Elekit TU-8600 (2) 基板の製作

最近のエレキットは、回路の大部分が一つの大きな基板に載せられているので、基板の製作がいちばん時間のかかる作業になります。上の写真は、メインの基板の完成した状態です。部品の多い面が、完成時には裏面になります。

表面を真上から撮ったのが、次の写真です。

左右の大きな白いソケットが300B用のUXソケットで、セラミックの、いわゆるタイト・ソケットです。スペーサーを介して、しっかりと基板に固定してからハンダ付けします。内側の3個のソケットが電圧増幅段用で、定番、QQQブランドのプラスティック・モールドタイプです。白いコネクターは、VH型のコネクターで、トランス類との接続に使われます。次の写真が、裏面、部品面です。

下側に増幅回路がありますが、全体の1／3程度、他の大部分は電源回路と入出力、ヘッドフォン出力の回路などです。写真の上端に見えるのが入出力端子です。入力のRCAジャックは金メッキの普通の基板用ジャックですが、出力端子は、かなりしっかりしたバインディングポストです。写真の下端が前面になり、ボリューム、ヘッドフォン端子、パイロットランプ(LED)が見えます。小豆色の4個の部品はカップリングコンデンサーですが、ポリプロピレンフィルムで、ニチコン製のようです。カップリングコンデンサーは交換できるように、間隔の広いパターンとスペースが用意されています。3個の放熱器はフィラメント、ヒーター電源のレギュレータIC用で、B電源のレギュレーターの放熱は、基板上の放熱パターンを利用しています。中央に見える、基板にネジ留めされている、やや大型の3個の半導体は、フィラメント、ヒーター電源のダイオード・ブリッジです。

電源のAC入力から電源スイッチまわりは別基板になっており、そこから電源トランスに入力されます。

部品については、電力抵抗が酸化金属皮膜抵抗な他は、すべて1/2Wのカーボン抵抗です。真空管のカソードまわり、フィラメントのデカップリングなどに低ESRの固体電解コンデンサー（ニチコン製）が使われています。それ以外の電解コンデンサーは、すべてニチコン製の105度規格のものです。相変わらず、全般にしっかりした部品が使われており、特に交換する必要は感じませんでした。電力抵抗については、基板との間隔が自然に取れる特殊なリードを用いた部品を、新たに採用しています。キットとしての作りやすさを考慮して、部品や定数の共通化をしていたり、部品配置を間違えにくく工夫してあったり、本当に細部まで配慮の行き届いたキットだな、と感心します。真空管アンプとしてはかなり複雑な回路ですが、丁寧に作業すれば、特に製作の難度は高くないように思います。

Elekit TU-8600 (1) 回路

先日限定発売された、エレキットの300Bシングルアンプキット、TU-8600を購入しました。エレキットさんの最近の真空管アンプキットは、回路が面白いので、到着して最初に回路図を拝見するのが、とても楽しみです。今回の300Bシングルも、いろいろな見所があり、また真空管アンプではあまり用いられない（秋月電子などでも見かけない）素子が多く使われていて勉強になります。回路図は公表されていないようなので、あまり詳細（定数など）を書かない範囲で、回路を見て興味深く思った点などを説明してみます。

