DIY 12AX7真空管オーディオアンプ：クラシックサウンドの構築

部品と材料

• 12AX7デュアル三極真空管 1本
• 降圧パワートランス 2個、120VAC→12VAC（Radio Shack #273-1365、273-1352、273-1511）
• ブリッジ整流器モジュール（Radio Shack #276-1173）
• 電解コンデンサ、47µF以上、動作電圧200VDC以上
• 自動車用点火コイル
• オーディオスピーカー、8Ωインピーダンス
• 100kΩ抵抗 2本
• 0.1µFコンデンサ、250WVDC（Radio Shack #272-1053）
• 「低電圧AC電源」：AC実験章で示されたもの
• トグルスイッチ 1個、SPST（「単極単投」）
• ラジオ、テーププレーヤー、電子キーボード、またはその他のオーディオ電圧信号源

12AX7管はどこで入手できるか？この管は多くのプロフェッショナル電気ギターアンプの「プリアンプ」段で非常に人気があります。

良い楽器店に行けば、控えめな価格（$12以下）で入手可能。ロシアのSovtek社が新製品として製造しているため、「NOS（ニューオールドストック）」、つまり倒産した米国メーカーの残存在庫に頼る必要はありません。

この管モデルは全盛期に広く使われ、古い「真空管式」電子テスト機器（オシロスコープ、発振器）にも搭載されていました。もしそんな機器へのアクセスがあれば見つかるかもしれません。しかし、アンティーク機器からサルベージした管でリスクを冒すより、新品購入を強く推奨します。

このアンプの電源回路出力（約170V）に耐えられる十分な耐圧（WVDC）の電解コンデンサを選ぶことが重要です。予期せぬ電圧サージやコンデンサに負荷をかけるあらゆる事態に対応できるよう、期待動作電圧を大きく超える耐圧定格のコンデンサ選択を強く推奨します。

Radio Shack電解コンデンサアソート（カタログ #272-802）を購入したら、たまたま47µF、250WVDCが2個含まれていました。もし運が良くない場合、50WVDC定格のコンデンサ5個を使って1個の250WVDCユニットを代用できます：

 

この5コンデンサネットワークの総静電容量は、各コンデンサ値の1/5、つまり20%になることに注意。また、ネットワーク内のコンデンサが均等に充電されるよう、すべてのコンデンサ値（µF単位）と抵抗値を同一にしてください。

自動車用点火コイルは、自動車エンジンでスパークプラグを「着火」するために数万ボルトを生成する特殊高圧トランスです。この実験では、真空管と8Ωオーディオスピーカーの間のインピーダンス整合トランスとして（非常に型破りですが！）使用します。

「コイル」の具体的選択は、良好な動作状態であればクリティカルではありません。ここに私が実験で使用したコイルの写真を示します：

 

オーディオスピーカーは豪華である必要はありません。小型「ブックシェルフ」スピーカー、自動車用（6"x9"）スピーカー、大型（100W）3ウェイステレオスピーカーなどでテストしましたが、すべて問題なく動作します。

ヘッドホンは絶対に使用しないでください。点火コイルは、アンプの「プレート」電源の170V DCとスピーカー間で電気的絶縁を提供しないため、スピーカー接続がグラウンドに対してその電圧まで昇圧されます。明らかに、高電圧がグラウンドに対してかかるワイヤーを頭に装着することは非常に危険ですので、ヘッドホンは使用しないでください！

このアンプ回路への入力信号として、音声周波数AC源が必要です。ヘッドホンまたは「オーディオ出力」ジャックに適切なケーブルを繋いだ小型電池駆動ラジオや電子キーボードを推奨します。

参考文献

『Lessons In Electric Circuits』第3巻 第13章：「Electron Tubes（電子管）」

『Lessons In Electric Circuits』第3巻 第3章：「Diodes and Rectifiers（ダイオードと整流器）」

『Lessons In Electric Circuits』第2巻 第9章：「Transformers（トランス）」

学習目標

• 真空管（三極管）をオーディオ増幅器として使用する
• トランスを降圧と昇圧の両方で使用する
• 高電圧DC電源の構築方法
• トランスを用いたインピーダンス整合

