SS PP Amp with 6BS8

Single Stage (單段) PP (밀당: 밀고 당기고) Power Amplifier 제작기

  

얼마 전에 강 박사님과 전화 통화 도중 하나의 증폭단 만으로 구성된 메인 암프가 화제에 올랐었다. 흔히 암프라고 하면 1단 증폭만으로 구성된 암프는 거의 보지를 못했기 때문에 흥미를 느꼈다.  더구나 싱글도 아닌 PP 암프라면 위상반전 회로의 필요성 으로 입력트랜스를 사용하지 않는 한 1단 만으로 암프를 구성하기는 상당히 쉽지 않다.  그래서 회로를 요청했는데 이 싸이트에 올려 주시겠다고 해서 보여준 암프가 채널당 8개씩의 12AT7을 사용한 다께스에 가즈마씨의 8W 암프다.

왜 단단 암프인가?

필자가 단단 암프에 관심을 갖게 되는 이유는 단순한 호기심 때문 만은 아니다.  단단 암프는 가장 간단한 형태의 암프이기 때문에 관심이 가는 것이다.  정보 이론에 의하면 정보란 processing을 하면 할수록 정보에 손실이 발생한다고 한다.  증폭과정도 일종의 Processing 이기 때문에 암프에서 증폭단수를 늘리면 processing이 증가하는 셈이다.  이렇게 보면 원음에 포함되어 있는 음악정보는 1단 암프보다는 2단 암프가, 2단 암프 보다는 3단 암프에서 더 손실이 생긴다는 이론이 성립한다.

정보이론 (Information Theory)에서 수학적으로 정의된 정보의 양이 processing을 거치면서 줄어든다는 이론은 직관적으로 이해가 되지 않는다.  당장 그렇다면 왜 구태어 processing을 하는가 하는 의문이 생기기 때문이다. 다음의 비유가 이런 질문에 대답이 될 지 모르겠다.

여성들은 자신들을 예쁘게 보이기 위해 화장을 한다.  즉 자신들의 고유의 미모를 화장이라는 processing을 통하여 치장함으로서 변형시키는 것이다.  그러나 그 어떤 화장을 하더라도 자연적인 맨얼굴에 대한 정보를 훼손시킬 수 밖에 없다.  그러나 사용자(애인 혹은 남편?!) 들의 입장에서 보면 화장을 한 얼굴을 선호할 수도 있다. 정보도 processing 을 하면 본래의 정보량은 줄어들 수 있지만 사용자에게 편의를 제공할 수 있도록 processing을 하는 것이다.

이렇게 보면 단단 암프야 말로 가장 순수한,  그리고 원음의 정보에 대해 최소한의 손상을 주는 암프라할 것이다.

단단 암프의 설계 요건

단단 암프를 제작하는데 먼저 생각나는 요구 조건이라면 사용 진공관의 증폭율이 상당히 높아야 한다는 점일 것이다.  그 이유는 적정 수준의 입력감도를 실현하고 동시에 상당한 출력을 얻기 위해서는 출력트랜스 1차 코일에 상당한 전압을 유기시킬 수 있어야 하기 때문이다.

다음으로 내부 저항이 될 수록 작아야 한다는 점일 것이다.  내부 저항이 작으면 출력트랜스의 설계 요건이 완화된다.  또한 양극 손실이 어느 정도는 커야 한다.  실용적이 되기 위해서는 상당한 출력을 낼수 있어야 하는데 진공관 암프를 A급으로 동작시키는 경우 이론적인 효율은 최대 50%이지만 실제로 실현 할 수 있는 출력은 25%~40% 정도이다.  가령 8W 출력을 얻기 위해서는 20W ~30W 의 양극손실이 요구된다.

여기서 특기할 것은 강박사님이 지적한  대로 진공관 3정수에서 증폭율 만은 진공과의 고유 정수로 변경이 불가능하다는 점이다.  양극저항은 진공관을 다수 병렬 연결해 줌으로서 감소시킬 수있고 상호 콘닥탄스도 마찬가지로 증가시킬 수 있다.  양극손실도 마찬가지다.  이런 점을 고려한다면 단단 암프에 적합한 진공관 선택에 있어 증폭율이 가장 중요한 요소가 될 것이다.