増幅回路：増幅回路自体は、公表されている通りに、比較的保守的な設計です。チャンネルあたり12AX7の片ユニットが電圧増幅段の初段に使われ、2段目（ドライバー段）が12AU7、両ユニットのパラレルとなっています。電圧増幅段には局所負帰還（マイナーループ帰還）がかかっています。出力段は（もちろん）300Bのシングルで、バイアスはグリッドにかかっていますが、定電流回路なので、一種の自己バイアスと考えられます（後述）。出力トランスに3次巻線があり、カソード負帰還がかかっています。段間の結合は、すべてCR結合で、直結段はありません。
　ゲイン、負帰還量を回路図から大雑把に計算して見ると、電圧増幅段のオープンゲインは720倍、クローズドループ・ゲインは500倍程度で、局所負帰還は約3dBと計算できます。出力段のバイアス電圧（の目安）は-65Vと書いてありますので、0バイアスまで振ったとして入力電圧は46Vrmsになります。出力トランスの3次巻線の仕様が分からないので、カソード負帰還量は計算できないのですが、常識的に考えて2次巻線と同じ巻き数とすると、（最大出力9.2Wを用いて）負帰還量は約1.5dBと計算できます（かなり少ないです）。メジャーループの負帰還量は、だいたい6dBくらいに見えます。すると、トータルの負帰還量は約10.5dB、出力段には約7.5dBの負帰還がかっている見当になります。でも、机上の計算ですし、定格入力は320mVとなっているのですが、この計算では200mV強で最大出力になります。出力段の動作点の検討もしていませんし、何か仮定に大きな間違いがあるかもしれません。真空管の特性のバラツキもあるので、あくまで目安程度の計算です。
　何はともあれ、保守的で負帰還量も少なく、安定した動作が期待できる回路と思います。位相補正のための素子も見当たりません。一方、このくらいの負帰還量であれば、十分に低い出力インピーダンス（高いダンピングファクター）も期待できます。歪みについては、測定してみないと何とも言えないと思いますが、ドライバー段と出力段のひずみの打ち消しも考慮してマイナーループ帰還やカソード負帰還を設定しているのかもしれません。

バイアス回路：300Bのバイアス回路は、ホームページでも公表されている通り、プレート側で電流量の検出をしています。出力トランスの電源側に直列に挿入された47Ωの抵抗で検出された電圧は、高耐圧フォトカプラーEL851(Everlight)を通してバイアス回路に伝えられ、300Bを（時定数の大きな）定電流回路として動作させる形になっています。電流検出回路には、低電圧シャントレギュレーターLMV431も（定電圧源として）用いられています。ちょっと面白いのは、300Bのグリッド抵抗に直流電流を流しており、マイナーループ帰還の負帰還抵抗を通じてアースに戻していることです。この電流量をコントロールしてグリッドバイアスを変化させています。（したがって、マイナーループの負帰還を無くそうとして、単に負帰還抵抗を外すとまずいことになります。）

電源回路：電源回路は、最近のエレキットの真空管アンプの例に漏れず、とても凝ったものになっています。まずA電源（ヒーター、フィラメント）は、すべてショットキーバリア・ダイオード・ブリッジRBA-406B（新電元）で整流されたあと、MIC29302 (Microchip)を用いて安定化されています。電圧増幅段のヒーター回路は、（慎重にも）12AU7のカソード電圧でヒーターバイアスをかけています。一方、300Bのフィラメント電源回路については、MIC29302のenable端子をフォトカプラーEL851を通して12AU7のカソードに繋いで、12AU7が立ち上がった時点でフィラメントをオンにするように設定してあります。
　B電源（プレート回路）については、左右チャンネルが、整流回路以降で完全に独立した回路になっています。275Vの電源トランス巻線出力は、まずHER208 (Rectron)のブリッジ回路で整流されます。HER208の「HER」はHigh Efficiency Rectifierの略で、データシートを見ると高効率ダイオードとして売られているようですが、逆回復時間は75nSとなっているので、ファーストリカバリーと言えないこともありません。各チャンネル100μFの整流コンデンサーを経て、高耐圧バイポーラー・トランジスター FJPF13007 (Fairchild)と高耐圧MOS-FET NDDL01N60Z (ON Semi)を用いたリップルフィルターに入ります。電圧配分が微妙で、ちょっと見では分かりにくい回路ですが、基本的には2段のRCフィルターとMOS-FETを通して（あまりhfeの大きくない）パワー・トランジスターのベース電流をコントロールしてリップルフィルターを構成しているようです。このリップルフィルターの出力が（バイアス回路を経て）出力トランスに入力されています。一方、電圧増幅段には、高耐圧3端子レギュレーター LR8N (Microchip)を通して安定化された電圧が供給されています。LR8というのは450Vまでの入力を許す高耐圧な3端子レギュレーターですが、出力電流量は20mAに制限され、入出力電圧差は20V必要という、面白いICです。真空管アンプでは、いろいろと使い道がありそうです。少し気になるのは、ここに用いられた回路では、あまり大きなリップル量の減衰は期待できないので、キャパシターをADJ端子に入れた方が良いのではないのか、という点です（不要と判断したのかもしれません。また、このように便利な素子があるのであれば、出力段もLR8とパワー・トランジスターで安定化しても良いのではないか、という感じも受けます。可能であれば、設計者に教えて頂きたい気もします）。さて、初段のプレート電源は、さらにRCフィルターを通して供給されます。
　C電源（バイアス電源）は、HER208を用いた両波倍圧整流の後、これもLR8Nで安定化されてバイアス回路に供給されます。
　全体に、真空管アンプでは見たことのないほどガッチリとした電源回路で、ローノイズを追求しているのがよく分かります。作って見て、どんな感じになるのか、楽しみです。

