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ヘッドフォーンアンプ 2
   
2012/01/13

構想

昨年ポータブルヘッドフォーンアンプを製作しましたが、それが完成するまでに様々な事
を学びました。 40の手習いとよく言われますが、それらは何と『60の手習い!?』
なるわけです。 正直言って出来上がった物は満足度が非常に高いのですが、それじゃ
ベストか?と言われると、まだまだそれは程遠いと言わざるを得ません。

というのは製作の過程であれはどうなんだ?、これはいいのか? などと改善したほうが
良さそうな項目が幾つか残ったまま製作は終了しています。 そういった項目を差引くと
75点くらいの出来栄えと言えるでしょうか?

そしてそれらの問題項目を潰したより完成度の高い第二世代を作りたいと考えています。
そこで手始めにヘッドフォーンアンプ1を製作中に気になった問題点を整理し、潰すべき
重要度の高い項目について列記しました。

  1.様々なヘッドフォーンに対する駆動能力
    現在設計が進行中のデスクトップ小型アンプに内蔵するヘッドフォーンアンプの構想でも触れているように、ヘッドフォーン
    アンプはスピーカーを駆動するアンプのような大出力は不要なものの、駆動する負荷抵抗のレンジは8 - 300Ωと極めて広
    いという意外に難しさが伴う側面を持っています。 現在ヘッドフォーンアンプ1で聴いているヘッドフォーンは32Ωと低めの
    インピーダンスながら103dB/mWという高めの変換能率に助けられて駆動能力不足は生じていませんが、近い将来購入
    するであろうヘッドフォーンの中にはインピーダンスがかなり高い、逆に低い、変換能率が低い!などの理由で駆動するの
    が困難な物が出てくるだろうと思われます。 この駆動力を高めたい!というのはかなり重要なテーマです。

  2.電池の経済性の問題
    ヘッドフォーンアンプ1では電源として9Vのアルカリ乾電池(006P)を使っていますが、私が好んで使っているパナソニック
    のアルカリ乾電池006Pの販売価格は家電量販店で\450.-、コンビニで\550.-前後です。 パナソニックが公開している
    データによると50mAの定電流で寿命が10時間となっています。 充電池で言えば500mAhに相当すると言えるでしょう。

    これを例えばエネループの単四型7本(8.4Vと少々電圧が低くなるが寿命が尽きる時点では7Vで乾電池の5.4Vより高く実
    用上問題はない。)
に置き換えたと仮定すると、家電量販店での購入価格は8本で\2,400.-ですから\2,100.-と4.7倍高価に
    なるものの、50mAの定電流での寿命は1.5倍になるため、4回充電してフルに使った60時間をアルカリ006Pでは6個購入し
    ないとなりません。 この時の出費は\2,700となり容易に元が取れることになります。
    (言い換えればアルカリ006Pは大変割高であるということです!)

    但し単四7本の容積は006Pより大きくなってしまうので、単四を4本程度に抑えてDC-DCコンバーターで電圧を上げるなど
    工夫が必要ですが、アルカリ006Pを漫然と使って行くのは無駄が多過ぎそうですので、コンパクトで経済性の高い電源に
    ついて突っ込んだ検討が必要です。

  3.音質の追求と消費電力や大きさとのバランス
    据え置き型のヘッドフォーンアンプであれば電源としてAC100Vを使えますが、充電池を使うか乾電池を使うかは別として
    もここで論じているポータブルヘッドフォーンアンプであれば電池で動かないと駄目です。 勿論屋内で使う時のためにDC
    アダプターを接続出来ても構いませんが、それらが無くても動く事が絶対条件です。

    また当たり前のことですが、ポータブルの場合、小さくて軽い方が絶対的に喜
    ばれます。 これらのポータブルであるために出てくる、@電池による運転、
    A軽量・コンパクト、という条件は音質追及と相反する局面が存在します。
    従ってそのバランスをどこで取るのかはかなり重要なファクターになります。

    この辺りの問題に関係するのですが、例えばデジカメ用の電池を流用する手
    は無いのか?なんてことも時々頭の中をよぎります。
    例えば右の写真の左側は現在私が使っているデジカメ用のリチウム充電地
    で、上はパナソニックのDMC-G1、DMC-GF1用で 7.2V 1,250mAh、下はリコー
    CX-1用で 3.6V 940mAhです。

    一方右側は上からアルカリ006P乾電池 9V 500mAh、単三エネループ 1.2V
    2,000mAh、単四エネループ 1.2V 750mAhです。 これらの電力容量と体積を
    計算して1cm3辺りの電力容量を計算してみたのが次の表です。
    数値が大きいほど同じサイズで大きな電力を出せることを意味しているわけですが、数値の大きい順に並べてみました。

電池名
 
出力電圧
(V)
容量
(mAh)
電力容量
(Wh)

(cm)

(cm)
厚・径
(cm)
体積
(cm3
電力容量/cm3
(Wh/cm2)
デジカメ用リチウム充電池2 3.6 940 3.4 4.0 3.6 0.7 10.1 0.337
単三エネループ 1.2 2,000 2.4 5.0 - - 1.4 7.7 0.312
デジカメ用リチウム充電池1 7.2 1,250 9.0 4.4 3.7 2.1 34.2 0.263
単四エネループ 1.2 750 0.9 4.4 - - 1.0 3.5 0.258
アルカリ乾電池 006P 9.0 500 4.5 5.2 2.6 1.6 21.6 0.208

    計算してみてびっくりしたのはニッケル水素電池が母体のエネループが大健闘であることで、体積容量ではリチウム充電
    池が優れていると言われているにも拘わらず、リチウム充電池に肉薄ないし上回っている場合もあることを見つけたことで
    す。 これは非常にシビアに充電管理を要求するリチウム充電池はそのための回路を内蔵しているので、体積が大きくな
    る傾向にあると想像しています。 そうならばリコーのCX-1用電池は実に小さくすることに意を払われた電池となります。

    兎も角も先ほど述べたアルカリ乾電池の006Pはここでも優れている電池とは言いがたく、高価でかさばる電池ですが、以
    上はこの項目でアプローチすべきポイントのひとつを象徴的に表してているようにも思います。

  4.オペアンプ交換可能な構造・回路
    オーディオ用オペアンプの種類は大変多いですが、単純にスペックの比較だけで音の良し悪しは判別できません。
    実際にそのオペアンプで回路を組んで聴いてみる必要がありますが、2回路入りオーディオ用オペアンプ(8P DIP型)は最
    も種類が多く、ピンの割り振りは殆ど同じですから、ソケットを使って接続する方法を取れば、簡単に交換可能出来て音質
    確認が可能になります。

    但しオペアンプの構造・仕様によっては回路上の配慮点が出てくるのでそれにきちっと対応しておかないとなりません。
    またオペアンプをソケットに抜き差しするのは機械的に壊しやすいので専用の引き抜き治具を使う必要がありますが、そ
    れを使い易いレイアウトでないとなりません。(例えばソケットに接して電解コンデンサーを取り付けるのは不可。)


ここまで進めてきてはっと気が付いた事があります。

それは、『次世代のポータブルヘッドフォーンアンプをいきなり作っては駄目だ!ということです。

最後の項目4.をまともにポータブルヘッドフォーンアンプに適用すると、サイズが大きくなる可能性が高くコンパクトに作りたいという重要項目とバッティングしかねません。 だからといって項目4.の考え方を無視すると、新しく出て来たオペアンプを試すためにアンプ全体を作らなくてはならず、完成後不満足な音質であった場合にはワンサイクルの製作全体が完全に無駄になります。

一方実験台としてのプラットホームを作っておけば、ソケットに新しいオペアンプを差し替えて音質を即確認できますので、その結果が良ければ正式な製作に進み、駄目であれば製作は打ち切りというような無駄を省いたやり方が出来ます。 こんなことからここまで検討を進めてきて製作テーマとしてのヘッドフォーンアンプ2は第二世代ポータブルヘッドフォーンアンプではない!との性格付けが自動的に成されたような気がしています。

何かというと、

   『ポータブルヘッドフォーンアンプを正式に作る前の実験台プラットフォーム』とする。

ということです。 言い換えると次のポータブルヘッドフォーンアンプを作る前にワンクッションを入れて無益な製作作業を省いたほうが良いという考え方です。

これは据え置き型のヘッドフォーンアンプではあり得ない考え方でしょう。


そのような考え方のヘッドフォーンアンプ2の現在考えている仕様を列記してみます。

   1.電源はAC100Vから作るが±1.8V〜±9.6Vの間で調整できること
     1.8Vというのは乾電池2本を直列で使い電池が寿命の時に取り出せる電圧で4本使って±1.8Vが最も低いレンジとして考
     えられます。 また9.6Vは006Pの最大出力電圧を意味しており、電源電圧として最も高いレンジはこの辺りを考えておけ
     ば良いと思います。

     上記はオペアンプ駆動電圧にタガを掛けるものではありません。 一部オペアンプには駆動電圧が許容駆動電圧の上限
     に近いほうが音が良い!なんていう話もあります。 そのような場合にはDC-DCコンバーターで駆動電圧を上昇させる手
     もあります。  ここで規定しようとしているのは、電池の元々の電圧であり、早い話が±9.6Vを超えたらポータブルとは
     言えないような電地仕様になってしまうでしょう! ということです。 

   2.コンパクトさが重要なので、オペアンプだけで構成する回路とする
     低インピーダンス駆動能力を上げるために、オペアンプにバッファー回路を繋ぐ仕様はかなりポピュラーですが、バッ
     ファー回路にトランジスター、FETなどディスクリート部品を使って組み上げた場合には部品点数が大幅に上がりコンパ
     クトさの確保が難しくなります。  また密閉に近いケース構造となりやすいポータブル型では熱問題が起きるような回路
     は使いたくありません。 そこでアンプのみならずバッファーもオペアンプで構成した回路を採用すべき(しつこいようです
     がこれはポータブルヘッドフォーンアンプの話です。)
だと思います。 発熱も避けておきたいの問題ですので、最近ポ
     ピュラーになってきた高性能バッファーIC(バーブラウン BUF634とかナショナルセミコンダクターのLME49600など)の使
     用も躊躇するところです。

