재미없는 진공관 이야기 (11) 진공관 출력 앰프의 설계. 3극관, 5극관/빔관, A급, AB1급, AB2급, 부하선 설계?????????????

자작 파워 앰프의 구성

진공관 파워 앰프의 구성이라면 어떤 회로를 사용했네 등등 지엽적인 것을 내세우는 경향이 있으나, 이런 지엽적인 것들은 회로에서의 필요에 의해 채택하는 것에 지나지 않습니다.

좋은 부품이 비싸고 구하기 쉽지 않았을 때에, 진공관을 몇 개 사용했네, 드랜지스터를 몇 개 사용했네, 어떤 특허 회로를 사용했네 등등의 마케팅용에 지나지 않은 것들이 아직 미신으로 남아서 자랑거리로 남아 있는 것이 웃기는 일이죠. 같은 조건으로 설계되었다면, 부품 수가 적은 쪽이 신뢰성이 좋습니다.

 

파워 앰프의 구성은 어떤 성능의 앰프가 되어야 한다는 것이 우선 되어야 합니다. 어느 정도 출력의 앰프로, Hi-Fi 스피커를 사용하기 위해 댐핑팩터가 어느 정도여야 하고, 찌그러짐율은 어느 정도여야 하고, 험의 수준은 어느 정도여야 하고, 입력 임피던스와 게인이 얼마여야 한다는 것 등등이 기본 설계 규격이고, 이 규격을 만족시키기 위해 회로가 구성되어야 합니다.

 

파워 앰프에서 주의해야 할 것은 출력이나 주파수 특성이나 댐핑팩터나 THD/IMD 보다 중요한 것이 잡음입니다. 잡음을 프리앰프에서 잡아 주어야 하나, 볼륨단 이후의 잡음은 조용하게 들을 때의 잔류잡음이 SNR보다 더 중요할 수 있어서 파워 앰프의 잡음도 중요합니다. 초단은 무조건 게인이 크게 그리고 저잡음 소자와 저잡음 전원으로 만들어야 합니다. 이상한 엉터리 부품을 사용하지 말고….

 

진공관 앰프의 자랑거리는 자신이 직접 조립한 것이나, 자신이 설계한 앰프라는 것이면 가장 큰 자랑거리일 것이고, 어느 정도 실력이 있으면 자신이 어떤 목표로 설계한 것이 잘 동작하느냐가 자랑거리가 될 것입니다.

특성이 좋지 않는 진공관 앰프를 비싸게 주고 사거나, 옛날 고물을 다시 살린다고 해도 별 자랑거리가 될 수 없습니다. 비싼 것은 돈자랑이고 고물은 고물이죠. 고물에 고물 진공관을 붙여 봐야 더 고물일 뿐입니다. 당시 워낙 기술이 없었을 때 약간의 기술이 있다고 자랑하든 것들이 지금까지 몇몇 이상한 사람에게 숭배대상으로 남아있는 것은 웃기는 일입니다.

 

3극관, 5극관, 빔 4극관

가열된 케소드에서 발생하는 열전자가, 플레이트가 양전압일 때만 끌려가는 것을 이용한 것이 2극관입니다. 2극관의 양극 사이에 만들어진 그리드라는 금속망의 음전압의 크기로 플레이트로 흐르는 전자의 량을 조절할 수 있게 하여, 증폭기능을 가지게 만든 것이 3극관입니다.

3극관의 그리드(제1그리드)와 플레이트 사이에 스크린 그리드라는 새로운 제2 그리드를 넣어서, 출력 임피던스를 키워서 게인을 올리고 그리드와 플레이트간 용량을 감소시켜 고주파 특성을 개선한 것이 4극관 입니다.

4극관의 플레이트와 스크린 그리드 사이에 억압 그리드라는 제3의 그리드를 추가하여, 4극관의 kink 현상을 방지하여 동작을 안정시키고 포화 전압을 개선한 것이 5극관이고, 4극관 플레이트 주변에 전자흐름의 집속판을 두어서 kink현상이 발생하지 않게 하여 5극관과 비슷한 특성을 가지게 한 것이 빔 4극관(빔관)입니다.

 

자작 진공관 파워 앰프의 구성은 3극관 싱글, 3극관 push pull (PP), 5극관이나 빔관 싱글, 5극관 이나 빔관 PP 등이 있을 수 있습니다.

3극관은 게인이 낮고 포화 전압이 높아서 대출력용으로는 적합하지 않습니다. 다만 찌그러짐율이 비교적 낮고 출력 임피던스가 낮아서 NFB 없이도 어느 정도의 찌그러짐율과 댐핑팩터를 가질 수 있다는 장점은 있습니다. 빔 4극관 외의 4극관은 kink현상 때문에 오디오용으로는 부적합합니다.

대출력용 5극관과 빔 4극관은 비슷한 특성을 가집니다. 포화전압이 낮고 게인이 커서 대출력용에 적합합니다. single end로 사용하면 찌그러짐이 심하고, 출력 임피던스가 커서 피더백(NFB)없이는 필요한 댐핑팩터가 나오지 않습니다.

소신호용 5극관은 게인이 크고 주파수 특성이 좋아서 잡음이 조금 커도 소신호용으로 많이 사용되었지만 여기서는 생략합니다.

 

짝수 하모닉스 찌그러짐. 홀수 하모닉스 찌그러짐

재생된 파형으로 보았을 때, 상측 파형과 하측 파형이 비대칭인 것은 짝수 하모닉스 찌그러짐으로 생긴 것이고, 상하가 대칭이나 모양이 찌그러진 것(미분치가 상하 비대칭인 것)이 홀수 하모닉스 찌그러짐으로 생긴 것입니다.

모든 증폭 소자는 비선형 특성을 가져서 홀수 및 짝수 하모닉스를 모두 가집니다. 트랜지스터는 비교적 선형 특성을 가지는 전류 증폭율을 주로 이용하나, 진공관은 기본적으로 3/2승 특성을 가지는 gm을 사용할 수 밖에 없습니다. 그리드를 만드는 방법 등등에 변화를 주어서 어떤 영역에서는 다른 3/2승 특성으로 바꿀 수 있으나, 기본적으로는 따라갈 수 밖에 없습니다. 이 특성 때문에 심한 상하비대칭 찌그러짐을 피할 수 없어서 짝수 하모닉스가 많이 생깁니다. 이 현상은 3극관이나 5극관이나 모두 동일하게 발생합니다.

싱글 앰프에서는 이 비대칭 찌그러짐은 피할 방법이 없으나, push pull 방법에서는 특성이 같은 진공관이라면 진공관끼리 상하대칭이 이루어져서 짝수 찌그러짐이 감소합니다.

 

오디오 출력관용 3극관은 싱글을 대상으로 설계되어서 적당히 짝수 찌그러짐을 억제하는 설계로 되어있어나, 전력 5극관이나 빔관은 포화 전압을 낮추고 push pull에서 특성을 좋게 만드는 설계로 되어있어서 대부분 싱글 앰프에서의 짝수 찌그러짐율이 3극관 보다 크게 만들어집니다.