Elekit TU-8340 (3) 一応の完成と、熱雑音に関する検討

基板さえ完成すれば、トランスを乗せて、いくつかのコネクターを接続すれば完成です。部品の交換などがあり、少し時間がかかりましたが、エレキットさんの対応も良く、問題なく作ることができました。

取り付けるトランスは、出力トランスとパワートランスです。

出力トランスは、たぶんアテネ電機製、5KΩのインピーダンスでUL接続用のSG端子付き、リード線にはコネクターがすでに付いています。パワートランスは、北村機電のRコアトランスで、300W級のコアではないかと思います。かなり重いです。

真空管を挿し、取り扱い説明書に従って、B電源の接続だけを外して、C電源（バイアス回路）A電源（ヒーター回路）のチェックをしているところです。全く問題なく動作していました。トランスのリード線にはコネクターが付いているので、配線はとても簡単です。

この状態でも、すべての電源を動作させれば音も出せて、電圧などのチェックができて便利ですが、エレキットさんとしては、感電の危険があるのでしないで欲しいようです。ここは、ひとまず取り扱い説明書に従って、真空管をいったん外し、カバーをつけて音出しをしました。

テスト用の、8cmのフルレンジをつないで、半自動バイアス調整を行い、音出しをしました。最初から、問題なく音が出ました。写真からもわかるように、かなり大ぶりで、スピーカーが小さく見えます。重量も17Kgと、それなりに重たいアンプです。

デスクトップの至近距離で聴くと、ハムノイズは全く聞こえないのですが、ボリュームを絞った状態でも、ホワイトノイズが少し気になります。高感度のフルレンジで鳴らしているせいもあるでしょうし、少し離れれば聴こえませんので、実用上は問題はないと思いますが、シングルアンプのTU-8200に比べても、はっきりとホワイトノイズは大きいことが聴感上で分かります。このような状況では、真空管の発生するノイズを疑うのが普通かもしれませんが、初段の12AT7を、東芝の通測用に替えても、ほとんど同じに聴こえます。（測定して比べるべきでしょうが、手元に電子電圧計がないので、残念ながら、あいまいな話になります。）

ホワイトノイズの発生する理由はいろいろとあるわけですが、少しだけ机上で追求してみます。最初に回路図を見たときから気になっていた、初段のグリッドに直列に入っている、27kΩの抵抗の発生する雑音の大きさを計算してみます。両グリッドに直列に入っている抵抗の値は54kΩなので、気温20度、20KHz帯域で抵抗の両端に発生する熱雑音は、約4.2μVと計算されます。アンプの増幅度については、測定しないと正確にはわからないのですが、オープンゲインの大まかな計算と負帰還抵抗の値から、57倍程度と推定されます（高感度なアンプです）。すると、大雑把な計算ですが、出力側には240μV程度の雑音が発生することになります。アンプの仕様を見ると、残留雑音は、聴感補正(A)をして180μVとなっています。実際にどのくらいこの部分の寄与があるのかは、いろいろ回路を変更して測定しないと分からないのですが、初段の抵抗の発生する熱雑音が無視できないことは確かなようです。（ちなみに、TU-8200の仕様では、残留雑音は90μVとなっています。）

