Power Amplifiers for 6 Meter AM communications
  - 4CX250B GK pp - 

性能改善が一番目に見えやすいところから手を付けようと、9月末から2週間ほどかけて電源強化の検討を行いました。
・200V化
・AC1次側の両切り化
・高圧のステップスターター追加
・高圧平滑コンデンサの強化
を一気に進めます。
開発開始当時から使っている大きなヒータートランスを都合の良い特注トランスに置き換え、この置き換えでできたスペースに平滑コンデンサを追加する方針で臨みます。
AC一次の受けの部分には同相チョークを入れておきます。

ヒータートランスの装換

今回の電源強化に都合良いトランスを西崎電機さんに作ってもらいました。

これまで幾度となくお願いしてきましたが、今回はサイズの制約が厳しく、「これだけ色々とやりとりさせてもらったのは初めて」というくらい、随分と相談に乗ってもらいました。 D、W、Hといわれても言葉では通じにくいので、図を描いて相談したりもしました。

おかげで、用途にぴったり合った、大変都合の良いトランスを作ってもらうことができました。以前のトランスは、5A級のヒーター巻き線が3つもある貴重品なので、大事に取っておくことにします。

今回作ってもらったトランスは、全体の容量130VA程度。端子数は何と24個です。
　

一次側は複巻きにしてあって、もちろん200Vも大丈夫です。
二次巻き線は、ファンや電源シーケンスのタイマー関係に使う100V400mAという巻き線を筆頭に、-C用の120V50mAや、ヒーターやリレー用の電源を巻き込んでいます。
100Vの巻き線は、倍電圧整流すれば300V弱で150mA位取れますし、120V巻き線も並4トランスと同じくらいの力を持っていますから、有り余るヒーター電源と合わせ、このままでも高1中2の立派な受信機や10Wクラスの送信機に使えそうです。

ALCの実装の検討

本機の大きな課題の一つであるALCもこの機会に実装することにしました。参考回路はどこにでもありますが、本機ではHL-1K/6の回路を参照することにしました。ALC出力には親機保護の目的でツエナーダイオードを入れておきました。
本機は実質2W～3Wの駆動でフルパワーが出ますから、そのあたりでも十分なALC電圧を発生する必要があります。50Ωに対し2Wなら10V(14.1Vpeak)、3Wなら12.2V(17.5Vpeak)ですから、少し定数を変えば大丈夫でしょう。実験が必要です。

ところで、このアンプをSSBに使うことはまず無いので、ALCの目的は万一の過入力対策です。そういったことをある方に相談しましたら、それだと、ALCの必要はなく、over drive protectionで良いんじゃないかとアドバイスいただきました。まったくその通りだと気づき、ALCに加え、この目的のprotecterも併設することにしました。ALCのように、外部の機器に向けて殊更に線をつなぐ必要がなく、自己完結するので安心です

すぐ思いつく回路は、過入力に対応して送受切り替えのリレーを戻すものや、-Cやシャントレギュレータの回路を利用して4CX250Bをカットオフするようなものです。しかし、本機は、励振中に送受切り替えられるほどリレーシーケンスを練っていませんから、一瞬の無負荷が怖いです。もちろん、リレーがブザーのようになると最悪ですから、プロテクト状態の自己保持は必須ですし、そうすると、そのリセットをどうするかも問題になります。
色々考え、結局、グリッドにリレーを新設し、過入力状態でこのリレーを切り替えて、ダミーロードに入力信号を喰わせる仕組みにすることにしました。この回路だと、リレーのmake接点が離れた瞬間に保護モードに入ることになりますから、第1グリッド保護に関する過渡的な動作速度は十分速いと思われます。切り替え途中に終段が無負荷になることはありませんし自己保持やリセットの問題からも解放されます。親機は一瞬無負荷になりますが、入力には常にアッテネーターを入れて使うことになりますから、実質的に問題ないでしょう。

ただ、リレーがまたぞろ増えるという問題はあります。18個です。どうにも整理がつかなくなりますが、final cageの中なので、設置上の問題はありません。ダミーロードは、昨今簡単に入手できる耐電力の大きいキャラメル状デバイスが使えます。ベリリウムが気になりますが、寸法やコストパフォーマンス的にはこれがbestでしょう。

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改修作業

今回の改修は次のような回路で行います。
従来に比べて、左上の電源が大きく変わりました。Final cageの中にも追加・変更を加えています。

まず電源関係です。
最初にコンセントから入ってくるところに、簡単なコモンモードフィルタを置きました。スイッチは、雷対策で両切りにしました。
電源スイッチは4極のものに取り替えます。NKKからの直接の通販で、S-42-Jというものを入手しました。直販は高いです。