소출력 5극관에는 remote cutoff관이라는 것과 sharp cutoff관이라는 것이 있습니다. Remote cutoff관이라는 것은 그리드 구조를 조정하여 저 전류에서 cutoff를 천천히 진행하도록 하여 고주파에서 AGC를 걸 수 있도록 만든 것이고, sharp cutoff는 오디오용으로 선형성을 좋게 만든 것입니다. 오디오에서는 사용하지 말라는 진공관을 사용하는 자해행위는 하지 말아야죠.

 

3극관이 짝수가 많고 5극관이 홀수가 많으니 하는 소리나, 반도체 앰프는 홀수가 많으니 하는 소리들은 대부분 거짓말이거나 사기수준입니다.

5극관의 짝수 하모닉스 찌그러짐이 3극관의 짝수 하모닉스 찌그러짐보다 크고, 3극관의 짝수 일그러짐은 5극관의 홀 수 일그러짐보다 훨씬 크고, 3극관의 홀 수 찌그짐율과 5극관의 홀 수 찌그러짐 율은 거의 비슷합니다. 진공관 앰프는 반도체앰프보다 어떤 형태의 찌그러짐도 반도체 앰프에 비해 월등히 큽니다.

이 사실은 숨기고 비교 대상 사이에 서로 비교는 하지 않고, 누구의 뭐가 제일 크니 다른 것 작은 것 보다 더 크다는 식의 사기를 치는 꼴입니다.

 

진공관 출력앰프의 구성, 3극관 앰프

피더백을 걸지 않고 앰프를 만들려면 3극관 출력 앰프가 좋습니다. 충분하지는 않지만 어느 정도 필요한 댐핑팩터를 얻을 수 있고, 충분하지 않지만 견딜 수 있는 수준의 찌그러짐을 피더백 없이도 만들 수 있습니다.

3극관 출력 앰프는 3극관을 사용하는 방법과 빔관이나 5극관을 3극관 연결로 사용하는 방법과 소신호용 3극관을 병열로 연결하여 만드는 방법 등이 있습니다.

 

3극관의 장점은 댐핑팩터가 크고 single end에서도 파형의 찌그러짐을 어느 정도 작게 만들 수 있다는 점이나, 효율이 낮고 출력이 작다는 치명적인 단점을 가지고 있습니다. 이 단점 때문에, 대출력 5극관과 빔관이 나오자 오디오 출력용 3극관은 이 들 대출력관에 밀려서 역사속으로 사라집니다. 차별화 시킬 요소가 더 이상 없는 반도체 앰프에 식상한 애들이 차별화를 위해 진공관 앰프를 가지고 나오면서, 아마츄어도 쉽게 설계하고 만들 수 있는 3극관 앰프가 각광을 받게 된 것뿐입니다.

출력이 작아서 고효율 스피커를 사용해야 어느 정도 큰 소리를 만들 수 있지만, 고효율 스피커는 진공관 등등에서 나오는 모든 잡음을 볼륨위치에 무관하게 큰 소리로 만들어서 문제를 일어 킬 수 있습니다.

 

3극관도 간접 가열식 오디오 출력용이 만들어 졌으나 빔관 등이 나온 이후라서 성공하지 못했고, 지금 구할 수 있는 것은 오래된 직열식 진공관이나 그 복제품과 통신용 진공관이나 전압안정기용으로 개발된 것 정도입니다.

직열방식의 오래된 3극 오디오 출력관은 NFB없이도 어느 정도의 성능이 나와서 복고 바람으로 소수 사람에게 다시 각광을 받고 있지만, 출력이 충분하지 않고 드라이브 회로가 까다롭고 직접 가열식 히터 전류를 직류로 사용하거나 험 발란스 볼륨이 필요한 역사 속 유물일 뿐입니다.

출력을 키우기 위해 송신용 3극관을 사용해도 오디오 출력이 그렇게 크지도 않으면서도 드라이브 전압이 너무 높고 전원공급전압이 높아서, 드라이브 트랜스를 사용해야 한다거나 등등 설계하기 까다롭기 때문에 설계능력이 있지 않거나 남에게 이상한 것을 자랑하려는 성격이 아니면 피하는 것이 좋습니다.

일부에서는 산업용이나 군용 전압 안정기용 3극관을 앰프에 사용하는 경우가 있으나, 수명을 고려하면 생각만큼 큰 출력을 내지 못합니다. 게인이 2.5에 지나지 않고 이상하게 생긴 러시아제 군 항공기용 진공관도, 수명을 고려하면 싱글에서 관당15W정도가 상한선입니다.

 

소신호 3극관을 병열로 연결하는 방법은 댐핑팩터 등에 유리하나, 효율이 나쁘고 크기가 커지고 비싸지고 출력이 제한적이고 고장난 관의 인지가 어렵다는 등등의 문제로 별로 추천하고 싶지 않습니다.

5극 출력관이나 빔 출력관은 3극관 연결로 사용할 때, 3극관접속으로 사용 가능한 전압과 포화 플레이트 전압과 출력 전력 등등을 데이터에서 잘 살펴보고 정해야 합니다. 3극관 접속은 포화 플레이트 전압이 커져서 출력전력은 그렇게 크지 않습니다.

피더백을 걸어준 5극형이나 ultra linear연결이 더 큰 출력을 낼 수 있고 특성도 더 좋을 수 있어서, 제품으로서는 3극관 접속을 거의 사용하지 않습니다. 그러나, 자작으로는 전력용 5극관이나 빔관으로 만든 3극관 앰프의 자작은 도전 해볼만합니다. 시중에 쉽게 구할 수 있고 값싼 대출력 빔관으로 비싼 구형 진공관에 못지 않는 앰프가 가능합니다.

 

3극관 특히 구형 3극관은 열폭주가 일어나지 않는 그리드 저항이 작고 게인이 작아서 드라이브를 할 수 있는 마땅한 진공관을 구하기 쉽지 않습니다. 이러한 사정으로 이상한 회로로 드라이브를 하는 것이 자랑거리이나, 찌그러짐 없이 그 부하에 그 전압을 가할 수 있는 회로가 가장 좋은 드라이브 회로입니다.

 

자작 파워 앰프의 구성, 대출력 5극관 또는 빔관 출력

전력용 5극관이나 빔관의 특성은 출력 임피던스가 커서 게인이 크다는 것과 포화 전압이 작아 효율이 좋다는 장점이 있어서, 트랜지스터가 나오기 전까지 거의 모든 앰프는 이들 진공관으로 만들어졌었습니다. 큰 출력 임피던스로 댐핑팩터가 작고 싱글엔드에서 찌그러짐이 크다는 단점은 있으나, PP에서는 2차 등 짝수 하모닉스 찌그러짐을 상쇄시켜서 찌그러짐을 줄일 수 있고, NFB 등으로 댐핑팩트를 올릴 수가 있어서 크게 문제가 되지 않습니다.

