エレキギターと真空管アンプの等価回路

2016年12月13日初稿


等価回路

よく言われることですが,シールド・ケーブルを変えると音が変わる。バッファーなどのエフェクタを接続すると音が変わる。トゥルー・バイパスなのに音が変わる。ライン録音はラインくさい音がする。 といったことは気のせいなのでしょうか。。実はあまり認識されていないのですが,そこには確かな理由があるのです。

ピックアップとシールド・ケーブルと真空管アンプの入力回路,この三者はギターのトーンに対して大きな影響を持ちます。ここでは切っても切り離せないこの三者の関係を解きほぐそうと思います。

Equivalent Circuit of an electric guitar and tube amplifiers
Fig:1:エレキギターと真空管アンプの等価回路

Fig:1にここで説明する等価回路を示しました。

「等価回路」とは電気的な振る舞いを考えるにあたって無視できないLCR成分(L:コイル,C:コンデンサ,R:抵抗)を抽出し,トランジスタや真空管などの増幅素子の挙動を単純化した回路のことを言います。 できるだけ単純化することによって回路の挙動を数式化したり,特性を可視化することができます。 そして,等価回路をシミュレータで計算すると実際の振る舞いを等価的に再現することができます。

ピックアップの等価回路

まず,ピックアップの等価回路を抽出について説明します。 ピックアップは弦の振動を拾うために細いエナメル線をぐるぐると何千回も巻いた構造をしています。これはまさにコイルです。

ほかにコイルというと例えばワウ・ペダルに内蔵されているインダクターもコイルです。

何が重要か,コイルが持つインダクタンスです。

インダクタンスと言う数値は「インピーダンス」一族の一員です。 交流に対する電流の流れにくさ,コイルの強さを示す数字とでも言いましょうか。

定義としては周波数に比例して単調上昇するインピーダンスをインダクタンスと称しています。

ちなみにギター用ピックアップのインダクタンスは2H〜6H(ヘンリー)を示します。

そのほかの要素としてピックアップは抵抗値を持ちます。 ピックアップは細い銅線を巻いていますので,銅線の直流抵抗が抵抗値になります。 ピックアップの特性を示す代表的な数値なので,ここに来るような皆さんはピックアップの直流抵抗が5kΩ〜10kΩであることを知っているでしょう。

Fig:1L1がピックアップのインダクタンス,R4が直流抵抗です。 ここではストラト用のシングルコイル・ピックアップの代表的な値を当てはめてました。

ストラト用のピックアップでは直流抵抗は5k〜7kΩ,インダクタンスは2〜3Hが一般的です。

ギブソンのハムバッカーでは直流抵抗7〜8kΩ,インダクタンスは4〜6Hが一般的です。

コイルを沢山巻けば強いコイルになり,インダクタンスも増え,抵抗値も増えます。ピックアップとしてのパワーも強くなります。

最後の要素として,ピックアップ自身の寄生容量(キャパシタンス)つまりコンデンサーとしての成分もありますが,できるだけ等価回路を単純化するために今回は省きました。なお影響も小さいです。

シールド・ケーブルの静電容量

次に重要な要素がシールド・ケーブルです。

何が重要かというと,シールドケーブルは静電容量(キャパシタンス)を持ちます。つまりコンデンサーであるということです。 キャパシタンスも「インピーダンス」一族の一員であり,周波数に反比例して周波数が高いほど減少していきます。

Fig:1C1がシールドケーブルの静電容量を示します。 参考までにシールドケーブルもインダクタンスを持ちますし,直流抵抗もありますが,影響が少ないので省きました。

さて,シールドケーブルの静電容量はケーブルメーカーが公表しています。3メートルで考えると200pF〜500pF位になります。長さに比例して静電容量は増えていきます。

ここで代表的なシールドケーブルの静電容量をまとめてみました。ついでに抵抗値も。

BrandNameCapacitanceCond. DCR
ohm/km
Shield DCR
ohm/km
CANAREGS-6160pF/m1825
BELDEN9395180pF/m2137
MOGAMI2524130pF/m3313
MOGAMI336870pF/m3324

中学生の時に初めて買ったカナレのシールドは標準的な特性と言えるでしょうか。いや時代遅れかな。

目安として100pF/mを下回ると低容量シールドケーブルといえます。50pF/mを切るケーブルも市販されています。

重要な点としてケーブルの静電容量は長さに比例することを忘れないでください。

この表でいうと,5メートルのモガミ2524と10メートルのモガミ3368はほぼ同じ静電容量になりますので”等価回路的には”同様のトーンになります。

LC共振という現象

ここからエレキギターのトーンの核心にせまっていきます。

コイルとコンデンサ,つまりインダクタンスとキャパシタンスが出会うところには必ず共振という現象が生じます。これは電気的な共振です。 弦振動は機械的共振ですが,同様に電気的な共振も同じようにある特定の周波数で響きあい,その周波数を強めるという現象が発生します。

