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デジタルアンプLepy(旧Lepai) LP-2020A+の改造~ヘッドホン端子の取り付け~ [オーディオ]

2017年1月31日の日記 

中国Lepai社のデジタルアンプLP-2020A+にヘッドホン端子をつけました。  
 
LP-2020A+ヘッドホン改造.jpg 
 
 ヘッドホンで聴けるようになりました。下は自作のアナログ式専用電源です。
 
デジタルアンプは出力段がBTL方式になっていることもあり,ヘッドホン端子を取り付けるのは難しいのですが,なんとか使用できるようになりましたので,手持ちのLP-2024A+を先に改造しました。先週末は残ったLP-2020A+を改造しました。 
 
改造の中身については,前回のLP-2024A+の改造と同じですので,そちらをご覧ください。
 
LP-2020A+フロントパネル加工.jpg パネルの穴開けのけがき
 
正面のパネルに穴を開けるので慎重にやらないといけませんが,まあ,所詮はアルミだし,きちんとポンチを使って位置決めをし,最初はΦ2~3mmくらいの下穴を開けてΦ6mmの穴を開ければ傷もつかず,きれいに穴開けできると思います。 
 
電源SWの横にヘッドホン用の穴を開けます。ボリウムの左側の穴はスピーカoffのプッシュスイッチ用です。ヘッドホン使用時はそのスイッチを押してスピーカをoffにします。残念ながら,回路はもとからついているミューティングリレーの制御回路を利用してスピーカをoffにしていますが,ヘッドホンを挿したら自動的にスピーカをoffにする,ということはできませんでした。 
 
LP-2020A+ヘッドホン基板.jpg ヘッドホン基板
 
 
ヘッドホン基板は前回作ったLP-2024A+のものですが,LP-2020A+ではやはり放熱器が邪魔をして多少,改造しました。
 
LP-2020A+に使用されているTripathのTA2020は出力がBTL方式ですが,それぞれ,ホットとコールド端子はGNDに対して6Vくらいの直流電圧が出ていて,スピーカから見たら等電位なので問題ないのですが,ヘッドホンは対GNDで動作させるため,これをカットする必要があり,ストッピングコンデンサが必須です。今回,小型のOSコンにしました。 
 
やはり小型なので十分,スペースに収まりました。コンデンサは100μFにしました。
 
なお,OSコンは導電性高分子アルミ固体コンデンサ,と言うのが正式名称ですが,従来の電解コンデンサと異なり,電解液を使っていません。キャリアが重いイオンじゃなく,軽い電子ですので,非常に高周波特性がよく,ESRも低いし,長寿命という特長もあるのですが,陽極と陰極がポリマーを介して接しているため,故障時にショートモードで故障する場合があります。そのため,メーカはカップリングコンデンサとしては非推奨なので本来,こういう使い方はNGなんですけど,問題はないと思います。
 
一方,高周波特性がよいことから電源のデカップリングコンデンサへの使用は推奨されているのですが,iruchanはこっちこそ危ない,と思います。もし故障したら電源をショートすることになりますからね。OSコンじゃないですけど,同じ故障モードになるタンタルコンデンサをデカップリングに使った'80年代の某社製高級プリアンプはトランスが焼ける,と言う故障が出ています。
 
でも,OSコンはやはり音がよいです。今回もヘッドホンで聴いてみて,明らかに従来の電解コンデンサとは異なる音でした。
 
おかげで非常に評判のよいLepai社のデジタルアンプですが,ヘッドホンでも聴けるようになりました。
 

コアレスモータ対応鉄道模型用コントローラの開発~その1~ [模型]

2017年1月21日の日記

3年前の年末,KATOからD51がリニューアル発売され,iruchanもギースルエジェクター装備機を購入しました。

門デフ同様,ギースルエジェクターはとてもかっこよいし,何より北海道用の機関車なのでキャブは乗務員扉がついているし,スノープラウもいかめしくてなかなかいいスタイルをしていて,お気に入りの機関車になりました。

また,動力の性能も素晴らしく,低速からスムーズに起動するのは感動的です。

ただ,少し困った問題に気づきました。

iruchanはPWM式のコントローラを昔から自作していますが,PWM式のコントローラを使って低いデューティでパルスを出力すると,モータが回転しない状態で前照灯が点灯する,いわゆる常点灯を実現することができます。

このとき,うまくやらないと反対側の前照灯や尾灯まで点灯してしまうので,iruchanはスナバ回路を考案していつも改造しています。この回路を使うと,無事に所定の向きの前照灯のみ点灯させることができます。

ところが,このKATOのギースル機は前照灯が点灯すると同時に機関車が起動してしまい,停車中に前照灯を点灯させることができませんでした。詳しい改造状況は前回のブログをご参照ください。

