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작성일 : 16-07-26 11:19
[자작] 진공관 이야기: 진공관 오디오 광팬들이 몰라도 되지만 알아두면 도움되는 진공관 물리학 . (1)
 글쓴이 : zoro
조회 : 2,427  
   진공관 이야기.docx (310.1K) [7] DATE : 2016-08-12 16:43:27

진공관 오디오 팬들이라면 대부분 진공관이 어떻게 동작하는지 알고 있다팔라멘트에  전류를 흘려 필라멘트를 뜨겁게 달구어 주면 전자가 방출된다. 방출된 전자는 (“-“ )전하를 띄고 있기 때문에 양전압, 풀러스 전압이 걸려 있는 플레이트에 끌리게 된다.  필라멘트 (혹은 캐소드, 음극)플레이트 사이에는 그릿드가 있고 그릿드는 플레이트에 비해 부전압이 걸려 있어 전자를 밀어내게 되어 플레이트로 흐르는 전류를 조절한다.  진공관 암프를 제작하는 경우나 다른 대부분의 목적에는 정도의 이해만으로도 충분하다.  

그렇지만 글에서는 진공관이 진공관 만의 특징을 갖게 되는지에  대해 심층적인 고찰을 보고자 한다참고로 글은 2003년에 발표된 John Harper글에서 진공관 암프 자작파들이 흥미를 가질 만한 부분을 발췌 번역한 것이다.  (그런데 하다 보니 완역에 가깝게 되었다: 역자 )

(1    진공관 기초 이론에 대한 소개

먼저 대부분의 자작파들에게 알려져 있을 진공관의 특성에 대한 요점을 정리해 보자.  여기서는 주로 오디오용 진공관 , 특히3극관을 먼저 살펴보고 후에 오디오용 다극관에 대해 논의해 보도록 하겠다.

1.gif

그림1.  보편적인 3극관 특성곡선

2-3.gif

그림2: 3극관 특성곡선의 3차원적 표시.

3극관의 동작특성은 그림 1보인 바와 같이 플레이트 특성 곡선으로 완벽히 기술된다. 특성곡선은 플레이트 전압과 그릿드 전압을 독립변수로 하고 플레이트 전류를 종속변수로 하여 그린 것이다.  흔히 보듯이 그릿드 전압이 더욱 부가 수록 곡선은 오른 쪽으로 이동한다오디오용 진공관에서는 (”+”)플레이트 전압과  (“-“)그릿드 전압에 대해서만 플레이트 특성 곡선을 그리는 것이 통상적이다.  물론 송신관의 경우에는 양의 그릿드 전압의 범위에서 동작시키는 경우도 흔하고 거의 사용되지는 않지만 부의 플레이트 전압도 가능하다.

특성곡선들은 2차원적인 종이 위에 3차원의 표면을 나타내는 방편일 뿐이고 옛날에는 사람들이 3차원의 표면을 석고 모델로 만든 경우도 있었다.  오늘날에는 물론 그림 2보인 대로 컴퓨터를 사용하여 3차원의 표면을 나타낼 있다표준적인 (진공관)교과서에서는 곡선을 사용하여 어떻게 진공관의 동작점을 정해주는지 보여주고 있다.

진공관 특성은 다른 방법으로도 표시할 있다.   예를 들면 입출력 특성 (혹은 전이 특성)그리는 것도 방법이다.  여기서는 플레이트 전류를 그릿드 전압의 함수로 표시한다.  경우 플레이트 전압은 매개 변수가 된다주어진 플레이트전압에 대해 일련의 전이 특성곡선을 그려주는 것이다.  다른 방법도 가능하다여러가지 조건에서 플레이트 저항(rp)이나 상호 콘닥탄스 (Gm혹은 전이 전도도)같은 미분 값에 대한 변화 곡선을 그리는 것도 가능하다.  그러나 이들 곡선들은 동일한 데이터에 대한 상이한 표현일 다른 특성들이 아니다

여기서 특기할 것은 플레이트 특성 곡선은 그대로 곡선일 뿐이라는 사실이다.  적어도 오디오 용인 경우 이상적인 증폭소자라면 곡선이 아닌 등간격의 직선이어야 한다.  불행하게도 실제의 증폭소자들은 이런 특성을 가질 없다.  이들 모두는 물리적 현상의 지배를 받고 결과 복잡한 전이함수를 갖게 되기 때문이다한가지 첨언한다면 직선성에 대한 강한 집착은 어느 정도는 오디오 세계만의 특징이다라디오나 비데오 다른 전자공학 분야에서는 직선성이 그렇게 대단하게 중요하지 않다적정 수준의 비직선성은 전기적으로 혹은 궁극적 수신 장치 (인간의 )의해 여과시킬 있다오직 인간의 귀만이 그런 미세한 비직선성을 감지해 있다.

플레이트 특성곡선은3/2 자승법칙에 상당히 근접해 있다플레이트 전류는 그릿드 전압이나 플레이트 전압의 3/2 승에 따라 증가한다.  법칙은 특히 전류나 낮은 (영에 가까운)그릿드 전압인 경우에 특히 유효하다이는 직선이 아니지만 어떤 솔리드스테이드 소자들의 특성에 비해  보다 직선에 가깝다오늘날 흔히 진공관 오디오 마니아들이 진공관 암프가 음질면에서 우수하다고 주장하게 주된 이유가 여기에 있다전류가 작은 경우, 특히 그릿드 전압이 더욱 (부가 돠는) 경우 3/2 자승법칙은 이상 적용되지 않고 플레이트 특성곡선은 눈에 정도로 아랫 쪽으로 달라붙게 된다.  전류가 경우에도 전류는 등간격으로 떨어져 있지 않고 전류가 증가함에 따라 간격이 좁아진다모든 현상들이  추가적으로 직선성을 증가시키고 찌그러짐을 크게 한다.  이런 현상은 진공관마다 정도에 차이가 있고 이유에 대해서는 후에 논의할 것이다.