新しいトランスの一次側にはヒューズを入れました。このトランスの二次側で何かあった場合のトランス焼損防止用です。
参考にしたのはTL922です。TL-922では、3-500Zのフィラメントとグリッドがタッチしてもメインのヒューズは切れず、そうなるとフィラメントトランスが焼き切れてしまうことが知られています。このアンプでは同じ問題は起きないと思いますが、古いシロッコに異常が生じても過電流は流れ得ます。
何が起きるかわかりませんが、ともかくこのヒューズが切れるとRL-4が切れ、高圧含めて全体がOFFになります。よって、被害が広がることは防止できます。
ただファンも止まります。正常動作中に熱で勝手にヒューズが切れたりすると、冷却が止まるので新たな問題を発生させかねません。これでは何のためのヒューズかわかりませんから、ヒューズはそれなりの値でなければなりません。結局おまじないのようなものかもしれませんが、本機では3Aのヒューズを入れておくことにしました。
3Aのヒューズと言うと、古い5球スーパー用トランスなら、どの巻き線をショートしても瞬時に切れます。このトランスの巻き線で最も抵抗が大きいのは-C用の120V50mAの巻き線で、実測で85Ωほどでしたから、この巻き線以外の異常なら、3Aのヒューズならすぐ切れるでしょう。

高圧とスクリーングリッドのトランスの一次側にはステップスターターを組み込みました。高圧の平滑コンデンサを増やすとすると、やはりあったほうが安心です。簡易な回路でもよかったのですが、200Vでも使えるようにするためタイマーを投入しました。
追加する平滑コンデンサは、トランスを隅っこに寄せて空いたスペースに組み入れられるように準備しておきます。35φ50mm長までなら6本収納できます。

全体のシーケンス制御関係やファン駆動は新しいトランスの100V巻き線で行います。そのため、このトランスは電源投入からoff delayが切れるまでずっと通電します。しかしそうすると、100V以外の二次側：ヒーターやリレー関係にも電圧が出続けるので、電源スイッチに同期したリレーを新設して二次側で断続するようにしました。最近のリレーは小さなものでも容量が大きくFBです。ヒーターは4CX250Bだけを入切するようにしましたが、12B-G7も同時に入切する方がbetterでしょう。

100V巻き線の片側はアースしたいと思いましたが、AM関係の外部接続で、変調器からAC100Vを供給する際に齟齬を起こすと困るので、浮かせたままにしました。
シャントレギュレータ球のヒーター電圧は、端子盤で切り替えができるようにしました。6G-B7にも簡単に差し替えできます。

リレー電源は、以前は苦労して必要な電圧を作っていましたが、今回はトランスに適切な巻き線を持っているのですっきりした構成になりました。
リレーは、元々13個もあったので少し整理してもよかったのですが、ステップスターターやヒーターの断続用をまた追加して、結局17個になりました。スペースが問題でしたが、いつものように現物合わせで実物大の型紙を作ってサブシャーシを起こし、曲芸のように取り付けました。サブシャーシには、先般同様、30KD6のアンプの初代のパネルの残りを使いました。「30KD6×3 リニヤアンプ」がこのアンプの中にも息づきます。

電源関係はあと2つになりました。
・電解コンデンサの増設、
・シャントレギュレータのAC特性
です。前者は機会を見て進めるとして、後者は別スレッドで検討します。

ALC/Over drive protectorはFinal cageの裏面への実装になります。あまり凝らず、ありあわせのラグ板を取り付けて簡単に空中配線してしまいました。

左下、リレーの陰にある白いのが、ベリリウム使用と思われるダミーロードです。
中央上端にある白い筒はコネクタ代わりに使用した4極のステレオミニプラグです。信頼性がどうかと思いましたが8φの穴ひとつで取り付けできる点に飛びつきました。
昔たくさん解体した白黒テレビから大切に取っておいた 小容量のチタコンをいくつか使いました。懐かしい部品です。

ALC調整用のボリュームは、16φのものがぎりぎり入らなかったので、旧コパルのRJ-13PRという13φのものを使いました。右のリレーは２つあるRL-7の(1)です。

Final cage上面の出力段にも手を入れました。ロードバリコンの交換とSafety chokeの実装です。
ロードバリコンは、静電容量、電流容量とも少し大きいものに交換したいと思っていましたが、ヤフオクでハーマーランドの立派なものが見つかり、このほど落手・交換作業と相成ったものです。

