食欲の秋
電子工作の秋
今話題のアキは安芸高田市
ちょっと色々ありまして、表題の「昔作った金田式DCパワーアンプをレストア」プロジェクトを二ヶ月ぶりに再開した。
要するにワテがこの二ヶ月ほどスランプに陥っていただけなのだが。
このアンプは二十年近く前に自作したモノラル2台構成の金田式A級30Wパワーアンプだ。現在では動作は不明だ。
そのアンプをKiCadで設計し直した専用基板使ってA級15Wパワーアンプとして復活させるべくレストアしているのだ。
前回までで以下の作業が完了している。
- ±50V定電圧電源基板が2枚完成
- ±20V大電流定電圧電源基板の1枚目完成
当記事では以下の作業を紹介する
- ±50V電源、±20V電源、ブリッジ整流回路をシャーシ組み込み（1台目）
- パワーアンプ基板、DC検出＆スピーカー保護回路基板をKiCadで設計
- KiCad設計した基板をPCBWayさんに発注
前回記事はこちら⤵
では本題に入ろう。
電源部を組み上げる
電源トランスを塗装する
下写真が解体中のパワーアンプ（モノラル）だ。
写真 解体中のパワーアンプ（モノラル）
上写真の電源トランス、巨大電解コンデンサは全てジャンク品だ。
こんな巨大電解コンデンサは過剰かと思うが、一個500円くらいで売っていたので採用したのだ。新品で買うと何千円もすると思うが、そんなのはプアオーディオ派のワテには買えない。
シャーシはタカチのHY型と言う側面がヒートシンクになっているアルミサッシケースを採用している。
ワテの場合、電子工作でこんな高級シャーシを買ったのはこれが初めてだった。いつもならリードさんのアルミ弁当箱シャーシあたりを使うのだが、この時は一世一代の大勝負と言うくらいに気合を入れて製作したのだ。ちょっと大袈裟か。
電源トランスはジャンク屋で同じものを2個購入していたやつがあったので、モノラル構成で2台のアンプを作ることにしたのだ。それにA級アンプは発熱が凄いと聞いていたので、放熱の観点でもモノラル構成とした。
写真 大昔にジャンク屋で入手したONKYOの電源トランスも再利用する
上写真のようにONKYO電源トランスは塗装の状態が悪い。錆も少し浮いている。
そこで下写真のように分解して、塗装をすることにした。
写真 電源トランスを分解して塗装をすることにした
トランスケースの表面を240番くらいの紙ヤスリで軽く研磨しておいた。
下写真のように黒の艶消しスプレーで三回塗りした。
写真 黒の艶消しスプレーで三回塗りした
ワテが使ったスプレーがこれだ。
下写真のように見違えるように綺麗に塗装出来た。
写真 三回塗りしたら見違えるように綺麗になった
下写真のように銘板を両面テープで貼り付けたら、新品同様に復活出来たぞ。
写真 銘板を両面テープで貼り付けたら新品同様のONKYO電源トランスの完成
素晴らしい。
電源トランス・安定化電源基板をシャーシに組み込む
その電源トランスや既に完成している±50V電源（電圧増幅段）、±20V電源（出力段）を下写真のようにタカチシャーシに組み込んだ。
写真 タカチシャーシに電源トランス、電源（2種類）、ブリッジ基板を組み込んだ
ちなみにシャーシの裏側は下写真のようになっている。
写真 レストア中のA級15W DCパワーアンプのシャーシ底板
上写真のように、シャーシ底板には放熱を考慮して多数の穴を開けた。以前に住んでいた部屋で小型卓上ドリルを使って、汗だくで開けた記憶がある。
インシュレーターは高級品を買う予算が無かったので貼り付け式ゴム足にした。というのは冗談で、高さをあまり高くしたくないと言う理由もあり、ゴム足にしたのだ。
下写真は左が±50V安定化電源（電圧増幅段）、右が±20V大電流安定化電源（出力段）だ。
写真 左：±50V安定化電源（電圧増幅段）、右：±20V大電流安定化電源（出力段）
どちらもKiCadで設計してPCBWayさんに発注した両面スルーホール基板を使っている。
PCBWayさんに黄色レジストに白色シルク文字で発注すると、上写真のような色合いに仕上がる。
この色合いは下写真のサンハヤトのユニバーサル基板っぽい雰囲気になるので、金田式オーディオ機器の自作には最適だとワテは思う。オーディオは見た目が重要なので。
下写真のように抵抗やタンタルコンデンサを並列接続している箇所があるのだが、追加分は基板裏側に取り付けている。