原因は使用されているコアレスモータのせいだと思います。

コアレスモータは従来,星形の鉄芯を用いて,その出っ張った凸極にコイルを巻いていたのをやめて,コイルをハニカム巻きにしてコイル自体を回転子としたもので,鉄芯(コア)がないのでコアレスモータと呼ばれます。

回転子がコイルと軸だけなので非常に軽くて機械的な時定数が小さい上,普通のモータはフェライト磁石を使っていますが,コアレスモータは磁力の強い希土類磁石を使うため高磁束密度となり,きわめてハイトルクです。また,凸極の部分は磁石に吸いつくし,谷間(スロット)の部分はトルクを生じないのでどうしてもコアつきモータはカクカクと動きます。軸を手で回してもそういう抵抗を感じますよね。コアレスモータはトルクムラが非常に小さく,ブラシ付DCモータとしては最高の性能を持つモータです。

それにコアつきモータの場合は界磁は回転子の外側に配置するのに,コアレスモータは回転子の内側に配置するのでサイズも小さく,鉄道模型にはぴったりだと思います。もっとも,外側界磁のコアレスモータというのも存在しますが,それじゃ回転子の内側ががらんどうになっちゃってスペースがムダなので,省スペース化を図るため内側界磁にしているので小型になる,という理由もありますけど.....。

まあ,こうやって書くといいことばかりなんですけど,何より最大の問題はコスト。巻線構造が複雑なのと,希土類磁石が高いので,今までは鉄道模型に使用することは考えられませんでした。

ところが,近年はスマホの普及などで小型のコアレスモータが大量生産されるようになり,コスト低減も進んで,徐々に鉄道模型にも使用されるようになってきています。特に蒸機ではいままで,日本の蒸機のボイラが細すぎることも相まってキャブ部分にモータを収納せざるを得ず,さらにはキャブをはみ出して炭水車ギリギリにおしりが来る,なんてのが普通で,いったい,乗務員はどこに乗るんだ? と言いたくなるような状態でしたけど,KATOの新D51では見事にボイラ内にモータが収まっており,キャブ内に焚火口や圧力計などのディティールまで施してあります。

と言う次第で,いいことばかりなんですけど,iruchanを含めて模型屋にはちょっと困った事象が出ています。

それが,常点灯に対応しない,と言う問題です。モータがハイトルクになったのはいいのですが,少しでもコントローラからパルスが出力されるとモータが回転してしまうようです。また,このせいで少々,ラピッドスタート気味で,超低速状態で走行させると言うことが難しくなっているようにも思われます。

でも,前回,常点灯については少し,解決策がありました。

実は,iruchanは201系電車のファンなので,201系用のPWM式コントローラを300Hz/20kHzでスイッチング周波数切替式で作ってあり,201系を運転するときは300Hzで運転して,実車同様のチョッパ音を楽しんでいます....(^^;)。

結構,これ,笑っちゃうんですよね。本物そっくりにプーッという音を出して201系が走ります....!!

で,前回のKATO D51ギースル機ではスイッチング周波数を300Hzにしたら,前照灯が点灯している状態で停止することができたので,それでよいと思いました。

ただ,猛烈にモータが唸ります。まあ,機関車のスピードが上がってくるとうなり音が止まりますけどね....。それに蒸機なのにチョッパ電車みたいな音を出して走る,と言うのも何だかな~という感じです。なんとか,常点灯にも対応して静かに発車できるようにしたいと思いました。

でも,これ,難しいんですね。しばらく研究してみたいと思いました。いずれ,電車にもコアレスモータが使われるようになると思いますしね。今のうちにコアレスモータ対応のコントローラを開発しておきたいと思います。

まずは,PWM式コントローラのスイッチング周波数について検討してみます。

一般に,スイッチング時の電磁音を聞こえないようにするため,DCモータの制御用のPWM制御コントローラではスイッチング周波数を人間の可聴帯域外にすることが普通です。実際,KATOやTomixのPWM式コントローラは20kHzくらいの周波数でスイッチングしています。

iruchanは最初,10kHzで作っていました。多少,ピーッという音がするんですけど,気にならないくらいですし,むしろ,レイアウトの途中で機関車が停車した場合,導通不良でそこに電気が来ているか,来ていないかを判断することもできたので,10kHzでもよいと思っていました。機関車が停車してもピーッという音がしていれば,原因は軌道ではなく,機関車だとわかりますからね。

でもやはりピーッという音がするのも何だなぁ,と言うことで最近は20kHzで設計しています。ついでに300Hz切替もできるようにしていますけどね。

一方,純粋に電気的な性能で考えるとスイッチング周波数は高い方がよく,損失も低下しますし,実際,PWM制御の教科書にもそのように書いてあります。

えぇ~~っ,そうなの? という感じでした。むしろ,iruchanは低周波のスイッチングの方が今まで,損失は少ないと思っていました。高周波だとスイッチング回路の応答特性が悪くなってきて,損失が増えてくるはずです。スイッチング周波数を20kHzなんかにするのは,音のせいだけじゃない,と思っていました。

