조회 수: 1114, 2014-10-28 01:42:56(2014-10-07)
새로 포지그림 올렸는데 옛그림이 계속 나옵니다
일단 저에게있는 정보는 여러개로 분리해서 댓글로 다 올렸습니다 ----- KDK
GM70 Single 암프 제작기 KYJ
“A Poor man’s Ongaku Amplifier”
이 사이트에서는 상당 기간 동안 강기동 박사님의 주도아래 지금은 고인이 된 일본인 시시도 씨의 808싱글 암프 복각판에 대한 논의가 있어왔다. 그 결과로 몇몇 분들이 제작에 착수하였고 이미 시작품을 완성한 분도 계신다. 시시도 씨의 주장에 따르면 이 암프는 싱글 암프 중 가장 유행하던 300B 암프를 능가하는 음질을 가졌다고 한다.
필자도 808 암프에 관심이 없었던 것은 아니었지만 고가의 808을 구입하기가 어려워 포기하였었다. 그러던 중 구 소련제 대형관인 GM70의 존재를 인지하게 되었고 꿩 대신 닭이 될지는 모르겠으나 구입가격이 저렴한 GM70의 싱글 암프 제작을 생각해 보게 되었다.
필자가 808 암프의 대타로 GM70 암프를 염두에 두었을 때 처음 부터 여러가지 점에서 시시도씨의 808 암프와 대조적인 일본 오디오 노트사 곤도씨의 옹가꾸 암프를 떠 올린 것은 아니었다. 그 보다 필자는 다만 가장 간단한 구동회로단의 구성을 생각하고 있었다. 그러나 출력관을 GM70으로 정했을 때는 이를 구동하는데 필요한 요구조건은 충족되어야 하기 때문에 구동단을 간단하게 하는데에는 한계가 있을 수 밖에 없었다.
먼저 출력관의 부하를 8K 내외로 정하고 양극 전압은 800V 내지 900V, 양극전류를 100mA 내외로 설정한다면 그릿드에 필요한 구동전압은 대략 80V 피크 (160V pp)의 전압이 필요하다. 여기서 입력 감도를1V 피크로 한다면 구동단에서의 이득은 80배 정도가 되어야 한다. 이런 이득을 1단 증폭만으로 실현한다는 것은 불가능한 것은 아니지만 그리 용이하지는 않은 요구사항이다. 입력감도를 2V피크로 완화한다면 요구되는 구동단의 이득은 40배로 되어 1단 증폭만으로도 용이하게 실현 가능하다. 하지만 이와 동시에 160V pp의 전압 스윙을 얻기는 그리 쉽지 않아 보인다.
필자가 처음에 시도한 회로구성은 6KR8 (혹은 8KR8) 하나를 사용하여 그 5극관 부를 3결하여 초단 증폭에 사용하고 3극관부는 CF(캐소드 훨로워)로 결선하고 그 부하에 1:2 혹은 1:3의 카플링 트랜스포머를 사용하는 것이었다. 이런 구성을 생각하게 된 동기는 강기동 박사님이 제공해 주신 측정 결과 때문이었다. 강 박사님의 측정에 의하면 8KR8 5극관부는 3결하면 gm이 비교적 높고 내부저항이 작으며 상당한 증폭율을 갖는 417류의 진공관이 된다는 것이다. 바로 이런 점 때문에 이 진공관을 선택해 보았다. (잘 알려진 대로 417은 개당 $1,000.00을 호가할 정도로 매우 비싸다. 이 진공관은 같은 무게의 금 보다 비싸지 않을까?) 417 이 아니고 WE437A - kdk
한개의 진공관으로 이 대형 출력관의 구동단을 만들어 보자는 생각은 트랜스에서 2배 혹은 3배의 이득을 얻으므로서 초단 증폭단에서 요구되는 이득을 줄이고 입력 트랜스의 1차 임피던스를 낮게 잡을수 있도록 하여 입력트랜스의 제작을 용이하게 해 보자는 발상에서 출발했었다. 그러나 입력트랜스를 제작하여 실험을 해 보니 한가지 치명적인 문제에 봉착하였다. 제작한 입력트랜스가 1V정도의 낮은 전압레벨에서는 비교적 우수한 주파수 특성을 보였지만 수 V가 넘는 출력에서는 심한 찌그러짐이 발생하였다. 특히 저역에서는 100Hz가 넘어서야 찌그러짐이 완화되었는데 160V pp의 전압스윙을 얻기에는 역부족이었다. 필자가 사용한 코아는 SK50 R코아 였는데 아마도 더 큰 코아가 필요한 것으로보였다.
