AMP005D

Ｄ級アンプ実験基板（難易度☆）

１．特徴
最近のオーディオ機器にはＤ級アンプが随所で使用されています。
特に温度ムラに弱い薄型液晶ＴＶなどには積極的に利用されているようです。
スイッチング動作で波形を作るため、高効率で発熱が少ないのが特徴です。
２０ＫＨｚのオーディオ信号を再現するためにはさらにその２０倍以上の周波数でＰｏｗｅｒ段をスイッチングする必要があり、パワーＭＯＳＦＥＴの独壇場ですが、駆動回路やデッドタイムの調整など、少々難しい技術を要求されます。そこで本キットではやや効率は犠牲になりますが通常のバイポーラトランジスタのエミッタフォロワを使用して簡素化しました。
（完全なスイッチングでないため、バイポーラでも高速に動作します。）
また、種々の専用のＩＣもありますが、製品ライフが短い、少量での入手に難がある、比較的高価など、素人には使いにくいと思われます。
そこで、ある程度のパワーもあって音楽も楽しめるＤ級アンプを動作原理の学習も兼ねて、汎用ロジックＩＣを用いて作成してみました。
基板にはＯＰアンプの予備やささやかですが、ユニバーサルエリアが設けてありますので各種実験や改造にお役立て下さい。

汎用ＩＣとディスクリート部品を使用

図１．キットの内容

２．回路の説明①全体はオペアンプTL072（R3,C5およびR4,C6の時定数)の積分器、TC4049（R9,R11およびR10,R12によるヒステリシス付き）によるコンパレータおよびインバータ、TC4049ｘ４パラのドライバー、パワーＴｒのスイッチング回路（実はエミッタフォロワ）、そしてＬＣローパスフィルターなどにより構成されています。
②無信号時にはRch R15 R13、Lch R16 R14を通してパワースイッチング出力から積分器入力部にフィードバックされていて、積分器の時定数で決まる周波数（約７５０ＫＨｚ）で自励発振（フリーラン）しています。（下図 A,B）
③また出力部はBTL接続で、SP+とSP-は逆位相で駆動されます。（下図 E,F）
これにより通常SP出力部に使用される大容量のコンデンサーを省略でき、また等価的にSPへの印加電圧が2倍になり、４倍のパワーを出力できることになります。（オームの法則より P=V＊V／R）
さらにSPインピーダンスを半分にするとパワーは2倍になります。（ただしダンピングファクターは悪化します。）④ここで音声信号は積分器入力部でキャリア（自励発振波形）と加算され、積分器出力はDに示す波形となります。
⑤これをコンパレータを通すことでPWM信号が得られます。（下図 E)
このPWM信号は音声入力電圧に応じてキャリアのパルスデューティ（ON／OFF比）が変化します。
⑥さらにインバータで反転PWM信号を得ます。（下図 F)⑦これらをパワードライブした後、LCローパスフィルターを通してキャリア成分を除去すると平均値として、もとの音声信号に比例した波形が再生されます。
⑧このPWMの技術は省スペースや省エネにつながりスイッチング電源などでは既に広く使われています。
オーディオの世界にも次々と浸透しつつあります。
⑨基板上のリレーは電源ＯＮ時に発生する大きなポップ音を防止する為に入れてあります。
電源ＯＮから１秒ほど遅れて作動します。
他励式のＰＷＭの場合はソフトスタートなどの回路が使えますが本機のように自励式の場合は困難と考え、リレーを入れました。
⑩電源ＯＦＦ時のポップ音は小さいので目をつぶることにしました。
基板ウラのＪＰ１を切るとリレーがＯＦＦしますので、気になる方はＪＰ１からリード線を引き出して電源ＳＷと連動する接点に接続するなど、対策してみてください。
⑪また抵抗やコンデンサなどはディスクリート部品を使用していますので、各自回路定数を変更して好みの音に仕上げて見てください。
⑫ＯＰアンプは２チャンネル入りの物を使用していますが片側は使用せず、空きとなっています。
回路の追加などに利用できます。

Ａ．キャリア発振波形

Ｂ．積分器出力（無信号時）

Ｃ．音声入力Ｄ．キャリア＋音声
積分器出力

Ｅ．コンパレータ＋出力Ｆ．コンパレータ−出力

Ｇ．音声SP出力（平均値）

図２．各部の波形

３．使用上の注意①スピーカのインピーダンスは４〜８Ωでお使い下さい。（出力部のフィルターは６Ωで設計されています。）②スピーカ出力部の広域補償用のＣＲネットワークは搭載していません、使用するスピーカに合わせて外部に接続してください。
③電源はＤＣ１０〜１６Ｖを供給してください、８Ω負荷時で２．５Ａ、４Ω負荷では５Ａ程度のピーク容量が必要です。
特にスイッチング電源を使用する場合、電流リミッターが作動しない充分な容量のものをお使い下さい。
また１６Ｖ以上を印加しないで下さい、回路素子を破損することがあります。
④スピーカ出力をショートさせないで下さい、また電源端子やＧＮＤ端子と短絡しないようにご注意ください。
スピーカ出力端子のＳＰ−はＧＮＤと同電位ではありませんので特に注意願います。
⑤基板上の半固定抵抗 VR1、VR2はオフセット調整用です。
無信号時のSP出力端子の直流電圧が０Vとなるようそれぞれ調整します。（出荷時に調整済みです。）⑥本キットは音楽や音声を再生する程度の放熱設計をしてあります、発振器を接続して連続音を出力する場合は素子の発熱に留意願います。
⑦誤接続には十分ご注意ください、場合によっては基板に損傷を与えることもあります。
４．参考資料①ＣＱ出版社