 

출력 임피던스가 큰 전력용 5극관 앰프나 빔관 앰프는 Hi-Fi급 스피커를 사용할 경우에는 피더백(NFB)이 필수적입니다. 일부 풀레인지 스피커에서는 댐핑팩터가 낮은 것이 좋을 수 있지만, Hi-Fi스피커에서는 댐핑팩터가 10은 되어야 하고 적어도 5는 필요합니다.

실력 있는 회사에서 충분히 검정하여 설계된 kit가 아니면, NFB 때문에 아마츄어가 설계해서 자작하기가 쉽지 않습니다. 유명한 회로라도 출력 트랜스가 다르면 보상이 달라지기 때문에, 어떤 특성의 트랜스로 만든 것이라는 것을 확인하고 사용해야 합니다. 아니면 회로에서 위상마진과 게인마진을 계산하고 회로 특성을 측정하고 NFB 위상을 보상할 수 있는 실력이 있어야 합니다.

 

진공관 앰프에서 큰 NFB를 걸기 쉽지 않기 때문에 (전편인 NFB관련 글을 참조 바랍니다), 큰 NFB없이 낮은 THD이나 댐핑팩터를 얻기 위해 여러 방법이 개발 됩니다.

대표적인 것이 Ultra linear접속 방법이고, 또 하나는 Unity coupled circuit방법입니다.

Unity coupled circuit방법은 진공관 시대 때에 한 회사를 정상에 올려 놓은 회로입니다. 출력단의 플레이트 뿐만 아니라 케소드측도 출력 트랜스에 연결하여 출력 임피던스와 THD을 낮추어서, 작은 NFB로도 IMD와 THD가 0.5% 이하에 댐핑팩터가 10정도로 만든 회로 방식입니다. 이 회로의 특허는 이미 효력이 없어진 것이기 때문에 출력 트랜스를 설계할 수 있다면 시도해 볼만합니다. 출력 트랜스를 자신이 설계해서 자작해서 이 회로를 만드는 도전도 해볼만 한 가치가 있다고 봅니다.

 

Ultra linear접속형은 게인은 낮아지나, 댐핑팩터가 좋아지고 찌그러짐율이 낮아져서, NFB량을 줄일 수 있고 효율이 거의 감소하지 않는다는 점 때문에 많이 사용합니다. 그러나 알맞은 중간 탭이 있는 트랜스가 있어야 하고, 진공관에 따라 스크린 그리드 전압의 제한으로 최대출력이 낮아질 수도 있다는 단점을 가지고 있습니다. 적당한 중간탭을 가진 트랜스를 구하지 못하면, 플레이트의 전압을 저항으로 나누고 케소드 팔로어로 스크린 그리드에 연결하는 방법으로도 가능은 합니다.

큰 NFB을 걸 수 없는 일반 아마추어들에게는 ultra linear로 연결하고 안전하게 NFB을 작게 거는 것이 좋은 방법입니다. 트랜스도 자신이 설계하고 만들어 보는 것도 도전해 볼만하겠죠.

 

전력용5극관이나 빔관으로 싱글 앰프를 만들 때에 피더백이 없으면 Hi-Fi용 스피커에는 부적합합니다. 이를 보상해 주는 방법으로 트랜스만 만들거나 구할 수만 있으면, ultra linear형으로 싱글 앰프를 만들고 작은 피더백을 걸어주는 것도 한 방법입니다.

 

피더백을 걸지 않는 앰프는 진공관의 특성이 그대로 나타나나, 피더백을 충분히 건 앰프는 진공관의 특성이 나타나지 않습니다. 피더백이 충분히 걸린 앰프에서는 정상적인 출력관 간의 소리의 차이가 없습니다. 피더백이 없는 앰프에서는 각 회사의 진공관의 찌그러짐 특성이 그대로 나오기 때문에, 각 진공관의 찌그러진 소리 차이가 나타날 수도 있습니다.

 

 

A급, AB급 앰프

A급 앰프는 전 증폭단에 전류가 언제나 흐르는 형식의 앰프로, 대부분의 오디오 전압 또는 전류 증폭단이나 싱글 엔드 출력단에 사용됩니다. 신호로 나갈 수 있는 전류 보다 더 큰 직류 전류 (바이어스 전류)를 흘려 주어서, 진공관에 전류가 흐르지 않는 조건을 없애준 앰프입니다.

B급 앰프는 Push Pull 앰프에서. 각 증폭소자에 그 쪽 방향 신호를 증폭할 때만 신호전류를 흘려주는 형식의 앰프 입니다. 상하 파형에 대응하는 각 진공관에, 그 쪽의 출력이 나올 때 신호에 대응되는 전류만 흘려주어, 대출력을 내기 위한 방법입니다.

 

대부분의 진공관 앰프에서는 제1그리드 전압을 케소드 전압보다 낮게 하여 그리드에 전류가 흐르지 않게 하나, trans-conductance가 충분하지 못한 진공관에서는 큰 전류를 흘리기 위해 케소드보다 더 높은 신호 전압을 제1그리드에 가해주는 A급 앰프가 있어서 이를 A2급이라고 합니다. 일반적인 것을 A1이라고 표시해서 구분합니다.

A2급은 이미 오래 전부터 사용되지 않았기 때문에, A1급 A1B급을 그냥 A급 AB급이라고 해도 지장이 없습니다. A2급은 게인이 낮은 송신용 3극관을 트랜스로 드라이브하는 정도로 남아있습니다.

 

A급 앰프는 출력 전력에 관계 없이 진공관에서 소비하는 전력과 부하로 나가는 전력의 합이 일정하여, 출력 전력이 없을 때 진공관에서 가장 큰 전력 손실이 일어나고, 최대 출력에서 효율이 가장 좋고 진공관에서의 전력 손실이 가장 작습니다. 이론적으로는 총 전력 손실의 50%까지 출력 가능하다고 하나, 3극관의 경우는 30%전후에 지나지 않습니다.

B급 앰프는 출력이 없을 때는 전력 손실이 없다가 (전류가 흐르지 않다가), 출력이 증가에 따라 진공관에서 소모하는 전력이 증가합니다. 최대 출력의 절반에서 가장 큰 전력 손실이 진공관에서 발생하고(출력과 동일한 크기의 전력손실), 최대출력에서 가장 전력 효율이 좋습니다(총 소비전력의 78.6%가 출력으로 나감).

 

출력과 효율 면에서 B급 앰프가 유리하나, 진공관이나 트랜지스터 등의 증폭소자는 전류를 흘리기 시작하는 부근에서 특성이 좋지 않기 때문에 cross over찌그러짐이라는 것이 발생합니다. 이 cross over 찌그러짐을 줄이기 위하여, PP 앰프에서 신호가 없을 때도 양진공관에 어느 정도의 전류를 흘려주어, 어떤 부분까지는 A급으로 동작시키고, 그 이상의 신호에서는 B급으로 동작시키게 만듭니다. 이 직류전류를 바이어스 전류라고 하고, 이러한 앰프를 AB급이라고 합니다.

