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진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 15834      
  12-3. 전원 설계-4 (리플 · 필터 회로 2)

 

전원 설계-4 (리플 · 필터 회로 2)


기본 회로와 특성

리풀 필터는 ,한 마디로 하면, 「직류」는 흘리지만, 「50Hz,60Hz,100Hz혹은 120Hz」의 교류는 컷하는「로 · 패스 · 필터」입니다. 기본 회로는, 밑그림 같이 됩니다. 1kΩ의 저항과, 47μF의 콘덴서로 로 · 패스 · 필터를 만들어 보았습니다. (주:본장에서는, 50Hz의 상용 전원으로 계산하고 있습니다.)

그림 1
 

이 필터가 어떠한 특성일 것 인가, 좀 조사해 본 것이 밑그림입니다. 

그림 2


 

그림 3



반파 정류했을 때의 리풀은 0.064배(-23.2dB), 양파정류했을 때의 리풀(동 100Hz)로 0.033배(-29.5dB)의 감쇠를 얻을 수 있는 하이 · 패스 · 필터입니다. 만약, 잔류 리풀이 100mV인 곳에 2개의 필터를 삽입 해 주면, 잔류 리풀은 각각 6.4mV,3.3mV까지 적게 할 수 있는 것입니다.

리풀 · 필터의 설계에서는, 간이 계산으로 콘덴서의 리액턴스와 저항값으로 구한 감쇠율을 그대로 적용하여도 좋다고 생각합니다. 이 계산 방법으로 구한 잔류 리풀의 값이, 목표값보다도 충분히 낮아「좋다」라고 합니다.


전압 강하와 필터단수

저항과 콘덴서에 의한 리풀 · 필터에서는, 반드시 저항에 의한 직류 전압의 로스가 생깁니다. 그림 1, 그림 2의 케이스에서는 100Hz 의 필터 효과는 0.033배였지만, 1kΩ의 저항이 있기 때문에, 만약 여기에 10mA의 전류가 흐르면, 10mA × 1kΩ = 10V의 전압 강하가 생깁니다.

회로의 형편상, 아무리해도 전압 강하를 5V로 하고싶지만, 0.033배이상의 필터 효과가 가지고 싶은 경우는 어떻게 하면 좋을까요. 저항은 510Ω으로바꾸지 않고. 47μF의 콘덴서를 사용하면, 필터 효는, 34Ω / (34Ω+510Ω) = 0.063배로 반감해 버립니다. 콘덴서 용량을 100μF로 증량 해 주면, 16Ω / (16Ω+510Ω) = 0.0304배가 되어 목표값을 달성 할 수 있습니다.

다른 하나의 방법은, 필터의 단수를 늘리는 것입니다. 240Ω의 저항 2개와 47μF의 콘덴서 2개로 2단필터로 하면 어떨까요.

그림 4


 

필터 효과를 계산해 보면, 1단으로, 34Ω / (34Ω+240Ω) = 0.124배로 이것이 2단분이기 때문에, 0.124배 × 0.124배 = 0.0154배가 됩니다. 이와 같이,1 단필터에서 콘덴서 용량을 크게 하는 것보다도, 단수를 늘리는 편이 더 큰 필터 효과를 얻을 수 있습니다.( 주: 각단의 필터는 서로 간섭하므로 이 계산은 정확하지 않습니다만, 결론은 변하지 않습니다.)


정류 직후의 잔류 리풀

그런데, 문제가 되는 것은, 정류 직후의 잔류 리풀이 어느 정도 있을 것 인가라는 것입니다. 이것을 모르면, 아무리 리풀 · 필터의 특성을 계산해도 의미가 있지 않습니다.

