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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
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  12.1 전원회로 - 2 (실용 지식편)

 

전원설계 - 2 (실용의 지식편)


B전원 · · 전원 트랜스와 정류 출력 전압(콘덴서 입력)

이상적인 조건하에서 교류를 정류하고, 평활을 한 때에 얻을 수 있는 직류 전압은, 원래 교류 전압의 √2배였습니다. 그러나, 전원 트랜스에는 코어에 의한 손실(철손)이나 코일에 의한 손실(동손)이 있고, 다이오드나 정류관의 전압 강하, 또한 평활시에 생기는 전압 로스등 때문에, 최초의 평활 회로에서 얻을 수 있는 직류 출력 전압은 감소합니다. 그럼, 어느 정도의 감소를 전망해 전원 회로를 설계하면 좋을까요.

그 대답은 대략「1.25배 ∼1.3배」입니다. TANGO의 3개의 전원 트랜스에 대해서 검증해 봅시다.

ST-220 LH-150 N-12
2차 전압 280V,250V×2 300V,280V×2 250V,220V×2
2차 전류 220mA(관)/210mA(Si) 150mA(관)/140mA(Si) 120mA(관 /Si)

이 3개의 전원 트랜스에 있어서, 다이오드 정류를 해 얻을 수 있는 직류 출력 전압이, 원래의 교류 전압의「1.3배」또는「1.28배」가 되는지  조사해 봅니다.

ST-220 LH-150 N-12
조사한 2차 전압 280V×2 300V×2 250V×2
직류 출력 전압이1.3배가 되는  · · · 364V 390V 325V
직류 출력 전류는 · · · 175mA 130mA 95mA
직류 출력 전압이1.28배가 되는  · · · 358V 384V 320V
직류 출력 전류는 · · · 210mA 150mA 115mA
카탈로그상의 정격 210mA 140mA 120mA

과 같습니다. 트랜스의 불균형에서 나옵니다만, 정격전류까지 취득시의 직류 출력 전압은「거의 1.28배 (그 중에는 1.25배정도의 트랜스도 있음)」가 되어, 조금 여유를 가지는 조건이라도「1.3배」가 됩니다. 그것은, 전원 트랜스에서 발생하는 로스에 의한 온도 상승과, 전원 트랜스의 허용 온도와의 관계가 거의 일정이기 때문입니다. 덧붙여서,ST-220의 정류 출력 특성은 대개 아래와 같습니다.


TANGO ST-220 (콘덴서 · 인풋 /C=47 μF)

이 그래프에는, 정류관 중에서 가장 정류 효율이 높다고 말해지는 5AR4/GZ34의 데이터도 실려 있습니다. 여기서 아는 것은, 효율이 좋은 정류관을 사용한 경우의 직류 출력 전압은, 원래의 교류 전압의「1.15배 ∼1.2배」입니다.

그럼, 5AR4/GZ34이외의 정류관에서는 어떨게 될까.

300V/100mA 300V/200mA
5AR4/GZ34(신) 370V 340V
5AR4/GZ34(구) 360V 320V
5U4-GB 350V 317V
5U4-G/5Z3 310V 243V
5Y3-GT/80 300V 정격오버

주:5AR4/GZ34는, 동명이라 하더라도 제조 시기에 따라 특성이 다릅니다.

위의 데이터는 모두, 콘덴서 · 인풋 방식으로 , 평활 콘덴서에 10∼47μF를 넣은 경우의 것이 혼재 하고 있고, 가정하는 전원 트랜스는 여러가지 잡다합니다. 제조건이 가지가지인 것을 억지로 1개의 표에 모으고 있습니다. 대개의 경향을 잡으십시요.


B전원 · ·(초크 입력)

미안하군요. 초크 입력 방식의 전원은 아직 한 적이 없기 때문에, 세상 일반적으로 입수 할 수 있는 문헌의 도용 정도 밖에 자료가 있지 않습니다. 그럼, 왜 초크 입력 방식이 유행하지 않을까 하면, 전용의 초크가 필요하기 때문입니다. 보통 초크로는, 대량의 리풀때문에 초크가 끙끙거린다, 누설 자속이 많이 나온다는 한 문제가 있습니다. 초크 입력 방식이 콘덴서 입력 방식을 상회하는 장점이  떠오르지 않았습니다.

그러나, 2차 코일 300V 150mA의 트랜스로, 220V120mA의 B전원이 필요하게 된 경우, 초크 입력 방식은 꽤  좋은 방식이라고 생각합니다. 콘덴서 입력 방식에서는, 전열기 같은 드롭 저항이 필요하게 되어 버립니다.


