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文系のための真空管入門 part1 プリ管編

文系のための真空管入門1
【3本のうちどれがプリ管でしょうか?】

真空管と一口でいっても、機能面で分類すると数十種類にも及びます。テレビのブラウン管も真空管の一種です。

そのうち、 ギター真空管アンプおよびオーディオ真空管アンプでは、三種の神器として「プリ管」、「パワー管」および「整流管」が使われます。

これら三種類だけを知っていれば、アンプについて十分に語ることができます。

実際のプリ管は、上の画像の10(左側)で、電圧増幅管とも呼ばれています。一般的には、パワー管および整流管に比して、プリ管のサイズが小さいので容易に判別することができます。 画像のプリ管10は、12AX7という代表的な規格で、ブランドがTUNG-SOL(タングソル)です。サイズは、親指ほどです。

ここで、プリ管の役目は、エレキギターやCDプレイヤでピックアップされた音楽信号の電圧を増幅することです。 音楽信号は、非常に微弱なレベルの信号であるため、スピーカを鳴らすだけのエネルギは全くありません。そこで活躍するのが、プリ管という訳です。

音楽信号における増幅の原理は、川の流れに例えるとわかりやすくなります。川は、源流→上流→下流→海という経路で流れ、下流にいくほど水量が増えます。音楽信号の増幅も上流から下流にいくに従って、レベル、パワーが段階的に増加してゆきます。 各要素の対応関係はつぎのようになります。 しっかりとイメージしてください。このイメージができればあとはカンタンです。

川の流れ→音楽信号の流れ 水量→音楽信号のレベル(大きさ) 源流→エレキギターやCDプレーヤ 上流→プリ管 下流→パワー管 海→スピーカ つぎに、音楽信号の増幅動作について説明します。 エレキギターやCDプレイヤ(源流)で微弱な音楽信号がピックアップされると、この音楽信号は、プリ管(上流)で所定のレベルにまで増幅される。

【ここでのポイント】 プリ管で増幅された音楽信号では、パワーが足りないためスピーカを鳴らすことはできない。

【ちょっとレベルアップ】
電気理論では、音楽信号は電圧と電流で表現されますが、プリ管は、音楽信号の電圧だけを増幅して、電流は増幅しないと大まかに考えてください。 スピーカを鳴らすためのパワー(電力)は、音楽信号の「電圧」と「電流」のかけ算で表されます。 プリ管では、電圧が高いのですが、電流が低すぎるため、パワーが足りないのです。スピーカを鳴らすためには、電流も増幅しなければなりませんが、プリ管には、その能力がありません。 プリ管は、静電気に似ています。静電気は、数キロボルトという超高電圧なのですが、電流がほとんど流れません。ですから、静電気でパチっとしても、電流が流れないため、感電死することはありません。実は、静電気は、圧倒的にパワー不足なのです。

話を戻し、プリ管で増幅された音楽信号は、パワー管(下流)で増幅される。パワー管では、電圧に加えて電流も増幅されるため、パワー管から出力される音楽信号は、十分なパワーを有している。

そして、この音楽信号がスピーカ(海)のボイスコイルに流れ、スピーカでは、音楽信号が空気振動に変換されることにより、音楽が再生される。

【ここでのポイント】 パワー管で増幅された音楽信号は、十分なパワーを備えているためスピーカを鳴らすことができる。

【ちょっとレベルアップ】
パワー管は、音楽信号の電圧および電流を増幅します。音楽信号のエネルギを表す電力Pは、電流をI、電圧をVとするとつぎの式で表されます。 P=V・I 電圧Vが大きくても、電流Iが小さいと、パワーが低いため、スピーカーを駆動するのに必要な電力が不足します。そこで登場するのが、パワー管です。パワー管は、プリ管に比して、電流が多く流れますので、熱に強い堅牢な構造とされており、サイズも大きくなります。

ところで、なぜ、プリ管と呼ばれているのでしょうか。ヒントは、「プリ」(Pre-)です。プリは、「〜の前」という意味で用いられますが、この場合には、プリアンプ(Preamplifier)のことを指します。 プリアンプは、電気回路的にメインアンプ(パワーアンプともいう)の前に置かれるアンプで前置増幅器とも呼ばれています。この流れで、「プリアンプに使われる真空管」ということで、プリ管と呼称されています。

CDプレイヤをパワーアンプに直接つないでも、スピーカーからは、まともに音が出ません。パワーアンプに入力される音楽信号のレベルが低すぎるからです。 そこで、CDプレイヤとパワーアンプとの間にプリアンプを介挿すると、プリアンプで音楽信号が、パワーアンプで必要なレベルにまで増幅されるため、パワーアンプで電力増幅されスピーカーから大音量が出力されるのです。 高速道路において、パーキングから本線をつなぐ助走道路がプリアンプに該当します。パーキングから出ていきなり0→100km/hに加速するのが無理なことと同じです。