回路図

 

 

イラスト

 

手順

真空管エレクトロニクスの世界へようこそ！半導体技術の応用ではありません（電源整流器を除く）が、この回路は真空管技術への導入として、インピーダンス整合トランスの興味深い応用例として用いられます。この回路の構築と運用には致死電圧を扱う作業が含まれます！

170V DCは感電死を引き起こす可能性があります。この回路を扱う際は最大限の注意を払ってください。初心者は、このアンプ構築を試みる場合、資格ある支援（経験豊富な電気技師、電子技術者、エンジニア）を求めることを推奨します。

警告：アンプ回路が通電中は、いかなるワイヤーや端子にも触れないでください！ 何らかの理由で回路に接触する必要がある場合、「プレート」電源スイッチをオフにし、フィルタコンデンサが30V以下に放電するまで待ってから、回路のどの部分にも触れないでください。通電中に電圧テストする場合、可能なら片手のみ使用し、腕間感電の可能性を避けてください。

高電圧電源の構築：

真空管は、プレートとカソード端子間にかなり高いDC電圧を印加することで効率的に機能します。この実験で説明するアンプ回路を24V DCまで低電圧で動作させることも可能ですが、出力は微小で音質は劣悪です。

12AX7三極管の最大「プレート電圧」（プレートとカソード端子間電圧）定格は330Vなので、ここで指定する170V DC電源はその限界内に収まっています。私はこのアンプを最高235V DCで動作させましたが、音質と音量がわずかに向上するだけで、実験者への追加ハザードを正当化するほどではありませんでした。

電源は実際には2つの異なる出力を持ちます：「B+」DC出力（プレート電力用）と、「フィラメント」電力（12V ACのみ）。管は機能するために、小さなフィラメント（時にはヒーターと呼ばれる）への通電を必要とします。カソードが熱電子を放出するほど十分に熱くならなければならず、それは室温では起こりません！

1つのパワートランスで家庭用120V ACを12V ACに降圧しフィラメント電力を得て、もう1つのトランスを昇圧接続で電圧を120Vに戻します。「なぜわざわざもう1つのトランスで120Vに昇圧するのか？壁コンセントから直接120V ACを取り出し、それを整流して170V DCにすればいいのでは？」と疑問に思うかもしれません。

この答えは二重です：第一に、2つのトランスを通すことで、アンプ回路のプレート側での偶発的短絡に流れる電流量が本質的に制限されます。第二に、プレート回路を家庭の配線システムから電気的に絶縁します。壁コンセント電力をダイオードブリッジで整流すると、家庭電気システムの安全接地に対して両DC端子（+と−）が電位上昇し、感電ハザードが増大します。

2つのトランスの12V巻線間に接続されたトグルスイッチ、「プレート電源スイッチ」に注目。このスイッチは昇圧トランスへの電力を制御し、それによりアンプ回路へのプレート電圧を制御します。なぜメイン電源スイッチ（120Vプラグ接続）だけを使わないのか？メインスイッチ1つで同じことができるのに、なぜDC高電圧を遮断する第2のスイッチがあるのか？

答えは適切な真空管運用にあります：白熱電球と同様、真空管はフィラメント通電の繰り返しで「劣化」するため、この追加スイッチにより、フィラメントをオンにしたままDC高電圧のみを遮断できます（回路修正・調整時の安全確保）。また、プレート電圧印加前に管が完全動作温度に達するのを待つのが良い習慣であり、この第2スイッチでプレート電圧印加を遅らせ、管が動作温度に達する時間を確保できます。

運転中、電源の「B+」出力（B+端子と「グラウンド」間）に電圧計を常時接続し、電源電圧を継続監視してください。このメータは、「プレート電源スイッチ」をオフにしてアンプをメンテナンスする際、フィルタコンデンサがショックハザード限界（30V）以下に放電したことを示します。

電源回路のDC出力側に示された「グラウンド」端子は、アースグラウンドに接続する必要はありません。むしろ、アンプ回路の対応するグラウンド端子シンボルとの共通接続を示す単なるシンボルです。あなたが構築する回路では、この2つの「グラウンド」点をワイヤーで接続します。一貫して、共通シンボルで回路の特定共通点を指定するのは電子回路図の標準的慣習です。

