|
電源の内部抵抗とロードライン |
2018/10/19
|
出力管を抜いた状態で電圧を測定するとかなりの高電圧でちょっとびっくりしますが、出力管を挿すと所定の電圧に下がります。これは、プレート電流が流れ始めたことにより電源の内部抵抗などに電圧が食われるからです。 また、出力管が挿入されていれば 電圧は一定かというと、そうではなく、信号が入力されていないときよりも最大出力のときの方がプレート電流（平均値）が増加しますので電圧は下ります。（参照） ロードラインは、プレート電圧が降下する想定で引いてはいませんから、実際にアンプ組み上げたときには、ロードラインどおりの動作とならず最大出力が設計値を下回ることが起きます。 このため、ロードラインを引くだけでは基本設計完了とはいかず、この電圧降下を加味した更なる設計工程が必要になるそうです。 このあたりについて、調べたり考えたりした事柄です。
F 真空管アンプの記事を見ると、「電源のレギュレーションが悪いと・・・」とか「貧弱な電源だと・・・」などという表現が散見されます。何のことを指しているいるのか分からなかったのですが、恐らくは、このことについての話しではないかと思います。 F 同じプッシュプルでも差動プッシュプルでは、両管のプレート電流（加算値）は一定です。 F DEPPでは、A級動作でも平均プレート電流は増加します。
|
♪ 電源の内部抵抗による出力低下の様子をシミュレーション実際のところ電源の内部抵抗によりどのくらい最大出力が目減りするのか、下図の 6AH4-GTの AB級動作を例題としてシミュレータで測定してみました。単管のロードラインからの机上計算では、5.2Wです（精度を上げるため5点データによる計算結果（参照）） |
|
|
|
« 電源の内部抵抗は一般的に何Ω位なのか良く分かっていないので、ざっと調べたところ数百Ωほどでした。そこで、今回は 300Ωとします。シミレーション回路ではモノラルなのでRの値を 600Ωとしました。 « 内部抵抗有りのときの無負荷電源電圧Boは、無信号のときにプレート電圧がロードラインどおりの250Vになるようにします。 今回はR=600Ωなので、Bo=262.5V=Epo＋2＊Ipo＊Rです。 以下、この内部抵抗有りの電源（R=600Ω、Bo=262.5V）を電源A、また、内部抵抗無しの電源（R=0Ω、Bo=250V）を電源Oと記します。
|
シミュレーション回路は右図ですが、ポイントの電源は、内部抵抗
♬ シミュレーション結果下表に、単管のロードラインから机上計算した値、また、電源O、及び、電源Aでのシミュレーション結果をまとめました。 単管のロードラインデータから机上計算した値と内部抵抗無しの電源Oでのシミュレーション結果は良く一致しています。 肝心の内部抵抗がある電源Aでは、最大出力のときの平均プレート電圧（B電圧）が 250Vから 237Vに低下、最大出力は 4.5Wとなりました。 13%の出力ダウンです。また、歪み率も悪化していますので、同じ歪み率で出力を比較すると、もっと目減りしているはずです。 電源の内部抵抗って、結構と影響があるもんなんですね。
♬ 動作軌跡最大出力が目減りしてしまう内部抵抗がある電源Aでは、出力管はどのように動作しているのでしょうか？ 下図は、出力管の動作軌跡です。青線が電源Aのときの単管の動作軌跡で、緑線が電源Oの単管の動作軌跡（＝単管のロードライン）です。（シミュレーションで得ました。1KHzの正弦波を連続入力し1秒後の波形からグラフ化しています。） 内部抵抗の無い電源Oでは机上で引いた単管のロードラインと合致していますが、内部抵抗有りの電源Aのときは全体的に左側にシフトして動作しています。
☞ 電源のコンデンサー 電源O、電源A、どちらも、信号が入力される前は、 O点（250V、10.4mA）に位置しています。上図の動作軌跡を見ると、電源Aのときは、信号が入力されたとたんO点を通らない軌跡にジャンプしているように見えます。ちょっと妙です。 これは、上図の動作軌跡が信号入力から1秒後の動きだからです。 下図は、電源Aのときの信号入力後の B電圧（トランスのB端子－グランド間の電圧 ）の時間変化です。最初は250Vですが時間とともに減少し 300mSほどで安定します。これは、電源のコンデンサーが乾電池の役割を果たして、信号が入力されたときに必要な電荷を供給し徐々に電圧が降下したと想像できます。今回のシミュレーションでは100μFですが、この容量を増やせば安定するまでの時間が伸びました。 このようにB電圧が時間とともに減少するので、単管の動作軌跡としては、入力信号の1波目は O点を起点として電源Oと同じ軌跡となり、時間とともに軌跡は左下に遷移していき安定します。 以下、本項でのシミュレーションでは、過渡状態を避けて安定した1秒後（1000波目/1kHz）の状態で回路をトレースしました。
|
♪ 電源電圧の見直しロードラインどおりの最大出力を得るために、電源電圧を見直してみます。
赤線は、ロードラインが期待する電源（電源O）の出力特性を表す線で、内部抵抗無しの理想電源であり、動作基点のプレート電流 42mA（4管分）でも、最大出力時のときの平均プレート電流の97mA（4管分）でも電圧に変動は無く 250Vで一定です。 青線は、電源A の出力特性を表す線です。動作基点は満たすものの最大出力のときに必要な 250Vを満しません。 これが電源A のときに最大出力が 13% 目減りした理由です。 従い、最大出力のときに所定の電圧・電流を満たす電源であれば、出力が目減りすることは無いはずです。この電源を、電源B とします。緑線がその特性です。 図から明らかですが、電源B の無負荷時の電圧は、279V=250V+97mA*300Ωです。 尚、電源B での無信号のときの動作基点は、ロードライン上の動作基点と同じにはならずに電圧がアップしていますから、無信号のときのプレート損失が増加します。 |