본래는, 「전원의 내부 저항(Rs)」, 「부하 저항(RL)」, 「전원 주파수」, 「정류 방식(전파나 반파나)」,「평활 콘덴서 용량」들로부터「정류 출력 전압(Eo)」를 구해, 또한「리풀 함유율(%)」,「리풀 전압(Er)」를 구하는 것이 옳은 방법입니다. 그러나, 이 방법으로 계산하기에는「ωRLC와 Rs/RL(%)로부터 Eo/E(rms)를 구하는 도표」라는 것과「ωRLC와 정류 방식과 Rs/RL(%)로부터 Er/Eo(%)를 구하는 도표」라는 2개의 귀찮은 도표와 격투 하지 않으면 안 됩니다.

본장에서는, 좀 더 편히 잔류 리풀이 구하는 방법을 소개합니다만,  착실하게 계산하고 싶은 분은, 트랜지스터 기술 SPECIAL No.1특집「개별 반도체 소자 활용법의 모두」CQ출판사에 게재되고 있기 때문에, 도전 해 봐 주십시오. 이 책은, 지금도 큰 서점에 가면 입수 가능하고, 반도체에 관해서 매우 도움이 되는 정보가 가득된 책이기 때문에, 입수되는 것을 추천합니다.

그런데,「편히 잔류 리풀이 구하는 방법」은 아래 와 같습니다. 정류 직후의 잔류 리풀은, 「부하 저항(RL)」과「평활 콘덴서 용량」으로 거의 결정된다라는 것을 이용합니다. 이 모습을 모은 것이 그림 5입니다. 횡축이 부하 저항, 세로축이 잔류 리풀, 그래프중의 기울기 선이 콘덴서 용량입니다.(주 :이 그래프는, 본 HomePage의 독창적입니다.남에게는 없기 때문에.)

그림 5 직류 출력(Eo)에 대한 잔류리풀(Er)함유율(%)표


양파 정류(100-120Hz)의 경우
횡축: RL(Ω) = 정류 출력 전압 / 전직류 전류
그래프 : C(μF)· · · 콘덴서 용량
세로축: Er/Eo(%)· · · 직류 출력(Eo)에 대한 잔류리풀(Er)함유율(%)


「360V/120mA」의 케이스

예를 들면, 전원 트랜스「TANGO LH-150」의 280V탭을 양파 정류하고, 47μF로 받는  콘덴서 · 인풋 회로에 대해서 120mA의 직류 출력 전류를 취득, 그 때의 직류 출력 전압이 약 360V인 것 경우의 잔류 리풀을 구해 봅니다. 직류 출력 전압의 산출에 대해서는 앞장을 참조해 주십시오.

부하 저항(RL) = 360V / 120mA = 3000Ω
평활 콘덴서 용량 = 47μF

이기 때문에, 그래프상의「3000Ω」눈금과「47μF」의 직선(좁은 블루)과의 교점을 찾아내면 리풀 함유율은「약 1.5%」인 것을 알 수 있습니다. 즉, 직류 출력 전압의 약 1.5%(이)가 잔류 리풀이라이 됩니다. 이것을 계산하면,

360V × 1.5% = 5.4V

가 되어, 잔류 리풀은 5.4V로 구해집니다. 이것은, 실측값5.0V∼5.5V와 잘 일치합니다.


「6.3V/1A」의 케이스

그런데, 저압 대전류의 경우라도 이 그래프는 사용할 수 있습니다. 6.3V를 브리지양파 정류해, 10000μF로 받아, 여기서부터 6.3V, 1A의 filament 전원을 득한 경우의 잔류 리풀에 대해서 봅시다.

부하 저항(RL) = 6.3V / 1A = 6.3Ω
평활 콘덴서 용량 = 10000μF

그렇기 때문에, 그래프상의「6.3Ω」 눈금과「10000μF」의 직선(큰 그린)을 연장한 교점을 찾아내면 리풀 함유율은「약 3%」이 됩니다. 즉, 직류 출력 전압의 약 3%이 잔류 리풀이라고 하는 것이 됩니다. 이것을 계산하면,

6.3V × 3% = 189mV

가 되어, 잔류 리풀은 189mV로 구해집니다. 이것도, 실측값150mV∼170mV에 꽤 가까운 값입니다. 그림 5의 그래프는, 고압 B전원에서도, 저압 히터 전원에서도, 광범위하게  통용합니다.

