【ワレコの電子工作】FET & CRD選別冶具(改訂版)のPch版を作る

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写真 2018年に作ったFET & CRD選別冶具(改訂版)Nch版

2018年は幾つかの電子機器を自作した。

主な物は以下の通り。

  • ぺるけ式FET & CRD選別冶具(改訂版)上写真
  • FET式平衡型差動プリアンプ
  • ヘッドホンをバランス化改造する【簡単】
  • PWM方式LED調光回路を考案【LM393コンパレータだけで】

その解説記事は以下の通り。

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特に、ぺるけさん設計の機器を沢山作った。その理由はぺるけさんのホームページを見ると詳しい解説記事があり、比較的低価格で入手出来る一般的なパーツを使って作るので、誰でも作り易いのだ。

さて、今年は漠然とではあるが小型パワーアンプを作りたいと思っている。PCオーディオ環境で使う予定だ。

その準備として、手持ちには幾つかのPchのFETもあるので、上の第一番目の記事で紹介した「ぺるけ式FET & CRD選別冶具(改訂版)」のPch版を作ってみた。

では、本題に入ろう。

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  1. 2019年に製作したい小型パワーアンプの仕様
    1. ネットで参考となる製作例を探す
  2. オリジナル「ぺるけ式FET & CRD選別冶具(改訂版)」
    1. ぺるけさんオリジナルのFET & CRD選別冶具(改訂版)はNch JFET専用
      1. FET & CRD選別冶具(改訂版)でVgs計測をシミュレーション
      2. FET & CRD選別冶具(改訂版)でIdss計測をシミュレーション
  3. FET & CRD選別冶具(改訂版)のPch FET版
      1. Pch版FET & CRD選別冶具(改訂版)でVgs計測をシミュレーション
      2. Pch版FET & CRD選別冶具(改訂版)でIdss計測をシミュレーション
    1. FET & CRD選別冶具(改訂版)のNch版とPch版の比較
  4. Nch版とPch版の実体配線図を比較する
    1. Nch版の実体配線図
    2. Pch版の実体配線図
    3. Nch版とPch版の実体配線図の比較
      1. Nch版とPch版の実体配線図で異なる部分
  5. Pch用FET & CRD選別冶具(改訂版)の製作
    1. シャーシの穴開け加工(D-Subコネクタの台形形状穴)
    2. シャーシに丸穴を多数開ける
    3. 穴開け加工完了したので主要部品を取り付ける
    4. Pch版は真鍮ネジで高級仕上げ!
    5. プリント基板をカットする
    6. 電源回路の完成
      1. 定電流回路の写真
      2. 定電流回路の写真(裏側)
      3. 電源ON表示の緑LEDを配線した
    7. AWG28(かなり細目)で配線した
    8. 電線のカットで悩む
    9. ピンヘッダのQIコネクタを作成する
    10. 半田付けで手が二本で足りない場合
  6. Pch版のFET & CRD選別冶具(改訂版)を使ってみる
    1. 2SJ74のVgsを計測する
  7. まとめ

2019年に製作したい小型パワーアンプの仕様

まあ、現時点で考えている仕様は以下の通り。

  • 平衡プリアンプ(タカチOS 49-26-23 BB 幅230x奥26x高49)と同じサイズ
  • 出力段は2SK134, 2SJ49
  • ヘッドホンも接続可能(出来れば)

かな。

まあ要するに手持ちにある日立の2SK134, 2SJ49を使って小型のパワーアンプを作りたいなあと言う程度しか仕様が固まっていない。このMOS FETはかなり昔に入手していつかはアンプに使う予定であったが、未だに使っていないのだ。

パワーアンプはぺるけ式平衡プリアンプに接続して使いたいので、平衡入力対応のパワーアンプにしたいところだが、ワテには設計出来る能力は無いので普通のアンバランス入力にする予定だ。

ネットで参考となる製作例を探す

2SK134 2SJ49 パワーアンプ 自作

MOS FET パワーアンプ 自作

などのキーワードで検索すると、たくさんの自作例がヒットする。

MOS FETを使ったパワーアンプの製作例

引用元 kontonさんのBATTERY DRIVE MOS-FET POWER AMP(GOA&不完全対称)

 

引用元 Λコンさんの「金田式オールFETパワーアンプ」

 

引用元 波動研究室さんバブル期からのDCパワーアンプ一覧表(プリメインのパワー部も含む)

 