다음 장에서는 진공관 설계, 제작, 그리고 동작의 실제 문제들에 대해 살펴보고 진공관들이 그렇게 동작하는지를 기술할 것이다과정에서 몇몇 알려진 진공관 신화 혹은 미신들을 헤쳐 것이다.

(1   전자방출

모든 진공관의 동작은 어떤 금속이라도 항상 전자를 방출하고 있다는 사실에 기초한다방출되는 전자들의 수나 방출 초기 속도는 온도에 따라 크게 달라지지만  온도가 절대영도 (섭씨 -273) 보다 높은 방출은 일어난다.  전자방출을 이해하려면 금속체 내부에서 어떤 일이 일어나는 지를 이해해야 한다어떤 금속이라도 내부에는 원자로 부터 쉽사리 떨어져 나갈 있는 두개의 전자가 존재한다따라서 금속체 내부는 어느 특정한 원자에 구속되어 있지 않고 독립적으로 돌아 다니는 전자들(자유전자)바다를 이루고 있다고 있다원자는 결정 구조 속에 고정되어 진동은 있지만 움직일 없다전자의 바다는 모든 금속의 공통적 특징이고 특징은 우리들에게 익숙한 금속의 전기 전도나 금속의 표면이 광채가 난다는 사실을 설명해 준다.

전자는 어느 특정 원자에 구속되어 있지 않기 때문에 그들은 마치 기체의 분자처럼 항상 자유롭게 움직인다. 이들 전자들의 평균 속도는 온도가 증가함에 따라 증가한다.  그러나 이들은 항상 원자나 혹은 다른 전자들과  좌충우돌하기 때문에 이들 모두 같은 속도를 가지지 않고 보다는 통계적 분포를 가지게 된다.

전자가 금속 표면을 향해 움직인다면 전자는 자연스럽게 금속 표면을 벗어나 날라가게 것이다.  그러나 금속 내부에는 양전하를 띄고 있는 원자 (원자는 이미 전자를 하나 잃었기 때문에 양전하를 갖게 된다)존재한다는 사실 만으로 전자의 방출을 막는 강력한 힘이 존재한다따라서 표면에 도달한 전자는 속도가 줄어들게 되고 단지  충분한 에너지를 가진 전자들만이 금속 표면을 벗어날 있다.  요구되는 에너지를 함수(Work Function)”라고 하는데 이는 금속마다 다르다.

3.gif

그림 3 온도 변동에 따른 열전자 방출의 변동


금속의 함수는 eV표시한다.  탕그스텐의 함수는 대략 4.5eV이다.  보다 적은 에너지를 가진 전자는 금속 표면을 벗어날 없고 금속 표면의 전장에 의해 다시 금속내부로 귀환한다.

금속 표면으로부터 방출된 전자는 전류를 형성한다.  전류는 Dushmann방정식으로 주어지는데 방정식에서 특기할 사항은 함수적인 요소에 있다.  이는 방출된 전자가 온도의 증가에 따라 급격히 증가한다는 사실을 의미한다.  그림 3온도 변화에 따른 탕그스텐 필리멘트의 열전자 방출의 변화를 보였다. 온도에 약간의 변화만 있어도 열전자 방출로 인한 전류는 크게 변한다.  산화물을 입힌 캐소드는 통상적인 조건에서 온도가 10%증가해도 전류는 거의 3정도로 증가한다.


4.gif

그림 4: 방출 전자의


허브 16-07-27 07:02
 
미국도 엄청난 무더운 여름날 극 쓰시기 어려우실텐데... 덕분에 즐겁습니다.
다음글이 기대됩니다.
감사합니다.
zoro 16-07-28 03:21
 
전체 글은 32 페이지가 되어 한 번에 올리는 것이 불가능합니다.  그림도 있고 식도 있어서 잘 안올라 갑니다.
첫번 올린 부분에도 몇 줄 빠진 부분이 있는데 왜 빠졌는지 모르겠습니다.
이메일 주소를 주시면 파일로 보내드리고 싶군요.  사이트의 제한 조건을 잘 아시는 분이 올려야 제대로 올라갈 것 같습니다.
개인 적으로 이글은 대학 코스 레벨의 정보들이 꽤 있다고 봅니다.  관심 있는 분들이 읽으시면 좋은 정보를 얻으실 수 있을 것입니다.
허브 16-07-28 07:31
 
zoro 님께 감사드립니다.
보다 많은 정보와 이야기를 해 주시려 애 쓰시는 배려에도 꼼방을 찾아주시는 모든분과 함께 감사의 마음을 전합니다.
말씀처럼 저희 험페이지는 [꼼방]을 아껴주시는 분들과 스스로 짜 맞추어 만들어진것이기에 부족함이 많습니다.

그래도 열정과 애정만큼은 그 어디에 비추어도 부끄럽지 않다 자부합니다.
이 모든 부족함과 어눌함애도 불구하고 여전히 [꼼방]에 애정을 보여주시는 분들 덕분에 아직도 건재함이 자랑스럽습니다.

zoro 님의 글을 조금더 잘 보기위한 방법을 찾아보겠습니다.
말씀하신 저의 E-mail은 홈피 메인화면 하단에 있습니다....  고맙습니다!
비틀즈 16-07-28 13:49
 
좋은 자료 올려주셔서 정말 감사드립니다.
구글로 Johe Harper의 홈페이지를 검색하여 원문을 찾았습니다.
눈이 빠져라 다 읽었습니다.
http://www.john-a-harper.com/tubes201/
 
 

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