パワーアンプの保護回路設計法３：安全性への一般的配慮

３、安全性への一般的配慮
生業として製品を販売するメーカーでは、法律に則った安全性（火災、感電、傷害、EMCなど）を保証する事が義務付けられており、相応の設備で試験したデータで取得した「認定マーク」を表示しています。趣味で製作した品物には、これらの安全性を保証する手だてはありません。（メーカーに持ち込んでデータを取ってもらうことはまず無理。公的な試験所で絶縁試験など一部の項目のみのデータは可能だが、EMCや故障時の安全性までは誰も面倒を見てくれない）メーカー品の場合は、「ショート試験」と言って、電解コンデンサや半導体素子が壊れた場合を想定して、回路内部をわざわざショートして安全性が保たれるか（煙さえ出さずに安全に壊れるか）を試験しますが、アマチュアでショート試験をする人はまずいないでしょう。作ったアンプが火を吹いて家が燃えても、それは自己責任ですが、他人に譲り渡した後だと賠償問題にもなりかねません。自作をする場合の心得として、守るべきガイドラインの一部を書いてみます。（自分自身への警告も兼ねて。）・１次ヒューズ（万一の事故に対する保護）市販の電源トランスには、必ず温度ヒューズが内蔵されており、規定の温度までトランス全体が過熱すると１次が切れるようになっています。（温度ヒューズの切れたトランスを繋がっているピンで再利用するのは絶対に駄目！）ただ、トランスが過熱するにはかなり長い時間必要で、すぐに切るための外部ヒューズは必ず入れなければなりません。音質的にはヒューズはかなりの悪者なので入れたくない気分は分かりますが、安全性を無視するのはそれ以前の問題です。入れるヒューズの容量は、電源トランスの２次側の一つをショートした時に速やかに切れる（表示電流の４倍が流れる）位が適当です。具体的には最大出力を出している時に１次電流がヒューズ容量の80～100%が目安（Ｂ級アンプでは常時最大電流は流れないので、ﾃﾞｨﾚｰﾃｨﾝｸﾞは不要）。ヒューズの定格は110%電流でも「切れない」事を保証しており、定格の２倍を２分間流し続けてやっと切れます。ヒューズに代わる物としてサーキットブレーカーがありますが、ヒューズよりもとても大型で高価です。高速タイプはＯＮ時のラッシュ電流に反応してしまうので使いづらく、中速タイプは速断ヒューズと同等の反応速度で少しはラッシュに耐えますが精度はやや落ちます。試作の実験用ベンチでは簡単に復帰できるサーキットブレーカーが便利ですが、完成したアンプに組み込むのはちょっと気が引けます。機器内部にヒューズを入れてしまうのがスマートでしょう。（ヒューズが飛ぶということはすでに故障しているので、外から簡単に交換できることは逆に良くない）・感電への配慮真空管式の場合は全体で高電圧部が多いので当然注意すると思いますが、半導体の場合は２次には高電圧部はないので、油断しがちです。１次配線は、半田が取れないように心線をからげてから半田する、万一半田付け部が外れてもシャーシに触れないようにタイバンド等で固定する、と言った配慮が必要。時々やってしまうのは、２次側の配線がぶらぶらして１次に接触しそうになること。少し引っ張っても１次には触れないように固定するのがルール。間違ってネジやナットを落としてもショートしないように、１次とシャーシの間隔は数cm空けておくと安心です。後、シャーシ内でも１次の露出部は作業時に手が触れないように配慮するのが望ましく、配置がまずいと調整する度にビリッと感電する羽目になります。なお、整流ダイオードを基板の穴に差し込んで半田しただけでは、半田面を上に向けた場合に異常時の発熱で半田が解けて部品が落下することがあります。足曲げをして半田なしでも保持していること。・火災への配慮基本的には１次ヒューズで防いでいるのですが、部分的な発熱程度の故障ではヒューズは飛ばないので「燃えない」対策が必要。基本は「燃える」材料を発熱する可能性のある部品の近くに置かないことで、木材やプラスチック材はパワー段と接触しない構造とします。上のフタがプラだと、熱で垂れ下がってきて落ちる可能性があるので金属で囲う等の対策をしないとＮＧ。アマチュアの場合はアルミのシャーシ等金属部品を使えば大丈夫です。それでも、電解コンデンサの外皮やコードの被覆など燃える可能性のある部品は残るので、メーカー品の場合は要所要所にヒューズの役目をする部品を入れて細かく保護するのですが、趣味の設計ではやってられないので「燃えやすそうな部品はとりあえず発熱体から離す」くらいで良いでしょう。・ＥＭＣ（電磁妨害）への配慮内部に高速クロックを持ったデジタル機器を設計する場合は、本格的な設備で放射電波を測るべきですが、ＤＡＣ内蔵の基板を組み込む程度では、自作品は大目に見てもらって問題ないでしょう。自作のアンプで最もありがちなのは、「高周波発振」です。配線の仕方によってはNFBとは無関係に１石の部分だけで簡単に発振し、200MHz近くの周波数で軽く発振が乗っている状態では普通に音も出て、一見正しく動作している様に見える事があります。しかし、歪み率を測ったり、各部のＤＣ電圧を確認していると、何だかおかしな挙動を示すので、「あ、イッてる」というのが分かります。ある程度のベテランなら、チェックする時に「ここはこうなるはず」と論理的に予測して想定内かを確認するのですが、高周波発振が乗ると辻褄の合わないデータになるのでピンと来るのです。発振しやすい回路の代表は、エミッタフォロワとベース接地（カスコード回路）で、共に100MHz以上でベースを低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽにすると、配線のインダクタンスで自己発振を始めます。対策はベースへ数100Ω程度の抵抗を入れる事。 FETでも同じで、出力MOSのゲートに直列抵抗を入れる、初段FETのゲートに抵抗を入れる、と言った対策はおまじないと思って常にやっていて損はありません。（特に最近のパワーMOSは非常に高速なので、対策しないと確実に発振する。）ゲートやベースに抵抗を入れると、ノイズや高周波特性がその分劣化しますが、まず安定した状態での性能を確かめてから不要と思われる抵抗を削除していく方が安全確実で、特に複雑な回路を設計する場合は結果的に時間ロスが減ると思います。これらの自己発振はトランジスタのｆｔ限界付近の周波数なので、100MHz程度のオシロでは見えにくい事が多いです。（単に輝線が太くなっただけに見えることがある。）昔のアナログＴＶをVHF-UHF受信にしてチャンネルサーチさせると、強烈なビート（縞模様）が出るので良い検出装置になります。１石の自己発振ではない発振現象はもっと低い周波数で起こり、NFBのメジャーループの発振は10MHz以下、出力段の寄生発振は数MHzがほとんどです。普通にオシロで出力波形を観測しながら、出力をクリップさせたり、負荷を４ΩやOPENにしたり、容量性負荷で方形波を入力したりして波形に異常がないかを確認すればＯＫ。　　　　アンプ設計のTOPに戻る

