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진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
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  12-4. 전원 설계 -5 (디카플링)

 

전원 설계 -5 (디카플링)


디카플링의 목적

디카플링은, 「각 증폭단의 신호 루프를 종결시켜, B전원 및 어스 회로를 다른 증폭단과의 사이에서 신호의 간섭이 일어나지 않게 하기 위한 구조로써, 대부분, B전원과 어스간에 콘덴서를 삽입하는 것입니다.

만약, 전원 impedance가 제로Ω로써, 배선재의 저항도 제로Ω이면, 디카플링은 불필요합니다. 현실에는, 전원에 콘덴서를 사용하는 것의 숙명으로서, 전원 impedance는 모든 대역 에 걸쳐서 제로Ω이 아니고, 또한 저역 및 고역의 양쪽 모두로 전원 impedance는 증가하는 것이 보통입니다. 그런데, 증폭 작용을 충분히 하고, 충분한 전달 퀄리티를 얻을 수 있고, 각 증폭단간의 간섭을 억제하기 위해서 디카플링을 하는 것입니다.

디카플링이 불충분해, 증폭단의 신호 루프가 종결 되지 않기 때문에, 전달 특성(특히 주파수 특성)의 열화가 일어납니다. 그리고, B전원에서 누설된 신호가 반대 채널에 흘러들어, 크로스토크가 열화합니다. 후단의 신호가 전단에 흘러들면,( 주로 초저역으로) 발진을 일으키거나, (저역의)주파수 특성에 피크가 생기거나 합니다.

음장이 좁게 느끼거나, 음상의 정위가 불명료하거나, 경단 상태가 느껴지거나, 스피커의 콘지가 초 저역에서 하늘하늘 진동하고 있거나 하는 것은, 디카플링의 설계에 원인이 있을 가능성이 있습니다.

앞에서 설명한 리풀 필터도 B전원과 어스 사이에 콘덴서를 삽입하는 것이 많기 때문에, 리풀 필터를 위한 콘덴서와 디카플링을 위한 콘덴서가 혼동하기 십상이지만, 이 2개는 본질적으로 다른 기능인 것에 주의해 주십시오.


디카플링 · 콘덴서의 공용

디카플링의 기본은, 모든 증폭단에 각각의 디카플링그 회로를 삽입하는 것에 있습니다. 그러나, 종래 많은 앰프에서는, 1단에 하나씩 디카플링 · 콘덴서를 삽입 하지 않고, 몇개의 증폭단에 모으는 설계가 많이 보여집니다. 본장에서는 ,그 공과에 대해서 생각합니다.

좌우 채널간의 공용

1개의 공통전원으로부터 좌우 양채널에 공급한 경우는, 초저역에 있어서 명확하게 좌우 크로스토크의 악화를 부르기 때문에, 이것은 해서는 않되는 것중 하나입니다. 

 

간단한 계산을 해 봅니다. 위그림은, 2A3싱글 · 스테레오 앰프의 출력단 전원 및 신호 루프를 나타낸 그림입니다. 2A3는, 2.5kΩ부하의 동작으로 합니다.

좌측의 회로에서는, 전원에 있는 것은 100μF의 콘덴서 1개만으로써, 좌우 채널로 공용하고 있습니다.

우측의 회로에서는, 100μF의 콘덴서에 100Ω의 저항으로 좌우로 나누어, 각각의 채널마다 독립적으로 100μF의 콘덴서가 있습니다.

그런데, 저역(여기에서는 40Hz를 가정) 의 100μF의 콘덴서의 리액턴스는 40Ω이기 때문에, 이 값을 회로도에 적용시켜 간이 계산해 본 것이, 그 다음 그림입니다.

우선, 좌측의 케이스에 대해서 간이 계산으로써, 좌우 크로스토크의 모습을 해석해 봅시다.

가령 지금, 한편의 채널의, 2.5kΩ의 impedance를 가진 출력 트랜스의 1차측의 양단에, 정확히 50V의 신호 전압이 생기고 있다라고 합니다 .( 50V의 2승 )÷2.5kΩ = 1W이기 때문에, 지금 현재 이 앰프의 한편의 채널에서는 1W의 출력을 내고 있는 것이 됩니다.

이 모습을 다시 그린 것 이 밑그림입니다. 2.5kΩ의 양단에 50V의 전압이 생기고 있는 것이기 때문에, 이 신호 루프에 흐르는 신호 전류는 20mA입니다 .0.8kΩ이라고 하는 것은, 2A3의 내부 저항입니다. 그렇다면, 100μF의 콘덴서,  즉 40Ω,의 양단에는 대체로 0.8V의 신호 전압이 생깁니다 .그리고, 반대 채널의 출력 트랜스(2.5kΩ)의 양단에는 0.6V의 신호 전압이 걸립니다.

