パワーアンプの電流供給能力を考えてみよう -スピーカーの電気はどこから来るの?-

パワーアンプの音質を表す指標に「力強さ」、「低音の締まり」、「パワー感」などがあると思います。これらはいかに瞬時に大電流を供給できるかが問われているのだと思います。スピーカーからゴリゴリとした低音が出てくると本当に気持ちの良いものです。今回はパワーアンプの回路について、大電流の供給能力という点から考えてみたいと思います。

次の図はパワーアンプの回路を模式的に示したものです。パワーアンプの出力段はコンプリメンタリーとなっていますが、ここでは簡略化してNPNトランジスタだけを示しました。またトランジスタのエミッタ抵抗も省略しています。

パワーアンプの動作原理

トランスから出たAC電圧はダイオードで整流されて平滑コンデンサC1に蓄積されます。パワートランスタの出力(矢印の付いたエミッタ位置)が入力電圧の(1+R1/R2)倍に増幅された電圧になり、結果的に出力につながれたスピーカーに電流が流れます。 パワートランジスタのコレクタ-エミッタ間の抵抗が小さくなってC1からスピーカーに電流が流れる様になるといってもいいでしょう。C1の電圧はトランジスタのベースあるいはエミッタの電圧より十分に高ければ、何Vでも構いません。

電流供給はどこで律速されるか?

さてではスピーカーに大電流を供給する際にネックになるところは次のうちどこでしょうか?

(1)出力トランジスタ

(2)電解コンデンサC1

(3)トランス

答えは(2)の電解コンデンサです、ただし条件付で。「いやそんな事はない、トランスを大型にしたら音質が向上した」というご意見もおありでしょうが(私もそんな経験もあります)、この点は後で解説します。

この答えを考えるには電流はどこから供給されているか(どこで律速されているか)を考える必要があります。次の回路図は先ほどと同じですが電源トランスの巻き線抵抗と電解コンデンサの直列抵抗も含めて示したものです。

出力トランジスタがONになった際に負荷に流れる電流の供給源は2つあります。一つは電解コンデンサC1でもう一つは電源トランス+ダイオードです。どちらから電流が流れてもいいのですが、基本的に電流の流れやすいほうから電荷は流れてきます。電解コンデンサの最低インピーダンスは0.1Ω程度、電源トランスの方は数Ω程度だと思います。したがって通常は平滑用の電解コンデンサから電気は供給されると考えていいのです。ただし条件があります。平滑コンデンサに蓄積される電荷量には限りがあるので、ある程度でてしまうと今度はトランスのほうから供給せざるを得なくなります。

電解コンデンサが生きている条件を考える

次に 電解コンデンサに蓄えられた電荷量が足りなくなる条件はどの程度か考えてみます。

今、整流後の電圧が50V、電解コンデンサの容量が20,000uFとしましょう。蓄積される電荷量はQ=CVから、丁度

Q= 1(C)となります(Cは電荷量クーロンの単位)。一方スピーカーに瞬間的に大電流が流れたとします。たとえば平均電流2A(ピークで約3A)で0.2秒間流れたとすると、全部で0.4(C)消費しますから電解コンデンサには0.6(C)しか残っていないのです。しかもV=Q/Cですから、電圧が半分近くになり、したがってパワーは当初の1/4しか出ない状態になってしまうのです(実際にはトランスから随時電流が流れますから必ずしもそうではないのですが)。こうなると、電源トランスから供給される電流でスピーカーを駆動するしかありません。ということで、結局は数Ωの抵抗が直列にはいった状態になってしまうのです。トランジスタがいくら高速・低抵抗でもこうなると,そもそも電気が流れてこないので意味がなくなってしまう、

ということになります。

以上の議論は結構現実的な数字です。

おさらい

言い換えると本来電解コンデンサから電流が供給されることが理想で、それができなくなったときにトランスの抵抗(トランスの大きさが)効いてくるのです。電源トランスを大きくして音質が良くなったとすれば、電解コンデンサの容量が足りないという事を意味しています。したがってまずトランスの大きさ(内部抵抗)が効いてこない様に、まず電解コンデンサーの容量を大きくすることが重要で、そうするとトランスというのはあくまで、実用時の平均消費電力以上を供給できれば、小さくても良いのです。

わかりやすい模式図を作ったとするとこんな感じです。
実際、電解コンデンサを100,000uFと大きくした状態で、電源トランスを250VAから1000VAに変更しても音質の変化は感知できませんでした。

逆に電源トランスが音質にきている状態ですと、これはこれで問題があるといえるのです。電源トランスから供給される電流は50Hz(全波整流では100Hz)の脈流です。正弦波を半分にちょん切った電流量が最大供給量です。という事は1秒間に100回は電流の供給できない時間帯があり、そこから徐々に電流が供給され始めるので、電流供給が間に合わない状態が続いていると心配しなくてはいけないのです。
パワーアンプを製作するにあたって、何でもかんでも物量を投入すればいいというものではなく、最も効く所にという様にメリハリをつける事でコストパフォーマンスの向上につながります。オーディオデザインのパワーアンプの電源トランスには十分以上の容量のものを用いていますが、オーディオデザインのパワーアンプが高性能な割りに安価にできるのも技術があってのことなのです。

終わりに

トランスが大きい方が音質的に向上するという経験自体は間違いでないにしても、それを安易に一般化すると間違いになります。

ただし、今後弊社のアンプでも電源トランスを強化することもありえます。お客様の要望が強く、そのほうが売れるというのであれば拒む理由にはなりませんので。
(2008/10/16)

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