と言う事で、このような記事を参考に自作したいと思っている。

一応、シャーシ(タカチ)や電源トランス、平滑用の電解コンデンサなどは入手済みである。シャーシ以外はジャンク品だ。

あとは、回路図を最終決定してシコシコ作り始めれば良いのが、なかなか重い腰が上がらない。と言うのは、いざ作り始めると楽しい反面、何かと手間が掛かるので。

オリジナル「ぺるけ式FET & CRD選別冶具(改訂版)」

ワテのパーツボックスを整理していると、東芝の2SJ74や2SJ103が幾つかあった。

溜め込んでいても勿体ないので、今後はどんどん使う予定だ。

2SJ74は2SK170とコンプリメンタリになる。

2SJ103は2SK246とコンプリメンタリになる。

もしこれらのpchのFETを使うとなるとコンプリペアとかデュアルFETペアを組む可能性が高いので、昨年製作したぺるけさん設計の「FET & CRD選別冶具(改訂版)」のPch版を作ってみた。

まあ、2SJ74や2SJ103はそんなに沢山持っていないので、選別冶具を作ったとしてもあまり出番が無いかも知れないが、電子回路の勉強も兼ねて作ってみる事にしたのだ。

ぺるけさんオリジナルのFET & CRD選別冶具(改訂版)はNch JFET専用

FET & CRD選別冶具(改訂版)の詳細は、ぺるけさんのサイトあるいは冒頭で紹介したワテの自作記事を参考にして頂きたい。

LTSpiceを使って先ずはぺるけさんオリジナルのFET & CRD選別冶具(改訂版)でVdsやIdssの計測をシミュレーションしてみた。

FET & CRD選別冶具(改訂版)でVgs計測をシミュレーション

図 Nch FETのVgsを計測

ぺるけさんの作例では、スイッチが三つある。

S1 トグルスイッチ(テスター計測対象の選択 Id*100 または Vgs)

S2 トグルスイッチ(計測モード選択 Id計測/Vgs計測)

S3 ロータリースイッチ(ドレイン電流(Id)値の設定)

だ。

上図では、S1・S2は記載していないが、S1・S2を操作してVgs計測モードに設定した場合の回路図である。

S3のロータリースイッチは6回路切り替えで、一番目にセットすると上図のようにドレイン電流をボリュームで可変に出来る。実測で0.47mA~5.2mAくらいの範囲に出来る。2~6までの回路は、ドレイン電流を固定している。

ロータリースイッチ接点 ドレイン電流Id
1 0.47~5.2mA
2 0.5mA
3 0.75mA
4 1.0mA
5 2.0mA
6 3.0mA

表 ドレイン電流の設定値

実際にFETを選別する場合には、先ずドレイン電流をこの表の中のどれかの値にセットする。その状態でS1・S2をVgs計測モードにして多数のFETのVgsを測定して選別する。

FET & CRD選別冶具(改訂版)でIdss計測をシミュレーション

S1・S2をIdss計測モードに切り替えるとトランジスタの定電流回路は切り離されて、下図のように単純なIdss計測回路に出来る。見易くするためにロータリースイッチで抵抗切り替えの部分は省略した。

図 Nch FETのIdssを計測

FETのIdssを測定すれば、そのIdssを流せる定電流ダイオードの代わりにFETを使う事も出来る。

さて、これらの回路をPch FET用にしてみた。

FET & CRD選別冶具(改訂版)のPch FET版

ワテの場合、電子回路の超初心者なのでこれで良いのかどうか全く自信は無いのだが、Pch FET版を設計してみた。

Pch版FET & CRD選別冶具(改訂版)でVgs計測をシミュレーション

Pch FET 2SJ74のVgs計測をシミュレートしてみた。

図 Pch FETのVgsを計測

設計方針としては、トランジスタをNPNからPNPに置き換えて、ダイオードの向きを逆転して、回路も上下反転させただけであるが。

抵抗の値は変更していない。

これでいいのかな?

まあ一応LTSpiceでシミュレーションしてみたが、得られるVgsやIdssはNch版と同じくらいの値の範囲なので良いのかな?

良いよね?(誰に確認しているんだw)

良い事にしておこう。(ちょっと自信無いが)

Pch版FET & CRD選別冶具(改訂版)でIdss計測をシミュレーション

Pch FET 2SJ74のIdssもシミュレートしてみた。

図 Pch FETのIdssを計測

まあ、これでいいのか悪いのか分からないが、良い事にしておこう。

FET & CRD選別冶具(改訂版)のNch版とPch版の比較

図 左(ぺるけさんオリジナルNch版)右(ワテ自作のPch版)

右がワテ自作のPch版であるが、それを上下反転させると左のぺるけさんオリジナルNch版と回路が完全に一致する。と言うか、そう言う風にPch版を作ったと言うのが正しい。

