アースとアースループの違い、わかりますか?(その4 アースループの解決策)

前回アースループの実例を紹介しましたが、今回はいよいよアースループの解決策を紹介したいと思います。アースループの解決策(改善策)には次の3つがあります。まずは簡単な方法から紹介していきます。

1.アースループの面積を小さくする。

アースループがあるとアースループの輪内を通過する磁束の変化によ比例して電流が流れ、ハム等のノイズが発生します。アースループの輪の面積が小さければ拾ってしまう磁束の量も少なくなります。具体的にはアースループを形成する入力と出力ケーブルを束ねてしまうのです。機器の接続端子の配置にもよりますが、これだけでハムなどは激減します。この方法はレコードプレーヤーの出力をプリアンプのPhono端子に接続する際にも有効です。Phono専用のシールドケーブルではなく、通常のシールドケーブルをPhono用に流用すると、しばしばハムが発生することがあります。その場合は左右のケーブルを束ねるだけでSNが良くなります。まあ安物のシールドケーブルなどは最初から左右くっついていますので問題ないのですが、高級ケーブルで曲がりにくいものなどは自然に左右広がったりしますから要注意かもしれません。

2.アースループを形成するケーブル全体をシールドしてしまう

2つめの方法はアースループを形成している入力・出力のシールドケーブル全体をシールドしてしまうことです。具体的にはたとえばアルミホイルなどをシールド線全体を覆うように巻き、アルミホイルをクリップ付電線などでアルミホイルをシールドしてしまうのです。こうすると基本的にアースループは消滅します。厳密に言うとアルミホイルでは静電シールドで電磁シールドにはならないのですが、実際にやってみると効果があります。(私がもっぱら試験したのはPhono入力を利用した方法です)。

3.アースループそのものを除去する。

アースループが問題となるのはアースループができたからですので、このループを無くすのが本質的な解決策です。すなわちシールド線の入力・出力どちらかのアース線の接続を切ってしまうのです。この手法はプロの音響機器の取り扱い手法のなかで「グラウンドリフト」という呼び方で知られている様です。シールド線のアースを切っても一箇所でアースに接続されていますので問題ありません、というよりもこちらの方がまともなのです。
ただし、この手法には危険な面があります。シールド線のアース線をカットしたケーブルを通常のアースループを形成していない機器の接続に間違って使用すると、電位が不定となりとてつもないノイズを発生したり、機器の破壊につながったりします。
この危険を避けるための手法もあるのですが、ここでは紹介しないことにします(ノウハウということで・・・・)。

また、アース線の接続をカットするという手法を意味もわからず拡張すると、絶対やってはならない接続方法になります。信号ケーブルのアース線を通じてアースが接続されていない状態、たとえば電源ケーブルのアース線で機器が接続されている場合、信号経路のアースは電源ケーブルのアース(+シャーシー)を通じて取ったことになり、音質的には最悪の状態になります。実際にあるホームページでこの辺を混乱して実験しようとしているのを見たことがあります。

以上アースループの解決策について説明してきましたが、アース・アースループの問題というのは、奥深く難しいテーマです。そのくせこの点についてオーディオ的見地から解説したものは非常に少ないのです(というより無い)。
またアンプの教科書にもほとんど書いてないので簡単に勉強することもできません。この辺について面白い話があったら教えて下さい。

アースとアースループの違い、わかりますか?(その3 これが本当のアースループ)

これまで、アースについての基本を考えてきましたが、本当に怖いのはアースループです。アースループというのは単純にアースすることではなく、またアースを余計につなぐ多重アースでもなく、本当にループになっているアースです。今回はアースループができるケースについて解説します。

おさらいですが前回の「アースとアースループの違い、わかりますか?(その2:多重アース)」で説明した、電源コンセント(のアース線)による余計なアースは「多重アース」であってアースループではありません。今回説明するのが本当のアースループです。多重アースの場合余計なアースをしないほうが良いというのは事実ですが、インパクトは小さく致命的ではありません。私が実験したところ、電源ケーブルのアース線を接続したときに、ノイズが5%ほど増えることが観測されましたが、聴感上検知できるレベルではありません。

