプが出来上がります。
プリント配線板に部品を取り付けて、真空管アンプのベースを組み立てます。(左上の写真)
別にご用意する電源・出力トランス・スピーカーを使用して動作のチェックまで行います。
●お選びいただける真空管の種類
(使う真空管により回路の定数が異なるので、真空管を当方から購入しない場合でもお決めいただく必要があります。また、使用するトランスが異なるため3回目の費用が変動します。)
種類3回目の費用(予定)特徴
12AT7約4000円出力小、ゲイン中
12AU7出力小、ゲイン小
12AV7出力中、ゲイン大
12BH7約6000円出力大、ゲイン小
6CG7出力大、ゲイン小
6FQ7出力大、ゲイン小
難易度:★★☆☆☆(2)電子工作に慣れてきた方のステップアップ
参加費:5000円(真空管込み)/4000円(真空管なし)
※当方からご提供する真空管は古いものになります(但し全て動作確認済みです)。
 真空管を専門店などで別途お求めになる方のために、管なしのメニューもご用意しました。
 なお、後日でも真空管のみ差額で頒布可能です。
■(5/4追記)当初の額では赤字になってしまうので費用変更しました。すみません。

所要時間:約2時間の予定
受付終了:16時
申し込み:不要(飛び入りで参加OK)
ご用意いただくもの:お手持ちの、携帯音楽プレーヤー・スマホなど音楽を再生するもの
(※お持ちいただかなくても参加は可能です。)
●真空管アンプの製作は時間と費用がかかりますので、負担を分散するため3回にわけて開催します。
・電源部を製作する【その2】
  費用:3000円(予定)、難易度5(高電圧を扱うので最高レベルです)、所要時間2時間
・シャーシに組み付ける【その3】:シャーシ・端子・ボリューム・出力トランス付き
  費用:4000~6000円(予定/お選びいただいた真空管により使うトランスが異なるため費用は変動します)、難易度4、所要時間3時間
は今後開催します。

●真空管アンプの製作は、高電圧を使用するため危険を伴います。事故などのないよう気をつけてご指導差し上げますが万が一事故が発生した場合でも当方やはんだづけカフェは責任を負いません。

2)「プリント基板にオーディオパワーアンプを組み立てよう」
1-DSCN0642.jpgプリント基板に、スピーカーを鳴らせるトランジスタパワーアンプを組み立てます。コネクタを装備しているので、お持ち帰りいただいてすぐにご使用になれます(別途、接続ケーブル・ACアダプタ・スピーカーが必要)。
※実際にお作りいただくのは写真の一番左のものになります。使用する部品は写真のものとは異なる場合があります。
※仕様  電源:12V、0.6A  出力:500mW
難易度:★☆☆☆☆(1)電子工作を始めてみたい方(但し、小学生の方は保護者の同伴が必要)
参加費:1500円
所要時間:約1時間の予定
受付終了:17時
申し込み:不要(飛び入りで参加OK)
ご用意いただくもの:お手持ちの、携帯音楽プレーヤー・スマホなど音楽を再生するもの
(※お持ちいただかなくても参加は可能です。)

3)「段ボール箱でスピーカーボックスを作ってみよう」
1-DSC03575.jpgゆうパックのダンボール(小)に穴を開けてスピーカーユニットを取り付け、スピーカーボックスを作ります。(当日はアンプを作らずスピーカーのみの製作でも参加できます。)
iPhoneをお持ちの方はアンプ不要で鳴らすことが出来ます。直接このスピーカーに接続して鳴らせるようコネクタ(別途100円)をお取付できます。
※仕様  最大入力:10W  能率:81dB/W
難易度:★☆☆☆☆(1)初心者向け、電子工作の未経験者から可能(但し、小学生の方は保護者の同伴が必要)
参加費:700円(1個分の費用です。ステレオの場合は左右2個必要です)
所要時間:約30分の予定
受付終了:17時
申し込み:不要(飛び入りで参加OK)
ご用意いただくもの:お手持ちの、携帯音楽プレーヤー・スマホなど音楽を再生するもの
(※お持ちいただかなくても参加は可能です。)
※写真は2個作った例です。手前のアンプは含んでいません。

★ご注意
・当日は、はんだづけカフェさんの通常の営業も行っています。ワークショップ用に特に席を空けてあるわけではありませんので、一般のお客様で席が埋まった場合には受付を一時的に停止いたします。ご了承ください。
・部品の用意の関係上、各日、各プログラムとも数に限りがございます。規定数に達した場合にはご容赦ください。
本ワークショップは(株)スイッチサイエンス様の承諾を得て、当方が個人的に開催するものです。本件につきましてのお問い合わせは当ブログへのコメント、または掲示板までお願いします。(株)スイッチサイエンス様へのお問い合わせはご遠慮ください。
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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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