     そこで基本的な回路構成はオペアンプを使った増幅回路にオペアンプを使ったバッファーを組み合わせるA47型アンプ
     に固定します。 デスクトップアンプに内蔵するヘッドフォーンアンプがらみで、A47型アンプの駆動能力を確認しています
     が、ポータブルヘッドフォーンアンプ用として十分な能力を持っていると思います。 尚バッファーを抜いた仕様(Chu Moy
     アンプとなる。)
での動作も確認できるよう、バッファー用オペアンプも抜き差し可能なようにします。

   3.オペアンプのオフセット電圧対策を強化
     色々なオペアンプの中には音質は良くてもオフセット電圧が大きいオペアンプも存在するようです。 そしてそれがひどく
     なるとヘッドフォーンを破壊してしまう可能性があります。 オペアンプを交換する度にオフセット電圧を最少に調整すれ
     ば良いのですが、2回路内蔵型のオペアンプでは調整できる範囲が限られ完全補正は困難です。 そこでオフセット電圧
     を消してしまう外部回路を追加します。

     DCサーボという名称の回路がそれですが、中点に出てくるオフセット電圧を含むDC電圧を出力に出さない!という働き
     をします。 従ってDCをカットする目的のコンデンサーが不要になります。 このDCサーボを組むためにオペアンプを更
     に追加しますが、これを最終的なヘッドフォーンアンプにも組み込むかどうかは、オペアンプのオフセット電圧の実力値や
     DCカットコンデンサーを使いたくないかどうかと全体のコンパクトさへの影響度を加味した中での判断になるでしょう。
     プラットフォームの仕様としてはDCサーボあり、無し両方で実験できるようにするのは無論です。

   4.ショックノイズに対する保護
     オペアンプの中には電源ON/OFF時に大きなショックノイズを発する物があるようです。 そしてそれによってヘッドフォー
     ンが壊されたり、耳に装填していたら鼓膜を痛める!なんてこともあり得ます。 電源電圧が所定の値に上昇してしまえ
     ばそのようなショックノイズは出ないようですので、ヘッドフォーン端子を電源電圧が安定するまで遮断してやることにより
     保護する回路を組み込みます。 電源OFFの場合には電圧が低下する前にヘッドフォーンを遮断しないとなりません。

   5.ダミーロードの内蔵
     このアンプは実験台ですから切り替えられるダミーロードを内蔵させておいたほうが性能の確認・測定時に便利です。
     規格品のロータリスイッチは2回路の場合最大は6接点ですので、8、16、30、50、100、300Ωの6種類を選択できれば良
     いと考えています。 容量としては各2Wもあれば充分でしょう。 またこれと並列にコンデンサーを追加してコンデンサー
     負荷時の挙動を確認できるようにします。


回路構想

 以上に対応する回路構想を描き上げました。 左が本体プラットフォームです。 勿論回路
 定数を含めて構想として描き上げただけであり、このままで満足に動作する保証はありま
 せん。 増幅部は絶対必要なものですが、バッファーアンプ、DCサーボについては無しで
 動作させる事もあり得るので、それらを切り離し出来るようスイッチを挿入してあります。
 また全てのオペアンプはソケットで固定とし、交換が容易に出来るようにします。

 入力部分もDCカットコンデンサー有り無しが選択でき、入力をGNDに接続する事により、
 内部で発生するノイズをチェックできます。  バッファーアンプ、DCサーボ、ダミー抵抗の
 ブロックは角が丸い点線の長方形で囲いましたが、それらを前部取り除くと、Chu Moyアン
 プになります。

プラットフォームにエネルギーを供給する電源回路の構想が右の図ですが、ノイズ
フィルター、ヘッドフォーン接続遅延回路、レギュレーター/電源電圧設定回路、中点
電圧制御回路の4ブロックから成り立っています。

この電源の入力部分は24V 0.5Aとなっていますが、これはスイッチングタイプのDC
アダプターを使います。 それが発生するノイズは相当残っていると想像されるので、
コンデンサーとコイルを使ったパイ型フィルターで減衰させてからヘッドフォーン接続遅延回路に進みます。

このブロックは電源ONと同時に120KΩを通った電流がコンデンサーを充電開始し、充電電圧が0.65Vほどになった時にリレーが動作しヘッドフォーンが遅延接続されます。 この間約1.2秒掛かると略算されますが、これによりオペアンプが電源電圧ONで発生するショックノイズでヘッドーフォーンが破壊されないよう防止します。

レギュレーター/電源電圧設定回路はLM317Tを使った可変定電圧回路で、電圧設定レンジをスイッチにより3-12V、10-20Vを選択できるようにしています。 それぞれの電圧範囲設定は500Ωと2KΩのポテンショメータで調整します。(ポテンショメーターの近くに記載された赤字が計算上の抵抗の値です。) 実際に使う時には2KΩの可変抵抗を回して、20Vの電圧計で所定の電圧となるよう設定します。(例えば±9Vであれば、18Vの電圧に調整する。)

中点電圧制御回路はプラス側とマイナス側に流れる電流のアンバランスが生じたときに中点電位がずれますが、そうならないよう制御します。 この回路ではあまり大きなアンバランスが生じないと考えられるので、制御能力には余り拘らず、比較的大きな電流をコントロールできることと出力インピーダンスが大きくならない事に着目しています。

最後に電源スイッチがOFF或いはDCアダプターの接続が外された時には、プラットフォーム本体はこの電源回路の一番右端の大容量コンデンサー(4,700μF)から供給される電流で暫しの間動作が継続します。(略算ですが、プラットフォームの消費電流が60mAとすると、約0.8秒動作継続します。)

一方この電源回路の左端のヘッドーフォーン接続遅延回路のリレーは逆流防止のために挿入されたショットキーバリヤーダイオード(31DQ06)により大容量コンデンサーの放電電流は遮断されリレーは即OFFとなりますので、電源OFF時にオペアンプがショックノイズを発生する前にヘッドフォーンは切断され破壊から守られます。




2012/01/20

構想の続き

前回お伝えした回路構想の中で24V電源から±12V電圧を取り出す部分は仮想接地回路とも呼ばれていますが、これまでに使ったことがないため、バラック配線にてその性能を確認する実験を致しました。 その結果+側と−側の負荷のアンバランスが出た場合に出る電圧のアンバランスは私が期待していたより遥かに大きいことが判りました。 同じような動作をしてくれる優秀な性能を持つ他の回路も出力インピーダンスが高い、±1.8Vではうまく動作してくれない、コントロールできる負荷電流が50〜70mA程度で不足する、などなどうまい解決策が見つかりませんでした。  そこで仮想設置方式はあきらめ本格的なトラッキング電源とすることにしました。

以前±2電源を製作したときにこのトラッキング電源は採用せず、プラスマイナスそれぞれを独立して設定する方式にしました。 それにはそれなりの理由があったのですが、電源となる電池の出力電圧が時間経過と共に下がっていった時のアンプの動作を確認するには、電圧調整の一動作でプラスマイナス両方の電圧絶対値が同じように変化することが絶対必要になります。 そのような電源をトラッキング電源と呼ばれます。

 残念ながら私はトラッキング電源を使ったことはありますが製作したことがありませんので、実際の
 回路を色々調べてみました。  それらの中で電圧可変型の正と負のレギュレーターを使い少ない
 部品点数で出来そうな回路に白羽の矢を当てています。

 左がその回路ですが大変簡単な基本構造です。  入力は+電圧、−電圧、GND(中点)の3つとな
 ります。 正電圧側は通常の電圧可変停電電圧回路と全く同じです。 +出力と−出力の間に2本
 を直列にした同じ値の抵抗を接続しますが抵抗と抵抗が接続された中点をオペアンプの反転入力
 に、そして非反転入力はGNDに繋ぎます。 またオペアンプの出力は負電圧側のレギュレーターの
 ADJ端子(電圧調整端子)に接続し、負電圧レギュレーターの入力と出力は通常通りの接続です。

こうするとオペアンプは反転入力の電位が非反転入力の電位(0V)と等しくなるよう負電圧側のADJに調整信号を送り続けます。 そうすると2つの抵抗は同じ値ですから正電圧と負電圧の絶対値は等しくなり、正電圧が変わった時には負電圧はそれに追従します。

気をつけないといけないのはオペアンプの電源はレギュレーターの入力側から取ります。 従ってオペアンプの電源は最も電圧が高い所から得るわけで、オペアンプの許容電源電圧範囲を超えないよう注意しないとなりません。 またオフセット電圧が小さく温度変化に安定したオペアンプでないとならないでしょう。


以上の回路を採用する場合にはこれまで考えてきた24V 0.5AのスイッチングタイプACアダプターは使えません。 レギュレーターを通しますから安定化はしていなくても良いので、トランスでプラスマイナス両方を得ることに決めました。

レギュレーターの出力電圧の最大値は±10Vですが、100mA前後の出力電流の場合レギュレーター(LM317とLM337)が持つドロップアウト電圧は1.75V程度あります。 ということは片方の入力電圧絶対値は11.75Vとなりますが、AC100V回路が±10%変動しても動作上問題が無い様にするとしたら±13.05VがAC100V時の最低必要入力電圧です。

以上のマジックナンバーを念頭に入れておいた上で手持ちの中点タップ付き24V出力のトランス(250mAの出力電流)にスライダックで正確なAC100Vを供給し交流出力電圧を調べました。 24Vタップに対する結果は無負荷で28.3V、300Ωを繋いだ時に27.0V(消費電流90mA)、150Ωを繋いだ時に25.8V(消費電流172mA)でした。  一方同じメーカーで似たようなトランスの直流出力電圧は、無負荷で交流電圧の約1.3倍、10-20%負荷で1.25倍程度になりますので、直流出力電圧を略算すると無負荷で36.8V(±18.4V)、30-40%負荷で32.5V(±16.3V)前後になるでしょう。 以上の計算はAC100Vの時で、AC110Vの時には35.8V(±17.9V)、AC90Vの時には29.3V(±14.7V)になります。