ただし、電源極性、ダイオードの極性、電解コンデンサの極性が逆転する。

トランジスタはNPNがPNPに置き換わるがE,C,Bの各端子の接続先は変わらない。

同じく計測対象となるFETもNchがPchに置き換わるがDGSの足の接続先は変わらない。

と言う事は、Pch版の製作においては、第一号機であるNch版(下図)の大半はそのまま流用可能で、違うのはトランジスタが載っているプリント基板(下図)の部分と発光ダイオードの極性のみだ。

Nch版とPch版の実体配線図を比較する

下図はぺるけさんオリジナルのNch版を作成した時に作図した実体配線図だ。パワーポイントで描画した。

Nch版の実体配線図

図 ぺるけさんオリジナルのFET & CRD選別冶具(改訂版)実体配線図

実体配線図の注意事項としては、シャーシの裏側から見た図となる。

トグルスイッチもプリント基板も裏側から見た図である。プリント基板に載っているトランジスタや抵抗は、もしプリント基板が透明なら透けて見えるという意味だ。

Pch版の実体配線図

Nch版をベースにしてPch版の実体配線図を描いてみた。

図 ワテ自作のPch版FET & CRD選別冶具(改訂版)実体配線図

Nch版とPch版の実体配線図の比較

図 Nch版とPch版の実体配線図の比較

Nch版とPch版の実体配線図で異なる部分

以下の四カ所が異なる。

  • プリント基板上のダイオード極性
  • 電解コンデンサの極性
  • FETのソース側に入れている発光ダイオードの極性
  • 12V電源の極性

Nch版とPch版とで上の四カ所を逆転すれば、Nch回路⇔Pch回路を相互に変換出来る事が分った。

なので、昨年製作したNch版を改造すれば回路の大半をPch用にも流用可能だ。

でも、難点としてはNch版はコンパクトに製作したので改良を加える余地が無い。

と言う事で、Pch版を新規に製作する事にした。

Pch用FET & CRD選別冶具(改訂版)の製作

シャーシは前回と同じく30x30x1.2tのアルミLアングルを150mmにカットしたものを二本用意する。

25x20x90の木片を二本用意する。この木片でLアングルを連結すればシャーシが完成する。

シャーシの穴開け加工(D-Subコネクタの台形形状穴)

加工の難関はD-Sub 15ピンのコネクタの取り付け穴だ。このD-Subコネクタを使って外部からDC20V電源を供給する。

図 牛乳パックの紙にD-Sub15ピンの穴の外形を型押しする

シャチハタのスタンプ台でD-Sub15ピンの輪郭にインキをつけて紙にスタンプした(上図)。

ただし、スタンプしたのはD-Subの前面形状であるが、欲しいのは背面の穴形状。背面形状のほうが一回り大きいのだ。

でも背面は端子が出っ張っているのでスタンプ出来ない。なので前面形状を参考にしながら一回り大きく削る。

図 牛乳パックの紙にD-sub15ピンの穴を開ける

まあ、こんな冶具を作らなくてもD-Subの穴形状の定規でも売っていると便利なのだが。

あるいは、シャーシパンチでD-Sub形状の穴開けを一発で出来るようなのがあるのでそれが有れば便利なのだが、滅多に使わない工具に何万円も出費するのは勿体ないし。

図 牛乳パックで製作した型紙を使ってD-Subの台形の穴を描く

この油圧パンチャーは結構安いな。

Dサブ用のパンチセットも売っている。

図 ボール盤で穴を開けた

ここまで来ればあとはハンドニブラだ!

図 ハンドニブラーでバリバリとカットする

まあ、ハンドニブラは一家に一台は必須のツールだろう。

アルミ板なら1.5mmくらいまでなら平気でバリバリとカット出来る。

図 鑢(ヤスリ)で仕上げた

ワテが使っているのは、大昔に買った安っすいヤスリセット。こんな感じ。

でも、本当はこんなルーターが欲しい。

こう言うハンドルーターが有れば、この手のちょっとした金属加工がとても簡単に出来ると思う。

買おうかなと検討中だ。

シャーシに丸穴を多数開ける

あとは丸穴の穴開けなのでボール盤で一気に仕上げる。

ワテの場合、穴開け場所にはセンタポンチで印を付けておいて、かつ、開ける穴の直径をマジックで書き込む。

こうしておけば穴開け作業で直径を間違う事は無い。

マジックは後でアルコールで拭けば消えるし。

また、Lアングル単体だと手で掴みにくいので、今回は木片で木ネジでシャーシを組み立てた状態で穴開け加工をした。

穴開け加工完了したので主要部品を取り付ける

第一号機の実機を見ながら現物合わせで寸法を測りながら第二号機を作ったので、作業がサクサクと順調に進んだ。

Pch版は真鍮ネジで高級仕上げ!

