【回路】Try the germanium transistor! Part 1

【ゲルトラで作る送信機】

(abstract)
An experiment in making a transmitter using Soviet-era germanium transistors. There are no germanium transistors in the Western world that can outout a lot of power in RF. The Western world, including Japan and the U.S., gave up on germanium transistors too early. The Soviet Union had them. I'm going to make a practical CW transmitter with germanium transistors of Soviet era, which I got from Ukraine. First of all, let's test the crystal oscillator circuit.　(2020.10.17 de JA9TTT/1 Takahiro Kato)

【ゲルトラだって使って欲しい】
　ゲルマニウム・トランジスタを使って送信機を作りたいと思います。　「ああ、あの蒸し返しね」って思ったお方は20年来のお客様です。hi　20世紀に忘れてきたゲルトラで7MHzの送信機を作ってオンエアする企画でした。 これから作るのはたぶん違うものになる筈です。

　ゲルマニウム・トランジスタを受信機に使う話は何度か登場しています。　シンプルなストレート受信機（←リンク）だけでなく、スーパー・ヘテロダインのほか、ごく最近も再生式受信機の検討の中で扱いました。　短波付きの２バンド・トランジスタ・ラジオがゲルトラで大量生産できたのですからHAMが交信に使うような「通信型受信機」ができても不思議ではありません。JA1AYO丹羽OM執筆の「トラ活」には製作実例がありました。しかし送信機ともなるとハードルが高いのです。　扱うのが数10mWといったローパワーなら、工夫次第で受信機用のトランジスタが使えます。　しかし高周波で数100mW、数Wという「ハイパワー」がハンドリングできるゲルマニウム・トランジスタはほとんど望めなかったのです。例えトランジスタ規格表には存在しても手には入りません。

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　今となってはデバイスそのものが特殊です。同じものを再現するだけでも容易ではないでしょう。　製作は取り敢えずやめておき、ご覧になるだけがお勧めです。これはあらかじめ書いておきたいと思います。いつか機会が訪れたら試してください。

　数年前からロシア製・・正しくいえばソ連製ですが・・の半導体が手に入るようになりました。西側では1960年代でゲルマニウム・トランジスタの時代は終わりましたが、東側の世界ではもうしばらく続いたようなのです。そのため、ある程度大き目のパワーが扱えるRF（高周波）用のゲルトラが生産されたようでした。　それらが今になって余剰品放出されているのでしょう。　おかげで、あのころ実現できなかったような「ハイパワー」なゲルトラ送信機の可能性が見えてきたのです。
　写真・右の２つは国産のゲルマニウム・トランジスタです。左の大きなものがロシア（ソ連）製です。　これらを使ってまずは送信機の製作に適するような水晶発振回路の実験から始めたいと思います。

【水晶発振回路】
　ゲルマニウム・トランジスタで作る水晶発振器です。
　周波数は7MHzで、回路としては何の変哲もないありふれた「ピアース・CB型」の水晶発振回路です。
　同じ水晶発振回路でも送信機用は少し違います。　受信機用なら普通数mWもあれば十分ですが、送信機にはなるべく大きめの出力が欲しいのです。　もし発振器のパワーが十分あればその後の増幅段数を減らすことができます。増幅段が少なく済めば回路が簡潔になるのは当然で寄生発振（パラスティック）など不測のトラブルも少ないのです。

　発振回路から大きな出力を取り出すには、それが可能なデバイスが必要です。一般的なラジオに使うような高周波用ゲルマニウム・トランジスタでは〜10mWくらいがせいぜいでしょう。　テストに使ったトランジスタは一般的なRF用小信号トランジスタよりもパワフルなものです。　ここでは50mW以上の発振出力を目標にしました。きわどいトランジスタの使い方ではなく、安全に取り出せなくてはなりません。

　後ほど詳細は写真付きで説明しますが、テスト条件や得られた結果など左図にまとめておきました。

【簡単な電信(CW)用送信機】
　もっともシンプルな7MHz CW送信機は左図の（A）でしょう。　水晶発振器のあと電力増幅を行なっておしまいです。　電力増幅にゲインのあるトランジスタを使えば（A）のような２ステージの構成でも数Wのパワーが可能です。例えば以前試作したシンプルなトランジスタ送信機（←リンク）がそれです。リンク先の例では２ステージで3Wを得ており、QRP送信機としてはまずまず遊べるだけのパワーでした。（シリコンTrを使用）

　ゲルトラで作る場合も、終段電力増幅のトランジスタが十分なゲインを持っていれば２ステージで同様のパワーが得られるかも知れません。　しかし、過去の例を参考にしたいと思っても情報は何もないのです。定格（規格）が大きなゲルマニウム・トランジスタの扱い方も良くわかっていません。ゲルトラでそれだけのパワーが出せるものは手に入らなかったからです。　ちょっと参考になる話として、Yさんの実験によれば入力容量が大きい・・・従って入力インピーダンスがだいぶ低くてドライブ困難だったと言う例があるのみです。もう少し詳しく伺っておけば良かったと思っています。　これから自身でやってみるのですが、ドライブが難しいとなると２ステージで数Wは困難かも知れません。従って（B）の３ステージ構成になりそうです。（A）の構成で100mW程度を得ても目標には不足ですから、必然的に（B）の形式になります。

