PCオーディオ用マルチ電源 3号機 － 超低ノイズ・リニア＆鉛バッテリー電源 2019年5月

　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　上：鉛バッテリー電源(ただ今、充電中) 　　　　　　　　　　下：超低ノイズ・リニア電源 ■考え方 　PCオーディオに必要なDC5V・12Vを1台でまかなうマルチ電源の1号機を作ったのは2015年3月。2号機に作り直したのが昨年(2018年)4月。しかし、その後のNASとスイッチングハブの試行錯誤で、デジタル回路における低ノイズ・リニア電源の重要性に気づかされ、わずか１年で今回の3号機の製作をすることになってしまった。今度こそが、市販品に無いクリーンなDC電源で、PCオーディオ用電源の決定版！・・・のはずである。 　マルチ電源1号機の記事 　マルチ電源2号機の記事 　マルチ電源2号機への追加の記事 　スイッチングハブと電源の試行錯誤の記事 ●対象機器と定格電圧・最大消費電力 　無線LAN子機 バッファロー WZR-1750HP2 　　：DC12V 最大18.2W(1.6A) 　NAS DELA N100 　　：DC12V 最大30W(2.5A) 　スイッチング・ハブ アライドテレシスAT-GS910/5 　　：DC3.3V* 最大3.1W(0.94A) 　　　　*本来はAC100V電源だが、DC3.3Vを基板に直接給電する。 　小型PC PC Engines APU.2C4(UPnPgw側 赤ケース) 　　：DC12V 最大10W(0.84A) 　小型PC PC Engines APU.2C4(Player側 黒ケース) 　　：同上 ●無線LAN子機、NAS、スイッチング・ハブ(3系統)の方針 　超低ノイズ・リニアレギュレータICを使ったリニア電源にする。 　これは、マルチ電源2号機のリニア電源部分と、その後でDELA N100用に作ったリニア電源の発展形、作り直しとなる。 　この3系統は常時通電の運用である。特にNASは、いきなり電源を落としてはいけない。電源スイッチを前面に付けるとかえって危ないので、背面に付けた。前面はパイロットランプも無い、のっぺらぼうのままで行く。 ●小型PC用12V(2系統)の方針 　これまでどおり鉛バッテリー電源方式で行く。実のところ工作するのはバッテリー充電装置で、バッテリーの充電と運用の切り替えスイッチを付けるだけだ。 　12V 12Ahの鉛バッテリー2個を使うこと。秋月電子通商製「小型シール鉛蓄電池充電器キット」を使うこと。安全な切り替えのため3極双投形スイッチを使うこと。充電時はノイズを気にする必要がないためスイッチング電源を使うこと(TDKラムダ製 HWS150-24A DC24V/6.5A電源)。これら全て、2号機から引き継いで部品をそのまま新たなケースに移す。 ●実装の方針 　1号機、2号機は一つのケースにまとめた。無理に詰め込み過ぎた反省があり、今回、リニア電源の3系統と、バッテリー電源の2系統は、ケースを分けて独立させることにする。 　二つのケースは、タカチのHYシリーズを使ってデザインを揃える。このシリーズは、側板がヒートシンクになっていて、アンプや電源の用途に向いている。頑丈で、上下に重ね置きできる。 　部品は、2号機とDELA N100用電源から、使えるものを転用して作り直す。 ■低ノイズ・リニアレギュレーターIC LT3045、LT3081のこと 　今回のリニア電源3系統の要となるのが、米国リニアテクノロジー社(現在はアナログ・デバイセズ社に吸収された)のLT3045、LT3081だ。 　これらのレギュレータICは、小入出力間電圧差で動作、広帯域で低ノイズ、並列接続で駆動可能という特徴を持つ面白い素材だ。出力電圧は外付け抵抗の抵抗値で設定できる。 　LT3081は、これまでのレギュレーターICよりノイズ除去性能が高く、最大電流1.5A。LT3045は、それ以上、２桁違うほどの超低ノイズだが、最大電流は0.5A。どちらも並列接続することで、大電流化することができるので、これらを使うことにした。 　