低雑音増幅回路を作るには、回路インピーダンスを下げる、というのが常識なわけですが、真空管アンプは、どうしても高インピーダンスになりがちです。入力のボリュームの値も50KΩもあり、あまり気にしな場合が多いのですが、やはりここは、対策をしたほうがいいようにも感じます。グリッドの抵抗を（例えば）2.2KΩにすると、ここで発生する熱雑音は（上と同じ仮定で）約1.2μVと計算されます。同じ増幅度で、約68μVの残留雑音が発生することになり、かなり改善されます。アンプの増幅度を30倍くらいまで下げられれば、36μVとなり、ほぼ無視して良い感じになります。グリッド抵抗は負帰還回路の安定性にも関わるので、慎重に検討すべきところですが、ドライバー段を12AU7に替えるとオープンループゲインは約1/3、つまり約10dB減少します。そこで、負帰還回路の定数を変えて、アンプの増幅度を1/2、つまり約6dB減らすと、負帰還量は約4dB減ることになります。この状態でアンプの安定度がどうなるかは、実際にやって測定しないとわかりませんが、一つの可能性ではあります。

回路の改造は、測定器も必要ですし、いったんアンプを分解してプリント基板の部品を取り替える、ということになりますから、しばらくは今のアンプの状態で運用しながら、いろいろ考えてみようと思っています。増幅度を下げる意図で、ドライバー段を12AU7互換の5814Aに替えてみました。これで大幅に負帰還量が下がるわけですが、負帰還があるのでアンプとしての増幅度はあまり変わらず、雑音については目立った変化はありませんでした。しかし聴感上は、少し硬めの音だったのが伸びやかな感じになり、こちらのほうが私のシステムには合っている印象です。初段も（少しでも雑音を減らすことを意図して）東芝の通測用の12AT7WAに交換して、しばらく音楽を聴いていました。（いい感じです。）

この後で、出力管をSvetlanaの6550Cに替えたところ、やや緩すぎる印象で、電圧増幅段はオリジナルの12AT7、4本に戻しました。気のせいか、こちらの方がすっきりして良いように感じました。（でも、使い勝手としては、ちょっと高感度すぎる感もあります。）いろいろな出力管で同じ回路定数、というのは、なかなか難しいのかもしれません。EL34と6L6GCでは、相互コンダクタンスは2倍も違います。6550/KT88でも、バイアスが深い部分で使うことになりますから、動作点での相互コンダクタンスは、EL34の場合よりは小さくなっていると思われます。

上記のノイズも、実用上問題になるわけではありませんし、真空管の交換、回路をいじることを含めて、遊びどころの多いアンプです。とにかく、この規模の現代的な回路の真空管アンプが簡単に作れて、ハムノイズは皆無に近く、バイアス調整も半自動で簡単、それでこの価格、となると、ライバルはいない感じです。堂々とした大型アンプで、なかなか見栄えも良く、目の前に設置し、ある程度の大きさのスピーカーにつないで、ゆったりと音楽を聴くのに合ったアンプのように思います。（逆に、いろいろ比べていて、デスクトップオーディオなどの小型システム用アンプとしての、TU-8200の完成度の高さも再認識しました。）