回路図に、フィルタコンデンサと並列に100kΩ抵抗が示されています。この抵抗は非常に必要で、AC電源オフ時にコンデンサに放電経路を提供します。この「ブリーダー」抵抗がないと、コンデンサは「パワーダウン」後長期間危険な電荷を保持し、追加の感電ハザードとなります。

私の構築した回路——47µFコンデンサと100kΩブリーダー抵抗——では、このRC回路の時定数はわずか4.7秒でした。より大きなフィルタコンデンサ値（スピーカーの不要な電源「ハム」低減に有利）を見つけた場合、対応してより小さなブリーダー抵抗値を使用するか、「プレート電源」スイッチオフ時の放電により長く待つ必要があります。

アンプ回路への通電前に、電源が安全に構築され確実に動作することを確認してください。これは一般的な良い回路構築プラクティスです：まず電源を構築・トラブルシュートし、それからそれに電力供給する回路を構築。電源が正常に機能しなければ、駆動される回路がいかに良く設計・構築されていても動作しません。

アンプの構築：

21世紀に真空管回路を構築する問題の1つは、これらのコンポーネント用ソケットが見つけにくいことです。多くの「受信管」の寿命が限られている（数年）ため、ほとんどの「真空管式」電子機器は管の着脱容易なソケットを使用していました。

管自体は（楽器店から）比較的容易に入手できますが、それらが差し込むソケットははるかに希少です——地元のRadio Shackには在庫がありません！では、ソケットが入手できない場合、どうやって管で回路を構築するのか？

小型管の場合、22ゲージ単線銅線の短い片を管のピンに直接半田付けし、ハンダレスブレッドボードに「差し込み」可能にすることでこの問題を回避できます。私の管アンプの写真で、12AX7が逆さま（ピン側上）に取り付けられている様子を示します。

写真左の10セグメントLEDバーグラフと右の8ポジションDIPスイッチアセンブリは、以前ブレッドボードで組んだデジタル回路実験の残骸です。無視してください。

 

この位置で管をマウントする利点の1つは、ほとんどの「ピン接続図」が底面図で示されるため、ピン特定が容易になることです：

 

アンプ回路図では、12AX7ガラスエンベロープ内の両三極管素子が並列使用されていることに気づくでしょう：プレート同士、グリッド同士、カソード同士を接続。これは管からの出力電力を最大化するためですが、基本動作実演には必須ではありません。シンプルさのため、三極管の一方のみ使用しても構いません。

回路図の0.1µFコンデンサは、オーディオ信号源（ラジオ、電子キーボード等）を管のグリッドに「結合」し、ACを通しDCを遮断します。100kΩ抵抗は、グリッド-カソード間の平均DC電圧がゼロであり、「フロート」して高電位にならないことを保証します。通常、グリッドをグラウンドに対してわずかに負に保つバイアス回路が使用されますが、この目的ではバイアス回路が価値以上の複雑さを導入します。

私のアンプ回路テスト時、ラジオ受信機の出力、後にコンパクトディスク（CD）プレーヤーの出力をオーディオ信号源として使用。「モノラル-フォノ」コネクタ延長コードを受信機/CDプレーヤーのヘッドホンジャックに差し込み、ワニ口クリップジャンパーワイヤーでコードの「モノラル」チップを管アンプ入力端子に接続し、様々な振幅のオーディオ信号を容易に送信して幅広い条件で性能テストを行いました：

 

トランスは、真空管とスピーカーのインピーダンスを「整合」させるためにアンプ出力段で不可欠です。真空管は高電圧・低電流デバイスであり、ほとんどのスピーカーは低電圧・大電流デバイスなので、直接接続するとインピーダンスミスマッチで音声出力電力が極めて低くなります。

高電圧・低電流源を低電圧・大電流負荷にうまく整合させるには、降圧トランスを使用する必要があります。真空管回路のテブナン抵抗は数万オームオーダー、スピーカーは約8Ωインピーダンスなので、約10,000:1のインピーダンス比を持つトランスが必要です。