写真 抵抗やタンタルコンデンサを基板裏側に並列接続
その結果、上から見るとスッキリして見える。これも見た目重視作戦だ。
1.5KΩを3並列で500Ωにしている箇所は雑誌掲載のオリジナル回路では330Ω/2Wなのだが、手持ちに無かったので3並列作戦にした。
330Ωを雑誌記事を無視して勝手に500Ωに変えた理由は、確かこの330Ωはかなり発熱した記憶が有ったので、抵抗値を大きくすると同時に3並列にすれば発熱が抑えられるだろうと思ったから。
ブリッジ整流回路を製作する
下写真はブリッジ整流回路の製作途中の様子だ。
写真 ブリッジ整流回路の製作の様子（長ネジを通して高さを揃えた）
上写真のブリッジ整流回路の回路図とプリント基板レイアウトは以下の通り。KiCadで描いたものだ。
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写真 ブリッジ整流回路の回路図とプリント基板レイアウト
カソードコモンタイプの三本足のダイオード（新電元 D10LC20U）が沢山手持ちに有ったので、これを使ってブリッジ整流回路を2つ描いた。電圧増幅段と出力段のそれぞれに使う。
ダイオードを並列に使っても電流がそれぞれの素子に均等に流れる訳では無いから、電流容量を増やす目的で並列にしたのではなくて、単に手持ちに有ったから。なので一素子でも十分な電流容量200V10Aはある。
下写真のように電線の末端には裸丸形圧着端子を付けて、ネジ型電解コンデンサにネジ固定できるようにした。
写真 電線に裸丸形圧着端子を付けてネジ型電解コンデンサにネジ固定する
裸圧着端子は電子工作でよく使うので、電子工作を趣味として長くなるなら圧着工具も買っておくべき。
下写真のマーベルのやつや、類似の国産品（ロブスター、HOZAN、その他）は5千円前後の価格なので安くはない。
ワテも最初の頃は圧着工具を持っていなかったので、圧着端子をペンチなどでカシメていたのだが、綺麗には仕上がらない。やはり専用の圧着工具は一丁買っておきたい。
下写真のように電源トランス、ブリッジ整流回路基板、±50V電源、±20V電源、電解コンデンサを電線で接続した。
写真 電源トランス、ブリッジ整流回路基板、安定化電源、電解コンデンサを電線で接続
接続に使ったのはホームセンターの切り売りの1.25mm2の電線だ。DAIEI電線は手持ちに無いので使っていない。
安定化電源回路のパワートランジスタはアルミLアングルに固定しているので、下写真のように短い電線で配線した。
写真 安定化電源基板とパワートランジスタを短い電線で接続
上写真のように安定化電源基板とパワートランジスタはなるべく短い電線で接続出来るように基板やレイアウトを設計したのだ。
本当ならこの数センチの電線も使わないようにするために、パワートランジスタも基板上に搭載する案も検討した。
例えば以前に自作した下写真に示すパワーアンプはパワーMOS FETも基板上に取り付けて最短配線を実現している。
写真 パワーMOS FETも基板上に取り付けて最短配線を実現したパワーアンプ（PCBWay基板）
今回もこのような基板設計を検討したのだが中止した。その理由はシャーシの殆どの部分を電源トランスと巨大電解コンデンサが専有していて、プリント基板を配置出来るのはその上部の3cmほどの空間なので設計の自由度が少ないのだ。
安定化電源部の動作確認成功
さて、電源部の配線作業が完了したので早速動作確認を行う。
±50V基板、±20V大電流基板はどちらも事前に単体での動作確認は成功しているので、配線間違いが無ければ問題なく動作するはずだ。
AC100Vの電源コードやヒューズの配線が未だなのでONKYO電源トランスが使えない。なので下写真のように、手持ちの高砂製作所の安定化電源を二台並列で使って、ブリッジ整流回路の出力電圧に相当するDC電圧を生成した。
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| ±50V安定化基板の入力電圧は非安定約±80V | ±20V安定化基板の入力電圧は非安定約±31V |
これらの正負電圧を安定化電源基板に入力して、その安定化出力の正負電極間をテスターで計測した（下写真）。