高性能なLT3045を、電源トランス、整流ブリッジダイオード、平滑コンデンサーの後に接続すれば普通はそれで一丁上がりだが、このICは放熱器に直接取り付ける形状になっておらず、発熱が過大になってしまう。入出力間電圧差わずか0.26Vから動作する、という特徴を活かした運用が想定されている。 　例えば、入力電圧を出力電圧＋1.5V程度に抑えたい。そのためには、前段に狙いの電圧の直流を生成するスイッチングレギュレーターなり、三端子レギュレーターなりを置いて、二段がまえの回路にするのが早道だ。初段回路の直流出力をLT3045というノイズフィルターでクリーンにする、とも言える。 　今回は、これ自体が低ノイズ・レギュレータICであるLT3081を前段に2個並列で使用して3A出力とし、電圧差1.5Vで後段のLT3045に入力することにした。この位の電圧差なら、暖まる程度の発熱で済むはず。LT3045は、6個並列の3A、4個並列の2Aを使い分ける算段だ。低ノイズ・レギュレータICを二段がまえで使う贅沢な構成である。 　基板は、LT3081はStrawberry Linux社が「LT3081 スーパーLDOレギュレータ・モジュール」という完成基板を販売している。25mm×18mmの小さな基板でICや他の部品を実装済み。基板ごと放熱器に取り付けることができる。1枚1,200円といううれしい価格だ。 　LT3045は、残念ながら完成基板の販売が無い。唯一、リニアテクノロジー社自身の評価基板があるが、高価なうえ基板サイズが大きく実用的でない。部品実装をしていない基板単体については、何人かの方が私家版の頒布をなさっている。今回、私は｢やなさん｣氏の「三端子レギュレータ基板 Type10」を頒布していただいた。LT3045を2個並列の基板だが、20mm×15mmと小さい。これも基板ごと放熱器に取り付ける形だ。 　どちらの回路も、リニアテクノロジー社のデータシートにある回路例を参考にしている。 　また、LT3045、LT3081の二段がまえについては、「音屋 とらたぬ」というガレージメーカーが同じ構成の電源を販売していて、これもデータシートに沿った回路だ。音屋とらたぬのサイトは、律義に回路図から部品実装まで明らかにしてくれていて、丸写しはしていないが大変参考になった。感謝申し上げる。 　　LT3045 データシート 　　やなさんのサイト 　　Strawberry Linuxのサイト 　　音屋 とらたぬのサイト (追記 2020.10) 　切望していたLT3045を使ったレギュレータ完成基板が、Strawberry Linux社から発売された。｢LT3045-1 超ローノイズ・正電圧レギュレータモジュール｣。LT3045が1個搭載されていて最大出力電流0.5Aだが、複数枚の基板を並列して出力電流を増やすこともできるようだ。@1,280円というリーズナブルな価格で、チップ部品実装の苦労をしなくて済むのは素晴らしい。 ■工作 １ ケースの工作 　ケースは、放熱を考慮し、側面がヒートシンクになっているタカチのHYシリーズを選んだ。フロント/リア・パネルは3mm厚、ヒートシンク部分は谷間で5mm厚で、電動ドリル、リーマーの手作業では穴あけがなかなか辛い。精度も保てない。ボール盤が使えるレンタル工作室のような場所を探してみた。 　横浜市都筑区に「メタルDIY」という場所があり、申し込んだ。(株)関東精密(代表杉田勇さん)が工場の2階に設けた作業スペースで、金属加工の設備をいくつか使うことができる。 　スペースを2時間借り、料金は4,000円。ボール盤の使い方をネットで下調べし、穴あけ位置にポンチを打つまでは済ませて行った。ボール盤は、学生時代の町工場でのアルバイトで操作経験が一応あるが、大昔のことですっかり忘れている。 　当日、ちょうど2時間で、予定した50か所ほどの穴あけを全て終えた。大きい穴は下穴どまりで、リーマーを使う時間までは無かったが。電動ドリルの手作業よりはかどり、位置や垂直の精度も大違いだ。 　側板ヒートシンクのねじ切り25か所ほども、下穴をあけ、タップを噛ませるまでできた。