3극관, 5극관 그리고 초3결 (I)

조회 수: 3645, 2014-01-13 23:34:27(2014-01-13)

일반적으로 3극관은 내부저항이 작고 직선성이 좋아 왜율이 적고 그래서 소리가 좋은 것으로 알려져 있다.  그러나 3극관을 출력관으로 사용할 경우 그릿드에 대단히 큰 전류스윙이 요구되기 때문에 3극관은 일반적으로 드라이브 하기가 힘들다.   반면 5극관은 효율이 높고 드라이브 하기가 3극관보다 쉽지만 왜율은 비교적 높은 것으로 알려져 있고 내부저항도 매우 크다. 

 

여기서 한가지 언급하고 지나가야할  것은 많은 진공관 애호가들이 작은 내부저항의 중요성을 인식하지 못하거나 외면하는 경우를 보는데 이는 생각보다 중요한 요소다.  출력관으로 내부저항이 작은 관을 쓰면 출력트랜스 설계가 쉬워진다.  저역에 요구되는 1차 인닥탄스가 작아져서 권수를 줄일수 있고 권수가 줄어들면 고역특성이 개선되기 때문이다.  누설 인닥탄스나 부유용량을 함께 줄일수 있어 출력트랜스의 대역폭이 넓어진다.

 

각설하고… 동작 모드를 본다면 3극관은 불완전한 전압원으로 동작한다고 볼 수 있고, 5극관은 불완전한 전류원으로 동작한다고 말할 수 있겠다.

 

완전한 전압원은 내부저항이 제로이고 부하에 관계없이 규정된 전압을 공급하는 장치다.  가령 진공관의 양극특성에서와 같이 X축에 전압을 표시하고  Y축에 전류를 표시한다면 전압원은 X축의 규정된 전압 점을 지나는 수직선으로 표시될 것이다.  

반면 전류원은 부하의 크기에 관계없이 규정된 전류를 흘릴 수 있는 장치이고 Y축의 규정된 전류점을 지나는 수평선으로 표시될 것이다. 전류원의 내부저항은 수평선이 암시하는 대로 무한대가 된다.  이런 의미에서 3극관은 전압 디바이스, 5극관은 전류 디바이스라고 할 수 있다.  트랜지스터 종류들은 모두 전류 디바이스로 분류된다.

 

3극관의 장점인 우수한 직선성과 작은 내부저항을 가지는 반면, 5극관의 장점인 높은 효율과 비교적 적은 드리이브 전압만을 요구하는, 즉 3극관의 장점과 5극관의 장점을 두루갖춘 진공관 있다면 진공관 애호가들에게는 환상적인 진공관이 될 것이다.

 

얼마전 필자는 우연히 이런 진공관을 실현시킨다고 주장하는 회로를 접하게 되었다. Super Triode Connection즉, 초 3결 회로인데, 이는 나온지가 꽤 되었는데 필자가 이회로를 접한 것은 비교적 최근의 일이다. 

 

사실을 말하자면 3극관과 5극관의 특성을 아우려 보자는 노력은 없었던게 아니다. 5극관이 출현하면서 암프 제조업체들 간에 출력경쟁이 시작되었을 즈음 영국의 QUAD사에서는 캐소드 휘드백 회로를 들고 나왔었고 다이나코 킷트로 유명한 데이비드 하풀러는 UL 회로를 옹호하기 시작하였다. 

최근에는 토로이달 출력트랜스의 개발자인 반 델 빈(?) 이라는 사람이 캐소드 휘드백과 UL 접속을 동시에 적용한 회로를 초 3결이라고 이름짓고 상표등록까지 한 것으로 듣고 있다.  그러나 필자는 초 3결 이라는 이름은 일본사람이 먼저 사용한 것으로 알고 있다.

 

초 3결 회로는 신이치 가미조라는 일본 오디오 애호가가 1991년부터 1993년간에 일본의 무선과학지에 글을 올리면서 알려졌다 한다.  가미조 상이 발명자인 셈이다.

 

그런데 초 3결 이론 대로라면 이 회로를 차용한 암프가 지금 쯤은 진공관 오디오계를 휩쓸었어야 할것 같은데  극히 일부의 진공관 오디오 팬들의 관심은 끌었을지 몰라도 주류는 되지않고 있는 것이 현실이다.  

왜 그럴까?