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| ±50V安定化基板の正負電極間は100Vで正常 | ±20V安定化基板の正負電極間は40Vで正常 |
上写真のように±50V基板、±20V基板共に正常動作が確認出来た。
気分爽快だ。
という訳で、現状では下写真のようにモノラル2台構成の1台の電源部が完成した。
写真 モノラル2台構成の1台の電源部が完成した
2台目のアンプも±50V電源は製作済だ。±20V電源はまだ未完成なので時間が有る時にササッと完成させたい。
なお、電源部には巨大電解コンデンサを採用しているので突入電流（ラッシュカレント）が気になる。今回は何ら対策を施していないが、将来的には突入電流防止回路を作りたいと思っている。
実はレストア前のA級30Wパワーアンプにはリレーを使った突入電流防止回路を組み込んでいた。
つまり電源トランス1次側AC100Vに数十Ω前後の電流制限抵抗を入れて電源スイッチON直後はラッシュカレントを防ぐ。数秒後に電解コンデンサが充電された頃に、リレーをONして電流制限抵抗をバイパスすると言うよく見かける回路だ。
ワテ設計のこの回路はまあまあ期待通りに動いたのだが、何故か、正常動作しないことが稀にあった。
その結果、電流制限抵抗にAC100Vが掛かり続けるので猛烈に発熱して抵抗が燃えると言う事故が二度程起こったような記憶がある。
という事で、リレーは使わずに半導体素子（サイリスタ、トライアックなど）を使った突入電流制限回路を将来的には設計して組み込みたいと思っている。
写真 電源部が完成した金田式風A級15W DC パワーアンプ（モノラル1台目）
上写真の左側にあるのはレストア前のアンプ部とDC検出＆保護回路だ。
アンプ基板の設計
レストア前のアンプ部とDC検出＆保護回路を下写真に示す。
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写真 レストア前のアンプ部とDC検出＆保護回路
レストア前のアンプ部もサンハヤト AT-1Sにパーツをはんだ付けしている。
使用した部品は、抵抗は主にニッコーム 1/2Wタイプ、入力部Dual FETは2N3954が高くて買えなかったので2SK30AGR（ATMかも）x2個、NECのメタルカントランジスタ2SC959/960（放熱器）、2SA606/607（放熱器）も手持ちに何個かあったので使っているようだ（昔の事なので覚えていない）。
でも今確認したらパワートランジスタ駆動部のトランジスタ（TR8）は本来2SC959指定の部分に2SC1008Aを使っていることが判明した。2SC1008AもNEC製で見た目は2SC959などにそっくりだ。なぜ2SC1008Aを使ったのかな？
hFEを計測してNPN-PNPコンプリペア（TR8, TR9）を組んだ時にhFEの値が揃ったやつを選ぶ上で2SC1008Aのほうがペアに適していたと判断したのかも知れない。
まあ新たに製作するレストア機では現状のまま2SC1008Aを再利用するかな。
ワテの場合、純正金田式には全く思い入れは無いので、見た目が金田式風なら何でも良いのだ。
KiCadでアンプ基板を設計する
さて、二ヶ月ぶりにKiCadを使ってアンプ部を設計した。
でも実は二ヶ月前の時点で下図の回路図は描いていたのだ。その後、スランプに突入したのだ。
スランプ突入防止回路でも有れば良いのだが。なんのこっちゃ。
図 金田式A級15W DCパワーアンプ回路図
差動増幅回路が二段になっている。一段目の共通ソース部分にはカレントミラー定電流回路が入っている。まあ電子回路初心者のワテの場合、それくらいしか分かっていない。
この回路はシンプルでワテでもまあどうにか理解できる気分になれるが、差動一段目にカスコードブートストラップを組み合わせるような複雑な回路はワテは良く分からん。
一段目の二個のFETのソースは200Ωの半固定抵抗につながるが、オリジナル記事ではコパルの80+40+80Ω（40が可変部分）と言う特殊な半固定抵抗が使われている。
そんな部品は入手困難なので、ソースと半固定抵抗の間に固定抵抗を入れられる仕様に変更した。
あと、上図には四角□形状のシンボルが幾つか描いているが、これはGeneric Connetorと言う汎用のシンボルだ。例えば出力段のTO-3パワートランジスタ（2SA627/2SD188）のEBCの3箇所も□シンボルを付けている。
