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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
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  15. 열설계

열설계

전력은 모두 열이 된다:

전원으로부터 공급된 전력의 거의 모두는「열이 된다」라는 것을 잊어서는 안 됩니다. 만약, 100W 백열 전구의 에너지 변환 효율이 100%이면, 100W의 전력 모두가 빛에너지로 변환되어 열은 완전히 없어져, 휘황찬란하게 빛나는 전구가 될 것입니다만, 현실은, 100W 전력의 거의가 열에너지 로) 되어 , 전구는 뜨겁게 됩니다.

오디오앰프도 같은 것으로써, 에너지 변환 효율이 100%이면 ,진공관식 메인 앰프는 전혀 열을 가지지 않을 것입니다만, 실제로는 난방 기구가 될 정도의 열이 납니다. 그런데도, 백열 전구보다는  좋아, 소비 전력 80W의 6B4G싱글 · 앰프에서, 6W+6W의 출력을 얻을 수 있기 때문에, 에너지 효율은 15%라는 좋은 성적?이 됩니다.

그런데도, 스피커에 입력된 6W의 에너지중, 음향 에너지로의 변환은 조금으로써, 에너지의 대부분은 스피커의 음성 코일에 열 로 되어 버립니다. 스피커의 허용 입력이라는 것은, 음성 코일이 방열 할 수 있는 최대 전력입니다.

저항이라는 부품이 있습니다. 저항기는 빛도 내지 않고 소리도 내지 않습니다. 이 부품은, 스스로 소비한 전력의 100%를 열 로 변환합니다. 세상에는 같은 성질의 기구가 있군요. 전열기입니다. 저항기는 미니 전열기입니다. 진공관도, 내부에 히터(즉 전열기)를 가지고 있습니다. 저항기나 진공관에 한하지 않고 ,트랜스, 콘덴서, 반도체 · · · 모든 부품으로부터 열이 납니다.

AC100V로부터 오디오앰프에 공급된 전력은 (모두) 열이 된다라고 생각하는 것이 가장 합리적인 해석인 것입니다.


부품은 열이 싫어:

열이라는 것은, 모든 것을 파괴하고, 산화 , 증발 ,피로 시켜, 열화 시켜 갑니다. 열피로라는 말을 아시는 바라고 생각합니다만, 온도차에 따르는 팽창 · 수축을 반복하는 중에, 물리적 · 기계적으로 구조가 피로해 가는 현상입니다. 화학반응의 스피드는, 온도 상승에 의해서 큰폭으로 스피드업 하는군요. 이러한 여러가지 요인에 의해서, 전자 부품의 피로 · 열화는 진행하고, 특성의 열화나 절연 성능의 저하, 고장을 일으킵니다.

알루미늄 전해 콘덴서가 열 에 약한 것은 매우 유명하지만, 그것은, 알루미늄 전해 콘덴서가 그 구조상 열에 극단적으로 약하다는 것이며, 다른 부품이라도 열은 환영하지 않습니다. 정격이내라 하더라도, 고온에 노출된 저항기의 표면은 타 오고, 솔리드 저항에서는 저항값이 변화해 버립니다. 필름 콘덴서는 절연이 열화하고 ,다이오드나 트랜지스터도 열화가 진행합니다.

전자 부품은 열이 싫은 것입니다.,초저온도 좋아하지 않습니다.


회로도에 쓰여있지 않은 부품:

열 에 관계되는 특성이나 영향은, 회로도로는 좀처럼 모릅니다. 발생한 열이 효율 좋게 외부에 방사될 것 인가, 내부로 가져 버릴 것 인가, 인근의 부품을 열로 상승시킬 것인가는, 회로도에 쓰여 있지 않습니다. 같은 회로도의 앰프에서도, 제작자가 다르면, 열 에 관계되는 성능에는 큰 차가 생깁니다.