그리고, 정류 직후의 잔류 리풀을 알면, 그리고 전술한 리풀 · 필터의 계산에 의해서, 각각의 전원 에 있어서의 잔류 리풀이 대체로 어느 정도가 되는가는 간단하게 구해지는 것입니다.


예제

같은 회로 에 있어서의, 각 단의 잔류 리풀을 구해 봅니다. 250V×2의 전원을 양파 정류하고, 47μF의 콘덴서 · 인풋으로 받습니다 .이후, 「200Ω· 100μF」, 「1kΩ· 100μF」의 2단 리풀 · 필터가 계속됩니다. 전직류 전류는, 100mA + 10mA = 110mA입니다.(그림 6)

그림 6


 

우선, 정류 출력 전압입니다만, 간이 계산(전원 트랜스의 정격의80%∼90%의 전류를 취득시의 일반값)이라는 것으로써, 250V × 1.28 = 320V가 구해집니다. 부하(RL)는, 320V / 110mA = 2.9kΩ입니다. 그런데, 그림 5의 그래프로부터, 「2900Ω」눈금과「47μF」의 직선(좁은 블루)과의 교점을 찾아내면「약 1.5%」가 구해집니다. 그렇기 때문에, 정류 직후의 잔류 리풀은, 320V×1.5%=4.8V가 됩니다.(그림 7)

그림 7


 

그런데,「200Ω· 100μF」,「1kΩ· 100μF」의 각각의 리풀 · 필터는, 리풀 주파수가 100Hz라고 해 간이 계산으로써, 「200Ω· 16Ω」,「1kΩ· 16Ω」라고 읽어 바꾸는 것을 할 수 있습니다. 이것은 각자, 16/(200+16)=0.0741배, 16/(1000+16)=0.0157배의 감쇠율이므로, 이후의 리풀 전압은, 4.8V×0.0741=356mV, 356mV×0.0157=5.6mV가 구해지는 것입니다.(그림 7)


초크시의 계산

저항과 콘덴서로 구성하는 리풀 · 필터는, 설계가 간단하고, 매우 염가나, 저항에 의한 전압 강하의 문제가, 전원 회로 설계를 방해 하는 것도 있을 수 있습니다. 그런 때에 유효한 것이, 초크와 콘덴서 의 편성입니다.

예를 들면, TANGO 제로「C-512」라는 비교적 염가의 초크가 있습니다. 규격은, 120mA를 흘린 때의 인덕턴스가 5H, 직류 저항이 100Ω입니다. 5H라고 하면, 100Hz에서는 3150Ω, 50Hz에서는 1575Ω에 상당합니다. 계산 방법은,

6.3 × 100Hz × 5H = 3150Ω
6.3 × 50Hz × 5H = 1575Ω

입니다. 직류 저항은 불과 100Ω인 채로써, 약 3kΩ상당의 저항을 삽입한 것과 동등의 효과를 얻을 수 있고 회로가 단순하나, 무거운 초크가 되버립니다.


트랜지스터 · 리풀 · 필터 회로

적은 전압 강하로써, 초크와 같이 혹은 그 이상의 효과를 기대 할 수 있는 것이, 반도체를 사용한 리풀 · 필터입니다. 여기에서는, 트랜지스터를 사용한 기본 회로에 대해서 설명합니다.

밑그림(그림 8a)이, 원회로입니다. 트랜지스터의 코렉타측으로부터 B+전원(300V)을 공급하고, 이미터측으로부터 출력 전류(100mA)를 꺼냅니다. 트랜지스터를 동작 시키기 위한 베이스 전류는, 저항(R1=39kΩ)에 의해서 코렉타측으로부터 공급합니다만, 2SD798의 hFE가「200」이면, 코렉타 전류 약 100mA때 의 베이스 전류는 코렉타 전류의 1/hFE, 즉1/200이기 때문에, 베이스 전류는 0.5mA입니다. 저항(R1=39kΩ)에 의한 전압 강하는, 1mA×39kΩ=19.5V가 되어 베이스 전압은, 300V-19.5V=280.5V가 됩니다 .2SD798의 베이스 · 이미터간 전압은 약 1V이므로, 이미터 전압은 279.5V로 자리잡습니다. 이 회로는, 일종의 이미터 · 팔로워라는 것을 할 수 있습니다.

