30W SET “QUINTET” Amplifier 제작기 (1)

조회 수: 2386, 2013-08-04 12:39:25(2013-08-01)

작년 10월 경, 필자가 처음으로 네바다주 리노에 사시는 강박사님 댁을 방문했을 때 강박사님께서 손수 측정하신 특성곡선과 함께 귀엽게 생긴 진공관 몇개를 선물해 주신 일이 있었다. 이 진공관이 13GB5였는데 당시에는 이 진공관이 상당히 매력있게 생겼다고 생각하기는 했지만 그것으로 암프를 만들어 볼 생각은 들지 않았었다.이 5극관을 3극관 결합했을 때 특성이 좋아보이기는 했지만 필요한 소켓이 마그노발 9핀 이라서 소켓 구하기가 쉽지 않을 것 같았고 또 진공관 보다 소켓이 비싸서 배보다 배꼽이 크게 될 경우가 우려되었기 때문이었다.  

 

그러나 특성곡선을 보면서 이 진공관의 매력에 빠지게 되었고 소켓문제를 해결해 보려고 시도했다.  그래서 진공관 다리에 맞는 핀 소켓을 구할 수 있다는 것을 알고 본격적으로 이 진공관을 사용한 암프 제작을 궁리하기 시작하였다. 

 

그러다가 지난 5월 한국을 방문했을 때  외교관 출신으로 오디오 광인 친구를 만났는데 그가 중,고음 용의 30W정도 진공관 암프가 있었으면 하는 바램을 듣고 한번 이 귀엽게 생긴 관을 사용해 보자는 생각을 새롭게 다지게 되었다.  더구나 이 당시 소시적에 같이 “땜쟁이” 장난을 하던 오랜벗을 만났을 때 이 암프를 같이 제작해 보자는 데에도 의기가 투합하였었다.  그리고  이미 제이앨범님께 구입을 부탁했던 R코아 이외에도 이 친구가 별도로 구입해준 R 코아를 미국에 가져왔다.  그래서 30W용 R코아 출력트랜스의 설계부터 시작하였었다.  암프는 우선 싱글회로로 시도해 보고  후에 퓨슈플 암프까지 제작해 본다는 계획을 세웠다.  그리고 지난 5월 한국 방문시 한국에서 소켓 제작에 필요한 부품들을 구해왔었다.

 

그런데 귀국 후 집 수리에 전념하느라 암프 푸로젝트에 신경을 쓸 여유가 없었고 한달이면 끝낼줄 알았던 집 수리가 두달을 넘게 걸렸다.  한 열흘 전, 겨우 집 수리를 끝내고 그동안 접어두었던 암프제작을 재 가동하였다.  

 

13GB5

 

13GB5는 아마도 진공관 칼라 TV에 수평출력관 등으로 주로 사용되엇던 관인것 같다.  이 관은 히터전압 이외에는 6GB5와 동일한 빔 출력관이다.  양극손실이 17W이고 스크린 그릿드 최대 허용 손실이 5W나 된다. 이 관을 3극관으로 결합하면 내부저항이 450옴 정도로 낮고 직선성이 매우 우수한 3극 출력관이 된다. 이것이 강박사님이 측정하신 결과다.  300B 보다 덩치는 훨신 작지만 출력은 그 좋다는 300B에 약간 못미치는 정도로 크다. 반면 필요한 그릿드 바이어스는 300B보다 약간 낮은편이라 300B보다 드라이브 하기가 더 쉽다. 무엇보다도 좋은 것은 가격이매우 저렴하고 NOS를 구하기가 쉽다는 점이다. 신품 300B가 1,500불 정도를 호가한다는 점을 고려한다면 이 관이 가격대 성능비가  100배는 더 좋다는 생각이 든다.  300B 한개 값으로 스테레오 암프 두대는 만들 수 있을 것 같다.

 

단점이라면 히터전압이 13.3V로 6.3V만 고집하는 사람들에게는 쓰기가 불편하고 소켓이 매그노발 9핀이라서 구하기 쉽지 않다는 점일 것이다.  그러나 히터 전압은 정전류 히터라는 점을 상기하면 경우에 따라서는 오히려 장점이 될 수 있고 소켓은 중국제가 있어서 불가능한 것은 아니다.