ところが さっそく現物合わせしてみると、軸に沿って少し回転させなければ取り付けできないことがわかりました。そのため、前後にある取り付け脚は使えなくなってしまいました。とはいえ、軸受け部にもある取り付けねじを使うと、Final cageにアース電流が流れる問題があります。一旦ベークライトの板で受ける等、特別な加工を考える必要があります。しかしどうにも作業が難しく、結局cageのアルミ板に直接取り付けてしまいました。効果はわかりませんが、アースは、別途銅帯でも配線しておきました。
それにしても、ステアタイト絶縁の、所謂だるま型のミゼットバリコンは市場からすっかり姿を消してしまいました。ヤフオクでも欲しいものは手に入りにくいようなので、今後は手持ちがものをいう時代になりそうです。一方で、部品の軸径へのストレスは大いに減りました。1/4インチでも8φでも、6φとの変換ジョイントが容易に入手可能です。

Safety chokeは、手元にあったTS520用のプレートチョークをそのまま使いました。
ざっくりですが、10uHもあれば良かろうと考えていましたが、丁度手の届くところにあったTS520のプレートチョークを計ってみると60uHと程よい値だったので、そのまま使うことにしたものです。手持ちがなければ、ベークライトの棒に適当に巻き込んでやろうと考えていたところでした。
Safety chokeは次のように考えます。仮に10uHとすると50メガで3142Ωになります。500W50オームで158Vですから、電流は50mA流れます。熱になるのは、この電流が数Ωと見込まれるエナメル線の直流抵抗で消費される分だけですから、損失は無視できるという計算です。
とりあえずホールがないことだけは確認したので、燃えないだろうと期待して、とにかくやはり実験することでしょうか。。。

　

左から、before and after!

以上でFinal cageもほぼ完了です。 あと上面では、
・同軸リレー化
・タンクコイルまき直し
下面では、
・入力アッテネータの改善
が残りました。追々楽しむことにします。

　

マウスを重ねると9月末の写真になります。クリックすれば拡大写真も見れます。

動作確認

動作状態を書き留めているのは丁度一か月前、9月20日までです。この時以降、トランス交換（ヒーター電圧が変化している可能性あり）、ALCやオーバードライブプロテクタ（ドライブ状況の変化）、ロードバリコンの交換（負荷状況の変化）、Safety chokeの追加を行いました。かなり大きな変更を加えたので、まずこの状態にほぼ一致する状態を再現することを目標に、スイッチを入れてみることにしました。

目標は9月20日の状態、
　・接続等：高圧タップ 850V、AC1次側 110V　➜　Ep 2100V、ESg 310V
　・アイドル状態：ーC DXモード、Ip 150mA、EP 2000V、ISg -1mA
　・駆動条件：ATT 6dB、FT891Mの出力電力設定 10W
　　送信状態：Ig 0.5mA、Ip 530mA、Ep 1760V、ISg +4mA　➜　出力490W　効率52.5%
　　出力100W：　駆動6W(ATT10dB) ：Ip 285mA、Ep 1900V、ISg -2mA　　　効率18%
　　出力300W：　駆動13W(ATT10dB) ：Ip 420mA、Ep 1790V、ISg -3.5mA　　　効率40%
です。

結果的に、何も触らず、この状態をほぼ再現することができました。以下の通りです。
　・接続等：高圧タップ 850V、AC1次側 110V　➜　Ep 2180V、ESg 不明
　・アイドル状態：ーC DXモード、Ip 180mA、EP 2050V、ISg 0mA

　・駆動条件：ATT 6dB、FT891Mの出力電力設定 10W
　　送信状態：Ig 1.5mA、Ip 530mA、Ep 1760V、ISg +10mA　➜　出力530W　効率56.8%

　・駆動条件：ATT 6dB、FT891Mの出力電力設定 8W
　　送信状態：Ig 0mA、Ip 500mA、Ep 1760V、ISg +3.5mA　➜　出力470W　効率53.4%

　・駆動条件：ATT 6dB、FT891Mの出力電力設定 6W
　　送信状態：Ig 0mA、Ip 420mA、Ep 1790V、ISg -3.8mA　➜　出力320W　効率42.5%

　・駆動条件：ATT 10dB、FT891Mの出力電力設定 8W
　　送信状態：Ig 0mA、Ip 340mA、Ep 1950V、ISg -3.0mA　➜　出力180W　効率27.1%

ALCをつけたときに入力コイルに手が当たってしまったせいか、駆動の感度が少し上がったようです。それでも、大きな改造をしたにもかかわらず、きれいにひと月前の状況を再現することができました。
十分「合格」と言えると思います。