50V와 0.6V의 비는 83:1이기 때문에, 이것을 데시벨로 환산하면 약 38dB라는 것이 됩니다. 이것은, 한편 채널의 40Hz의 신호의 1/83가 반대 채널에 새 버리는 것을 의미하고, 40Hz에 있어서의 좌우간의 크로스토크는 38dB이다라고도 말 할 수 있습니다.

이번은, 약간 ㄷ;키플링을 한 우측의 회로에 대해서 해석해 봅니다(밑그림). 100Ω과  40Ω( 100μF)에 의한 2단 로 컷 오프 필터가 되고 있습니다. 간이 계산입니다만, 최종적으로 반대 채널의 출력 트랜스(2.5kΩ)의 양단 걸리는 신호 전압은 31mV가 되었습니다 (엄밀한 계산에서는 좀 더 높은 값이 됩니다).

 

50V와 31mV의 비는1613:1이기 때문에, 이것을 데시벨로 환산하면 무려 약 64dB라고 하는 것이 됩니다. 40Hz에 있어서의 좌우간의 크로스토크는 64dB를 확보 할 수 있다라하는 것입니다. 이 2개의 케이스를 비교하면, 한편이 38dB, 다른) 한편이 64dB이기 때문에 차이가 나지요. 실제, 청감 상도 명확한 차를 인정 할 수 있습니다. 38dB의 케이스에 있어서, 100μF의 콘덴서를 2배의 200μF에 강화했다 해도, 38dB가 43dB밖에 되지 않습니다. 디카플링을 하는 것이 얼마나 중요하고도 효과적일지, 이해할 수 있습니까

전후 2단간의 공용

이번은, 동일 채널 안의 전후 2단 사이로 콘덴서를 공용한 경우입니다. 아래그림의 예로 검증해 보는 것으로 합니다.

12AU7의 2단증폭 회로로써, 각단의 이득은, 초단이 14.6배, 다음단이 12.9배입니다. 전원에는, 전후 2단공통으로 47μF의 콘덴서가 들어가고 있습니다.

지금, 다음단 플레이트 출력측에는 +1V의 신호 출력이 있다라고 합니다. 다음단의 이득은 12.9배이기 때문에, 이 때의 다음단의 그리드 입력 전압( 즉 초단 플레이트 출력측)은 -77.5mV입니다. 여기서, 플러스 · 마이너스의 부호를 넣는 것은, 위상이 어떻게 되고 있는지를 알기 쉽게 하기 위해서입니다.

한편, 다음단 플레이트 출력의 1V의 신호는, 33kΩ의 플레이트 부하 저항을 거쳐 전원측에도 흘러 갑니다. 47μF의 콘덴서의 40Hz에 있어서의 리액턴스는 85Ω이기 때문에, 33kΩ/85Ω으로 분류되어, +2.6mV의 신호 전압이 나타납니다.

이+2.6mV의 신호는, 초단 플레이트 부하 저항(47kΩ)을 통해, 초단 플레이트( 즉 다음단 그리드)측에 나타납니다. 이 값은+0.45mV입니다 .이+0.45mV의 전압은, 원 신호-77.5mV를 상쇄하는 것처럼 일합니다. 이것은 즉 부귀환입니다. 다음단 플레이트로부터 다음단 그리드에 걸친 p-g 귀환인 것입니다.

따라서, 이런 루트의 신호의 누설은, 회로 발진은 없습니다. 47μF의 콘덴서의 리액턴스가 좀 더 큰 값이 되면 초저역은 개선되고, 이득은 저하합니다, 동작은  안정됩니다.

전후 2단간+좌우 채널간의 공용

만약, 이것이, 전후 2단의 공용 뿐만 아니라, 좌우 채널간에서도 공용하고 있으면 어떻게 될까요. 초단 플레이트( 즉 다음단 그리드)측에는, 반대 채널의 신호가 나타나, 그 비율은-77.5mV: +0.45mV이기 때문에 172배가 됩니다. 데시벨로 환산하면 45dB입니다. 이 숫자는 그다지 기쁘지 않습니다.  전후 2단간+좌우 채널간의 공용에서는,「다음단 플레이트 →반대 채널의 다음단 플레이트」라는 누설,「다음단 플레이트 →반대 채널의 다음단 그리드」라는 누설, 또한「초단 플레이트 →반대 채널의 초단 플레이트」라는 3개의 패턴됩니다. 1단의 이득이 높은 12AX7/ECC83를 사용한 경우에서는, 누설은 좀 더 크게 되기 때문에, 이러한 공용을 해서는 안 됩니다.

전후 3단간 공용

이번은 3단의 경우입니다. 4Hz라는 초저역으로 계산을 해 보았습니다(밑그림).

