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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 18747      
  12. 전원회로 ( 기초편 )

전원 설계 - 1 ( 기초편 )


전원의 종류

진공관 앰프에는 크게, B전원, C전원, 히터 전원의 3종류의 전원이 있습니다. B전원은, 플레이트에 공급되는 100V∼1000V의 고압 전원으로, 회로도상에「B+」등으로 표현합니다. C전원은, 그리드 바이어스등을 위한 마이너스 전원으로, 회로도상은「C-」라고 표현합니다.

그러면, B전원,C전원이 있는데 A전원은 없을까요. A전원은, 전지입니다. 초기 전자 회로는 단지 라디오로, 초기의 진공관 라디오의 전원은 전지였습니다. 이것을, 전원(AC100V)을 정류해 얻던 전원으로 사용하였기 때문에, 이것을 B전원이라고 부르게 되었습니다.

캐소드팔로워와 회로의 캐소드측에 마이너스를 가하는 설계에서는, B전원병과은 C전원(-100V ∼-400V)이 되는 것도 적지 않습니다. 히터 전원은,  직열· 방열관을 불문하고, 히터(filament)를 위한 전원으로써, 교류 · 직류의 양쪽 모두 사용합니다.


정류 소자

교류로부터 직류를 얻기 위한 최초의 스텝은「정류」입니다. 정류를 하기 위해서는, 한개의 방향으로만 전류를 흘려, 반대 방향에는 전류가 흐르지 않는 성질을 가진 정류 소자를 사용합니다. 정류 소자에는, 진동형태 정류기, 정류관(2극관), 셀렌 정류기, 게르마늄 · 다이오드, 규소 · 다이오드 등 여러가지 있습니다만, 오늘에는, 신뢰성 · 정류 효율 · 내압의 점으로 단지 정류관(2극관)과 규소 · 다이오드만이 사용되고 있습니다. 그러나, 이 세상에는 다양한 정류 작용을 가진 소자가 존재 하고 있어, 그 성질을 이해한 다음 회로에 응용해 보는 것도 재미있다고 생각합니다.

정류관(2극관)

정류관은, 플레이트와 캐소드(직열관에서는 filament)만 을 가진 그리드가 없는 진공관( 즉 2극관)입니다 · · · 3극관의 그리드를 플레이트에  붙여 2극관을 대용으로 한 것도 있습니다. 전류는, 플레이트로부터 캐소드(직관에서는 filament)로  흘러, 그 반대 방향에는 흐르지 않습니다. 이 성질을 사용해 정류를 합니다.

방열정류관· · · 5AR4/GZ34,5V4G,6CA4/EZ81*,6X4/EZ90*,5M-K9,35W4* etc.
직열정류관· · · 5U4(G/GB),80/5Y3GT,5Z3,5R4GY,12F etc.

대부분의 방열정류관에서는, 히터의 일단이 캐소드에 접속됩니다만, 그 중에는 히터와 캐소드가 절연되는 것도 있습니다 (*표). 그러나, 히터-캐소드간에는 매우 높은 직류+교류 전압이 걸리기 때문에, 정류관의 히터는 다른 전압 증폭관이나 출력관과는 독립 시키는 것이 보통입니다.

방열정류관은, 히터가 캐소드를 충분히 가열할 때까지 동작하지 않으므로, 전원을 ON 하고서 안정된 정류 작용이 시작할 때까지 10초 ∼수십초 걸립니다만, 직열정류관에서는 filament가 가열하면 몇 초내로 정류 작용이 시작합니다. 이 차이를 충분히 이해하지 않으면, 생각하지 않는 타이밍으로 B전원에 고압이 걸려 부품이 망가지거나, 바이어스를 위한 C전원이 시간에 맞추지 못하고 출력관을 적열 시켜 버리는 것이 있습니다.


실리콘 · 다이오드

현재는, 전원 회로의 정류 소자의 지위는 실리콘 · 다이오드가 거의 독점한다고 보는 것이 좋겠죠. 고역내압으로 대전류에 견뎌, 소형으로 파괴에 강한(그렇지도 않다?) 규소 · 다이오드가 정류관을 몰아내는데는거의 시간이 걸리지 않았습니다.