 

진공관은 플레이트 전류가 작을 때의 특성이 극히 나쁘고 전류 증가에 따른 개선이 늦기 때문에 오디오 앰프에서 B급을 사용할 수 없습니다. A급에서 B급으로 여유를 두고 설계한다는 개념으로 설계를 해야 합니다.

반면에 트랜지스터는 약간의 전류에서도 특성이 바로 좋아지기 때문에 아주 작은 바이어스 전류로도 충분합니다. 반도체 앰프에서 cross over 찌그러짐을 과대하게 표현하면서, A급이 좋다는 등으로 이야기 하는 것은 전적으로 마케팅용으로, 호구 꼬셔먹는 일로 보면 틀림 없습니다.

 

Fixed Bias, Cathode Bias

A급 앰프나 AB급 앰프에는 안정된 바이어스 전류를 흘려주어야 합니다.

바이어스 전류를 고정시키고 안정시키는 방법으로는 직접 제1그리드에 적정한 음전압을 가해서 바이어스 전류를 정하는 방법과, 케소드에 저항을 달아서 케소드에 흐르는 전류를 감지하는 바이어스 방법이 있습니다. 전자를 고정 바이어스 방법이라고 하고, 후자를 self-bias 또는 cathode bias 방법이라고 합니다.

 

고정 바이어스 방법은 바이어스 전류를 감지하지 않고 고정된 음전압으로 바이어스 전류를 정하는 방법이어서, 진공관의 상태에 따라 전류가 달라질 수 있습니다. 진공관을 바꿀 때나 경년변화가 일어난 경우 반고정 저항기로 전류를 맞추어야 하나, 소출력 앰프에서는 조정하는 기능을 생략하기도 합니다.

캐소드 바이어스 방식은 케소드에 저항을 넣어 그 저항에 흐르는 전류에 의한 전압 강하를 그리드의 바이어스 전압으로 이용하는 방법으로, NFB을 이용하여 일정한 바이어스 전류를 유지하기에 사용 중에서나 진공관을 교환해도 바이어스전류를 조정할 필요는 없습니다.

 

고정바이어스 형은 별도로 바이어스를 위한 마이너스 전압을 전원에서 만들어 주어야 합니다. 그기에 비해서 캐소드 바이어스방식은 전력저항과 캐소드 콘덴서로 충분하며, NFB으로 바이어스 전류를 잡아주기 때문에 그리드 저항이 어느 정도 커도 열 폭주가 일어 나지 않습니다. 그러나, 캐소드 바이어스형은 캐소드 저항에서의 전압강하로 그리드에 가해주는 음전압(마이너스 전압)을 만들어주어야 하기 때문에, 공급전압의 효율이 나빠져서 최대 출력이 감소한다는 단점이 있습니다.

 

케소드 저항은 NFB으로 작용하며 trans-conductance (gm)가 낮추어서 증폭율을 떨어뜨리기 때문에, 캐소드 콘덴서로 게인이 감소되는 것을 방지해야 합니다. 직류의 바이어스전류은 케소드 저항으로 NFB를 걸어서 안정시키고, 교류신호에 대해서는 케소드 콘덴서로 NFB을 없애주어서 드라이브를 쉽게 만들 수 있게 해야 합니다.

케소드 저항과의 시정수는 다른 부분의 시정수보다 크게 잡아서 더 낮은 주파수에서 저역을 차단하게 만들어야 드라이브단에 부담을 주지 않습니다.

 

전류 감지용 저항 등으로 캐소드에 저항을 넣으면(콘덴서 없이), gm 은 원 gm 값의 역수에 캐소드 저항 값을 더해주고, 그 역수가 캐소드 저항의 영향을 받은 gm값이 됩니다.

예를 들면 10mA/V의 진공관(KT88)에서 500옴 캐소드 저항을 붙여서 캐소드 바이어스를 만듭니다. 캐소드 콘덴서를 달지 않았다면, g진공관의 m인 0.01A/V의 역수인 100옴에 500옴을 더하면 600옴이 되고, 그 역수인 1.67mA/V가 회로의 gm이 되어 게인이 1/6로 줄어들게 됩니다. 이는 출력관 자체에 15.6dB의 NFB를 걸어준 것으로, 출력관에 드라이브 전압을 6배나 올려주어야 합니다. 캐소드 콘덴서 없으면 거의 450V의 피크-피크 전압을 그리드에 가해 주어야 하기 때문에, 트랜스 결합이 아니면 방법이 없게 됩니다.

 

하나의 캐소드 저항으로 두 진공관의 공동 바이어스를 만들 때에, 두 진공관이 이상적으로 A급으로 동작한다면 신호는 differential mode가 되어 캐소드 콘덴서가 없어도 케소드저항에서는 신호전압이 발생하지 않아서 게인에 영향을 주지 않습니다. 이러한 효과 때문에 전해 콘덴서를 구하기 힘들었을 때에 3극관 A급 PP앰프에서 캐소드 콘덴서 없이 공동 캐소드 저항을 사용하는 방법을 사용하기도 했습니다. 이 방법은 AB급에서는 사용할 수 없습니다.

그러나 조금의 상하 파형의 차이에도 양 진공관의 신호 캐소드 전류차이로 캐소드에 신호잔압이 만들어지면서, 신호 크기에따른 게인 변화로 심한 찌그러짐을 만들기 때문에, A급 PP라도 캐소드 전해 콘덴서를 넣어 주는 것이 좋습니다. 진공관의 차이의 영향을 최소화 하기 위해서는 각각의 캐소드 저항을 사용하는 것이 더 좋습니다.

 

진공관의 최대 플레이트 손실, 최대 케소드, 전류 최대 플에이트 전압, 드라이브 전압, 출력전력 크기.

진공관 회사는 자기의 진공관이 최대 출력이 크게 나오는 것을 바라기 때문에 어느 정도의 수명이 보장되는 수준으로 권장회로를 배포하지만, 앰프제조사는 신뢰성 문제, 서비스 문제 등등으로 어느 정도 수명을 보장하는 여유를 가진 설계를 합니다. 실제 회로에서는 권장회로보다 더 여유 있게 설계합니다.

플레이트의 전력 손실이나 전압 케소드 전류 등등은 최대 허용 값의 80%의 수준으로 설계하여 여유를 주는 것이 좋습니다. 전력용 진공관은 케소드 최대 전류의 65~70% 수준으로 설계하는 것이 소자의 갑작스러운 가속적인 수명 단축을 방지 할 수 있습니다. 설계 gm은 소신호 진공관은 80% 수준, 전력관은 66% 수준으로 잡아주는 것이 수명을 어느 정도 연장하는 방법입니다.

 

 

부하선

어떤 선형 증폭소자 (Active Device)가 어떤 회로에서 증폭기로 동작하면, 그 소자에 걸리는 전압과 흐르는 전류와 그 소자에서 일어나는 열 손실이 그 소자가 견딜 수 있는 수준을 넘지 말아야 합니다.

