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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
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  5-3. 로드라인 그 3 ( 전력증폭회로 - 싱글 )

2A3의 표준 동작

진공관을 사용한 전력 증폭 회로의 경우, 부하에 출력 트랜스를 사용 한다는 점이, 전압 증폭 회로가 저항 부하를 사용하는 것과 크게 다릅니다.

저항 부하의 경우, 직류로 본 impedance와 교류로 본 impedance가 거의 같거나, 교류 impedance가 약간 작게 되었습니다.그러나, OPT 부하의 경우는, 교류 impedance가 수 KΩ정도인데 비해, 직류 impedance는 수십∼수백Ω정도 밖에 되지 않습니다. 이러한 이유로, 로드 라인의 모습도 대단히 달라 집니다. 그러나, 기본적으로는 어느쪽이나 완전히 같습니다.

진공관 오디오를 좋아하게 사람중, 인기있는 3극관 중 하나에 RCA가 개발한 2A3이 있습니다. 2A3의 대표적인 동작예는 예를 들면 아래와 같습니다.

  • 플레이트 부하 저항 : 2.5KΩ
  • 플레이트 전압 : 250V
  • 플레이트 전류 : 60mA
  • 그리드 · 바이어스 전압: -45V
자, 이 동작을 검증 하기 위해서, 이 조건에 맞는 로드 라인을 그려 봅시다.

플레이트 전압이 250V로써, 플레이트 전류 60mA가 되는 포인트를 그래프 상에서 찾아냅니다. 여기를 통하는 2.5KΩ의 로드 라인을 그립니다. 2.5KΩ에 60mA를 흘릴 때 생기는 전압은, 오옴의 법칙(E=IR)으로부터, 150V(=60mA ×2.5KΩ)가 구해지기 때문에, 플레이트 전류가 0mA가 되는 포인트의 플레이트 전압은, 400V(=250V+150V)가 됩니다. 그리고, OPT의 1차 권선의 직류 저항이 가령 100Ω이다라고 하면, 여기서 전압 강하는 6V(=60mA ×100Ω)이기 때문에, 전원 전압은 256V(=250V+6V)와 같이 계산 할 수 있습니다. 이것을 플레이트 특성 그림에 기입한 것이 밑그림입니다. 그리고나서, 2A3의 최대 플레이트 손실이 15W이므로, 참고로 15W의 라인을 빨강색으로 그립니다.

일반적으로, 전력 증폭 회로의 로드 라인에서는, 직류 부하(100Ω)의 로드 라인은 생략됩니다만, 아래 그림에서는 참고를 위해서 기입 해 둡니다. 2.5KΩ의 로드 라인과 100Ω의 로드 라인의 교점(B점)가, 2A3의 동작 포인트입니다.

 


좀 이상합니다

위의 로드 라인에는 좀 이상한 점이 있읍니다. 로드 라인상 이라는 가면, 오른쪽 아래로 가면 플레이트 전압이 전원 전압인 250V를 넘어가가, 최대로 400V가 되어 버립니다. 그러나, 동작의 기점은, 250V,60mA가 맞다고하면, 이 포인트를 통하는 2.5kΩ의 로드 라인을 그리면, 이와 같이 되어 버립니다. 이것은 맞읍니다. 이것은 저항 부하의 전압 증폭 회로에서는,

부하의 직류 impedance(수십 kΩ∼수백 kΩ) ≤ 부하의 교류 impedance(수십 kΩ∼수백 kΩ)
가 되어, 이러한 이상한 현상은 일어나지 않습니다만, 트랜스 부하의 경우는,

부하의 교류 impedance(수 kΩ) ≥ 부하의 직류 impedance(수십Ω∼수백Ω)
가 되어, 로드 라인의 각도에 대해 역전 현상이 생깁니다, 이론적으로 이것이 옳기 때문에. 이것을 설명합니다.

그 이유는, 인덕턴스 즉 코일의 특성에 의해서 일으나는 현상에 대해서 이해할 필요가 있습니다. 인덕턴스, 전류의 변화를 안정시킬려는 성질이 있습니다. 전류를 흘리려고 하면 인덕턴스는 전류를 흘리지 않을려고 하고, 전류를 줄이려고 하면 계속 흘리려고 하는 성질입니다. 이것을「렌트의 법칙」이라고 부릅니다.