右図は電源の出力特性を表した図で、横軸が出力電流、縦軸が出力電圧です。
♬ この電源Bを試してみます。無負荷電源電圧Boを 279Vとした電源B ( R=600Ω、Bo= 279V ) でシミュレーションしたところ、 最大出力は 5.2W となり、ロードラインどおりの出力が得られました。歪み率も同じ値で、動作軌跡もピッタリと一致していました。 無信号のときの動作基点は、バイアス -28Vで、プレート電圧が 261V、プレート電流が 14.9mA、プレート損失は、3.7W=261V*14.9mA と増加しています。
以上、電源電圧を最大出力に合せることでロードラインどおりの出力を得ることができることが分かりました。
F これまで見てきたように、無信号のときの動作基点と最大出力のときの動作基点（位相角度=0°、180°のときの動作点）は異なりますので要注意です。 紛らわしいので、前者をOa点、後者をこれまでどおりのO点とします。
|
♪ 電源に合わせたロードライン電源Bは、最大出力のときの電流・電圧を満たす電源でした。しかしながら、実際には、そんな都合のよい電源は用意できません。用意できた電源に合致したロードラインを求める作業が必要です。 シミュレータを活用すれば簡単に求めることができますが、机上では、次の手順で行うと良いそうです。
① 出力管1本から見た電源の出力特性を表した直線（以下 “ 電源の負荷線 ” と記します）を引きます。例題では内部抵抗が 300Ω だったので 電源1ヶで出力管4本を賄うステレオなら 4倍の 1.2KΩ の負荷線となります。電源の負荷線と特性図の横軸との交点の電圧は、無負荷電源電圧で 300Vです。 ② 見直し前のロードラインの動作基点をO、最大出力点をRとします。 ③ 原点からR点に伸びる直線と電源の負荷線の交点をR1とすると、このR1点が、電源Cでの最大出力点になります。 ④ 原点からO点に伸びる直線とR1点からの垂線の交点が、電源Cでの最大出力のときのロードライン（動作軌跡）上の動作基点O1となります。 ⑤ O1点のEp-Ip特性曲線（この場合は-30V）と電源Cの負荷線の交点（280V、17mA）が、電源Cでの無信号のときの動作基点Oa1となります。
この手順が成立する理屈は、
ということかと思います。
♬ 多極管では？この手順は、3極管では良いのですが多極管に適用させるのはちょっと無理があります。肩のあたりの Ep-Ip特性曲線を直線とは見なしにくいですし、スクリーングリッド電圧も降下します。 やはりここは、シミュレータの登場です。シミュレータなので狙った動作となるようバイアスをフィッティングさせることは簡単です。（最適化機能を使えば一発かも？）
|
例えば、無負荷電圧（出力管が挿入されていないときの電源電圧）が
♪ 出力電力の目減りを抑える電源の内部抵抗による出力電力の目減りを抑えるには、抵抗値を小さくし、また、平均プレート電流の増加量を少なくすれば良いことは自明です。
平均プレート電流の増加を抑えるには、まずは 直線性の良い球であれば良く、また、高電流＆低電圧の動作より低電流＆高電圧の動作の方がベターです。 ☆ 出力管の負荷／出力トランスの1次インピーダンスを大きくとる。例えば、5KΩより8KΩとする。 ☆ 出力管が3極管ならば、Ep-Ip特性曲線が寝る内部抵抗の大きな出力管を選ぶ。 （通常のプッシュプルよりも内部抵抗の低い3極管を用いるOTLの方が、最大出力の目減りが顕在化するものと想像します。） 動作階級では、深いAB級より浅いAB級、さらには、A級の方が平均プレート電流の増加を抑えられて、出力電力の目減りは少なくなるかと思われます。
|
♪ 自己バイアスのときのカソード抵抗と出力トランスの1次側直流抵抗出力トランスの1次側の直流抵抗も、出力電力が目減りする要因になるかと思われますが、この抵抗値は、市販のトランスをざっと調べた範囲では B-P間で 50Ω～100Ω位でしたので、仮にプレート電流の増加量を 30mAとするとプレート電圧降下は 1.5V～3Vですから、気にするほどでは無さそうです。
自己バイアスのときのカソード抵抗も、電源の内部抵抗と同様に出力電力が目減りする要因に 表は、RCAの規格表から抜き出した 2A3の AB1級プッシュプルの動作例です。プレート電圧300V、プレート電流 80mAを動作基点とした固定バイアスと自己バイアスの動作で、P-P間負荷は、それぞれ、3KΩと5KΩです。 最大出力電力を見ると、固定バイアスでは15Wですが自己バイアスでは10Wと目減りしています。この目減り要因は、780Ωのカソード抵抗によるものと思われます。 また、自己バイアスのときの負荷が5KΩと大きい理由は、出力電力の目減りを抑えるためではないでしょうか。（ ロードラインから単純に概算すると3KΩの方が高出力です。） テーマから外れますが、自己バイアスの動作は、最大出力のときのバイアスが －78V = 100mA＊780Ω となり、半サイクルではプレート電流がほとんで流れていない動作になります。ほとんどB級動作ですね。
|
なります。「KAKUSAN真空管アンプ」へ戻る 「DEPP回路の基本的な動作とロードライン・目次」へ戻る