POWER ELECTRONICSシリーズ 「Ｄ級／デジタル・アンプの設計と製作」
電子工作シリーズ 「ｉＰｏｄで楽しむ真空管＆Ｄ級アンプ」
トランジスタ技術 「2003年8月号 デジタル・アンプ誕生！」②ツール工房ホームページhttp://tool-kobo.ddo.jp/

５．その他（１）本キットはＤ級アンプの基本や動作原理を学習・評価するために作られています。
ホビーや教材・実験以外の、製品、高度な信頼性を必要とする装置や人命にかかわる装置に組み込むことはできません。
（２）本キットを使用して生じた結果につきましては当社は責任を負いかねますので、ご了承願います。
（３）キット組立て上、または使用上のミスによるトラブルにつきましては別途有償にて対応させていただきます。
（４）また、本キットの内容は改良のため将来予告無しに変更することがあります。
（５）なお、お気づきの点がありましたら、当社まで連絡をお願いいたします。

図３．基板外形図・配置図・結線図

ＣＲはスピーカの高域位相補償用です。

ツール工房有限会社〒444-0055
愛知県岡崎市西魚町24番地３
TEL/FAX 0564-28-7531
Email office@tool-kobo.ddo.jp
http://tool-kobo.ddo.jp

・特徴
・汎用ロジックＩＣやＯＰアンプ、ディスクリート部品を使用。
・出力部はバイポーラＴｒのエミッタフォロワで、調整不要です。
・予備のOPアンプやユニバーサルエリアが設けてあります。
・高効率で動作します、放熱器は不要です。
・単一電源で動作します。（ＤＣ１０〜１６Ｖ）
・ステレオ（２チャンネル）です。
・代表特性（電源ＶＣＣ＝１３．５Ｖ、１KHｚ）①出力（歪５％以下） ８Ｗｘ２（負荷８Ω時）
１２Ｗｘ２（負荷４Ω時）②歪率（１Ｗ出力） ０．５％
③Ｓ／Ｎ比
９０ｄｂ
④周波数特性
２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚ
⑤増幅率
３２ｄｂ
⑥キャリア周波数
約７５０KHｚ⑦消費電流６０mA （無信号時）

・部品リスト
本キットには下記部品を使用しています、また都合により相当品を使用する場合もありますのでご了承下さい。
品名
規格・品番
メーカー 数量
適 用極性
備
1 プリント基板
AMP005D
ツール工房
12 汎用ロジックＩＣ
TC4049BF
東芝
4 IC1,IC2,IC3,IC4有り
3 オペアンプ
TL072CDTI
2 IC5,IC6有り
4 トランジスタ
2SC5886
東芝
4 Q1,Q2,Q5,Q6有り
5 トランジスタ
2SA2097
東芝
4 Q3,Q4,Q7,Q8有り
6 トランジスタ
2SC2458Y
東芝
1 Q9有り7 ｼｮｯﾄｷｰﾀﾞｲｵｰﾄﾞ
CMS06
東芝
8 D1〜D8有り
8 ｼｮｯﾄｷｰﾀﾞｲｵｰﾄﾞ
CMS03
東芝
1 D11有り
9 ｼﾘｺﾝﾀﾞｲｵｰﾄﾞ
1S2076
日立
2 D9,D10有り
10 RCAｽﾃﾚｵﾋﾟﾝｼﾞｬｯｸ J-312A
テイシン
1 J1有り11 端子台XW4E-02B1-V1
OMRON
3 T1,T2,T3有り
12 リレー
G5V-2 DC12V
OMRON
1 RY113 コイル
TA7502Y-220M
東光電子
4 L1〜L4
14 ﾌｨﾙﾑｺﾝﾃﾞﾝｻ
0.68μF/63V
Panasonic
2 C23,C24
15 ﾌｨﾙﾑｺﾝﾃﾞﾝｻ
0.15μF/63V
Panasonic
4 C19〜C22
16 電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ
470μF/25V日ケミ
4 C15〜C18有り
17 電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ
2.2μF/50V日ケミ
3 C1,C2,C25有り
18 半固定抵抗
RG063P B102
TOCOS
2 VR1,VR2
19 積層ｾﾗﾐｯｸｺﾝﾃﾞﾝｻ 0.1μF/50V
村田製作所
8 C3,4,7,8,11〜14
20 ｾﾗﾐｯｸｺﾝﾃﾞﾝｻ
47pF/50V
村田製作所
2 C9,C10
21 ｾﾗﾐｯｸｺﾝﾃﾞﾝｻ
100pF/50V
村田製作所
2 C5,C622 炭素皮膜抵抗27Ω 1/4W理研
4 R17,18,21,22
23 炭素皮膜抵抗1.5KΩ 1/4W
理研
4 R19,20,23,24
24 炭素皮膜抵抗2.2KΩ 1/4W
理研
2 R9,R1025 炭素皮膜抵抗4.7KΩ 1/4W
理研
3 R3,4,2426 炭素皮膜抵抗10KΩ 1/4W
理研
4 R5,6,7,8
27 炭素皮膜抵抗47KΩ 1/4W
理研
4 R1,2,11,1228 炭素皮膜抵抗100KΩ 1/4W
理研
4 R13,14,15,1629 炭素皮膜抵抗1MΩ 1/4W
理研
1 R25

表１．
考