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작성일 : 03-02-03 19:21
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[뚝배기 EL34PP] EL34 만들기 - 5 - 회로도의 해석
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글쓴이 :
뚝배기
 조회 : 6,497
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EL34 만들기 - 5 - 회로도의 해석
이미 회로도를 올렸고, 진공관에 대한 이야기를 할 때 로드라인도 표시하였으므로 회로도에 대한 설명이 별로 필요할 것 같지는 않지만, 그래도 정리하는 차원에서 간단히 적어봅니다. 설명 순서는 신호의 흐름을 기본으로하고, 나중에 전원부 구성을 보는 것으로 하겠습니다.
1. EF86의 증폭 부분
먼저 프리앰프로부터 입력신호가 들어가면 그 중 극히 일부의 신호전류는 150K로 흐르고, 나머지 대부분의 신호전류는 EF86의 그리드(control grid)에 들어갑니다. EF86은 3결로 하였으므로 3극관과 같이 생각하면 됩니다. 그리드 전압은 Earth와 150K로 연결되어 무신호시에는 0 V입니다만, 아래의 1K+250R의 저항(1K25)에 의하여 캐소드 전위가 2.4V로 되면서(바로 뒤에서 보는 바와 같이 약 2mA의 전류가 흐르고, 저항이 1.25K가 되니 V=IR공식에 의하여 2.4V가 되는 것이지요) 그리드-캐소드간 전위인 그리드전압은 상대적으로 -2.4V가 되게 됩니다. 앞서 올린 자료의 EF86의 진공관 자료를 통해 보면 그리드가 -2.4V일때 2mA로 되는 점을 찾을 수 있을 것입니다.
EF86의 플레이트에는 무신호시에 120V의 전압이 걸려있고(=인가되어 있고) 다시 68K저항이 부하저항으로 있으며, 이 부하저항에는 다시 260V의 전압이 걸려 있습니다. 260V 전압은 이 회로에서 위 진공관에 걸 수 있는 최대 전압이 됩니다.
그리드에 신호전압이 들어가면(예를 들어 +1V) 증폭작용을 통해서 전류의 흐름에 변화가 있고(+0.4mA), 그 전류흐름의 변화는 68K저항을 통해 흐르므로 전압의 변화(0.4mA*68K=27.2V)로 이어지며 위 전압변화분은 다시 플레이트 전압에 반영되어서(즉 120V-27.2v) 결국 위 전압변화분 만큼의 증폭(위 경우에는 -27.2V, 만약 -1V의 입력이 있다면 약 +27.2V가 될 수 있겠지요)이 있게 됩니다. 위에서 보는 바와 같이 +전압이 그리드에 투입되어 -전압으로 증폭되어 위상이 반전되어 나타남을 알 수 있습니다.
위의 조건은 260V전압은 전류량에 따라 변하지 않는 것을 전제하는 것입니다. 260v의 전압이 변한다면(즉 전류량이 +0.4mA로 증가함에 따라 전압의 drop이 심해진다면 -즉 250v가 된다면- 120-27.2V보다 더 낮게 플레이트 전압이 형성되겠지요. 이러한 것은 그리드전압의 변화에 따라 증폭된 결과물인 플레이트 전압이 일정하게 변화하여야 한다는 직진성의 요구에 반하는 것이지요. 즉 한마디로 1v를 투입하면 -10v가 나온다면, 2v를 투입하면 -20v가 나와야 좋다는 것이지요.
이러한 직진성을 높이기 위해서는 관의 선택도 중요하지만, 전원부가 충실해야 합니다. 전류공급에 따라 전압이 급격하게 변해서는 안되지요. 그 뒤의 전해 47uF과 필름 4.7uF 콘덴서(capacitor)는 미리 전기를 모아 두어서 전류변화에 따라 전압이 변하지 않도록 하는 역할을 하고 있습니다. 필름콘덴서를 사용하는 이유는 필요한 필름콘덴서가 전류가 빠져나간 곳을 메꾸는데 있어서 전해보다 속도가 더 빠르기 때문입니다. 다만 좀 비싸고 크기도 크니까 병렬로 연결하는 겁니다. 공간이 넉넉하고 경제사정이 좋다면야 전부 필름cap쓰는 것이 좋겠지요.