と思ったのですが,一度,Spiceでシミュレーションして調べてみました。モータは20Ωの抵抗と1mHのインダクタンスで模擬しています。

PWM simulation circuit.jpg シミュレーション回路

今まで,ずっとiruchanが作ってきたPWM式コントローラの基本回路です。タイマIC555で三角波を作り,コンパレータで基準電圧と比較してPWM波を作っています。

20kHz(duty=11%、1mH).jpg 20kHzのとき

300Hz(duty=11%).jpg 300Hzのとき

同じ低いデューティで比較してみます。

モータの電流にご注目ください。fs=20kHzのときはモータ電流は三角波みたいになっていますが,連続しています。一方,300Hzだとパルスの幅だけ電流が流れていていて,制御Trがoffのときは電流が流れていません。

これですね,モータが唸る原因は。制御Trがonしているときだけモータの電流が流れ,offの時はモータの電流は0となっています。つまり,回転と停止をきわめて短時間に繰り返している状態で,それでモータが振動して音が出ます。よく,PWM制御というのはON-OFF制御をきわめて高速でやっている,と説明することが多いですけど(iruchanもそんな説明をしていました。どうもすみません),実は間違いで,高周波でスイッチングするとモータを流れる電流は連続していて切れ目がありません。もっとも,低周波でスイッチングしてもデューティが高くなってくると電流は切れなくなります。300Hzで模型を運転していて高速になるとモータが静かになる,というのはこのためです。

PWM循環電流.jpg モータの循環電流

  → の実線の時が制御TrなりFETがonの時で,点線の時はoffの時です。

スイッチング周波数が20kHzのときはモータのインダクタンス分で逆起電力が発生し,フリーホイールDi(FWD)を介して電流が逆流してモータの電流は切れていません。

このダイオードは結構重要で,今まで,直流用のスナバ回路の一種だと思っていましたし,実際,そうなんですけど,モータを負荷にした場合はモータの電流を切らない,という重要な役割もあるのですね。ただ,iruchanはTomixの5001パワーユニットをPWM化していますが,これに使ったHブリッジドライバは機能上,FWDをつけることができません。モータを流れる電流が逆転するので,ダイオードは両方向につけないといけないのですが,そうするとモータを短絡することになっちゃうからです。Hブリッジはマイコンでモータの正逆転を制御できるので広く使われますが,これもどちらかと言えば高めのデューティ固定で使われ,この電流が切れない領域で使用されることが多いと思います。

この電流を循環電流と言います。なんか,昔は還流電流と言った気もしますけどね....。

PWM制御の教科書を読むと,この循環電流が切れない領域でモータを制御するのがよい状態で,このとき,モータは静かに回転します。一方,この循環電流が切れてしまうとモータは発停を繰り返すため,振動してしまいます。こういう領域でモータを使用しない,というのがPWM制御方式の条件のようです。

スイッチング周波数が低いとこの循環電流が切れてしまう領域が広いので,スイッチング周波数は高い方がよいのです。

とはいえ,鉄道模型はデューティが0%から起動しますし,ごく低いデューティで低速運転することも多く,循環電流が切れる領域を使うのは当たり前だと思います。工作機械や自動車用のモータなんかだったらある程度,一定の速度で使用するから循環電流が切れない領域で使えるんでしょうけど,鉄道模型はそういうわけにはいきません。

次に,モータ電流の値を見てみると,スイッチング周波数が300Hzのときはモータを流れる平均電流は20kHzの時の倍くらいですし,ピーク電流に至っては10倍くらい大きな値となっています。トルクはモータ電流に比例しますので,つまり,同じデューティではスイッチング周波数が低いほどモータのトルクが大きい,と言うことがわかります。

また,損失についても,Spiceは回路の損失を計算してくれますので,こちらもシミュレーションしてみました。

損失(duty30%).jpgモータと制御Trの損失

出力のパルスのデューティは33%くらいでシミュレーションした結果です。555ICはR1とR2で周波数を可変できますが,同時にデューティも変わっちゃうので,デューティのグラフは少し変化します。

やはり高周波ほどモータの損失は小さくなり,低周波のPWMはよくないことがわかります。100HzくらいでPWM制御すると最大損失は2W近くまで上がっちゃいます。このまま走行させるとモータが発熱してきます。

もっとも,今回のシミュレーションはモータの逆起電力を考慮していない結果なので,実際の走行状態ではもっと損失は小さくなるのでそんなに大きな問題ではないと思います。ただ,うっかり脱線したりして機関車が停車した状態で放置するとこの熱が発生しますので,脱線したらすぐにボリウムは絞る必要があります。

