GaN 単段アンプ その32021年03月01日 14時03分25秒

いつものことであるが、その後いろいろ不具合が見つかって、修正を加えた。と、結果だけ書けばいかにもすんなりといったかのように思われるが、実情はその反対で、暗闇を手探りで進むかのようなときもあった。

・不具合 その1
テスターをみながらドレイン電流を設定し、そのまましばらく様子を見ていたときは、きわめて安定していたように見えたので、その後24時間通電状態にしておいた。
翌朝確認してみると、やけにコイルが熱くなっている。手で触れないほどではないにしても、あきらかに異常な状態。

原因はわかってしまえば「ああ、そういうことか」となるのだが、最初はとまどった。要するに、GaNから見れば熱的に負の暴走状態に陥ってしまったということ。
GS66502Bは温度上昇とともにドレイン電流が減少する性質なので、一般的にはバイポーラトランジスタのような温度補償は必要なく、定常状態になると電流は安定する。今回のケースもそうなると期待していた。

しかし、ドレインには銅線コイルがある。その銅なのだが、電流が流れると抵抗成分によって温度が上昇し、抵抗値が増大する。
いっぽうGaNのほうは五極管に似た性質なので、gsが一定だとコイルの抵抗値が増大してドレイン電圧Vdが低下しても電流値はほとんど変わらない。
その結果、銅線コイルは時間とともに温度が上昇し、それに伴い抵抗値が増大し、ドレイン電圧はゼロに近づき増幅回路としてはまともには動かなくなる。その代わり、コイルの消費電力が増大し熱くなった、ということだった。

そうすると対策はおのずと見えてくる。ドレイン電圧Vdが低くなれば、Vgsも小さくなるようなフィードバックがかかるようにすればよい。


・不具合 その2
最初にまず左チャンネルを作り、諸特性を測定した。その結果は前回の報告の通りで、ひずみ率は期待した値におさまったので、右チャンネルもこのまま作ればよいと判断した。
下は、VP-7723Bで測定している様子。

ところが作って特性を測定してみると、目を疑うほどひずみ率が悪い。0.1W出力で1%を超え、1W出力では目も当てられないような数値となった。最初は、何か部品が壊れているのかと疑い、左右チャンネルの部品を一個一個入れ替えてみても、現象変わらず。
GaNを新しいものに変えてもダメ。これにはまいった。

今から考えれば、同じ電流値を設定しようとしても右チャンネルだけ、やけにVgsが高いのは気になっていたが、それもなぜかはわからなかった。

途中を省略して結論をまとめれば、不具合に至る要素は二つあったと思われる。
1)入力トランスに使ったPO400601の一次巻線は二つあって、一つはインピーダンス40Ωとして、かつての調整卓で使われていた実績がある。しかし、もうひとつの巻き線の正体が不明で、調整卓の回路図にも載っていない。インダクタンスは測定できたので、使えるものと判断したのだが、期待通りに動いていない可能性を捨てきれない。よくわからないものをNFBとして使うのは、やはりよくない。避けることにする。

2)これは試行錯誤してわかってきたことなのだが、GaNが低ひずみ率で動作する領域は意外に狭く、理想領域から少しでも外れるととたんにひずみ率が跳ね上がる。
当初、ひずみ率を改善するには、ドレイン電圧を上げればよいし、ドレイン電流を増やせばよいと単純に思っていたので、反対の結果が出たときは頭を抱えてしまった。
左チャンネルではうまくいったのは偶然に過ぎなかった。


これらの対策を加えた最新の回路図は以下の通り。

GaN 単段アンプ その22021年02月18日 20時57分27秒

その後の経過を報告する。

まず、このアンプの要となる空芯コイルについてだが、オヤイデ電気から購入したUEW銅線(0.8mm)1Kgを使う。この姿で測定してみると45mH DCR=7Ωとなった。十分使える。将来はきちんとまき直すとして、とにかくどんな音が出るか早く聴きたかったので、そのままアンプにインストールした。これで素晴らしい音が出れば実に痛快だろうと思っていたら、本当にそうなった。

そのいっぽうで、いくつか問題も出てきた。
最初に構想した回路では、NFBを入力トランスの2次側に戻している。きちんと動作はする。しかしどうもなにか喉に小骨が引っかかる感じがあってすっきりせず、気に入らない。別の回路を考えることになった。

問題はNFBのかけ方にあるのだろうと仮説を立てた。そこでまず入力トランスをUTCからPO400601に交換した。このトランスは市販されておらず、以前たまたま手に入ったミキシングコンソールの出力に使われていたものである。

このトランスは、1次側に2回路のコイルが巻かれていて、インダクタンスが大きい方を入力に、小さい方をNFBの入力に使える。ちなみに2次側は600Ωスプリットとなっている。
いろいろ調整してフィクスした回路は以下の通り。
おなじみのブレッドボードに組み立てた姿のいくつかを写しておく。
メインの基板はご覧の通りに、入力トランスと数個の部品のみ。実に簡素なり。上方にVAR抵抗が見える。
増幅素子がGS66502Bであることの証拠を一枚。