다이오드에 전류를 흘린 때에 생기는 전압 강하를「순방향 전압」이라고 합니다. 규소 · 다이오드에서는, 0.6V∼1.2V정도의 사이가 됩니다. 정류관에 비교하면 압도적으로 낮은 값입니다. 한편, 반도체가 쓰는 규소 · 다이오드의 역내압은 중요합니다. 예를 들면, 교류 100V를 단파정류 혹은 2탭식의 양파 정류하는 경우의 정류 다이오드의 역내압은 283V이상 되어야 합니다. 이것을 지키지 않으면 다이오드는 소리도 없이 순간적으로  파괴됩니다. 그리고, 전원 ON 시의 평활 콘덴서의 돌입 전류로부터 다이오드를 지키기 위해서는, 순방향 전류의 최대정격은 동작시 전류의 수 배이상의 여유가 필요합니다.

의외인 것은 다이오드의 발열 문제입니다. 순 방향 전압 0.6V로 평균 200mA를 흘리면, 다이오드는 0.12W의 전력을 소비합니다. 저항기이면 1/2W형태가 필요하는 발열양입니다. 이것이 히터의 직류 점화 가 되면, 순 방향 전압 1.0V, 평균 전류 2A 등이 되어, 다이오드 1소자  소비 전력은 2W도 됩니다. 이것은, 5∼10W형의 법랑 저항과 필적합니다. 감전하고 싶지 않기 때문에 동작중의 다이오드를 맨손으로 만지는 사람은 있지 않겠죠 그러나, 다이오드라고 하는 소자가 얼마나 뜨겁게 되는 것인지는 알아 두어 주십시오.


진공관 정류와 다이오드 정류의 차이

우선, 객관적 사실로서, 에너지 효율은 다이오드가 압도적으로 뛰어납니다. 전압 로스는, 다이오드 고유의 순방향 전압(0.6V∼1.2V정도)만으로 해결됩니다. 정류관에는, 다이오드의 순방향 전압 같은 개념은 있지 않습니다만, 수 V∼백수십 V의 범위로 전압 강하가 있습니다. 그리고, 정류관이 열화함에  따라 이 전압 강하는 크게 됩다. 같은 전압의 트랜스를 사용한 경우, 얻을 수 있는 정류 출력 전압은 다이오드 정류가 높게 됩니다.

그러나, 같은 전원 트랜스를 사용한 경우에 꺼낼 수 있는 최대 전류가 되면 ,다이오드 정류보다도 진공관 정류가 수%∼10%크기 때문에. 꺼낼 수 있는 최대 전류에 대해서 하면, 정류 효율이 나쁜 것이 유리한 것입니다. 설명하면 길게 되므로 다른 문헌에 맡깁니다만, 다이오드 정류가 전원 트랜스의 코일에 흐르는 피크 전류가 크고, 진공관 정류의  피크 전류는 평탄화되고 있는 사정에 의합니다. 다이오드 정류라 하더라도, 다이오드마다에 직렬로 수십∼수백Ω의 저항을 삽입하는 것으로 진공관 정류와 거의 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

정류관도 매우 특수하게, 히터(filament)가 있기 때문에, 그 전원 탭이 필요합니다. 많은 정류관에서는, 히터(filament)와 캐소드가 공통으로 되어 있기 때문에, 다른 관의 히터 코일과의 겸용은 할 수 있지 않습니다. 5U4같은 대형 정류관 이 되면, 5V×3A(즉 15W)의 전력을 필요로 합니다.

다이오드 정류에서는, 전원 ON과 동시에 정류 작용이 시작합니다. 정류관에서는, 전술한 것처럼 동작 개시까지 타임 디레이가 있기 때문에, 증폭 회로 B전원의 전압을 서서히 올리고  싶은 경우에 의도적으로 사용되는 것이 있습니다. 2A3와 80같이, 출력관과 정류관이 세트로 사용할 수 있는 것처럼, filament가 첫 시작 시간을 가지런히 해 있는 것 같은 것도 있습니다.