그 때, 베이스측에 콘덴서(C)를 삽입해 베이스 전압에 포함되는 리풀을 제거해 버리면, 코렉타측에 어떤 리풀이 남아 있어도, 이미터측(out)에는 리풀은 나타나지 않는 것을 사용해 리풀 · 필터 효과를 시작하려고 하는 것입니다. 만약, 트랜지스터를 사용하지 않고, 그림 1의 저항과 콘덴서만의 리풀 · 필터와, 100mA의 전류가 흐르는 전압 강하를 21V로 할려면, 저항값은, 20V/101mA= 약 200Ω밖에 되지 않습니다만, 트랜지스터를 사용하면 저항값은 무려 39kΩ가 되어, 같은 콘덴서 용량이면거의 200배의 필터 효과를 기대 할 수 있게(혹은 불과1/200의 용량의 콘덴서로 같은 필터 효과를 기대 할 수 있게)됩니다.

그러나, 이 회로에는 중대한 결점이 있습니다. 트랜지스터의 hFE의 불균형은 이상하게 크고, 게다가 온도 변화등의 외부 요인에 대해서 위기입니다. 그렇게 간단하게 베이스 전압(※)이 계산대로의 280V로 안정되지 않습니다.


 

그런데, 좀 더 베이스 전압(※)의 안정도를 높이려고 한 것이 그림 8b의 회로입니다. 베이스 ∼어스간에 저항(R2=270kΩ)를 삽입해, 브리더 전류( 약 1mA)를 흘리고 있습니다. 베이스 전류(0.5mA)과 브리더 전류(1mA)의 비율이 클수록, 베이스 전압(※)은 안정되어 hFE의 영향을 적게 받습니다. 그러나, 브리더 전류가 증가한 분, 저항(R1=13kΩ)의 값이 작게 되어 버리기 때문에, 필터 효과는 줄어 듭니다. 그런데도, 트랜지스터를 사용하지 않은 경우에 비교하면, 그림 8b의 회로로도 65배의 필터 효과를 기대 할 수 있습니다.


트랜지스터 · 리풀 · 필터의 주의점

트랜지스터 · 리풀 · 필터를 설계 · 제작하는 때의 주의점은 많이 있습니다.

(1) 트랜지스터의 내압 · · · 250V이상의 고압에 견디는 트랜지스터는 그렇게 많지 않습니다. 그림 8의 예로 사용한 2SD798나 2SD799는 입수되기 쉽고  염가의 것의 대표입니다(아래 표). 그리고, 어떠한 경우도, 단시간이라 하더라도, 트랜지스터 규격표상의「VCEO」를 결코 넘어가서는 안 됩니다.

2SD798 2SD799 코멘트
VCBO(최대정격) 600V 600V -
VCEO(최대정격) 300V 400V 회로 전압은 이것을 넘어가서는  않된다
Ic(최대정격) 6A 6A -
Pc(최대정격) 30W(Tj=25 ℃) 30W(Tj=25 ℃) 방열판 배로 1W가 한도
샤시에 밀착 시켜 3W가 한도
hFE(카탈로그값) 1500이상(2A때) 600이상(2A때) -
hFE(실측값) 70∼100(10mA때) 30∼70(10mA때) -
전극 접속 정면왼쪽으로부터 B,C,E 정면왼쪽으로부터 B,C,E 플랜지는 코렉타에 접속
비고 2개의 트랜지스터의 달링톤 접속 동왼쪽 -