プリ管12AX7 TUNG SOLの構成

プリ管

プリ管の動作を大まかに把握したら、次は、構成です。

ここでは趣を変えて、その昔、私が仕事として毎日書いていた特許明細書風に説明してみましょう。特許業界では「構造モノ」の説明の仕方です。 実際の特許明細書では、もっと多くの符号を使って微に入り細に入り説明しなければなりませんが、今回は、上記画像において主な構成要素のみに符号を付けて、簡潔に説明します。

上記画像のプリ管10(Twin Triode)において、ピン11(Base Pin)は、9本の棒状導体であって、円周上に所定角度をもって等角配置されるように底部に垂設されている。これらのピン11は、プリ管10内部の各電極と電気的に接続されており、使用時に真空管ソケット(図示略)に挿通される。 第1プレート12a(First Plate)および第2プレート12b(Second Plate)は、プリ管10の内部であって、中心軸に沿って平行配設された電極であり、ピン11のうち所定の2本のピンと電気的に接続されている。

第1絶縁支持板13(First Insulating Spacer)および第2絶縁支持板14(Second Insulating Speacer)は、絶縁性を有するマイカからなる略円板状部材であり、各周縁部がプリ管10の内周面に接するように配設されている。これらの第1絶縁支持板12および第2絶縁支持板14は、プリ管10の軸方向に対して直角をなし、かつ第1プレート12aおよび第2プレート12を挟持するように対向配設されている。

ゲッター部材15(Getter Material)は、バリウム等の金属が円環状に形成されてなり、支持部材を介して第2絶縁支持板14の上方に平行をなすように設けられている。ゲッター16(Getter)は、ゲッター部材15への高周波加熱により頂部17の内周面に形成された金属皮膜であり、プリ管10内部で発生するガスを吸収する役目をしている。

プリ管10の構成の説明は以上ですが、文章のあちらこちらに表現のテクニックがちりばめられているのがお分かりでしょうか。一見すると簡単なようですが、特許業界では、文章だけから逆に図面(画像)を描けるような正確さをもって表現することが求められ、このような文章を書けるようになるまで少なくとも3年はかかります。

いつか機会を設けて、特許業界についても書いてみようと思います。 ここで、ぜひ覚えていただきたいプリ管10の特徴があります。上記の説明で何か気づいたことがありますか。

もうおわかりですね。 プリ管10は、第1プレート12a第2プレート12bという2つのプレートを有した構成とされております。プレートは、真空管の心臓部にあたる部分で、心臓部というくらいですから、本来、1つの真空管に1つのプレートが標準装備のはずです。 ところが、プリ管10には、2つものプレートがあります。2本の真空管を1本にしたような二個一で、画像の第1プレート12aと第2プレート12bとは、まるでお母さんのおなかの中の双子のようにも見えます。

このような双子構造のプリ管は、「双極管」(正確には双三極管:Twin Triode)と呼ばれております。 なお、双子といっても、第1プレート12aと第2プレート12bとは、電気的に独立して動作します。

【ここでのポイント】 プリ管には、双子の構造をしたプレートが2つある。つまり、真空管2本を1本にした二個一構造だ。

つぎにプリ管にとって最も重要な要素について説明いたします。これを知らないと、サウンドデザイン上の致命傷となります。 プリ管を電気的に測定すると、ゲイン(増幅度)、相互コンダクタンス等の様々な電気的特性を数値で知ることができ、この数値に基づいて、プリ管の良否を定量的に判定することができます。 ここでは、プリ管の電気的特性として最も重要なゲインに絞って説明します。

 

プリ管のゲインは、プレート毎に測定されます。 言い換えると、 プレート1つにつき、1つのゲインが測定されます。

 

従って、上述した画像のプリ管10を測定すると、第1プレート12aのゲイン(以下、第1ゲインと称する)と、第2プレート12bのゲイン(以下、第2ゲインと称する)という2つのゲインが得られます。 ここで注意すべきは、第1ゲインと第2ゲインは、同値ではなく、差がある場合がほとんどであるという点です。差の程度もプリ管毎にバラツキがあります。

バラツキの具体例は、後のテーマで詳述いたしますが、実測するとそのバラツキに驚きます。 例えば、プリ管の代表格12AX7のゲインは、「100」と信じられているようですが、これは、理想ゲインであって、現実には、80〜115くらいの幅にばらついて分布しているのが普通です。