히터(filament)전원

초기의 진공관은 모두 직열관에서, B전원도 filament 전원도 배터리로 조달하는 것이었습니다. 따라서, filament에는 어느 쪽 측이 플러스나 마이너스일지도 결정되는 것도 많이 있었습니다. 직류 점화이기 때문에, filament가 험이 나는 것은 있지 않았습니다.

상용 전원(AC100V)을 정류해 얻은 직류 전원을 사용하게 되어 온 때, 저압 대전류를 효율적으로 정류 할 수 있는 소자가 없었기 때문에, filament 만큼은 교류 점화 하지 않을 수 없게 되어 버렸습니다. filament를 교류로 점화하는 것에 의해서 생기는 험의 문제가 표면화하고, 이 문제를 해결 하기 위해서 등장한 것이, 히터와 캐소드를 분리함으로서 험을 없앤 방열관입니다. 그런데도, 초기의 방열관에서는 히터와 캐소드간의 절연이 약하기 때문에 험이 나거나, 프리앰프의 초단 등의 미소 신호를 취급하는 경우에 히터로부터의 전자 유도가 원인으로 험이 나는 문제가 지적되게 되었습니다.

방열관의 히터는,  캐소드 · sleeve 안에서 머리핀 같이 접어 구부러지고 있습니다만, 이것에서 유도 험의 원인이 됩니다. 그런데, 히터를 나선 모양으로 가공하고, 이것을 1턴의 머리핀으로 한 스파이럴 · 히터가 등장했습니다. 스파이럴 · 히터에서는, 히터 험이 머리핀 · 히터보다 1/2∼1/3정도 저감되고 있습니다. 스파이럴 · 히터는, 나선이 매우 사소하기 때문에 크고 흰 한 자루의 히터 같이 보입니다만, 근원 부분을 주의 깊게 보면 나선 모양이 된 모습을 확인 할 수 있습니다.

프리앰프에 요구되는 저잡음 성능의 레벨이 높게 되어 오면, 좀 더 저잡음의 관이 필요되게 되었기 때문에,유도험을 더욱 저감한 더블 · 스파이럴 · 히터가 등장했습니다. 1개의 히터를 맹렬한 회오리 같이 한 형상을 하고 있습니다.

그러나, silicon diode의 출현에 의해서, 간단하게 저압 · 대전류의 히터 전원이 실현 할 수 있도록되어버려, 지금은, 프리앰프의 거의 모든 관이나 메인 앰프의 직열관을 직류 점화하는 것으로 충분하게 되어 버렸습니다.


DC 12.6V 0.9A가 가지고 싶다

12AX7/ECC83, 12AU7/ECC82, 이 2종의 전압 증폭관은 프리앰프의 단골 손님입니다. 히터 규격은, 12.6V×0.15A 또는 6.3V×0.3A이기 때문에, 예를 들면 12AX7/ECC83를 6개 사용한 프리앰프에서는 총계 12.6V×0.9A 또는 6.3V×1.8A의 직류 히터 전원이 필요하게 됩니다.

그런데, TANGO에는 ST-30S라는 유도 잡음 대책 · 정전 잡음 대책을 가진 프리앰프용의 전원 트랜스가 있기 때문에, 이것을 사용해 직류 히터 전원에 대해서 생각합니다. 이 전원 트랜스에는, 브리지 정류를 전제로 한 히터 코일이 있어, 규격은 15V, 17V/DC1.2A입니다. ST-30S에는 데이터 쉬트가 붙어 있기 때문에, 이것을 사용해 검토해 봅니다.

TANGO ST-30S 추천 회로


TANGO ST-30S 추천 회로 R값

이 그래프를 읽는 법은 좀 달라, 위의 추천 회로로 짠 때, 최종적으로 12.6V를 얻을 수 있기 위해서는 R 값을 어는 것으로 하면 좋을까 , 매우 일반적인 그래프가 되는 것처럼 계산을 다시 해 그려 본 것이 아래의 그래프입니다.