これらの計算結果は上記のAC100V時の必要電圧(±13.05)を上回
っているのでその点は良いのですが、AC110V時の35.8V(±17.9V)
には少々困りました。 オペアンプの電源電圧の絶対定格は±18V
以下が多く、±20Vというと品種がかなり減ります。
そして±20Vであっても十分なマージンを持つとは言えません。

そこで更にジャンクボックスの中を調べましたら、10Vが取り出せる珍
しいトランスを見つけました。(右写真参照)
少なくとも5年以上前に購入し使わないまま死蔵していた物で、最大
出力電圧は12Vですが6Vと10Vのタップ付きです。 最大出力電流は
750mAありますがこれをテストしました。

私が余り使わない両波倍電圧整流を整流回路とするため直流出力電圧を推測計算というわけには行かないので、バラック配線で組み上げて測定しています。

以下がバラック配線でのテスト風景です。

正にバラック配線でテストしている所。 手持ちのパーツを使ったので整流ダイオードは1N4007で設計回路と同じだが、電解コンデンサーは2200μFが2本と大幅に容量が少ない。 このため最終回路の3300μF x 4の場合には出力電圧は若干上昇する筈。

その結果は無負荷で交流出力電圧は12V、直流出力電圧は300Ω負荷時に±13.8V(負荷電流92mA)、150Ω負荷時に±12.9V(負荷電流172mA)という結果が出ました。

正確なアンプの消費電流は製作後でないと判りませんが、最大出力時にオペアンプは20mA程度の電流が流れます。 そしてボルテージフォロワーでも同様の消費電流、DCサーボは平均的な10mAであるとすると合計で50mA、それ以外にヘッドーフォーン遮断のリレー関連で9mA程度、パイロットランプとなるLEDで1mA、トラッキング電源の中点電圧検出抵抗で1mAなど合計すると61mAが合計消費電流になると思われます。

ということは、±13.8Vよりほんの少し高い電圧になるわけで、要求電圧の±13.05Vをクリヤーします。 またAC110Vになった時でも±15.5V程度でしょう。 であれば±20V以上の許容電源電圧を持つオペアンプであれば先ず大丈夫と言えますから、この整流回路を採用する事にしました。

 これら簡単な実験結果により全面的に電源回路を見直しています。 左がそれで
 すが簡単に説明しておきます。 

 左からAC100Vの入力ですが、スイッチオンと同時にトランス及びそれ以降が動作
 状態になると共にトランスの1次側に入れたリレーがONとなり、22μFのコンデンサ
 ーに470KΩを通じて電流が流れ約1秒後にトランジスター(2SC1815)がON、そして
 これに繋がったリレーもONとなり、ヘッドフォーンが接続されます。(この接続遅延の間にショックノイズが出てしまうのでヘッドフォーン破壊が防止されます。) もしも遅延時間を更に長くしたければ、コンデンサーの値を増加すれば良いです。

その右側がトラッキングレギュレーターですが、基本回路に発振防止のコンデンサーやレギュレーター破壊防止のダイオードなどが追加されています。 尚レギュレーターは電圧可変範囲が1.25〜10Vと以前より狭くなっているのでレギュレーターICの内部損失は低下し発熱も少ないので可変範囲の切替無しとしています。 LM317Tの右下の500Ω可変抵抗は半固定(ポテンショメータ)ですが、電圧調整の2KΩは抵抗値が±10%の範囲にあるので、出力電圧調整用に入れました。 285と入っているのは2KΩの場合に設定されるべき値で、実際には2KΩを最大にしておいて500Ωを調整し出力電圧が10Vになるようにします。

尚トラッキング機能を果たすオペアンプにはTLE2141CPを使っていますが、これは以前低周波発振器を製作する際に候補として購入したオペアンプの残りですっかり忘れておりましたが、電源電圧範囲が±2V〜±22Vと今回の使用目的に好都合の物です。 このオペアンプはオフセット電圧が小さいを始め優秀なオペアンプですが、購入価格は\367とリーズナブルなものです。

その右側に入っているIS10はショットキーバリヤーダイオードで、レギュレーターICを使った±2電源でロックアップを防止するために必要です。  電圧計は相変わらず+と−の間に挿入していますが、その表示の半分がプラス、マイナス電圧の絶対値になるはずですからコスト削減も含めそうしています。 それと電流計はもし測りたい場合には簡単に接続できるようターミナルを出しておきますが、普段はジャンパーピンでその端子をショートする簡単な構造にしておきます。

さてこの電源回路の電源スイッチを切った時にどうなるかというと、トランスの1次側に入ったリレーは即遮断されますので、2.2μFのコンデンサーは470Ω抵抗を通じて短絡されます。 この為に理論上は、0.001秒後にトランジスター(2SC1815)はOFFとなりそれに繋がるリレーが遮断されます。 従ってヘッドフォーンはごく短時間で接続が解除されます。

一方トランスの右横に接続された大容量コンデンサー(3300μF x 4)がAC100Vが切れた後に放電して電流を供給するため、アンプ部分の消費電流が92mAであった時には約1秒アンプの動作が継続します。(前に計算した61mAであれば1.5秒程度に伸びる。) そしてその後にショックノイズが発生しますが、既にヘッドフォーンの接続は解除されていますのでヘッドフォーンを痛める心配がありません。

この回路の良い所は、間違って電源ACコードをコンセントから引き抜いても、或いは停電が発生してもオペアンプが発生するショックノイズからヘッドフォーンを守ってくれる事でしょう。  唯一気を付けないといけないのは電源のコンデンサーが極めて大容量なので、電源ON時に整流ダイオードに大きなコンデンサーへの充電電流が流れます。 この回路では一瞬ですがピーク値で10A程度流れるだろうと思われます。 その為に通常の消費電流は60〜70mAしかないにも拘らず、容量の大きめなダイオードを使っています。(連続では1Aが最大許容電流ですが、瞬間ピーク電流では30Aまで許容します。)




2012/02/24

製作その1

 緊急テーマとして入った台所手元LEDライトが完成しましたので製作を開始しまし
 たが、たった1ヶ月弱中断の間に、ここはこうした方が、あそこも変えたほうが良
 い!などの変更や私の勘違いで使えない部材が出てきた等々が発生しています
 ので、その辺りを最初に触れておきます。

 左がアンプ本体の回路ですが、入力コンデンサーの有り無しをジャンパーピンで
 切り替えるように変更しました。 こうした方が配線が短くなると共にコンパクトに
 まとまり、コストも下がります。 同じ発想でアンプのゲインを3段階に切り替える
 ようにしています。 ゲインは2.8倍、5.5倍、11倍からジャンパーピンで選べます。

 それと回路図での変更は無いのですが、追加バッファーアンプの有り無し、DCサ
 ーボの有り無しを選択するトグルスイッチをLED懐中電灯で多用した超小型のトグ
ルスイッチとして、基板に直接固定し配線の引き回しを短くします。
更にヘッドフォーン出力端子の前に入るリレーの接点と並列にトグルスイッチを追加し、常にヘッドフォーンが接続された状態が作れるようにします。(ショックノイズの分析用。)

 電源回路は±それぞれの消費電流を常時チェックできるよう電流計を2個追加す
 ると共に、電源ON/OFF時に発生するポップノイズ対策がON時ブルー、OFFの時
 にはレッドとパイロットランプLEDの色でなされるようにしました。
 また中点電圧設定用の半固定抵抗は500Ωを100Ωに変更しています。 それと
 AC100V入力部に入れるリレーは、G2R-1A-AC100からG2R-14-AC100に変更
 しました。 変更理由は前者はメイク接点(リレーが作動時にONになる。)であり、
 ここで必要なのはブレイク接点(リレーが作動時にOFFになる接点。)であるからです。 後者のリレーはトランスファー接点ですのでメイク、ブレイクどちらにも対応できます。

このテーマで私が一番気がかりなのは電源部のトラッキング回路です。
この回路は定番らしいのですが、私は使ったことが無いので不安があります。
そんなことから電源部から製作開始することとしました。 但し上で触れたリレーの
変更は、新たなリレーの入手がまだですので、2つのリレー回路を抜いた状態で
組み上げ、動作を少々詳しく確認する事にしました。

基板のレイアウトは右の図の通りですが、4本の大きな電解コンデンサーの中に位
置するリレー回路を除いて定数は最終のものになっています。

出来上がった半完成品の様子は次の写真をごらんください。

4本の大きなコンデンサーの合間はがらーんとしていますが、ここに後ほど2つのリレー回路が入ります。 ワイヤーで引き出したのは2Kオームの可変抵抗で、これで±両電圧を同時に1.25 - 10.0Vの間で調整します。

放熱器の合間は多くの部品が実装されています。 右側の青いのがポテンショメータで最大電圧調整と±のバランス調整をします。

何も説明の必要はないと思いますが基板の裏側です。 太さ1mmの導線を使って配線しています。

組み上がった電源部のテストを致しました。 トラッキングがうまく行っているのかどうかがポイントですので、それを中心にテストを進めています。 テスト開始前に2箇所の調整個所を設定しておきます。 最初は+側の最大電圧ですが、2KΩの可変抵抗を最大にした状態で500Ωポテンショメーターを調整し出力が10.5Vになるようにしました。 10Vをごく僅か超えた値にしているわけで、これで10V電圧計の針が振り切れることはなくなります。

次に100Ωのポテンショメータですが、±同じ値の電圧になるよう調整します。 私のDMMで0.01Vの桁まで値が一致するようにセットできました。

テストではダミーロードを準備しないとなりません。 先ず出力電圧は最高(±10V)、最低(±1.8V)そして中間(±5V)の3点で測定する事にします。 最高の10Vは006Pを2本使った±9Vに近いですし、最低の±1.8Vは寿命が尽きた電池2本直列で1.8Vになり、それを2組で作れる電圧です。 要するに電池を使った電源であり得る実用性がある最高と最低と考えられます。