もちろん,共振周波数が変わればトーンが変化します。しかも後程グラフを示しますが,1kHz〜5kHzという耳が最も敏感な周波数帯域に大きな変化が発生します。

つまり,コイル(ピックアップ自身です)に接続されるコンデンサ(シールド・ケーブルの容量)が異なれば,共振周波数が変化しますので同じトーンにはなりません。

前提として,ピックアップはのインダクタンスは不変と考えてよいでしょう。 一方,ケーブルの静電容量はケーブルの長さに比例します。つまりケーブルの長さが変わると共振周波数(トーンの美味しい部分)も変化してしまうのです。

もちろん,長さが同じでもシールド・ケーブルの種類を変えるだけでも静電容量が変化し,共振周波数が変化します。

真空管アンプの入力段

さてここまでの話題は基本的なことですので,多くのギタリストが認識しています。 しかし,まだ話は終わりません。次に真空管アンプの入力段の影響を考えてみます。

重要な抵抗値はR2R3です。

R3は入力シャント抵抗です。単に入力抵抗と呼んでもいいと思います。1MΩが標準です。 これを小さくするとゲインロスが発生するとともに高域が落ちて丸い音になっていきます。逆に1MΩ以上にしてもあまり効果はありません。

どんなギターアンプでもほぼ間違いなく1MΩを使っています。 どんなギターでも基本的には1MΩの負荷を想定しているといっても過言ではないでしょう。 つまり1MΩが歴史的なコモンセンスであり標準トーンなのです。

R2は入力シリーズ抵抗です。グリッド抵抗とも呼ばれます。 標準値と思われる数値はありません。ブラックフェース期〜シルバーフェース期のフェンダーアンプを標準とするならば68kΩ2本が並列になっているので34kΩです。 ただし,最近のフェンダーはまちまちで10kΩを使っているアンプもありますし,33kΩを使っているアンプもあります。 他の例ではマーシャルの一部の機種では68kΩだったり,フェンダー・ツイードの初期はこの抵抗を省いているアンプもあります。 ランドール・スミス(メサ・ブギー)やケン・フィッシャー(トレイン・レック)もこの抵抗を省いています。一方,ダンブル(クローン)系は22kΩが標準ともいえます。

さてC2の説明をしなければなりません。 抵抗以外にも回路図には表れない静電容量(ストレイ容量とか寄生容量とか言う)があり,この影響が随分と大きいのです。

ここでは初段管を12AX7とします。グリッド電極はプレート電極に対して1.7pFの静電容量を持ちます。 これはデータ・シートに書いてある数字です。真空管内部の電極の構造がもつ避けようのない寄生容量です。

蛇足ですがカソード電極も1.7pFの静電容量を持ちますが,こちらは無視できます。

さて,プレートに対する静電容量とカソードに対する静電容量は同じなのに,なぜプレートの方は無視できないのでしょうか。

実はここにからくりがあります。

初段の12AX7は50倍くらいのゲイン(増幅度)がありますので,プレート電極はグリッド電極の50倍の電圧でスイングします。しかも位相は反転しています。 結果的にプレート電極ではミラー効果という現象が発生ます。

ミラー効果は理解が難しいところですが,テコの原理と同じです。 グリッドに対してプレートは50倍の腕の長さをもつテコでバランスを取っていると考えます。 グリッド側のテコが1だけ動くとプレート側のテコは50も動きます。プレートは50倍の力でグリッドを引っ張りますので,奪われる電荷も50倍になるのです。 電荷を50倍奪うのですから静電容量が50倍になったことと等価です。

つまり,ミラー効果により寄生容量はゲイン倍されます。つまり,1.7pF×50 = 85pFが等価的な静電容量になります。シールドケーブルでいうと50cm〜1mに相当します。

Fig:1C2がグリッド・プレート間寄生容量を示します。込み入った話になりますが12AX7のシミュレーション・モデルには1.7pFが既に含まれていますので,等価回路として本来はC2が不要です。 ところが,フェンダー・アンプの配線図を見てみますと,グリッド配線とプレート配線は必ずしも分離されておらず,平行に走っています。 つまり,12AX7単体の静電容量に加えて配線の引き回しによる静電容量が発生しているのです。