整流用コンデンサの追加

最後に残った課題； 平滑コンデンサの補強を行いました。
大きなコンデンサを6本直列にしますから、高圧トランスを100Vタップで使うと一本当たり400V、110Vタップで使うと一本当たり365V程度になります。いずれにしても450V定格のものが良かろうと、上の方の回路図にある450V 220uFというのを入手していましたが、今さら2400V仕様で使うこともあるまいと少し欲を出し、もっと大きなコンデンサを奢ることにしました。ニチコンの小型・電源用コンデンサ GXシリーズの400V 780uFがヤフオクで入手できたのでこれを投入しました。
定格電圧に近いところでコンデンサを使うので、少し多めにブリーダー電流を流そうと、100kΩ 5Wをブリーダー抵抗に使いました。
高圧トランスは110Vタップで使うことを標準とします。

これらのコンデンサと抵抗6本をベーク板で挟んでパック状にし、予定通り、ファイナルケージ右上の空きスペースに収納しました。

目論見通り、うまくまとまりました。
ちなみに、余った220uFのコンデンサは、FL-2000Bの再整備に活用しました。

動作が落ち着いたと思ってからさらに2か月もかかりましたが、あとはSg電源のダイナミックな特性さえ押さえれば完了でしょう。

しばらく時間があいてしまいましたが、アンプは快調です。週に1、2度は電源を入れ、ご機嫌伺いをしています。
これまで特に問題なく動いていますが、いよいよ3月も近づいてきたので、気になっていたシャントレギュレータのAC特性を確認してみることにしました。
　

Sg用シャントレギュレータ電源のダイナミックな特性

送信アイドル状態のシャントレギュレータ―出力（12G-B7のプレート（10オームのプレート側））の波形。

縦軸100mV/div（オシロのAC結合）、横軸20mS/div
60Hzの成分が残っているようです、20mVppくらい。この分はスクリーングリッドで振幅変調されますが、300Vに対して20mVppだと-80dBなのでまず大丈夫でしょう。
なぜ60Hzなのかという問題は未解決です。12G-B7ヒーターからカソードへの漏れ込みでしょうか。。。

20WPMのCWの長点連続でフルパワー送信中のシャントレギュレータ―出力波形（10オームの外側）

縦軸200mV/div（時定数10SのAC結合）、横軸50mS/div
トレースが右下がりになるところがマーク、右上がりになるところがスペースです。
20WPSというとどのくらいの周波数になるのかと思っていましたが、短点に換算すると、周期概ね125mS、方形波の周波数は8Hz程度と見えます。

三角波状のリップルが約400mV残っています。本来は一直線になるはずです。
また、12G-B7のsink電流が減る瞬間には若干のオーバーシュートも見られます。CWの立ち上がりを変化させると、幅や高さが変わる可能性はあります。
しかし、リップルにしてもオーバーシュートにしても、この程度であれば、より速いCW、例えば30WPS程度で運用したとしても、全体の動作に影響を及ぼすことは無いと言えるでしょう。

最終回路図
シャントレギュレータのオペアンプに位相補正用のCRをいくつか追加しています。上記はこの状態での特性です。
また、ステップスターター用の抵抗を40Ω 20W一本から150Ω 20Wの2並列に変更しました。

電源ON/OFFのタイミングチャート

現状で、課題は2点。
・12GB7のスクリーンの立ち上がりがSG safety MUTE解除より若干遅いこと。中華リレーを設定変更すればよいがシャーシ裏なので面倒。
・On Delayの設定が60秒と長め。FT8の実運用では電源投入後30秒以下で送信Readyできるのが望ましいが、これは球では仕様上無理。次善の策として45～50秒程度に設定し直したい。

3月になったら検査に来てくれる段取りは整っているので、当面は、これらは今のままでよいとしましょう。　いよいよ「最終段階」です。

4月になってしまいましたが、40年ぶりに本アンプが陽の目をみることになりました。

変更検査　祝 合格

出力480W、スプリアスは2倍、3倍とも問題なし。よく動作してくれました！

変更検査合格後の「最終状態」です。
ACソース： エアコンコンセントから引いたAC100V

フルパワー時　出力480W

受信時　左：Ip(0mA)、右：Ep(2300V)

アイドル時　左：Ip(120mA)、右：Isg(0mA)

もう少しアイドル電流を増やしても良いかもしれません。

フルパワー送信時　左：Ip(485mA)、中：Isg(5.8mA)、右：Ep(1870V)

プレート入力907W、プレート効率53%

　 　

ATT:30dB
RBW:3kHz
Span:20MHz
Center: 左50MHz、中100MHz、右150MHz
ローパスフィルタはコメット製CF-50MR

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