이로서 트랜스포머 카플링은 일단 포기하고 RC카플링으로 눈을 돌리게 되었는데 최종적으로 구성한 회로는 공교롭게도 곤도 상의 옹가꾸 암프 회로와 대동소이하게 되었다. 결과적으로 여러가지 측면에서 시시도씨의 808 암프의 복각판에서 시작하여 곤도 씨의 211 싱글 복각판이 된 셈이다.
옹가꾸 암프 회로는 초단 증폭에 쌍 3극관인 6072를 사용 하고 또 다른 쌍 3극관인 5687의 반쪽으로 전압증폭, 그리고 다른 반쪽은 CF (캐소드 훨로워)로 결선하여 211 출력관을 구동하는 구성이다. 여기서 6072의 반쪽은 CCS(정 전류원)로 구성하여 다른 반쪽의 부하로 쓰고 있고 이 초단 증폭과 그 다음 단의 증폭단은 직결로 되어 있다. 한편 5687의 반쪽으로 구성된 CF 구동단은 211 출력관에 직결되어 있고이 2단 증폭의 구동단과 출력관과 직결된 CF단은 은박으로 제작된 0.1 마이크로 카풀링 커패시터로 RC카풀링으로 결합되어 있다. 암프의 회로만으로 본다면 시시도 씨의 808 암프도 그렇지만, 옹가꾸 암프도 특이할 것이 없는 평범한 구성이다
필자는 구 소련제 진공관인 6C45 3극관을 초단 증폭에 채용하였고 옥탈 쌍 3극관인 6BL7 반쪽을 두번째 증폭관으로 사용하고 나머지 반쪽은 CF로 결선하여 GM70 출력관에 직결하였다. 초단과 두번째 증폭단은 직결로하여 이 직결된 2단 증폭단은 0.22 마이크로 캪으로 출력단과 RC카풀링으로 결합 하였다. 따라서 채용 진공관은 모두 다르지만 전체 구성은 옹가꾸 암프와 동일하게 되었다. 한편 곤도의 옹가꾸 암프에서는 B 전원에 5AR4 정류관을 4개 사용하고 있지만 필자는 실리콘 카바이드 다이오드를 사용하여 부릿지 정류회로를 구성하였다. 이런 구성은 정류관을 채용한 전원보다 레귤레이션이 우수하다고 보인다. 그리고 정류소자로 부터 나오는 노이즈는 크게 걱정할 필요가 없다고 본다.
처음부터 의도한 것은 아니었지만 결과적으로 필자가 제작한 GM70싱글 암프는 “Poor man’s Ongaku Amplifier” 라고 할만 하게 되었다. 잘 알려진 대로 곤도상의 옹가꾸 암프는 초고가 싱글 암프의 원조격으로 은박의 카플링 캪과 은선으로 감은 출력트랜스를 내장한 암프로서 6만불 혹은 8만불을 호가하는 암프다.
필자가 선택한 진공관 레이아웃은 모두 필자가 소장하고 있다는 이유, 혹은 값이 저렴하다는 이유가 우선적으로 적용된 선택을 하였던 것이 사실이다.
출력관으로 선택한 GM70은 구 소련제 진공관으로 그 양극손실이 125W로서 845(100W) 나 211(70W?)을 능가하지만 매우 흔하고 사용하는 사람들이 많지않아 상당히 저렴한 (개당 30불에서 50불 이내) 가격에 구입이 가능하다. 직선성에 있어서도 845나 211과 큰 차이가 없다고 본다. 한가지 단점이라면 필라멘트의 소비 전력이 20V, 3A로 60W나 되어 845나 211의 두배나 된다는 점일 것이다. 그렇지만 이런 점에서 양극에 흘릴 수 있는 최대 전류는 845나 211에 비해 크다고 보여진다. 이런 점을 고려한다면 가격이 싸다고 해서 이 진공관이 옹가꾸의 211 보다 못하다는 생각은 전혀 들지 않는다. 실제로 GM70은 211 보다 다소 더 큰 출력이 가능하다.
한편 GM70에는 양극 재료가 다른 두가지 형태가 있다. 하나는 양극에 그라파이트를 사용한 것이고다른 하나는 양극에 구리판을 사용한 것이다. 이 구리판 양극을 가진 GM70은 드믄 편이고 비교적 고가이다 (개당 $100.00 내외). 반면 그라파이트 양극의 GM70은 매우 흔하다. 어느 것의 음질이 더 좋으냐에 대하여는 갑론 을박이 있으나 결론이 나 있는 것은 아니고 필자로서는 이런 논의는 별 기술적 근거가 없어 보여 가격이 저렴한 그라파이트를 선택하였다.