이를 검토하기 위해 그 소자가 어떤 공급 전압과 부하조건에서 동작할 때, 출력과 그 소자에 걸리는 전압과 전류와 전력손실의 관계를 알아보고, 최대출력과 최대로 걸리는 전압과 정류와 전력 손실을 검토하기 위한 그래프를 만들게 됩니다. 이를 부하선이라고 합니다.

이 부하선으로 필요한 입력 신호와 찌그러짐율과 댐핑팩터 등도 알 수 있기 때문에 설계에서는 기본적으로 만들어야 하는 그래프입니다.

 

엔지니어와 테크니션의 차이는 부하선을 그려서 회로를 설계하고, 부품 특성을 이해하여 성능과 가격과 수명 등의 요구 사항을 맞추어서 적정한 부품을 선택하고, 부품의 배치와 모든 선의 연결을 잡음 등등에 최적화와 서비스가 쉽게 배치하고, 그 기술보고서를 작성하는 능력의 차이입니다.

 

트랜스 출력 앰프의 부하선 (직류 부하선, 교류부하선)

신호의 크기에 따라, 증폭소자의 플레이트 전압과 전류의 관계를 나타내는 선을 부하선이라고 하며, 부하와 진공관에 가해지는 전압과 전류를 알 수 있는 그림입니다.

앰프설계에서 구성과 바이어스 방식을 정한 다음 부하선으로 부하임피던스와 동작점을 설계해야 합니다.

부하선은 직류부하선과 교류부하선이 있습니다. 직류부하선은 바이어스전류에 무관하나 교류부하선은 바이어스 전류에 따라 위치가 변합니다 (교류부하의 크기와 공급전압으로 주어지는 기울기는 유지합니다).

 

아래 그림은 어떤 글에서 EL84 PP 앰프의 바이어스 설명에 나오는 그림으로, AB급 PP에서 한 진공관의 부하선을 그린 것입니다.

제일 아래 회색의 두선과 보라색의 직선이 바이어스에 따라 변하는 교류뷰하선을 나타낸 것입니다. 제일 아래 (0v, 75mA) 점과 (300V, 0mA)점을 이은 회색선이 바이어스 전류가 없을 때의 4k옴 부하에서의 교류부하선이 됩니다.

 

 

 

증폭소자(진공관)가 완전히 short되었을 때의 증폭소자에 흐르는 직류전류를 구하고, 증폭소자가 완전히 open되었을 때 증폭소자에 가해지는 직류전압을 구하여 연결한 직선이 직류부하선입니다.

이 그림에서는 300V의 전압을 가해주고, 단락시 무한대의 전류가 흐른다고 가정하여, 300V에서 수직으로 세운 선을 직류부하선으로 사용했습니다. 실제로는 케소드 저항과 출력트랜스의 내부저항의 합으로 300V를 나누어 준 값을 플레이트전류축 (Ia 축)에 잡아주고, open시 전압인 공급 전압 300V와 직선을 끄은 선으로 수직이 아닌 약간 기울어진 선이 됩니다.

 

교류 부하선은 공급전압과 공급전압을 증폭소자에 걸리는 교류 부하 임피던스로 나눈 값의 플레이트 전류를 연결한 선을, 바이어스 전류가 직류부하선에 표시된 점으로 평행이동한 선이 됩니다.

그림에서는 아래에 있는 수평축상의 (공급전압인 300V, 0mA)점과 수직축상의 (300/4000=75mA. 0V)점사이에 끄어진 회색선이 바이어스 전류가 없을 때의 4k옴 교류부하선이고, 보라색 선이 바이어스 전류가 30mA (직류부하선에서의 녹색점)일 때의 4k 옴 교류부하선입니다.

공급전압 300V, 부하 4k옴, 바이어스가 30mA에서, 신호가 없을 때의 플에이트 전압과 전류는 직류부하선(300V에서 수직선)과 교류부하선이 만나는 녹색점과 같고, 입력 신호에 따라서 플레이트의 전압 전류가 보라색선 위에서 움직인다는 뜻입니다.

 

증폭소자(진공관)의 포화나 cutoff 특성이 이상적이라고 하면, 녹색점으로 표시된 동작점에서 수직과 수평축과 만나는 점까지 부하에 전력을 공급할 수 있다는 것을 나타냅니다. 상측 파형으로는 동작점에서 300V(100mA-30mA=70mA)까지 하측 파형으로는 100V(400V-300V, 0mA)까지 출력을 부하로 보낼 수 있는 것을 보여주는 그림입니다 (4k옴 부하의 싱글에서 녹색점을 동작점으로 했을 경우).

 

플레이트 전력 손실

보라색 부하선에서, 진공관에 신호가 없을 때의 증폭소자의 전압과 전류 값은 동작점인 녹색점과 같습니다. 이 점을 바이어스 점이라고도 하며 직류부하선과 교류부하선이 만나는 점입니다 (직류부하선 위의 바이어스 전류점까지 평행 이동한 교류부하선).

무신호시의 전력 소모는 동작점의 전압과 전류를 곱한 값이 됩니다. 따라서, 여기서는 30mA*300V=9W가 무신호시 플레이트에서의 전력 소모가 됩니다.

이 진공관이 견딜 수 있는 최대 플레이트 전력 손실 값(12W)을 각각의 전압 전류곱으로 표시한 것이 적색선입니다. 부하선이 이 적색선을 넘기지 말아야 한다는 뜻입니다. 부하선 설계에서 중요한 한계 중 하나입니다.

 

그림의 부하선에서는 최대 허용 플레이트 전력 손실은 넘기지 않으나, 여유가 없는 것이 보입니다. 실제 설계에서는 최악의 조건 (전원 전압이 10%이상 상승했을 때나 부하의 임피던스가 어느 정도 낮아져도 넘지 말아야 합니다.

 

트랜스출력의 AB급 부하선

트랜스출력 PP앰프에서는 A급으로 동작할 때의 교류부하선과 B급으로 동작할 때의 교류부하선이 각각 다르게 나타납니다.

같은 아래 그림에서 2k로 표시한 청색선이 8k옴의 트랜스를 사용했을 때의 B급 PP앰프에서 한 진공관의 교류부하선입니다. 바이어스 전류가 없으니 그림에서 동작점이 (300V, 0mA)으로 고정되어 있습니다.

B급 PP에서는 한 진공관이 동작할 때에 다른 진공관이 동작하지 않기 때문에, 출력트랜스의 권선비가 절반인 한쪽에 한 진공관이 연결된 형태로, 플레이트와 플레이트간 임피던스의 1/4이 한 진공관의 부하임피던스가 됩니다. 그림에서 청색선이 고정되어있고 2k라고 하는 것이 8k옴 트랜스에서 1/4 값을 부하 임피더스를 가지는 B급 앰프의 부하선이라고 표시한 것입니다. (트랜스의 임피던스는 권선의 제곱에 비례하기 때문에, 권선이 절반일 때의 임피던스는 1/4이 됩니다.)

