ロードラインによる最大出力計算 　　平成１８年９月２日 　　　 　一般に出力管の最大出力は真空管の規格表から概略値は求めることが出来るが、規格外の使用条件ではロードラインを引いて最大出力を計算する必要がある。 そのロードラインについては、一般には直線と思われている方が多いのではないだろうか。 確かにシングル動作では直線となるが、プッシュプル動作では個々の真空管のロードラインは曲線（近似双曲線）となることは意外と知られていないと思う。 そこで、シングルアンプ、PPアンプ、SEPPアンプについてロードラインの考え方、最大出力の求め方について考えてみることにする。 ここでは代表的３極出力管である２Ａ３（SEPPは６０８０）を取り上げ、バイアス方式は全て固定バイアス方式とする。

《　シングルの場合　》 動作条件を 　　　プレート電圧Eb＝２５０V 　　　バイアス電圧Ec＝−４３．５V 　　　ＲＬ＝２．５KΩ とし、プレート特性図上にロードラインを作図して最大出力を計算する。第１図参照。 　まず最初にプレート電圧とバイアス電圧から動作基点　Ｏ　を定める。次に　Ｏ点を通る傾きがマイナス２．５KΩの直線を引きEc＝０Vとの交点を　Ｐ　とする。 （マイナスとしたのは傾きが右下がりのためである。以下、マイナスの表記は省略する。） 　次に、Ec＝−８７Vのラインとの交点を　Ｑ　とすれば、最大出力は△ＰＲＱの面積の１／４として求めることが出来る。 この場合、入力電圧３０．８V（４３．５÷√２）の時、最大出力３．４Ｗが得られることになる。 　２．５KΩのロードラインに引き方は、（０V，１００ｍＡ）と（２５０V，０ｍＡ）の２点間に引いた直線を平行移動すれば良い。 　この時、気を付けねばならないことはロードラインが　Ｏ　を基点として対称でないことである。 つまり、Ec＝−４３．５VからEc＝０Vまでスイングした時のプレート電圧変化は１５０Vであるのに対して、Ec＝−８７Vまでスイングした場合のプレート電圧変化は１１０Vである。 これが何を意味するか、すなわち多量の偶数次歪を含んでいる。プレート特性が比較的整っている２Ａ３の場合でもかなりの歪が発生するということである。
《　Ａ級プッシュプルの場合　》 動作条件はシングルの場合と同じで 　　　プレート電圧Eb＝２５０V 　　　バイアス電圧Ec＝−４３．５V 　　　ＲＬ＝５KΩ（PP間） とする。 　プッシュプルの動作を見るとき、別々にプレート特性図を使用するのではなく、第２図のように一方を１８０度回転し、動作基点（Ｏ）をそろえて上下に並べた方が判りやすい。 　その時、各プレート電圧について、相対する特性曲線から求められるV1、V2のプレート電流の差をプロットして作図した合成特性曲線（第２図青線）が便利である。 なお、この例での相対する組み合わせはV1側０V、−１０V〜−４３．５V〜−８７Vに対してV2側−８７V、−７７V〜−４３．５V〜０Vであるが、バイアス電圧が異なれば、相対するプレート特性曲線の組み合わせも変えなければならない。 こうして作成した合成特性曲線は曲がりが少なく、ほぼ直線とみなすことが出来る。そこで合成特性曲線の作図は、相対するプレート特性曲線が電圧軸と交わる点から垂線を引き、それぞれの特性曲線と交わる点を結んだ直線で代用することが出来る。 第３図右の直線SKはV2 側Ec＝−87V、V1側Ec＝0Vの組み合わせ作図例である。 　ここで合成特性曲線の意味について考えてみる。 たとえば、一方のプレート電圧がΔEbだけ上昇し、プレート電流がΔＩｂだけ増加したとき、もう一方の側ではプレート電圧はΔEbだけ低下し、プレート電流はΔＩｂだけ減少する。 　