ぺるけ式FET差動増幅プリアンプの作成


真空管関連で色々と検索していたら、ぺるけさんのHPに 出会いました。そこで、FETを使った差動増幅回路のみのシンプルなプリアンプ が掲載されていたので作ってみる事にしました。 このプリアンプは部品点数も少ないので、色々と拘って作ってみる事にします。




先ずはメインである差動増幅用のFETですが、2SK170-BLを2個(1チャンネル)使います。
これは同じ特性を持った物を選別するのがベストなので、以前作成したFET選別冶具 を使って丁度の値を示したものを使用します(Vgs=-0.237/Idss=9.17 x2, Vgs=-0.238/Idss=9.14 x2)。

次に、定電流用のFETです。
ココでは4mAの定電流回路を想定しているのでIdssが4mAのFET(2SK30ATM)を冶具を使って選別しました。

1番点数が多い抵抗は上記の回路図に示している値にドンピシャじゃなくても左右チャネル分が 揃っていればOKとしています。ただし、差動増幅のドレイン抵抗は全て同じ値の物をテスターを 使って選別しました。

抵抗の種類によっても音色が変わると言われていますが、カップリングコンデンサの変化分に 比べたらその変化は少ないと思い、今回は共立エレショップ で購入した金属被膜抵抗器(1/4W ±1%)を使用します。そのうち気が向いたら抵抗の種類を 変えて音色の変化を試してみようと思います。

電源にも拘ってみようと思いますが、先ずはオリジナルと同じ24Vのスイッチング電源を 分圧して擬似的に+19V,E,-4Vを得る回路を使用します。




実際にブレッドボード上に回路を組んでみました。


 


で、早速試聴してみたのですが……すんごいのなんの!!
音がスピーカから前に飛び出すとはこの事だったんだなってのが分ります。
差動回路に定電流回路が入っているから左右の信号が混信(クロストーク)する量が少なくなって、左右分離が進むからだとか…。

エイジングも進んでない状態でこの音だから、エイジングが進むとどうなることやら。
という事で、断続的に24時間ばかし音楽をならしてみました。
その結果、今までは低音が物足りないかな〜という感じだったのですが、だんだんと出てきました!


音が良くなってきた事に気を良くして、予てよりやってみたかったケミコンレス化(電解コンデンサを 積層セラミックコンデンサに置き換える)をやってみる事にしました。と言っても、現在の電源部分は 簡易版なので、電源部分は除き、アンプ本体の電解コンデンサ(0.47μF)を置き換えてみます。

大容量(500μF)の積層セラミックコンデンサは単体では売っていない(どころかそもそも販売してない?) ので秋月で購入した10μF/25Vのチップコンデンサ(8個入り 100円 3216サイズ)を10個横一列に半田付け してそれを5組縦積みしました。



 
 


このままでは他の部品に接触するとマズイのと、周りのノイズの影響をモロに受けると思い、 カプトンテープ(ポリイミドフィルム)を巻いた後、ダイソーで購入した銅版(虫ヨラズ)で包み込み、 マスキングテープをぐるぐる巻きにしました。
インダクタンス成分が発生するかな?と思い、トグロ巻きしている部分は後に殆ど巻いてない形に作り変えました。



 
 


作成した500μF(測定すると480μF位であった)の壁コンデンサと電解コンデンサを差し替えて 試聴してみたところ、どうも低音がすっきりしないというか、出ていないような感じになって しまいました。

ケミコンレス化の発案者(?)の青木さんのblog(リンク切れ)でセラミックコンデンサは加える 電圧が高くなるに従って静電容量が減少する(定格ギリだと80%もダウン!?)との記載があった のを思い出し、もう一つ500μFの壁コンデンサを追加したところ低音もいい感じに出て 透明感のある音になりました。

壁コンデンサを付けるついでに入出力のカップリングコンデンサを付け替えやすくする為に ICクリップを付けました。これでいろいろなコンデンサを試してみるつもりです。 また、無音時に雑音が入っている感じがしたのでE点に繋いだアルミホイルを下に敷いてます。