さて設定電流負荷については2チャンネルオペアンプの消費電流は最も大きな物で20mA位と記憶しており、最大で3個のオペアンプを使いますので60mA位の消費電になります。  そこで手持ちの抵抗の組み合わせで上記の3種類の電圧の元で負荷電流が60mA前後になるように考えました。

その結果は先ず±10Vの場合には150Ω負荷電流67mA、±5Vの時に75Ω負荷電流67mA、±1.8Vの時に28Ω負荷電流64mA)とします。 そして±でアンバランスが出た時に出力電圧の安定化が図られたかを見るため、±10Vの場合には片方の負荷を75Ω(負荷電流133mA)、±5Vの場合に片方の負荷を56Ω(負荷電流89mA)、±1.8Vの場合は片方の負荷を11.2Ω(負荷電流161mA)にして出力電圧を測定しました。 またそれらの負荷抵抗を±入れ替えて確認しました。(+側と−側で制御能力に違いが無いかを見るためです。)

選択した60〜70mAの負荷電流は妥当な所ですが、意識的にアンバランス負荷とするために設定した133〜161mAの負荷電流は無茶苦茶な実際の運用では起こりえない値です。 これらはトラッキングレギュレータの制御能力を知りたいばかりに設定した値であり、制御能力は別として後でも触れるように別な問題を醸し出す可能性が大きいです。

以下の表はそのテストの結果です。

設定出力電圧 極性 負荷抵抗値 負荷電流 整流器出力電圧 出力電圧 レギュレーター
入出力電圧差
無負荷出力電圧 ±10.0V +側 無負荷 - - - +15.3V +10.0V 5.3V
−側 無負荷 - - - -15.4V -10.0V 5.4V
+側 150Ω 67mA +14.1V +10.0V 4.1V
−側 150Ω 67mA -14.2V -10.0V 4.2V
+側 150Ω 67mA +14.1V +10.0V 4.1V
−側 75Ω 133mA -13.3V -10.0V 註)3.3V
+側 75Ω 133mA +13.2V +10.0V 註)3.2V
−側 150Ω 67mA -14.2V -10.0V 4.2V
無負荷出力電圧 ±5.0V +側 75Ω 67mA +14.1V +5.0V 9.1V
−側 75Ω 67mA -14.2V -5.0V 9.2V
+側 75Ω 67mA +14.1V +5.0V 9.1V
−側 56Ω 89mA -13.8V -5.0V 8.8V
+側 56Ω 89mA +13.7V +5.0V 8.7V
−側 75Ω 67mA -14.2V -5.0V 9.2V
無負荷出力電圧 ±1.8V +側 28Ω 64mA +14.1V +1.8V 12.3V
−側 28Ω 64mA -14.2V -1.8V 12.4V
+側 28Ω 64mA +14.1V +1.8V 12.3V
−側 11.2Ω 161mA -13.0V -1.8V 11.2V
+側 11.2Ω 161mA +12.9V +1.8V 11.1V
−側 28Ω 64mA -14.2V -1.8V 12.4V

結果を見て明らかなのはかなり乱暴な負荷のアンバランス状態にしたにも拘らず、出力電圧はそれに振られる事が全く無く安定しています。  仮想2電源方式では絶対に得られない極めて優秀な成績で色々心配していた事は全く杞憂でした。

一つだけゆとりが殆ど無いかなと思うのは±10Vの設定で150Ωと75Ωを繋いだアンバランス負荷の結果です。 75Ωを繋いだ場合の入出力電圧差は、3.2〜3.3Vと小さくなっています。(図の註)印)  メーカーの技術資料では200mAの電流を流した時のドロップアウト電圧は1.7V程度ですからAC100Vが10%程下がるとレギュレーターが正常な動作が出来ない領域に入ってしまいます。

しかしながら133mAも電流が流れる状況は実際には考えられず、仮に64mA近辺の負荷電流で済むのであれば入出力電圧差は4.1〜4.2V取れますので17%程度AC100Vが低下しない限り問題は起きません。

また±1.8V時で負荷抵抗を11.2Ωとした時のレギュレーターの損失は1.8Wとかなり大きくなり計測の間には起きませんでしたが、レギュレーターの内部保護回路でシャットダウンされる可能性があります。 ただしこれも60〜70mAのレンジであればヒートシンクが少々暖かくなる程度で済んでしまうでしょう。  従ってこのまま問題無しとして進めることにします。



2012/03/02

製作その2

電源ブロックの残る2つのリレー回路は後回しにして、アンプ基板とダミー抵抗基板の組立に入りました。

アンプ基板では超小型のトグルスイッチとジャンパーピンを使った選択回路が通常見かけない構造になっています。 これらの採用により配線が無駄に長くなるのを防止でき、音質への悪影響の要素が減るのではと期待しています。

 左の図が最終的な基板のレイアウトで回路定数も最終の数値です。 ひとつだけ回路図
 (先週提示しました。)や基板レイアウト図にないものがあります。 それはオペアンプの
 +、−それぞれの電源ピンとGNDの間に入れる0.1μFのバイパスコンデンサーで、回路図
 や基板レイアウトに記載されなくても必ず入れる部品としてご理解ください。

 ダミー抵抗基板にはロータリースイッチを固定しますが、そのままでは固定できないので
 アルミ板でコの字型のアングルを作り、その中央にロータリースイッチをネジ止めする穴を
 あけることと、コの字型の先端に切り込みを入れてそこへ基板を挿し込みエポキシ接着剤
 で固定という手立てで固定します。 基板は両面スルーホール基板を使い両面に抵抗を
 半田付けします。

オペアンプ3個は全てソケットで固定する事になりますが、取り外しには専用の引き抜き工具
を使います。 その場合先端を挿し込んで引っ掛けるスペースを確保する必要があるので、
オペアンプとオペアンプはくっつけて配置できず約5mmの隙間をあけてあります。
同様に電源コネクターもオペアンプより離しました。

基板レイアウトは右の図の通りですが、図中緑色で描いた抵抗は手前側に半田付け、青点
線で描いた抵抗は裏側に半田付けとなります。 同様に緑の小丸は手前側の半田ポイント
で、青小丸は裏側の半田ポイント、ピンク小丸は手前側の引き出しポイントで、この順序で
ロータリースイッチにジャンプ配線します。 水色小丸は同様に裏側の引き出しポイントです。

ダミー抵抗は2Wの酸化金属皮膜抵抗を基本にし、8Ω、16Ω、50Ωの3種類は1本でドンピ
シャの値がありませんから、1/4Wの抵抗1本を並列または直列することで作りました。

それらの製作の様子は以下の写真をご覧ください。

完成したアンプ基板。 バッファーアンプとDCサーボのON/OFFは4個の小さなトグルスイッチ(赤いやつ)でやります。 中央のワイヤーはヘッドフォーン出力、左のワイヤーは入力です。 右端の白いコネクターは電源用。

中央横に並んだ3個のオペアンプと左端のコネクターの間の隙間は後でお見せする理由で、意識的に大きく取っています。

裏面。 中央横に6個のコンデンサーが並んでいますが、配線図には載っていない0.1μFのバイパスコンデンサーです。

パソコンに良く使われるジャンパーピンを使っています。 これは3ピンで2択回路を形成しています。

こちらは6ピンを使った3択回路で、右がジャンパーピンを中央に挿したところで、手前の3本の抵抗の中央を選択したことになります。

オペアンプの抜き差しは頻繁に行われますが、引き抜く際にはこのような工具を使わないとオペアンプの脚を曲げたり折ってしまいます。

このように先の爪の部分でオペアンプを挟んで引っ張って抜きます。 この為にオペアンプ同士の間隔は大きめにする必要があります。

ダミーロード基板を支えるコの字金具は1mm厚アルミ板でこんな風に切断加工します。

両端を折り曲げればコの字型になります。

それにロータリースイッチをナットで固定してやります。

切断前の基板ですが、こんな風に挟み込み接着剤で固定する!という構造です。

ダミー抵抗を両面基板に半田付けしコの字金具に接着・固定し輪ゴムで保持しています。

ロータリースイッチの各ピンに基板から順序良く接続します。 絶縁にはエンパイアチューブを使いました。


以上で3つの回路ブロックが出来上がりました。 次にケースの加工とそれにそれら3ブロックを装填して完成です。

ところで変更したリレーが入手できましたので、電源基板の空白となっていた部分を組み立てました。 そしてテスト運転をしたのですが、最初に作動するAC100Vのリレーは電源ON/OFFで作動するもののその次のリレーが作動しません。 不思議な事にリレーを駆動するトランジスターはちゃんとON/OFFの動作をしています。

若しかすると???という『もしか?』がピッタリ当りました。 ここで使ったリレーは駆動コイルに極性があり、逆極性とすると電流は流れますが作動しません。 メーカーの技術資料を引っ張りだし調べたところ正に逆接続です。 ここで関連する全ての部材を移動しての回路修正は部品を傷つけないよう外す事が容易でないため駆動回路とリレーの間の接続を切って、ジャンパー線でクロス(X形)配線にて正接続にする事にしました。 それともうひとつリレーの遅延時間を2秒弱とより長い時間になるよう抵抗とコンデンサーを変更しました。

変更が終了後念のために動作確認をしました。 無論期待通りに動作するのですが、2番目に動作するリレーは動作時のカチャッという接点が接触する際に生ずる音が大変小さく繋がった!という感じが全く無く、これはなんとかしないとなー?と考え込みました。 その結論としては更に回路を追加して2色LEDを切り替えてやろう(赤から青へ!)というものでした。

これを実現するには様々な方法がありますが、部品点数が少なく特殊部品を使わない!という条件で考えた挙句、2色LED以外にトランジスター1本、抵抗2本の追加で出来る回路を考え出しました。(赤・青の輝度を揃えなくよければ抵抗は1本で済みます。)
この回路及びその変形は各種考えられ、ごく僅かの部品で(ごく僅かのスペースで)、電池電圧変化の警告点灯、回路の切換インジケーター、レベル変化の標示等色々応用できそうです。