 

 A급 동작 영역에서는 상하 PP 진공관이 반대 위상으로 동작하기 때문에, 두 진공관에 흐르는 전류는 동일하고 트랜스에 걸리는 전압이 2배가 되므로, 각 진공관에 걸리는 임피던스는 B급의 2배, 전체의 1/2이 됩니다. 그림에서 두 회색 선과 보라색 과 4k옴이라는 것이 이를 나타냅니다. 이 A급 교류뷰하선은 바이어스 전류에 따라 평행 이동합니다.

동작은 A급 영역에서 보라색 선위로 움직이다가, 출력 신호가 커져서 청색선과 마주치는 점을 넘어가면, 반대측 진공관이 cutoff되면서 B급이 되어 청색선을 따라 움직입니다.

 

이 그래프에서 보듯이 AB급 앰프의 부하선은 두 부하선이 만나는 점을 기점으로 위는 청색선과 아래는 보라선의 결합이 되어, 최대 플레이트 손실 곡선을 따라 가는 듯한 부하선을 만들 수 있어서, 같은 플레이트 손실에서 큰 최대 출력을 얻을 수 있습니다.

 

실제로는 양 진공관의 신호 출력전류가 완전히 상쇄되지 않아, A급 동작에서 B급 동작으로 전환이 천천히 일어나기에, 부하선은 꺾어진 직선이 아닌 곡선으로 나타납니다.

청색선(B급 부하선)과 Vg=0인 플레이트 특성선과 만나는 점을 포화점이라고 합니다. 이 점의 전압만큼 대출력시 사용할 수 있어서, 공급전압에서 출력을 다 사용할 수 없어서 효율이 감소합니다. 바이어스 그리드 전압인 -12V의 두 배가 되는 그리드 전압이 -24V선과 부하선이 만나는 점의 플레이트 전류와 전압이 실질적인 cutoff 점이 됩니다.

B급 동작 출력 전압은 바이어스 전압(300V)에서 포화점 전압까지 입니다. AB급이라고 하나 다른 측 진공관이 완전히 cutoff가 되지 않고 비대칭으로 약간의 출력(동작점에서 cutoff점까지)이 나오나 무시할 수 있는 정도입니다.

 

위의 부하선에서 플레이트 전류가 피크 150mA까지 흐르기 때문에 이 전류에서도 진공관의 수명이 문제가 없어야 하고, 최대 420V 피크 전압이 걸리기 때문에 진공관이 이 전압을 견뎌주어야 합니다. 이 전압과 전류가 플레이트 손실 전력과 같이 부하선을 만들 수 있는 한계로, 진공관이 결정되면 트랜스의 임피던스와 공급전압의 한계를 부하선을 진공관에 걸리는 최대전압과 최대전류와 최대플레이트 전력손실을 넘기지 않는 부하선을 그려가며 확인해야 합니다.

앰프 제조사에서는 진공관 제조사가 제공하는 설계예보다 더 보수적으로 설계합니다. 그래야 조건이 좋지 않는 곳에서도 충분한 수명을 보장할 수 있습니다. 이 설계작업은 언제나 부하선의 설계와 해석으로 이루어 집니다.

 

AB급의 최대출력

예의 PP 앰프에서의 최대 출력은 Vg=0의 곡선과 교류부하선이 만나는 점인 30V(포화전압)를 바이어스 동작점인 300V에서 빼준 값을 제곱하여 부하임피던스(플레이트에서 플레이트까지)를 나누어 준 값을 2배하면 최대 출력이 계산되어 나옵니다.

실제로는 직류부하선이 기울어져있고(직류 저항을 무시하지 않고), 찌그러짐이 큰 부분을 제외해야 하므로, 대략 40V를 제외한 260V의 제곱을 위 회로의 부하임피던스 8k옴으로 나누고 2배해 주면 16.9W 정도의 출력 앰프가 됩니다. (진공관 데이터에서는 cathode 바이어스, 8k옴 부하에서 전압과 바이어스전류가 300V, 36mA에서 17W출력이라고 합니다.)

 

B급 부하선의 동작점인 300V, 0mA에서 포화점인 30V, 135mA의 전압과 전류차이를 곱해주고 2로 나누어주어도 최대출력이 나옵니다. 여기서 (300V-40V)*(0.13A-0A)/2=16.9W가 나옵니다.

(원 그림을 그린 사람은 포화시 35V, 135mA까지 출력이 가능하다고 보고 (300V-35V)*135mA/2=17.9W를 추정했으나, 얼마의 디스토션까지를 출력으로 보느냐에 따라 출력은 다르게 볼 수 있습니다. 정확한 수치는 composite load line을 그려서 어느 정도 찌그러짐이하의 출력을 계산해야 알 수 있습니다.)

 

A급 출력 앰프의 부하선, 출력 계산

그림에서 보라색이 4k옴 부하에서 30mA전류를 흘렸을 때의 싱글A급 앰프의 교류부하선 입니다. 이 부하선이 4k옴의 부하에서 플레이트 허용손실을 넘지 않는 가장 큰 출력의 부하선이나, 동작점이 부하선의 중앙이 아닌 한 쪽으로 치우쳐 있어서, 상하 대칭 출력이 되는 정현파의 최대 출력은 100V 30mA피크에 지나지 않는 1.5W의 A급 앰프가 됩니다.

 

A급 앰프에서 최대 출력을 내려면, 교류부하선의 포화점(이 부하선이 Vg=0V곡선과 만나는 점)과 cutoff점(교류부하선이 수평축과 만나는 점)의 거의 중간에 바이어스 점을 잡아야, 상하파형이 균등하게 증폭된 최대 출력을 얻을 수 있습니다.

그림에서의 300V전원에서 4k옴 기울기로는 이런 점을 잡으면 교류부하선이 바로 플레이트 손실허용한계를 넘어가기 때문에, 공급 전압을 낮추고 부하임피던스를 더 키워 교류부하선의 기울기를 줄여주어야 합니다.

(NFB를 거는 앰프는 포화점과 cutoff점의 거의 중간, NFB이 없는 앰프는 각 Vg의 곡선이 직선을 유지하는 점(포화점 쪽)에서 Vg의 음전압이 증가해도 플레이트전류의 변화가 크지 않는 점(cut off 점 쪽)과의 중간 값을 가지는 점을 동작점으로 잡아야 합니다).

 

만일 플레이트 전압이 220V이고 4k옴 부하이며 50mA의 싱글엔드의 앰프로 만들면, 그림에서의 보라색과 같으면서 동작점만 220V에 50mA 인 교류부하선이 됩니다.

이 때 출력 전력은 대략 상하 170V 정도 나올 수 있다고 보고 170V의 제곱에 부하 4k옴을 나눈 값을 다시 2로 나누면 3.6W 정도이고, 최대 전력 손실 220V*50mA=11W에서 3.6W를 출력으로 건지는 꼴입니다. A급 PP로 만든다면 그 2배인 7.2W정도가 될 것입니다. 이는 그래도 3극관 앰프보다는 양호한 수준입니다.

이 계산은 그림에서의 예를 보여 주기 위한 것으로, 전압을 바꾸어 가며 플레이트 최대전력 곡선의 접선으로 부하저항과 바이어스 전류와 최대출력을 계산해 가면, 더 큰 출력을 얻을 수 있는 점을 찾을 수 있을 것입니다.