　20年前の実験ではたったの100mWと言うアウトプットを補う意味で水晶発振をVXO形式にしました。　QRPクラブのオンエア・ミーティングに参加するのが目的なら水晶制御の7003kHzだけの送信機でも十分かも知れません。　しかし少しでもオンエアの幅を広げたいのなら、やはりVFOやVXOは必須でしょう。機構部品の入手難からVFOは製作困難ですからVXOあるいはセラミック発振子を使ったVXO形式が有望でしょう。その場合、発振回路から大きなパワーを取り出す設計は得策ではありません。周波数安定度を良くするには消費電力を抑えた弱めの発振が好ましいからです。従って（C）のような構成が最低限のものになります。このさき実験してみた様子でどんな構成にするか決めたいと思います。

参考：QRPクラブのオンエアミーティングについて
　毎日曜日の朝、JST 08:30より7003kHz±のCWでシグナルレポートの交換が行なわれています。ただし近年参加していないので以前のような形式で行なわれているのか不明です。ちょっと前にワッチした際にはその時刻あたりになると何局かのQRPerが聞こえていました。たぶん、今でも日曜朝にオンエアされるQRPerは多いのでしょう。だとすれば、みなさん聞き耳を立てていますから自作QRP送信機を試す良いチャンスになるはずです。クラブ員でなくとも5W以下のQRPerなら誰でも参加できます。

【2SA245で水晶発振】
　2SA245は一般的なラジオ用ゲルマニウム・トランジスタよりパワフルなトランジスタです。但しパワフルとは言ってもコレクタ電流は-30mAが最大ですし、コレクタ耐圧も25Vしかありません。それでもラジオ用では-10mAさえも流せない石が多いのですからだいぶパワフルなのです。2SA245は実際にHF帯のトランシーバでプリドライバとして使われた例も見るので送信機への適性があるのでしょう。

　バイアス抵抗：R2とエミッタ抵抗：R3を加減し無理のない範囲でパワーが出るようにしました。もう少し行けそうでしたが、安全を見て発振時に-10mAくらい流すにとどめます。コレクタ電圧も安全を見て-9Vにしました。これで約15mWが得られます。トランジスタの規格からみてまずまずのパワーでしょう。　なお、2SA245はfTが非常に高いため、発振出力に含まれる高調波は多めでした。周波数特性を加減し、高調波を減らす目的でコレクタの配線にフェライトビーズを挿入しています。FB-!0!-#43を２個いれてまずまずになりました。

　2SA245クラスのトランジスタでは、シングルで50mWは困難そうです。コレクタ耐圧が低いのも不利です。2つパラに使って-30mA（2本分で）くらい流してやれば何とかなるでしょう。周波数特性は非常に良いため、もっと高い周波数・・・例えば21MHzや50MHz・・・の発振も可能でしょう。ただし周波数が高くなれば徐々に効率は落ちるはずで、得られるパワーも減ってくるものです。

【Π609Aで発振させる】
　2SA245の実験で何となく感触が掴めてきました。一段とパワーアップするためにΠ609A(P609A)で実験を進めましょう。

　Π609Aは幾分高い耐圧が見込めたので、Vcc=-12Vでテストしました。コレクタ電流もだいぶ余裕ができたので、発振している状態でIc=-30mAで動作させます。Ic=-30mAでは最大コレクタ電流に対して小さいため、fTがまだ十分に伸びていない可能性が考えられました。そこで、Ic=-30mAで実測して見ると150MHz以上あるので7MHz用としては十分すぎるほどでした。そのためコレクタのフェライト・ビーズは2SA245と同様に必要です。

　上記の条件でパワーは約80mWが得られました。コレクタ電流をアップし、出力側のマッチング回路を最適化すれば発振段で100mW以上も十分可能そうです。その場合、放熱フィンを付けて幾らかでも放熱してやれば安全でしょう。ゲルトラはシリコントランジスタの感覚で扱ったら壊してしまう危険性があるのです。

　それくらいの発振パワーがあれば２ステージでも数Wが期待できるかも知れません。もっとも、これは終段増幅器のパワーゲイン次第ですが。　従ってゲインの取れるファイナル用の石が欲しいところですが、なかなか甘くはないようです。このあたりの事情は続編で検討したいと思っています。hi

【Π609Aはどんなデバイスか】
　Π609Aの用例は見掛けないので、正確な目的や用途は不明です。どうやら高速スイッチング用のようで、民生用ではなく軍用品でしょう。
　コレクタ・ベース間耐圧：VCBO=-30V、コレクタ電流：Ic=-300mA（Peakで-600mA）です。コレクタ損失：Pc=1.5Wですが、これは放熱なしの状態でしょう。1.5Wは案外大きいように感じますが、ゲルマニウム・トランジスタですから接合部温度：Tj(max)=70℃であり、放熱しなければ許容コレクタ損失はだいぶ小さくなります。
　トランジション周波数：fTは標準値で120MHzとなっています。コレクタの接合容量は50pFです。これはかなり大きいですが、パワーが大きな石ですから当然でしょう。開封すればはっきりしますが、チップサイズはかなり大きいように思います。なお、ネットの検索では2SA374が相当品とありますが、実際はかなり違う特性のようで規格表で2SA374の項を見ても参考になりませんでした。Π609AはMesa型構造のように思います。