どの世界でも、理想と現実は大きくかけ離れているもので、真空管の世界も例外ではありません。

上述した画像のプリ管10の例に当てはめると、第1プレート12aの第1ゲインが90、第2プレート12bの第2ゲインが110という差が20なんてことも普通にあります。

第1プレート12aと第2プレート12bとは、一卵性双生児のように見た目は同じですが、性格(ゲイン)が違うのです。

もちろん、両ゲインの差が0や、1か2というものもありますが、このように差が少ないものは、「双極マッチ」または「双極マッチド」と呼ばれ、全体に占める割合は非常に少なくプリ管の中のサラブレッドと言うことができます。

一卵性双生児の例ですと、見た目も性格(ゲイン)も同じというケースに該当します。

  • 【ここでのポイント1】 プリ管は外見が同じでも、電気的特性(ゲイン)の個体差が大きい。
  • 【ここでのポイント2】 プリ管からは、2つのゲインが測定できる。 2つのゲインにバラツキがあるのがほとんどである。
  • 【ここでのポイント3】 プリ管は、まるで一卵性双生児のようで、二種類のタイプが存在する。 1つ目は、一卵性双生児で外見一緒だが、性格(ゲイン)が別のタイプ。 2つ目は、一卵性双生児で外見も性格(ゲイン)も一緒のタイプ。

なぜ、バラツキがでるのかというと、理由は明快で、第1プレート12aと第2プレート12bとの機械的構造を寸分の狂いもなく製造することが難しいからです。手作り品のため、見た目が同じでも、第1プレート12aと第2プレート12bとは、寸法が微妙に違うのです。

第1プレート12aと第2プレート12bとの機械的誤差が、電気的特性(ゲイン)の誤差として表れるのです。 実に判りやすい! プリ管におけるゲインのバラツキは、サウンドデザインに大きな悪影響を与えます。詳細については、日を改めてご説明しますが、ちょっとだけ、ヒント。

あなたの真空管アンプに2本のプリ管(12AX7)が実装されており、左右スピーカに対応しているとします。2本のうち、左スピーカに対応する12AX7のゲインが低く、右スピーカに対応する12AX7のゲインが高かったらどのように聞こえますか。もうおわかりでしょう。 残念ながらゲインは、見た目では絶対にわかりません。専用の測定器で測定するしか知る術はありません。

 

現行品 プリ管

現行プリ管
画像左から 12AT7EH 12AU7 EH 12AX7 EH 6SL7GT TUNG-SOL 6SN7GT TUNG-SOL

つぎに、現行品の中から5種類のプリ管をご紹介しましょう。 これらの5種類のプリ管は、すべて双極管構造(いわゆる一卵性双生児)となっており、1本につき2つのゲインが測定されます。 左から1本目〜3本目は、見た目も同じですが、12AX7,12AU7,12AX7という具合に規格(理想ゲイン)が異なりますので、互換性はありません。 左から4本目および5本目は、他よりもサイズが大きいのですが、これらもプリ管です。

 

米国系ヴィンテージ管 プリ管12AX7

ヴィンテージ プリ管1
画像の左から 12AX7A RCA 12AX7 GE 12AX7 Kinsman(GE製) 12AX7 SYLVANIA

1920〜1980年代にかけて製造された真空管は、ヴィンテージ管と称され、特に、真空管全盛期(1940〜1960年代)のヴィンテージ管は、サウンドの良さと希少性から人気、価格が共に高く、年々高騰しています。 真空管全体からにじみ出る風格、雰囲気は、現行品にはない魅力的なもので、人々を引きつけてやみません。

当時一流の職人魂が時を経て、見る者に訴えかけてくるようです。 ヴィンテージ管のピンと、現行品のピンとを見比べてください。ヴィンテージ管のピンが、チタンマフラーのように七色になっているのがわかりますか。 上記画像の4本は、米国系ブランドのヴィンテージ管です。

 

欧州系ヴィンテージ管 プリ管12AX7

ヴィンテージ プリ管2
画像の左から ECC83/12AX7 Telefunken(テレフンケン 独国) ECC83/12AX7 Mullard(ムラード 英国) M8136 Mullard(ムラード 英国) ECC83/12AX7 Amperex(アンペレックス 和蘭国) 通称 Burgle Boy(笛吹童子)

上記画像の4本は、欧州系ブランドのヴィンテージ管です。米国系ブランドとは、作りが異なるため、サウンドも別傾向となります。

 

米国系ヴィンテージ管 プリ管6SN7GT,6SL7GT

ヴィンテージ プリ管3
画像の左から 6SN7GT RCA 初期ブラックプレート 6SL7GT GE グレープレート 上記画像の2本は、米国系ブランドのヴィンテージ管です。

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