 

입력 신호전압

AB1급 앰프에서는, 위PP앰프 부하선에서 바이어스점(녹색점)에 해당하는 Vg값(그리드 전압)의 2배가 되는 피크-피크 전압을 입력에 가해 주어야 최대 출력을 얻을 수 있습니다.

실제 설계에서는 캐소드 저항에 의한 게인의 감소를 고려해 주고, 그래프에서 나온 값에 50%를 더 더한 값보다 더 큰 전압을 가해 줄 있게 설계하여, 진공관의 특성 분포와 노화로 생기는 특성 감쇄에 대응하게 설계되어야 합니다. (위 그래프의 경우 12V 바이어스 그리드 전압의 경우, 최소 12V*2/0.66=36.4V PP 이상의 출력이 나오는 수준의 드라이브 회로를 설계를 해 주는 것이 좋습니다).

바이어스 조정을 위해 케소드에 저항을 넣는 경우에는 그 저항에 따른 출력관의 gm의 저하도 고려해 주어야 합니다.

 

드라이브단의 설계는 출력관의 열폭주 방지를 위한 최대 그리드저항 부하에서도 충분한 드라이브전압을 가할 수 있어야 합니다. 드라이브단을 DC coupling 을 하면 NFB을 걸 때 유리해지나, 출력단에는 그리드에 음전압을 크게 가해 줄 수 있어야 하기 때문에 DC직결을 하기가 쉽지 않습니다. 그러나 이 것도 자작에서는 시도해 볼만한 가치가 있겠죠.

 

출력관의 그리드 저항이 100k옴이나 그 이상으로 충분히 크고, 드라이브 전압이 그리드에 피크-피크 50V이하이면 3극관을 이용한 Plate cathode phase splitter로도 가능하나, 그렇지 못하면 다른 방식을 사용해야 합니다.

A급 앰프에서도 출력관의 그리드 저항이 100k옴이상이고 피크-피크 전압이 100V이하면 드라이브가 쉬워지나, 그렇지 않으면 특수한 진공관이나 회로를 사용해야 합니다.

 

찌그러짐율

위 그림의 보라색 부하선에서 동작점을 220V 50mA로 잡으면, A급 앰프의 부하선이 됩니다.

이 경우에 그리드 전압이 10V정도가 됩니다. 신호 전압이 +-5V가 들어올 때 진공관에 흐르는 전류는 97mA~12mA가 되어, 상측으로는 47mA 하측으로는 38mA가 되어 상하 전류차이가 9mA나 됩니다 (대략 9/47의 제곱으로 3.7%정도). 이 것이 짝수 하모닉스 찌그러짐입니다. 신호가 더 커지면 찌그러짐도 더 증가하는 것을 알 수 있습니다. 이 그래프에서 그리드 전압 특성 선이 조밀하고 정밀하게 나와있다면 찌그러짐율을 계산할 수 있습니다.

PP에서는 상하 진공관과 드라이브 특성과 트랜스의 특성이 상하 동일 하다면 서로 상쇄되어서 짝수 찌그러짐은 없어 집니다. PP에서의 찌그러짐율을 계산하려면 복합교류부하곡선이라는 것을 그려야 합니다.

 

트랜스 출력 Push Pull앰프의 복합교류부하곡선

찌그러짐 율이나 댐핑팩터 등등을 알기 위해, 트랜스출력 PP앰프를 더 정확한 해석을 하려면 상측과 하측의 진공관을 합하여, 하나로 표시한 복합부하선(composite load line)이라고 하는 부하선을 그려야 합니다.

위의 예를 간단한 복합부하선으로 나타낸 것이 같은 그림이 아래 그림입니다. 상하측 진공관 두 개의 PP동작을 동작점을 중심으로 하나의 그림에 표시한 것입니다.

 

 

 

이 그림은 찌그러짐 율 등을 알 수 없어서 복합부하선이 어떤 것인지를 잘 보여 주지는 못하지만, 그리는 방법의 설명에는 좋을 것 같습니다.

 

복합부하선을 그리는 법은 우선 두 개의 특성 그래프를 위의 그림과 같이, 양 진공관의 동작점 전압이 같게 마주 보게 위 그림과 같이 그립니다.

 

그 다음에 상하 진공관 동작점의 그리드 전압(예에서는 -12V)에서 플레이트 전압으로 변하는 상하 두 개의 플레이트 전류특성선을 합하여 복합 전류특성선을 그립니다. (동작점 그리드 전압 -12V, 플레이트 전압 300V에서 위 진공관은 30mA흐르고, 아래 진공관에서도 -30mA흐르니, 동작점에서는 합은 0mA가 됩니다. 그리고, 양단에서의 0V에서 -30mA, 600V에서는 +30mA가 될 것입니다.)

 

그 다음은 위 측은 동작점 그리드에 일정한 간격의 전압을 증가 시킨 특성곡선을 이용하고, 아래는 반대로 같은 그리드 전압을 감소시킨 특성곡선을 이용하여 같은 방법으로 합하여 등 전압 간격으로 선을 그립니다. (위는 -12V면 아래는 -12V, 위가 -9V선이면 아래는 -15V 선을 그려서 합해줌. 이 작업을 +- 등전압 간격으로, 한쪽 그리드 전압이 영이 될 때까지 계속하여 선을 그려줌). 다 그리면, 반대로 위는 전압을 단계로 감소시키고, 위는 증가시키면서 그 바이어스 점에서의 PP전달 특성을 하나 하나 그려갑니다.

이 작업으로 진공관이 특정 동작 조건에의 push-pull 전달 특성이 완료됩니다.

 

그 다음은 플레이트 손실한계의 그림으로 동작점에서의 여유전류 (예에서는 12W가 최대 허용 전류는 12W/300V=40mA가 한계로, 30mA 바이어스에서 10mA의 여유가 있음)를 계산하여 그라프에 표시합니다.

다음, 어떤 단계로 낮아지는 플레이트 전압을 잡아서 최대 전류를 계산하고, 그 전류를 흘리는 그리드 전압을 특성 그래프에서 구하고, 그 그리드 전압 변화의 반대 방향으로 변하는 다른 측 전류를 특성표에서 찾아서 빼준 값을 표에 몇 개를 표시하여 손실한계 그래프로 그려줍니다.

 

(예에서 200V에서 12W손실에 해당하는 전류는 60mA이고, 이 200V 60mA에서의 그리드 전압은 -9V정도로 바이어스에서 3V높아진 값입니다. 다른 측 진공관에는 3V를 빼준 그리드 전압인 -15V와 플레이트 전압 400V에서 20mA가 흐릅니다. 그래서 최대 허용 전류(60mA)와 반대 측 진공관에서 흐르는 전류(20mA)차이인 40mA가 부하로 흘릴 수 있는 최대 전류가 됩니다. 이 200V에 40mA를 표시하고, 같은 방법으로 다른 몇 개의 점을 찾아 연결선을 만듭니다).

