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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
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  5-4. 로드라인 그 3 ( 전력증폭회로 - 푸시풀 )

 

2A3

푸시풀 회로의 동작 모습은, 동작 클래스(A급 · AB급 · B급)에 따라 복잡하게 변화합니다. 지금까지, 동작 클래스별로 구별해 로드 라인을 그리는 것을 설명한 문헌이 거의 없었기 때문에, 여러가지 혼란을 불러 왔습니다. 본 장에서는 기초부터 차근차근 살펴보도록 하겠읍니다.

지금까지, 이 문제가 까다로웠던 것은 진공관의 비직선성과 컷오프의 애매함에 있었습니다. 위 그림은 앞에서 사용한 2A3의 플레이트 특성그림입니다만,  위와 같이 1선 1선의 커브는 미세하게 휘어지고, 각 커브의 사이간격도 일정하지 않습니다. 특히, 바이어스가 깊어 짐에 따라 플레이트 특성 곡선의 사이간격이 일정하게 되지 않고 좁게 되고, 플레이트 전류가 0mA에 가깝게 됨에 따라 커브가 자꾸자꾸 눕기때문에, 이것이 직선성을 나쁘게 하는 원인으로 되고 있습니다.

그리고, 도대체 어느 정도의 바이어스 전압으로 전류가 0mA가 될 것 인지가 뚜렷하지 않습니다. 그런데도, 바이어스를 깊게 해 가면 플레이트 전류가 0mA가 되는 포인트가 있어, 이 포인트를 컷오프점이라고 합니다.

이야기를 알기 쉽게하기 위해서 이상적인 2A3이라고 하는 관을 준비했습니다. 이 이상적인 2A3는, 극히 이상적인 직선성을 가지고, 명확한 컷오프 특성을 가지고 있습니다. 플레이트 특성 데이터는 아래 그림으로 표현됩니다.


 

A급 푸시풀 동작

A급 푸시풀은, 2개의 관이 항상 컷오프 하지 않는 조건으로 동작하는 푸시풀입니다. 무신호시에, 쌍방의 관에 충분한 플레이트 전류를 흘립니다. 그리드에 신호가 입력되면, 그 신호에 따라 한편 관의 플레이트 전류가「증가하거나 줄어들었다」하고, 다른 한편의 관의 플레이트 전류도 그것과 반대의 동작, 즉 플레이트 전류가「줄어들거나 증가했다」하는 것으로 푸시풀 동작합니다. 이 경우, 입력 신호가 크게 들어 오면,「증가하거나 줄어들었다」라고「줄어들거나 증가했다」의 폭이 크게 됩니다만, 그러한 경우라도「줄어드는」옆의 관은 컷오프 하지 않는 · · · 바이어스가 깊게 되어 플레이트 전류가 0mA가 되는 · ·상태가 되는 것입니다.

예를 들면, 무신호시의 각 관의 플레이트 전류가 각각 50mA라고 합시다. 전원으로 부터 공급되는 전류는 합계 100mA입니다.그곳에 신호가 입력되었다고 합시다. 한편의 관의 플레이트 전류가 10mA증가하면, 다른 한편의 관의 플레이트 전류는 10mA감소하기 때문에, 전원으로부터 공급되는 전류의 합계는 변함없이 100mA입니다. 이 관계가, 최대 출력에 있어서도 성립하는 것이 A급 푸시풀의 특징입니다.

(현실적으로, 진공관은 이러한 이상적인 특성이 아니므로, 출력이 크게 됨에 따라 플레이트 전류의 합계는 약간 증가합니다.)

전원으로부터 공급되는 전류의 합계가 변화 하지 않다라는 것은, 전원측에는 신호 성분이 흘러지 않는다는 것을 의미합니다. 전원에 신호 성분이 흐르는 것을 바이패스 시키는 것이 바이패스콘덴서의 역할이기 때문에, 이 동작에서는,「a-g」간에 삽입된 바이패스콘덴서에는 신호가 흐르지 않습니다. (이상적인 진공관의 경우).