さてオーディオ機器の接続において、信号ケーブルを必然的に行きと帰りで2本接続しなければならない場合があります。プリメインアンプにレコーダー、あるいはグラフィックイコライザーを接続する場合、オーディオアナライザー(発信器+歪率測定器)などでアンプの特性を測定する場合などです。こういった使い方の場合原理的に本当のアースループが発生します。

たとえばプリアンプに録音機やグラフィックイコライザーなどを接続する場合こうなります。

うす緑で示した面積がアースループになります。アースループと普通のアースをつなぐ事の決定的な違いは信号線のアースが出て行った後、もう一度戻ってくるかどうかです。

他にもオーディオアナライザー(発信器と歪率計が同一のシャーシーにはいっているもの)でも同様の現象が起きます。

オーディオアナライザーにはこのアースループの影響を防止する策が既にいくつかとられており参考になります。

このアースループの影響を除くにはどうすれば良いかはまた別途解説したいと思います。

ハイエンドショーのご報告

とうとう、ハイエンドショーが終わりました。
弊社のブースにも今回たくさんの方にご来場いただき、お声をかけていただきました。ありがとうございました。



以下、ハイエンドショーの感想です。

<うまくいった事>
とりあえずデモが無事に終わった
(音が出なくなるなどの事故も無く)
アンプ内部(基板)を展示して興味を持ってもらった事
理系の人には特に受けた(と思う)

<失敗した事・力が足りなかった事>
自分のブースの音は納得できないものだった
説明がくどすぎたかも?
用意したパネルが小さすぎた
デモ用の音源(CD)の選択が他社に負けていた
大きな部屋で音を出すのは家庭で音を出すのと勝手が違うと言うことを知らなかった(周りに壁が無いので低音がみんな逃げていく・・・他のブースで低音が出ているのが不思議)
マイクが必要だと知らなかったこと(2日目からは測定用のマイクを持ち込んでプリアンプにつなぎましたが、切り替え時など聞き苦しかったと思います)
コラボレーションで他社のハイエンドスピーカーと組み合わせたら妙に低音が出ない様に聴こえた(私がいたスピーカーの直前では)。
にもかかわらずスピーカーから遠く離れた壁のあたりで聴いていた人には好評で、オリジナルより良いと言ってくれた人が何人かいてくれてちょっと安堵。

<うれしかった事>
ホームページ見てますとたくさんの人に声をかけてもらった事
声をかけてくれる人は若い人が多かった事(普段弊社に直接電話をかける人は人生の先輩の方が多い)
ショーの主催者・出展社の方が皆さん親切だったこと

<大変だった事>
機材を準備梱包するのが想像していたより大変でした(小規模の引越し並み)。
ショーが始まるまでに準備で疲れきっていたこと(というよりショーの前は注文が多く、ほとんど準備に時間をさけなかった)。
4年ぶりに人前でしゃべった事(話べたになっていた自分にこれまた驚いた)

今回のショーは大変勉強になりました。
宣伝のための投資と思って申し込みましたが、授業料を払ったと言うことだったかもしれません。
本質的に感じたことは別途ご報告したいと思います。
また機会がありましたらよろしくお願いします。

パワートランジスタの今昔

今回はパワーアンプの出力段に使用するパワートランジスタについて解説してみたいと思います。
以前のコラムでパワーアンプの出力段のトランジスタを並列接続しても意味がない、それどころか特性が悪くなると述べました。しかしながら実際にパラ接続にしたら音質が向上したという経験をお持ちの方も多いかもしれません。また、実際そうだったからこそ、パワートランジスタの並列接続を歌い文句にするようになったのだと思います。

ただしこれにはわけがあります。実際昔(20−30年前)のパワートランジスタは特性が必ずしも十分ではなく、貧弱でした。確かに並列接続する必要がありましたし、そのほうが好結果が得られました。ところが最近のオーディオ用に作られたパワートランジスタはAB級100Wくらいなら一つでも十分な特性が得られるものがあります。一言で言うとパワートランジスタ一つで、昔のパワートランジスタ3つ分以上に優れているのです。

表1パワートランジスタの定格比較

最大定格 古典的パワートランジスタ
2SA627
最近のパワートランジスタの例 備考
最大電圧 Vce 80V 230V コレクターエミッタ間電圧
最大電流 Ic 5A 15A コレクタ電流
コレクタ損失 Vce x Ic 60W 150W 無限大放熱器での値
電流増幅率 60 100