필자가 선택한 다른 진공관들 또한 일차적으로 필자가 소장하고 있기 때문에 채택하기는 했지만 좋은선택 이라고 생각한다. 강기동 박사님이 보내 주신 6C45는 소련판 417이라고 간주되는 관으로서 gm이 높고 내부저항이 작은, 직선성이 좋은 관이다. 6BL7은 충분한 전압스윙이 가능한 것으로 보여 선택하였다. 여기에는 6SN7, 6BX7 등을 사용해도 무방할 것이다. 실제로 곤도상의 최근 제품인 가꾸라 211 파라 싱글 암프에서는 6SN7을 채용하고 있다. 그러나 GM70은 211에 비해 요구되는 입력 전압스윙이 더 크다. 이런 이유에서 필자는 6SN7 보다는 6BL7을 선호한다.
무엇보다도 중요한 출력트랜스에 필자는 R 코아 출력트랜스를 채용하기로 하였다. 이 출력트랜스는 자로단축의 SK600코아를 사용할 예정이다. 곤도 상은 C코아에 은선을 감았고 필자는 비록 동선을 감지만 R 코아를 채용하여 1회 권선의 평균 길이가 단축되어 직류 저항은 오히려 곤도 출력트랜스 보다 적게될 것이다.
필자와 같이 이 사이트에서 추진해 온 808싱글 암프를 제작해 보기 원하였지만 808을 구할 수 없어 포기한 분들에게 이 암프는 좋은 차선책이 될 것이라고 믿는다. 적어도 출력관이 저렴하여 제작 경비도 상당한 절감이 있을 것으로 본다. (대략 808 한개 값으로 GM70 4개를 구할 수 있을 것이다) 다만 전원부가 808 암프에 비해 복잡하고 따라서 이 부분에서 경비가 더 나겠지만 대신 비싼 입력트랜스를 피할수 있어 여기서 경비를 상쇄할 수 있다. 또한 출력은 25W 내지는 30W를 얻을 수 있어 808의 8W 혹은 10W에 비해 3배 이상이 된다.
설계 개념: Linearity, Linearity, Linearity !
미국에서 부동산 업자들이 흔히 입에 올리는 캐치 푸레이스 중에는 Location, Location, Location 이라는 것이 있다. 즉 부동산을 구매할 때 염두에 두어야 할 가장 중요한 요소는 Location, 즉 그 부동산의 위치라는 것이다. 같은 맥락에서 암프를 설계할 때 가장 염두에 두어야 할 요소를 든다면 주저없이 Linearity, Linearity, Linearity 라고 말하겠다. 즉 암프 입출력 특성의 직선도 (Linearity)가 가장 중요한 요소라는 것이다.
완벽한 직선성을 가진 암프가 있다면 모든 종류의 찌그러짐은 없을 것이다. 일부 오디오 팬들이 좋아하는 진공관 특유의 짝수 고조파도 발생하지 않는다. 그렇다면 이런 암프는 음질에서 따듯함이 사라질까? 그럴지도 모른다. 그렇지만 이런 암프는 혼변조도 사라지게 되어 모든 악기들이 동시에 소리를 낸다 해도 또렷히 구별이 가능할 것이다. 문제는 고조파 발생의 미캐니즘과 혼변조 발생의 미캐니즘이 같다는 점에 있다. 짝수건 홀수건 간에 고조파가 발생하는 암프들은 혼변조도 함께 발생한다. 혼변조를 없애면 고조파도 없어진다. 약간의 고조파는 남겨두고 혼변조만 제거할 수 있다면 좋겠지만 이는 물리 법칙에 어긋난다.
그러나 진공관 암프의 따듯한 음질(?)이 사라질까 걱정할 필요는 없다고 본다. 아무리 애를 쓴다고 해도 완벽한 직선성을 가진 암프는 이 간단한 싱글 암프로는 실현이 가능하지 않기 때문이다. 진공관 특유의 자승법칙 비 직선성은 항상 남아있게 되고 진공관 팬들이 좋아하는 따듯한 음질(?)은 유지될 것이기 때문이다. 그러니 그냥 눈을 감고 최대한 찌그러짐을 줄이는 노력을 해도 큰 문제는 없다고 본다.
여기서 아무런 전제가 없이 직선도를 가장 우선하는 암프를 설계한다면 물론 싱글 보다는 PP암프를, 무궤환 암프보다는 충분한 NFB를 걸어준 암프를 선택하게 될 것이지만 이번 GM 70싱글 암프에서는 싱글 암프에 무궤환 암프라는 대 전제를 이미 설정하고 출발하였다. 이 전제하에서 직선도를 최대로 하려는 것이다. 또한 과대한 NFB는 그 자체로 문제가 있고 비교적 가용 이득이 제한되어 있는 진공관 암프에서는 가능하지도 않다.