トランスのインピーダンス比は巻数比（または電圧比）の二乗なので、約100:1の巻数比を持つトランスを探します。典型的な自動車用点火コイルはほぼこの巻数比を持ち、高電圧巻線側が極めて高耐圧定格のため、この用途に適しています。

点火コイルの唯一の欠点は、一次と二次巻線間で電気的絶縁を提供しないことです。実際はオートトランスで、各巻線が一端で共通端子を共有します。つまり、スピーカー配線が回路グラウンドに対して高DC電位になります。

これを認識し、運用中にそれらのワイヤーに触れない限り問題ありません。理想的には、トランスは完全な絶縁とインピーダンス整合の両方を提供し、スピーカー配線が使用中完全に安全になるはずです。

回路のすべての接続を電源オフ状態で行ってください！視覚的に、またオームメータで接続を確認し、回路図通りに構築されていることを確認後、管のフィラメントに通電し、動作温度に達するまで約30秒待ちます。

両フィラメントから柔らかなオレンジ色の輝きが、管の上面と下面から見えるはずです。信号源の音量コントロールを最小にし、プレート電源スイッチをオン。

電源のB+出力端子と「グラウンド」間に接続した電圧計は、フル電圧（約170V）を示すはずです。今、信号源の音量コントロールを上げ、スピーカーを聴いてください。すべて順調なら、正しい音がスピーカーから明確に聞こえるはずです。

この回路のトラブルシューティング：

DC実験章とAC実験章で説明した高感度オーディオ検出器を使うのが最適です。

各テストリードに0.1µFコンデンサを直列接続してDCを検出器から遮断し、一方テストリードをグラウンドに接続、もう一方を回路の様々なポイントでオーディオ信号チェックに使用。コンデンサはアンプ入力で使われたもののような高耐圧定格品を使用：

 

1個ではなく2個の結合コンデンサを使うことで、ユニットを（高）DC電圧から隔離する安全性がさらに向上します。追加コンデンサがなくても、検出器内部トランスがこのような高電圧回路での信号テストに十分な電気的絶縁を提供するはずです——特に、提案通り120Vパワートランス（ではなく「オーディオ出力」トランス）で検出器を構築した場合。

入力で良好な信号を確認し、次に管のグリッドピン、プレート、等々でテストし、問題を特定。容量結合なので、検出器は過大な電源「ハム」もテスト可能：フリーテストリードを電源のB+端子に触れさせ、大きな60Hzハミング音がないか聴取。

音は非常に小さく、大きくないはずです。大きければ電源フィルタリングが不十分で、追加フィルタ容量が必要かもしれません。アンプ回路の大DC電圧ポイントをテスト後、検出器の結合コンデンサに相当な電圧が蓄積している可能性があります。

この電圧を放電するには、フリーテストリードをグラウンド側テストリードに一瞬触れさせます。結合コンデンサ放電時、ヘッドホンで「ポップ」音が聞こえるはずです。

電圧計でオーディオ信号存在をテストしたい場合も可能です、感度の高いAC電圧レンジに設定して。ただし電圧計から得られる表示は、信号の品質について何も教えてくれません、単なる存在のみです。

ほとんどのAC電圧計は、DC電圧源に最初に接続されたときトランジェント電圧を登録することに注意。メータプローブを回路に接触させたまさにその瞬間に「スパイク」（強い瞬間的電圧表示）が見えても驚かないでください、真のAC信号値に急速に減衰します。

この小さなアンプ回路から、1ワット未満のオーディオ出力にもかかわらず、音質とトーンの深さに楽しく驚くかもしれません。

もちろん、この回路はかなり粗雑で、シンプルさと部品入手性のために品質を犠牲にしていますが、真空管増幅の基本原理を実演する役割は果たします。上級ホビイストと学生は、バイアスネットワーク、負帰還、異なる出力トランス、異なる電源電圧、さらには異なる管で実験し、より多くの出力と/またはより良い音質を得ることができます。

ここでは、TerryとCheryl Goetz夫妻が構築した非常に類似したアンプ回路の写真を示します。ケアと職人技をこのようなプロジェクトに適用すると何ができるかを示しています。