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ＳＥＰＰ-ＯＣＬパワーアンプのＤＣ漏れ電圧の削減法
５０年くらい前に自作したパワーアンプですがＯＣＬなので出力に漏れてくる直流電圧が気になります。電源ＯＮ時に＋１００ｍＶ程度で２時間経過でー５００ｍＶくらいになります。音は出していない状態です。アイドリング電流は２０ｍＡ程度です。D46の発熱は無いです。 製作時にはあまり気が付きませんでした。０．５Ｖぐらいではスピーカーが壊れることは無いと思いますが。±１００ｍＶ程度には納めたいです。4.7μと１０μの電界コンの劣化による漏れ電流の変化と思い交換しましたが改善しません。改善方法をご教授下さい。
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回答No.11に補足させて下さい。hfe極限の2SC458段ゲインとして 1 /( 2 * hib1 + 500 ) * 8.2k * 2 を提示しましたが、hfe 30 ともなりますと120kΩ、39kΩ＋91kΩ の寄与が甚大です。ゲインはこの電圧降下を含め、 1 /( 2 * hib1 + 500 + ( 120k + 39k ＋ 91k )/hfe ) * 8.2k * 2 と記述する方が明瞭でしょう。ゲインは２倍程度で、2SA562段の hfe が低く82Ωとの積が8.2kΩを目減りさせればさらにゲインは落ちます。2SA562段のベース電流 8.2kΩ 積の電圧アンバランス寄与が初段で薄まりません。 回答No.10に記しました「2SC458の左右バイアス抵抗を 1/10 の値にするとか、2SC458をダーリントン接続にして置換するとか、もっとhfeの高い種類のトランジスタに替えるとか」は初段ゲインを確保し状況を一変させると考えているのです。
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- veryyoung
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ご質問のありました、 ＞このようなＤＣアンプ回路はＤＣ的に負帰還がかかる回路で出力が＋方向にずれるとそれを抑えるようにー方向に制御され、逆に出力がー方向にずれると＋方向に修正するように制御されると考えて良いのでしょうか？制御能力不足でどんどんずれていく状況であると考えてよいのですか？ --- これに沿い、全体の動作を確認してみるのは、如何でしょう。 左右2SC458のベースをGNDに落としましょう。無帰還状態となり、高確率で、AMP出力にDC電圧が発生します。これが零になる為には、右2SA562のコレクタ電位が 約 1.2 V にならなければなりません。その為のコレクタ電流は、約 3mA で、必要な2SA562ベース電位を発生させる2SC458のコレクタ電流は、下部の 5 kΩ VR により調整できる筈です。左右バランス 500Ω VR は暫定中央にしておきます。AMP出力電圧は零に出来ますでしょうか。また2SC458、2SA562 が正常ならば、各々左右にはほぼ均等に電流が生じる筈です。単に8.2kΩ両端電圧測定では左2SA562の故障を見逃す可能性あり要注意です。正常ならドリフトは2SA562のhfe値および左右差主要因にて、AMP出力で100mV/℃オーダかと思います。 注意：「なお、この実験を行う際、2SD46のアイドリング電流は十分に絞って壊さぬよう、しかしスイッチ動作になってしまわぬよう配慮ください。当該回路はトランジスタ３つ分のVbeに対しダイオード１個になっていますから、アイドリング電流は、電位依存性が大きいです。出力電位は 5.6kΩ+1kΩを流れる電流で決まりますが、それが変化すれば、500Ω VR の両端電圧変化、アイドリング変化という機序です。かけがえのない2SD46であるなら、2SC367のベースおよび2SA467のベースを出力に短絡、動作停止させておくのも良いかと思います。上側2SD46は Icbo 対策に下側同様150Ωの抵抗をベースエミッタ間につなげば軽負荷確実かと思います。