그런데 거의 모든 출력관들은 증폭율이 매우 낮은 편이다.  대부분의 3극 출력관들은 증폭율이 10이하이다.  그 유명한 300B는 증폭율이 4가 채 안되고 내부저항은 대략 750옴 정도이다.  이 출력관으로 입력감도가 대략 1V정도의 단단 암프를 만들려면 출력관 그릿드에 요구되는 드라이빙 전압이 60~70V 정도이니 권수비가 대략 1:70정도가 되는 입력트랜스를 필요로 할 것이다.  불가능한 것은 아니겠지만 현실적으로 어렵다.   따라서 통상적인 출력관 만으로 단단 암프를 만든다는 것은 그리 실용성이 없어 보인다.

자, 이 시점에서 다케스에 가즈마씨가 선택한 진공관을 보자.  채널당 12AT7 8개를 사용하고 있는데이 관은 증폭율이 대략 60 정도다.  내부저항은 동작점에 따라 다소 변화가 있지만 대략  15KOhm ~ 11 KOhm 정도다.  8개를 사용했으니 출력트랜스에서 본 소스 임피던스는 (한채널의 한 위상의 경우: 15/8=1.875) 1.8KOhm ~ 1.6 KOhm 정도가 된다.  필자의 기준으로는 다소 높은 편이다.  언젠가 부터 필자는 출력관의 내부저항이 300B 보다 높다면  그 진공관은 내부저항이 높다는 편견을 가지게 되었다.

실제 회로에서 실현되는 이득은 일반적으로 증폭율 보다 낮다.  다께스에 암프의 경우 1.35V의 입력에 36.8V의 출력 전압을 얻고 있으니 이득은 27배 정도로 사용 진공관의 증폭율이  60인 것을 생각한다면 실현된 이득은 다소 낮다는 생각이 든다.  다께스에 씨는 입력단에 위상반전을 위한 입력트랜스를 사용하였고 1:2+2로 승압을 하고있어 입력감도는 충분히 좋은 0.65V 이다.  이 정도면 실용상 아무 지장이 없다고 보인다.

필자의 선택, 6BS8 (4BS8)

단단 암프에 대해 호기심 내지는 관심을 가지고 쟝크 박스에 보유하고 있는 관 중에서 적당한 관을 골라 보았다.  우선 충분한 숫자의 관이 필요한 관계로 선택의 폭은 그리 많지 않다.  여기서 선택된 진공관이 4BS8이다.

이 관은 본래 캐스코드 회로를 구성하여 컬러TV의 튜너에  사용되었던 진공관이다.  증폭율은 36으로12AT7에 비해 낮은 편이지만 내부저항은 5KOhm으로 현저히 낮다.  직선성은 확실하게 판단할 수는없지만 12 AT7에 비해 손색이 없다고 생각한다.  양극손실은 쌕션당 2W 정도로 12AT7 의 2.5W보다 약간 작다.

이런 종류의 관들은 여러가지가 있다.  우선 생각나는 것만으로 6BC8, 6BQ7, 6BZ7, 그리고 6KN8이 있다.  이 중에서는 6KN8이 증폭율 45(?) 정도로 가장 높다.  불행히도 나에게는 6KN8은 없고 4BS8은 충분한 숫자를 가지고 있다.  우선 아쉬운대로 4BS8으로 단단 암프 실험을 해 보기로 하였다.

여러 생각을 해 보다가 사용진공관의 갯수를 채널당 12개로 정해 보았다.  이는 사용할 전원부의 전류용량,  샤시의 크기 등을 고려한 결정이다.  사용 진공관이 쌍 3극관이니 한 채널의 한 위상당 12개의 3극관 쌕션이 사용되는 셈이다.  결과적으로 한 채널의 한 위상을 볼 때 12개의 3극관을 병렬 연결함으로서 증폭율 36, 내부저항(양극저항) 5000/12 = 416 Ohm, 양극손실 2W x 12 = 24W의 출력관이 얻어진 셈이다.  이런 진공관은 한 개의 진공관으로서는 현실적으로 존재하지 않는다.

다께스에 씨의 12AT7  암프와 비교했을 때 증폭도가 상당히 떨어지는 편인데 이는 입력트랜스의 권수비를 올려 주고 동시에 입력감도를 다께스에 씨의 0.65V에서 1V 정도로 낮추어 주므로서 해결하기로하였다.  다께스에 씨는 1:2+2의 입력트랜스를 사용했는데 비슷한 회로를 채용한다면 1:3+3의 입력트랜스가 필요하게 될 것이다.  이로서 대략 1V의 입력감도를 실현할 수 있다고 보이는데 입력 감도 1V는 사용에 전혀 무리가 없다고 생각한다.