【 購入したコンデンサ 】
写真 名称 購入場所 価格 備考
日通工 ポリプロピレンフィルム 630V 海神無線 @150円 
ASC X363 メタライズドポリプロピレン 400VDC 若松通商 @550円 
SIEMENS メタライズド・ポリエステル・フィルム 250V
(シーメンスMKT積層コンデンサ)
桜屋電機店 @250円足が取れやすいので注意!!
MUNDORF Mcap630
メタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサ CMP6-0.47 630V
コイズミ無線 @600円 
ニッセイ AMZ 50V 海神無線 @90円 
WIMA MKS4 50V
(メタライズド・フィルム)
桜屋電機店 @90円 
指月電機製作所
ポリエステルフィルム SMC? 63V
ジャパン・フラッグ @105円 
AVX メタライズドフィルム 63V 桜屋電機店 @40円 
WIMA TFM 160V 桜屋電機店 @200円 
ERO-1813 400V 海神無線 @330円 
ポリプロピレンコンデンサ 50V サトー電気 @273円 
積層メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ DTD-Z 100V サトー電気 @147円 
WEST-CAP R68J474 50V 桜屋電機店 @600円箔電極
指月電機製作所 UD250474K 250VDC 千石電商 @100円 
? 日米商事 10個
100円
 
フィルム? 斉藤電気 @53円 
? 日米商事 5個
100円
 
? 日米商事 5個
100円
 
JANTZEN(ジャンツェン)
金属蒸着型フィルムコンデンサ CrossCap 400VDC
麻布オーディオ @260円 
メタライズドフィルムコンデンサ(M・F) 250V サトー電気 @105円 


これだけのコンデンサを聞き比べるのはさすがに疲れます。
それぞれに何処かしら個性があって、聞き比べているうちに些細な違いが分ってきたりして面白いです。

今までは何も考えずに ASC X363 にしていたのですが、今回の聞き比べでは WEST-CAPの フィルムコンデンサがなかなか良い感じです。

最初に聞いた時は中音が盛り上がった感じで全域に渡って加工なくフラットに出してくれるのを 好む私にとってボツ候補だったのですが、何気に30時間くらい音楽をかけ続けていたら高音、 低音共にしっかりと出てくれました。

ただ、これだけの数のコンデンサを全てエイジングして聞くのには相当な時間がかかるのと、 エイジング時間が妥当かどうかも分らないし、電源周りを変えると印象が変わってくるかもしれない ので周辺を決定する事に重きをおいて最後にどのコンデンサにするか決定する事にします。




周辺を固めるために、先ずは電源……と行きたいところですが、最低優先度だった『抵抗』を 購入してしまったのでチョイと変更しました。抵抗が大きくなったのでブレッドボードで 組むのを諦め、ユニバーサル基板での作成です。今のところ、コンデンサとFETは付け替えが 出来るようにしてます。それと、FETの表面温度は使用時に殆ど温かくならない…どころか 電源OFF時と同じ位の温度(指感)でしたが、FET選別冶具 で計測している時は周囲の温度に非常に敏感だったので、FETを熱結合をしやすい配置にしてみました。 最終的には面同士を何かでくっ付けようと思います。


【 購入した抵抗 】
写真 実装 名称 購入場所 価格 備考
  金属被膜抵抗(1/4W ±1%) 共立エレショップ ?円 E12系列各100本セット品より選別
東京光音
ローノイズカーボン抵抗
RD14A2H(1W ±5%)
海神無線 @90円 生産終了?
誤差が±5%なので4倍購入して選別
東京光音
精密級絶縁形金属皮膜固定抵抗器
RN75E(1.5W ±0.1%)
海神無線 @290円  
ソリスト
金属被膜抵抗
RSN1SC(2W ±1%)
K.クリエイト @100円 3倍購入して選別


抵抗を変える事で音が変化するのか? と疑問に思ってましたが、全然違いますね!?
と言うか、共立の金属皮膜抵抗がかなりダメダメです。 この辺り に書かれている様に、多くの音がかき消されているみたいです。
他の抵抗はかなりの解像度があります。この次元になってくると違いが僅かで駄耳な私には どれも同じような、違うような…といった感じです。カーボン抵抗が無音時のノイズが 大きいかな…。