자작 앰프 builder 사이로 제설이 혼잡하고 있는 것이, 진공관 정류와 다이오드 정류 어느 쪽이 좋을까하는 의논입니다. 다이오드 정류보다도 진공관 정류가 소리가 좋다,라는 설을 잘 듣습니다만,,나는 이 설에는 동의하지 않습니다.


정류 소자의 직렬 · 병렬 접속

정류 다이오드는 병렬 접속 할 수 없다

정류 다이오드를 2개 병렬로 해 사용하면, 2배의 전류 용량을 얻을 수 있는 것처럼 생각됩니다.  아애의 이유로, 정류 다이오드는 그대로는 병렬 접속 할 수 있지 않습니다.

다이오드의 순방향 전압은, 부의 온도 특성을 가지고 있습니다. 온도가 상승하는 것에 따라, 순방향 전압은 저하합니다. 2개의 다이오드가 병렬로 접속된 경우, 어떠한 이유로써 다른 한쪽의 다이오드의 온도가 조금 상승했다고 합니다. 그러면, 온도가 상승한 옆의 다이오드의 순방향 전압이 조금 저하해, 2개의 다이오드에 흐르는 전류에 언바란스가 생깁니다. 전류가 많아진 옆의 다이오드는, 자기 발열에 의해서 온도가 상승하고, 그 결과, 순 방향 전압이 저하, 전류가 증가, 온도가 상승, 순방향 전압이 저하, 전류가 증가, 온도가 상승 · · · ·이 반복해져, 결국, 1개의 다이오드 밖에 전류가 흐르고 없어져 버립니다.

병렬로하고 싶은 경우는, 각각의 다이오드와 직렬로 꺼내는 출력 전류에 따라 0.1Ω∼수십Ω의 저항을 넣지 않으면 안 됩니다.

정류 다이오드의 직렬 접속

정류 다이오드를 직렬로 해 사용하는 것은 가능합니다. 전류 용량의 증가에는 효과가 있지 않습니다만, 역내전압을 높이는 것은 할 수 있습니다.

정류관의 병렬 접속

정류관을 병렬로  사용하는 것은 가능합니다. 정류관은, 다이오드 같은 온도 의존성이 있지 않기 때문에, 병렬 접속으로 해 n배의 전류 용량을 얻을 수 있습니다. 다만, 관의 차에 의한 부하의 편향을 막기 위해서, 각각의 정류관과 직렬로 수십Ω∼백수십Ω의 저항을 넣는 것을 추천합니다.


정류 방식

반파 정류

일찌기, 염가인 진공관 라디오에 다용되었던, 정류 소자를 1개만 사용하는 간이적인 정류 방식입니다. 교류에 포함되는 전력 사이클 중의 한쪽 편 반만을 꺼내기 때문에, 트랜스 및 정류 소자의 부담이 크고, AC전원을 오염하고, 또한 정류 직후의 맥류(리플을 다량으로 포함한 직류)의 평활에는 보다 대용량의 콘덴서가 필요합니다. 50/60Hz의 교류를 반파 정류한 때의 리풀의 주파수는 50/60Hz입니다.



교류를 정류한 직후는, 맥류라고 불리우는 형태의 파형을 얻을 수 있습니다. 이것도 직류의 일종입니다. 정점의 전압은 원래의 교류 전압(200V의 경우)의 √2배=약 283V있습니다만, 면적으로 생각하면 한쪽 편의 파형을 잃게 되기 때문에 원래의 교류의 1/2이 되고 있습니다. 이대로 테스터로 측정하면 표시는 약 100V가 됩니다. 왜냐하면, 테스터는 피크값이 아니고 실효과값을 표시하기 때문입니다.(윗 그림)

콘덴서에 의한 평활 회로를 삽입하면, 파형의 정점을 이은 상태의 직류가 되므로, 면적으로 생각하면 원래의 교류의 √2배, 정류 직후의 맥류의 2√2배, 즉 약 283V의 직류가 됩니다.(밑그림)



(주 :여기서의 전압은, 전원 트랜스의 손실이 없고, 다이오드(혹은 정류관)에서 의 전압 강하도 없고, 맥류가 완전하게 평활된 것으로 한 상태로 계산하고 있습니다. 꺼내는 직류 전류는, 원래의 교류 전압을 √2배가 된 전압과 거의 동일해집니다.)