  • 부품에서 발생하는 전력은 알지만, 그 부품이 어디에 장착되는 것은 모른다.
  • 방열기는 회로도에는 쓰여 있지 않다.
  • 부품과 부품과의 배치상의, 거리나 상하 관계는 모른다.
  • 샤시나 소켓등이 어느 정도 열을 전도할 것 인가, 그 재질이나 구조는 모른다.
  • 발열 부품의 리드선의 길이나 크기는 모른다.
  • 환기의 위치나 크기나 수는 모른다.
그 앰프가 ,장기에 걸쳐 문제를  일으키지 않고 안정적으로 동작할 것 인가, 부품의 열화등에 의해서 성능이 저하 하지 않을까,라고 하는 중요한 것은, 제작자의 열설계에 대한 센스와 실장 기술에 의해서 결정됩니다. 일찌기, 텔레비젼에서 불이 붙었다는 유명한 사건이 있었습니다만, 이것은 메이커측의 설계자의 열설계에 대한 몰이해가 원인이었습니다. 회로도에 쓰여 있는 부분의 설계 기술은 좋아도, 회로도에 쓰여 있지 않은 부분의 설계 기술에 문제가 있는 기술자는 매우 많기 때문입니다..

여러분이 가진 컴퓨터나 전기 제품을 열어 봐 주십시오. 거기에는, 열로 변색한 저항기가 있거나,분명히 뒤에서 추가했다고 생각되는 방열판이나 냉각 팬이 설치되어 있거나 합니다. 이것은, 제품화된 뒤에서 문제가 나타난 증거입니다.


열설계:

(1) 전체 설계와 소비 전력의 산출

진공관 앰프에서는, 최대의 발열체는 진공관이겠지요. 그 다음에, 전원 트랜스라고 생각합니다만,저항기로부터 생기는 열의 총량도 작지  않습니다. 저항기는 거의 모두가 샤시 내부에 장착되기 때문에, 여기서 생기는 열은 모두 샤시내 온도 상승의 원인이 됩니다. 열설계에서는, 함부로 저항기에 전력을 먹이지 않는 지혜와 방법이 요구됩니다.

1mA흘리면 충분한 곳에 2mA를 흘릴 필요는 있지 않습니다. 전원 회로의 정류 출력 전압이 400V인 앰프에서는,  1mA의 절약이 앰프 전체로는 0.4W 전력의 절약으로 이어집니다. 0.4W라면 꽤 많은 열이 납니다.

앰프를 설계할 때는, 오옴의 법칙으로, 우선, 모든 발열 부품에 대해서 소비 전력을 산출합니다. 진공관의 경우는, 히터 전력과 플레이트 손실(+스크린 그리드 손실등이나)의 합계값이 됩니다. 저항기의 소비 전력의 계산은 간단하군요.

오디오 회로 에 있어서의 콘덴서의 발열양의 계산은 매우 까다로운 것으로, 계산에 필요한 정확한 데이터 얻을 수 있지 않고, 발생하는 열량이 상대적으로 꽤 작기 때문에 생략해도 괜찮습니다.

(2)부품 하나하나의 열관리 검토

소비 전력을 산출 할 수 있으면, 부품 하나로의 열관리에 대해서 검토합니다.

예를 들면, 0.2W 전력 소비가 있는 저항기의 경우, 몇 W형의 저항기로 할 것 인가라는 것입니다. 저항기의 규격은, 상온( 25℃)에 있어서의 동작을 기준으로 하고 있습니다만, 앰프의 내부가 25℃는 아닙니다. 여름 철이면, 전원 OFF의 상태에서도 35℃이상 있을 수 있고, 전원 ON 뒤에는 50℃이상이 되는 것은 드물지 않습니다. 나는, 전력 소비량의 4배의 정격을 사용하는 것을 표준으로 하고 있습니다. 그렇기 때문에 원칙으로 1W형을 사용합니다. 물론, 1/2W형을 사용해도, 저항기가 파괴되는 것은 없다고 생각합니다만, 상당한 고온이 된다고 하는 것은 각오 하지 않으면 안 됩니다. 1W형의 저항기에, 0.5W 혹은 0.25W의 전력을 흘리면, 그 저항기가 어느 정도 뜨겁게 될 것 인가, 꼭 한번 실제로 손가락을 대어 그 감각을 기억해 주십시오 · · · 6.3V에 82Ω을 넣으면 0.48W가 됩니다.

이 때 ,1W형이 없는 경우가 있습니다. 1MΩ의 저항을 450V에 넣고 싶은 경우입니다. 1W형 1MΩ이라 값의 저항기는 제조되지 않습니다. 이러한 경우에는, 510kΩ 1/2W형의 저항기를 2개 직렬로 합니다. 이와 같이, 열설계에 의해서 회로도도 바뀌는 경우가 종종있습니다.