 

이 관을 사용한 프로젝트를 시작하기 전에 소켓문제를 해결하려고 궁리를 해 보았는데 해결책은 직접 PC보드에 소켓을 만들어 넣는 방법이다.  컴퓨터 커넥터 용으로 제작된 커넥터 컨택트 엘레멘트에는 핀과 소켓이 있는데 소켓 중에 이관의 다리에 잘 맞는 것들이 있다.  이것을 사용해 PC보드에 소켓을 직접 설치할 수 있다.  이에 대해서는 이미 이 사이트에 올린 일이 있으니 관심있는 분들은 참고 바란다.

 

 

설계 고려 사항

 

30W 정도의 출력을 얻기 위하여는 대략 4개의 13GB5가 필요하다.  그런데 다수의 출력관을 채용해 보려는 시도는 사실상 출력트랜스의 설계를 쉽게해 보려는 데에 있었다.  강기동 박사님의 측정에 의하면 13GB5의 양극 저항은 3극관 결합시 대략 450ohm 정도이다.  이것을 4개 병렬연결하여 사용하면 출력트랜스 드라이빙 임피던스는 120ohm이 채 안될 정도로 낮아진다.  이렇게 되면 출력트랜스의 1차 인닥탄스를 줄여도 저역특성을 구현할 수 있고 따라서 일차 코일의 권수를 줄일 수 있으니 고역특성도 개선시킬 수 있다.

 

다수의 출력관을 병렬로 연결하여 사용한 예는 대출력 진공관 암프들에서 심심치 않게 볼 수 있다.  멕킨토시의 MC3500은 6개의 출력관을 채용하였고 VTL제품 중에는 12개의 출력관을 채용한 예도 있다. 이 암프들은 모두 푸슈플 이어서 또 다른 문제가 있지만 싱글암프에서 다수의 출력관을 사용할 때에는 문제가 있다면 아마도 출력관 사이의 전류 발란스 문제와 출력단의 입력 임피던스가 낮아진다는 점일 것이다.

 

출력관 사이의 전류발란스 문제는 각 출력관 캐소드에 CCS를 설치하면 해결할 수 있다. 그러나 이 방법은 파트카운트가 너무 커지고 출력관들을 AC적으로 카풀링 시켜주어야 해서 번거롭다는 생각이 들었다. 그래서 일단 이 문제는 출력관을 선별하여 양극 전류가 비슷한 관들을 골라 쓰는 원시적 방법에 의존하기로 하였다.

 

다음 출력단의 입력 임피던스가 낮아지는 문제는 드라이버단의 출력임피던스를 낮게 해주면 해결될 것이라고 생각하였다.  드라이버단에 캐소드 훨로워를 채용하거나 아니면 드라이버단에 양극저항이 작은 관을 채용하는 방법도 있을 것이다.  또 다른 방법은 츨력관 개수만큼 커진 입력 커패시턴스를 보상해 주는 보상회로를 출력단 입력측에 설치해 주는 방법도 있을 것이다.

 

또 다른 문제는 히터 전원을 어떻게 해결해 주느냐는 것이다. 13GB5는 13.3V를 필요로 하는데 이렇게 되면 다양한 전압을 내 주는 전원트랜스가 필요하게 된다. 이런 번거로움을 해결하고 이관의 히터가 정전류 히터로 설계된 점을 이용하여 모든 히터를 직열로 연결해 주고 라인 전압을 그대로 이용하기로 하였다. 이 방법은 그 옛날 가정용 5구 수퍼 라디오에 많이 쓰던 방법이다. 따라서 드라이버 스테이지에 사용할 관도 600mA 정전류관을 선택하기로 하였다. 드라이버 스테이지에 쓸 수 있는 600mA 정전류 히터관은 많다.  10EM7도 있고 10DR7, 8KR8도 있다.  그 밖에도 여러가지가 있지만 여기서는 10DR7을 선택하였다. 10EM7도 좋지만 이 관은 8핀 옥탈 소켓으로 관이 출력관인 13GB5보다 뚱뚱해 보여 어울리지 않게 보일 것 같았다.  그리고 두 관이 특성상 대소동이하다.

 

이래서 진공관 라인업은 10DR7 – 13GB5 X4이 되었다.  출력관이 4개이니 암프의 모델 이름을 퀸테트 (4중주) 암프로 붙여 보았다.  13GB5는 필라멘트 전원이 13.3V이고 10DR7은 10V 이니까 스테레오 암프를 만들 경우 필요한 히터 전압이 챤넬당 13.3 X4 + 10 = 63.2 V이 되고 두 챤넬스테레오를 한 샤시에 만들면 63.2 X 2 =126.4V 가 되어 대략 (미국의) 라인 전압과 맞아 떨어진다. 