전원부(B+2)에서 260v 사이의 27K/2W 저항은 300V에서 260V로 감압하기 위해 넣은 저항인데, 콘덴서(47uF)과 결합하여 리플제거 효과도 하고 있습니다.
EF86의 캐소드 저항을 보면, 1K 저항과 250R로 나누었는데 이것은 NFB(negative feedback)을 걸기 위한 것입니다(뒤에서 다시). 캐소드 저항이 필요한 이유는 이미 본 것처럼 그리드와의 전압차를 유지하기 위해서입니다(즉 그리드에 -전압을 걸기 위해서). 크기를 얼마로 할 지는 EF86의 Datasheet 상에서 그려서 정해진 전류(2mA)로 정해진 그리드전압(-2.4V)를 나누면 R=V/I공식으로 간단히 계산되지요(1.2K).
캐소드 저항 옆에 붙은 150uF은 루프를 위한 것인데(저도 잘은 모릅니다), 만약 생략하면 교류신호가 잘 순환되지 않으므로 이득이 떨어집니다. 여기에 붙어 있는 콘덴서의 용량은 뒤에서 보는 바와 마찬가지로 저음량과 많은 관계가 있습니다.
2. Coupling cap을 통한 5687 진공관과의 연결
증폭된 신호(위에서 +1v투입시 -27.2V, -1V투입시 +27.2V)는 120V의 직류신호를 기준으로 120-27.2, 120+27.2v 양상을 띠게 됩니다. 즉 직류인 120V를 기준으로 신호전압인 교류신호가 + -로 움직이는 것이지요. 그런데 다음단의 5687 진공관은 그리드가 0V를 기준으로 설계되어 있으므로 0V를 기준으로 -27.2, +27.2가 되는 것이 필요합니다. 이렇게 할려면 직류는 잘라내고 교류만 취하는 것이 필요합니다.
콘덴서는 직류는 통과시키지 않고, 교류만 통과시키지요. 그래서 콘덴서를 사용합니다. 다만 미세한 신호를 다루므로 일반 전해콘덴서를 사용한다면 교류신호 중 많은 부분은 통과시키지 못하는 문제가 생길 가능성이 크지요. 이부분에 사용되는 콘덴서를 coupling capacitor라고 하는데, 이것은 양 단을 연결한다는 의미입니다. 주파수에 따라서 신호를 통과시키는 정도도 다릅니다. 주로 문제가 되는 것은 저음(저주파수)의 량이지요. 적정한 용량과 양질의 제품을 사용하는 것이 상당히 중요합니다. 좋은 제품으로 알려진 것들은 multicap RTX, Musicap, Auricap등이 있는데, 어느 것을 사용할 지는 취향 문제입니다.
간단하게 제가 느낀 커플링 콘덴서의 경향을 보면, Multicap RTX는 맑고, 깨끗하고 투명한 소리(같은 말인가?), Musicap은 약간 착색있고 윤기 있는 소리, Auricap은 무난한 소리(?). 제가 좋아하는 것은 위 순서대로, 가격은 열거한 순서의 역순 대로입니다. Multicap은 지금은 단종되어 나오지 않고 있습니다.
커플링 콘덴서의 용량은 0.22uF을 선택했습니다. 그 용량이 크면 낮은 주파수(예를 들면 20Hz)부터 감쇄가 일어나 저음이 많이 나오고, 용량이 적으면 그보다 높은 주파수(예, 60Hz)부터 감쇄가 일어나 저음이 적게 나옵니다. 너무 많이 나와 벙벙거리는 것도 문제고, 너무 적어 소리가 날카로와지는 것도 문제가 됩니다. 대략 0.1uF, 0.22uF이나 0.47uF을 씁니다. 용량은 뒤에 오는 접지와 연결된 저항(470K)의 용량과 관계있습니다. 이에 관하여는 공식이 있습니다. 대략 150K 이상이면 0.22uF을, 100K라면 0.47uF을 많이 사용하더군요.