A급 푸시풀 회로에서는, 2개의 관이 병렬인 것 처럼 보입니다만, 신호의 경로는「직렬로 된 2개 관으로 부하를 구동한다」가 옳은 해석입니다. 직류적으로는 병렬입니다만, 교류적으로는 직렬입니다. 신호 경로는「a-b-c-d-e-f」이므로,「a-g」간 즉 전원에 삽입된 바이패스콘덴서(C)에는 신호는 흐르지 않습니다.

부하 impedance가, 싱글 동작인 경우의 거의 2배인 것이 그 증거입니다. 예를 들면, A급 푸시풀로 5KΩ의 부하를 사용하는  경우, 직렬로 된 2개 진공관의 부하의 합계가 5KΩ인 이유로, 1개에는 그 1/2인 2.5KΩ인 것을 알 수 있읍니다.

A급 푸시풀에서는, 한편 관의 플레이트 전류가 최대로 되는 때에, 다른 한편 관의 플레이트 전류가 최소(이상적인 2A3에서는 0mA)가 되는 동작으로 로드 라인을 구하고, 동작 포인트를 결정합니다.

위 그림 같이, 플레이트 전압 257V, 플레이트 전류 57mA의 포인트를 기점으로 봅니다. 바이어스가, 최대로 플러스 50V· 마이너스 50V의 범위(즉 -100V ∼0V의 범위)로 신호가 입력되면, 그에 따라 플레이트 전류가 0mA∼114mA의 사이를 오가기 때문에, 쓸데없는동작을 하지 않는 것을 알 수 있읍니다.

실제관의 특성은, 이러한 이상적인 것은 아닙니다. 바이어스의 깊고, 컷오프 직전의 영역은 사용할 수 없기 때문에, 실제 설계에서는 플레이트 전류가 제로가 되는 근처는 사용하지 않고, 수 mA정도 여유를 가지게 하는 동작 포인트를 선택합니다.

보충:출력 트랜스를 사용한 이상적인 상태의 A급 푸시풀 회로에서는, 증폭 소자가 진공관이 아니어도(예를 들면 트랜지스터)전원의 바이패스콘덴서에는 신호 전류는 흐르지 않습니다. 그러나, SEPP-OTL 회로라고 불리는 출력 트랜스가 없는 회로 방식에서는, A급 동작이라 하더라도 전원의 바이패스콘덴서(즉,B전원∼어스구간)에는 100% 신호 전류가 흐릅니다. 일찌기, 출력 트랜스를 없애기 위해 개발된 SEPP-OTL 회로(현재 반도체 앰프는 거의 이 방식)입니다만, 출력 트랜스를 쓰지 않는 대신에, 전원∼어스간에 큰 신호 전류가 흘러 버리는 폐해를 안아 버리는 짓궂은 이야기입니다. 이 문제는, 비록 BTL 방식을 채용했다해도, 여전히 남는 문제입니다.

용어:
SEPP · · · 싱글 · 엔디드 · 푸시풀
OTL · · · 출력 트랜스레스
BTL · · · 밸런스드 · 트랜스레스


 

B급 푸시풀 동작

B급 푸시풀에서는, 동작 기점은 플레이트 전류가 0mA인 곳에 설정됩니다(위 C점).
C점을 기점으로, 입력 신호가 주어지는 것입니다만, 이러한 경우는, 동작 기점에서 바이어스가 깊게 되어, 플레이트 전류가  0mA인 상태입니다(C-E 간). 즉, 신호 사이클중, 정의 반사이클에서는 플레이트 전류가 흐르는데(A-C 간), 부의 반사이클에서는 진공관은 컷오프(전류가 전혀 흐르지는)의 상태가 계속됩니다. 컷오프가 되는 동안은 선이 끊어져 있는 것과 같은 상태가 되어, 컷오프측에는 관이 없는 것과 같은 상태가 됩니다.

B급 푸시풀에서는, 살아 있는 관은 항상 한편이고, 신호 경로는「항상 1개 관으로 부하를 구동한다」가 옳은 해석입니다. 밑그림에서, 반측 관이 그려지지 않은 점을 유의하십시요.