下図左は第一号機(Nch)、右は今回製作した第二号機(Pch)だ。

正面の見える位置にあるネジを真鍮ネジにした。

ゴールド仕上げの高級仕様だ!なんのこっちゃ。

プリント基板をカットする

プリント基板も一号機と同じくL字型に折り曲げた構造を採用する。

 

電源回路の完成

下図左がDC20V入力からDC12Vを生成する三端子レギュレータ回路だ。

電解コンデンサは昔、何かに使って取り外していた中古品。

一方、上図右は、2SA1015やツェナーダイオード(ZD 5.6V)などが載っている。青い電解コンデンサは中古品だ。先日、この記事で紹介したぺるけ式USB-DACのコンデンサ増強改造した時に取り外した中古電解コンデンサ。

この基板には数本の電線が来るので、ピンヘッダを使ったソケット式にした。

定電流回路の写真

 

定電流回路の写真(裏側)

まあ、即席で作成したので配線があまり綺麗では無い。

なお、上写真のように、三端子レギュレータで生成した12V(赤線)とGND(黒線)は、Nch版なら真っ直ぐに定電流回路に配線するのだが、当Pch版では電源極性も入れ替わるので、上図のように赤黒電線がX字に交差しているのが分る。

電源ON表示の緑LEDを配線した

D-Sub15ピンには0-20V, 0-5Vなどの電源が来ているので、その中の0-5Vを使ってフロントパネルに配置した緑LEDを点灯するようにしている。

つまりD-Subコネクタを抜き差しする事で電源ON・OFFが切り替わる。

AWG28(かなり細目)で配線した

第一号機はAWG24電線で配線したのだが、ちょっと太目だったので配線に手こずった。

その反省を踏まえてAWG26で配線しようかなあと思ったら、持っていなかったので、手持ちに合ったAWG28で配線した。かなり細い。

ワテが使った電線の仕様をネットから引用すると以下の通り。

AWG 絶縁体外径(mm) 導体外径(Φmm) 導体構成 断面積SQ(=mm²) 許容電流(A) メーカー
AWG24 Φ1.22 0.61 Φ0.16mm x 11本 より線 0.21SQ 7 フジクラ
AWG28 Φ0.98 0.38 Φ0.127mm x 7本 より線 0.08sq 3 フジクラ

でもまあAWG28でも3Aまで行けるので、FET選別機ではせいぜい数mAしか流さないので十分だ。

で、実際にこのフジクラのAWG28電線で配線したら、物凄くやり易かった。

第一に、細目の電線なので自由に曲げられる。

次に、被覆が耐熱性が高いので半田付けでかなり高温になっても、全く溶けないのだ。

さすがフジクラ電線。

ワテの場合、住友電線、古河電工、日立電線、よりもフジクラ電線派だ。と言うのは冗談で、特定の電線メーカーに思い入れなどは無い。

要するにどこのメーカーでも良い。

スピーカーケーブルやRCAケーブルで音が変わるなんて言うオーディオマニアな人も多いが、まあ、多少は変わるとは思うが、ワテの場合、住めば都みたいなもんで、どんなケーブルでも繋げば音が出るので、適当にその辺りにあるケーブルでつなぐ。

電線のカットで悩む

さて、ワテの場合、電線のカットで悩む。

つまりまあ、二点間を配線する場合に、目分量でおおよそ10cmくらいかなあと思っても、電線を10cmにカットするのをためらう。

なぜなら、10cmにカットしても実際に配線してみたら9cmで足りた場合には1cmが無駄になる。

なので、ワテの場合には、電線をカットせずにまずは電線の一端を配線する。

次に、配線箇所に電線を這わせて必要な長さを実測してカットするのだ。これなら無駄が出ない。

つまりまあ、超貧乏性なワテである。

ピンヘッダのQIコネクタを作成する

ワテの場合、第一号機の製作時点では、コネクタ用の圧着工具を持っていなかったので、ラジオペンチなどを使って手作業でコネクタの金具を電線に接続していた。

ところが、その後、エンジニア 精密圧着ペンチ PA-21を買ったのだ!

第二号機の製作に於いてはこのエンジニア 精密圧着ペンチ PA-21が大活躍!