そこで,配線容量としてC2を5pF〜10pFとした場合の試行を後程行ってみます。 5pFはとても微小な静電容量ですが,これが50倍されてしまうのです。結果的にはもはやエフェクターともいえる影響が出てきます。

なお,ダンブル(クローン)系のアンプではR2をソケットに直付けしていますので寄生容量は小さくなります。 プレート配線の引き回しも寄生容量が少ない配線になっています。

エレキギターのコントロール類

今回の話の中ではあまり重要ではありませんが,ギター側の等価回路として必要なものに,ボリューム・コントロール用のPOT(ポテンションメーター)とトーン・コントロール用のPOTがあります。

例えばストラトは250kΩのPOTを使います。ギブソンのレスポールなどは500kΩが標準です。 余談ですが違う抵抗値のPOTを使うとトーンに変化が出てきます。例えばストラトに500kΩのPOTを使うとギンギンギラギラになります。蛇足なのでここまでにしておきます。

Fig:1R1がボリュームPOT,R8がトーンPOTです。 ボリュームもトーンも全開の状態を模していますので,等価回路上は単なる抵抗器と示されます。


SIM1:シールドケーブルの静電容量の影響

やっとこ最初の試行です。等価回路Fig:1の周波数特性のシミュレーション結果を示していきます。 ピックアップが発生した電圧がどのように伝わって真空管アンプの内部に入っていくのかという特性を示します。


Fig:2:C1を変化させた場合(ケーブル容量の影響)

Fig:2C1のシールドケーブルの容量を250pF,500pF,1000pFとした場合の周波数応答を示しています。(C2=5pF,R2=34kΩ)

つまり言い換えるならば166pF/mの静電容量を持つシールドケーブルを1.5m,3m,6mと長さを変化させた場合の特性になります。

ご覧のように明らかなピークを持った周波数応答になっており,トーンに癖が出ているのがわかります。 そして,そのピークがシールドケーブルの長さによって変化します。 周波数は6%の変化で半音階に相当しますので,これだけ大きな変化は見逃せません。

グラフの1000pFの時が最もピークが高く,250pFの時はピーク周波数が高くなるとともにピークが低くなっています。

演奏した感じでは1000pFは明るく元気な音に聞こえます。一方,250pFはレンジが広くなり固さが出てきて,暴れが少なく落ち着いたトーンに聞こえます。

例えばトゥルーバイパスのエフェクタを接続する場合,同じ長さのシールドを2本使うと長さが2倍になり,静電容量も2倍になります。 するとピーク周波数がずれてしまい,結果的にエフェクタを繋いだだけでトーンが変わってしまった感じるのです。

SIM2:アンプ内の寄生容量の影響


Fig:3:C2を変化させた場合(アンプ内配線の影響)

Fig:3C2の配線による寄生容量を0pF,5pF,10pFと変化させた場合です。(C1=500pF,R2=34kΩ)

もちろんこの配線抵抗はグリッド抵抗をソケットに直接半田付けすればほぼ0pFにできます。 しかし,入力ジャック付近にグリッド抵抗を置いて配線を引き回し,さらにこの配線にプレートの配線と近づけると容量が増えていきます。 定量的にどのくらい増えるかはよくわかりませんので,5pF,10pFで比較してみました。

この5pF単位というとても小さな数字の変化ですが,シールドケーブルの容量を変化させた時と同様にピーク周波数の変化が見えます。 なぜならこの5pFの変化はゲイン倍(50倍)されるので250pFの変化に相当するからです。

次の試行で示す通りR2がピークの高さを制限しているのでピークの高さはあまり変わりません。

この試行からわかることはアンプ内の配線の引き回しでトーンに変化が出るということです。

SIM3:グリッド抵抗の影響


Fig:4:R2を変化させた場合(シリーズ抵抗の影響)

Fig:4R2(シリーズ抵抗)を0Ω,34kΩ,68kΩと変えた場合です。(C1=500pF,C2=5pF)

グラフの通り抵抗値を大きくした方がピークが低くなります。これは落ち着いたトーンになることを意味します。

R2を大きくするとC2の影響が緩和されます。

先ほど上げた具体例ですと,メサ・ブギーやトレイン・レックはゼロΩですからピーキーで元気なトーンになるはずです。

入力段にオペアンプを使うとミラー効果は発生しません。 つまりC2が小さいもしくはR2が大きい場合に相当します。 ですから真空管アンプに比べて固さが出てきてピークが抑えられた落ち着いたトーンになるのです。