前記のHPを参考に、耐電力のより大きい物を使ったのも良かったのかな? 耐電力の違いによる 聞き比べはしていないので何とも言えませんが…




抵抗の違いが僅かであったのは、電源の性能のせいなのか? と疑ってみたりして…。
って事で、以前から試してみたいと思っていた 『PROST式LED電源』 を試してみる事にしました。

が、しかし、ココで新たな問題が発生しました。
今回、ケミコンレスを実行しようと思って購入したチップセラミックコンデンサの耐圧が25Vなのです。
なので瞬時値でこの電圧を超えてはいけない事になりますから…電源トランスの2次側は1/√2して17.7V。 こんな中途半端なトランスは市販されていなく、且つ家庭の電源は±数%の誤差がある事を考慮して、 15Vの電源を使用する事になります。

でもって、ダイオードで整流してコンデンサで平滑して、殆ど電流を流さないとすると… 15 x √2 - 0.6 = 20.6V
必要とする電圧が19Vなのでその差は何と1.6Vしかないのです!!!

LED電源は基準電圧用のLEDを19.6Vちょうどにできたとして、定電流回路用のLEDの電圧(2V位)が上乗せされ、 更に定電流回路のトランジスタを正常に機能させる為にVceを1V以上確保したいので…元の電源電圧は 最低でも 19.6V + 2V + (1V - 0.6V) = 22.0V 必要なわけです。

そこで、オリジナルの回路に少し手を加えてみました。




+19V側の定電流回路の電圧決定部分をLEDではなく、トランジスタのVbeを使うようにしました。 また、電源側に付いていた抵抗も取っ払いました。
コレだと、最低2つ分のトランジスタの電圧降下(Vbe)分あれば動作します。
元の電源電圧は 19.6V + 0.6V x 2 = 20.8V …… あれっ、足りませんね… 妥協して出力電圧を 18.5Vを目標にしましょう (ToT)
って事で、元の電源電圧は 18.5V + 0.6V + 0.6V x 2 = 20.3V !! 余裕は僅か 0.3Vしかないわけです…。


何はともあれ、実験です!!

っと、その前に、コンセントから直にブレッドボード等に繋ぐのはあまりにも危険なので保護回路 付きのチョッとした小物を先に作りましょう。
内容物はいたって簡単、インレットコネクタとネオン管付きのスイッチとヒューズ代わりの ポリスイッチを繋げた物です。


 


電源トランスとブレッドボード上に組んだLED電源回路です。


 


回路図では定電流部分のトランジスタは2SA872A/2SC1775A、電圧制御部分は2SA623/2SC1013と書いているが、 先ずはお試しという事で、それぞれ2SA1015/2SC1815、2SA1358/2SC3421にしています。 また、使用したLEDは以前、友人から大量に譲り受けた型番不明の物(緑色)です。

電圧を測定してみると、平滑コンデンサ部分で +22.1V/-7.8V、LED電源の出力端で +18.8V/-5.2V でした。負電圧の方は赤色LEDとかにして -4V付近にした方が良いかな?


で、LED電源を使って試聴してみたところ……

すん〜〜ごいです!!!
情報量が更に増えました!!
今まで聞こえていなかった細かな音まで聞こえてきます。そんでもって、低音もしっかり出てくれています。
LED電源にしたのが良かったのか、左右別電源 + 正負別トランスにしたのが良かったのかは不明ですが兎に角、良くなりました!!



電源部に「安井式電源フィルター」を入れてみる事にしました。

これはづかさんのHPに書かれてて初めて 知ったのですが、MJという雑誌に安井章さんが掲載されているフィルターらしいです。
作り方はいたって簡単で、コアに線をぐるぐる(片側14回)巻いて抵抗とコンデンサを付けて 出来上がりです(作り方)。



部品 個数 単価 購入場所
トロイダルコア FT114-43 1 \315 斎藤電気商会
テフロン被覆銀メッキ 1.0mm単線 1m \294/m 小柳出電気商会
酸化金属被膜抵抗器(小型品) 3W 15Ω±5 1 \30 千石電商
フィルムコンデンサ 0.1μF/250V 1 \80 同上


音出しをしてみると、全体的にクリアになった気がします。と言う事はLED電源がしくってるのか…



電源部の考察

安井式電源フィルターを入れる事によって音が変化した事に疑問を持ち、電源部について 考察してみます。
今回の電源部の構成として入力電圧の変動が出力電圧に影響する要因はなんでしょうか?


