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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 13220      
  7. 바이어스 방식과 그리드 저항

 

바이어스 방식과 그리드 저항


고정 바이어스냐 캐소드 바이어스냐

출력관 동작 예의 데이터를 보면, 아래 표와 같이, 캐소드 바이어스(자기 바이어스)와 고정 바이어스의 각각 데이터가 게재됩니다. 표 중의「F」라든지「C」라고 하는 것이 그 구별로써, 각각「Fixed bias」「Cathode bias」의 두 문자입니다.

2A3의 경우「F」이기 때문에 데이터는 고정 바이어스입니다, 캐소드 저항값(Rk)도 함께 기재됩니다. 이런 경우는「캐소드 바이어스로 한다면 캐소드 저항에는 750Ω을 사용하라는 의미이고, 최대 출력시 왜율에 대해서는 보증 하지 않는다」라고 해석합니다. 6L6-G의 경우는 좀 더 명확하게, 캐소드 바이어스, 고정 바이어스 각각에 상세한 동작 데이터가 소개되고 있습니다.

로드 라인에서 설명하였읍니다만, 진공관의 Ep-Ip 특성 곡선은, 오른쪽 아래로 감에 따라 간격이 좁아집니다. 즉, 많든 적든 이상적인 직선성이 아닙니다. 그리드에 신호가 들어 오면, 플레이트의 전위는, 동작점을 중심으로 로드 라인상을 오가는  것입니다만, 좌측위 방향과 오른쪽 아래방향에는 거리에 차가 생깁니다 · ·밑그림 참조.

진공관의 동작 포인트를 보면 중점을 중심으로 이동합니다. 신호가 들어오면 동작 포인트보다 약간 좌측위(위의 초록 화살표)에 위치하기 때문에,  결과적으로 플레이트 전류가 증가 합니다. 직선성이 나쁜 관은 플레이트 전류가 크게 증가합니다.

그렇기 때문에, 소신호시보다, 최대 출력시가 플레이트 전류(뿐만 아니라 스크린 그리드 전류도)가 많아지려고 합니다.

캐소드 바이어스에서는, 플레이트 전류가 많아지려고 하면, 캐소드 저항에 의한 전압 강하가 보다 크게 되어 바이어스가 깊게 되어, 무신호시에서 정한 동작점이보다 오른쪽 아래방향 으로 이동해 버리기때문에, 플레이트 전류 전체에 대해서 증가를 억제하는 작용이 일어납니다.

고정 바이어스에서는, 그러한 작용이 일어나지 않습니다. 표 중의 6L6-G의 데이터에써, Ib0의 값이, 고정 바이어스보다도 캐소드 바이어스가 큰( 75mA>72mA)이유는, 그러한 사정이 있기 때문입니다. 덧붙여서, 캐소드 바이어스시의 바이어스 전압은, -(75mA+5.4mA)×167Ω=-13.4V가 되어, 고정 바이어스의 -14.5V보다 도 얕게 됩니다.

그렇게 한 사정을 생각하면서, 앞 표를 보면, 6L6-G에 있어서의「F」와「C」의 무신호시 플레이트 전류(Ib0)와 최대 출력시의 플레이트 전류(Ibsig) 변화의 차이를 이해할 수 있다 생각합니다.

  • 고정 바이어스 · · · 72mA∼79mA (+7mA)
  • 캐소드 바이어스 · · · 75mA∼78mA (+3mA)
일반적으로 ,무신호시 플레이트 전류가 같으면, 고정 바이어스보다 큰 출력을 꺼낼 수 있습니다만, 싱글 동작의 경우는 현저한 차는 나오지 않습니다. 그러나, 로드 라인상의 플레이트 전류값이 0mA의 곳까지 다 사용하는 푸시풀 동작, 특히 AB급 동작에서는, 최대 출력에 큰 차이가 납니다.