(2) 방열과 코렉타의 절연 · · · 전력형태의 트랜지스터의 거의는 ,방열판 없는 상태에서는 거의 전력을 먹일 수 있지 않습니다. 그리고, 이러한 트랜지스터의 거의가, 동체의 금속 부분(플랜지)이 코렉타에 접속되고 있습니다. 따라서, 느닷없이 방열판이나 샤시에 나사 고정하면, 코렉타가 어스에 쇼트 해 버립니다. 절연을 위한 운모판이나 수지 필름, 나사의 절연 washer가 시판되고 있습니다만, 샤시의 구멍내기시에 남은 바리」나「카에리」가 수지 필름을 관통하는 것에 의한 절연 파괴 사고가 끊어지지 않으므로 주의해 주십시오. 두께 0.몇밀리의 사이에 250V∼400V의 고압이 걸리고 있습니다.

(3) 이미터측의 쇼트와 돌입 전류 · · · 트랜지스터는 ,대수롭지 않은 정격 오버에 간단하게, 순간적으로(소리도 없이)파괴합니다. 특히 주의하고 싶은 것은, 통전 테스트시의 이미터 출력측의 쇼트 사고입니다. 드라이버등으로 무심코 깜박 이미터 출력측과 어스간을(순간으로도)쇼트 시키면, 트랜지스터에 대전류가 흘러 금새 승천해 버립니다. 그리고, 쇼트없이도, 언뜻 보기에 정상적인 회로에서도 같은 사고가 일어납니다.

그림 9


 

트랜지스터 · 리풀 · 필터의 이미터 출력측에 용량 큰 콘덴서( 100μF)가 있으면, 전원 ON 시에, 이 콘덴서를 충전 하기 위해 돌입 전류가 트랜지스터를 습격합니다 .이러한 사고를 막기 위해서는, 콘덴서를 생략할지, 보호 저항(R?)를 삽입합니다. 일반적인 진공관 앰프의 B전원에서는, 보호 저항(R?)의 값은 100Ω, 최저로 150Ω,할 수 있으면 200Ω가지고 싶은 곳입니다.

(4) 전류의 역류 · · ·그림 8b같은 브리더 전류를 흘리는 설계를 한 경우, 전원 OFF의 뒤에 트랜지스터에 전류의 역류 현상이 생기는 것이 있습니다. 전원 OFF 뒤 몇초간은, 진공관의 히터가 아직 따뜻해지고 있기 때문에 회로에는 전류가 흐르고 있습니다만,  회로에 흐르는 전류는 제로로 되어 갑니다. 그러한 상황에서는, 콘덴서에 모이고 있던 전하의 도망갈 길이, 트랜지스터 · 리풀 · 필터 회로의 저항(그림 10에서는 13kΩ과 270kΩ)밖에 없는 이유입니다.

그림 10


 

이 경우, 트랜지스터의 이미터 ∼베이스간에 역전압이 걸려, 전류도 역류합니다. 이 문제를 회피하는 하나 방법은, 하류 편에도 저항(※)을 삽입해 전하의 도망갈 길을 준비 해 주는 것입니다. 다른 방법은, 베이스 ∼이미터간에 다이오드(※)를 넣어, 역류시의 베이스 ∼이미터간에 우회도로를 마련 하는 것입니다.(그림 11)

그림 11


 

(5) 지연 효과 · · · 트랜지스터 · 리풀 · 필터는, 지연 효과라는 재미있는 부산물이 있습니다. 필터 효과가 크면 큰 만큼, 전원 ON 시의 필터 부분의 콘덴서로의 충전에 시간이 걸리는 것이 되어, 베이스 전압(나아가서는 이미터 전압)이 천천히 상승 하게 되기 때문입니다. 그러나, 13kΩ과 22μF정도 의 편성에서는 지연 효과는 거의 있지 않습니다. 눈에 보인 효과가 나타나는 것은, 47kΩ과 100μF, 10kΩ과 470μF정도 의 편성 이상입니다.

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