作りっぱなしはよくない。性能を測定する。まずは矩形波のかたちから。測定条件は、入力10KHzで、8Ω負荷、出力は2Vp-p。
ご覧の通り、実に素直でくせがない。よい兆候である。
ゲイン 33dB
周波数帯域(-3dB)  20 ~ 42KHz
THD(%)
出力(W)   0.01  0.1   1     3

100Hz  0.20  0.34  0.70  1.44
 1KHz  0.16  0.06  0.13  0.83
10KHz  0.16  0.20  0.85  1.45

THD 5%を最大出力とすれば、5Wとなった。

励磁型スピーカー電源 完成2021年01月17日 21時55分51秒

やっと完成した。
さきほど、通電試験をして問題がないことも確認した。相手が33Hのフィールドコイルなので、電源オン・オフ時に異常が起きないかを最も心配したが、杞憂だった。

まずは概観から。
後ろの様子。今回初めてNEUTRIKのスピコンを使ってみた。格好だけはよろしい。
通電試験の様子。メーターの目盛り単位がKVとなっていてびっくりするが、もともとはフルスケール1mAの電流計なので、これに外部抵抗をつけてフルスケール100Vの電圧計として使っている。写真の状態では80Vと読む。
音はまだ出していない。明日までの楽しみにとっておく。
最後に回路図を掲載。至極単純でなんの工夫もない。ただ、発振しないように出力インピーダンスが極端に高くならないようにはした。性能も大事だが、安定に動作することも大切だ。そこあたりはだいぶ丸くなった。
出力にダイオードがあるのは、フィールドコイルからの逆起電力で定電流回路が壊れないようにするための安全装置である。
500Ωの多回転ポテンショメーターで電流値を設定するようにした。非常にスムースで使いやすい。
整流用ダイオードと制御素子にはGS66502Bを使った。そして普通はフィールドコイルには多容量のコンデンサを並列接続するところを、510pFのマイカコンデンサで済ましていることも特徴である。ただ、音がどうなのかはこれからの判断となる。

試作12号 その3(水晶発振子 4個シリーズ接続)2020年11月12日 21時32分57秒

途中経過は一切省略して、結果だけ記す。
まずは最新の回路図。
前回からの変更箇所は、WE404Aの第二グリッドからR11を削除したことと、カソード抵抗R2を330Ωから470Ωへしたこと。

励振レベルはこのカソード抵抗の値で劇的に変化する。680Ωでは発振が停止する。後でわかったことだが、発振器の負荷が50Ωで発振していても、25Ω負荷では発振が停止した。

これで問題が収束するかと思ったら、もう一つ落とし穴が待ち構えていた。増幅基板をアルミボックスにくくりつけずに動作確認していたときは正常だったのに、いざポリエステル布を挟んでくくりつけて固定したら発振周波数がおかしい。44MMHz台を示す。バリコンをどこに動かしても発振したままである。

理由は明白だった。アルミボックスと増幅基板との間に発生した寄生容量である。固定することはあきらめて、アルミボックスから距離離してフリーでシャーシに置くことにした。本当はもう少しうまく固定すべきだろうが、それは課題として残しておく。
さて、結果はどうなったか。
この項続く。

試作10号 その4(水晶発振子 3個シリーズ接続)2020年08月05日 21時47分32秒

水晶発振子が本領を発揮するまでかなり時間がかかると聞いたことがある。普通の部品のエージング時間は、およそ500時間と考えるのが一つの目安である。ところが水晶発振子は、それを超えても変化し続けている。落ち着くまで24時間連続稼働でも半年はかかるのかもしれない。

ただ待つのも芸がない。気になっているところに手を入れることにした。
B電源の整流素子である。これまではまず正常動作を第一目標に置いたので、手元にあったInfineonのSic SBDを使っていた。写真がそれ。
裏面はこうなっている。左側の赤い基板がGaNを使った理想ダイオードブリッジで、ヒーターの定電流回路を構成している。
SiCダイオードをはずして、新しく入れたのがGaN(GS66502B)をダイオード接続したもの。今回は変換基板を使わず、そのままユニバーサル基板に直付けした。消費電流が少ないので発熱を気にする必要がない。念のため非接触センサーで温度を測定してみたが、室温とほとんど変わらなかった。
回路図にするとこうなる。
音はどうなったか。
入れ替えてから3日経ったあたりはひどかった。何か間違ったかと思うほど低い周波数域がでないで、高い周波数域にエネルギーが偏る。これはいつものことなので気にしない。今日でちょうど1週間経った。だいぶ落ち着いてきた。

予想はしていたことだが、SiCダイオードから大きな変化があった。一層音が透明になり、生々しさが増しただけでなく、同じフェーダー位置であるのに、音のエネルギーが押し寄せるように感じる。
音楽のジャンルは問わない。YouTubeであろうがCDであろうが、ストリーミングであろうが、この効果は全く同様である。

交換前、低音が膨らんで鈍さを感じていて、こればスピーカーのせいであろうと思っていたのが、コントラバスの空間を波のように漂うかのような雰囲気まで表現できるようになった。これを聞いて、以前までの音がわずかに歪んでいたことに気がつく。

GaNを使う場合、変換基板が必須で、その点が敷居を高くしていた。今回のように変換基板無しでも実装できるとなれば、だいぶ使いやすくなる。