캐소드 바이어스 회로

캐소드 바이어스 회로가 성립되기 위한 전제조건은, (a)캐소드 전류는 일정하다 (b)그리드는 접지된다는,  2점입니다. 그리고,캐소드 전위가, 접지되는 그리드두 전위에 대해 상대적으로 플러스가 되는 것을 이용해, 결과적으로 그리드에 마이너스의 바이어스가 걸린 효과를 얻는다라는 방식인 것입니다.

음극 바이어스의장점은 ,
  1. 출력관의 폭주를 막아, 안정된 동작을 보증 할 수 있다,
  2. 일종의 국부 직류 귀환 회로이기 때문에, 관의 불균형이 있어도 동작 조건이 일정한 범위내에 자동적으로 갖추어진다,
  3. 그리드 저항값을 크게 할 수 있다,

는  3점이겠지요.

점으로서는,

  1. 전원 전압을, 바이어스 전압분만큼 높혀야 한다,
  2. 특히 푸시풀 회로에 있어서 최대 출력이 낮게 된다,
  3. 캐소드 저항의 발열이 문제가 되는 것이 있다,
  4. 캐소드 저항을 바이패스 하기 위해 콘덴서가 필요가 되어, 초 저역 특성의 열화의 한 요인이 된다,
의 4점입니다.

캐소드 바이어스는, 출력단보다도 일반적으로 전압 증폭 회로에 잘 이용됩니다만, 그 이유는, 상기 장점중 (2)의 효과가 크고,또한 단점의(1), (2), (3)은 어느것이나 거의 문제가 되지 않기 때문입니다.

캐소드 바이어스 회로에서 자주 문제가 되는 것은, 캐소드 저항의 발열의 크기입니다. 특히, 바이어스가 깊은 출력관에 있어서는, 캐소드 저항에서 발열되는 열이 매우어 큰 것이 됩니다. 몇개의 싱글 동작 예에 대해서 검증해 봅시다.

  • 6BQ5의 경우 · · ·(48mA+5.5mA)×7.3V=0.39W
  • 6V6의 경우 · · ·(45mA+4.5mA)×12.5V=0.619W
  • 45의 경우 · · · 36mA×56V=2.0W
  • 2A3의 경우 · · · 60mA×45V=2.7W
  • 300B의 경우 · · · 60mA×74V=4.44W
  • DA30의 경우 · · · 62.5mA×102V=6.38W
위와 같은  상태가 됩니다. 45로부터 밑의 직열 3극관의 경우 캐소드 저항이 얼마나 대량의 열을 발생 시키는지 이해할 수 있다고 생각합니다.


고정 바이어스 회로

고정 바이어스 회로의 구성에는, 실은 다양한 변주곡이 있습니다. 기본적으로는, 출력관의 캐소드는 (거의)접지되어, 어스와(거의) 동 전위같은 경우입니다. 또는, 캐소드 전류값이 변화해도, 캐소드 바이어스 같이, 바이어스가 변화 하지 않는 회로로도 사용됩니다.

고정 바이어스의장점은,

  1. 캐소드 회로에서 콘덴서가 1개도 필요없다,
  2. 특히 푸시풀 회로에 있어서, 보다 큰 출력을 얻을 수 있다,
  3. 캐소드 바이어스보다도 낮은 전원 전압으로도 해결된다,
  4. (바이어스를 가변으로 한 경우) 관의 불균형을 보정 할 수 있다,

이 4점입니다.

단점으로서 는,

  1. 마이너스 전원등 바이어스 회로가 복잡하게 된다,
  2. 관의 불균형에 의한 플레이트 전류의 고르지 않음을 보정 하기 위해서, 바이어스의 미조정이 반드시 필요하게 된다,
  3. 만일의 출력관의 폭주를 억지하는 것이 까다롭다,
  4. 그리드 저항 값을 높게 할 수 없다,
의 4점입니다.