이렇게 만든 허용 출력전류 한계선을, 아래 측 진공관에도 그려주면 허용 출력 전류 전압 한계 곡선이 완성됩니다.

 

그 다음은 출력 트랜스의 플레이트 플레이트간의 임피던스의 1/4의 부하로 전원 공급전압의 기울기를 가진 선을 동작점 (공급전압과 0출력 전류의 점)을 지나는 선을 끄어주면 복합부하선이 완성됩니다. 이 복합부하선에서 출력의 여유와 최대출력과 출력 대비 찌그러짐율과 필요한 입력전압 크기와 댐핑팩터 등등을 구할 수 있습니다. 바이어스 전압에 따른 출력 전력과 찌그러짐의 변화도 구할 수 있습니다.

완성된 복합부하곡선의 예를, 플레이트 손실이 25W인 다른 진공관을 사용한 예를 보여 주는 것이 아래 그림입니다. 그리드 바이어스 전압이 -30V이고 그리드 전압을 5V 간격으로 특성 그래프를 만들고, 300v 5k옴 트랜스의 부하선(300V, 1.25k옴의 기울기)입니다.

 

 

 

이 그림에서 그리드 전압이 영볼트인 선과 부하선이 만나는 75V에서 525V가 진공관의 플레이트 전압의 최대 변화 폭(+-225V)이고, 출력 측으로 나가는 전류의 변동폭이 +-175mA인 것도 볼 수 있습니다. 바이어스 점에서 피크 225V가 최대 전압이므로 최대출력은 (225**2/5000)*2=20.25W이고, 출력 저항은 플레이트 전압100V 움직임에 플레이트 전류가40mA변하기 때문에 2.5k옴 정도가 됩니다. 따라서 댐핑팩터는 1.25k(관 하나의 부하 임피던스)/2k(관의 출력 임피던스)=0.625 정도입니다.

 

이 복합부하선으로 출력의 여유와 최대출력과 출력 대비 찌그러짐 율과 필요한 입력전압 크기와 댐핑팩터 등등을 구할 수 있습니다.

각각의 그리드 특성이 거의 직선을 유지하면서 간격도 거의 같은 간격인 것을 볼 수 있습니다. 이 것으로 찌그러짐이 아주 작다는 것을 알 수 있습니다.

몇 개 점의 입력 전압과 출력 전류 또는 전압으로 찌그러짐을 구하는 식은 여러 곳에서 찾을 수 있어서 쉽게 계산할 수 있습니다.

 

그리드 바이어스 전압을 Va라고 하면, 이때 플레이트에 흐르는 전류를 Ic라고 하고, 그리드 전압이 0일 때 플레이트 전류를 Ia라고 하고, 그리드 전압이 1/2Va일 때 플레이트 전류를 Ib라고하고, 1.5Va에서 Id라고하고, 2Va에서 Ie라고 하면

HD2(%) = 75*(Ia + Ie - 2*Ic)/(Ia + Ib - Id - Ie)

HD3(%) = 50*(Ia - (2*Ib) + (2*Id) - Ie)/(Ia + Ib - Id - Ie)

HD4(%) = 25*(Ia - (4*Ib) + (6*Ic) - (4*Id) + Ie)/(Ia + Ib - Id - Ie)

가 된다고 합니다. 원글 저자의 계산으로 20W에서 2차하모닉스가 0%, 3차하모닉스가 2.5%정도라고 계산했습니다.

이런 복합부하선을 바이어스 전류를 바꾸어 가면서 몇 개를 그리면, 바이어스 전류에 따른 출력과 찌그러짐 특성을 각각 구할 수 있어서, 부하에 따른 최적 바이어스 전류도 구할 수 있습니다.

 

찌그러짐율이나 댐핑팩터를 구하려고 하지 않으면 복합부하선까지 만들 필요는 없습니다. 위의 단일 진공관의 부하선 설계 및 해석으로도 출력이나 진공관의 플레이트 손실, 플레이트에 걸리는 최대전압, 최대 플레이트 전류, 드라이브 전압 등등 기본적인 것을 구할 수 있습니다.

 

 RC 전압 증폭기의 부하곡선

아래 그림은 RC결합 전압 증폭기애서의, 교류부하선을 동작점으로 이동시킨 후의 직류부하선과 교류부하선과 동작점을 나타낸 것입니다. (트랜지스터 앰프의 RC결합 증폭기의 예입니다)

RC 전압 증폭기 단에서는 교류부하 임피던스가 직류부하저항보다 작아서 기울기가 더 큽니다. Coupling 콘덴서로 연결되는 부하 등등으로 직류로 걸리는 저항보다 교류로 걸리는 임피던스 값이 작아지기 때문입니다.

 

 

 

 

이 그림은 동작점을 교류부하선의 중앙에 만들지 않고 직류부하선의 중점에 맞춘 잘못된 설계의 트랜지스터 앰프를 나타낸 것입니다. 앞에서의 트랜스 출력과는 달리 교류부하선(녹색선)에서 출력전압의 범위가 공급전압보다 많이 줄어드는 것을 볼 수 있습니다.

 

그림에서는 Q point 라는 동작점에서 나올 수 있는 피크 전압은 3V도 안되고, 정상동작시 트랜지스터에 최대로 걸리는 전압은 9V정도가 됩니다.

 

 

 

RC결합 앰프에서는 A급으로, 교류부하선을 동작점이 포화부근영역과 cutoff부근영역의 찌그러짐이 큰 영역을 제외한 부분의 중앙에 오게 바이어스 전류를 정해야 합니다.

 

진공관 앰프에서 RC결합 앰프는 출력을 제외한 대부분의 증폭단에서 사용되며, 출력 전압이 커야 하는 출력관의 그리드를 드라이브하는 단에서 동작점 선택이 가장 중요합니다.

 

출력관을 드라이브 하는 단에서는 출력관이 최대출력을 낼 수 있는 전압 이상을 그리드에 가할 수 있어야 합니다. 이러한 회로에서 필요한 전압을 출력할 수 있게 설계하기 위해서는 부하선의 설계가 중요해 집니다.

 

 

 

이와 같이 부하선을 구하면 게인과 드라이브전압과 출력 등등을 바로 구할 수가 있어서 부하선에 의한 설계가 필수적입니다. 각각 증폭단의 부하선을 결정하면 회로설계는 거의 완료됩니다. 회로의 각 중요 부품의 값이 결정되고, NFB관련된 부분을 제외한 나머지 회로 부분은 입력 출력 임피던스의 영향을 맞추어 주는 등등의 처리와 소소한 부분 등의 쉽게 설계할 수 있는 부분만이 남게 됩니다.

 

다른 회로를 참조해서 앰프를 만들어도, 부하선을 해석하고, 주파수 특성을 해석하여 위상마진과 게인 마진을 알아보는 것이 중요합니다. 회로설계에서 부하선의 설계나 해석이 필수적으로 되어야 합니다. 모든 전자 증폭 회로의 설계와 해석은 부하선에서 시작됩니다.