1kΩ 저항기에 120mA를 흘리고 싶을  경우는 어떨까요. 소비 전력은 14.4W 됩니다. 이번은, 14.4W 열을 샤시 내부에서 발생 시키는 것이 문제가 됩니다. 스테레오에서는 28.8W가 되어 버립니다.  저항기를 샤시에 밀착 시켜 방열 시킬지, 샤시 외부에 놓을지, 혹은 처음부터 설계 변경을 해 대량의 발열을 피할 지 방법이 필요합니다.

전원 트랜스는, 각 권선마다 정격이내로 사용하는 한, 발열에 의한 문제는 없다고 생각해도 좋습니다만, 정격에 근접한 전력을 꺼내면 철심의 온도는 손쉽게 100℃를 넘어가, 손으로 데지 못할 정도가  됩니다.

진공관은, 종류마다 관리 방법, 유리벽의 온도가 다릅니다. 2A3의 전소비 전력이, 15W+(2.5A×2.5A)=21.25W인데 대해, 아주 소형인 6R-A8가, 15W+(6.3A×1A)=21.3W입니다. 이 문제는, 진공관의 최대정격의「플레이트 손실」의 페이지를 참고로 해 주십시오.

다이오드에서도, 정류 다이오드는 발열합니다. 순방향 전압 0.6V 곳에 평균 전류 200mA를 흘리면 거기서 소비되는 전력은 0.12W이기 때문에 저항기로 하면 1/2W형 상당이 되고, 브릿지 정류기로부터 1A를 꺼내려고 하면 브리지 · 스택 전체의 소비 전력은 2W이상이나 되기 때문에 저항기로 하면 10W형 상당이 되어 버리기 때문에, 방열 대책을 생각하지 않으면 안 됩니다.

트랜지스터에 대해서는, 방열판의 열저항등으로부터 필요한 방열판의 사이즈를 구하는 식이 있습니다만, 이것에 대해서는 전문서에 양보합니다. 진공관의 플레이트 손실에서는, 15W라는 정격이 있으면 15W까지 먹일 수 있는 것을 할 수 있습니다만, 파워트랜지스터에는 콜렉터손실이 라는 것은, 무한대의 방열판에 의한 이상 방열이 행해진 경우의 값이 표시되있기 때문에, 기준이 완전히 다른 것을 기억해 두어 주십시오 · · Tj=25℃이라는 표시가 있습니다. 30W의 콜렉터 손실의 트랜지스터의 경우, 방열판이 없는 경우는 2W 정도 먹이면 뜨겁게 됩니다.

이와 같이 해, 부품 1점 1점에 대해서, 어느 정도의 열량이 방출될 것 인가, 그리고, 앰프 전체로 어느 정도의 열량이 될 것 인가를 검토합니다.

(3)부품의 실장 검토

이번은, 개개 부품의 실장시의  방법이나 배치의 검토입니다. 저항기 등에서 발생한 열은, 공기를 통해서 방열될 뿐만 아니라 ,리드선에 전해져도 방열됩니다. 따라서, 리드선이 먼저 좀 더 고온이 되는 부품에 이어지는 것 같은 경우는, 열이 역류하는 경우도 있을 수 있습니다. 그리고, 큰 어스 라인 등에 짧게 납땜해 버리면, 어스 라인에 전해지는 방열도 기대 할 수 있는 것입니다. 발열 부품이 밀집 하는은 경우는, 간격을 비울지, 보다 정격이 큰 것으로 변경합니다. 법랑 저항은, 굴뚝을 연상 시킵니다만, 이것을 세로로 배치하는 때는 주의. 위쪽이 높은 온도가 되어 버리기 때문입니다. 법랑 저항은 수평 배치를 전제로 정격이 결정되어 있습니다.

가열된 공기는 상승하기 때문에, 고온이 되는 부품 위편에 열 에 약한 전해 콘덴서나 온도 특성이 민감한 반도체를 배치하는 것은 현명하지 않습니다. 뜨겁게 되는 저항이나 다이오드가 최종적으로 위쪽이 되는 것처럼, 전해 콘덴서가 밑으로 되게 진행시켜 갑니다.