それにしても,スイッチング周波数が20kHzというのは根拠がある数値,と言うことがわかりますね。

でも,なぜか,一度,損失が20kHzくらいを底にして上がってきたり,また急激に下がっちゃう理由がわかりませんけど。

ただ,iruchanの設計した回路では50kHzくらいが限度で,ここまでスイッチング周波数を上げちゃうとパルスの波形が崩れてしまいました。

コアレスモータのメーカのホームページなどを見ると100~200kHzくらいでスイッチングするのがよい,なんて書いてあるところもありますけど,そんな高い周波数で方形波を扱うのは困難です。iruchanの回路だと全く無理で,三角波の発振は555だと日本無線のNJM555の規格表を見ても発振周波数が100kHzまでのグラフしか出ていなくて,無理そうです。コンパレータももっと高速のコンパレータを使わないといけません。制御TrもfTの高いものが必要ですし,MOS-FETを使うと高速スイッチングができますけど,入力容量が大きいため,ドライバ回路の工夫が必要です。

iruchanはオーディオマニアなのでわかりますけど,方形波は10倍以上の周波数領域が必要なので,仮に100kHzでスイッチングすると考えると1MHzくらいまで応答性能が必要です。これはちょっと難しい話です。

と言う次第で,100kHzを超えるPWMコントローラは自作は難しそうです。一度,やってみたい気はしますけどね。

それで,コアレスモータの場合はどうなるか,考えてみます。

コアレスモータはインダクタンスが小さいことが特徴です。インダクタンス分を仮に1/5としてみるとこんな感じです。

20kHz(duty=11%、0.2mH).jpg インダクタンスが小さいとき

やはりスイッチング周波数20kHzの時でも,モータのインダクタンスが小さくなると循環電流が切れる領域となってしまいます。

一方,電流値の方は平均電流は1.2倍,ピーク電流は4倍になっていて,インダクタンスが小さい方がトルクは大きい,と言うことがわかります。コアレスモータがハイトルクなのはインダクタンスが小さいことにも起因しているようです。

そんな解析結果ですが,どうも300Hzの方がハイトルクだし,モータが唸ることをのぞけばコアレスモータの制御に適している感じがします。

また,LEDが点灯しているのに,機関車が起動しないのは回転子が微妙に動いてもスイッチング周波数が低いと電流の休止期間が長いため,すぐに停止してしまうため,と考えられます。

こう考えてくると,コアレスモータ式鉄道模型のPWM制御は低周波のスイッチングの方がよさそうです。あとはどうやってモータが唸るのを抑えるか,なんですけどね......。

ということで,ひとつの対策としてはPWMの代わりにPFMを使う,と言うのが考えられます。

PFMとはPWMがパルス幅変調(pulse width modulation)なのに対し,パルス周波数変調(pulse frequency modulation)の略で,要はパルスの幅は一定値で固定して,offの期間を可変して制御するものです。見方を変えると周波数を変化させるのでPFM,と言うわけです。

具体的にはたとえば,パルスの幅を300Hzと同じ,3.33msec. 固定とし,休止期間を∞~0 sec.としてやればPFMができます。実際には休止期間が無限大だとボリウムが作れませんし,ある程度,休止期間を小さくしてやらないとボリウムを右にいっぱい回した状態でモータが回る,と言うことになっちゃうので,実験で最大休止期間を決めないといけません。まあ,1sec.くらいのものか,と思いますけど。

応用例としては,スイッチング電源の制御方法で,低いデューティの時はPFMの方が有利で,スイッチング電源のコントローラICには最初,起動時はPFMでスタートし,後でPWMに移行する,というICが増えてきています。

PWM原理.jpg PWMの原理。パルス周期が固定です。

PFM原理.jpg PFMの原理。パルス幅が固定です。

いずれ,iruchanもPFM式のコントローラを作ってみたいと思っていますが,これがひとつの解決策かもしれません。もっとも,やってみないことにはうまくいくかどうかわからないので,なんとも言えないんですけど。

もう一つはPWMで,低周波と高周波の2つのPWMコントローラを組み合わせる,と言うやり方だと思います。低周波をモータ制御に使い,高周波を前照灯&室内灯の制御に使うわけです。低周波パルスの間隙に高周波のパルスが出ているので,循環電流が切れる領域を小さくすることができるはずです。

これって......,もしかしてKATOのKC-1と同じじゃない?

と思われた方も多いと思います。そうです,実際,KATOのKC-1はこういうパワーパックでした。それに,今でも超低速はKC-1がよいと思っている方が多いようで,某掲示板にもそう書き込みがあります。また,コアレスモータとの相性もよい,という情報も耳にします。

と言う次第で,iruchanはKATOのKC-1を研究することとしました。続きはまたその2で。


LUXKIT A3600復活への道~その4・調整編~ [オーディオ]

2017年1月14日の日記

Luxkit A3600.jpg 完成しました。 

とうとう,この2年ほど取り組んでいた,ラックスキットのA3600アンプが本日,試運転の日を迎えました!!!