다이오드(정류관)로 걸리는 역전압은, 윗 그림의 경우에서는 566V입니다. 그리고, 다이오드(정류관)에 흐르는 평균 전류는, 직류 출력 전류와 같은값이 됩니다. 다이오드는 역내압이 600V이상의 것이 아니면 안 됩니다.

물자가 부족했던 일본에 있어서 반파 정류는 다용되었습니다만, 본고장 미국에서는 옛부터 양파 정류(후술)가 일반적이었습니다. 그러나, 회로가 간단하여, 전원 트랜스에 전용 코일이 필요하지 않기 때문에, 바이어스용 C전원 같은 미소 전류 회로에서는 현대에도 매우 많이 사용됩니다. 반파 정류에서는, 전원 트랜스의 누설 자속이 격증하고, 코어의 진동도 크게 되기 때문에, B전원이나 히터 전원으로의 채용은 추천하지 않습니다.

양파 정류보다도 반파 정류가 소리가 좋다라는 풍설을 귀로 들은 적이 있습니다만, 나는 이 설에는 동의 하지 않습니다.

센터 탭식 양파 정류

양파 정류에도 몇개의 방식이 있습니다만, 가장 일반적인 것이, 2개의 코일을 사용한 양파 정류 방식으로써, 센터 탭식 양파정류라고도 합니다. 위상이 반대인 2개의 반파 정류를 편성한 것이라고고 생각하면 좋겠죠. 반파 정류보다도, 양파 정류에서는 맥류가 조밀하게 이어지고 있는 만큼 정류 효율이 좋게 되고 있습니다. 50/60Hz의 교류를 반파 정류한 때의 리풀의 주파수는 100/120Hz입니다.


교류를 정류한 직후의 맥류는, 연속한 것 같은 파형을 얻을 수 있습니다. 정점의 전압은 원래 교류 전압(200V의 경우)의 √2배=약 283V이고, 면적으로 생각하면 원래 교류와 같이 되고 있습니다. 이대로 테스터로 측정하면 표시는 약 200V가 됩니다.(윗 그림)

콘덴서에 의한 평활 회로를 삽입하면, 파형의 정점을 이은 상태의 직류가 되므로, 면적으로 생각하면 원래의 교류의 √2배, 정류 직후의 맥류의 √2배, 즉 약 283V의 직류가 됩니다.(밑그림)

 

다이오드(정류관)에 걸리는 역전압은, 윗 그림의 경우에서는 566V입니다. 그리고, 다이오드(정류관)에 흐르는 평균 전류는, 직류 출력 전류의1/2이 됩니다. 다이오드는 역내압이 600V이상의 것이 아니면 안 됩니다.

브리지양파 정류

같은 양파 정류에서도, 전원 트랜스에 센터 탭이 필요하지 않는 , 정류 소자를 4개 사용하는 정류 방식입니다. 최종적으로 얻을 수 있는 맥류는 센터 탭식과 같습니다.


1개의 다이오드(이 방식으로 정류관이 사용되는 것은  있지 않습니다)에 걸리는 역전압은, 윗 그림의 경우에서는 283V입니다. 그리고, 다이오드(정류관)에 흐르는 평균 전류는, 직류 출력 전류의 1/2이 됩니다. 다이오드의 역내압은, 다른 정류 방식에 비해서 낮아도 좋다(1/2이므로 300V)라고 하는 장점이 있습니다. 결점이라고 하면, 항상 다이오드가 2개 직렬로 들어가 버리는 것입니다. 100V이상의 고압이면 문제아닙니다만, 히터의 직류 전원 같은 저전압 · 대전류 회로에서는, 2개분의 다이오드의 순 방향 전압(0.6∼1.0V×2)에 의한 전압 저하가 무시할 수 없게 됩니다.