出力は実質右側2SA562のコレクタに変わります。しかしこのようになってくると、別に2SA562段まで組んだ方が良いようにも思えて来ます」 さて、AMP出力にわざと大きなオフセットを得るべく 2SC458下部 5 kΩ VR を設定しておき、負帰還を有効にすると、AMP出力電位が零に向かいませんか？ AMP出力電位は左右2SC458でGND電位と比較される事になり、一巡利得でオフセットは改善されます。ただその比較は、120kΩおよび39kΩ+91kΩを経由しており、バイアス電流感度が高い事に注意が必要です。 裸利得は、各段hfeが十分高い極限の簡易計算として、 2SC458段： 1 /( 2 * hib1 + 500 ) * 8.2k * 2 ここで hib1=25mV/0.3mA = 80Ω 2SA562段： 1 /( 2 * hib2 + 2 * 82 ) * ( 5.6k + 1k ) ここで hib2=25mV/3mA = 8Ω 前段 25倍、後段 37倍です。hfe次第で実際には半分以下でしょう。2SA562段要因で発生するオフセットは、初段ゲインの分だけ鈍感になりますが、実際は高々10倍、油断禁物かも。極端なアンバランス（機能不全）があってもオフセット調整可能な場合がありますが、ドリフトは酷いものになる理屈です。また初段hfeが低いと、改善ゲインが得られないだけでなく、ベース電流とバイアス抵抗値の積で生じるドリフトを追加してしまいます。
- veryyoung
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2SA562以降に大きな異常がない限り、AMP出力のオフセットは主に、2SC458ベースバイアス抵抗、左120kΩおよび右(91k+39k)Ω電圧降下の差として生じ、またベース電流は１℃あたり約１％上昇するとしてドリフトが勘定できると考えています。2SC458のペアを探す操作とドリフトの改善量が「定量的」に合っているか気になります。 後段も含め各所の電圧電流をモニタすれば、真の不具合原因は判明するでしょうが、面倒でしょう。代案としては、初段の特性を明らかに向上させ、ヒントを掴む手もあるのでは。例えば、左右バイアス抵抗を 1/10 の値にするとか、2SC458をダーリントン接続にして置換するとか、もっとhfeの高い種類のトランジスタに替えるとか、大きな変化を与えても良いのではありませんか。hfe:30台も奇妙です。
お礼
いろいろなヒントをありがとうございます。 右の458に対して左の458を２０個変えてみました。 １９個はドリフトは大きくは変化しませんでしたが、 1個だけ時間とともに変化する方向が逆の＋方向の 組み合わせがありました。ドリフト量はほぼ同等。 質問ですが、このようなＤＣアンプ回路はＤＣ的に 負帰還がかかる回路で出力が＋方向にずれるとそれを 抑えるようにー方向に制御され、逆に出力がー方向に ずれると＋方向に修正するように制御されると考えて 良いのでしょうか？制御能力不足でどんどんずれていく 状況であると考えてよいのですか？ アドバイスを一つずつ実行してみます。
- veryyoung
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ベース電圧の件、hfeが30くらいしか無い旨ですね。2SC458の直流 hfe ランクが、 Ic: 2 mA、Vce: 12 Vで規定されているとは言え、Ic、Vce 依存性を鑑みても、30 とは奇妙です。ダメージでも受けているのでしょうか。手持ちの角型 2SC458(少なくとも40年経過)のCランクを5本計ってみましたが、Vce: 5V、Ic: 2mA にて、直流hfe: 133, 141, 153, 203, 220、Ic: 0.3mA にて、直流hfe: 105, 107, 109, 155, 210 でした。 マイナス１Vと伺い、右側2SC458ベースの91kΩに並列に入った電解コンデンサ 4.7μF の極性が気になり始めました。逆極性で漏れ電流が経時変化するかも・・・。ベース電流のショット雑音電流√(2 q Ib)と91kΩの積で生じる電圧ノイズ軽減の役目でしょう。今は取り去るか、ロールオフ解消程度の小容量セラミックコンデンサに置き換え、ドリフトに関するトラブルシュートに注力しても良いのではありませんか。2.4kΩと直列の10μFも同様です。こちらは単に外してしまうと、一巡ゲイン上昇で発振してしまうかもしれませんね。最低でも0.1μF、より大きい方が安全です。