それらについて詳しくは改めてご紹介したいと思いますが、今回使う回路部分の動作解説は以下をお読みください。

図中に記載された電圧は実験回路の実測で、電流はそこから計算しています。
左は電源スイッチが入って遅延リレーがまだ作動していない時です。 トランジスターのベースは2.7KΩを通じて+電源電圧(30V)に繋がっております。(2.7KΩはリレーの直流抵抗です。)   この時トランジスターはONとなっているため赤LED側に1.5mAの電流が流れ点灯します。

その後遅延リレーが動作してヘッドフォーンが接続されるとトランジスターのベースは0Vになります。(遅延リレーを駆動するトランジスターがONとなるため。) そうすると赤LEDへの電流は遮断され、青LEDへのみ電流が流れ(約1mA)、青LEDが点灯します。

つまり遅延リレーが作動するまでの2秒弱間はLEDは赤で、リレーが作動してヘッドフォーンが繋がった時に青に点灯し、カチャッという音が無くとも接続されたことが目で見て判ります。

上の回路で10KΩは目で見た感じで赤と青が同じ明るさになるよう調節するために入れてあります。 よって10KΩを取り去っても色変更動作をします。(この場合はトランジスターと抵抗1本で回路が作れる事になります。)



これらクロス配線や抵抗・コンデンサーの変更、2色LED切換回路の追加は、前掲の回路図や基板レイアウトに反映してあります。

2つのリレーとその周辺部材を半田付けしました。 ヘッドフォーンの遅延接続動作は当初より長い約2秒弱になるよう実動テストをしながら調整しました。 更に黒く見えるリレーの下側右に赤・青2色のLEDをコントロールする回路を追加しました。 これでがら空きだった4個の電解コンデンサーの間は完全に埋まりました。

出来上がった3つのブロック。 電源ブロックが極めて大きく大袈裟に感じますが、たまたま手持ちであった大きなトランスを流用したことと、かなり大きな電流が流れても大丈夫なようにしたせいです。 テストプラットフォームでない電池式電源であれば、1/6以下に小さく出来るでしょう。(電池含まず)



2012/03/09

製作その3

3つの回路基板が出来上がったのでケースの製作に進みました。 ケースの作り方も色々あるのですが、シールド効果を考え前面金属で覆われることが絶対条件となります。 そのような出来合いのケースは数千円から1万円以上してしまうので、蓋付きのシャーシ(350 x 150 x 60 で\1,500.-)をケースとして使う事にしました。 このシャーシの蓋が上を向くようにしてその中に基板を取り付けますが、オペアンプを交換したり基板上のスイッチやジャンパーピンを操作する時はこの蓋を外してやります。 シャーシの上下は4mm厚シナ合板で覆い、左右は14mm厚の板を化粧板として貼り付ける手法で蓋をしたときには木目が外観上のポイントになります。

問題は前面をどうするかですが、このテーマはアンプを作ると言うより測定器を作ると言ったほうがピッタリと来るかもしれないと考え、フロントパネルは淡い灰色で仕上げることにします。 その淡い灰色は紙に印刷することで灰色濃度が調整できるようにします。 同時に文字入れもインスタントレタリングではなく印刷ですから、書体の選択や漢字の使用も可能になります。 そうして印刷した紙を1.0〜1.5mm厚のプラスチック板かアルミ板に貼り付けた上で、シャーシの前面にメーター、スイッチなどの部材で共締めしてやります。


ヘッドフォーンアンプ用の機能だけなら右端の丸ツマミと2個のジャックに左端の電源スイッチで済ん
でしまうところ、電流計を2個電圧計を1個取り付けるためにフロントパネル幅が350mmも必要で高さも
60mmが最小となってしまいました。

ツマミにはプラスチック成形で廉価ながらチープ感が無く測定器用にピッタリと思われる右の写真の
ツマミを使います。 ご覧のとおりグレー系の色味ですがこれにマッチするパネル色をじっくりと調合するのが楽しみです。

パネル面は左から電源スイッチでその上が2色の3φLEDで電源スイッチが入ってヘッドフォーンが繋がるまでは赤、繋がると青に変わります。 その右は10Vの電圧計で、その下左側のスイッチで測定する電圧が+側か−側かを切り替えます。

その右のスイッチは電源ON/OFF時に発生するショックノイズからヘッドフォーンを保護する回路のON/OFFで、保護が解除されると右の2つのメーターの間にある5φの赤のLEDが点滅します。
中央の電流計は+側と−側の消費電流を独立して読み取れるようにし、実際に作るアンプで起きるかも知れない消費電流のアンバランスの目安を付けられるようにします。

電流計の右は上がダミー抵抗の切換スイッチで、その下はダミー抵抗のON/OFFスイッチです。
最後の右端は上が音量調整のボリュームで、下右側がヘッドフォーンジャック、右は入力信号ジャックとなっています。




2012/03/30

フロントパネル構造の基礎実験

フロントパネルは測定器風に薄いグレー色にすることを考えていますが、その仕上はペイント塗りではなく、パネル表面を紙としその紙は印刷により着色で文字入れもインスタントレタリングではなく印刷です。  紙というと何となく安っぽく見えそうですが、過去に小さな物ですが、ピンホールカメラを製作中に、文字の書体と大きさの選択自由度が高いために、紙に印刷してピンホールカメラに貼り付け仕上た事があり、作り方を工夫すれば決して安っぽくない質感を出せる感触を得ています。

但し今回はパネルの大きさが350 x 60mmと大きくなりますので、均等で大きな仕上げ部分があるとあらが目立ちやすいので、事前に実験にてうまく出来る手順を決めておかないといけません。 そこでパネル構造について仮設定を以下のようにしました。

ケース本体はアルミで厚さ1mmだがその上に厚さ2mm程度のアルミ板かプラスチック板を貼り付け、その上に紙を両面接着テープで貼り付ける。  紙は塗料を余り吸い込まないよう表面にコーティングがされているものにする。(吸い込みやすいと塗装した時に半透明になってしまい都合が悪い。) この面で都合が良いのはA3サイズの厚手無光沢インクジェット紙と考えている。  それに背景色、文字を印刷するのだが、ここでは染料タイプのインクを使った印刷とする。 染料タイプは塗装した時に滲みを発生しやすい筈だが、過去の実験では良く出来たインクジェット紙であれば問題なさそう。 心配だったら顔料タイプのインクで印刷すれば良い。

ここまでは過去の経験で見当が付いているのですが、塗装については大きな面積では自信の持てる方法が確立していません。 そこで塗装仕上の比較テストをする事にしました。 (右下の写真がテストした塗料です。)

1.クリエイティブ カラースプレー クリヤー艶あり
  缶入りスプレー塗料で私が最も使っている物で、主原料はアクリル
  樹脂。 これで水濡れ・汚れ防止のために2回塗ります。
  このままでは物理特性不十分なので、水性ウレタンニスつや消し
  クリヤーを1回塗って保護力をアップと同時に艶を抑えます。
  過去にいきなりつや消しタイプのスプレーを使って工程数を省いて
  みましたが、つや消しの顔料が浮き上がって白っぽい皮膜を作り
  うまくありませんでした。

2.木部用プライマー スプレータイプ
  これは主原料にビニール樹脂を使ったもので木部塗装の下地用
  です。 これも2回塗りしてやりその後水性ウレタンつや消しクリ
  ヤーで表面保護力をアップします。

3.水性ウレタンニス艶ありクリヤー
  私の木工作品の殆どに使っている標準塗料ですが、これを2回
  刷毛塗りします。 仕上につや消しを1回塗りです。

以上3通りを全く塗装していないものと比較しベストな方法を選ぶ事にしますが、いずれも仕上の水性ウレタンつや消し塗装前の状態で比較したのが以下にお見せする写真です。 尚印刷後完全乾燥を期して12時間寝かせた後に塗装開始し1回目と2回目の塗装の間は3時間、そして写真撮影までに4時間寝かせています。

Excelで一部塗りつぶしと適当な文字を入れた後に、A4サイズのインクジェット用厚手(0.19mm)の無光沢紙に印刷しました。 これを縦方向に切断して4枚に分けます。 右側の方が光の当り方が弱いようです。

上で触れたような塗装をした後です。 右端が無塗装ですが、これに較べると左端(水性ウレタンニス)は反りが極めて大きく、スプレー塗装した中2つは反りはごく僅かです。 これは塗膜の厚さと均等さの違いによるもののようで、刷毛塗りは大きなハンディキャップを背負います。 尚ウレタンニス塗りは色味が黄色っぽく変色していますが、木部用プライマーでは無塗装と殆ど同じ色身でした。(写真でその差は判り難いですが?)