동작점의 선택

다께스에 암프의 경우 12AT7 각 3극관 쎅션은 양극전압 300V, 양극 전류 5mA, 그릿드 바이어스 전압 -4V을 동작점으로 한 것으로 보인다.  이때 양극 부하는 출력트랜스 PP간 1차 임피던스가 5K ~ 6.7K 이고 개별 3극관 쌕션의 부하는10K Ohm ~ 13.4 K Ohm이다.  부하를 10 K Ohm으로 가정하면 각 3극관 쎅션에서 0.5W정도의 출력을 얻을 수 있는 것으로 보인다.  이 경우 암프 전체로서는 채녈당 16개의 3극관 쎅션이 있으니까 계산상으로 8W의 출력을 얻을 수 있게된다.

그러나 이 동작점은 만일 각 3극관 쌕션을 싱글로 동작시킨다면 정현파 출력파형이 심한 불균형을 보이게 될 것이다.  바이어스가 상당히 깊게 걸려 있어 그릿드가 -8V일때 거의 카트오프가 될 정도가 된다.  바이어스 전압을 -4V에서 -3V, 혹은 -2V로 낮추고 또한 과전류를 피하기 위해 양극 전압을 낮추어준다면 진정한 의미에서의 A급 동작이 가능하겠지만 이런 동작으로는 출력이 대폭 감소될 것이다. 실제로 다께스에 암프는 A급이라기 보다는 AB급에 가깝다.  물론 정현파 입력파형에서 출력관이 카트오프되는 경우는 없지만 개개 진공관의 출력파형에는 정현파의 상,하부가 심한 불균형이  생기게 되는데  전체 암프는 PP로 동작하니까 출력 파형은 대칭이 된다.

필자가 만들려는 4BS8도 같은 문제가 발생한다.  정현파 입력에 대하여 각 출력관의 출력이 비교적 대칭이 되도록 동작점을 잡아준다면 대략 개별 진공관 당 0.05W의 출력을 얻을 수 있고 채널당 12개 (3극관 24개)의 진공관을 채용하더러도 출력은 1.2W에 불과하다.  이 암프의 경우 히터 소비 전력만 60W나 된다.  양 채널 총 출력 2.4W를 얻기 위해 60W의 히터 전력을 소비한다는 것은 아무리 생각해도 채산이 맞지 않는다고 보인다.

각 3극관 부에 대하여 양극전압 200V 정도,  그릿드 바이어스 -4V, 양극전류 6mA 정도로 동작점을 잡아주고 부하저항을 15K Ohm으로 하면 3극관 쌕션 1개당 0.3W 정도의 출력을 얻을 수 있고 (앞에서 언급한 대로 순수한 싱글 암프를 가정할 경우  같은 동작점에서 얻을 수 있는 출력은 이보다 적다.  이는 PP동작의 경우에만 적용된다) 채널당 12개의 진공관을 사용할 경우 7.2W가 나오는 것으로 계산된다.  이때 출력트랜스의 PP간 1차 임피던스는 5K Ohm이다. 

실제 제작, 실험

먼저 전체 회로는 전원부를 제외하면 다께스에 씨의 12AT7회로와 동일한 회로를  시도해 보기로 하였다.  다께스에 씨의 전원회로는 전압안정 회로를 포함해서 복잡한 편인데 필자로서는 간단한 전원회로를 선호한다.

한편 출력트랜스는 전에 13GB5 싱글 용으로 감았던 것을 이용해 보기로 하였다.  필자는 출력트랜스를 감을 때 항상 싱글, PP 양용으로 쓸 수 있도록 중간 탭을 내 놓았기 때문에 이 점에서 아무 문제가 없다. 

문제는 입력트랜스이다.  입력트랜스도 감아 두었던게 있기는 하지만 권수비도 모자라고 실제 배선을해서 동작을 시켜 보니 매우 불만족 스러운 결과만 얻어졌다.  주파수 특성에서 진폭 특성은 그런대로 쓸만 한데 위상특성이 형편 없다:  시그널 제네레이터의 주파수를 서서히 바꾸어 주며 스캔을 해 보면 1KHz ~10KHz대에서 위상변이가 일어나는 것을 볼 수 있었다.  여러가지로 실험을 해 보았지만 만족할 만한 결과를 얻을 수 없었다.

다께스에 씨는 일제 탕고의 NN7(혹은 NN77)이라는 1:2+2의 입력트랜스를 사용했는데 이 트랜스가 이베이에 매물로 나와있었다.  그러나 한 쌍에 980불이 넘는 가격을 요구하기 때문에 그림의 떡일 뿐이다.  필자의 짱크 박스에 일본 TOA사 제품의 마이크 트랜스 한 쌍이 있어 권수비를 재 보니 1:3이었다. 문제는 이 트랜스에는 중간탭이 없고 다만 입력 스텝압 트랜스로만 사용이 가능하다.  따라서 PP암프를 위한 위상반전은 자체적으로 해결할 수 밖에 없게 되었다.