 

초단 플레이트에 주목해 주십시오. 출력측으로부터 전원을 경유해 돌아 온 신호가, 초단 플레이트의 서로 증대하는 방향으로 합류하고 있습니다. 이 회로에서는 ,초저역에서 발진합니다. 이른바 모터 보팅(Motorboating)입니다.

단간의 결합 콘덴서의 값이 작으면, 저역의 주파수 특성이 열화하기 때문에, 발진까지는 없을지 모릅니다. 그러나, 3단이상의 회로에서는, 발진하는 것이 보통이다라고 생각하는 편이 좋다고 생각합니다. 전후 3단간으로의 콘덴서의 공용은 금물입니다.


콘덴서의 값

디카플링은「(1)각각의 증폭단의 신호 루프를 종결 시켜, (2) B전원 및 어스 회로를 다른 증폭단과의 사이에서 신호의 간섭이 일어나지 않게 하기 위한 구조로써, 대부분, B전원과 어스간에 콘덴서를 삽입한다」였습니다.

디카플링 효과만을 생각하면, 콘덴서의 값은 큰 것이 좋다라고 할 수 있을지도 모릅니다.

그러나, 전원을 투입한 직후에는, 디카플링 · 콘덴서의 충전이 시작해, 충전이 완료되지 않으면 회로 전압은 안정되기 이전. 만약, 극단적으로 용량이 큰 콘덴서가 사용되는 경우는, 언제까지나 콘덴서를 충전하고 있어, 좀처럼 소리가 나오지 않게 되어 버립니다. 또는, 충전 전류를 때문에 퓨즈가 나가거나, 정류관이나 다이오드가 손상되거나 합니다. 정류관의 종류에 의해서, 정류 회로의 콘덴서 용량에 제한이 규정되고 있다는 것은 잘 알려지고 있습니다.

이러한 사정을 근거로 한, 콘덴서 용량입니다. 효과적인 디카플링을 하기 위해서는, 충분한 크기의 용량이 필요합니다.그 리고, 많은 경우, 디카플링 · 콘덴서는, 각단의 신호 루프의 일부를 구성하고 있기 때문에, 용량이 부족하면 초저역 특성의 열화를 초래합니다.

저역 특성

우선, 상기의 (1)「각각의 증폭단의 신호 루프를 종결시키다」라는 관점으로부터 생각해 봅니다.디카플링 · 콘덴서가, 신호 루프의 족쇄가 되지 않기 때문에는,「부하 저항」을 기준으로 용량을 산출합니다. 「부하 저항」의 역할이, 플레이트 전류의 변화분을 검출해, 다음단에 전하는 역할인 것을 생각하면, 상대적으로「부하 저항」의 값보다도 충분히 작은 리액턴스가 되는  용량을 선택하면 좋습니다.

부하 저항」과「디카플링 · 콘덴서」와 결정되는 시정수를 구합니다. 예를 들면, 부하 저항이 47kΩ, 디카플링 · 콘덴서값이 10μF인 경우의 시정수는,

시정수 = 159 ÷ ( 저항값 × 용량 )

으로 구해지기 때문에, 이것을 대입하면,

시정수 = 159 ÷ ( 47kΩ × 10μF ) = 0.34Hz· · · 전압 증폭 회로의 케이스

가 구해집니다. 실제로 회로를 짜 측정해 보면, 여기서 구한 주파수의 10배 ∼20배정도의 주파수부터 감쇠를 확인 할 수 있습니다. 즉, 3Hz∼7Hz입니다. 이것이, 2A3싱글 앰프의 출력단의 경우입니다, 예를 들면,

시정수 = 159 ÷ ( 2.5kΩ × 47μF ) = 1.35Hz· · · 2A3싱글 출력단의 케이스

같이 됩니다. 이 케이스에서는, 10Hz까지 플랫이라는 특성을 구한 경우는, 47μF로는 부족하고 좀 더 큰 용량 이어야함을  압니다.

크로스토크와 상호 간섭

상기의 (2)「B전원 및 어스 회로를 다른 증폭단과의 사이에서 신호의 간섭이 일어나지 않게 하기 위해」라는 관점으로부터 생각해 봅니다. 이번은,「 전원 회로 상류측의 저항」과「디카플링 · 콘덴서」와 결정되는 시정수를 구합니다. 예를 들면, 전원 회로 상류측의 저항이 10kΩ, 디카플링 · 콘 덴서값이 10μF인 경우의 시정수는,

시정수 = 159 ÷ ( 10kΩ × 10μF ) = 1.59Hz· · · 전압 증폭 회로의 케이스

가 구해집니다. 여기서도, 10Hz이하의 신호 간섭을 억제하는 것은 까다로울지도 모릅니다. 그러나, 이것에서도 충분히 역할을 합니다.