この□シンボルには◎形状のフットプリントを割り当てる事で、プリント基板に半田付けの丸いランドを形成するのだ。
要するにTO-3パワートランジスタは基板には半田付けせずにシャーシに取り付けるので、その間を接続する電線用の半田付けランドが必要になる。□シンボルはその為に使っている。
この回路図を元に設計したプリント基板を下図に示す。
図 A級15Wパワーアンプ基板（完成予定3DCG、斜めから）
四つのエミッター抵抗MPC74（0.47Ω/5W 金属板抵抗器、福島双羽電機株式会社）を横並びで配置して、かつ、横に寝かせることで高さ3cmと言う狭い場所に基板を固定出来る。
この辺りの工夫でかなり苦労したがどうにか完成した。
KiCadに無い3Dモデルは自分で作る事も可能
なお、このアンプは出力段のパワートランジスタはNPNx2個、PNPx2個の合計4個のTO-3型メタルカントランジスタを使う。そのエミッタ抵抗（0.47Ω/2W）には福島双羽電機株式会社の金属板抵抗器MPC74低ひずみ品（0.47Ω/5W）というやつを使っている。確か秋月電子で買ったやつかな。
その4つのMPC74抵抗を横に並べて配置して基板に沿うように寝かせる事で高さ3cm以内に収める事にした。
その結果、4つのMPC74が横並びになり、その出力側はアンプ出力端子で一箇所に集まるので基板のレイアウトに矢印みたいなパターンが出来た。
ちなみにMPC74金属板抵抗器を横に寝かせた3DモデルはFusion360で自作した（下図）。
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図 MPC74金属板抵抗器を横に寝かせた3DモデルはFusion360で自作
上図において、抵抗器の直方体部分は簡単に作れる。
一方、曲げたリード線もFusion360のスイープ機能を使えば簡単に作ることが可能だ。
Fusion360のような高性能な3D CADが無料で使えるのが嬉しい。
DC検出＆スピーカー保護回路の基板設計
アンプ基板設計が完了したので次はDC検出＆スピーカー保護回路の基板設計を行った。この基板が完成すればアンプレストアに必要な基板が全て揃う事になる。
図 DC検出＆スピーカー保護回路の回路図
この回路図を元に描いた基板レイアウトを下図に示す。
図 DC検出＆スピーカー保護回路の3DCG完成予定図
上図で青色の6ピンXHコネクタは±20V大電流安定化電源基板にある6ピンXHコネクタと接続する。
この基板左側にあるLchやRchのAmpOut入力端子はアンプの出力端子に接続する。
そのアンプ出力に直流成分が出るとこの基板で検出されてSN7400を使ったロジック回路が働き、±20V大電流安定化電源基板の出力を遮断するのだ。その結果、スピーカーに直流が流れるのが防げる。
この回路はリレーなどのメカニカルな部品を使うスピーカー保護回路よりも信頼性も高く反応速度も速い上に、簡素な回路で構成されているので使い易い（ワテの感想）。
ただし、アンプが安定していれば良いが、作りが悪くて不安定な場合とか、あるいは前段に接続したプリアンプからDC漏れがあるなどの場合には、頻繁に保護回路が働いてしまうので音楽を聴いているどころの余裕もない（ワテの経験）。
という事で、今回のレストアでは安定性を重要視して完成度の高いアンプ完成を目指すのだ。
なお、一つミスをしてしまった。
それは±20V電源基板とこの保護回路基板は6ピンXHコネクタで接続するが、実際には7つの信号が必要だったのだ。なので6ピンXHコネクタとは別にもう一本電線を追加して7番目の信号線を半田付け出来るようにしている。
もしこの基板の希望者さんがいる場合には、7ピンXHコネクタに改良したVer.2を製作したい。
PCBWayさんにプリント基板を発注する
さてKiCadで基板設計が完了すれば、プリント基板製造業者さんに発注出来る。
電源基板はPCBWayさんに発注したので、アンプ基板と保護回路基板もPCBWayさんに発注する。
ワテの場合は下図の「PCBインスタント見積もり」メニューを使う事が多い。その名の通り、お手軽で簡単なのだ。
写真 PCBWayさんの「PCBインスタント見積もり」メニューをクリック