お礼
4.7μを外してみました。言われているようにノイズが増えました。ＤＣドリフトはかわりません。 458の挿入穴にカップタイプのソケットコンタクト（ＩＣソケットをばらして）を取り付け、ひたすらドリフトの少ない組み合わせを捜してみます。
補足
いろいろに推測されたご意見、ありがとうございます。 電解コンの劣化による漏れ電流の件、私も疑いまして 漏れを測定したものと交換しています。4.7μに関して は、加わるＤＣ電圧がどの向きかな、場合により逆 になるかなとかは私も思いました。電解コンではまずい のかも。これは外してみて様子を見ます。無極性の コンデンサーにも替えてみます。 2SC458のhfeの件、かまぼこ型の新パッケージの458の hfe区分にはB 100～200 C160～320 D250～500とあり、 そもそも新、旧の458でスペックが異なるのかも。 測定電流は不明ですが小信号用Trのhfeは電流値に 対してはPowerTrほど変化は変化しないですよね。 下記は新４５８のデーターシートです。 https://www.renesas.com/jp/ja/doc/products/transistor/004/rjj03g1095_2sc458ds.pdf
- veryyoung
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意外な事を一つ見つけましたので取り急ぎ報告いたします。シミュレーションによれば、左側の2A562のコレクタがGNDに接続されていなくとも、また類似モードで故障していても、全体は一見正常に動作します。300mV程度のオフセットにしかなりませんし、AMPゲインもほとんど変わりません。盲点です。温度係数は悪化するでしょう。もし回答No.7の方法で初段 hfe が十分高いと判明すれば、原因は後段に求める他なさそうです。併せてご検討ください。
補足
No7とNo8に対する返答です。 使用している2SC458はhfeランクＢで100～200のものです。 でも"2SC458はパッケージが変更されており使っているもの は古い角型のパッケージのＢランクです。多分電気的規格は同じだと思います。ベース電圧は左ー1.12V 右ー1.07Vでした。 コレクター電流はそれぞれ0.28mA(8.2KΩの電圧降下から計算）でした。あと、2SA562（左）のコレクターはGNDに落ちており浮いていません。 2SC458が付いた基板は４４ピンの基板ソケット(2.54ピッチの昔ながらのヤツ）に垂直に刺さっています。ケース無しで 外気にむき出しです。コレクタ損失は５ｍＷそこそこなので 458自身での発熱はあまりないと思います。 100pF程度をあちこちＧＮＤ間に入れての波形観測はしていません。挿入してみる箇所を具体的にご指示下さい。 位相保証（発振止め）Ｃを1000pFにしてみましたがノイズ が若干下がった程度でＤＣのドリフトには関係無しでした。現在は100pFに戻しました。 あと、気になるのは使っているカーボン抵抗の温度特性は影響していないか？ということです。確か数百PPMはあったような、部分的に金属皮膜抵抗にした方がよいのかナ。 昔カーボン抵抗でＤＡのラダーネットワークを（いたずらで）作成したとき下位Bitが温度バラツキで全く意味がない ものになったのを思い出しました。 458交換作業でパターンが剥がれそうです。ソケット化しようかと思います。
- veryyoung