3. 드라이브단 중 5687 부분
증폭된 신호전류 중 커플링을 통해 걸러진 것은 5687진공관에 의해 다시 증폭되어 최종적으로 출력관인 EL34에 보내집니다. 최종 출력관에 필요한 신호전압을 만들어 출력관을 Drive한다는 의미에서 드라이브단이라고 합니다. 드라이브단 그리드에 들어가기 전에 150K 저항이 있는데, 이것은 초단의 신호전압 증폭이 너무 많이 되어 증폭도를 줄이기 위해서 넣은 것입니다. 파워앰프라도 보통 입력 부분에 150K 저항 대신 250K 가변저항을 사용하여 신호전압을 줄이고 나서 증폭하여 원하는 증폭도를 만드는 방법을 많이 사용하는데, 저는 초단 입력 신호를 줄이는 대신 드라이브단의 입력신호를 줄인 것입니다. 어느 것이 나은 것인지는 모르겠습니다만, 초단의 입력신호 감쇄시에는 잡음이 개입될 소지가 더 높고, 미세한 신호는 아예 없애버릴 가능성이 있는 것 같아 지금과 같은 방식을 사용했습니다. 감쇄의 정도는 150K저항치를 가감하여 사용하시면 됩니다. 150K인 경우는 150K/150K+470K의 비율만큼 감쇄가 일어나는 것으로 알고 있습니다. 150K대신 200K를 사용하면 더 많은 감쇄가 일어나겠지요.
5687의 캐소드 전압은 곧 그리드전압이 되는데, 본 정전류회로에서 위 전압은 정전류관에 의하여 결정됩니다(후술). 5687에 의해 증폭된 신호전류는 앞에서 본대로 다시 커플링콘덴서로 신호부분만 최종 출력관으로 넘어갑니다. 본 회로에서 양편의 플레이트 저항으로 사용한 각 6.8K(10W이상) 사이에 1K(2W이상)가변저항이 들어가 있는데, 이것은 하나의 진공관 내에 두개의 증폭부가 들어가 있는 쌍삼극 진공관인 5687이라 하더라도 각 증폭부의 증폭도가 다르므로 이를 조정하기 위한 것입니다. 이는 중요한 것으로 만약 회로 상의 아래 위 증폭도가 다르다면 정확한 위상반전이 어렵게 되는 문제가 생기게 됩니다.
4. 드라이브 단 중 정전류회로 부분
본 드라이브단은 정전류회로로 이루어져 있습니다. 즉 전류를 일정하게 유지한다는 것이지요. 정전류를 담당하고 있는 관은 el86인데, EL84를 사용해도 됩니다(다만 아래 캐소드 저항을 150R 근처로 잡으시길).
C전압은 -전압(-185V)으로 공급됩니다. 정전류회로에서는 스크린 그리드 전압의 안정성이 중요한데, 이는 전원트랜스에서 C전원을 공급하는 탭을 따로 내고, 스크린 그리드를 접지시켜 항상 스크린그리드가 캐소드에 비하여 일정한 전압을 유지할 수 있도록 하였습니다.
캐소드 저항은 5극관의 그리드(control grid)전압을 주는데 사용된 것으로 그 저항치에 따라 el86그리드전압이 결정되고 그리드 전압에 따라 el86에 흐르는 전류량이 결정되며, 결국 5687 양 증폭부에 흐르는 전류량이 결정되는 것입니다. 저항치가 높아지면(470R에서 500R)이 되면 el86의 그리드 전압이 높아져(예를 들면, -15v에서 17V로), el86의 전류 흐름이 억제되므로 적게 전류가 흐르게 됩니다.
5. 출력단 EL34 부분
커플링콘덴서를 통해서 신호전류가 걸러져 출력단인 EL34에 이르는 과정에 있는 475R은 발진을 방지하기 위해 들어가 있는 저항입니다. 저는 처음에 이 저항을 붙이지 않아 출력관이 웅웅거리고 심지어는 출력트랜스에서 연기까지 나는 현상을 겪기도 하였습니다. 다행히도 출력트랜스의 손상은 없었지만, 발진방지를 위해 반드시 저항을 넣어 두시기 바랍니다. 저항치는 다른 회로를 보니 1K가 보통이고, 2K등도 있던데, 신호가 흐르는 부분에는 저항수치가 가능하면 낮은 것이 좋으므로 475R로 가능한한 줄였습니다.