LUXKITのA3600というアンプはNECと共同開発した,大出力3極出力管8045Gをプッシュプルで使った,50W×2のアンプです。発売は1975年のようなので,もう発売から40年経っています。

と言う次第で,いつも大変お世話になっている河童さんからいただいた後,いろいろとメンテナンスと設計変更をしておりました。

まずはコンデンサやソケット,錆びた端子などの老朽化した部品の交換に始まり,トランスやボンネットの塗装や回路の設計変更をして時間がかかってしまいました。

プリント基板.jpg プリント基板改良後

基板ソケットはQQQのものを使いたかったのですが,基板用が手に入らなかったので,中国製の金メッキ品を使っています。

案の定,ソケットが渋くて真空管がスムーズに差さりませんでした。こういうときは無理をすると真空管を割っちゃうので,一度小さなマイナスドライバー(#0)を突っ込んでコンタクト部分を拡げておきます。 

カップリングコンデンサはすべて新品のフィルムコンに変更します。なお,真空管アンプのカップリングコンには必ずフィルムコンを使うようにしてください。オイルコンやペーパーコンは経年劣化でリークしますので不可です。オイルコンは歴史があるし,音がよいから,ということで愛用している方も多いと思うんですが,安全面を考えると要注意です。リークすると出力管の寿命に直結しますので,フィルムコンにしてください。iruchanは独EROを愛用しています。すでに製造中止ですけどね....。A3600はオリジナルは日通工のフィルムコンでした。これなら安心ですけど,やはり年月が経っていますし,リード線が錆びているので交換しました。

そのほか,位相補正用のセラミックはディップマイカに交換しました。出力管の動作点が変更となり,バイアスが少し浅くなったので-C電源も少し定数をいじっています。 

なお,残念ながら,50C-A10PPのKMQ60はオイルコンが使われています。お使いの方はすぐに交換した方がよいと思います。 

このアンプははわざわざ8045Gなんて大出力の真空管を開発したところからもわかるように,大出力指向のアンプで,この前も書きましたように,公称50Wのアンプですけど,実は実測で66Wも取れちゃいます。

そんな大出力はいらん,という気がしますし,何より8045Gは寿命が短いことで知られているので,もっとB電圧を下げて楽をさせてやりたいと思っていました。

今回,トランスの2次側出力にAC用コンデンサを挿入してB電圧を60Vほど下げることにしました。 また,これに伴い,ドライバ段の定数変更が必要となりますので,Spiceでシミュレーションして定数を決定しています。

それに,8045Gドライブ専用として6240Gという真空管も採用されていますが,これも入手困難なため,6FQ7で代用します。 特性が異なりますので,こちらも前回,あわせて検討しました。

回路の変更箇所を示します。赤字が今回の変更箇所です。6240Gがない,と言う方も6FQ7で代用可能ですので,ご参考にしてください。 オリジナルの回路はこちらをご覧ください。また,本機はA3300プリアンプの電源供給用にGTソケットがついていますが,電源のフィルタコンデンサの周辺がすごく混み合っているので廃止しました。もう,A3300プリアンプを入手して使うこともないでしょうしね。 

LUXKIT A3600回路図改造後.jpg 改造後の回路 

なお,電源部は少し,元の状態が変わっていて,オリジナルだと2連の電解コンデンサを使っているのですが,どういうわけか3連のものが使われていました。もとの所有者の方が改造したのか,それともA3600のバージョンのひとつなのかわかりませんけど。もはやブロック電解コンデンサは国産のものはなくなっていますし,テストしてOKだったのでもとのものを使っています。オリジナルの回路はこちらをご参照ください。 

今日はいよいよ通電して調整していきます。

まずは電源部のテスト。一番危険な箇所ですし,回路を間違っていると大変なことになりますので,まずはここからテストします。案の定,フィルタコンデンサのはんだが一部,テンプラになっていてうまく高圧が出ませんでした。ついでに電解コンデンサのテストをしておきます。古いケミコンはリークしたり,容量抜けしたりしてハムが出たりしますので,少し低めの電圧をかけてテストします。

まずはスライダックで1次側にAC10~20Vの電圧をかけ,各電解コンデンサにちゃんと電圧がかかっているか調べます。うっかり,極性を逆に配線していてもこれくらいの電圧なら助かりますので。特に,今回,A3600は固定バイアスのアンプなので,バイアス用のケミコンにちゃんとマイナスの電圧が出ることを確認します。

ダイオードが発熱したりしないかも調べておきます。問題なければAC50Vくらいにしてしばらく放置します。このとき,B電圧は250Vくらいになるはずです。

これで電解コンデンサの絶縁皮膜が回復するのを待ちます。フォーミングというのですが,米国製の電解コンを使った場合などは必ずこの状態で数時間放置してください。日本製のケミコンはいきなり高圧をかけても何の問題もないですけど,MalloryやSpragueなどの米国製の場合,いきなり高圧をかけるとヒューズが飛ぶことがあります。