샤시의 여기저기에 방열 구멍을 뚫는 것은 매우 의미가 있습니다. 이 때, 발열 부품 위에 방열구멍이 오게 합니다. 복형 전원 트랜스의 구멍은, 가능한 한 크게 열고  넓게 잡아 줍니다. 밖으로부터는 보이지 않습니다만, 이 구멍에 의한 방열 효과는 큰 것이 있습니다. 따라서, 전원 트랜스의 철심은 샤시 표면에 밀착 하지 않게, 너트등으로 충분히 띄워 줍니다. 콘덴서 본체를 샤시로부터 띄우거나 해, 환기 할 수 있도록 하면 좋다고 생각합니다.

진공관에서 특히 주의 해야 할 것은 메탈관입니다. 메탈관에서는 베이스를 통해 샤시측에 전해지는 전도열의 비율이 극단으로 큽니다. 그 다음은 특히 플레이트 위치가 낮고, 핀과의 거리가 가까운 구조의 관은 요주의입니다. 반대로, 전극과 베이스 핀과의 거리가 먼 ST관에서는, 플레이트나 히터의 열은 베이스까지는 거의 전해져 오지 않습니다. 6L6계열의 경우, 관의 근원이 제일 뜨겁게 되는 것은 6L6(메탈관), 그 다음에  5881, 그리고나서 6L6GB나 6L6GC, 마지막에 6L6GA라는 순서가 됩니다. 샤시에게로 전도열이 큰 관에서는, 샤시가 상당히 가열되는 것을  생각하지 않으면 안 됩니다.

정류 다이오드에서는, 특히 발열이 큰 filament 직류 점화 전원용이 있습니다만, 이것은 규소를 도포한 다음 샤시에 압착할지, 그에 적합한 방열판을  줍니다.

파워트랜지스터의 거의는 내부적으로 콜렉터측이 방열 핀에 접속되기 때문에, 샤시나 방열판에 쇼트 사고가 예상되므로 절연을 위해서, 전용의 마이카나 절연 쉬트를 부착합니다. 구멍의 대수롭지 않은 바리가 절연 쉬트를 관통해 쇼트 사고가 되기 때문에 부디 주의해 주십시오.

콘덴서중, 거의 확실히 가열되는 것이 1개있습니다. 그것은, 전원 회로에서, 정류 뒤 최초로 오는 리풀 필터의 콘덴서입니다. 이 콘덴서 만큼은 매우 큰 리풀 전류가 흐르기 때문에, 꽤 많은 열을 가집니다. 메인 앰프 등에서, 같은 사이즈의  콘덴서를 복수개 늘어놓아 실장한 경우, 얼마되지 않아 그중 1개만이 묘하게 열을 가지는 것을 곧바로 압니다. 정류관을 사용한 경우, 정류관과 블록 · 콘덴서가 서로 이웃하기 쉽습니다만, 블록 · 콘덴서가 열로 되는 것만큼은 피하고 싶기 때문에, 위치 를 잘 고려하여야 합니다. 이 블록 · 콘덴서는, 소모품으로 결론짓고, 간단히 교환 할 수 있게 배치 · 배선을 하여 주십시요..

(4)조정과 개선

다된 앰프는, 연속 운전을 시켜 발열의 모습을 조사합니다. 열관리가 잘 되어 있지 않은 앰프에서는, 샤시 전체가 꽤 많은 열을 가지거나, 특정 부위만이 이상하게 열을 가지거나 합니다.  트랜스나 부품을 실장해 버리고서, 새롭게 방열 구멍을 뚫는 것은 곤란하고, 부품이나 배선을 손상시킵니다.그렇기 때문에, 사전 열설계가 매우 중요한 것입니다. 메이커제의 전자 기기에서도 발화등의 사고를 냅니다 ,모두 자기 책임하의 자작인 경우는 보다 한층 주의가 필요합니다.

아무리해도 앰프 전체가 너무 뜨겁게  되는 경우는, 총열량을 줄이지 않으면 안 됩니다. 전원 트랜스의 B권선 탭을 하나 내린다, 플레이트 전류를 줄이는  변경을 합니다. 전원 전압을 10%내리면, 일반적으로 최대 출력은 20%이상 저하합니다. GT관에서, 동등 특성을 가진 ST관으로 변경하는 것도 유효합니다. 겨울철 전용 앰프에 한다고 하는 판단도 있겠지요. 어쨌든, 안전하게 동작하는 앰프인 것이 무엇보다도 우선합니다. 소리때문에라면 안전도 희생 한다고 하는 분은, 앰프를 만들 자격은 있지 않습니다.

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