 

동작상태를 구체적으로 살펴 봅시다. B급에서는, 무신호시 각 관의 플레이트 전류는 0mA입니다(이론상은). 전원으로부터 공급되는 전류의 합계도 0mA입니다. 그곳에 신호가 입력되었다고 하면. 한편 관의 플레이트 전류가 10mA증가하고, 다른 한편 관의 플레이트 전류는 컷오프된 상태이기 때문에 , 전원으로부터 공급되는 전류의 합계는 10mA가 됩니다. 큰 신호가 입력되어, 한편 관의 플레이트 전류가 50mA로 증가한 때도, 다른 한편 관의 플레이트 전류는 컷오프 상태이기 때문에, 전원으로부터 공급되는 전류의 합계는 50mA가 됩니다.

전원으로부터 공급되는 전류의 합계가 변화한다라고 하는 것은, 전원측에 신호 성분이 흐르고 있는 것을 의미합니다. 즉,「a-g」간에 삽입된 바이패스콘덴서(C)는 모든 신호의 가는 길로 되어 있습니다.

신호경로는「b-c-g-a」이므로,「a-g」간 즉 전원에 삽입된 바이패스콘덴서(C)에는 항상 100% 신호가 흐릅니다. 부하가 되는 것은 출력 트랜스의 1차 권선의1/2이 됩니다만, 인덕턴스는 반이 되고, impedance는1/4이 됩니다. 부하 impedance는 5KΩ의1/4인 1.25KΩ가 되어, 1.25KΩ의 로드 라인으로 동작합니다(A-C 간).

이와 같이, 같은 푸시풀 동작에서도, A급 푸시풀과 B급 푸시풀과는, 동작 조건 뿐만 아니라 신호의 경로까지도 완전히 다른 회로라는 것을 알 수 있습니다.

현실적으로, 여기서 말한 것 같은 이상적인 2A3같은 이상적인 특성을 가진 진공관은 존재하지 않습니다. 이상적인 B급 동작이 될 수 있는 것 같은 진공관은 존재 하지 않기 때문에, 오늘날에는, B급 동작을 채용하는 앰프는 별로 없읍니다.


 

AB급 푸시풀 동작

AB급 푸시풀에서는, A급 푸시풀과 B급 푸시풀의 중간점을 동작 포인트로 설정됩니다.

위 그림의「B-C-D」간의 범위를 넘지 않는 경우, 출력이 작은(입력 신호 가 작은)사이는, A급 동작을 합니다. 그러나,B-C-D의 범위를 넘어 A-B,D-E의 영역에 이르는 큰 신호에서는, 한쪽 편의 관이 컷오프 상태가 되기 때문에, B급 동작으로 바뀌어, 한편의 관이 A-B 간 동작에 있는 때는, 다른 한편의 관은 D-E 간의 동작을 하고 있는 것입니다.

따라서, 최대 출력시에는, 1개의 파형안에 A급 동작과 B급 동작이 혼재 되어, 신호의 경로도 각각 A급과 B급의 앞에서 말한 2종류의 루프가 혼재 됩니다. 입력 신호의 진폭이 작은 때는 A급 동작이기 때문에, 전원∼어스간에는 신호 전류는 흐르지 않습니다. 그러나, 입력 신호의 진폭이 일정 레벨 이상으로 된 순간 B급 동작이 되기 때문에, 그 때  전원∼어스간에 신호 전류가 흐릅니다. 바꿔 말하면, 전원에 삽입된 바이패스콘덴서에는, A-B 간과 D-E 간에는 신호 성분이 흐르는 것이 되고, 이 파형은 원래의 신호 파형에 비해서 꽤 무너진 모양이 됩니다.

현실적으로, 진공관의 플레이트 특성은 좀 더 애매하고 완만하므로, AB급 동작에서 A급 동작부터 B급 동작으로 이전은 이런 꺽여진 직선이 아닙니다. 그러나, 전원의 바이패스콘덴서에 흐르는 신호 파형이 원래의 파형과는 다르다는 문제에는 변화가 없읍니다.