TANGO ST-30S 히터 코일 직류 출력 특성

15V코일을 브리지 정류해 0.9A를 취득시가 16.7V, 17V코일일 때 19V가 되었습니다. 그럼, 왜 이러한 전압이 되었는지를 생각해 봅니다. 15V를 정류하고 평활한 때의 이상 전압은,

15V × 1.414 = 21.2V

입니다만, 브리지 정류에서는 규소 · 다이오드가 2개 직렬로 끼어들기 때문에, 다이오드 1개의 전압 강하를 1.1V로 가정해(대전류 규소 · 다이오드에 1.2A를 흘린 때의 순 방향 전압은 0.9∼1.2V정도가 된다),

( 15V × 1.414 ) - ( 1.1V × 2 ) = 19.0V

가 됩니다. 데이터 쉬트에 의하면, 16.7V가 되고 있습니다만, 이 차,

19V - 16.7V = 2.3V

는 무엇일까요. 트랜스를 사용한 전원 회로에서는,

  1. 1차 코일의 직류 저항에 의한 로스 · · · 3.과 동손
  2. 철심으로 생기는 로스 · · ·철손
  3. 2차 코일의 직류 저항에 의한 로스 · · · 1.과 동손
  4. 정류 소자로 생기는 로스 · · · 다이오드의 경우는 순 방향 전압
  5. 리풀이 잔류 하기 때문에 생기는 로스
이 5종류 로스가 생깁니다. 위의 계산에서는, 1,2,3,5에 대해서는 아직 계산하지 않았습니다. 그런데,1.과 3.의 동손에 대해서, 조잡하지만 계산으로 짐작해 봅시다. 1차 코일(100V)의 직류 저항을 측정해 보면 3.6Ω이었습니다. 전압비는 100:15을 사용해 이것을 2차 코일( 15V)로 환산하면, 0.54Ω이 됩니다. 그리고, 2차 코일 그것의 직류 저항은 0.7Ω이었습니다. 이러한 경우, 2차 코일이 0.54Ω+0.7Ω=1.24Ω인 것 으로 간주할 수 있어, 여기서 생기는 로스가 동손이라고 생각하는 이유입니다. 동손해에 의한 전압 강하는,

0.9A × 1.24Ω × 1.414 = 1.6V (주:이것은 간이 계산에 의한 대강의 계산입니다)

그렇기 때문에, 위에서 구한 로스의 2.3V중 의 꽤 많은 부분, 즉 1.6V가 동손인 것을 압니다. 여기서 왜, 1.414를 걸었는지는 스스로 생각해 봐 주십시오. 한 번 계산을 해 더욱 해 봅니다.

( 이상 정류 출력 전압 ) - ( 다이오드순방향 전압 × 2 ) - ( 동손해 ) = ??V

즉,

( 15V × 1.414 ) - ( 1.1V × 2 ) - ( 1.6V ) = 17.4V

보시는 것처럼, 데이터 쉬트의 16.7V에 꽤 가까워졌습니다. 실제의 설계에서는, 이러한 대강의 계산 정도로 짐작하고, 실제에는 저항 1개로 최종적인 조정을 한다라는 방법을 잡으면  좋다고 생각합니다. 간이 계산이기 때문에, 트랜스 · 메이커 발표의 데이터 쉬트도, 그다지 정확하다고 할 수 없읍니다.

얻을 수 있던 직류 출력 16.7V와, 필요로 하던 히터 전원 12.6V와의 사이에는 16.7V - 12.6V = 4.1V의 여유가 있습니다. 이 4.1V를 단순하게 1개의 저항으로 드롭 시키려고 하면,

4.1V ÷ 0.9A = 4.6Ω

가 되기 때문에, 4.7Ω의 저항이 적당합니다. 이 경우의 히터 전원의 회로는 아래 같은 것이 됩니다.


DC 6.3V 1A를 가지고 싶다

열 3극관의 filament를 교류 점화로 좋을까, 직류로 점화 해야 할까는, 대개 정격전압으로 정해집니다. 2A3이나 45같은 2.5V관이라면, 교류 점화 라하더라도 충분히 험을 다슬릴 수 있습니다만,3 00B의 5V나 6B4B의 6.3V가 되면, 아무리 험 · 바란스를 만져 봐도  만족할 만한 레벨로 할 수 있지 않습니다. 아무리해도 직류 점화를 생각하지 않으면 안되게 됩니다. 여기에서는, filament 규격이 6.3V/1A의 6B4G를 가정해 전원의 설계에 대해서 생각합니다.

우선, 단순하게 6.3V의 히터 코일을 브리지 정류한 때의의 이상 전압은,

6.3V × 1.414 = 8.9V

입니다만, 규소 · 다이오드가 2개 직렬 분의 순방향 전압을 할인하면,

( 6.3V × 1.414 ) - ( 1.1V × 2 ) = 6.7V

가 됩니다. 그런데, 동손은 생각하지 않아도 좋다고 생각합니다. 그 이유는, 전원 트랜스의 히터 코일은, 정격전류를 취득시에 6.3V를 얻을 수 있는 것처럼 여유를 가져 조금 높게 설정되고 있기 때문입니다. 동손, 철손을 고려해 최종 출력 전압으로서 6.3V가 보증되고 있는 것입니다.