表1は30年ほど前の定番のパワートランジスタ2SA627(2SD188とコンプリメンタリー)の特性を最近のパワートランジスタと比較したものです。コレクタ損失(パワートランスタで消費できる最大パワー=コレクターベース間電圧xコレクタ電流)がは60Wから150Wと2.5倍にに大きくなっていることがわかります。また流せる電流値も3倍の15Aになっています。100W8Ωでおよそ最大5Aの電流が流れることになりますが、現在のパワートランジスタでは一個で十分です。電流増幅率に関しては約2倍になっていることに加え、そのコレクタ電流依存性(リニアリティー)も大きく改善されています。

図1.古典的パワートランジスタの電流増幅率

2sa627.jpg

図1のHfe(上に凸の曲線、右目盛り)特性図は、古典的パワーTr2SA627の電流増幅率をコレクター電流の変化に対して示したものです。1Aを過ぎたあたりから増幅率は低下し始め5Aで30と約1/3に低下します。増幅率30という数値はアンプ設計上小さすぎ、増幅段に大電流が流れ始め歪み率が大幅に悪化するため、トランジスタを並列接続する必然性があったといえます。

一方図2は最近のパワートランジスタの電流増幅率特性です。5Aくらいまでは増幅率の低下は20%くらいにおさえられ、かつその値も100近くあるので(実際の使用状態では結構熱くなる)、パワーTr1個で昔のパワーTr3個分以上の働きをしているのです。

図2. 最近のパワートランジスタの電流増幅率特性

2sa1943.jpg
パワートランジスタのパッケージ形状は2x3cm程度ありますが、実際の半導体の面積はせいぜい数mm単位の大きさなので、そもそも大電流に対応したければ半導体の面積を大きくすればよく、実際にそうなってきているのだと思います。後者のトランジスタはHfeのリニアリティー、帰還容量、放熱特性等他の特性も改善されており、もちろん半導体の構造自体にも工夫がされていると思います。

パワートランジスタを並列接続する技術的メリットがあるとすれば、放熱器が大きい場合に熱源が分散されるので方熱効率が良いということくらいです。 それよりも、並列接続によって帰還容量が増え高域特性が悪化すること、配線長が長くなる悪影響がの方が大きいのが実情です。

この様にパワートランジスタの性能は昔に比べると大幅に向上しており、少なくとも「xxパラプッシュプル」という歌い文句をあまり真に受けない方がいいと思います。

以上、パワートランジスタの今昔物語でした。

パワーアンプの進捗状況 -その3-

パワーアンプ相変わらずお待たせしております。
2月後半からご注文を多くいただき、新製品のパワーアンプ開発の進捗がはかどっておりません。
セレクターなどはある程度さばけるようになっていますが、これに加えてプリアンプの注文が多くなると、現状ではそれだけで精一杯になってしまいます。
言い訳はこのくらいにして、パワーアンプの外観を紹介します。
パワーアンプの外観

下2/3が電源部で上部が回路基板・放熱器類になります。
フロントパネルは5mm厚のアルミヘアライン仕上げになります。

電源部の電解コンデンサ容量は+-合わせて合計約240,000uF(桁に注意)になります。電解コンデンサ容量はもっと大きいのもありますが、そういうものは汎用電解コンを使用しているのでインピーダンスが大きくなってしまいます。またオーディオ用の低インピーダンス特性の電解コンデンサは20,000uF程度までしか作られていません。弊社の場合、大容量と低インピーダンス両立すべくある工夫をしています。
(以前は技術内容を詳細に記述していましたが、同業者の方で似たようなものを作られたり、内容をぱくったりされることが多くなってきたので詳細は記載しない様にしていますがご了承下さい。)

基板は通常の1.5倍の2.4mm厚のガラスエポキシ基板で、この厚さになると基板がしならなくなります。銅箔厚さは通常の2倍の70umで製作しています。もちろん、パワーアンプのエッセンスは回路技術にあり、こういった部品面は単にそれをサポートしているだけですが。

基板類も組みあがっているので、それらをこのケースに収めて、調整、測定を無事終えればデモ機が出来上がります。

製品版では側板の仕様変更、フロントパネルへのシルク印刷追加などが加わりますが、中身はこの写真のデモ機と同じになります。

今回はこのくらいで。