 

초 3결의 핵심 아이디어를 진공관을 가지고 설명하자면 이렇다: 5극 출력관의 양극과 그릿드간에 부궤환을 걸어주는데 궤환소자에 3극관을 적용해 보자는 것이다.  이런 착상은 OP암프를 가지고 설명하면 이해가 편하다.  OP 암프는 오픈 룹 게인이 굉장히 크다.  많은 경우 OP 암프는 휘드백 양으로 그 암프의 이득을 결정해 준다.  OP 암프의 휘드백 패스에 3극관을 적용하면 OP 암프는 마치 이득높은 3극관 같은 동작특성을 보일 것이란 생각이다.

 

초 3결 회로는 출력단만을 본다면 2개의 진공관으로 구성된다. 하나는 출력관이고 (편의상 이를 V2라고 한다)  다른 하나는 피드백 패스에 들어가는 진공관이다. (편의상 이를 V1이라고 하자).   발명자는 소위 초 3결 3정수라는 것을 정의하고 있다.  진공관의 3정수, 즉 Mu (증폭율), Gm (상호 콘닥탄스), rp (양극저항) 에 해당하는 것들인데 초 3결된 두개의 진공관을 하나의 진공관으로 간주 했을 때의 3정수로 보면 될듯싶다.

 

발명자에 따르면 초 3결의 증폭율은 V1의 증폭율과 같다.  초3결의 Gm은 Mu(1) * Gm(2), 즉 V1의 증폭율과 V2의 상호 콘닥탄스의 곱이라는 말이다.  마지막으로 초 3결의 내부저항은 1/(Gm(2), 즉V2의 상호 콘닥탄스의 역수라는 것이다.

 

여기서 우리가 일반적으로 접할 수 있는 3극 출력관과 흔히 실현시킬 수 있는 초 3결의 3정수를 비교해 보자.

 

흔히 내부저항이 작은 3극 출력관들은 Mu도 작다.  증폭율이 5 내지 10 정도가 보통인 것 같다.  내부저항 rp는 수백옴에서 1K ohm 내외가 보통이다.  이런 경우 Gm 도 그리 크지 않다.  참고로 최고의 3극관이라는 평을 받는 웨스턴 엘렉트릭의 300B는 Mu=3.85, Gm=5,500 마이크로 모, rp=700 ohm 이다.  이 관은 적어도 60 내지는 80V 정도의 입력전압이 요구된다.

 

반면 중간정도의 증폭율을 가진 3극관을 초 3결의 V1으로 사용하고 통상적인 5극 출력관을 V2로 채용했다고 가정해 보자.  중간 정도의 증폭율이라면 대략 20 에서 50 정도는 될 것이다. 

 

5극 출력관의 경우 Gm은 대략 10,000 마이크로 모 정도가 된다. 참고로 가장 흔히 채용되는 빔 출력관인 KT88의 경우 rp = 12Kohm 이고 Gm = 11,500 마이크로 모이다. 

 

그렇다면 초 3결의 출력단은 증폭율 20 혹은 50 정도이고 내부저항이 100 ohm 혹은 그 이하로  낮은 이상적인 3극 출력관이 출현한다. 이 정도의 낮은 양극저항을 가진 관은 일부 전압안정관으로 쓰이는 6C33 이나 6336 같은 관들 밖에는 없을 것이다.

 

그런데, 필자에게는 한가지 의문이 있다.  진공관 한개를 더하여 이런 정도의 이득이 있다면 하지않을 이유가 없어 보이는데 왜 초 3결 회로가 생각 같이 유행하지 않을까?  그리고 5극관을 흔히 하는 대로 3극관 결합으로 사용하는 경우와 비교했을 때 초 3결은 어떤 이득이 있을까 하는 점이다. 참고로  KT88 을 3결하여 사용하면 Mu=8, Gm= 12,000 마이크로 모, rp = 670 ohm의 상당히 훌륭한 3극관을 얻을 수 있다.  진공관 3정수 만으로 본다면 이것이 300B 보다 더 좋은 것 같다.  약간이나마 rp 도 더 낮고 Mu는 2배 이상 높아 드라이브 하기도 쉬울 것 같기 때문이다.  우리가 이 사이트에서 취급한 많은 칼라 TV용 수평 출력관들도 이 경우에 해당된다.

 

그런데, 안타깝게도 아무리 인터넷을 뒤져봐도 이런 비교를 한 사례는 찾을 수가 없었다.  대답을 얻기 위해서는 아쉬운 사람이 우물을 파는 수 밖에는 없어 보인다.  그런데 딱히 그리 아쉬울 것도없다.  그렇더라도 한번 시도를 해 보려고 하는데…  결과가 나오는대로 이 싸이트에 올려 보도록 하겠다. 혹시 이런 비교를 접한 사람이 있다면 이 싸이트에 올려주었으면 한다.