바이어스의 거는 방법에도 여러가지 있어, 가장 일반적인 방법은, 마이너스 전원을 만들어, 그곳에서 그리드 저항을 거쳐 출력관의 그리드에 바이어스를 거는 것입니다. 이 경우는, 그리드 저항값의 최대정격은 꼭 지켜야합니다.

전단이, 마이너스 전원을 가진 캐소드팔오워등으로 되는 경우, 전단의 캐소드와 출력단의 그리드가 직결로 되어 있는 것 같은 고정 바이어스도 잘 보여집니다. 이 경우는, 만일 그리드 전류가 흘러도, 전단의 캐소드팔로워가 그리드 전류를 흡수해 버려, 바이어스에는 거의 변화를 많이 주지 않아, 이런 타입의 고정 바이어스 회로는 매우 안전도가 높게 됩니다.

고정 바이어스 회로라 하더라도, 캐소드측에 수 Ω∼10Ω라는 매우 작은 값의 저항을 삽입하는 것이 있습니다. 이것은, 이 저항의 양단에 생긴 전압을 측정하여, 캐소드 전류값을 간단히 알 수 있기 때문입니다. 다만, 여기서 삽입한 캐소드 저항은, μ배가 되어 출력관의 내부 저항값에 가산되기 때문에, 10Ω이 상한치라고 생각하는 편이 좋겠죠. 고정 바이어스 회로에서는, 바이어스 조정을 행하지않으면, 대부분의 경우 캐소드 전류를 설계값으로 맞출 수 없읍니다. 통전 중의 앰프의 캐소드 전류를 재어 바이어스의 조정 작업을 하기 쉽게 설계할 필요가 있습니다.

메이커제의 앰프에서는, 고정 바이어스는 거의 출력단에만 사용합니다. 나는, 고정 바이어스를 전압 증폭단에도 잘 사용합니다. 그것은, 캐소드 저항이 필요없게 되는 것과 동시에, 캐소드 저항에 필요한 콘덴서도 필요없게 되는 등, 여러가지 장점을 얻을 수  있기 때문입니다.


캐소드 바이어스와 고정 바이어스의 병용

이것을, 반고정 바이어스라고 부르는 사람이 있는 것처럼, 캐소드 바이어스와 고정 바이어스의 병용이라고 하는 방법도 훌륭하게 통용합니다. 예를 들어 2A3을 생각해 보면, 회로의 형편상 -12V를 얻을 수 있으면, 이것을 2A3의 바이어스에 사용했다고 합니다.그 렇게 하면, 2A3이 필요로 하는 -45V에 33V가 부족합니다. 그런데, 캐소드 저항으로서 560Ω을 삽입하면 앞뒤를 맞출 수 있습니다.

캐소드 바이어스를 채용한 경우라 하더라도, 관의 불균형을  조정하고 싶은 경우도 있습니다. 그런 때, 바이어스의 일부를 가변 할 수 있는 고정 바이어스로 두면, 출력단의 동작 조건을 관리 할 수 있습니다. 그러한 의미에서는, 캐소드 바이어스에서는, 일단 캐소드 저항을 회로에 넣어 버리면, 동작 조건이나 출력관을 함부로 변경 할 수 없는 결점도 있습니다. 자작한 앰프에, 가지각색인 출력관을 교환하여 꽂아 즐기고 싶은 분은 고정 바이어스나 반고정 바이어스가 실은 편리하게 여겨 집니다.

실제, 전원 전압 300V, 출력 트랜스의 1차 impedance 5kΩ,라는 조건으로 6L6(3결)싱글 앰프를 제작했다고 합니다. 이 앰프가 고정 바이어스 방식으로써, 바이어스 전압을 -25V ∼-45V 범위로 가변 할 수 있으면, 6L6과, 6F6, 6V6, EL34/6CA7, 6G-B8, KT66, KT77, KT88, 6550A, WE350B등 여러가지 관을 갈아 넣어 차이를 즐길 수 있습니다 · · · 단, 후술하는 그리드 저항값의 최대정격에는 부디 주의 주세요. 캐소드 바이어스 방식에서는 별 문제가 없습니다.


