DEPPの単管のロードラインを直接作図する方法

 2018/10/19

 

DEPPには、「単管のロードライン」と「合成ロードライン」という2つのロードラインがあります。

「単管のロードライン」は、その名前のとおり出力管1本の動作の軌跡を表す曲線で、出力管のEp-Ip特性図上に描かれます。信号が入力されると、出力管は、この曲線上を行き来します。この意味で、シングルアンプのロードラインと同じですが、直線ではなく曲線です。

「合成ロードライン」は、「合成特性図」上に描かれるロードラインで、DEPP回路の出力電流である両管のプレート電流の差を表す直線です。通常、「プッシュプルのロードライン」と言ったときは、この合成ロードラインを示しているそうです。

出力管の動作を吟味できる単管のロードラインを作図する手順は、教科書によれば、まず、Ep-Ip 特性図をベースに合成特性図を作成し、その上に合成ロードラインを引き、この合成ロードラインを基にして単管のロードラインを描く、という流れになります。これが、結構と手間暇がかかり面倒です。それに、動作基点を変える毎に作り直し！

本稿では、合成特性図の作図をスキップして、Ep-Ip 特性図から直接単管のロードラインを描いてみます。

エクセルのグラフ機能を活用したこともあり、さほどの手間暇もかからず、単管のロードラインの作図は意外に簡単です。

 

♪　単管のロードラインを作図するにあたって

下図は、無信号の状態からバイアスを ±eg増減したときの出力管（単管）の動きを表した図です。

前章のトレース結果から、DEPP 回路の単管のロードラインでは、図形的に次の 2点が成り立ちます。この特徴を用いて、単管のロードラインを描いてみます。

¬  X点は、線分YP の中点

¬   線分XQ の傾きは、-4/Z1（ Z1：出力トランスの1次側公称インピーダンス ）

また、単管のロードラインは曲線なので、動作基点Oの他、最大出力（＊）のときを含めて複数の P点とQ点のペアを求め、それらを結んで描くことにしました。

＊：本項では、グリッド電圧を0Vまで振ったときを「最大出力」としています。（A1級動作、AB1級動作）

 

 

O点：動作基点（無信号時の位置）

Q点：無信号の状態からグリッドに＋egが入力されたときの移動先

P点：無信号の状態からグリッドに－egが入力されたときの移動先

Y点：Q点から横軸に下した垂線とP点から縦軸におろした垂線の交点

X点：O点から横軸に下した垂線とP点から縦軸におろした垂線の交点

Z1：出力トランスの公称インピーダンス

 

 

♬　例題の出力管

例題とする出力管は、全段差動プッシュプルで有名な 6AH4-GTとしました。6AH4-GTは、私のメインアンプで活躍中、お気に入りです。

 　　　 　　　

 

 

♪　A級動作のときの作図方法

♬　STEP1　最大出力点と動作基点

最大出力のとき（グリッドを0Vまで振ったとき）の最大電流点Qと最少電流点P、動作基点Oを求めます。

①.   最初に動作基点のプレート電圧を定めます。今回は、250V とします。

②.   次に、最小プレート電流を決めます。5mAとしてみました。X点は、( 250V、5mA ）となります。

③.   X点を起点として負荷線を引きます。負荷を2KΩとしてみました。このときの出力トランスの1次側P-P間インピーダンスは4倍の8KΩです。

④.   この2KΩの負荷線と Ec＝0Vの Ep-Ip特性曲線との交点がQ点です。

⑤.   線分YPの中点がX点であることから、P点が定まります。P点のバイアスは、特性図から読み取ると －50Vです。

⑥.   O点のバイアスは、P点のバイアスの半分なので -25Vです。

これで、動作基点O、最大出力のときの最大電流点Qと最少電流点Pが確定しました。

注意したいのは、負荷2KΩの補助線の基点をEp軸上では無くて最小電流線上に置くことです。（合成ロードラインではありません。）

 