  1. 入力電圧と出力電圧の差が小さすぎる
  2. オリジナルから変更した部分に問題がある
  3. PROST式LED電源の構造に原因がある

1.はケミコンレス化と称して25V耐圧のセラミックコンデンサを平滑コンデンサとして使おうと していたのでそうせざるを得ないかったのですが、多分、コレが最大の要因でしょう。 が、しかし、試しに18Vのトランス(max:25.5V)を使ってみたところ、安井式電源フィルター の有無で『音』に変化がありました。

2.は定電圧源としてLEDの電圧降下を利用するのかトランジスタのVBEを利用する のかという違いで、どちらもデバイスに流れる電流に依存して変化します。 変化量に違いはありますが…。

3.は…確認してみましょう。




[基本動作]
  1. D1による電圧降下分(VD1)とTr1のVBE1の差がR2に印加されてIR2が生成される
  2. IR2はIB1とIC1に分れ、IC1はIB2とID2に分かれる
  3. ID2によりD2〜に電圧降下(VD2)が生じ、このVD2とTr2のVBE2によってVOが決まる
それぞれの部品の電圧の変動という観点(温度特性は無視するとして)から見ると…

VBE2はIC2に依存し、VD2はID2に依存します。 今回の電源の供給先は電流を一定にしたFET差動増幅回路であるのでIOは一定と考える 事ができ、IC2がIB2の値で決まるとすると、IC2,IB2 も一定である。従って、IC2に依存するVBE2も一定である。

次に、VD2が依存するID2はIC1からIB2を引いた分であり、 IB2が一定であるとするとID2はIC1に依存する。 IC1=hFE1×IB1とすると、hFE1が大きければ IB1を無視する事ができ、IC1=IR2とする事ができる。 あえて加えるとするとIC1が大きければIB1を無視しやすくなる。

IR2はVD1とVBE1で決まり、VBE1はIC1 に依存する事と、IC1≒IR2であるから…VD1でIR2 の値が決まる!? チョッと強引かな…

VD1はID1に依存し、IR1=ID1+IB1 であり、IB1がID1に比べて十分に小さければ IR1=ID1 とできる。 IR2になるべく多くの電流を流し(ID2に関係してくるので流せる量には 限りがある)、hFE1とhFE2が大きければIR1に対する IB1の量を無視することができる。

この時、ID1は入力電圧VIをD1とR2で分けあい、その時のVR1 とR1によって決まる。



この様に紐解くと、入力電圧VIの変動が出力電圧VOまで 微量ではあるが、影響する事が解る。



入力電圧の変動の影響を極力無くす為に、R1とシリーズにCRD(もしくはFETによる定電流回路)を 追加してみてはどうだろうか? こうする事によって入力電圧の変動分をCRDが吸収してD1に 一定の電流を供給する事が出来る。




定電流決定用にFET選別冶具で10mA(正電源側:10.27mA, 10.34mA, 負電源側:11.09mA, 11.07mA)に選別した 2SK170BL を用いました。 また、電流制御用のトランジスタを2SA999/2SC2320に変更しています。 使用したLEDは抵抗と電池で作った簡単な回路を利用して個別に10mAの時のVfを計測し、2V近辺の 物を選別して使用しました。 正電源側は後続に1000μFのコンデンサを付けるので電源ON時に電圧制御用のトランジスタを 壊さない様に390Ωの抵抗を入れています。

2SK170はキモとなる部分なので温度上昇を抑えるために放熱板を付けました。
また、2SC1013には当初、放熱板を付けていなかったのですが、音出しをしてみると中低音がまったく と言っていいほどでてなく、2SC1013がほんのりと暖かかった(人肌より少し温かいかな?)ので 放熱板を付けてみると中低音もしっかりと出るようになりました。
2SA623にも放熱板を付けられる様にスペースを作りましたが、手持ちの関係で付けていません…。 動作中に触れても金属部分は冷たいままだったのでそのままでもよさそうな気がしますが、 購入できしだい、付けておくことにします。


 
 


