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자작 교실

진공관 앰프 자작시 필요한 기초 지식입니다.
작성자 DHTsound
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  진공관의 3정수와 그의미
 

진공관 3정수


진공관의 기본 특성은, 다음 3개의 정수로 표현됩니다.

·         증폭율(μ)

·         상호 컨덕턴스(gm)

·         내부 저항(rp)

3개 정수의 성질과 관계를 알고 있으면, 그 진공관이 어떤 성질이나 특징을 가져, 회로를 어떻게 설계하면 좋을까, 어떤 관으로 대체 할 수 있을지,어떤 관으로 바꾸면 좀 더 뛰어난 앰프를 제작할 수 있을지 등을 알 수 있습니다. 플레이트 특성 데이터가 없어도, 대체적인 동작점을 결정하는 것조차 할 수 있습니다.


증폭율(μ)

밑의 그림을 봐 주십시오. 이것은 6FQ7 플레이트 특성의 실측 데이터입니다. 우선, 기준이 되는 동작점을 가령

Ep=140V
IP=4mA

라고 결정합니다. 그림중의 적색의 큰의 점입니다. 바이어스 전압은 정확히 -4V입니다. 여기서 바이어스를 플러스 1V, 마이너스 1V의 범위로 변화 시켜 봅니다. 이 때, 플레이트 전류가 항상 4mA로 일정하게 되는 것처럼 플레이트 전압을 조정 해 줍니다. 이 모습을 그림 중에 나타낸 것이 2개의 적색의 작은입니다.


바이어스가 -3V일 때의 플레이트 전압은 128V, 바이어스가 -5V일 때의 플레이트 전압은 152V가 되었습니다. 즉, 바이어스를 1V 변화 시킬 때, 플레이트 전압의 변화는 각각 22V 변화된 것입니다. 이와 같이, 플레이트 전류가 일정한 상태로 바이어스를 변화 시킨 때의, 바이어스 변화에 대한 플레이트 전압 변화율을 ”증폭율(μ)”이라고 합니다. 이 경우의 μ은 22입니다.

증폭율(μ)=플레이트전압 변화율(V)÷바이어스 전압 변화율(V)

단위는 특별히 있지 않습니다만, 억지로 한다면 몇 배라고 표현이 됩니다. 플레이트 특성 곡선 그림에서 바이어스 1V 변화에 따른 특성 곡선을 그려, 각 곡선의 좌우 방향의 사이간격이라고 생각해 주십시오.

3극관의 경우, 플레이트 전류가 많아지는 것에 따라 μ의 값은 서서히 크게 되고, 플레이트 전압이 높게 되는 것에 따라 μ의 값은 서서히 작게 되는 성질이 있습니다. 그 정도는, 관에 따라 다양하나, 오디오 용으로 개발된 관은 , 변화의 정도가 작은 것이 보통입니다. 텔레비젼관이나 고주파관에서는, 변화의 정도를 의도적으로 크게 하는 것이 다수 존재합니다.

다극관의 경우(밑그림 =6AU6)는, 통상의 동작으로 사용되는 플레이트 전압에서는, μ는 아주 높은 값이 되기 때문에, μ의 값이 그다지 의미를 가지지 않습니다. 그 때문에, 대부분 다극관의 특성 데이터에서는, μ 값을 공표하고 있지 않습니다.



응용 · · ·

전압 증폭 회로를 설계하는 경우에, 충분히 큰 값의 플레이트 부하 저항을 준 경우, 그 회로의 실제 증폭도는 μ값에 가까운 값이 됩니다만, μ값보다도 크게 되는 것은 없지요. 예를 들면, 12AX7/ECC83의 μ은 대개 100이기 때문에, 이 관으로 1단증폭 회로를 짠 경우에 얻을 수 있는 증폭율은, 부하 저항이 무한대일 경우 100이 되고, 어떻게 해도 더 이상 큰 증폭율을 얻을 수 없읍니다. 이것을 이해하면, 이 장은 졸업입니다.


상호 컨덕턴스(gm)

이번도 같은 기준이 되는 동작점을 사용합니다.

Ep=140V
IP=4mA

입니다. 그림 중의 적색 큰의 점입니다. 이번에도 바이어스를 플러스 1V, 마이너스 1V의 범위로 변화 시켜 봅니다. 이 때, 플레이트 전압이 항상에 140V로 일정하게 되는 것처럼 플레이트 전류를 변화 시켜 줍니다. 이 모습을 그림중에 나타낸  것이 2개의 적색 작은입니다.