출력관은 자기 바이어스 방식으로 설계했습니다. 자기 바이어스 방식(self-bias)이란 고정바이어스 방식(Fixed-bias)과 대비되는 방식으로 출력관 캐소드에서 earth로 저항을 두어 그 저항에 흐르는 전류를 통해 전압을 만들어 그 전압과 그리드의 전압차를 바이어스 전압으로 하는 방식입니다. 앞서 ef86에서 본 방식과 같은 방식이지요. 반면에 고정 바이어스 방식은 인위적으로 그리드에 -전압을 만들어주어서 이것을 그리드 전압으로 하는 방식입니다. 이러한 경우 캐소드는 접지되어 0v가 되고, 그리드는 -v가 되는 것입니다.
자기 바이어스 방식은 진공관에 많은 전류가 흐르면(예, 60mA-->80mA) 캐소드 저항으로 인하여 캐소드 전압이 높아지는 동시에(30v-->40v) 그리드전압은 더 낮아지는데 (-30v---> -40v), 결국 이에 따라 전류량은 줄어들게 되어(예,80mA-->60mA), 원래대로 돌아오는 자정능력이 있습니다. 반면에 최소 10W급 이상의 저항과 고압의 고급 콘덴서가 필요한 문제가 있습니다. 무엇보다도 PP방식에 있어 자기바이어스는 출력관을 Pair matching시켜 사용하여야 음이 찌그러지지 않는다는 문제점이 있습니다. 다만 저항치의 조절로 해결가능하나 저항의 W수가 높아서 이것도 힘듭니다.
고정바이어스 방식은 그러한 장치가 없으므로 진공관이 손상될 위험이 있습니다. 또한 고정바이어스 방식은 -전원을 만들어주는 회로 부분에서 부품이 손상될 경우(특히 diode) 그리드에 -전압이 걸리지 않아 많은 량의 전류가 바로 플레이트에서 earth로 흘러버려 진공관이 손상되는 문제가 있습니다. 반면에 가변저항으로 그리드에 걸리는 -전압의 수치를 쉽게 조정할 수 있어 굳이 진공관이 Pair가 아니어도 되며, 쉽게 바이어스 전압을 바꾸어 A1급에서 AB급으로 변경이 가능하다는 점이 장점입니다.
본 회로에서는 출력관이 고가라는 점을 감안하고 Pair matching된 관이라는 점을 살펴 자기바이어스 방식으로 했습니다. 그리고 전류도 일반적인 자기바이어스 방식의 회로보다 조금 덜 흘리도록 저항치를 높였습니다.
스크린 그리드(제2그리드)에 들어가는 공통저항으로 1K(10W)저항을 사용했는데, 이것은 EL34에 얼마나 많은 전류를 흘릴 것인가와 관계가 있습니다. 이러한 저항없이 바로 B+에다 스크린그리드를 연결하면 스크린그리드 전압이 400V로 높아져 전류가 많이 흐르게 될 것입니다. 전압이 높고 전류가 많이 흐르면 음이 더 탱탱해지는 경향이 있는 것 같습니다. 반면 진공관은 좀 혹사당하겠지요. 취향과 사상 문제입니다.
6 NFB(Negative Feedback)
NFB란 우리말로 부궤환으로 표현되는데, 말 그대로 부(-)로 되돌아온다는 의미겠지요. 출력관을 거쳐 출력트랜스(7K/50W 이상이면 아주 좋음)를 통하여 스피커를 구동하기에 이르게되는 단계에서 볼 때, 신호가 지나치게 높아 부자연스러운 경우 이를 보정하는 방법으로 NFB를 많이 사용합니다. 즉 신호중 일부를 다시 원래대로 되돌려 왜곡된 신호를 제어하는 것이지요.