 

10DR7은 특성이 다른 3극관 2개가 복합된 복합관이다.  그 중 하나는 증폭도가 68, 양극저항이 40Kohm이고 다른 3극관은 증폭도는 6으로 낮지만 양극저항이 925ohm으로 매우 작다.  이런 점에서 이 관은 드라이버 관으로 매우 적합해 보여서  이 관 하나로 2단 증폭기를 구성하여 드라이버단을 구성하기로 하였다.

 

앞서 언급한 대로 출력단에 4개의 진공관을 사용하는 관계로 입력 임피던스가 낮아질 것을 예상하여 드라이버단을 캐소드 훨로워로 하기로 하였었다.  그렇게 되면  케소드 훨로워 전압 게인은 1.0 이하이기 때문에 이 암프의 필요한 전압게인을 모두 초단관에서 실현시켜야 한다.

 

초단관에서 얻을 수 있는 전압게인을 최대로 하기 위해 초단관의 양극 부하에 CCS를 채용해 보았다.  최대 출력시 입력전압을 1.0V로 잡고 필요한 드라이빙 전압을 60V로 잡으면 대략 60배의 전압이득이 필요하다. 10DR7 고증폭도 관의 증폭도가 68이라니까 어쩌면 가능해 보이기도 하였다.  그리고 초단과 드라이버단은 직결로 하였다. 캐소드 훨로워 회로에서는 캐소드 전압이 상당히 높게 되는데 그 때문에 직결이 쉬워진다.

 

이 회로를 배선해서 시험해 본 결과 아무래도 이득이 약간 부족하다는 것을 발견하였다. 이 회로로는 28W 의 최대출력을 얻었고 매우 우수한 고역특성을 얻었었다.  고역특성은 1dB 감쇄점이 70KHz 이상이 되었고 3dB 감쇄점이 100KHz정도를 달성할 수 있었다.  이 암프를 시청해 본 결과 저역은 그리 두드러지지 않으나 고역특성이 매우 우수하였다. 고음을 내는 악기들의 소리가 매우 생생하면서도 더 큰 볼륨으로 들렸다. 

 

그러나 출력이 조금 부족한 점과 소리가 조금 거칠다는 점이 불만이었다.  이것은 아마도 큰 출력에서 초단관의 출력이 특성곡선상 양 극단, 즉 비직선적인 부분을 사용해야 하기 때문인 것 같다.  이런 점이 불만이어서 회로를 보통의 캐소드 접지 증폭회로로 변경하기로 하였다.

 

주어진 회로는 이 변경된 회로이다.  출력단에 4개의 진공관을 채용했다는 점을 제외하면 별 설명이 필요없는 매우 평범한 회로다.  여기서는 부궤환도 채용하지 않았다.  초단관의 동작점은양극 전압 175V 양극전류 2mA,  그릿드 바이어스 -1.7V 이다.  드라이버단의 동작점은 양극전압 150V, 양극전류 20mA, 그릿드 바이어스 –20V로 잡았다.  출력관의 동작점은 양극전압 350V, 양극전류 64mA, 그릿드 바이어스 –60V 이다.

 

출력단의 바이어스는 고정 바이어스로 하였다. 이는 출력단의 양극전류가 250mA 정도로 상당히 커서 셀프 바이어스로 하면 대형저항이 필요하게 되고 이에따른 소비전력을 줄이기 위함이다. 이런 경우 출력관 보호장치로 양극회로에 휴즈를 설치해 주는 것도 좋을 것이다. 출력관 캐소드에는 각 출력관의 양극전류 측정을 위해 10ohm 저항을 삽입하였다.  출력관 그릿드와 스크린 그릿드의 저항들은 모두 발진 방지용 스토퍼 저항들로서 100ohm 혹은 1Kohm을 사용하면 될 것이다.

 

전원부에서 B전압을 350V로 잡은 점은 전원회로 구성에 편리한 점이 많다. 평활회로에 400V 전해콘덴사를 그대로 사용할 수 있어 매우 간편하다.  이 정도 출력의 암프를 송신관을 써서 만든다면 B전압이 높아져서 고압의 전해콘데사를 써야 할 것이다.