바이어스가 -3V 때의 플레이트 전류는 6.3mA, 바이어스가 -5V 때의 플레이트 전류는 2.2mA이 되었습니다. 즉, 바이어스를 1V 변화 시킨 때의 플레이트 전류 변화는 각각 2.3mA와 1.8mA 인 것입니다. 이와 같이,플레이트 전압이 일정한 상태에서 바이어스를 변화 시킨 때의, 바이어스의 변화 에 대한 플레이트 전류의 변화율을「상호 컨덕턴스(gm)」라고 합니다. 이 경우의gm는 1.8∼2.3모입니다.

상호 컨덕턴스(gm)=플레이트 전류 변화율(A)÷바이어스 전압 변화율(V)

그런데, 여기서 좀 재미있는 것이 나타납니다. 오옴의 법칙에,「저항(Ω)=전압(V)÷전류(A)」라고 하는 식이 있었습니다. 이것을 상호 컨덕턴스의 식과 비교해 봅니다.알기 쉽게 하기 위해서 일부러 단위만 표시합니다.

저항(Ω)=(V)÷(A)
상호 컨덕턴스(gm)=(A)÷(V)

분모와 분자가 역으로 되어 있지요. 전압(V)÷전류(A)의 결과가 Ω=오옴 /ohm 인 것이면, 전류(A)÷전압(V)의 결과는 무엇이라고 부르면 좋을 까요. 이렇게, Ω(ohm)과는 반대이기 때문에 기호도 상하 역으로, 읽기에도 좌우 반대로 하여, 이것을 (mho/ 모)라고 부릅니다. 상호 컨덕턴스라고 하는 것은, 플레이트 특성곡선 그림에서 바이어스 1V 뛰워서 특성 곡선을 그려, 각 곡선 위아래방향의 사이간격이라고 생각해 주십시오.

3극관의 경우, 플레이트 전류가 많아지면 gm의 값은 자꾸 자꾸 크게 되고, 플레이트 전압이 높아짐에 따라 gm의 값은 자꾸자꾸 작게 되는 성질이 있습니다. 이 변화의 정도는, 전술한 μ에 비해서 매우 크게 나타나고 있습니다.

다극관의 경우(밑그림 =6AU6)에서는, gm은 매우 중요한 의미를 가집니다라고 하는 것보다, 거의 gm밖에 의미를 가지고 있지 않다라고 말해도 좋겠지죠. 플레이트 전류가 많아지는 것에 따라 gm의 값은 자꾸자꾸 크게 됩니다만, 플레이트 전압이 높게 되어도 gm의 값은 불과 몇 밖에 증가하지 않습니다.



응용 · · ·

상호 컨덕턴스의 단위는 저항값(Ω)의 역수(1/Ω)이기 때문에, 이것에 저항값(Ω)을 곱 해 주면 단위가 예쁘게 사라집니다. 실제에 있어, 5극관증폭회로에서는 상호 컨덕턴스값에 플레이트 부하 저항값을 곱한 값이 그 회로의 증폭율이 됩니다.

그리고, gm의 역수를 구하면 저항값(Ω)이 되고,이 값은 높은 정밀도로 캐소드 · 팔로워 경우의 출력 impedance가 됩니다. 예를 들면, 5687의 gm은 8.5∼11.5이기 때문에 5687을 캐소드.팔로워로 사용하면 출력 impedance는 85Ω∼115Ω이 되고, gm이 2.6인 6F6(3결)의 경우 출력 impedance는 385Ω이 되고, gm 이 1.6인 12AX7의 경우 출력 impedance는 625Ω이 됩니다.


내부 저항(rp)

마지막으로, 내부 저항입니다. 밑그림을 주목해 주십시오. 이번은 동작 포인트 에 있어서의 플레이트 특성 곡선의 기울기입니다. 바이어스를 일정하게 한 상태에서, 플레이트 전압을 증감했을 때, 플레이트 전류가 어느 정도 증감할 것 인가라고 하는 지표를 내부(rp)라고 합니다.



예를 들면, 플레이트 전압을 140V로부터 10V높게 하여 150V로 하거나, 10V낮게 하여 130V로 한 경우, 플레이트 전류는 5mA가 되거나 3mA됩니다. 그 변화율은,

내부 저항(rp)=플레이트 전압 변화율(V)÷플레이트 전류 변화율(A)

로 표현됩니다. 여기서 계산해 보면,

10kΩ=( 150V-140V)÷(5mA-4mA)
10kΩ=( 140V-130V)÷(4mA-3mA)

로 되어, 이 경우의rp는 10kΩ입니다. 내부 저항은, 전압 증폭 회로에서는 부하 저항이나, 다음단의 입력 impedance와의 관계로 회로 전체의 이득에 영향을 줍니다.