ねじ切り作業の要は垂直にタップを立てることだが、手作業ではこれが難しい。ボール盤のチャックにタップを取り付けて手で1、2回転することで、タップの最初の噛ませが着実にできる。自宅でその先のタップ作業を行ったが、失敗無くねじ切りを完了できた。 　「メタルDIY」では、杉田社長が、当方の力を見定めながら親身に操作を教えてくれた。途中でも、何回か様子を見に来て声をかけてくれ、有難かった。 　ケースの加工は、電気工作で苦労することの一つだが、こうした場所があることは心強い。 　　「メタルDIY」のサイト ２ LT3045基板の実装 　今回の工作の最大の難所は、LT3045基板(｢三端子レギュレータ基板 Type10｣)の部品はんだ付けだった。 　チップ部品のはんだ付けは初めてのことで、基板とチップ部品が到着して想像以上の小ささにびっくりした。基板がまず小指の先ほどだが、LT3045も小さいし、抵抗やコンデンサーは比較的大きな2012サイズ(2.0mm×1.25mmだ)にしたが、それでも本当に吹けば飛ぶ。 　はんだ付けは、部品の固定、適切な温度上げ、適量のはんだ供給がポイントと思うが、このサイズになると本当に難しい。 　やり方の定法は、コンデンサー、抵抗では、基板のパターンの片側に予備はんだをしておき、正しい位置に部品を置いてピンセットで押さえ、はんだごてを当てて仮はんだ付けで固定する。そして逆側を本はんだ付け、仮はんだ付け側に戻って本はんだ付け、という進め方だ。ICでは、多くある足の対角の2か所を仮はんだ付けで固定し、本はんだに進む。はんだ量の過不足・フィレット形状、ブリッジ有無を点検、修正して完成となる。 　はんだ付けの道具は、温度調節できるはんだごて、細いこて先、細い糸はんだ、フラックス、精密なピンセット、ルーペが必須だ。持っているものでだいたい間に合ったが、ルーペは普通の手持ち型なので不便だった。3倍程度のスタンド型、ヘッドルーペ型が、両手が使えるので良いのだろう。 　しかし、このはんだ付けは実際にやると難しい。 　左手でピンセットで押さえつつはんだを供給し、右手ではんだごてを当てる。位置決めの許容精度は0.1～0.2mmほどだ。予備はんだは、多いと盛り上がって置いた部品が不安定になるし、平坦でははんだ不足で付かない。勘所がなかなかつかめない。 　LT3045 ICはチップの高さが低く面積があるので、まだ易しい方だ。テープを貼って固定することもできる。抵抗も高さが低いので、まだ押さえやすい。難しいのは積層セラミックコンデンサーだ。高さがあってコロコロしており、ピンセットで押さえるのが難しく、はんだが溶けると動いてしまう。 　今回の工作では、基板を8枚使う。LT3045 ICは計16個はんだ付けすることになる。安全をみて10枚と20個、抵抗・コンデンサーも余分に注文しておいたのだが、とんでもなかった。10枚の基板をはんだづけし、ルーペで念入りに外観検査をした上で、ブレッドボードを使って動作確認をしてみたら、合格は3枚きり。出力ゼロや、所定の電圧で安定しないなどで、7枚が不合格だった。何と歩留まり30%！ 　ICが結構高価なので費用のロスが痛いが、それ以上に、先の見通しが立たないので、気持ちがくじけた。 　このままやめるわけにもいかず、気を取り直して打開策をあれこれ考えた。 　部品の固定がポイントなので、治具を作ってみた。プラスチック定規、菜箸の先で作った簡単なもので、輪ゴムの張力で部品を上から押さえる作戦だ。しかし、確実に押さえることができず、かえって部品の位置決めが難しくなる。これではだめだ。 　　　 　ネット上の情報を調べると、サンハヤトの「表面実装部品取り付けキットSMX-21」というものがある。遅硬化型接着剤とクリームはんだ(はんだの微粉とフラックスを混ぜたもの？)のセットで、部品固定とはんだ適量供給を可能にするものだ。これを試すことにした。 　チャレンジする気力が戻り、基板と部品を再注文した。 　前回の合格の3枚があるので、あと5枚できれば良いが、当然、数は余分に注文した。やなさん氏の基板に、LT3045 1個のみのType3基板がある。