출력관의 바이어스가 얕게 되어 플레이트 전류가 증가 하려고 하면 인덕턱스는 전류를 흘리지 않을려고 하고, 바이어스가 깊게 되어 플레이트 전류가 감소할려고 하면 인덕턴스는 전류를 계속 흘리려고 합니다. 예를 들면, 출력 트랜스의 직류 저항(여기에서는 100Ω)만 을 생각하면, 바이어스가 -70V가 된 때의 플레이트 전압은 256V, 플레이트 전류는 0mA가 될 때는, 위 로드 라인에서 알수 있다고 생각합니다. 그러나, 실제로는 플레이트 전류는 제로가 되지 않고 30mA가 흐릅니다. 그리고,그 때의 플레이트 전압은 325V가 되어 버립니다.

이 현상은, 흡사, 인덕턴스가 발전 작용을 하는 것처럼 보입니다. 사실 이런 이유로, 이 현상을 사용한 장난감이 있습니다. 건전지를 사용해 인덕턴스에 전류를 흘리고, 이 전류를 급격하게 컷 하면 인덕턴스의 양단에 고압이 나타나는 것을 사용해, 감전 시켜 깜짝놀라게 하는 짓궂은 장난감입니다. 리레이에는 코일(인덕턴스)이 내장되어 있고, 리레이를 OFF로 하면 코일의 양단에 높은 전압이 나타나 리레이를 구동하는 트랜지스터등을 파괴해 버리는 것도, 이것과 완전히 같은 원리입니다.

그런데, 전압 증폭 회로에서는, 그 회로가 필여로하는 출력 전압을 얻을 수 있으면, 바이어스가 깊거나 얕아도 괜찮았습니다. 그러나, 전력 증폭단에서는 주어진 조건하에서 가장 큰 진폭( 즉 출력)을 얻을 수 있는 것을 동작 포인트로 하는 점이 차이가 납니다.

무신호시의 2A3는, B점의 상태로 정지하고 있습니다. 그리드에 교류 신호가 주어지면, 동작 포인트는 플러스측과 마이너스측으로 진폭합니다. 그 최대 범위는 B점을 중심으로 해, A점과 C점이 됩니다. B점의 바이어스가 도상에서는 대체로 -44V이기 때문에, C점이 -88V가 되면 가장 효율적인 동작을 할 수 있습니다. 실제로는, C점부근에서는 특성 커브의 사이간격이 가까워 충분한 직선성이 나타나지 않기 때문에, 플레이트 전류가 0mA가 되는 것 같은 포인트로 하지 않고, 0mA로부터 약간 떨어져 있는 곳을 설정하고 있습니다.


표준 동작에 대해서 플레이트 전류만을 바꾸어 본다

이번은, 플레이트 전압을 250V로 한 채로 플레이트 전류가 좀 많은 동작점과 적은 동작점을 설정하면 어떻게 되는지를 알아봅시다. 플레이트 전압은 250V인 채로써, 플레이트 전류를 45mA, 60mA, 75mA의 3개의 조건으로 한 로드 라인의 모습입니다(밑그림). B점의 전류가 각자 45mA, 60mA, 75mA가 되고 있습니다. (플레이트 전압 250V로 플레이트 전류 75mA를 흘리면 2A3의 플레이트 허용 손실을 넘어 버립니다만, 여기서는 고려하지 않습니다.
 

그리고, 각각의 케이스에 대해서 B점이 동작의 중심이 되는 C점을 구해 가면, 45mA의 때의 C점은 플레이트 전류 0mA의 곳에 부딪쳐 버리고, 75mA의 때의 C점에서는 로드 라인이 남아 버리고 있습니다. 45mA의 케이스에서는 C점측의 진폭으로 먼저 파형이 부서져 버리고, 75mA의 케이스에서는 C점측은 아직 여유가 있는데 A점측이 먼저 파형이 부서져 버리는 것을 의미합니다. 플레이트 전압 250V, 2.5KΩ부하의 조건에서는 플레이트 전류는 60mA정도가 가장 효율이 좋은 것입니다. 플레이트 전류를 아무리 많이 해도 큰 출력을 얻을 수 있는 것이 아니고, 최대 출력은 오히려 저하해 버립니다.

