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５：初めて作る直熱管アンプの測定・調整

211（VT4C）シングル・ステレオ・アンプの自作

周波数特性

ミリボル（交流電子電圧計）は持っていないので，オシロスコープで電圧を測定しました。 最も安価なデジタルオシロでもMEAN（平均値），PP，RMSは測定できます。 測定精度は３桁なので精度は荒いです。しかも３桁目はバラつきが多いので目で平均化してします。

測定条件は８Ωダミーロードの1Vrms出力です。

アンプ全体の周波数特性（1Vrms）

電圧増幅段の周波数特性（1Vrms）

測定結果を示します。アンプ全体の周波数特性と合わせて211のグリッドでも周波数特性をとりました。

211グリッドの周波数測定とはつまり初段からドライバ段まで，電圧増幅段の周波数特性です。 200kHzで3dB落ちと広帯域ですので，アンプ全体の特性はOPTが支配的と考えています。 位相回転まで考えると20Hz〜20kHzの10倍，2Hz〜200kHzは確保しておきたいところです。 0.22uFではちょっと低域が苦しいですね。

アンプ全体としては20kHzで-1.8dBと十分な高域特性が得られています。 先ほど述べた通りOPTの特性が支配的です。

なお，50kHz以上は暴れが見られており最初のピークが-12dBです。 したがって，もしオーバーオールのNFBを施すなら6dB以上のNFBは難易度が上がります。

真空管パワーアンプで50kHz以上の周波数特性を測るのは初めてです。 振幅を見ながらピークとディップの周波数を見つけては周波数と電圧を読み取りましたので，非常に意地悪な測定方法と言えます。 また，OPT１台の測定なので参考にしかなりません。

低域は10Hzで-2.7dBと十分伸ばすことができています。 OPTの１次インダクタンスは40H以上と指定してオーダーしましたが上手くできているようです。

矩形波応答

矩形波応答です。MJの出力トランス比較記事に合わせて100Hz，1kHz，10kHzとしています。

出力を2.8Vp-pに合わせて測定しました。（上が入力，下が出力） 正弦波出力1W（2.8Vrms@8Ω）としたかったのですが，8Vp-pに設定すべきでした。

100Hz矩形波，2.8Vp-p（8Ω）

1kHz矩形波，2.8Vp-p（8Ω）

10kHz矩形波，2.8Vp-p（8Ω）

左端，100Hzの応答は立派です。ローエンドの応答が良好であることが分かります。 コアが小さいと飽和してきて上下の対称性が崩れてくるはずですが，上下対象のきれいな波形が得られています。

低域は出力トランスの大きさで勝負が決まります。 出力は10Wですが30Wに対応するコアを使いかつ十分なインダクタンスが確保できていることが分かります。

中央の1kHzは全く問題ありません。

右端，10kHzの応答は１次インピーダンスが10kΩなので浮遊容量が大きくなり，3.5kΩのトランスより不利になるはずです。 しかし，期待以上にきれいです。明確なオーバーシュートが無いことが良い点です。 リンギングも小さく非常に素直な応答を示しており，安心して使えます。

入出力特性

矩形波応答から読み取れるゲインは約4.5倍です。 2Vrmsの入力に対して9Vrmsの出力となり，8Ω負荷で丁度10Wになりますのでその点は想定通りです。

片チャンのゲインが小さいエミ減か・・・

左右のチャンネルで2dBほどゲインが異なることがあります。カソード電圧（電流）も２割ほど減ってしました。ノイズも歪みも多いです。 211を入れ替えるとこの特性がついて回ることから球そのものに問題があるようです。

カソードの劣化によるエミッションの減少，いわゆるエミ減というやつでしょう。

きっかけは測定中にカソードをグランドへショートさせてしまったのが原因と思いますが，元々弱っていたのかもしれません。 印刷された文字から製造時期を調べてみると「How to Determine the Age or Manufacture Date of a GE Appliance」というWEBが見つかります。 これを信じると手元の211は1946年9月製となります。

GEのVT4Cのデータシートにはグリッドとプレートには電圧を印加せずフィラメントだけ点火させると復活すると書いてあります。 電圧を２割増しにすると効果が加速するそうです。

まず120%で30分間の再エージングを実施してみました。 カソード電圧は復活しましたが，１時間ほどでノイズと歪みが増えた状態に戻ってしまいました。 さらに120%で１時間の再エージングを行いましたが，やはりパッとしません。

もう少しググってみると・・・

以上のような情報が得られたので，以下の設定で再エージングを実施しました。
・グリッド：-18.5V，プレート50V
・145%で30秒（電源の都合で14.5Vまでしか印加できなかった）
・100%で１時間
200%は怖いし，そんなに強力な電源がありません。
30秒でもドキドキするので１分も実施したらエミッションよりも冷や汗が出て・・・球の寿命より自分の寿命が縮みそうです。
以上妄想でした。

2020/05/26：追記
極性逆じゃない？電子は負電荷，金属イオンは正電荷ならば・・・
金属イオンをプレートに引き寄せるならプレートはマイナスにしておかないと・・・