그런데, filament를 직류 점화 한다고 해도, 약간의 리풀이 남아 있기 때문에, 많은 경우 험 · 바란스는 사용하는 것이 많다고 생각합니다. 물론, 철저하게 리풀을 잡아 버리면, 험 · 바란스는 들어가지 않습니다. (고정 바이어스이면) 과감히 filament 전원의 한쪽 편을 어스합니다. 사실, LUX 제 300B싱글 앰프는 그러한 설계가 되고 있습니다.

그런데, 험 · 바란스를 넣으면 , 험 · 바란스에 흐르는 전류도 추가되기 때문에, filament 전원의 총직류 전류는,

1A + ( 6.3V ÷ { 험 · 바란스 저항값 · · · 예를 들면 50Ω } ) = 1.13A

가 됩니다. 6.7V의 직류 출력을 저항으로 드롭 시키면, 필요한 드롭 저항값은,

( 6.7V - 6.3V ) ÷ 1.13A = 0.35Ω

가 됩니다. 실제로 회로를 짜 실험해 보면, 대체로 0.3Ω∼0.5Ω으로 6.3V전후를 얻을 수 있기 때문에, 이 계산 결과와 거의 동일해집니다. 실제에서는, 미리 0.33Ω,0.47Ω등 수 종류의 저항을 준비 해 두어, 시행착오로로 최종결정되면 좋겠죠.

 

그런데, 전압을 드롭 시키기 위한 저항의 삽입 장소입니다만, 콘덴서의 앞과 뒤 2개로 생각됩니다.지금까지의 계산은, 콘덴서의 뒤에 저항을 넣은 경우에 적용 할 수 있습니다. 콘덴서의 앞에 넣은 경우는, 정류 출력 전압은 약간 낮게 나옵니다만, 저항이 끼어들고 있기 때문에, 전원 ON 시의 콘덴서로의 러쉬 · 경향이 약간 억제되기 때문에, 다이오드의 보호 효과도 기대 가능할 뿐만 아니라,리풀 제거 효율도 좋게 됩니다.

케미 콘의 용량은, 최저로 4700μF, 할 수 있으면 10000μF, 욕심부려 22000μF정도라고 생각합니다.케미 콘의 용량이 적으면, 잔류 리풀이 많아질 뿐이 아니고, 「5.리풀이 잔류 하기 위해서 생기는 로스」때문에, 실질적인 정류 출력 전압도 약간 낮게됩니다. 그렇기 때문에,「전압을 높게하고 싶다」라고 생각한 때는, 정류 출력 직후의 콘덴서의 용량을 크게 하면 쉽게 사용할 수 있습니다.


DC 5V 1.2A를 가지고 싶다

6.3V 1A가 가지고 싶은 때는, 6.3V의 히터 코일이 있으면 됩니다만, 300B같이 5V 1.2A가 필요한 때는 5V코일이 있으면 됩니다. 그런데, 단순하게 6.3V의 히터 코일을 브리지 정류한 때의의 이상 전압을 구해, 그곳으로부터 다이오드의 순 방향 전압을 빼 봅니다.

( 5V × 1.414 ) - ( 1.1V × 2 ) = 4.87V

4.87V이기 때문에, 매우 아슬아슬한 숫자입니다. 이것으로도 300B는 훌륭하게 동작합니다. 메이커제 300B앰프의 중에는, filament 전압을(시비는 어쨌든) 의도적으로 4.7V로 내리고 있는 것도 있습니다.

4.87V를 좀 더 높게 하는 방법은 3개 있습니다. 1번째는, 평활 콘덴서의 용량을 아주 크게 합니다. 2번째는, 다이오드의 순 방향 전압을 낮게 하기 위해, 대전류 타입(예를 들면 10A이상)으로 해 봅니다. 3번째 다이오드의 순 방향 전압을 낮게 하는 방법으로, 순방향 전압이 낮은 특별한 다이오드가 있기 때문에, 이것을 사용합니다. 발사키 · 다이오드라고 해 ,내압이 낮고 고가이지만 순 방향 전압이 낮은 다이오드입니다.

그러나, 가장 알기 쉬운 방법은, 6.3V를 브리지 정류해, 이것을 저항으로 드롭 시키는 방법입니다.저항의 발열이 조금 걱정이 됩니다만, 리풀 제거 효과는 앞에서 본 6B4G의 때부터도 크고, 최상으로 6.3V코일을 사용할 수 있다는 것이 기쁩니다.