45mA시에는, 플레이트 전압을 230V로 내려 주면, 쓸모없는 동작을 하지 않습니다. 이 때의 플레이트 손실은, 230V×45mA=10.35W이기 때문에 2A3의 허용 플레이트 손실 15W에 대해서 상당히 여유가 있는 동작이 됩니다. 이러한 동작으로도, 최대 출력이 그다지 저하한 느낌은 없기 때문에, 관의 정격의 빠듯한 동작에 집착하는 것은 옳지 않다고 생각합니다.

75mA시에는, 플레이트 전압을 280V까지 올린 포인트가 가장 효율적인 좋은 동작이 됩니다만, 이 때의 플레이트 손실은, 280V×75mA=21W가 되어 버려, 완전한 정격 오버입니다.


부하 저항값만을 바꾸어 본다

이번은, 플레이트 전압을 250V, 플레이트 전류를 60mA일정하게 두고, 부하 저항값만을 바꾸어 봅니다. 1차 impedance가 2.5KΩ의 출력 트랜스가 없기 때문에, 3.5KΩ이나 5KΩ의 출력 트랜스로 대용 하려고 한 경우라고 생각해 주십시오.
 

위와 같이, 3.5kΩ의 경우와 5KΩ의 경우 원래의 A-B-C 점의 밸런스보다 떨어집니다. 로드 라인의 오른쪽 아래 쪽(C측)이 남아 버리고 있습니다. 플레이트 전압을 좀 더 높은 값으로 설정하는 편이 좋을 것 같습니다. 플레이트 전압을 250V이상으로하는 경우는, 물론, 2A3의 플레이트 손실이 그 허용값 15W를 넘지 않게, 플레이트 전류는 적절한 값으로  바꾸지 않으면 안 됩니다.


플레이트 부하 2.5KΩ∼5KΩ의 최적 동작점

플레이트 부하 2.5KΩ,3.5kΩ,5KΩ의 3개의 케이스에 대해서, 플레이트 전압과 플레이트 전류 의 편성을, 이하 같이 설정해 로드 라인을 그려 보았습니다.

부하 impedance 플레이트 전압 플레이트 전류 플레이트 손실
2.5kΩ 250V 60mA 15W
3.5kΩ 285V 52mA 14,8W
5kΩ 310V 48mA 14.9W

밑그림의 3개의 어느 경우도, 각각의 부하 impedance에 따른 최적 동작 조건으로 되어 있읍니다.


 

최대 출력의 간단 계산

출력단의 동작 밸런스가 잡히는 경우는,「부하 impedance」와「플레이트 전류」로부터 간단하게 (이상)최대 출력을 산출 할 수 있습니다. 식은 아래와 같습니다.

Po(W) = I(mA)2× RL(KΩ)÷ 2000

일반적으로는, 위의 식 이 아니라, 로드 라인상의 피크 ∼피크간(이하 P-P라고 하는)의 면적을 산출하는 방법이 알려져 있습니다만, 이 방법에서는 실측값과 잘 일치하지 않습니다. 왜야하면, 싱글 앰프에서는, 드라이버단과 출력단의 사이에서, 2차 디스토션이 일어납니다. 드라이버단으로부터 나오는 신호는, 벌써 찌그러짐이 있는 상하 비대칭입니다. 그런데, 출력단의 동작 범위를 무신호시를 기점으로 플러스 · 마이너스 동일한 바이어스의 범위로 생각하여 P-P를 결정 한다는 것은, 입력 신호가 상하 대칭(즉 2차 일그러짐이 없다)이다 라는전제가 있습니다. 그러나, 실제의 동작에서는, 입력 신호가 상하 비대칭인 덕분에, 일반적으로 알여지는 P-P의 범위보다도 좀 더 낮게 사용되고 있습니다.