그리드 저항

고정 바이어스에서 화제가 된 그리드 저항의 이야기입니다. 출력관의 최대정격에는 Rg(C)」라든지「Rg(F)」라는 기술이 있습니다 (앞 표에도 추가 기입되어 있읍니다.) 2A3의 경우, 고정 바이어스시는 50kΩ, 캐소드 바이어스시는 500kΩ이 됩니다. 이것은「최대정격」이라고 불리는 규격이기 때문에, 회로 동작의 안전을 위해서, 출력관의 그리드 저항의 값이 이것보다도 큰 값 이 되면 않되는 한계값을 나타내고 있습니다.

왜 이러한 것을 지키지 않으면 안될까하면, 통상의 동작에서는, 오로지 가열된 캐소드(혹은 filament)로부터 전자가 튀쳐나와 플레이트에 충돌합니다만, 캐소드(혹은 filament)에 의해 고온이 된 그리드로부터도 전자가 튀쳐나올 수  있기 때문입니다. 이런 현상을, 그리드로부터도 emission이  나온다라고 합니다. 그리드로부터 전자가 튀쳐나오고 플레이트로 뛰어 드는 것은, 바꿔 말하면, 플레이트로부터 그리드로 전류가 흐르는 것을 의미합니다. 그 전류는, 그리드로부터 어스로 향해 그리드 저항을 흐른라면 어떻게 되겠지요. 그리드측에 플러스의 전압이 생겨 버립니다. 즉, 바이어스가 얕게 되어 버립니다. 바이어스가 얕게 되면, 플레이트 전류는 더욱 증가하고, 관의 온도는 더욱 상승합니다. 그리드의 온도도 더욱 상승 하기 때문에 바이어스는 좀 더 얕게 되어, 그 결과 플레이트 전류는 더욱 증가하고 · · · 이 악순환을 반복하면서 마침내 출력관은「폭주」에 이릅니다. 그리고,폭주가 일어나는 것을 깨닫지 못하는 동안에 플레이트 전류가 생각하지 않는 값으로 되어  때문에. 플레이트 적열시 처음 나타나 매우 좋지 않습니다.

캐소드 바이어스에서는, 캐소드 저항에 의한 플레이트 전류의 증가 억제 효과를 기대 할 수 있기 때문에, 그리드 저항값은 조금 커도 괜찮지만, 고정 바이어스에서는 그리드 저항값이 매우 엄하게 규정되어 있습니다.

그리드로부터도 emission이 나와 버리는 문제에 대해서 다른 어프로치도 행해지고 있습니다. 그것은, 그리드의 온도가 상승 하지 않게, 여러가지 방지하는 관이 있습니다. 그리드 온도 상승을 막기에는, 그리드가 감겨지는 지주로부터 전도열에 의한 냉각 방법이 있습니다. 그런데, 상부로 쑥 내미게 한 지주에 방사 냉각을 위한 방열 핀을 달거나, 그리드를 2개 이상의 베이스 핀에 wire을 연결해 그것을 탄 방열을 시도하거나 하는 관이 다수 존재합니다 · · · 6G-A4, 6R-A8, 50C-A10 등. 역으로 생각해, 이러한 관은 그리드의 가열이 문제가 될 정도 관 전체가 고온이 되는 것이다라고 판단하는 것이 현명하다고 생각합니다.

그런데, 출력관안에도, 구조나 재질상 그리드 전류가 흐르기 쉬운 관과 그렇지 않은 관이 있습니다. 그것은, 그리드 저항값의 최대정격을 보면 짐작 할 수 있습니다. 아래 표는, 대표적인 출력관의 고정 바이어스시의 그리드 저항의 최대정격입니다.