３、安全性への一般的配慮

　

生業として製品を販売するメーカーでは、法律に則った安全性（火災、感電、傷害、EMCなど）を保証する事が義務付けられており、相応の設備で試験したデータで取得した「認定マーク」を表示しています。

趣味で製作した品物には、これらの安全性を保証する手だてはありません。（メーカーに持ち込んでデータを取ってもらうことはまず無理。公的な試験所で絶縁試験など一部の項目のみのデータは可能だが、EMCや故障時の安全性までは誰も面倒を見てくれない）

メーカー品の場合は、「ショート試験」と言って、電解コンデンサや半導体素子が壊れた場合を想定して、回路内部をわざわざショートして安全性が保たれるか（煙さえ出さずに安全に壊れるか）を試験しますが、アマチュアでショート試験をする人はまずいないでしょう。

作ったアンプが火を吹いて家が燃えても、それは自己責任ですが、他人に譲り渡した後だと賠償問題にもなりかねません。自作をする場合の心得として、守るべきガイドラインの一部を書いてみます。（自分自身への警告も兼ねて。）

・１次ヒューズ（万一の事故に対する保護）

市販の電源トランスには、必ず温度ヒューズが内蔵されており、規定の温度までトランス全体が過熱すると１次が切れるようになっています。（温度ヒューズの切れたトランスを繋がっているピンで再利用するのは絶対に駄目！）
ただ、トランスが過熱するにはかなり長い時間必要で、すぐに切るための外部ヒューズは必ず入れなければなりません。音質的にはヒューズはかなりの悪者なので入れたくない気分は分かりますが、安全性を無視するのはそれ以前の問題です。

入れるヒューズの容量は、電源トランスの２次側の一つをショートした時に速やかに切れる（表示電流の４倍が流れる）位が適当です。具体的には最大出力を出している時に１次電流がヒューズ容量の80～100%が目安（Ｂ級アンプでは常時最大電流は流れないので、ﾃﾞｨﾚｰﾃｨﾝｸﾞは不要）。ヒューズの定格は110%電流でも「切れない」事を保証しており、定格の２倍を２分間流し続けてやっと切れます。

ヒューズに代わる物としてサーキットブレーカーがありますが、ヒューズよりもとても大型で高価です。高速タイプはＯＮ時のラッシュ電流に反応してしまうので使いづらく、中速タイプは速断ヒューズと同等の反応速度で少しはラッシュに耐えますが精度はやや落ちます。