　形状は見ての通りです。パッケージの直径は約25mmです。太さ1mmの足ピンが出ており、コレクタはケースに接続されています。このままではブレッドボードに装着できないため、テストでは細いメッキ線をハンダ付けしました。　発振回路用ではなく、C級電力増幅器として使いフルに性能を発揮させたいなら十分な放熱が必要です。残念ながら耐圧（VCE)が-25Vと低く、Icも-300mAですから最大入力で3Wくらいまでが安全な範囲でしょう。　従って出力として1.5Wくらいが見込めそうです。（コレクタ飽和電圧：VCE(SAT)が大きいので効率は良くても50%くらいでしょう）　Π609Aはより大きな終段増幅器をドライブする「励振増幅段」に適するかも知れません。fTが高いことから7MHzのアンプなら高いパワーゲインも期待できます。

参考：印刷されたロゴから、Π609AはLatvia（旧ソ連邦）のRigaにあるALFA社で製造されたトランジスタのようです。

【2SA417で慎ましく】
　最後に2SA417を試します。　2SA417もラジオ用のゲルトラではありません。スイッチング・スピードが早いコンピュータ用です。ゲルトラの場合、高速スイッチングさせるにはfTを高くなるように作るのが効果的だそうです。　2SA417は高速スイッチング用ですから必然的にfTが高くなったようです。ただし耐圧が低いのが難点です。VCBOは-15Vくらいしかありません。現物の実測もしてみましたが、耐圧の余裕はありませんでした。なお、コレクタ電流はIc(max)=-200mAと十分な大きさです。

　コレクタ電圧：Vcc=-7V、コレクタ電流：Icc=約-2mAで使ってみました。これはVFOやセラミック発振子のVXOを想定するもので、どちらかと言えば慎ましい動作です。　最大コレクタ電流が大きめですから、Ic=-2mAではfTが立ち上がらない懸念がありました。Mesa構造のゲルトラは小さめのチップでも意外に電流が流せるらしく、しかもfTの立ち上がりは早いようです。（実測：380MHz at Ic=-2mA）従って良好に発振しますが、発振波形を見てコレクタのフェライト・ビーズは必須でした。1kΩ負荷に2.75Vppが得られました。VXOのような送信機用ではなく、クリコンなどの局発用としても適当でしょう。
　なお、そのような受信機用でしたら、コレクタの同調回路はタップを使わず、全巻線を使う方が発振波形の点で好ましいようでした。少ないコレクタ電流なので、負荷インピーダンスは高めの方が良いわけです。受信機用の回路にはそのように最適化した方が好ましいでしょう。

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　電子工学は実用の科学だと思っています。ですから今さらゲルマニウム・トランジスタなど持ち出したらナンセンスでしょう。　ここは趣味のサイトと割り切って頂くしかありませんね。（笑）

　趣味の世界ですからHAMの電子工作にも様々な考えがあると思います。　メーカー製のようなトランシーバや受信機を目指すのもFBでしょう。立派な目標だと思います。　ただ、高性能・高機能な市販品がまずまずのお値段で登場している現在、それと似たようなものを作ってもあまり面白味はないように感じています。（作ったこと自体はすごいと思いますが）　むしろメーカーはやらないような（商売ベースで見たら少々ナンセンスな・笑）製作の方が楽しいように思うのです。ですからゲルトラや真空管で作るのもその一つかも知れませんね。　さらに単なる懐古趣味で古いモノを再現するのではなく、何か新しい要素も加えつつ楽しめたら良いなあ・・・と思っています。何か新たな工夫を加えたいですね。　ゲルトラは既に忘れられたテクノロジーでしょう。あえてそれで作っても大した価値はないに違いありません。しかし数Wのパワーが得られれば国内に留まらずDXと交信することも可能かも知れません。ゲルトラで数Wはかなり画期的です。（100mWではKH6とKL7とできましたが、西海岸はダメでした・笑）　今度は大きなゲルマ色の波で、あの時の西海岸のリベンジを果たしたいですねえ。（爆）

　最近はお空のコンディションがまずまずなこともあって、QSOに時間を取られがちです。電子工作の方は大分おろそかになっています。予定は遅々としている状況です。　しかもそろそろ初冬のコンデイションですからローバンドの飛びも期待できそうです。どうやら、そちらへ靡いてしまいそう。ですから次回のBlog「更新」は省略になりそうな雰囲気も。w　秋も深まり、夜も長くなってきました。そろそろお炬燵で蜜柑でも食べながら過去のBlogでも遡ってお楽しみください。読み返すと気付かなかった発見があるかも知れません。　ではまた。　de JA9TTT/1

（つづく）←リンク　nm