以上，無責任な自己責任です・・・

歪み率測定

再エージングの直後に測定しましたので，Lチャンネルも調子が良いです。 使用して行くうちにまたエミ減してしまうかもしれません・・・直熱管ってそんなもんなんですね・・・初めてなので・・・

WAVE SPECTRAで測定しました。Focsrite のScarlett2i2 Gen2を使っています。 アンプの特性を測るにあたりアレコレ改造していますが，それは別の話ということで，別のところで。。

192kHzサンプリングの設定に一苦労しました。 ノートPCとの組み合わせのせいかもしれませんが，ASIOでは音切れが発生しているようでノイズレベルが安定しませんでした。 WASAPIは使えず，DirectSoundは96kHzは問題ないですが，192kHzはダメ。MMEでEXETENSIBLEのチェックボックスを入れたら安定しました。

正しく測定できているかは全く自信ありません。 特に10kHzは高次高調波の測定が難しいことか小さめの値が表示されると思います。 各周波数できれいな右肩上がりとなっています。 10Wを超えるとクリップしているようです。穏やかなクリップなので最大出力は明確ではありません。

測定時のスペクトルの例です。周波数は1kHzです。２次歪み，３次歪みが主体となっています。 40kHz以上のノイズの盛り上がりはオーディオインターフェースが持つ特性です。192kHzではよくある現象です。

クロストーク

片チャンネルに信号を入れた反対側のチャンネルの出力を測定します。 レベル設定が難しく，測定に時間がかかるので，画面からざっと読み取った代表的な特性を乗せておきます。

真空管ステレオアンプで80dBは立派な値と思います。

最低域は18dB/octの傾きに見えます。リップル・フィルタは２次で12dB/octのはずなのでもうひとつ時定数が効いているようです。 高域は特に制限要素は設けていないのですが，6dB/octということはどこかに１カ所ボトルネックがあるようです。 50kHz以上では急激に悪化してきます。

いずれにせよ，妙ちくりんな暴れが見られないためリップル・フィルタはうまく働いているようです。 リップル・フィルタを左右個別回路にすればさらに良い性能が得られるはずです。

残留ノイズ

50Hzと100Hzを主体としたハムが残っています。

縦軸を換算すると，0dBFS（ほぼクリップ電圧）は-15dBですので，ハムを除くホワイトノイズのノイズフロアは120dB以下と非常に低いです。

ハムバランサでの追い込みは必要ですが，能率100dBの15インチ・ウーハーに耳を付けてハムがやっと聞こえる程度です。 画面上の-100dBはサイン波で0.6mVに相当しますので，残留ノイズは0.5mVは切っているのではないかと思います。（測定器が無いので測定できません）

50Hzのハムはヒータートランスと出力トランスの磁気結合と思います。

100Hzのハムはハムバランサを回すと強度が変化するのでDC点火回路から発生しているのではと考えています。 +B電源のハムはリップル・フィルタがmV以下のオーダーに抑え込んでくれているはずです。

発熱が多いという問題はありますが，リップル・フィルタもDC点火も非常にうまくハムを押さえてくれました。

ダンピングファクタ

真空管アンプのダンピングファクタ測定はON/OFF法が多用されます。

OFF時の測定は負荷オープンとなりますが，この時の動作は考慮されているのでしょうか？ 例えば五極管を使ったギターアンプは負荷オープンでの演奏は故障につながると言われ禁止されています。

そういった意味では電流注入法の方が信頼できます。

MOSFET電流帰還DCアンプではステレオアンプの左右のチャンネルをダミーロードで接続してお互いに電流注入することでうまく測れました。 しかし，真空管アンプは出力インピーダンスが高いのでこの使い方は問題がありそうです。

以上より，８Ω負荷と４Ω負荷，それぞれの出力電圧の差からダンピングファクタを算出してみようと思います。

ZH : 8ohm
ZL : 4ohm
VH : Output Voltage @ ZH(8ohm)
VL : OutPut Voltage @ ZL(4ohm)
Zo : OutPut Impedance [ohm]
Zo=(VH - VL)/(VL/ZL - VH/ZH)

以上から1kHzではZo=4.294Ωでした。８Ωに対するダンピングファクタは1.86となります。事前のシミュレーション通りの値です。

雑誌記事を見ていると211を10kΩ負荷で使うとダンピングファクタ２以上が得られるっぽいのですが・・・ ON/OFF法だともう少し高くなるのかもしれませんが検証していません。

瞬間最大出力

連続出力での明確なクリッピング・ポイントは28Vp-pですが，サイン波１発ならば32.5Vp-p出力しました。

クリッピングは下側からクリップしていますので，負側のカットオフ動作で制限されています。 正側のグリッド電流増加には余裕があるようです。ということはもっとアイドリング電流を流せば出力は増えるはずです。 そもそもカソード抵抗を1kΩとして少し控えめの動作にしているので，仕方ない面もあります。