3극관의 경우, 플레이트 전류가 많아짐에 따라 rp의 값은 서서히 작게 되고, 플레이트 전압이 높게 됨 따라 rp의 값은 서서히 작아지는 성질이 있습니다. 플레이트 전류가 매우 적은 영역에서는, Ep-Ip 특성 곡선이 거의 수평으로 되어, rp는 매우 높은 값이 됩니다. 이 곡선이 낮은 플레이트 전류에서 일어서 있는 정도에 따라, 큰 출력에 있어서 직선성이 좋은 것이 됩니다.

다극관의 경우는, Ep-Ip 특성 곡선이 항상 옆으로 일직선에 가까운 상태이기 때문에, rp는 매우 높은 값을 나타냅니다.



응용 · · ·

6FQ7를 여기서 검증한 조건으로 전압 증폭 회로로 동작 시킨 경우, 부하 저항을 30kΩ로 했다고 하면, 기본이 되는 증폭율은 22였지만, 내부 저항이 10kΩ이고 부하 impedance가 30kΩ이므로, 신호는 30kΩ/( 10kΩ+30kΩ)=0.75배가 되어, 회로 전체의 이득은 22×0.75=16.5(배)가 됩니다.


μ」,「gm」,「rp」의 관계

3개의 정수는 예쁜 삼각 관계?에 있습니다. 즉,

μ」=「gm」×「rp」
gm」=「μ」÷「rp」
rp」=「μ」÷「gm」

라고 하는 관계입니다. 지금, 여기에 다양한 관의 3정수 데이터가 있기 때문에 검증해 봅시다.

 

2A3

300B

6SN7GT

12AX7

6V6GT

6AU6

증폭율(μ)

4.2

3.85

20

100

---

---

상호 컨덕턴스(gm)

5.25

5.5

2.6

1.6

4.1

4.5

내부 저항(rp)

0.8kΩ

0.7kΩ

7.7kΩ

62.5kΩ

50kΩ

1500kΩ

2A3의 경우,「gm」×「rp」는「5.25」×「0.8」이기 때문에μ=4.2가 되어, 상기 데이터와 딱 일치합니다. 나머지 관의 경우도 같습니다. 진공관 데이터가 불충분한 경우라도, 3정수중 2개를을 알면 나머지 1개는 간단한 계산으로 구해지기 때문에, 이 식을 머리에 넣어 두어 주십시오. 다만, 5극관의 경우는, 내부 저항이 극단적으로 높고,그 동작 조건은 거의 gm만 으로 결정되므로, 데이터가 생략되는 경우가 대부분입니다.


정리

진공관의 3정수와 그 단위.

·         증폭율(μ)· · · 단위(없음)

·         상호 컨덕턴스(gm)· · · 단위(모 /mho/Ω을 거꾸로 한 기호)

·         내부 저항(rp)· · · 단위(오옴/Ω)

3정수의 상호의 관계는 다음 식으로 표현됩니다.

·         내부 저항(rp)=증폭율(μ)÷상호 컨덕턴스(gm)

주의 · · · 발표되고 있는 진공관의 3정수는, 어느 것도 일정한 조건의 경우의 것에 지나지 않습니다. 플레이트 전압이나 플레이트 전류등 조건이 바뀌면, 3정수는 다른 값을 가집니다. 단순하게 발표 데이터만을 보고, 진공관을 비교 할 수 있는 것이 아니므로 주의 주세요.

 

다음 번에는 각 진공관이 다른 동작점을 가질 때, 위 3정수가 어떻게 변하는 지를 살펴보고, 각 진공관에 맞는 최적의 동작점을 찿는 연구를 해 보겠습니다. 일반적으로 3극관의 경우, 최대 정격에 가까운 동작을 할수록 ( 즉, 높은 플레이트 전압, 많은 전류) 좋은 소리를 낸다고 알려져 있습니다. 다만 진공관 수명이 문제가 되겠지요. 일본은 진공관 수명을 중시하여 최대정격에서 50-60% 정도를 사용하고, 미국에서는 음질을 중시하여 80-85% 정도로 사용한다고 합니다.

동작점에 대한 연구는 각자가 하여 자기에 맞는 소리를 개척하여야 할 것입니다. 따라서 일본이나, 미국에서 발표된 회로를 약간 수정하여 사용할 필요가 있습니다.

최근 미국에서의 경향은 gm이 높고, rp가 낮은 진공관을 초단이나 전압증폭단에 사용하고 있읍니다. gm이 높으면, 바이어스 전압 변동에 민감하게 전류가 변하기 때문에, 최근 디지탈소스에 잘 대응되며, rp가 낮으면 인터스테이지 트랜스의 1차 임피던스가 낮아져 광대역의 주파수 대역 확보가 용이해 지기 때문입니다.

 

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