이와 같이 보면, A급, AB급, B급은 신호의 경로가 다른 회로인 것에 알 수 있읍니다. 언뜻 보기에는 같은 푸시풀 회로인데, 동작 기본에서 근본적인 차이가 납니다. 그렇기 때문에, A급 푸시풀 · 앰프와 AB급 푸시풀 · 앰프는, 나오는 소리가 달라지는 것이 당연하게 됩니다.


 

A급, AB급, B급에서 같은 로드 라인이 좋다

여기서, AB급의 로드 라인중 A점 -B 점을 잇는 직선을 연장해 주십시오. Ip=0mA인 곳을 지나는 포인트는, 항상 C점인 플레이트 전압인 것을 알 수 있읍니다. 이 포인트는, B급 동작의 C점과도 일치합니다.

AB급 동작에서는, 출력관 1개마다 동작은 위 그림 같은 A-B-C-D-E 간의 꺽여진 로드 라인이 됩니다만, 푸시풀 동작을 행하고 있는 2개 출력관의 합성된 동작 로드 라인은, AB급이라 하더라도 B급 로드 라인과 같이 됩니다.

그리고, A급 동작때도 B급 동작때의 C점에 해당하는 포인트로부터 부하 저항/4인 로드 라인을 그리면, 바이어스 전압 =0V의 포인트로써, 위 A급 경우의 로드 라인과 교차합니다.

그렇기 때문에, 푸시풀 동작때의 로드 라인은, 무신호시 플레이트 전류값의 다소 에 관계없이, 일정한 플레이트 전압으로 또한 플레이트 전류가 0mA인 점(B급 동작때의 C점)을 기점으로 하여, 부하 저항/4의 로드 라인을 그리면 좋은 것입니다.

그러나, 이것은 푸시풀 동작을 하고 있는 2개 관을 합성한 로드 라인으로, 출력관 1개 1개의 동작은 약간 복잡한 곡선을 그리고 있다 것을 염두에 두십시요. 출력관 1개 1개의 동작은, 위에서 말한 것 같은 꺽여진 로드 라인이 됩니다만, 이 모습을 단단히 이해한 후, 푸시풀 동작의 포인트를 결정되면 좋겠죠.


 

2A3의 동작 조건

RCA 발표 2A3푸시풀 동작 데이터(아래표)를 사용해, 현실적인 동작 조건을 검토해 봅시다. 여기서는, 아래 표의 우측(AB1PP)의 동작 조건을 예로 생각해 봅시다

AB1PP(고정 바이어스) AB1PP(자기 바이어스)
플레이트 전압(Ep) 300V 300V
바이어스 전압(Eg1) -62V (-62V)
음극 저항(Rk) N/A 780Ω
부하 저항(RL) 3kΩ 5kΩ
무신호시 플레이트 전류(Ip0) 80mA (40mA×2) 80mA (40mA×2)
최대 출력시 플레이트 전류(Ipsig) 147mA 100mA
출력(Po) 15W 10W
왜율(KF) 2.5% 5.0%

로드 라인의 해석

2A3의 플레이트 특성그림에서, 플레이트 전압이 300V, 플레이트 전류가 40mA인 포인트로 5KΩ의 푸시풀 · 로드 라인 그려 보면, 아애 같이 됩니다.

굵은선(A-B)이, 출력관 2개의 합성로드 라인으로써, 보통, 푸시풀 · 앰프의 로드 라인은 이 2개 합성시만을 그려 설계합니다. 여기에서는, 참고를 위해서 가는선으로 출력관 1개의 로드 라인도 그렸읍니다. 많은 기사나 문헌에서는, 이 출력관 1개 선을 검증하지 않고,굵은 선을 그리고 있으며, C점을 통하는1.25KΩ 선을 로드 라인으로 그리는 문헌도 있는 것 같습니다만 그것은 실수입니다.