Elekit TU-8340 (2) 製作中

TU-8340の梱包を開けて最初に目につく大きな部品は、幅40cmを超える大きなプリント基板です。

いくつか小さな基板を切り出して組み合わせるのですが、主基板だけでもかなり大型です。取扱説明書に従うと、最初に作るのは小さなボリューム基板です。

主基板との接続のために、スズメッキ線を用いるようになっています。次に、出力端子のサブ基板。これは取付ナットを締めるだけです。

主基板にパーツを取り付けるのが、組み立て作業の主要部分になります。特に抵抗を間違えないように、慎重に回路図を追いながら作業をしましたが、数時間で終わりました。主基板は、サイズの大きさに比べて部品数は多くないので、回路規模の割に、あまり部品数が多くは見えません。これは部品面ですが、完成すると裏になります。

真空管が付く表面は、このような感じです。4個のタイトUSソケットと、4個のプラスティック・モールドの９ピン・ミニチュアソケットが見えます。ミニチュアソケットは、歴史と実績のある、QQQブランド（もと中央無線、いまはテクニカル電子）のものです。USソケットの手前に、バイアス状態表示用の3色LEDが付けられているのが見えます。

アンプ（右チャンネル）部分のクローズアップです。0.47μFという大容量のフィルムコンデンサーがカップリングコンデンサーとして8個使われています。パナソニックのポリプロピレン・コンデンサーのようで、高品質なものです。特別な部品は多くありませんが、2段目のカソードのデカップリングコンデンサーは固体半導体コンデンサーが使われています。抵抗はほとんどすべて1/2W、5%級のカーボン抵抗ですが、抵抗値を測ってみると、概ね誤差1％以内に収まっています。出力管の電流検知用の抵抗だけは、念のため1%級の金属皮膜抵抗に交換しました（やや大型です）。奥に見える黒い箱はリレーで、UL接続と三極管接続の切り替えに用いられています。

電源部のクローズアップです。大型のブロックコンデンサーは450V220μFで、両チャンネルそれぞれに用いられています。電解コンデンサーは、すべて国内メーカーの105℃品が用いられており、信頼性重視の設計に見えます。整流回路は2系統（B電源と電源増幅段のヒーター）あり、どちらにも1000V4A規格のブリッジダイオードが用いられています。バイアス回路には、ヒーター電源から電源が供給され、自動バイアス調整基板上で負電圧に変換されているようです。手前には、B電源のリップルフィルターに用いられるパワーMOS-FETが4個見えます。それぞれのFETの向こうに見える小さな部品はツェナーダイオードで、半導体素子の保護用にツェナーダイオードが多用されています。一番手前のスイッチは、UL接続と三極管接続の切り替えスイッチです。

AC電源入力部は、別の小さな基板になっています。ACインレットから電源スイッチまで基板になっており、ケーブル配線をしなくていいように配慮されています。複数のコネクターパターンが基板に用意されているのは、複数の電源電圧に対応するためです。

ケースにこれらの基板を組み込むと、ほぼ完成です。

中央に見える紫色の基板が、自動バイアス調整用のサブ基板です。これは完成品で供給され、カバーの基板も付いているので、内部の回路は見えません。ブラックボックス状態です。

ケースへの組み込みで気づいたのは、ケースが頑丈で重量級なことです。組み込むトランスが重いからだと思いますが、カバーまで含めると、ずいぶん重量があります。素材は鉄なのですが、厚さをノギスで測ったところ、1.7mmくらいありました。また、ナットが全く用いられていない代わりに、Sタイトネジという、タッピングビスの一種が多用されています。これを厚い鉄シャーシにねじ込むには、けっこう力が必要です。最初は普通のドライバーで頑張っていたのですが、途中からは、電動ドライバーを用いることにしました。一度ねじ込んでタップが切られれば、それ以降は普通のドライバーで大丈夫です。

あとは、トランス類を組み込んでカバーを付け、真空管を差して調整を済ませれば完成です。

Elekit TU-8340 (1) 回路図からの考察

2016年11月末に発売された、エレキットの真空管アンプキット、TU-8340を入手しました。エレキット初のプッシュプル真空管アンプキットということで、期待の大きい製品です。回路図は公開されていないので、例によって、まずは回路を見るのが最初の楽しみ、ということになります。

