電力増幅段用電源の設計 EL34/6CA7 3結 プッシュプルアンプ

+400Vはアイドリング時100mAで、最大出力時140mA（平均値）です。+400Vに用いるトランスはタンゴのME-275です。

電圧増幅段用電源の設計 EL34/6CA7 3結 プッシュプルアンプ

電圧増幅段に必要な電圧は、DC±15VとDC±70V２種類です。

DC±15VとDC±70Vに用いるトランスはフェニックスに仕様を出して作ってもらいました。巻線はAC14V/0V/AC14VとAC60V/0V/AC60Vで、容量はそれぞれ0.2Aです。

下の写真は納入されたトランスを測定しているところです。

アンプ全体の特性をシミュレーションする EL34/6CA7 3結 プッシュプルアンプ

電力増幅段と電圧増幅段を接続してシミュレーションしてみましょう。
.MEASコマンドと.FOURIERコマンドを使って特性を読み取ります。

　　　　　　　　　　　　　　　シミュレーション回路

電圧増幅段の特性を確認する EL34/6CA7 3結 プッシュプルアンプ

LTC6090の閉ループ特性をもとにカットオフ周波数を決める方法ではうまくいかないことが分かりました。原因は、LTC6090のスルーレート特性が歪を伴う独特なものである事に加え、ゲインを大きくしたためオペアンプに対する負帰還量が減少し歪を改善させることができなかった事にあります。

オペアンプLTC6090の特性を確認する EL34/6CA7 3結 プッシュプルアンプ

アンプ各部のゲインと周波数特性を図示しました。

電力増幅段の損失をシミュレーションする EL34/6CA7 3結 プッシュプルアンプ

プレート損失が規格内に入っているかシミュレーションします。

電力増幅段の特性をシミュレーションする EL34/6CA7 3結 プッシュプルアンプ

電力増幅段のシミュレーションを行います。

合成特性曲線から出力を計算する EL34/6CA7 3結 プッシュプルアンプ

プッシュプルアンプの出力計算について、合成特性曲線を描き負荷インピーダンスの1/4でロードラインを引いて見積る、ということが知られています。

真空管アンプ電源 +460V電源 実験その２

過渡応答波形を確認しました。
下図は、再掲載ですが過渡応答測定治具の回路です。
115mAの矩形電流を負荷として加えています。

下の写真は過渡応答波形です。

波形の立ち上がり直後から約500KHzの細かな振動が観測されました。
これは発振しているのではないかとちょっと慌てましたが、±78V電源で経験したLC共振と現象が似ていることに気づきました。

この現象の原因は何か少し考えてみました。
+460V電源は、オペアンプのマイナス端子側がグランドに接続されていて、プラス端子側はグランドではなく出力電圧側を基準とした電圧に接続されています。過渡的な電流変化によって出力に生じたノイズ成分は抵抗で分圧されてオペアンプのプラス端子に加わり、それが増幅され今回の現象になったのではないかと推測しました。

これを確認するため、下図に示す位置にノイズバイパス用のコンデンサを入れてみました。

330pFを入れた時の過渡応答波形が下の写真になります。

細かな振動は無くなっています。

コンデンサを挿入することで電源のクローズループゲインがどうなるかシミュレーションしてみました。下図がシミュレーション回路になります。

コンデンサの値を1nF、100pF、330pFと変化させてシミュレーションした結果が下図になります。

ゲインが0dBになる周波数と位相余裕は以下の通りです。

  1nF　 ：　28.6KHz　　85.9deg
100pF　：　27.7KHz　　71.5deg
330pF　：　23.4KHz　　49.5deg

330pFを入れると過渡応答の波形は綺麗になるものの、電源全体の位相余裕は大きく減少することがわかります。この場所にコンデンサを入れるのは適当でないようです。

ロードレギュレーションですが、電流値は45KΩ負荷と45kΩ//4kΩ負荷の二通りで確認しました。

45kΩ（10.2mA）
      電源基板出力  460.035V
      治具入力        460.035V

45KΩ//4KΩ（125.2mA）
      電源基板出力  460.033V
      治具入力        460.026V

治具までの抵抗分は±78V電源で測定した時と同じで75mΩでした。電源本体は、115mAの電流変化で2mV電圧が低下しています。電圧が低下しているのは事実ですが、マルチメータの精度を考えると電源の出力インピーダンスはこうだと言える数字ではありません。

参考文献：
　　遠坂俊昭、電子回路シミュレータSIMetrix/SIMPLISによる高性能電源回路の設計、CQ出版、2013、p.158−173
　　本多平八郎、作りながら学ぶエレクトロニクス測定器、CQ出版社、2001、p.52−90

真空管アンプ電源 +460V電源 設計とシミュレーション５

（４）タイマー回路

555をシリーズ接続しています。動作をシミュレーションで確認しました。

上記の回路定数でTimerAの動作時間は28.9秒、TimerBの動作時間は1.7秒という結果になりました。
TimerAはヒーターのウオームアップ時間になります。TimerBは電源出力の起動時間（＝出力コンデンサのチャージアップ時間）となります。

（５）ラッチ回路

ラッチ回路は、負荷に異常が発生した場合、定電流回路が動作した事を検出し一定時間後に定電圧制御回路をシャットダウンするものです。

下図は定電流回路が動作した事を検出する回路になります。

定電流回路が動作すると、オペアンプ出力からコンマ数mAの電流が流れます。この電流をオペアンプの出力に接続したフォトカプラの一次側ダイオードに流し、二次側を検出信号としています。

ダイオードと並列に接続された100KΩと910KΩですが、フォトカプラの逆耐圧が5Vと非常に小さいので保護のため入れてあります。

下図は、シミュレーション回路になります。

フォトカプラの一次側に電流が流れると二次側のトランジスタがオンします。
オペアンプのマイナス入力端子の電圧はR1//R2XC1の時定数で+15Vから徐々に下がっていき、プラス入力端子の電圧より下がった時点でオペアンプ出力はマイナス側からプラス側に反転します。

オペアンプ出力がプラスになると接続されたFETがオンします。
FETのドレインはフォトカプラ出力のコレクタとワイヤードORになっているため、この状態は電源を切るまで保持されます。

この回路は信号のエッジでラッチするのではなく時間（CRの時定数）でラッチするので、ノイズに強く誤動作しにくい回路となっています。

この回路でオペアンプはコンパレータとして動作しています。入力のプラス端子とマイナス端子の間に保護用のダイオードが入っているオペアンプは使用できませんので注意してください。

下図はシミュレーション結果になります。
上記で説明した内容通りの動作となっています。
フォトカプラの一次側に電流が流れてからラッチするまで3.9mSです。

参考文献：
　　遠坂俊昭、電子回路シミュレータSIMetrix/SIMPLISによる高性能電源回路の設計、CQ出版、2013、p.158−173
　　本多平八郎、作りながら学ぶエレクトロニクス測定器、CQ出版社、2001、p.52−90