なお,まだ現在は全く無負荷の状態なので,絶対にAC100Vにしないでください。ドライバ用の電解コンデンサなどの耐圧をオーバしちゃいますので。

さて,次はドライバ用の6AQ86FQ7だけ挿して,また徐々に高圧を加えます。プレート電圧などに異常がなそうならAC90Vくらいまで電圧を上げます。

ここで,一応,出力段のバイアス電圧を調べておきます。

8045Gのカソード(#8ピン)に黒,グリッド(#5)ピンに赤のリードを当ててみて,ちゃんと-90Vくらいの電圧が出るのを確認します。また,各半固定ボリウムを回してみて,スムーズに変化することを確認します。すべての8045Gのバイアスが-90Vくらいになるようにセットしていよいよ出力管を挿します。

さて,いよいよ出力管のプレート電流を調整します。

スライダックで再度,徐々に電圧をかけていきます。カソード~GND間に10Ωが入っていますので,この両端の電圧を計測して750mVとなるようにします。

今回,8045Gの動作点は前回のブログにもあります通り,EP=430V,Eg=-85V,IP=75mAとしましたので,この抵抗の電圧は750mVです。

残念ながら,8045Gの1本が少しエミ減気味で,R ch.はIP=70mAであわさざるを得なかったので,B電流が少し小さく,B電圧は450Vになりました。ほぼSpiceのシミュレーションどおりです。

オリジナルのA3600はEP=495V,Eg=-100V,IP=80mAですので,もう少しプレート電流は流した方がよいのかもしれませんが,プレート損失を抑えて33Wにしました。オリジナルだと39Wですから,▲15%としました。 

プレート電圧も含め,プレート損失も出力管の寿命を考えると,もう少し小さい方がよいと思います。 

これで4本すべてのプレート電流をあわせます。各ch.の上下の出力管のアンバランスは1mAを目標に調整しました。

さて,ここまで来たらf特と出力を見ておきます。

LUXKIT A3600 f特.jpg 周波数特性(1W)です。

ちょっと驚いちゃいました。10Hz~50kHz(-1dB)と言ったところで,非常に広帯域です。特に,低域のレスポンスがよいのはプッシュプルアンプの特長ですけど,それにしても10Hzでも-0.7dBで,実際には-1dBも行っていないのですから。iruchanの持っている低周波発振器は10Hzまでなので,それ以下はわかりませんけど,カットオフは非常に低いはずです。高域も50kHzとは驚きで,手持ちのLUXKITのKMQ60より非常に広帯域です。

出力は53.6Wとなりました。まだ少し大きいですが,まあこんなのものでしょうか。 

10kHz方形波応答.jpg 10kHz方形波応答

  リンギングやオーバーシュートもなく,素直な方形波応答です。  

さあ,いよいよお楽しみ.......。音を聴いてみます。

まずはいつも聴いている,アナ雪。まだはまっちゃってます。

う~~ん,最近は "君の名は。" が大受けで,そろそろアナ雪も抜かされそう,と心配しちゃっているんですけど。それに,昔からiruchanは学園ものが嫌いなので,今年の正月は子供と "君の名は。" じゃなくて, "この世界の片隅に" を見に行きました。これ,本当にいい映画です。悲しい結末だけれど,戦時下にも前向きに生きようとしている主人公に共感を覚えましたし,とても勇気づけられました。それに,悲劇を描いているけれど,妙に明るくて,笑いながら最後まで楽しめます。さすがに,あまりに悲しいと,某戦争アニメみたいに,とても最後まで見ていられないということになっちゃいますので。 日本映画って,誰かもFMで話していましたけど,こういう見たらトラウマになりそうなのが多くて困ります。実は,iruchanはそのチョ~有名な戦争アニメは今まで,一度も最後まで見たことがありません......(^^;)。

アナ雪2.jpg 

松たか子さんの高音の伸びた澄んだ歌声に魅了されます。やっぱ,いい曲だな~~~!!

それにしてもずいぶん寒くなってきましたけど,このアンプはストーブ代わりになります。なにせ200Wもの熱を出しているのですから,小型ストーブ並みです。実際,調整中は寒いので8045Gに手をかざしながらやっていました。火鉢かよって!?。これやったらストーブいらへんやん,と言う次第で,やっぱ....

画像3.jpg

   ♪ 少しも寒くないわ~ (松たか子さんの声で!!) 