ボールペン手書き文字の滲みと色味が結構違って見えるので部分接写しました。 中央2つは紫っぽくなって滲みが結構目立ちますが、ウレタンニス刷毛塗りは色の変化が無く滲みも少ないという意外な結果でした。(スプレータイプは油性ですので溶剤で色変化を起していると考えられます。) 但し印刷文字はそのような色変化が無く滲みもずっと少ないので、気にする事は無いでしょう。 尚総合的に無塗装と較べて一番変化が少ないのは木部プライマーで、2回塗り後の艶はゼロでした。 クリエイティブカラースプレーは艶ありなのですが、2回塗りでは半分ぐらいまばらに艶が出てきています。 また水性ウレタンニスは完全な光沢面になっています。

以上の結果より総合的に判断すると木部プライマーで2回塗装後に水性ウレタンニスつや消しクリヤーを1回塗りがベストだろうと考え、その確認実験を続けましたがまさにその通りでした。 紙を2mm厚のアルミ板かプラスチック板に貼り付けてから塗装するのであれば、水性ウレタンニスを使っても反りの発生を抑えられるとは思いますが、紙を貼り付ける際に汚してしまう事が考えられるので、印刷後塗装作業を先に済ますほうが良いと考えています。 但し写真ではその違いが全く判りませんので、ここではお見せしません。

 2日間掛けての実験になってしまいましたが、満足すべき結果を得ましたので、パ
 ネル面の設計をExcelにて進めました。 外観イメージは先週お見せしたとおりで、
 その結果が左の図です。 当たり前のことですがインスタントレタリングを使わない
 ので漢字とアルファベット混在が可能ですし、書体の選定も文字サイズも自由に調
 整できますから嬉しい限りです。



2012/05/11

フロントパネルとシャーシの加工

フロントパネルの材料についてあれこれ悩んだ結果は2mm厚アルミ板となりました。 その一番の理由は紙を貼った後の最終的厚みが、2mm + 0.12mm(紙の厚み) + 0.1mm(両面接着テープの厚み) + 0.1mm(塗装膜の厚み) = 2.32mmで、2.4mmのトリマービット(mini-ShopのSS2-2.4G)がお誂え向きだったということです。 また紙を貼った表面を触った場合、じかに金属表面を触った時に較べれば少いのですが、ヒヤリとした感触がありこれがチープな感じを与えない点にあります。

次にあれこれと思考実験で、加工方法を考えた中でこれがベストだろうという方法について触れておきます。 2mm厚のアルミパネルはシャーシに電流計、電圧計、可変抵抗、ロータリースイッチ、ミニヘッドフォーンジャックなどと共締めされますから、パネル、シャーシの両方にあける穴位置が同じになるようにしないといけません。 それを極力簡単にする方法としては、穴あけ加工の作業中パネルとシャーシの出来るだけ多くの場所を3mmのネジで締結してしまい、穴あけを同時にすれば位置がずれる心配がありませんから同じ位置にする気遣いなく作業が進められます。

2mm厚フロントパネルとシャーシの合計厚みは3mmになりますので、ヤスリ掛け作業はかなり手間取る可能性大ですからスイスイとは進まないでしょうが、その様子は以下の写真をご覧ください。 但し次回の作業となる3つの大きな丸穴あけは、私の想像ではさくさくと進むのではと思われます。 

フロントパネル及びシャーシを加工するには寸法が正確に印刷された実物大の図面が必要ですが、A3サイズのインクジェット紙を縦半分(148 x 420mm)に切った紙を縦方向にセットし、カスタムサイズの設定で印刷できます。 これが加工用の図面で、実際に使用するツマミを並べて紙の背景色の調整もしました。

こちらは上の図面全体をそっくりコピーし、貼り付ける紙に必要な文字のみを残し他は消したものです。 白い丸3つは電流・電圧計がはまり込む穴ですが、この紙を貼り付けるときの位置合わせ用です。

600x400x2mmの大きなアルミ板にこの上の上のテンプレートを両面接着テープで貼り付けました。 テンプレートは木部プライマーを2回塗装し汚れ/傷防止の実験も兼ねています。

そして電動ジグソーで切断しヤスリで仕上ました。 使用したブレードは非鉄金属用(mini-Shopで販売しているNo.6)で、作業は順調に進みました。

センターポンチ(mini-Shopで販売しているハンディーポンチS)で穴あけ位置を明確にするためマーキングしています。

そしてバクマクランプ 150mm 2本でフロントパネルをシャーシに乗せ位置関係を十分に確認した上で動かないよう締め付けました。 両端の方は穴あけのためにスペースを残しておきます。

最初に全てを2mmドリルで穴あけします。 その後LED部分を除き3mmに変えて全て穴を広げクランプを緩めて切り屑を除いたら3mmのネジでこのように締めます。 尚緩み防止のためスプリングワッシャーを併用します。

クランプで隠れていた部分の残りの穴を同じ手順であけると共に、メーターを通す大きな丸穴の中心は円錐状に座ぐって皿ネジの頭が飛出ないようにして締め付けます。(これは後ほど電動ジグソーで円切りする際ネジの頭にジグソーがぶつからないようにするため重要です。)

トグルスイッチのレバーが通る穴は幅4mm、高さ8mmの小判状ですが、円弧中心2箇所(中心距離4mm)に3mmの穴をあけ、直径3.5mmの丸ヤスリで穴を広げ、幅3.5mmの角ヤスリで直線部分を成形して仕上ます。(ほんの僅か削り足らない状態にし、テンプレートを剥がしてからトリミングします。)



2012/05/18

フロントパネルとシャーシ加工の続き

加工作業の中で最も大変そうなのは電流計、電圧計の後ろ側を差し込む大きな丸穴ですが、これは電動ジグソーに木工円切り用ブレード(mini-Shopで販売しているN0.5)を取り付けて切断します。 上等な仕上げ切りの必要はありませんから安くてすみます。 このブレードの材質はSK5という炭素鋼で、非鉄金属切断用のNo.6に使われているモリブデン系高速度鋼に較べると、アルミを切断した場合の刃の痛みは早いでしょうが、プロのような高い使用頻度ではありませんから、充分使えます。 今回は3mm厚ですがこれまでに5mm厚アルミ板に丸い穴をあけるのにも有効である事を経験していますので、3mmであれば想像以上にさくさくと切断できます。(事実木を切断しているのと同じ感覚で作業できます。)

その意味では昔やってた方法(小さな丸穴を連続してあけてニッパーでそれらの間を切り切り口をヤスリで削るとか、ハンドニブラーなる工具でブチン、ブチンと少しずつ喰い切って行く。)は手間がかかりすぎ、仕上がりもなかなか綺麗にはならず効率的ではありませんでした。

左から木工円仕上切り、木工円切り(No.5)、非鉄金属用(No.6)で、アルミ板の直線切断には右を、そして円切りには中央を使いました。

切り抜く丸穴の右上に最初にブレードを挿し込む小さな穴(6φ)をあけました。 そして木工の時と全く同じ要領でNo.5のブレードをCJ-250に取り付けて切断します。

木工と同じスタイルで切断できるので切断中の写真はお見せしませんが、このように簡単に終了します。

そして切り口のトリミングは丸棒ヤスリで。 別売りの細い替刃を付けたDR-1000Pが効率的な作業をしてくれます。

普通なら手間が掛かる大きな穴の切断加工は短時間で終わり、ここまでで最も時間の掛かったのはトグルスイッチ用小判型の小さな穴でした。 ここで一旦全てのネジを緩め、板の間に挟まっているアルミの切り屑を掃って再びネジで締結し残る穴(5φ〜9φ)の加工に進みます。

残る穴は5φ、8φ、9φですが左端、或いは右端から中心に向かってあけてゆき、その都度板を挟んで固定しているネジを外して行きます。(最後にはメーターの固定穴だけが連結用ネジになる。) 穴あけの方法は5φは5mmのドリルそのもので、8、9φは6.5mmのドリルで穴を広げた後に6mmの丸棒ヤスリで穴を広げて所定の大きさにしています。 これは鉄工の場合ハンドドリルであけた穴はどうしても中心がずれやすいので、その修正を兼ねてしています。

そしてLEDの穴を内側から3mmのドリルで深さ2mm程広げてやればフロントパネルの加工は終了です。 ネジを外してフロントパネルを外しテンプレートを剥がしますが、両面テープの粘着材落しにはラッカー用シンナーを使いました。

テンプレートを剥がしてアルミの地肌が出てくると切断部分の粗や乱れが目に付く部分が出てきますのでヤスリで修正研摩をしておきます。

フロントパネル作りの最後の工程は紙貼りですが切断用のテンプレートを貼り付けるのと全く同じ要領で進めます。 違う所はメーターの丸穴に切り抜いたアルミ板のうち、上の2mm厚をダミーとして穴に入れて両面テープを貼ったことです。(これをやらないと両面テープの紙を剥がした時に丸穴部で接着されていない部分がだぶついておかしなことをしでかすのでは?と想像したためです。)

紙を貼り付けた後に水性ウレタンニス透明クリヤーを2回、艶消しクリヤーを1回塗り12時間寝かせて完全乾燥させました。 そして全ての穴の部分を切り抜きましたが、カッターナイフの最も刃幅が小さい物を使い、小さな穴から切り抜いてゆきました。(小さい穴の場合切り口をもろ見えにするので刃のシャープさは最高にして毛羽立ちなど出させないため。 この点メーター丸穴、VR、ロータリースイッチ固定穴は切り口が見えなくなってしまうので、適当で良い!)

残る丸穴あけを済ましましたので全ての3mmのネジを緩めてフロントパネルをシャーシから外しました。

そしてテンプレートを剥がしますが、綺麗に剥がし取るのは不可能で沢山の粘着材がくっ付いたままになります。 それはラッカーシンナーで落としてやります。 また小判型のトグルスイッチの穴は若干成形不良になっているのが普通ですからトリミングしておきます。

最終的に紙を貼り付ける前に、メーター穴部分が粘着剤でだぶだぶにならないよう、切り落としたアルミ板を入れてやります。 これらとフロントパネルが勝手に動かないよう小さく切った両面接着テープで軽く固定してあります。

紙を貼り付けて塗装に入ります。 紙は貼り付ける前に木部プライマーを軽い汚れ防止のため2回塗りしていますが、貼り付け後水性ウレタンニス透明クリヤーを2回、艶消しクリヤーを1回塗って物理的な強度をぐんと高めます。

穴の部分は紙の切り口が毛羽立ちやすいので要注意です。 私は先端が30度と尖ったカッターナイフで少しずつ押し切りで切り抜きました。 左から2番目がそれです。 左端も30度ですが、刃は斜めの部分に付いています。 右2つは最もポピュラーな60度ですが、ちょっと不向き。

写真の下側の小穴(2φ)と小判型の穴はそのまま見えるようになるので慎重に切り抜きました。 上のメーター穴は何れも完全に隠れるのでテキトーに切り抜いています。

穴の2次加工ですがLEDの入る穴は2φであけましたが、内側から3φのドリルで深さ2mmの穴をあけました。 狭い部分なのでフレキシブルシャフト(ANEX製でmini-Shopで販売している。)とおなじみのFDD-1000の組み合わせです。