回路構成の概略を（回路図を出さずに）説明してみます。出力段はEL34/6CA7のプッシュプルで、UL接続と三極管接続を切り替えられますが、UL接続をメインと考えているようです。切り替えはリレーを用いています。プレート電圧は370Vとやや低め、プレート電流の設定は60mAくらいのようなので、少し低電圧、高電流寄りの動作点です。出力管を変更しても、同じ動作点になるように、（このキットの売り物の、マイコンを用いた回路で）自動設定されます。

電圧増幅段は、12AT7/ECC81をチャンネルあたり2本用いたもので、「基本的には」2段差動増幅です。各増幅段の接続はCR結合で、直結段はありません。かつては、直結段により低域時定数を減らすことが設計者の腕の見せ所、という時代もあったと思うのですが、設計、測定技術が進歩して、逆に、低域時定数3段でも大丈夫、という感じなのでしょう。初段、ドライバー段、それぞれが共通化ソード回路にLM234を用いた定電流回路が接続されており、差動回路となっています。初段は約0.5mA、ドライバー段は約2.8mAのプレート電流の設定です。興味深いのは、定電流回路になっているにも関わらず、ドライバー段のカソードは電解コンデンサーでバイパスされていることです。ACバランスを考えると、バイパスしないほうがいいように見えるのですが、バイパスしたほうが出力電圧が取れる、などの理由からバイパスしてあるのかもしれません。

負帰還は、出力トランスの2次側から初段の差動回路のマイナス側に戻されており、コンデンサー2個を用いた、少し凝った微分型位相補正が行われています。やや悩ましく感じたのが、初段のグリッドに直列に入った抵抗の値です。回路図には2.2kΩとあるのが、27kΩと（常識的な値より）高いものに変更されています（マニュアルの訂正がオンラインで公開されています）。単なる回路図の間違いか、なんらかの理由で、ある時点で変更されたのか、気になるところです。このグリッド抵抗は、初段のミラー容量（帰還容量）とローパスフィルターを構成するので、帯域制限となる一方、負帰還回路を安定させる方向に作用します。当初は2.2kΩで設計されていて、安定度を上げるために抵抗値を変更したのかもしれません。2.2kΩにしたい誘惑も感じますが、やはり安全側に振って、説明書通りに組み立てるべきでしょう。

B電源は、TU-8200などと同様に、パワーFETによるリップル・フィルターを、4系統に用いたものとなっています。平滑コンデンサーから両チャンネルを独立させており、（出力段がAB級動作なだけに）セパレーションに気を使っている様子が伺えます。電圧増幅段は直流点火で、その回路から自動バイアス回路にも電源が供給されています。自動バイアス回路には正の12Vが供給されており、負電源ではありません。チャージポンプ型のDCDCコンバーターか、アイソレーション型のDCDCコンバーターを用いて負電源を作っているのだろうと思われます。マイコンを用いた自動バイアス回路については、完成品として供給されています。回路図と組み込みのプログラムを知りたいところですが、マニュアルには情報はありません。

回路を見ている段階で、他に気になるのは、抵抗の選択です。増幅段の抵抗は、ほぼすべて1/2W、5%級のカーボン抵抗です。ドライバー段のプレート抵抗は、約200mWの損失があるので、2倍半のマージンがあるとはいえ、温度上昇を考えると、1Wの酸化金属皮膜抵抗にしてもいいように感じます。また、出力間のカソードに入っている電流検知用の抵抗は、1%級で温度係数の低い金属皮膜抵抗を使いたいところです。この辺は、大きな問題ではないのですが、製作時まで悩むことになりそうです。

全体的には、面白いアイデアがあって、（キットとして、部品の種類を減らし作りやすくする、という制約のある中で）きれいに設計された回路だな、と感じました。