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詳細ご説明ありがとうございました。 発振だと感じたのは、尋常なドリフト量で無いからですが、一方で2SC458のhfeが100を大きく割り込んで低く、さらに差動差が大きければ、hfe の温度変化からドリフトを説明できないでもありません。まず次のチェックをされては如何でしょう。左2SC458のベース電位は、エミッタ電流約0.3mAの為のベース電流を供給する120kΩの電圧降下であり、もしマイナス 0.8 V を下回っているようならhfe が 50もありません。hfeは１℃あたりおおよそ１% 上昇します。AMPのDCゲインは１ですから、出力電圧変化も同様に１℃あたり前記電圧の１％が目安かと思います。2SC458の hfe 左右差に応じてこの値は軽減また反転します。右のトランジスタのベース電流は 39kΩ＋91kΩ の両端で算出できますね。このモデルの適合範囲では、120kΩ両端電圧と39kΩ＋91kΩ 両端電圧を一致させれば、hfe の差があっても、温度ドリフトゼロにできますね。またそれら一致が無い限り熱結合は意味を持ちません。なお、抵抗を小さくすればオフセット電圧を抑えられるのですが、音量調整のボリューム 250KΩ だそうで、120kΩが必要最少と知りました。 ところで初段トランジスタが取り付けられている基板の温度上昇も伺えれば参考になります。
- veryyoung
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回路図通り入力開放状態で実験されているのでしょうか。だとすれば、意外な部分帰還で発振の可能性があるようです。1kΩ等で入力端子をGNDに落とすと、発振停止し、同時にAMP出力DC電位が（過渡応答でなく定常的に）変化しませんでしょうか。ドリフトも収まりませんか。 左側2SC458ベースが高インピーダンス(120kΩ)で放置されると、コレクタ側から Cob = 2pF(80kΩ at 1MHz)でベースを揺さぶり、エミッタへ信号が抜けるルートが開かれます。そこから右側のC458ベース接地をたどり左側A562のエミッタフォロア、右側A562エミッタベース筒抜けを介し再び左側2SC458のコレクタへ戻るという一巡が存在します。類似のシミュレーションによれば、歪たっぷり約１MHzで発振しております。 上記推測もハズレかもしれませんが、いずれかの節点に片側GNDの100pF程度のコンデンサを接触させつつAMP出力DC電圧を観測し、変化（過渡応答後）するなら発振の疑いがあります。 もし宜しければ、オシロスコープの帯域とプローブ容量をお聞かせください。
補足
個人的な困りごとにお付き合いいただきありがとうございます。 ５０年近く前の作品のため当時の回路図面もないので基板パターンから回路図を 描きなおしました。抵抗値はカラーカーボン抵抗の色が褪せ赤か橙かも見分けが つかないものもありテスターで測って調べました。調整用の半固定ボリュームは 炭素被膜摺動面がむき出しのタイプのため”ガリオーム”に変化しておりすべてとり かえました。 アンプの入力には音量調整のボリューム(250KΩ)があり無入力＝０Ω（ショート状態） です。あと、無入力＝オープン状態）でボリュームを０～250KΩまで回しても出力波形 （ノイズ）もＤＣ電圧も変化しません。ボリュームの位置に関係なく時間経過とともに じわじわとＤＣ電圧が一方向に増え続けます。＋100mVからー方向に（－250mV/H）です。 2SC458の組み合わせにより＋方向に増え続ける場合もありました。 この電圧のドリフト方向は程度の差はありますが左右チャンネルとも同じです。 問題が無い（と思える）チャンネルはー300mV程度で飽和？して安定します。 あと、位相保証のコンデンサーは100pFのセラコンです。 オシロスコープは古ーい横河電機のデジタルオシロで帯域は１５０ＭＨｚです。 ＤＬ１５４０ 8Bits 200MS/s 150MHz ４ｃｈ プローブは付属のプローブで1/10で使用していますので容量はたぶん大きくとも数十pF 程度だと思います。 あと、100pF程度のコンデンサーをＧＮＤといろんな箇所に接続しての波形観測はこれから 行ってみます。 少し気がかりなのが入力ショートでもオープンでも変化せずに出力に現れている ノイズに埋もれたサイン波成分（50KHzと100KHzぐらい）振幅は20mVぐらいがＤＣ電圧に 重畳して出ていることです。同期がとれずにふらついた波形なので発振ではないと思いますが ・・・。