部品数が少ない分、はんだ付けが容易になるので、保険としてこれも注文した。 　2回目のトライも、やはり難しかった。 　サンハヤトのキットも、付属の注射器では接着剤、クリームはんだをうまく扱えない。爪楊枝で付ける方が良い。多少役立つが、コンデンサーはやはり難しい。うまく接着できず、動いてしまう。そもそも取扱説明書では、コンデンサーと抵抗は接着の対象外になっている。 　多少の位置ずれや傾きはあきらめ、フィレット形状の良否は問わず、DIYの自己責任、できたことにする。導通がちゃんとしていれば良いのだ。 　それでも、2回目で少しは慣れたか、9枚中8枚合格！ 歩留まり大幅向上だ。必要枚数を確保できた。やれやれ。 　写真のように、基板を並べて同じはんだ付けを繰り返した。 　　　 　これは、不合格だった基板だ。はんだ付けはむしろうまくできた方で、外見ではどこが駄目かわからない。写真左下、はんだ不足に見えるC1の下側ランドも実際には付いている。白くはみ出しているのは、サンハヤトの接着剤だ。写真をさらに拡大すると、LT3045の足と足の間が怪しい。 　　　 ３ リニア電源3系統のケース組み込み 　基板さえできれば、相互の接続をするだけであり、ケースへの組み込みは難しくない。並列接続のために配線が多く、見た目は少々複雑だが。 　定電圧大電流を考慮し、できるだけ太い線材で配線した。具体的には、UL1007のAWG16を基本とし、分岐してのLT3081、LT3045基板の並列接続には、UL3265のAWG20を使用した。 　LT3081、LT3045の基板複数枚の並列接続は、データシートを参考に次のようにした。 ①電圧設定用抵抗(LT3081基板のリード線型抵抗、LT3045基板のR1)を基板の1枚にはんだ付けする。抵抗値は、並列接続で出力電圧になるよう算出。 　他の基板には抵抗を付けず、LT3081基板では上側ランド同士を、LT3045では下側ランド同士を接続する。GND側は②で接続する。 ②基板それぞれの入力・GND端子を相互に接続する。 　出力は、LT3081基板の場合、バラスト抵抗10mΩ（リード線型でこんな低抵抗値のものがちゃんとある）を出力端子に直列にはんだ付けした上で相互に接続する。 　LT3045基板は基板内でバラスト抵抗が直列されているので、そのまま出力端子同士を接続すれば良い。 　写真の左側2枚がLT3081基板、右側3枚がLT3045基板 　　　 　接続図はこんなふうだ。 　 　作業を進めて、出来上がっていく。青のBLOCK電源トランスは2回路2巻線なのでAC5.2V 5A出力をさらに1系統取り出せる。必要に応じて4系統目のレギュレーター回路を追加できるよう、ねじ穴をあけてある。 　 　 　 ４ バッテリー電源2系統のケース組み込み 　接続図は次のとおり。 　 　こちらは、マルチ電源2号機からそのまま移植するだけなので、時間はかからなかった。3極双投形スイッチまわりやバッテリーとの接続で、電池A・電池B、プラス・マイナスの誤配線がないよう注意するくらいだ。 　ケースの穴あけ加工が精度高くできて、電流計、ノイトリックXLRの取り付けが一度で済み、修正不要だったのはうれしい。作業は1日で終了。 　 　 　 ■完成 　完成して、PCオーディオのシステムに組み入れた。リニア電源3系統、バッテリー電源2系統、それぞれ安定した動作をしている。出力変動、発振、異常発熱等は見られない。 　唯一気になるのは、リニア電源のLT3081基板の入力電圧が12V系で少々高いことだ。直列に1Ω抵抗を入れたが入出力電圧差が3V強、4V強ある。ここはもう1V低いと良い。それでもヒートシンクが暖まるほどの発熱になっていないので、当面様子を見ることにする。必要なら、電源トランスのタップを変更すれば良い。 　使用してまだ間もないが、オーディオとしての音質は、これまでのマルチ電源2号機より良さそうだ。しばらく使ってから、また報告したい。 　 ■その後の報告（2019年5月末） (1)はんだ付け失敗基板の修正 　電源3号機完成後、はんだ付け不合格のType10基板(1回目10枚中7枚、2回目9枚中1枚）について、はんだ付けの修正をした。 　