NFB를 사용하면 음의 왜곡이 줄어드므로 출력트랜스가 좀 질이 떨어지더라도 사실적인 음의 재현이 가능하다고 합니다. 그러나 FeedBack을 하면 아무래도 음의 생동감이나 반응속도 면에서는 떨어지므로 NFB를 싫어하는 사람도 많이 있습니다. 마란츠#7 회로를 보면 12ax7로 증폭을 많이 하고 많은 Feedback을 거는데, 음이 균형있고 편안하게 나오는 좋은 점은 있지만 반응속도가 떨어져 현대적인 사운드에는 어울리지 않더군요. 그래서 결국 제 마란츠 라인프리도 해체의 운명을 맞이하였습니다.
본 회로에는 33k의 저항으로 NFB량을 정하였습니다. 저항치를 낮추면(10K) 피드백이 많이 걸리고, 저항치를 높이면 피드백이 적게 걸립니다. 가변저항등으로 돌려가며 알맞는 Feedback수치를 정해보세요. 그 다음의 56pF은 초고역의 피크를 feedback으로 잡아두기 위한 방법으로 사용한 것입니다. 47pF정도가 적당할 것 같은데, 그 수치가 없더군요. 약 20KHz 내지 30KHz 대에서 고역의 작은 발진을 막을 수 있다고 합니다.
7 전원부
전원부 회로는 저 나름대로 신호부에서 원하는 전압과 전류를 최선의 방법으로 공급하는 방향으로 디자인하였습니다. 우선 정류관은 5ar4를 사용하였는데, 이는 방열정류관으로 B+전압이 서서히 증가하여 관의 손상을 막고, 대용량을 정류하여 전원의 안정성을 높일 수 있다는 점에서, 그리고 EL34와 같은 GT관인 점에서 선택했습니다. 사실 저는 GZ34(5AR4)보다는 GZ37을 더 선호합니다.
5AR4 뒷단에 오는 콘덴서는 47uF도 가능하나, 저는 10uF/230V MF콘덴서 4개를 묶어 사용하였습니다. 이렇게 병렬로 연결하는 것이 임피던스 면에서 유리하다는 칼있으마님의 조언이 있었습니다. 다음 단의 45uF/370VAC는 삼화 캔콘덴서를 사용했습니다. B+전압 400V후에 B+1전압으로 300V를 확보하기 위하여 6K/10W 저항 2개를 묶어 3K/20W저항을 달았습니다. 열이 많이 나므로 큰 용량의 저항을 사용하여야 할 것입니다.
따로 150V용 탭을 둔 것은 C전압부를 만들기 위한 것입니다. -전압을 만드는 방법은 의외로 간단합니다. 즉 -전압은 0v보다 상대적으로 더 낮은 전압이니, 0V(Earth)를 +로 하고 - 쪽을 -로 하여 diode와 콘덴서를 연결하면 됩니다. 극성을 주의하여 연결하여야 합니다.
히터전원의 공급을 위해 EL34 두개당 하나의 탭, 그리고 나머지 모든 진공관을 위해 1개 탭을 사용하였습니다. 진공관 히터용 탭이야 각각 하나씩 두는 것이 이상적이나, 사정상 이렇게는 할 수 없으므로, 가능하면 출력관과 초단관 히터를 분리하여 탭을 두는 것이 필요합니다. 직열관이라면 각 직열관마다 하나의 탭을 두어야 겠지요.
마지막으로 스위치 문제인데, 저는 로타리형 스위치를 즐겨 사용합니다만 좋은 제품은 참 구하기 힘들더군요. 스위치의 양단에 스파크킬러(승환전자에서 구입, 저항과 콘덴서가 직렬로 연결된 것임)를 사용하거나, 아니면 0.01uF/1000V 콘덴서를 하나 붙여두시면 스위치를 켜고 끌때 퍽퍽거리는 것을 막을 수 있습니다.
뭔가 잘못된 설명이 많이 들어간 것 같은 불안감이 엄습합니다만 제가 이때까지 알게된 지식을 한번 써 봤습니다. 고수님들에게는 웃음거리일 지 모르지만 제가 처음 자작할 때는 이러한 사전 지식조차도 없어 고생 많이 했습니다. 정보의 공유 차원에서 쓰는 것이니 잘난체한다 생각하지 마시고, 그런 생각이 들더라도 그냥 웃어 넘겨 주세요.
다음 회에서는 샤시가공 등 실전자작 편이 이어집니다.
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