  • 10kΩ· · 50
  • 50kΩ· · 2A3,6550A
  • 100kΩ· · 6F6,6L6,6V6,KT88
  • 250kΩ· · 6G-A4
  • 300kΩ· · 6BQ5,7189A
  • 500kΩ· · 6G-B8
  • 700kΩ· · EL34/6CA7
  • 1MΩ· · 807
와 같읍니다. 50이 그리드 전류가 매우 흐르기 쉬운 관의 선두인 것은 유명한 이야기이군요. 50에서는, 그리드 저항값이 10kΩ로 플레이트 전류가 나타나 휘청거립니다. 여기에 쓰여된 값은 안전상 허용된 상한치이기 때문에, 실제의 설계시에는 할 수 있으면 이 값을 밑도는 것으로 하지 않으면 안 됩니다.

그러나,너 무 작은 값으로 해 버리면, 이번은 드라이버단의 부하가 자꾸자꾸 무겁게 되어 , 드라이버가 여유를 가지고출력관을 드라이브 할 수 없게 됩니다. 이러한 근처가, 출력단을 캐소드 바이어스로 할지, 고정 바이어스로 할지의 결정요인이 되기도 합니다.

앰프의 설계에서는, 이러한「저리를 세우면 이쪽이 떠나지 않고 · · ·」이라는 난제가 도처에 존재합니다. 그것을 어떻게 해결해 결정된 하나의 앰프로 마무리할지를 생각하는 앰프 설계의 제 맛이어서, 다양한 개성적인 앰프가 태어나는 이유이기도 합니다.사람이 설계한 앰프의 회로도를 보고, 이 앰프는 어디서 고생해, 결국 어느 쪽을 세웠는지를 알게 되면, 좋겠죠.


제로 · 바이어스(그리드리크 · 바이어스)

아래 그림을 봐 주십시요. 진공관식 5구슈퍼 라디오의 전압 증폭단에는, 6ZDH3A,12AV6,6AV6등이 많이 사용되고 있었습니다만, 이런 관의 음극은 아래 회로 같이 직접 접지되어, 그리드에는 5MΩ∼10MΩ의 고저항이 삽입 되고, 항상 콘덴서(C1)로 직류가 차단됩니다.

내가 처음 이 회로에 본 때, 이 회로의 의미를 모두 알지 못했습니다. 그리드의 전위는 0V가 되기 때문에, 이 회로에서는 바이어스를 줄 수 없다라고 생각했습니다.

요술의 술책 공개입니다. 제로 · 바이어스의 원리를 이해 하기 위해서는, 캐소드로부터 튀어 나오는 전자를 이해 하지 않으면 안 됩니다. 캐소드가 가열되면 그곳으로부터 전자가 튀어 나오기 쉽게 됩니다. 그 때, 캐소드에 대향하는 플레이트에 높은 전압을 주면, 튀쳐나온 전자는 플레이트로 뛰어듭니다. 이것이 플레이트 전류입니다.

그런데, 캐소드를 튀어나온 전자는,조금입니다만 그리드에도 뛰어 듭니다. 만약, 그리드에 충분히 깊은 바이어스가 주어지고 있으면, 그리드에는 전자가 뛰어 들지 못합니다만, 바이어스가 얕은 0V부근에서는 꽤 많은 전자가 뛰어들어 버립니다. 그리드로부터 캐소드로도, 몇 안 되는  전류가 흐르는 것이 됩니다. 이 전류를, 초속도 전류라고 합니다.

아래그래프는, 초속도 전류를 실측해, 초속도 전류값과 바이어스의 관계를 집계한 것입니다. 12AX7에 주목해 봅니다. 바이어스가 -0.1V때 의 초속도전류값은 29μA, 즉 0.029mA입니다. 바이어스가 -0.45V가 되면 1μA 까지 감소합니다. 바이어스가 -0.7V가 되면 0.1μA이하까지 감소 할 것 같습니다.