전원부는 쟝크박스에 굴러다니던 트랜스 중에서 골라쓴 관계로 맞춤형이 아니라서 크기도 맞지않고 탭들도 맞지 않다.  B전원은 트랜스를 대략 140V로 결선하여 배전압 정류를 하였고 C전원도 33V 탭을 배전압 정류하여 87V를 얻은 다음 이것을 분할하여 사용하였다.  전원부에는 컴퓨터에 쓰이는 라인휠터를 채용하였고 터미스터를 삽입하여 전원을 넣는 순간의 과전류를 제한하도록 하였다.  특히 A전원은 라인 전압을 그대로 사용하는 관계상 터미스터를 한개 더 삽입하여주고 휴즈도 별도로 설치하여 주었다.  이런 것들은 없어도 동작에 지장을 주는 것은 아니다.  A전원도 브릿지 정류기로 정류하여 직류 점화를 해 주었는데 정류결과 상당한 전압상승이 있게된다.  이 전압상승은 정류기와 평활 콘덴사 사이에 적당한 저항을 삽입하여 출력전압이 정확히 126.4볼트가 되도록 조절해 줄 수 있다.

 

다음 회에는 암프조립과 시함 결과에 대하여 보고하도록 하겠다.

색갈 지워서 올렸습니다

KYJ OM님 수정한 도면 올려 드립니다.

너무 감사합니다. 회로는 지금 상태로도 동작에 지장은 없습니다. 그러나 한 두 군데 본인의 의도와 다르게 그려진데가 있네요. 하나는 C 전원 60V를 끌어내는 분할점은 가변저항기의 중간이 아니고 20K저항의 한 끝입니다. 그려진 대로 해도 아무 문제는 없지만 본인의 경험상 가끔 가변저항기 중간이 오픈되는 경우가 있습니다. 이렇게 되면 바이어스 전원이 없어져 양극전류가 대폭 증가할 수 있습니다. 따라서 가변저항기가 오픈 될 경우 오히려 C전압이 더욱 네가티브가 되어 출력관을 보호하도록 한 것입니다. 물론 이렇게 하면 가변저항기로 변경할 수 있는 전압 변화 영역이 줄어듭니다. 또 한가지는 A 전원 정류기 앞쪽에 터미스터 하나를 추가했는데 이것은 없어도 좋습니다. 틀렸다고 할 수 없는 부분입니다.

이 설계에서는 설계상 이상적인 부품을 표시한 것이 아니라 제가 쟝크박스에서 찾을 수 있는 부품을 가지고 실제 제작한 부품을 표시한 것입니다. 가령 B전원에서 쵸크를 두개 쓴 것은 마땅한 쵸크가 없어 임시변통한 것입니다. 전류용량만 충분하다면 하나로도 좋습니다. 디카풀링 회로에 사용한 전해콘덴사들은 필름 콘덴사로 바이패스 시켜 주었는데 좀 더 큰 용량이 더 좋을 것입니다. 여기서도 가지고 있는 것들을 사용한 것입니다. 

드라이버단 양극 부하저항은 10W급이 좋습니다. 캐소드 저항도 5W를 사용했는데 2W짜리도 충분할 것 같네요. 초단관 양극 부하저항은 계산상 80K지만 100K와 470K를 병렬연결하여 사용했습니다. 드라이버단의 양극 부하저항도 비슷합니다. 전원 입력에 라인 휠터는 없어도 무관합니다. 그렇지만 전원 라인 두선에 모두 작은 컨덴사를 접지시켜 주면 RF가 새들어 오는 것을 방지해 줍니다. 그리고 다른 특기사항은 없습니다.

전원 코넥타 중에는 전원코넥타, 라인 휠터, 휴즈, 그리고 전원 스위치가 콤비로 만들어진 것이 있습니다. 이것이 사용에 편합니다. 샤시 가공도 간단해 지고 번거롭게 배선도 할 필요가 없습니다. 가능하면 이것을 구해서 쓰는 것이 스페이스도 절약됩니다.

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"가변저항기가 오픈 될 경우 오히려 C전압이 더욱 네가티브가 되어 출력관을 보호하도록 한 것입니다." 

아주 좋운 방법입니다 저도 모든 C Bias 조절 이런 식으로 해야겠습니다.