이 현상은, 오버올 부귀환을 가한 때에도 생깁니다. 부귀환을 가하면, 출력단에서 일그러짐을 개선 하려고 해, 드라이버단에서  출력단으로 넘어오는 신호의 비대칭성이 보다 강하게 되기 때문입니다. 2차 일그러짐이 많은 무귀환 앰프에 부귀환을 걸치면 최대 출력이 크게 되는 것이 이러한 이유에서 입니다. 여기까지 생각하면, 로드 라인상에서 무신호시를 기점으로  플러스 · 마이너스 동일한 바이어스의 범위로 생각한다 라는 것은 아니고, 로드 라인을 끝에서부터 끝까지 다 사용한다라고 생각해 계산하는 편이 현실적이고, 실측값과도 좋게 일치합니다. 위의 식은, 로드 라인을 끝에서부터 끝까지 다 사용한다라고 상정한 계산식입니다.

이 현상을 시사하는 문헌이 하나 있읍니다. 松竝希活저「오디오용 진공관 메뉴얼」P85에서「2.4.4 NFB가 있을 때의 출력관의 특성」이라고 하는 장입니다.

그런데, 이 식으로 계산하면,

60(mA)2× 2.5(KΩ)÷ 2000 = 4.5(W)
53(mA)2× 3.5(KΩ)÷ 2000 = 4.92(W)
48(mA)2× 5(KΩ)÷ 2000 = 5.76(W)

라는 하는 숫자를 얻을 수 있습니다. 실제로는, 드라이버단이 역부족으로 출력관을 다 드라이브 할 수 있지 않고, 출력 트랜스 로스도 있기 때문에, 이 값보다는 약간 낮은 값이 됩니다. 그리고, 3극관의 경우는 역으로 계산값보다도 큰 출력을 얻을 수 있는 것도 있습니다. 이와 같이 보면, 2A3이라고 하는 관을 반드시 2.5KΩ부하로 사용하여야 한다는 것은 아닌 것이 뚜렷해 집니다.

플레이트 특성 곡선안의 Eg1=0V(가장 좌측)의 커브가 첫 시작점과, 관의 최대 플레이트 손실 정도 알고 있으면,  로드 라인을 추측하여 , 그 관에 적절한 동작 조건 짐작할 수 있다고 봅니다.


A1급과 A2

잡지 기사를 보면,「A1급 싱글」이나「A2급 동작」이라는 말이 있읍니다. 이「A1급」이나「A2급」은 대체 어떤 의미일까요.

지금까지, 진공관의 기본 동작이나 로드 라인에 대해서 여러가지 써 왔습니다만, 그리드 · 바이어스는 항상 마이너스로 사용한다는 것이 기본이었습니다. 특히 전압 증폭 회로에서는, 그리드 · 바이어스는 -1V(혹은-0.7V)보다 도 얕은 영역은 사용하지 않는다고 하는 원칙도 있었읍니다. 이와 같이, 그리드 · 바이어스를 항상 마이너스의 영역에서 사용하는 동작을「1급」이라고 하는 바람에「A」라든지「AB」의 뒤에「1급」을 넣어 표현합니다. 예를 들면, A1급 동작에서는, 제 1그리드에 전류가 거의 흐르지 않습니다. 그렇기 때문에 보통 A1급 동작에서는, 그리드에는 전류가 흐르지 않는다는 전제하에 회로 설계를 합니다.

그리드 · 바이어스가 -1V보다 도 얕게 되면, 미소하지만 제 1그리드로부터 캐소드측으로 전류가 흐릅니다. (이 원리에 대해서는 그리드 전류의 챕터에서 설명합니다). 그리고, 그리드 · 바이어스가 0V에 가까워짐는 것에 따라 이 전류값은 자꾸자꾸 크게 되어 갑니다. 그런데도 진공관 자체의 증폭 작용은 그렇게 쇠약해지거나 하지 않습니다.

0V를 넘어 플러스의 영역에 들어가도, 진공관의 증폭 작용은 서서히 쇠약해지면서 아직도 견딥니다. 그러나, 플러스의 영역에서는 그리드 전류는 두드러진 값이 됩니다. 이러한, 그리드 · 바이어스를 플러스의 영역에까지 사용하는 동작을「2급」이라고  표현합니다.  앰프 제작 기사등에서「그리드를 플러스까지 확대한다」라고 하는 표현을 봅니다만 이것도 같은 의미입니다. A2급 동작에서는, 제 1구그리드에 꽤 많은 전류가 흘러듭니다. 그렇기 때문에 전단과의 사이에서 전류를 차단해 버리는 콘덴서에 의한 결합(CR결합)은 하지 않습니다.