基板の最終レイアウトはこのようにして基板固定ネジ穴をあけました。 赤点線内は大きな空きスペースになりますが、後ほどここにあるものを作って取り付けます。

部材を仮止めして問題ないか確認中。 あとケース関係で加工しないとならないのは、背面のACコードストッパーの穴と4個のトグルスイッチを固定するブラケットの製作、シャフトの切り揃えです。 そして配線を済ませれば電気的には完成です。



2012/05/25

残る加工と電気配線

トグルスイッチを固定するブラケットを1mm厚アルミ板から作り、シャーシ内部にエポキシ接着剤で固定しました。 この場合ブラケットとシャーシの電気的な接続は極めて曖昧になり、スイッチを操作する際ボディーエフェクトを生じる可能性があるので、スイッチを固定するナットに薄い真鍮板を共締めにしこれにワイヤーを半田付けしてワイヤーの反対側はGNDに落としています。

トグルスイッチブラケットの固定はエポキシ接着剤によりますが、接着面は#60のサンドペーパーで粗い削り面とし接着面積を稼いでいます。 そして圧着保持にはシャーシ内側に突っ張り棒を入れていますが、押し付ける力は固めのスポンジゴム(工業用)によっています。

その他側板を内側から固定するネジ穴、底板を固定するネジ穴、背面のACコードストッパーが通る穴をあけてシャーシの加工作業は終りです。 そのACコードストッパーにはこれまで使ったことのない物を採用しましたが、極めて合理的な構造になっており、今後標準に使いたい部材となっています。 そのポイントはストッパーの固定ナットを締め込んでゆくと、ACコードをどんどん締め付けて行き抜けなくなってゆく点です。

加工作業が終わったシャーシに全部材を固定して配線してゆきますが、基板に固定されていない部品がかなり多いので、配線量も多く簡単には作業が進まず、終わるまでに2日間を要しています。 配線量が多いと言う事は誤配線をしてしまうと何が何だか判らなくなってしまうので、配線が完了した部分の動作を確認しながら先に進めています。

 それとそのような各部の動作確認をしている中で、点滅LEDの駆動方法
 を変更しました。 最初は電源電圧(プラスとマイナス間の約27V)と点
 滅LEDの間に抵抗を挿入して3.5-4.0Vとなるよう抵抗を定めました。
 (普通のLEDは20mA程度の定電流駆動が一般的ですが、点滅LEDは
 5V以下の定電圧駆動が多いようです。)


 但しこれで実験してみるとLEDが点灯時と消灯時にLED両端に掛かる電
 圧は大きく変化し、点灯時には3.5-4.0Vと規定の電圧以下であっても、
 消灯時には5Vを超えてしまいます。 そしてこれが原因になってか短時
 間でLEDは壊れてしまいました。

 そこでツェナーダイオードを使った定電圧駆動としてLEDに掛かる電圧
 が常に3.6V前後になるよう回路を変更しました。 メーカーが規定する
 駆動電圧は5Vですが、光量を余り必要ではない事と若干電圧を下げた
 方が破損し難いのではと考えています。 他には取り立てて説明するよ
 うな事はありませんが、全ての配線後に一通りの動作テストをしました。

 取り敢えず挿入したオペアンプは、増幅用にLME49720、出力電流強化とDCサーボ用にOPA2134としています。 先ずDCサーボをON、出力電流強化もON(つまりA47アンプ構成+DCサーボ)としました。 電源ONで発生するポップノイズはヘッドフォーン接続遅延回路のお陰でゼロ。 接続遅延回路を外すと小さなプツンといったポップノイズが出ますが、ヘッドフォーンを壊すような量ではありません。

電源電圧は設定可能な±1.25Vから±10Vまで変化させましたが、最大出力電力の変化が聴感で判ります。 また出力電流強化の効果もON/OFFによりどの位違うかが聴感で判ります。 さらにダミーロードをONとしてヘッドフォーンに負荷抵抗を並列に加えられますが、負荷抵抗が下がると電流出力能力が大事な事が良く判ります。

ブロック段階の動作試験では全く判らなかったノイズの発生量ですが、アンプのゲインを最大の11倍として入力を開放音量調整を最大にしてもまったくノイズは聴こえませんでした。(シー、サーという高域のイズと低域のハムノイズ等) 電源トランスからの飛び込みもなさそうです。

これ以上の動作テストは数種類のオペアンプを使って木製ケースも含めた完全完成後にやりたいと思いますが、頭の中で描いたテスティングプラットフォームとして十分な働きが出来ることを確認しています。

1mm厚アルミで作ったトグルスイッチ用ブラケット。 矢印の先に見える薄い真鍮板を挟んでスイッチを固定し、スイッチがボディーエフェクトを起さないようGNDに接続します。

そのブラケットはエポキシ接着剤にて固定しますが、こんなスタイルで圧着保持をしています。

この固定方法は私のやり方の定番のひとつになっていますが、3個のスイッチブラケット全てを接着し終わった所です。 ちょっと手間が掛かりますが、トグルスイッチを固定するナットが前面から全く見えず、昔使ったレバースイッチの小型のイメージになります。

私が気が付くのが遅かったのか今回はじめて使うACコードストッパー。 左のネジ部分をよく見るとネジがテーパー状になっていますが、これが鍵です。 ナットを締め付けて行くとネジ部分が圧縮して細くなりACコードをギュッと締め付けて抜けなくなります。

木製側板を固定するネジ穴、底板を固定するネジ穴、ACコードが通る穴をあけて、シャーシの加工は全て終わりました。 後は全部品の取り付けと配線です。

数箇所配線しては通電状態の確認や動作確認をしながら2日間を要して配線が全て終わりました。 側板を固定するネジの位置の関係で、まだ基板を外さないとなりませんが、後ほどそれが終わったらケーブルタイで配線を束ねて固定します。

全部品が付いた前面はこんな按配ですが、配色を含め設計時に描いたイメージどおりになり大変満足度が高いです。

iPod Nanoを繋いで一通りの動作テストをしています。 出力電流増強効果、DCサーボの効果、電源電圧変更時の変化など音で確認する事が出来ました。 また発生する雑音はきわめて低く、じっと耳を凝らしても聴こえませんでした。



2012/06/01

木工部分の製作と完成まで

いきなり側板、底板、天板を切り出し組み上げて完成と行きたかったのですが、先週の最後にテスト運転をしている際に想定していたよりも発熱の量が多いことに気付きました。 決して手で触れないほどの発熱ではありませんが、トランスは電流容量が750mAもあるのに100mA程度の負荷でほかほかとしてきますし、駆動電圧が低くなり負荷抵抗が小さくなると消費電流も大幅に増加し、レギュレータでの発熱もかなり増加します。 もしも蓋が無ければ容易に放熱しますから問題は無いのですが、静電シールドを完璧にするには蓋は締めてやらないとならないので、底板や天板に小さな穴やスリットを入れてやることにしました。

既に電気配線は終わっていますが、電源ブロックだけは外してやらないと底板の加工が出来ませんので、配線を痛めないように120個ほどの3φの穴を放熱器とトランスの下にあけました。 この裏に5mm厚の底板が貼られるのですが、放熱の穴の部分は大きく切り抜いてやります。 また後ほど天板を作る際にスリットをあけますが、その下に入る1mm厚の蓋にその位置を写してジグソーでスリットの切断をします。

木製カバーの構造はこれまでに3つ紹介した定電圧電源、±2電源、低周波発振器よりも簡単な構造にしまし
た。 具体的には側板は上下対称で底板と天板は同じ大きさ(現物合わせだが)です。 そしてそれらは接着
剤で貼り合わせず、側板はシャーシにネジ止め、天板と底板は両面接着テープでアルミ板に接着します。
貼り合せた天板は4本のネジでシャーシに固定します。

 材料としては側板は14mm厚ムク板、天板と側板は5.5mmのシナ合板
 です。 外観と部材寸法は左右の図面をご覧ください。 尚シャーシは
 公称350 x 200 x 60の大きさですが、実寸は若干異なっていましたの
 でそれに合わせて材料寸法を出してあります。

 木部の塗装はオーク色のポアステインを水で2倍に希釈して、側板は
 2回塗り、天板、底板は3回塗りとして材料自身の色味、明るさの違い
 を補正しています。 その上に水性ウレタンニス透明クリヤーを2回塗
 り、最後に水性ウレタンニス艶消しクリヤー1回塗りの私の標準工程で
す。 製作順序は側板を加工して塗装しシャーシに固定後、天板、底板の幅を現物合わせで切り出し穴加工後塗装して取り付けます。

本当はやりたくなかった配線終了後の穴あけ。 左上は放熱器の真下で右下はトランスの真下になります。 全部で約120個あけるのは結構大変でした。

側板加工に入りましたが、左右2枚をばらさずに奥行寸法をドンピシャに追い込み、前面角の斜め切削をV溝ビットで施しました。

次にフロントパネルが落とし込まれる溝を2.4φのビット(mini-Shopで販売しているSS2-2.4G)で彫りました。 パネル厚が2.3mmですので緩からずきつからずの絶妙な溝幅になります。

左右を切り離して天板、底板が落とし込まれる溝を彫ります。 矢印の間は最終寸法6mmに対し6.5-7.5mmの適当に切断した幅になっています。

その長過ぎる部分をストレートビットで切削しドンピシャ6mmとしました。 導水管の断面部分ですからカンナで削るのは大変ですが、トリマーであれば容易に切削できます。

塗装前の仕上げ研摩は、#240、#400のペーパーとハンドサンダーを組み合わせてやりました。

ポアステインを水で2倍に希釈して2回塗りします。 これは
1回目の後でまだ着色濃度が低いです。

2回目の着色が完全乾燥後水性ウレタンニス透明クリヤーを2回塗り後水性ウレタンニス艶消しクリヤー1回塗りしました。

そしてシャーシの所定の場所に当ててネジを内側から締め込み固定しました。 基板を固定しているネジは側板固定ネジ締め付けの障害になるので外しています。

次に底板となる5.5mm厚シナ合板を現物合わせで切り出し、放熱口の部分の切り抜きとネジが干渉しないよう座繰りを施します。

更にフロントパネルが嵌め込まれる部分を2.4φストレートビットで彫り込み、その後前面に木口テープを貼り付けました。(矢印部分)

2倍に希釈したオーク色ステインを塗りました。 これは2回目の着色後ですが、板の生地がかなり白っぽいので今回は3回塗りとして側板と濃度、色調を整えます。

3回目の着色が完全乾燥後に水性ウレタンニス透明クリヤー2回塗り、水性ウレタンニス艶消しクリヤー1回塗りで乾燥したら底板は完成です。 シャーシ側板に嵌め込んでみました。

底板を4本のM3ネジでシャーシに固定しますが、ゴム脚を共締めしますので外観上は余計ねネジは全く見えません。

これでシャーシ内部の基板を外さないと作業がしにくいことはありませんので、再度固定してワイヤリングを束ねて結束バンドで固定しました。

天板の加工に入りました。 3φのストレートビットで沢山の溝を彫りますが、ガイド板を固定する目印を印刷してセロファンテープで貼り付けました。(間隔が6mmの線を引いただけですが?)