플레이트 전압이 300V, 무신호시 1개의 플레이트 전류가 40mA이기 때문에, 무신호시의 1개의 플레이트 손실은 12W(=300V ×40mA)가 되어, 2A3의 최대 플레이트 손실 15W(붉은 선)에 대해서 20%의 여유가 있습니다.

AB급 동작에서는, 무신호시에서 대출력 동작으로 가면, 플레이트 손실이 크게 되기 때문에, 무신호시에 15W 동작으로 해 버리면, 대출력시에는 정격을 오버해 버리기 때문에, 이와 같이 손실의 정격에 여유를 가지게 할 필요가 있습니다.

바이어스 전압은 -62V(그래프로부터는 -60V)이므로, 크립의  0V까지 진폭하면, 최대 진폭은 플러스 · 마이너스 62V(124Vp-p)가 되어, 싱글보다도 큰 드라이브 전압이 필요합니다. AB급 푸시풀 동작에서는, 싱글 동작과 비교해 바이어스 전압이 깊게 되기 때문에, 드라이브 전압도 크게 됩니다.

A점 -C 점간과, C점보다도 바이어스가 깊은 영역에는, 플레이트 특성 곡선의 사이간격이 눕어 큰 차이가 있습니다. C점보다도 바이어스가 깊은 영역에서는,증폭 동작이 충분히 행하지 모한다는 것을 상상 할 수 있습니다. 이와 같이, 출력관 1개에서는, 진폭의 플러스측과 마이너스측은 비대칭이 된다고 하는 것이 AB급이나 B급 동작의 특징입니다. 이러한 동작은 푸시풀 것으로서, 싱글 회로에서는 불가능합니다.

A급 동작에서는

그럼, 동작 조건을 조금 바꾸어, 보다 A급에 가까운 동작으로 해 봅시다. A급 동작에서는, AB급에 비해서 플레이트 전류를 좀많게 합니다. 그러나, AB급 동작의 조건인 채로 단순하게 플레이트 전류를 많이 하면, 2A3의 최대정격을 넘어가 버립니다. 그래서, 플레이트 전압을 250V까지 내리고서, 적당한 플레이트 전류가 되는 동작을 찾아 보았습니다.


윗 그림의 동작에서는, 플레이트 전압 250V, 플레이트 전류 58mA가 되고 있습니다. 부하 저항은 AB급의 경우와 같은 5kΩ입니다. 이 때의 바이어스는 대체로 -44V입니다.

이러한 조건에서는, 출력관 1개뿐으로도 컷오프하지 않고 충분한 증폭 동작을 하여, 이것이 푸시풀로서 서로 푸쉬(누르는)와 풀(끌어들인)같은 동작을 하게 됩니다.

좀 이상한 표현일지도 모릅니다만, 테니스로 본다면, (1)싱글 동작은, 어떤 공이 와도 항상 한 손으로 포핸드만으로 분발한다.(2) B급 푸시풀은, 항상에한 손으로 포핸드도 백핸드도 한다.(3)A급 푸시풀은, 항상 양으로 포핸드도 백핸드도 한다.(4)AB급 푸시풀은, 좋은 공은 양으로 포핸드와 백핸드, 먼 공은 한 으로 포핸드와 백핸드한다라고 비유하면 좋겠지요.

A급 동작으로 부하 저항을 조금 높게 하면

A급 동작으로 부하 저항을 조금 높게 하는 경우는, 플레이트 전압을 높이고, 플레이트 전류를 적게 해 적당한 동작 조건으로 합니다.

윗 그림의 동작에서는, 플레이트 전압 300V, 플레이트 전류 48mA가 됩니다. 부하 저항은 8kΩ입니다. 이 때의 바이어스는 대체로 -58V입니다.

이와 같이, 2 A3하나에 매우 다양한 동작 조건을 설정 할 수 있습니다. 전원 전압이 높고 낮음이나, 전원에서 공급 할 수 있는 전류의 정도나, OPT의 1차 impedance(부하 저항)의 정도등  주어진 조건에 따라 만는 좋은 동작을 설정하면 됩니다

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