以上のことから真空管の入力容量を考慮していないエフェクタを通すと元気がなくなる理由が説明できます。

まとめ

ピックアップにぶら下がる静電容量の影響はギターのトーンに対して支配的な影響力を持ちます。 そして,シールドケーブルだけでなく,アンプの入力段の静電容量も影響があります。これって大事なことなんです。

なぜ大事かというと,機材ごとの些細なトーンの差を議論したくても静電容量の違いがトーンの違いにつながります。これでは完全な比較はできません。

つまり例えば,あえて辛口に言うと静電容量を無視したシールド・ケーブルのレビューは無意味です。 同様の原理はトーンコンデンサ―にも当てはまります。つまり容量を計測しないトーンコンデンサの比較も無意味なのです。

逆にこの現象を積極的に利用することもできます。トーン・コンデンサ―の容量を減らして共振ポイントを美味しいところに持っていくとミッドブーストにもなるのです。 実際にこのトリックを使った製品もあります。

また,これほど音がころころ変わってしまうのが困るという人は,エフェクターボードの先頭にバッファを準備して,ギターとバッファを接続するシールド・ケーブルを常に同じものを使えばよろしい。

しかしバッファーを入れたら音が変わることは説明した通りです。等価回路が異なるので真空管アンプに直結した音と同じにはなりません。 後で述べますが,これはいくつか部品を付け加えることで等価的にごまかすことができます。

もっとロバストにしたければ,ギター内にバッファーを入れてしまいます。 ただし,このままでは負荷容量が小さすぎてトーンがおかしくなります。

この場合はピックアップに負荷容量を与えて調節すればいいのです。ピックアップにぶら下がる負荷容量がケーブルだろうとコンデンサーだろうと等価的に違いはありません。 どうするかというとギター側のボリュームPOTに直接200pF〜1000pFのコンデンサをぶら下げます。 もし1番端子と3番端子の間につなぐならボリューム位置に関係なく負荷容量が一定になります。 ギター内部の配線を長くして静電容量を付加するという方法もあります。

最終進化形はEMGのようなプリアンプ内臓のパッシブ・ピックアップです。ノイズにも強くなります。まあでも,ビンテージギターをこんな風に改造する人はまずいないでしょう。 バッテリー・キャビティを付けるなんて野蛮なことはしたくありません。

ん〜そういえば,ワイアレス用トランスミッタを接続するケーブルは短いです。 ワイアレスを使うかどうか以前の問題としてケーブルが短いことがトーンに変化を及ぼしています。 もし,ワイアレスを通すとそこそこヌケは良くても固くて元気がない音だと感じたら,原因はケーブルが短いことです。これがワイアレスが普及しない原因だと思うのですが・・・

どんなにオーディオ的に優れたワイアレスシステムでもここを無視したら楽器には使えません。 わたしならトランスミッターに負荷容量を入れちゃいますけどね。

さて,バッファーやトランスミッタに入れる等価回路についてですが,単純なケーブルの容量だけでなく,真空管アンプの入力等価回路をも考慮すればより似たトーンに近づけることができます。 というか,最低限そこまでやって,そこからがスタート地点になります。何と言っても等価回路が異なるならばトーンは異なるのです。

これはまさにわたしが「LINE6 DL4 EXTREME MOD」の時に入力部に入れた各Emulatorのことでして,回路図はそっちにあります。

ミラー効果で容量が増大するといってもしょせんはコンデンサーですから,まずは増大した分のコンデンサーを追加する必要があります。 そして,シリーズ抵抗も入れることで等価回路は完全になります。

ところで入力抵抗と負荷容量を切り替えられる機能は既にあります。ギター用プリアンプでもレコード用のプリアンプでもそんな機能を持った機材があります。 等価回路の違いに気付いている人もいるのです。


ここではピックアップのインダクタンスとケーブルのキャパシタンスの関係からギターのトーンが決まると説明しました。 しかし,エレキギターは楽器ですからそれ以外にもトーンに変化を与える電気的な要素がまだあります。 残念なことに等価回路を完全に一致させても同じトーンにはなりません。

いまは紹介にとどめますが,次に議論すべき犯人はマイクロフォニックノイズです。 マイクロフォニックノイズは機械系の振動と電気回路の結合なので機械系の挙動をつかめない限り等価回路に表すことはできません。

ピックアップと負荷容量によるピーキングは,料理でいえば塩や砂糖のようなもので,加えれば加えただけの効果が表れます。 一方,マイクロフォニックノイズは料理でいえばスパイスに相当すると言えます。 つまりはコショウ少々という具合の加減であり,微妙な違いは好み次第といったところです。


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