アンプはとてもノイズが少なく,ハムが全く聞こえません。こういう点はプッシュプルのアンプですね。シングルのアンプはどうしてもハムが残っちゃいますけど。音も左右の分離がよく,豊かな低音が魅力です。それほど高音は伸びている感じはしませんが,やはり真空管特有の暖かくて柔らかな音だと思います。半導体のアンプじゃ味わえませんね。 

さて,お次はお約束のフルヴェンの第九。本当は年末に完成させて,師走に聴きたかったですけどね.....。

ご存じ,言わずと知れた1951年7月29日のバイロイト音楽祭の初日の演奏録音です。やはりこれしかない!!という感じのチョ~名演です。

聴いたのは東芝EMIがSACDのハイブリッドで出した盤。紙ジャケだし,SACDになったし,と言うことで買ったものです。

ただ,ちょっと驚いたのはフルトヴェングラーが壇上に登場する音が入った,いわゆる "足音入り" の盤なんですけど,なぜか以前の盤に入っていた,第1楽章冒頭の耳障りな聴衆の咳払いや,マスターテープの劣化による第2楽章のドロップアウトがなくなっています。

後者は耳障りなのでなくなってよかったですけど,どうにも冒頭の咳払いがなくなっているのは変。何をやって消したのかわからないんですけど,これがないとフルヴェンじゃない,という感じです。演奏と一体化しちゃっているので,iruchanはちょっと変な感じがします。

やはり一番の聞きどころは第4楽章のバリトンのエーデルマンが歌い出す前後。 おぼろげに低音がこもったような響きのホールにオケの演奏が盛り上がって彼が歌い出すところは秀逸。

     ♪ おお、友よ! このような調べではない!........

と言う次第で,今年はフルヴェンの第九からはじまりました。また本年もどうぞよろしくお願いします。

Furtwangler Beethoven sym.9.jpg 

        Beethoven Symphony No.9 (TOCE-11005) 


LED調光器のパワーアップ [電子工作]

2017年1月2日の日記

皆様,どうも明けましておめでとうございます。本年もどうぞよろしくお願いします。

さて,今日は正月休みなので少し工作をします。

実は,以前,LED照明を購入して自作の調光器でワークベンチで使っています。とてもサイズがコンパクトで,磁石でくっつくし,明るいし,何より電球色というのも気に入って愛用しています。

使っているのはAmazonで購入したイルミカ東京さんが発売している,TK-12-600WWという照明で,全長600mmのものです。本来はショーウィンドウなど,店舗内の照明に使われるものですが,非常にスリムでコンパクトなのでワークベンチで使っています。 

ただ,もちろん,パソコン作業や読書には十分すぎる明るさなんですが,すでに老眼が進んでいるiruchanがアンプを作ったりすると少し手元が暗く,もう少し明るくしたい,と思っていました。

これは連結して使えるようになっていて,どんどんつないで長~く使えるようになっているので,もう1つ接続したら明るくなるはずです。

ところが,困ったことに前回製作した調光器が意外に発熱して,このまま2つ連結すると結構厳しそう,という感じです。

これは,前回の回路にあるとおり,原因はスイッチング用の制御素子にバイポーラTrを使っているためです。

残念ながら,このような電力制御に今,バイポーラTrを使うことはほとんどないと思います。鉄道模型のコントローラもMOS-FETを使うのが普通でしょう。

理由は簡単。断然MOS-FETの方が性能がよいし,値段も安いからです。

MOS-FETの方がスイッチング速度は10~100倍くらい速いし,また,損失の点でもバイポーラTrの1/10~1/100くらいと非常に小さいので,バイポーラを使う理由なんてありません。おまけにMOS-FETは電圧制御なので,Trよりドライブ回路が簡単です。そのほか,温度補償の点や2次破壊がないなど,メリットは多いです。昔だと,MOS-FETが高かったのでバイポーラを使う理由になりましたけど,今じゃ,MOS-FETの方が安いくらいで,あえてMOS-FETを使わない理由なんてないと思います。

iruchanはそれこそ中学の頃からはんだごて握っていますけど,その頃はまだMOS-FETが出たばかりで,非常に高くてとても中学生の小遣いじゃ買えなかったし,その上,静電気で壊れやすいとか,発振しやすいとか,いろいろあって素人には使いにくく,その辺が今でも気になって敬遠しちゃいます。

アンプに使っても,どうしてもMOS-FETは眠い音がするし,今でもあまり好きじゃありません。それに,何よりiruchanは何でも古いものが好きなので......。 やっぱ,電車といえば475系,機関車はEF81だし,アンプはもちろん,真空管。それも452A3のようなのが好きなので。半導体だとTO-3型の2SA627D188とか,V-FETの2SJ18K60がお気に入りですね!!!!