- mdmp2
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NO.1 さんの回答のとおり、C458 の温度特性の違いによるものだと思います。改善するには、2個のC458を、間にシリコングリスでも塗って密着させ、細いタイラップできつく縛ってやれば良いと思います。 「２時間経過でー５００ｍＶ」はスピーカーを接続しないときですよね？8Ωスピーカーが接続されているなら、スピーカーのDC抵抗は6Ω程度しかありませんので、スピカーに83mA の電流が流れます。しかし、アイドリング電流は20mA ですから、83mA の電流を供給する能力がありません。 スピーカーを接続すると、ポンという音がしますか？ スピーカーを接続すると、コーン紙がどのくらい前または後ろに動きますか？
お礼
ご意見ありがとうございます。 確かに初段の差動アンプのオフセットの温度変化が原因のようです。ただし、二つのトランジスタを熱結合させても時間経過での出力直流電圧のドリフトは収まりませんでした。この二つのトランジスタをとっかえひっかえ取り換えてみたところドリフトの仕方が一様ではなく組み合わせによっては変化の方向（＋orー）が逆転します。この時も熱結合させても変化は変わりません。個々のトランジスタの温度変化のバラツキそのものが出力の変動に関係している様です。あと、スピーカーは接続したままです。電流は（Ｉ＝Ｅ/Ｒ）ですからその値が流れます。それはアイドリング電流に制限されるものではありません。 アイドリング電流は無負荷、無入力時に調整する電流でＢ級ＰＰでのクロスオーバー歪みを軽減するために若干Ａ級 動作方向にするために終段Ｐｗトラに流しておく電流のことです。従いましてー0.5VのＤＣ出力時にはー側のPwトラよりスピーカに電流が供給されます。その電流値は電圧と スピーカーの直流抵抗値により決まります。スピーカーを接続したり切り離すときはＤＣがON/OFFする状態ならば ボコッ、ボコッと言います。コーン紙の動きは触っていると分かりますが目視ではわかりません。電圧レベルや大口径ウーファーはそうでないかも関係します。あと、コーン（ボイスコイル）稼働ストロークも以外に長いようでＤＣで振動中心が前後に多少ずれていても音に歪みは感じられません。ただ許容できるＤＣ電流値は？？です。 ＯＣＬである以上０Ｖではないのでどこで妥協するかです。初段にオペアンプを使った方が安定かも、でもＦ特が どうなのか？あと、veryyoungさんご指摘の発信ではないかに対してオシロで確認したところ20mmVppのノイズの中に ５０ＫＨｚ程度の正弦波成分がありますが発信では無いと思います。位相保証のコンデンサーの挿入位置もＢＣ間に 変更しました。 なのでとりあえずは"2SC458 hfe Bランク”をとっかえひっかえして最も少ないＤＣドリフトの組み合わせを見つけ出すことにします。そして念のため熱結合もしときます。
- veryyoung
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可聴周波数範囲外、数百kHzないし１MHzで発振している可能性は如何でしょう。2SA562のベースエミッタ間のコンデンサが気になりました。位相補償コンデンサの典型的配置は、ベースコレクタ間側のように思います。その方が、2SA562ベース側とコレクタ側のロールオフを集約して１ポール化し易いのでは・・・。発振が成立条件ギリギリかつ波形非線形なら、半導体パラメータ変化により、温度依存のバイアスを作り出す事もありそうです。 裸利得100倍程度で、DC利得は１倍ですから、故障部品でも無いかぎり、ご提示の大きなドリフトを作動増幅トランジスタのミスマッチで説明するのは難しいと思います。AC利得15倍、負帰還ループ利得は6倍という感じでしょうか、この6倍が高域で -6dB/oct で始末出来ているか気になります。 仮に上記推測通りなら、2SA562ベースエミッタ間コンデンサをベースコレクタ間に移行し、1000pF程度にする事により、発振は止まり、ドリフトは消える筈です。ただこれでは20kHzが10dB落ちになってしまうので、ドリフト確認後は、100pF程度に下げると良いかもしれません。 全くの的外れかもしれませんが、意外な原因かもしれませんので、思いつくままに書いてみました。