試作の実験用ベンチでは簡単に復帰できるサーキットブレーカーが便利ですが、完成したアンプに組み込むのはちょっと気が引けます。機器内部にヒューズを入れてしまうのがスマートでしょう。（ヒューズが飛ぶということはすでに故障しているので、外から簡単に交換できることは逆に良くない）

・感電への配慮

真空管式の場合は全体で高電圧部が多いので当然注意すると思いますが、半導体の場合は２次には高電圧部はないので、油断しがちです。
１次配線は、半田が取れないように心線をからげてから半田する、万一半田付け部が外れてもシャーシに触れないようにタイバンド等で固定する、と言った配慮が必要。
時々やってしまうのは、２次側の配線がぶらぶらして１次に接触しそうになること。少し引っ張っても１次には触れないように固定するのがルール。

間違ってネジやナットを落としてもショートしないように、１次とシャーシの間隔は数cm空けておくと安心です。後、シャーシ内でも１次の露出部は作業時に手が触れないように配慮するのが望ましく、配置がまずいと調整する度にビリッと感電する羽目になります。

なお、整流ダイオードを基板の穴に差し込んで半田しただけでは、半田面を上に向けた場合に異常時の発熱で半田が解けて部品が落下することがあります。足曲げをして半田なしでも保持していること。

・火災への配慮

基本的には１次ヒューズで防いでいるのですが、部分的な発熱程度の故障ではヒューズは飛ばないので「燃えない」対策が必要。
基本は「燃える」材料を発熱する可能性のある部品の近くに置かないことで、木材やプラスチック材はパワー段と接触しない構造とします。上のフタがプラだと、熱で垂れ下がってきて落ちる可能性があるので金属で囲う等の対策をしないとＮＧ。アマチュアの場合はアルミのシャーシ等金属部品を使えば大丈夫です。

それでも、電解コンデンサの外皮やコードの被覆など燃える可能性のある部品は残るので、メーカー品の場合は要所要所にヒューズの役目をする部品を入れて細かく保護するのですが、趣味の設計ではやってられないので「燃えやすそうな部品はとりあえず発熱体から離す」くらいで良いでしょう。

・ＥＭＣ（電磁妨害）への配慮

内部に高速クロックを持ったデジタル機器を設計する場合は、本格的な設備で放射電波を測るべきですが、ＤＡＣ内蔵の基板を組み込む程度では、自作品は大目に見てもらって問題ないでしょう。

自作のアンプで最もありがちなのは、「高周波発振」です。配線の仕方によってはNFBとは無関係に１石の部分だけで簡単に発振し、200MHz近くの周波数で軽く発振が乗っている状態では普通に音も出て、一見正しく動作している様に見える事があります。

しかし、歪み率を測ったり、各部のＤＣ電圧を確認していると、何だかおかしな挙動を示すので、「あ、イッてる」というのが分かります。ある程度のベテランなら、チェックする時に「ここはこうなるはず」と論理的に予測して想定内かを確認するのですが、高周波発振が乗ると辻褄の合わないデータになるのでピンと来るのです。

発振しやすい回路の代表は、エミッタフォロワとベース接地（カスコード回路）で、共に100MHz以上でベースを低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽにすると、配線のインダクタンスで自己発振を始めます。対策はベースへ数100Ω程度の抵抗を入れる事。
FETでも同じで、出力MOSのゲートに直列抵抗を入れる、初段FETのゲートに抵抗を入れる、と言った対策はおまじないと思って常にやっていて損はありません。（特に最近のパワーMOSは非常に高速なので、対策しないと確実に発振する。）

ゲートやベースに抵抗を入れると、ノイズや高周波特性がその分劣化しますが、まず安定した状態での性能を確かめてから不要と思われる抵抗を削除していく方が安全確実で、特に複雑な回路を設計する場合は結果的に時間ロスが減ると思います。

これらの自己発振はトランジスタのｆｔ限界付近の周波数なので、100MHz程度のオシロでは見えにくい事が多いです。（単に輝線が太くなっただけに見えることがある。）昔のアナログＴＶをVHF-UHF受信にしてチャンネルサーチさせると、強烈なビート（縞模様）が出るので良い検出装置になります。

１石の自己発振ではない発振現象はもっと低い周波数で起こり、NFBのメジャーループの発振は10MHz以下、出力段の寄生発振は数MHzがほとんどです。
普通にオシロで出力波形を観測しながら、出力をクリップさせたり、負荷を４ΩやOPENにしたり、容量性負荷で方形波を入力したりして波形に異常がないかを確認すればＯＫ。

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