と言う次第で,いつも半導体や鉄道模型のコントローラを作るときはバイポーラTrを愛用しています。

ただ,今回は発熱を減らすのが目的なので,もはやバイポーラTrの出番じゃありません。

バイポーラTrはエミッタ~コレクタ間飽和電圧VCEsatが0.2~1.5V程度あります。アンプの設計だと1Vで計算したりします。このVCEsat×コレクタ電流が損失になるわけですし,今回のように1Aくらい流れる回路だと1W以上,熱が発生します。厄介なことに,VCEsatはコレクタ電流が増えるほど大きくなるので,損失がどんどん増えちゃいます。

また,PWM式コントローラを使うと,方形波のパルスを出力して理想的には損失は0なのですが,スイッチング速度が遅い,と言うことは,その立ち上がり,立ち下がりに時間がかかるので,その間,損失が出ます。

この点,MOS-FETだとスイッチング速度がきわめて高速なのでスイッチング損失は小さいし,また,飽和状態だとオン抵抗×ドレイン電流2 が損失になりますけど,オン抵抗は普通,mΩ単位なので非常に小さいです。

ちょっとシミュレーションして確かめてみませう。負荷電流は0.5Aとなるようにしました。スイッチング周波数は約20kHz,デューティ50%でシミュレーションしてみます。

PWM調光器(バイポーラTr).jpg 

       バイポーラTrのシミュレーション回路

PWM調光器(2sk442).jpg 

      MOS-FETのシミュレーション回路

結果はこうなりました。

PWM調光器(バイポーラTr)損失.jpg バイポーラTr

PWM調光器(2SK442)損失.jpg MOS-FET

やはり損失はMOS-FETはバイポーラTrの約1/16です。ヒゲのように立ち上がりと立ち下がりで損失が出るのはどちらもスイッチング速度のせいです。Spiceは平均損失も簡単に表示してくれますが,バイポーラTrだと484mWになっていますけど,これはデューティがほぼ50%だからで,もし,100%だと平均損失で約1Wと言うことになっちゃいます。なんでこうか,というと,やはりVCEsatのせいで,素子がONのときにもバイポーラだとこうやって損失が発生しちゃいます。一方,MOS-FETだとこの間の損失がほぼ0です。2SK442だと少し,出てますけどね。もっと最新のMOS-FETだと無視できるくらい小さくなります。 やはり問題はPWMのON状態のときです。

と言う次第で,今回,出力の素子をMOS-FETに変更しました。

なお,素子は手元にたくさんある,東芝の2SK442を考えたのですが,やはり最新の同じ東芝製TK34E10N1を使いました。なんか,もう2SK○○○というJIS型番じゃないのに驚いちゃいますけどね。 とうとうディスクリート半導体なんて儲からなくなって,EIAJに登録するのも面倒くさくなっちゃったんでしょうか。おまけに,最近のTO-220パッケージはフルモールドといってコレクタやドレインが金属で露出してないものが多いんですけど,これは昔ながらのやつ。これだと絶縁のマイカやデンカシートが必要ですが,これがあると取付がめんどくさいため,自動車屋さんからクレームがついて最近はフルモールドばかりになったんじゃなかったでしょうか......。

VDS(V) ID(A)  PD(W) VDSon(V) オン抵抗(mΩ) 

2SK442  70 10  30 1.4    記載なし

TK34E10N1  100 75 103 0.2    7.9

TK34E10N1 & 2SK442.jpg TK34E10N1(左)と2SK442(右)

2SK442は1980年代の製造だと思いますけど,それに比べると,なんか,あまりに技術が進歩しているのに驚いちゃいますね。同じTO-220なのに,TK34E10N1はドレイン損失が100Wを超えています。昔だったらTO-3型のパッケージになるんですけどね。

おまけにドレイン~ソース間飽和電圧が非常に小さく,わずか0.2Vです。ここに2SK442を使うとバイポーラ並みかそれ以上の損失を発生しちゃいます。

と言う次第で,やはり最新のTK34E10N1を使います。値段もせいぜい100円程度で,非常に安いです。 

PWM式LED調光器回路3.jpg 今回の回路

出力のTK34E10N1のソースに入っている0.47Ωは保護抵抗です。これを入れない人が多いですが,これを入れておくと過電流の時にTK34E10N1がカットオフするようになっていますので,入れておく方がよいと思います。 

12Vの出力なので逆転SWをつければもちろん,鉄道模型のPWM式コントローラとしても使えます.......(^^;)。

さて,実際に組み上がったら点灯してみます。

ダブル照明.jpg 

やっぱ,非常に明るい~~!!

それと,驚いたのは発熱。ほとんど発熱しません。一応,TO-220用の小型放熱器をつけてあるんですけど,ダブルで照明を点灯させてもほとんど熱くなりません。よく使われるTO-220型用の放熱器の熱抵抗は大体,20℃/Wなので,使えるのは2Wくらいまででしょう。前回の回路だと,照明1本でも結構熱くなりました。 これだと安心です。

と言う次第で,ワークベンチも明るくなったので,また真空管アンプでも組み立てることにしませう。 

調光器.jpg 調光器

調光器もネオジム磁石で棚にくっつくようにしてあります。 


謹賀新年

2017年1月1日の日記

どうも皆様,明けましておめでとうございます。今年でブログ開設10年目を迎えます。おかげさまで皆様のご支援をいただき,ここまで工作の成果を発表することができました。また本年もどうぞよろしくお願いいたします。

謹賀新年'17.jpg iruchan