お礼
ありがとうございます。 確かに発信気味でも一応は音は出ますからね。 オシロで細かく波形の確認してみます。 発信止めのコンデンサーの挿入位置も変更します。 まだ差動のトランジスタの交換はしておりませんのでご意見の可能性を含めて調べて対策をしたいと思います。 ----------------------------------------------------------------------------- 高校生の頃に秋葉原のジャンク屋でソニーのシリコンパワートランジスタを見つけてそれを使って設計？してプリント基板をマジックインクと塩化第二鉄溶液でエッチングしてつくったアンプで愛着があり５０年近く経った今、もう一度音を出してみたくなり試行錯誤しています。
おまけ。電圧が漏れるとのことで実際入力が0Vなのに出力に電圧が漏れてくるわけですが、原理を考えると漏れるというのとはちょっと違います。DCアンプですから、入力に直流電圧が乗って出力に一定電圧が(0.5Vとか)出ることと、入力に音楽が入って出力に大きな電圧で音楽が出ることはアンプの動作として同じです。具体的には左の2SC458のベースの入力から右の2SC458 のベースの入力を引き算した電圧にフィードバック抵抗から計算できる利得を掛け算したものがこのアンプの出力電圧で、入力が音楽などの交流でも0.5Vなどの直流でも動作は変わりません。ところでその差動アンプの電圧の引き算にオフセット電圧という下駄を履かせてしまうのが差動アンプのトランジスタの利得の不均衡です。一定温度なら500Ωの可変抵抗で調整できますが、温度によってトランジスタの利得が変わり、その変り方に差動アンプのふたつのトランジスタで差がある、あるいはふたつのトランジスタの温度が同じでない、という場合に、電源ON後の時間によって出力の中点電圧が動いてしまうという原因が有ります。差動アンプの入力トランジスタの不均衡により引き算に最初からオフセット電圧と言う下駄を履いているので、入力が0Vなのに出力に電圧が出てしまう、そして入力トランジスタの不均衡は温度に影響されているというわけです。
お礼
もう一人の方も同意見でした。 ステレオの左右でも若干異なる変動なので初段の差動アンプ 回路をメインにいろいろ実験してみます。
補足
ご意見、ありがとうございます。 初段のトランジスタの差かも知れないというご意見ですね。初段のトランジスタのコレクター電流（絶対値and差）は少ないのでそれほどの変化は無いと思うのとAC的にもＤＣ的にも負帰還が効いており出力のＤＣ電圧変動はより少なく制御されているはずだと思っていました。 とりあえずは初段の差動アンプのトランジスタのペアを選び直してみます。hfe、ＢＥ間の温度特性などの差の少ない 組み合わせたトランジスタに変えてみます。
忘れ物。差動増幅段のトランジスタの増幅率と温度の一致を気にする理由はトランジスタの増幅率が温度によって変化するからです。
お礼
もう一人の方も同意見でした。 ステレオの左右でも若干異なる変動なので初段の差動アンプ 回路をメインにいろいろ実験してみます。 所詮、０Ｖにはできませんし、多少の変動は許容できますが 時間とともに暴走するのが心配です。一定のレベルで定常状態になる状況まで挑戦です。
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お礼
なるほど！ もう、４５８にこだわらずにhfeの高いトランジスターに交換してみます。 いろいろ、各電圧をチェックしてみましたが、ＤＣアンプなので全体がループして繋がっておりどこが原因でドリフト しているかよくわかりません。 残念ながら質問の締め切り時期にきてしまいました。 今まで、アドバイスありがとうございました。