일반적으로, A2급 동작은 캐소드 · 팔로워와의 직결 드라이브나, 트랜스에 의한 드라이브로 합니다.


 

A2급의 로드 라인

그리드를 플러스의 영역까지 확대하면  로드 라인은 아래와 같이 됩니다. 그림중의 녹색가는선은 RCA 발표의 2A3의 A1급 싱글의 표준 동작, 보라색의 큰 선은 A2급 싱글의 참고 동작입니다.

2A3에 있어서의 그리드 바이어스가 +10V의 특성은 발표되지 않으므로, 짐작으로 그립니다. 실제의 특성이 어떤지는 모릅니다.예로 이해 주세요. 실제, 플러스의 영역에서는, 플레이트 특성 곡선의 사이간격은 좁아지는 것이 보통입니다.

그런데, 그리드를 +10V까지 동작 시키하면, A점은 그림 같이 됩니다. 이 때의 B점으로써의 플레이트 손실이 2A3의 허용값 15W를 넘어가고 있지 않게 할려면, B점은 Ep=232V ,Ip=64.5mA근처가 됩니다. 원래의 동작 조건과 비교해, A점 -C 점의 사이간격이 훨씬 넓어지고 있는 점에 주목해 주십시오.


 

최대 출력의 간단 계산

A1급때와, A2급때의 최대 출력(대강의 계산)을 각자 구해 보면 이하 같이 됩니다.

60(mA)2× 2.5(KΩ)÷ 2000 = 4.5(W)· · · · A1
64.5(mA)2× 2.5(KΩ)÷ 2000 = 5.2(W)· · · · A2

이렇게 보면, A2급이 무조건 좋은 것 같이 보입니다만, 드라이버단이 복잡하게 되는 것 등을 생각하면 간단하게 결론 지울 수 없읍니다.


 

A2급의 일그러짐 경향

A2급에서는, 최대 출력 부근에서 구라두가 플러스 영역까지 진폭합입니다. 그러나, 그리드가 플러스의 영역에서 직선성은 결코 좋지 않기 때문에, 3차 일그러짐이 발생합니다. 2차 디스토션에 3차 디스토션 성분이 끼어들어 오면, 청감상 일그러짐이 줄어든 것처럼 보이는 것은 잘 알려지고 있습니다. 이것이 A2급의 트릭이라고 하는 녀석입니다.

 

윗 그림의 왜율 특성은, 본홈 페이지의「6G-A4 etc.범용 싱글 · 앰프 그 1 」의 것입니다만, 최대 출력 가까이 되면 왜율은 일단 감소 혹은 옆으로 되어 있어, A2급의 왜율 특징이 매우 잘 나타나고 있습니다.

그러나, 왜율이 2∼5%이상되어 오면, 청감상 분명히 식별 할 수 있습니다 그 위에 파형이 무너진 것같은 3차 일그러짐이 더해집니다.


 

A1급과 A2급의 비교

A1 A2
최대 출력 1.0배로 보면 1.1∼1.5배
드라이버 CR결합으로 좋다
(심플)
캐소드팔로워와,트랜스
(복잡)
소출력시의 왜율 - A1급 과 비슷
적용관
적합관 - 10(VT25),801(VT62),6F6(3결)등의 고 rp관
50같은 그리드 전류가 흐르기 쉬운 관
비적합관 10(VT25),801(VT62)등의 매우 rp 높은 관 5998,6AS7등의 저 rp관

일반적으로, 10/VT25나 801/VT62같은 고전압 동작, 고 rp관은 A2급 영역에서도 직선성이 좋다라고 말해지고 있습니다만, 실제로는 그렇게 좋지는 않습니다. 역시,파형은 무너져  3차 일그러짐이 많이 나옵니다. 게다가 더해, 그리드 전류를 공급 해야 한 드라이버단의 직선성도 상당히 열화합니다.그 렇기 때문에, 10/VT25나 801/VT62하더라도, 드라이버단은 출력 impedance가 상당히 낮은 회로(혹은 관)가 되어야하고, 단지 캐소드팔로워를 회로에 삽입하는 정도로는 부족하겠죠. A2급을 좋게 봐서는 안 됩니다.