コンデンサー、抵抗で、位置や角度のずれが大きいもの、はんだ過多などを直した。ICの修正は1枚だけだった。それによりいくつかが合格になり、それでも不合格のものはコンデンサー、抵抗を全て外し、新しく付け直した。 　これにより、1回目分は4枚、2回目は1枚が合格に転じた。結果として、1回目分は歩留まり70%、2回目分は100%に向上した。バンザーイ。 　今さらながらだが、チップ部品はんだ付けに慣れ、勘所がわかってきた。部品を左手のピンセットで押さえるのに、空中で持つのでなく、ピンセットの下に3～4cmの高さの枕木を置いて、シーソーの支点のようにして使えばずっと安定する。はんだは、クリームはんだを使うか、こて先に乗せて運べば、適量を供給できる。 　このやり方なら、サンハヤトのキット無しでも行ける。 　2回目には、LT3045 1個のみのType3基板も注文し、部品数が少なくて簡単のはずが、7枚すべてが不合格だった。その原因が判明した。私の馬鹿なミスで、LT3045 ICの向きを180度間違えてはんだ付けしていたのだ。事前に方向マークの〇印を確認しておいたつもりが、思い違いをしてずっと気づかなかった、というお粗末である。 　ICの取り外しを試みたが、IC背面のはんだ充填もしてしまっているのでうまく外せず、Type3基板の修正は諦めた。 　失敗基板すべてを救うことはできなかったが、自分としてできる限りをやったので、あきらめがついた。 　Type10の失敗基板は、外見ではわからない所でブリッジや接続不良があったのだろう。その修正に成功したのはうれしいことだが、チップ部品のはんだ付けが難しく、成否が実に微妙であることを思い知らされた。 　合格といっても、はんだ付け箇所の確実性、隣接箇所の絶縁性について、全く心もとない。ほんの微妙な導通や絶縁になっているだけではないか、という疑念が消えないのだ。自己責任の自分の工作であり、実際の使用では常時通電しているが耐えられるか、大電流が流れた時にトラブルが発生しないか、注意して見守るほかない。 　結果として、余剰のLT3045 2パラ基板が8枚も手元に残った。今後、機器構成が変わって新たな電源が必要になってもほぼ対応できるだろう。シニアの私には多分一生ものだ。 (2)1か月後の試聴 　1か月使用して、エージングもできたと思われるので、比較試聴で音質を確認した。 　比較対象は、①スイッチングハブ用3.3V電源（TRACOスイッチング電源を前段とし、LDO IC TPS7A4700使用の低ノイズリニア電源）、②NAS用12V電源（シャントレギュレータIC TL431使用のリニア電源）である。 　①は、超低ノイズIC TPS7A4700を使った試作機で、低ノイズリニア電源の可能性、重要性に気づくきっかけになった。超低ノイズIC同士の比較だが、LT3045を使ったマルチ電源3号機のノイズはさらに一桁低い。より低ノイズであることが有効かどうか、興味深い比較だ。 　②は、以前にわが家の主力として使っていたもので、低ノイズではないが、高精度で安定性が高く、信頼のおけるリニア電源だ。 　マルチ電源3号機から、スイッチングハブ用3.3Vは①に、NAS用12Vは②に、片方/両方交換して比較した。 　結果は、マルチ電源3号機が①、②より高音質だった。写真に例えれば、鮮やかにピントが合っている感じだ。聴感上のSN比が良く、fレンジ、dレンジが広い。過渡特性が良く、音が自然な感じ。ダミーヘッド録音など、録音によっては音場が3次元的に広がる。 　①も十分良い音なのだが、情報量なのか何なのか減る感じで、ややこもった音になる。ピントが甘く、滲んだ感じもある。 　②は音場の広がりが2次元的でfレンジも狭まり、録音年代が古くなったかのようだ。細かい音色のニュアンスが伝わらず、つまらない演奏と聴こえてしまう。 　電源に乗ったノイズは小さい方が良いと言われるが、アナログのアンプだけでなく、デジタル回路でもそうらしい。超低ノイズが何にどう作用して音質に影響するのか、理論的根拠があるはずと思うが、専門知識の無い私にはわからない。