Floating paraphrase inverter

여러가지 위상반전 회로를 고려해 본 결과 소위 Floating paraphase inverter회로를 채택해 보았다. Quad II 암프에서도 비슷한 회로를 본 것 같은데 한 위상의 증폭 출력을 반대 위상의 증폭기에 입력시키는 식이다.  이 암프의 전체 회로도를 그림 1에 보였다.

여기서 캐소드가 공통으로 카플되어 있는데 발란스가 정확히 맞으면 캐소드 바이패스 커패시터(C2)는 필요하지 않다.  회로 설명을 보면 바이패스 시키지 않은 이 공통 캐소드 저항이 회로 동작의 안정성에 도움이 된다고 한다.  하여튼 회로가 매우 간단하고 위상 반전 기능이 각 증폭기의 게인에 영향이 없어 이 암프에는 매우 적합한 회로라고 생각한다.

한 채널의 한 위상을 고려하면 우선 양극 전류는 3극관 쌕션당 6mA로 전체 전류는 72mA가 되고 4V의 바이어스 전압을 위해서는 캐소드 저항이 4V/72mA=28ohm이 된다.  여기서 발란스가 이루어 지는 저항 값 (R2+R3)은 위상이 반전되는 증폭기의 이득 (계산상으로 27)과 양극 부하 저항, R4의 저항값(100K), R5의 저항값 (487K)으로부터 계산해 낼 수 있다.  이렇게 이론적으로 계산한 값은 대략 92K가되었다.

그런데 실제로 배선해서 동작시켜 보니 우선 양극전압이 상당히 부족하였다.  대략 200V정도는 얻을수 있다고 예상했었는데 175V정도 밖에는 나오지 않았다.  사용한 중국제 토로이달 트랜스가 생각보다는 내부 전압강하가 컸던 모양이다.  이 전원트랜스는 값에 비해 성능이 좋은 편이라고 생각한다. 무엇보다도 기계적 잡음이 상당히 작다.

바이어스 전압 4V 를 감해주면 실제 양극전압은 171V로서 설계치 200V에 비해 현저히 작다.  이런 이유로 캐소드 저항값은 28ohm에서 37.5ohm으로 증가시켰다.  피크 4V 의 입력전압을 인가하면 출력트랜스 1차 코일에 80V의 전압이 유기된다. 전압이득이 20배 정도가 된다는 말이다.  발란스가 최적으로 이루어지는 저항값 (R2+R3)은 계산치 92K에서 실측치 78K정도로 변경되었다.   양극전류도 3극관 쌕션당 설계치 6mA에서 4mA정도로 감소하였다.

입력트랜스를 설치하면 1V피크 입력에 출력트랜스 2차측에 설치한 4ohm 부하저항 양단에 5V 피크의 출력전압을 얻을 수 있다.  이때 출력은 5X5/(2X4) = 3.125W가 된다.  상당히 실망스러운 출력 감소이지만 양극전압을 200V혹은 그 이상으로 올리면 5W에서 7W정도는 얻을 수 있을 것 같다는 확신이 생겼다.  이는 물론 실험을 통하여 확인하는 절차가 남아있다.  

(계속)

 

이 암프의 전 회로도 입니다  진공관은 24개나 되지만 1단 증폭회로일 뿐입니다.

이 암프를 제작하는데에는 몇가지 주의가 필요하다.
그 중 하나가 부품 배치를 주의해야 한다는 점이다.
특히 출력트랜스와 전원트랜스는 서로 띄어 배치할 필요가 있다.
더구나 전원트랜스의 자속선과 출력트랜스의 자속선이 한 평면에 있도록 부품을 장착하면 험이 많이 들리게 될 가능성이 커진다. 자속선이 서로 직각이 되도록 한 트랜스는 뉘어 달고 다른 트랜스는 세워다는 것이 좋다.

보통의 암프에서는 큰 문제가 없지만 이 암프에서는 출력의 일부가 바로 위상반전 측 그릿드에 입력되기 때문에 약간의 마그네틱 카플링만 있어도 그 신호가 증폭되어 험이 나오게 된다.

현재 사진에 보이는 부품 배치는 험이 많아 변경하였다. 새 배치에서는 전원트랜스와 출력트랜스간의 간격을 크게하였고 입력트랜스는 크기가 작은 것으로 바꾸어 달았다.