このときＰ−Ｐ間の電圧は２ΔEb、Ｐ−Ｐ間の電流はΔＩｂである。ところがこれを合成特性曲線上で見れば、プレート電圧がΔEb変化したとき、電流は２ΔＩｂ変化している。 つまり、電圧スケールは半分に、電流スケールは２倍になっている。 合成特性曲線の傾きはP−P間から見た出力管の合成内部抵抗の１／４を表しているということである。（第３図参照） 　したがって、合成特性図上に合成ロードラインを記入するとき、電圧を半分に、電流を２倍した状態、つまりＰ−Ｐ間インピーダンスの１／４の傾きで記入しなければならない。 その合成ロードラインが第２図の赤線（ＰＯＱ）である。また、個々の球についてのロードラインは緑線のように曲線 (Ｐ1Ｏ1Ｑ1、Ｐ2Ｏ2Ｑ2）となる。 このロードラインの傾きは実際の負荷抵抗を表しているのであるから、プッシュプル動作では入力電圧に応じてV1、V2の負荷抵抗が変化することを表している。 ここがシングルアンプとプッシュプルアンプの大きく異なる点である。一般にPPのロードラインとは合成ロードラインを指しているので注意が必要である。 　合成ロードラインから最大出力を求める方法は、シングルの場合と同様に△ＰＴＱの面積の１／４として計算される。 このときＯＰ＝ＯＱであることに着目すれば最大出力は△ＰＲＯの面積に等しい。 したがって、プッシュプルの最大出力は、一般的に片側のみのプレート特性図に合成ロードラインを記入して求める方法が取られている。 ただし、Ａ級PPの場合は第２図上の点Ｐ、点Ｑは遊び電流分だけ点Ｐ1、点Ｑ2から離れているので注意が必要である。
《　ＡＢ級プッシュプルの場合　》 　一般にＡＢ級の場合は、最大出力を大きくするため、プレート電圧３００V、バイアス電圧−６０V辺りで使用されることが多いが、ここではＡ級PPと比較するため 　　　プレート電圧Eb＝２５０V 　　　バイアス電圧Ec＝−５０V 　　　ＲＬ＝３．５KΩ（PP間） の動作条件とする。最大出力付近のみ片側出力管がカットオフする浅めのＡＢ級である。 　Ａ級PPの場合と同じく、合成特性曲線、合成ロードラインを作成したものが右の第４図である。 この図を第２図と比較すれば、合成特性曲線の傾きが小さくなっている。つまり、グリッドバイアスが深くなった分、合成内部抵抗も大きくなることを示している。 この例の相対する組み合わせはＡ級PPと異なり、V1側0V、−50V、−100Vに対してV2側−100V、−50V、0Vである。　 　合成ロードラインを使えば、Ａ級PPの場合とまったく同じで最大出力は△ＰＲＯの面積として求めることができる。 プレート電圧２５０VのＡＢ級PPでは約１０Ｗの最大出力が得られることになる。プレート電圧３００V、グリッドバイアス−６０Vの条件では約１５Ｗの最大出力が得られる。 　ＡＢ級（Ｂ級）PPではＡ級PPと異なり、無効電流がないので、合成ロードラインとEc＝０V特性曲線の交点を求めれば最大出力が計算できる。 つまり、合成プレート特性図がなくても計算することができる。 《　最適負荷抵抗　》 　最適負荷抵抗の求め方は３極管と５極管ではまったく違っているといってよい。 　３極管の場合、負荷抵抗と出力管の内部抵抗が等しい場合に最大出力が得られる。 第５図右の通り△ＰＲＯが二等辺三角形となる場合である。 ただし真空管の最大定格以内の動作基点を選ばねばならない。 　シングルアンプの場合、最大出力が得られる負荷抵抗ではロードラインが立ちすぎ、動作基点で定格をオーバーすることが多い。 