4本の溝を彫り終わって5本目のガイド板位置をセットしたところです。 6mm間隔でガイド板を移動すれば、3φのストレートビットを使う時に溝と溝の間隔は3mmというわけです。

溝彫が終わったら赤線で切断して最終的な天板の幅にしますが、それよりも溝長は長く切削しています。 こうすることで溝の切り始めや切り終わりの切削乱れやバリが生じても問題ありません。

溝が彫り終わったらマスキングテープに挟まれた部分の溝を完全に彫りぬきます。 これには大型のカッターナイフを使いました。

最終的な横幅に切断し(上の写真の赤線)、仕上げ研摩をしました。

斜め前から見たところですが、フロントパネルに嵌め込む溝(左下の角下側に見える。)や前側の木口テープ貼りも勿論済んでいます。

そしてステインで着色。 これは2回目の終了後ですが3回着色します。

その後水性ウレタンニス透明クリヤーを2回、水性ウレタン艶消しクリヤーを1回塗り完全乾燥後に溝の中を水性ペイント艶消し黒で塗りつぶしました。(表面にはみ出た部分は濡れ雑巾で拭き取る。)

ケースに嵌め込んだ所。 天板は側板のトップ面より0.5mm程沈みます。(狙ったとおりです。)

天板と本体の間にアルミの蓋を載せて再度天板を嵌め込み、貫通溝の角をシャープペンでL字状にマーキングします。

マーキングしたL字の0.5-1.0mm外側に線を引き(やや大き目の穴にする。)、長方形を描きます。

その穴を木工用曲線切りブレード(mini-ShopのNo.5ブレード)で切り抜きました。 勿論ヤスリで切断面を研摩し丸めます。

4箇所に強力な両面接着テープを貼り付けました。(肌色の部分)

その上に天板を載せ所定の位置になるよう押し込み引き上げて裏返しにしました。 4ヶ所の矢印の穴に3.2φのドリルで貫通穴をあけます。

これらの穴にM3のネジで天板とアルミ板の蓋を共締めします。

取り敢えずは超薄の頭のネジを使いましたが、実際には蓋の開け閉めは頻繁になるので、指で締められるネジを使ったほうが便利です。

本テーマのみに掛かっていたわけではありませんが、製作開始後約3ヶ月で完成に漕ぎ着けました。 実用的なヘッドフォーンアンプは無論測定器としての側面を持っていますが、面構えにそれを出せたと思います。

初めての試みであった紙を貼って表面を仕上る方法は何とか及第点に届いたと思います。 お陰で自由に文字入れが出来ますから、ちょっぴり自己主張もしています。


以上でヘッドフォーンアンプ2は完成したわけですが、シャーシの真中が大きく開いていてもったいない!という問題?があります。 無論ここまでの構想とか設計上の問題ではないのですが、本当はその追加工程も含め完成させようと考えていました。

しかしその構想も結構膨れ上がり出しており、与えられたスペースをうまく使うには本機を実際に使った経験を踏まえてまとめたいと考えています。  言うまでもなくあと2つのアンプの製作が中断になっていますので、それらが終了後に再度お伝えいたします。



2012/06/08

使用例

このプラットフォームを使いこなすにはそれこそ様々なパラメーターを変更できますので、それら全てを紹介するだけで1ヶ月はあっという間に経ってしまうでしょう。 ここはそれを目的とせずひとつの使い方の例としてご紹介しておきます。

私の手持ちのオペアンプから、LME49720、OPA2134PA、NE5532Aをピックアップしました。 出力電流倍増のオペアンプとDCサーボのオペアンプはOPA2134PAに固定し増幅回路のオペアンプの違いを見てみます。

テストの主目的はアルカリ乾電池の006Pで、16Ωから300Ωの負荷抵抗に対しての駆動能力を見ます。 電源電圧は最大で9Vですが擬似±電源とするので±4.5Vですが、電池の寿命となる5.4Vの時(つまり±2.7V)での動作も調べます。 今回は簡単に1KHzだけで測定し周波数特性の測定もしておりませんが、何れのオペアンプも10KHzの方形波を通した場合、ごく僅かなオーバーシュートが出る程度でリンギングは出ていませんから、周波数特性としてはまずまずだと思われます。

±2.7Vでの動作実験は初めてでしたので大変興味がありましたが、優秀なオペアンプはなるほど良い結果を出しています。 次の表はその結果を一覧にしたものです。 

オペアンプ
Model名
動作電圧 負荷抵抗 最大出力電圧 最大出力電力 消費電流 オフセット出力電圧
(サーボ有り/サーボ無し)
LME49720 ±4.5V 300Ω 2.4V 19.3mW 25mA 左:0.5/4.0mV
右:0.2/3.1mV
100Ω 2.0V 39.2mW 30mA
50Ω 1.6V 52.9mW 33mA
30Ω 1.2V 48.2mW 33mA
16Ω 0.8V 38.1mW 33mA
±2.7V 300Ω 1.2V 4.7mW 23mA
100Ω 1.0V 9.8mW 25mA
50Ω 0.8V 13.2mW 27mA
30Ω 0.6V 13.5mW 30mA
16Ω 0.5V 13.2mW 33mA
OPA2134PA ±4.5V 300Ω 2.3V 17.1mW 24mA 左:0.0/1.2mV
右:-0.1/-1.6mV
100Ω 1.8V 33.8mW 28mA
50Ω 1.4V 40.0mW 33mA
30Ω 1.1V 42.7mW 36mA
16Ω 0.7V 31.2mW 39mA
±2.7V 300Ω 1.2V 4.5mW 22mA
100Ω 0.9V 9.1mW 24mA
50Ω 0.7V 11.0mW 26mA
30Ω 0.6V 10.7mW 28mA
16Ω 0.4V 9.5mW 30mA
NE5532A ±4.5V 300Ω 2.0V 13.1mW 22mA 左:1.0/7.1mV
右:1.2/6.8mV
100Ω 1.7V 28.8mW 27mA
50Ω 1.4V 40.0mW 31mA
30Ω 1.1V 42.7mW 35mA
16Ω 0.8V 37.8mW 40mA
±2.7V 300Ω 1.0V 3.0mW 20mA
100Ω 0.7V 4.5mW 21mA
50Ω 0.5V 10.6mW 23mA
30Ω 0.4V 6.0mW 25mA
16Ω 0.3V 6.0mW 27mA

これをどう判断するかですが私はヘッドフォーンを駆動するのに必要なアンプ出力のガイドラインとして次のような表を作っています。

ここではオペアンプの最大出力電圧は電源電圧の90%として計算しています。 例えば電源電圧が±10Vであるとすると最大出力電圧は、10V x 0.9 x 0.707 = 6.4V という考え方です。 0.707を掛けるのは実効値を算出するためです。 最近の高効率オペアンプはおおよそこの計算で合いますが、古い物になると更に下回った値(低効率)になります。


ヘッドフォーンの仕様はかなり広範であり、インピーダンスは16Ω〜300Ω、音声への変換能率は90dB/mW〜105dB/mW、とかなりの幅を持っています。 最大音圧を110dBとすると(指揮台で得られる最大の音圧だと聞いた事があります。 120dBになると耳に致命的なダメージを与える危険性がある!と言われます。)、変換能率が100dB/mWの場合には10mW、変換能率が90dB/mWの場合には100mWが必要なアンプ出力になります。 変換能率が100dB/mW前後の物は結構多いので、10mW以上の出力が出ている場合に青色で上の表は示しています。

これではっきりしていることは電池電圧が9Vの状態では3種類のオペアンプ何れでも16〜300Ωという広範囲のヘッドフォーンを駆動できます。 但し電圧が下がってくるとそうは行かず、LME49720は50Ω以下であれば電池電圧が下がっても十分な出力が出ています。 一方OPA2134PAは電池電圧が下がると100Ω以上のみならず16Ωでも不十分になり、NE5532Aでは電池電圧が下がると50Ω近辺のみの駆動能力が残るという次第です。

因みにゼンハイザーのHD650という人気のあるヘッドフォーンは300Ωという極めて高いインピーダンスを持っており、駆動能力の高いアンプが必要と言われます、上の表を見てもそれはうなずけます。 但しHD650は変換能率が103dB/mWと100dB/mWの2倍の能率になっているので、必要なアンプ出力は5mWで良く、上の表ではLME49720とOPA2134PAがぎりぎりOKになるでしょう。

音質が良いかどうかとは直接関係ありませんが、50Ω辺りのヘッドフォーンが最も駆動しやすそうだな?という見方も上の表から可能です。  総合的にはLME49720はやはり優秀なオペアンプですが、私は音色的な点とオフセット電圧出力の小さなOPA2134PAが使いやすいので一番の好みです。 オフセット電圧出力の違いも上の表ではっきりと判ります。

ということで使い方のほんの一例として触れてみました。


----- 取り敢えず 完 -----


 
  
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