앰프의 설계에서는,( 1)「각각의 증폭단의 신호 루프를 종결시키다」라는 관점과, (2)「B전원 및 어스 회로를 다른 증폭단과의 사이에서 신호의 간섭이 일어나지 않게 하기 위해」라는 관점의 양쪽 모두에 대해서 검증하고, 적절한 값의 콘덴서를 선택합니다.. 이 때, 회로 동작에 지장이 나오지 않게, 충분히 큰 용량으로 하면 좋겠죠.


콘덴서의 주파수 특성

콘덴서의 숙명으로서, 주파수가 낮게 되면  리액턴스는 증가합니다. 예를 들면, 100μF의 콘덴서에서는, 계산상, 1kHz에서는 1.6Ω입니다만, 100Hz에서는 16Ω,1 0Hz에서는 160Ω이 됩니다. 10kHz에서는 160mΩ, 100kHz에서는 16mΩ, 1MHz에서는 1.6mΩ입니다.

그런데, 콘덴서의 종류에 의해서는 계산대로의 값으로 되지 않습니다. 100μF의 용량이라고 하면, 보통은 알루미늄 전해 콘덴서(이른바 케미 콘)를 사용한다고 생각합니다만, 이 콘덴서에서는 계산대로의 값이 되는 주파수는 한정되고 있어, 주파수가 높게 되어도 리액턴스는 값보다도 낮게 되지지않고서 옆걸음이 되어,  높은 주파수에서는 증가해 갑니다. 탄탈,알미늄콘,OS콘은 고주파 특성이 꽤 개선되고 있습니다.

높은 주파수에서 리액턴스가 증가 한다고 하는 성질은, 알루미늄 전해 콘덴서에 한한 이야기가 아니고, 어떤 콘덴서에서도 어딘가의 주파수에 공진 포인트가 있어, 공진 포인트보다도 높은 주파수에서는 리액턴스는 증가합니다.

주파수가 높게 되어도 리액턴스는 어떤 값보다도 낮게 되지 않고서 옆걸음이 된다고 하는 것은, 콘덴서에도 저항성분이 있기 때문입니다. 이것을 등가 직렬 저항(ESR)이라고 부릅니다. 알루미늄 전해 콘덴서는, 이 ESR가 특히 크고, 이것을 개선한 것이 탄탈,알미늄콘,OS콘입니다.

필름콘이나 스치 콘은 대부분 ESR이 낮고, 공진 포인트도 보다 높은 주파수가 되고 있습니다. 특히, 유전체에 폴리프로필렌을 사용했지만 ESR가 낮기 때문에, 오디오용으로서 인기가 있습니다. 같은 구조의 콘덴서라면, 용량이 작을 정도, 그리고 리드선이 짧을 정도 공진 주파수는 높게 됩니다.

그리고, 알루미늄 전해 콘덴서의 용량값이 보증되는 것은 온도가 25도 일때이며, 0도 이하가 되면 용량은 자꾸 저하해 버립니다. 겨울철에, 앰프가 따뜻해지는 것에 따라 방법이 나오는 이유의 하나는, 알루미늄 전해 콘덴서의 온도 의존성의 높이에 있습니다.

그러나, 최근의 알루미늄 전해 콘덴서의 특성 향상은 눈부시고, 오디오 용도로서 거의 손 색않을 정도까지 좋은 것이 많습니다. 몇년전에 제조된 것은, 경년 변화에 의한 열화 뿐만 아니라, 특성에 열화가 있읍니다. 그렇기 때문에, 낡은 앰프의 알루미늄 전해 콘덴서의 유용은 그다지 현명하지 않습니다. 알루미늄 전해 콘덴서의 고주파 특성의 약점을 보충하기 위해서, 필름 콘을 병렬로 추가하는 수법이 있습니다만, 최근의 앰프에서는  없어진 이유는, 알루미늄 전해 콘덴서의 품질 향상에 있습니다.

결론으로서는, 낡은 콘덴서는 사용하지 않는 것이 중요합니다. 아무리 알루미늄 전해 콘덴서의 주파수 특성이 뒤떨어진다라고 해도, 고역이 감쇠해 들리는 것것은 결코 있지 않습니다.

다만, 수십 MHz 이상의 대역 에 있어서의 고주파 노이즈를 효과적으로 컷하고, 보다 안정된 대역 특성을 실현 한다고 하는 것까지 고려하면, 알루미늄 전해 콘덴서에 병렬로 고주파 특성이 뛰어난 타입의 필름 콘덴서를 넣는 테크닉은 그런 대로 의미를 가집니다. 그 경우에는, 각종 콘덴서의 성질을 숙지한 다음, 정말로 효과를 기대 할 수 있는 선택을 하는 것이 중요합니다

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