배전압양파 정류

1개의 코일로써, 2배의 정류 출력 전압을 얻으려는  좋은 회로입니다. 이 회로는, 반파 정류 회로의 변형이라고 생각 할 수 있어, 반파 정류 회로에서 사용되지 않았던 부의 사이클도 사용하여지하는,발상이 있습니다.

 

반파 정류와 같은 맥류가 되며, 다이오드(정류관)에 흐르는 평균 전류도, 직류 출력 전류도 같은값이 됩니다. 다이오드(정류관)에 걸리는 역전압은, 윗 그림의 경우에서는 566V입니다. 50/60Hz의 교류를 반파 정류한 때의 리풀 주파수가 100/120Hz가 되기 때문에, 명목상은 양파 정류라고 불리우고 있습니다만, 반파 정류 회로라고 하는 편이 실제에 입각해 있다고 생각합니다.

콕크로트 회로

세상에는 재미있는 것이 많아, 이 콕쿠프트 회로는 n배전압을 얻을 수 있는 이상한 정류 방식입니다. 밑그림 위로부터 순서로, 2배전압 정류, 3배전압 정류, 4배전압 정류가 되고 있습니다. 이 방법으로 5배,6배· · · n배정류가 가능합니다. 다만, 배율이 높게 되는 것에 따라 얻을 수 있는 출력 전류는 격감해 갑니다. 전류는 거의 필요없지만 높은 전압이 가지고 싶은 때를 위해서 알아 두면 편리합니다.

 


콘덴서 · 인풋과 초크 · 인풋

정류 출력의  뒤에는, 맥류를 매끈매끈한 직류로 바꾸는 평활 회로가 옵니다. 평활콘덴서의 충방전 작용을 응용한 것이 상식적으로 사용됩니다만, 정류 직후에 콘덴서를 둘지 (콘덴서 · 인풋), 초크를 사이에 두고서 콘덴서를 둘지(초크 · 인풋)의 2개 방법이 있습니다.

위:콘덴서 · 인풋, 밑:초크 · 인풋

지금까지의 설명은 모두 콘덴서 · 인풋을 전제로 하고 있었으므로, 교류 200V를 정류 · 평활하면 283V이 되었습니다. 그것은, 맥류의 피크값(283V)이 콘덴서에 흘러들기 때문입니다. 초크 · 인풋에서는, 도중에 초크의 탓으로 콘덴서에는 실효과값(200V)밖에 걸리지 않기 때문에, 평활하면 200V가 됩니다. 이 2개 방식의 차이는,

콘덴서 · 인풋· · · 초크가 불요, 높은 정류 출력 전압을 얻을 수 있다, 정류 출력 전압은 직류 출력 전류의 변화의 영향을 받기 쉽고, 다이오드(정류관)에 전원 ON직후의 콘덴서를 충전 하기 위해 돌입 전류가 흐른다, 거의 앰프가 채용.

초크 · 인풋· · · 반드시 무거운 리풀 전류에서도 진동이 어렵고 누설 자속이 적은 초크 인풋 전용의 초크가 필요, 정류 출력 전압이 낮다, 정류 출력 전압은 직류 출력 전류의 변화의 영향을 받는다, 전원 ON직후의 콘덴서를 충전 하기 위해 돌입 전류는 완만, 이 방식을 채용하고 있는 앰프는 적다.

로 정리했읍니다. 언뜻 보기에, 초크 · 인풋도 나쁘지 않다고 생각됩니다만, 초크의 진동과 자속 누락의 문제가 크고,  시판 전원 트랜스의 거의가 콘덴서 · 인풋을 의식하고 있는 탓도 있어, 세상의 앰프의 전원 회로는 콘덴서 · 인풋이 많습니다. 그러나, 가지고 있는 전원 트랜스가 고압 탭이 없어, 이것을 사용해 저압으로 동작하는 관을 사용한 앰프를 만들고 싶은 경우는, 초크 · 인풋 방식이 편리합니다 · · · 다만 이런 사용법은 초크 · 인풋 본래의 사용법이 아닙니다.

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