いや~、こんなに便利ならもっと早く買っておくべきだった。コネクタ作りた楽しくなるくらい、いい感じに出来上がるのだ。コネクタの極小の金具が、圧着でクルッと丸まってリード線に固定されると、感動する。

半田付けで手が二本で足りない場合

例えば、下図のように右から来た発光ダイオードのリード線に黒い電線を半田付けしたい。

その時には、左手で黒電線と半田を一緒に摘まんで、右手で半田付けする。

その結果、下図のようにいい感じで半田付け出来た。

まあ、そんな手間の掛かる事をしなくても、下図のような製品を買えば手が二本どころか6本も増えるのだが。

いつかは買ってみようと思っているのだが、未だに買っていない。

同じく、半田付け関連で気になっている商品がこれだ。

このシリコンマットも人気があるらしいのだが、ワテの場合は作業台に段ボールを敷いて半田付け作業するのに慣れているのでこのマットは気になっているのだが、まだ買っていない。

今年あたり買ってみるかな。

今年の方針は、取り敢えずやろうと思った事はやってみる事にしているので。ただし、高額な費用が掛かる場合は慎重に検討する必要があるが。

で、完成した。

Pch版のFET & CRD選別冶具(改訂版)を使ってみる

殆ど同じ物を作るので、作業が大幅に捗った。週末を利用して作成したが、シャーシ加工で半日。

翌日に半田付けや配線作業。延べ作業日数は約一日だ。

大きなトラブルも無く無事に完成した。

写真 左Nch版のFET & CRD選別冶具(改訂版)と右Pch版(ワレコ版)

上写真のように、二台の冶具は見た目が殆ど同じ。

違いは、パネルの金色真鍮ネジと、ロータリースイッチのメーカーくらいか。

2SJ74のVgsを計測する

第一号機と区別する為に、第二号機は赤色マジックで文字を描いてみた。これなら第一号機と間違う事は無いだろう。

写真 2SJ74のVgsを計測している様子

まずはドレイン電流(Id)の設定を行う。

S3は1段1回路12接点のロータリースイッチであるが、そのうちの6接点を使ってドレイン電流の切り替えを行う。

接点1は10KAボリュームでドレイン電流を可変に出来る(0.47mA~5.2mAくらい)。

接点2から接点6までの5回路は、ドレイン電流を特定の値に固定する。ただし、25回転型の精密半固定抵抗で微調整可能としたので、まずは、それぞれの接点ポジションで、設計値のドレイン電流が流れるように半固定抵抗を調整した。

その調整後のドレイン電流の実測値は以下の通り。

100Ω抵抗の両端電圧でドレイン電流を計測しているので、テスターの値はDCVで表示される。

これを100で割った値がドレイン電流だ。

0.05Vなので0.5mA

0.075Vなので0.75mA

0.1Vなので1mA

0.2Vなので2mA

0.3Vなので3mA

ロータリースイッチのポジションを切り替えて、ドレイン電流が目標値にピッタリと一致するように半固定抵抗を調整出来た。25回転の多回転型可変抵抗なので微調整がやり易い。一旦微調整すると再現性も抜群で、上のテスター計測値がズレる事はない。ぺるけさんの設計がすばらしいのだ。

まとめ

当記事では、ぺるけさん設計のFET & CRD選別冶具(改訂版)をベースにして、そのPch版を作ってみた。

第一号機であるNch版と殆ど同じ配線になるので作業は簡単だった。

製作時の注意事項としては、ダイオード、電解コンデンサ、電源の極性が逆転するので、その点には要注意。逆に言えばそれさえ間違わなければ、難なく製作出来ると思う。

さらに、もし新規にNch版やPch版を作成する予定の人は、工夫すれば一つにまとめる事も可能だろう。

要するにNch版とPch版とで異なる箇所は、上で述べたように、

  • ダイオード、ツェナーダイオード、発光ダイオードの極性を逆転
  • 電解コンデンサの極性を逆転
  • 2SC1815を2SQ1015に置換
  • GND-12V電源の極性を逆転
  • テストピンジャック(赤/黒)の取り付け位置を逆転(まあやらなくても良いが)

だ。

他の部分はNchもPchも完全一致している。

従って、もしNch用/Pch用を一つのシャーシに入れてNch用/Pch用をスイッチ切り替え出来る機構を追加するとすれば、2回路8接点のロータリースイッチを使えば出来ると思う。

  • 2接点 発光ダイオードの極性逆転
  • 2接点 定電流回路に入れる電源12Vの極性逆転
  • 4接点 定電流回路にあるトランジスタやダイオードの回路部分をNch/Pchでソックリ入れ替える

と言う作戦で行けると思う。

これだと、接点数が少し足らないかな。

あるいは2回路入りのリレーを4個とか、あるいは、4回路入りリレー2個くらい使えば良いかも知れない。

これで無事にPchのFETも選別出来ると思うので、今年はパワーアンプを作りたい。

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