また、バイアス深めの動作基点を設定したのでは歪の発生が多くなってしまう。 そこで、一般には内部抵抗の数倍の負荷抵抗が採用される。 このとき負荷抵抗を大きくすれば歪は少なくなるが最大出力も小さくなる。 ＰＰ動作の場合も、電源電圧の低下等を考慮して計算上の最大出力が得られる負荷抵抗値よりも大きくするのが一般的である。 つまり、最大出力が得られる値と歪が最小となる値の中間値である。メーカー発表の規格も概ねそのようである。 　一方、５極管では第５図左のようにロードラインがEc＝０V特性曲線の左肩出っ張り部分で交わるように負荷抵抗を設定すれば、最も歪が小さく最大出力も大きく取れる。 このように、５極管では内部抵抗と負荷抵抗値に相関はない。 また、最大出力はスクリーングリッド電圧にも大きく影響され、最大定格を超えない範囲でスクリーングリッド電圧は高くした方が最大出力は大きくなる。 ビーム管の場合は一層肩特性の出っ張りが鋭くなっているので、最大出力は大きく取れるが最適負荷抵抗の範囲が狭くなり、負荷抵抗の設定には注意が必要である。
《　SEPPの場合　》 　出力管には６０８０を使用し、 　　　プレート電圧Eb＝１５０V 　　　バイアス電圧Ec＝−６５V 　　　ＲＬ＝３２Ω（４ユニットパラ８Ω） の動作条件とする。 　SEPPの場合もＡ級PP、ＡＢ級PPの場合と同じで合成特性曲線上に合成ロードラインを引けば、最大出力は△ＰＲＯの面積として求めることが出来る。 　この例ではほとんどＢ級に近い動作であるから合成特性曲線を作成しなくても最大出力は求められるが、Ec＝０VとEc＝−１３０Vの組み合わせのみ作成した。 この合成特性曲線は標準PP動作の場合と違って、出力端子からみた電圧電流特性そのものを表している。 つまり、出力端子の電圧がΔEｂ上昇したとき、V1の電流がΔIｂ増加し、V2の電流がΔIｂ減少したとすれば、出力端子へは２ΔIｂが流れることになる。 なお、合成特性曲線の傾きは出力端から見た内部抵抗を表し、その値はｒｐ／２である。 　したがって、標準PPではPP間負荷抵抗の１／４のロードラインを引いたが、SEPPでは負荷抵抗そのままの値でロードラインを引けばよい。 その辺りを右の第６図に表している。 　４ユニット並列とした場合には８Ω負荷は１ユニット当たりに換算すれば３２オームであるから、第６図の合成ロードラインは３２Ωに対するものである。 この図から得られる最大出力（７．７Ｗ）の４倍（３０．８Ｗ）が４ユニット並列時の最大出力となる。

最適負荷抵抗値は１ユニット当り１２０Ω前後であり、そのときの最大出力は１２W程度、４ユニットパラでは３２Ω負荷で４８W程度の最大出力が得られる。 　ところで、第６図を見れば第２図、第４図と違って、極端にロードラインが立っている。 しかも最大出力時のプレート電流の瞬時値は１ユニット当たり７００mA（平均値２３０mA）に達し、プレート損失は許容値をはるかに超える。 つまり低RLSEPPOTLアンプの場合、出力管はかなり無理を強いられており、出力／消費電力の点から見ても非常に効率の悪いアンプである。 また、最大出力時のプレート電圧がかなり低下することは避けられず、無信号時のプレート電圧１８０V程度を確保しなければ計算値通りの最大出力は得られない。 その時、バイアス電圧−６５Vではプレート損失を軽くオーバーするので−８０V程度で１ユニット当たりのプレート電流を５０mA以下に抑える必要がある。 　その一方、２００W超の大出力アンプであれば、通常のPPアンプよりSEPPOTL方式で設計した方が楽であり、費用も安くあがる。私も１度は挑戦してみたいと思っている。