この定電圧回路を使って試聴してみたところ、非常にクリアな音になった気がします。
ただ、定電流回路を追加しただけでなく、トランジスタのVbeを使用する構成からLEDのVfを 使用する構成に変えたのと、電流制御用、電圧制御用のトランジスタを変更した事を一度に やってしまったので、どれが良かったのかは定かではありません。



今まで、電圧平滑用のコンデンサをブレッドボードに突き刺して使ってましたが、 ここまでくると流石に実装を考えて基板上に半田付けしておきたいものです。
この部分は電流もたくさん流れるし、なるべくパターンを広く採っておいた方が 良いのかな? と考え、生基板を削って基板を作成してみました。
作り方は別ページにまとめたのでそちらを 参照してください。

それと、何処かのHPにLEDの発するノイズの事が書かれていたのでそれを参考に LED電源の基準電圧を決めるLEDの両端にセラミックコンデンサを付けました。 音は…変わったかな? といった感じです (^^;


ケーシング

各部位も基板上に収めてしまいましたし、音も好みの音で安定しているのでこの辺で ケースに収めて終了とします。

このアンプの役割として、インピーダンス変換(?)以外に幾つかの機器から入力できる 様に入力を切り替える機能(セレクタ)を付けたいのと、出力側にヘッドフォンアンプを 付けたくなるかもしれないので出力の切り替え機能を付けたい。また、後続のアンプの 左右の出力が揃っているとは限らないのでバランス調整機能(入力のボリュームを左右 独立にするだけですが…)を付けたいという盛りだくさんの機能を詰め込みたくなりました。

今までの部位だけでもかなりの面積を必要とします。
手頃なケースはないかと探していると、ラジオデパートB1Fにある 奥澤に良いケースが ありました!

配置を色々と考えてみて、なんとか収まりました。

結局、アンプ部の抵抗は東京光音のRN75Eに、カップリングコンデンサは入出力共にWEST-CAPの フィルムコンデンサにしました。470μF部分にはチップ積層セラミックコンデンサで作った 壁コンデンサを1000μF分付けています。電源部の2SA623にも放熱板を付けました。


 
 


部品 個数 単価 購入場所
ケース UMO-4(300x220x85mm) 1 \2467 奥澤
アルミ棒 6φx30cm 4 \100 エスエス無線
アルミ板 5x20cm 1 \100 同上
カップリング 4 \380 瀬田無線
軸受け 4 \80 同上
ヒューズBOX サトーパーツ F-61 1 \450 同上
ヒューズ 標準サイズ 0.1A 1 \30 同上
3P ACインレット 1 \100 千石電商
L字金具 3 \20 同上
RCAジャック RJ-2008BT/R(赤) 5 \120 秋月電子通商
RCAジャック RJ-2008AT/W(赤) 5 \120 同上
2芯シールド線(網状) HC-3B2/5m 1 \1150 タイガー無線
ロータリースイッチ 4回路3接点ノンショーティング ALPS SRRN143 1 \230 小林電機商会
ロータリースイッチ 6回路2接点ノンショーティング ALPS SRRN1062N 1 \230 同上
ツマミ(大) B-40 2 \221 同上
ツマミ(中) B-30 2 \210 同上
トグルスイッチ2P M-2011L/B AC 6A/125V 1 \150 鈴商
ボリューム 50kΩ Bカーブ RV30YN20SB503 2 \556 マルツ電波
スパークキラー 1 \??? 若松通商
ネオンブラケット(黄) 1 \170 門田無線電機



変更

0.1Aのヒューズでは電源OFF→ONを繰り返すと直ぐに飛んでしまうのでもう少し大きめのヒューズ にしようとしましたが、手持ちがなかったのでAC100V,550mAのポリスイッチを付けました。
また、スパークキラーをACの両端に付けてましたが、よくよく考えると安井式電源フィルター の部分に同様の回路(コンデンサ+抵抗)が入っているので取り外しました。


反省点としては、ケースに入れる時の事を考えずに電源部のトランス部分と平滑コンデンサ部分 の基板を分離してしまったが為に極短い距離で配線をしないといけなくなった事と、背面のRCA コネクタのLR(上下)の位置を若干離しすぎたかな?といった点です。


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管理者: 宝 寿々郎(TAKARA Jujurou)