そうすると上図のように「クイックオーダー基板」と言うメニューがあるのでクリックすると下図が出る。
下図のように「ガーバーファイルを追加」ボタンをクリックするとファイルアップロード画面が開くので、事前に準備しているガーバーファイルをZIPでまとめたものをアップロードすれば良い。
写真 「ガーバーファイルを追加」ボタンクリックしガーバーZIPファイルをアップロード
KiCadでガーバーファイルを出力する方法やZIPでまとめ方法は他の記事で詳しく説明しているので参考にして頂きたい。
さて、ガーバーZIPファイルを無事にアップロードすると下図のように自動で基板の縦横寸法が入力欄に入る。
写真 基板寸法は自動読み取りされる
あとは上写真の基板枚数の入力と、下写真に示す幾つかのパラメータを指定すれば良い。
写真 PCBWayさんの基板発注画面のパラメータ設定
上写真に於いて、ワテが良く使うのは赤丸で囲ったやつだ。
具体的には以下の通り。
- レジストの色：黄色を指定（デフォルトは緑色）
- シルク文字の色：白色を指定（デフォルトは白色）
- 表面処理：有鉛ハンダレベラー（デフォルト）
- 銅箔の厚み：1 oz Cu（=35μm）
今回はレジスト色、シルク文字色のみ指定した。それ以外はデフォルトだ。
これで両面スルーホール、ガラスエポキシ1.6mm厚のプリント基板が発注出来る。
これで基板10枚の制作費が5ドル、Fedex送料が27.05ドル、合計32.05ドルと表示されている。
これで良ければ「カートに追加」ボタンをクリックすれば良い。
「カートに追加」をクリックしても注文は確定しないので安心だ。
「カートに追加」をクリックするとPCBWay側でガーバーデータのレビューが行われて、データーに問題が無ければ「支払い待ち」状態になる。
その時点で支払い処理を行えば、発注が確定する。支払い前ならキャンセルすることも可能だ。
なお、今回は二種類のガーバーデータをアップロードしたので、PCBWayさんのサイトにログインすると、現在のワテのステータスは二件の注文が支払い待ち状態になっている。
もし同梱発送して欲しい場合には、その二件の注文をチェックして一括で支払い処理を行えば同梱扱いになり、二種類の基板製造が完了すると自動で同梱発送して貰える。
という事で、このあとで支払い処理を行った。
まとめ
涼しくなってきたので二泊三日くらいの車中泊の旅に出掛けたいと思っている。
温泉＆美味いものを食う旅にしたい。
さて、二ヶ月と言う長いスランプからようやく回復しつつあるワテであるが、金田式風 A級15W DCパワーアンプ（モノラル2台）のレストア作業を再開した。
当記事では、そのパワーアンプに使うアンプ基板、DC検出＆スピーカー保護回路基板をKiCadで設計しPCBWayさんに発注するまでの作業を紹介した。
KiCadを使って画面上で入念にデバッグ作業を行えば、設計したプリント基板に間違いが入り込む可能性は限りなく小さく出来る。
逆に言えば描いた回路図が間違っていると、プリント基板パターンも間違えるので、間違った基板が完成してしまう。
なので、KiCad設計では以下の点に注意して作業を行うと良い。
- 回路図の入力で間違えない
- 部品の足の並び、特にトランジスタやFETのECBやGDSの並びを入念に確認する
- デザインルールチェックを何度も実行する
これらの点を注意しておけば、失敗を減らすことが出来る。
あと、Fusion360も使いこなして、必要なパーツの3Dモデルを作れるようになると益々便利にKiCadを使いこなせるようになる。
雑誌記事ではこのA級15Wパワーアンプの出力段アイドリング電流は 0.97A が指定されている。電源電圧が±20Vなので無信号時には約40Wの発熱があるのかな。それが二台で80Wだ。
80Wの発熱が有れば冬場なら小型のヒーターになるので、冬が来る前に完成させたい。
ワテのPCオーディオ環境は、現状ではぺるけ式ミニワッターと差動バランスヘッドホンプリを組み合わせて使っている。
その環境にこの金田式風A級15W DCパワーアンプも組み込みたいと思っている。
次の電子工作はアンプセレクターを作るかな。
兎に角、早くこの金田式風DCパワーアンプを完成させるぞ。
（続く）
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