超初心者のための真空管アンプの工作、原理、設計まで

これまで、真空管の規格表に載っている数値として、増幅率μと内部抵抗rpというのが出てきた。実は、この2つに加えて、相互コンダクタンスgmという定数があって、これら3つを真空管の3定数と呼んでいる。ここで、相互コンダクタンスというのは、プレート電流の変化をグリッド電圧の変化で割った値で、単位はS（シーメンス）である。電流を電圧で割るので、抵抗Ωの逆数になり、昔は、Ω(Ohm)をひっくり返してMho（モー）というおちゃめな名前の単位だったが（おまけに表記もΩを上下ひっくり返した文字を使っていた）、今はSである。これら、μ、rp、gmの３つには次の関係がある。

  μ  =  rp ･ gm     …(1式)

真空管の規格表で、３つのうちの２つしか記述が無い場合でも、この式から残りの一つを計算することができるわけだ。この３つのうち、μとrpは3極管に、gmは5極管の動作によく使われる。それでは、以下に、これまで何度も出てきているEp-Ip特性を見ながら、これら3定数について定性的に説明しよう。

μ（増幅率）

μは電圧増幅率のことで、グリッド電圧の変化が何倍になってプレート電圧の変化として現れるかの比である。比なので単位はない。下の図の3極管のEp-Ip特性で言うと、あるプレート電流を想定したとき、この直線（点線で示した）と曲線群の交点の間隔の広さがμを表している。間隔が広いほど、少しのグリッド電圧の変化でプレート電圧がたくさん変化するので、μが大きいと言えるわけだ。これが分かると、このEp-Ipの曲線を見ることで、プレート電流が少ないと間隔が狭まってμが小さくなる、とかバイアスを深くすると間隔が狭くなりμが小さくなる、といった性質が分かるようになる。

Ep-Ip曲線におけるμ(増幅率）の様子

rp（内部抵抗）

次に内部抵抗rp（Ω）である（プレート抵抗とも呼ばれる）。これは、オームの法則そのもので、プレート電圧の変化をプレート電流の変化で割った抵抗値になる。下の図のやはり3極管のEp-Ip特性では、曲線の傾きがこの内部抵抗値に相当する。この傾きが急なほど内部抵抗が小さく、逆に線が寝ているほど内部抵抗が大きい、ということになるわけだ。これも、Ep-Ip特性を見て、傾きが寝ていれば、内部抵抗が高い球だな、と分かるというわけだ。

Ep-Ip曲線におけるrp(内部抵抗）の様子

gm（相互コンダクタンス）

さて、以上μとrpだが、5極管のときはどうなるだろう。5極管のEp-Ipは以前見たように、3極管とは形が異なり、下の図のような形になっている。ほとんど真横に寝た曲線になっているので、μは5極管では非常に大きい値になり、また、rpも非常に大きいことが分かる。5極管では、これら2定数は大きすぎて実際には使いにくく、gmがよく使われる。

相互コンダクタンスgm（S）は、下の図の5極管のEp-Ip特性では、あるプレート電圧を想定したとき、この直線（点線で示す）と曲線群の交点の縦の間隔の広さになる。間隔が広いほどgmの大きな球、と言うことができる。これを見ると、プレート電流が小さいほど、つまりバイアスが深いほどgmが小さくなることが分かる。後で出てくるが、5極管の電圧増幅率は、RL･gmで計算でき、gmが大きいほど回路のゲインが大きくなる。gmが大きい球というのは、ゲインの高い球、ということになるわけだ。

ちなみに、3極管でgmを考えることはもちろんできるが、Ep-Ip特性を見ると分かるように、3極管ではgmは、プレート電流とプレート電圧によって大きく変化し使いにくくあまり使われない。使いにくい、というのは、動作条件によって激しく変化するので「この球はgmがいくらいくらだ」という風に定数として扱いにくい、という意味である。

Ep-Ip曲線におけるgm(相互コンダクタンス）の様子

ゲインの計算式

前の章の最後で、3極管のゲイン（増幅度）の計算式について説明した。ゲインAはμとrpを使って次式で計算することができる。

                RL
  A   =  μ -----------    …(2式)
             rp  +  RL

この式から、負荷抵抗RLをrpに対して大きく取るほどゲインが大きくなる、ということが分かる。また、しかし、ゲインはμ以上にはならない、ということも分かる。

さて、それでは5極管のときはどうだろう。5極管の規格表を見ると分かるが、μはふつう記載されていない（逆に3極管の規格表にはgmが記載されていないことが多い）。したがって(2)式はそのまま使えない。前述したように5極管ではμもrpも非常に大きな値になる。そこで、rpが負荷抵抗RLより十分大きいという条件の元で、次のようにゲインを計算する。

                 RL              RL         μ
  A   =  μ -----------  ≒  μ ----   =   ---- RL   =  gm  RL      …(3式)
             rp  +  RL           rp         rp

すなわち、gmに負荷抵抗RLの値を掛け算するとゲインAが出てくるわけだ。この式からgmの大きな球ほどゲインが高く、またRLが大きいほど単純にゲインが大きくなることが分かる。

ちょっと例を取ってやってみよう。6AU6という5極管を負荷抵抗100kΩで使ったとしよう。6AU6の規格表を見ると、プレート電圧が100V、スクリーングリッド電圧が100Vのときgmは3900μS という記述がある。このように、gmはふつうμS ( 10^-6S )で表記されることが多い。この値を使ってゲインは次のように390と計算できる。

  A   =  gm  RL   =  3900 × 10^-6 × 100 × 10³  =  390     …(4式)

ところで真空管の規格表のサイトを以前紹介したが（http://www.shinjo.info/frank/index.html）、英語のものが多い。上記で参照した6AU6の規格表も、GE製のもので下のように英語である。

　　

この規格表の読み方も、実はひと通りの知識がないとなかなか難しいのだが、3定数の英語表記を次に書いておく。

　μ：　Amplification Factor
　rp：　Plate Resistance　（approximateとあるのは、おおよそという意味である。単位がMegohmsつまりMΩに注意）
　gm：　Transconductance （単位が Micromhosとあるが、これはマイクロ・モーで、μS の意味である）

また、「Pentode Connection」および「Triode Connection」とあるが、5極管として使うときが前者、3極管接続という手法（後述する）でこれを3極管として使うときが後者である。

3 真空管の3定数とゲイン

3　真空管の3定数とゲイン