그리드와 어스의 사이에 고저항이 삽입된 경우, 초속도 전류가 흐르는 것에 의해서, 고저항에 전압 강하가 생겨, 그리드(위 회로도상의 X점)는 마이너스의 전위가 됩니다. 즉, 바이어스가 생깁니다. 바이어스가 생기면, 초속도 전류는 감소 하려고 해, 초속도 전류가 감소하면 바이어스는 얕게 되는 관계에 있습니다.  회로에서는, 초속도 전류와 바이어스가 밸런스 한 포인트로 동작이 안정됩니다. 아래에, 밸런스되는 포인트 의 편성을 모아 보았습니다.

X점의 전위 초속도 전류 그리드 저항값
-0.1V 29μA 3.4kΩ
-0.2V 12μA 16.7kΩ
-0.3V 4.5μA 66.7kΩ
-0.4V 1.7μA 235kΩ
-0.5V 0.6μA 833kΩ
-0.6V 0.2μA 3MΩ
-0.7V 0.09μA 7.8MΩ

와 같습니다. 그리드에 5MΩ을 삽입한 12AX7의 제로 · 바이어스 회로에서는, 바이어스가-0.6V∼-0.7V근처  밸런스 한 동작이 될 것 같습니다.

초속도 전류는, 진공관에 따라 꽤 많은 불균형이 있습니다. 그리고, 플레이트 전압에 의해서 꽤 영향을 받습니다. 왜냐하면, 플레이트 전압이 높으면, 플레이트가 보다 강하게 전자를 끌어당기기 때문에, 초속도 전류는 감소하기 때문입니다.

이상으로부터, 제로 · 바이어스는, 그리드 저항의 값이 같으면, 초속도 전류에 의해서 주어지는 바이어스의 깊이는거의 일정하다라고 생각 할 수 있을 것 같습니다.

발표되는 제로 · 바이어스의 동작예에서는, 바이어스 전압의 표시는 없고, 오로지 플레이트 전류와 플레이트 전압 밖에 모릅니다만, 그 플레이트 전류와 플레이트 전압을 12AX7의 Ep-Ip 특성상에 나타낸  한 것이 아래 그림입니다.

이것은, 그리드 저항 값이 10MΩ 때인 것으로써, 바이어스가 -0.8V부근에 예쁘게 줄지어 있습니다. (단, 데이터의 일부에 분명히 미스프린트라고 생각되는 것이 있었으므로, 유사관인 6AV6의 데이터로 대용해 보충하고 있습니다.)

제로 · 바이어스에서는, 그리드 저항 값을 더 이상 크게 해도, 바이어스를 더욱 깊게  할 수 없습니다. 바이어스 -0.9V이하에서는, 초속도 전류가 거의 흐르지 않기 때문입니다. 따라서, 바이어스를 -2V보다 도 깊은 영역에서 동작 시키는 관(12AU7나 6SN7GT나 출력관)에서는, 제로 · 바이어스를 사용 할 수 없습니다.

그리고, 초속도 전류가 흐르는 영역에서는, 초속도 전류의 탓으로 입력 impedance가 저하합니다. 그리드 저항값이 10MΩ이기 때문에, 입력 impedance도 10MΩ가 아니고, 실제는 좀 더 낮은 값이 됩니다. 또한, 저왜율의 특성을 얻을 수 있는 것은, 입력 신호가 100mV이하의 미소 신호의 영역에 한해집니다. 큰 신호를 입력하면, 초속도 전류가 많이 흐르는 영역으로 가기 때문입니다.

제로 · 바이어스 회로는, 12AX7나 6SQ7GT라는 μ가 높은 전압 증폭관에 있어, 비교적 작은 입력 신호 레벨로의 증폭 에 적절합니다. 그리고, 높은 그리드 저항값을 유지 하기 위해서, 전단과 사이에 삽입하는 콘덴서는 절연 성능이 좋은 것을 선택할 필요가 있습니다.


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