  

♬　STEP2　中間動作点（最大出力のときの動作点Q、Pの1/2の振幅）

次に、その他の動作点のペアを求めます。どんくさいですが、カット＆トライで求めることにしました。（一発で得られるスマートな方法が編み出せなかった。）

まずは、最大出力となる入力信号の半分の振幅のとき中間動作点Q1、P1です。

①．Q1点とP1点のバイアスは、Eco=-25V ですから、-12.5Vと -37.5Vです。

②．STEP1で引いた負荷2KΩの補助線を睨みながら、Q1点をえいやと仮り決めします。

➂．②で決めたQ1点とO点からP1点を求めます。Q1点を起点とした負荷 2KΩ の補助線と O点から下した垂線との交差する点が X1点で、この X1点のプレート電流が P1点のプレート電流です。プレート電圧は、線分Y1P1 の中点が X1点であることから計算できます。

④．P1点のバイアスを確認します。-37.5Vでなければ、②に戻り、Q1点のEpを調整します。

STEP1で引いた負荷2KΩの補助線が拠り所になるので、さほど手間なくP1点が収束して作図できました。

　　　　

 

 ♬　STEP3　中間動作点（その他の動作点）

STEP2と同じ方法で、任意の入力信号のときの動作点ペアを求め、各点を Ep-Ip 特性図上にプロットします。

右図は、さらに入力信号＝±20Vのときの動作点ペアを求めて作成した単管のロードラインです。

僅か 3ペアの動作点での作図ですが、見た目はなかなか感じの良い曲線です。

念のためシミュレータで得た単管のロードライン（ V1の動作の軌跡 ）と重ねてみましたが、良く一致していました。

 

実にいい感じで描けました。ビールで乾杯気分です。

 

♪　AB級

AB級動作でも冒頭の単管のロードラインの特徴になんら変わりはありません。従い、A級動作での作図方法と同じ手法で、最少プレート電流を0mAとして作図すれば良いだけです。

 

注意する点は、動作基点Oのバイアスです。最大出力のときのP点のバイアスの半分の値をO点のバイアスとしましたが、AB級の作図では、P点のバイアスの半分の値をO点のバイアスとすると、最大出力のときにちょうどプレート電流がカットオフするAB級となります。これより深くすれば最大出力の手前でカットオフするAB級動作となります。

右図は、A級動作での作図方法と同じ手法で求めた、AB級の単管のロードラインの作図例です。

 

F    最大出力になったときにカットオフ（ プレート電流がちょうど 0mA ）となる AB級の動作なのですが、最大出力になる手前から上部では合成ロードラインと寄り添っており、下部では横に寝ている曲線となりました。入力信号電圧が最大出力の 8割位でカットオフとなる動作、と見ても良い位でした。

このように A級～AB級の境界付近がグレーになったことは、プレート電流が 0mA近傍での Ep-Ip特性曲線が横に寝ていることが要因であることは明らかですので、6AH4-GT 固有の事象では無く、どの真空管でも程度の差はあるものの同様になるかと思います。

 

♪　終わりに

多数の動作点データを求めればそれだけ滑らかな曲線が得られます。このように設計段階で手間を惜しまず忠実に単管のロードラインを描いて組み上げたアンプは、実にリアルで自然な音色のアンプに仕上がります。・・・・なんてね。

 

多数の動作点データがあれば確かに滑らかな曲線が得られますが、滑らかさに比例して音色は論外として有効な設計情報が増えるわけではありません。STEP1までで十分、STEP2まであれば歪み率が計算できます。（次項以降参照）

また、そもそも、中林さんのお蔭で、シミュレータを活用すれば、あっという間に合成プレート特性と単管のロードラインが得られます。なので、デバイスモデル化されていない真空管でもない限り、ざわざ手書きをする理由はありません。ここでは、単管のロードラインに興味があったということと、簡単に描けそうだったので試してみたということ以外に他意はありません。

 

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