이런 전제라면 설계자가 선택할 수 있는 방도는 별로 많지 않다. 직선성이 우수한 진공관들을 선택하는 방법이 그 첫째일 것이고 이 선택된 진공관을 가장 직선성이 좋은 동작점을 선택하여 동작시키는 방법이 그 두번째일 것이다. 그리고 부하저항을 크게 하던가 아니면 CCS를 부하로 하는 방법도 적용해 볼만 할 것이다. 이 방법은 약간의 직선성 개선 효과가 있다. 한편 진공관의 입출력은 항상 그 위상이 반대가 된다는 점을 이용하여 초단 증폭관과 연이은 증폭관들의 궁합(?)을 잘 맞히게 되면 비 직선성이 상쇄되는 지독히도 운이 좋은 경우도 상정해 볼 수 있겠지만 인간 사회에서도 그렇듯이 이는 가능하더라도 일시적으로나 가능할 것이다. 사람의 마음도 시간에 따라 변하듯이 진공관 특성도 시간에 따라 변하기 때문이다.
여기서 필자는 흔히 쓰지 않는 “무데뽀” 방법을 시도하여 보았다. 즉 증폭단에서 양극의 부하저항을 될 수록 크게 하여 다소나마 직선성을 개선시키자는 것이다. 그렇다면 CCS를 채용하는 것이 한 방법일 것이지만 일반적으로 만일 부하저항을 양극 저항, rp의 10배 정도로 잡아준다면 그 효과에 있어서 진공관 혹은 솔리드 스테이트 CCS와 성능상에 큰 차이가 없다는 점을 상기하여 보다 간단한 방법, 즉 부하저항을 크게 잡는 방법을 적용하여 보았다. 그렇지만 이 방법의 효과적인 적용을 위해서는 요구되는 양극 공급 전압이 매우 높아지게 된다. 다행히 전원부에는 출력관에 공급할 900V 정도의 전원이 마련되어 있으니까 고압의 전원은 이미 해결이 된 셈이다.
회로 설명: 암프 회로
그림 1은 본기의 회로이고 그림 2는 전원부 회로이다.
초단은 매우 간단한 캐소드 접지 회로이고 캐소드 바이패스 캪은 생략하였다. 이런 방법은 이득이 약간 줄어들게 되고 출력 임피던스가 약간 상승하는 단점도 있지만 약간의 직선성 개선 효과도 있고 회로상에 나타나는 시정수를 한개라도 줄일 수 있는 이점이 있다. 한편 출력 임피던스의 상승이나 이득의 저하는 그 정도가 미미하여 이 암프에서는 전혀 문제가 되지 않기 때문에 이런 선택이 가능하다. 이런 부분 까지 본딸 생각을 한 것은 아니었지만 공교롭게도 곤도의 옹가꾸 회로에서도 초단 증폭관의 캐소드 바이패스 캪은 생략되어 있다.
처음 생각대로 한다면 초단관의 부하저항을 30K 이상으로 잡고 양극 전류를 20 mA, 바이어스 -1.5V, 양극전압 115V 내외로 하여 공급 전압을 무려 700V 정도로 하였을 것이다. 그러나 이 선택은 초단관의 부하 저항에서 소비되는 전력만도 12W나 되는 반면 직선성의 개선은 그리 크지 않을 것 같아 포기하였다. 실제 배선을 하여 실험한 결과 캐소드 저항 50옴, 양극 부하저항 20K, 양극 전류 13mA 내외, 공급 전압 약 400V내외로 잡아 좋은 결과를 얻었다. 6C45의 rp가 대략 1.2K 내외라고 하니까 20K 부하 저항이라면 10배가 넘는다.
초단 증폭과 연이은 두번째 증폭단을 직결로 하였기 때문에 두 진공관의 양극 공급 전압에는 상당한 차이가 나게 된다. 여기서 문제는 6BL7 의 캐소드 전압이 6C45의 양극 전압보다 6BL7의 바이어스 전압(약 20V 내외) 만큼 높아야 하기 때문에 양극 공급 전압이 초단관과 비슷하게 되면 부하저항에 걸리는 전압이 너무도 부족하게 된다는 점이다. 따라서 두번째 증폭관의 양극 전압은 출력관에 공급 되는 900V 로 부터 따오게 되었다.
구체적으로는 5K의 저항과 150마이크로 캪 두개를 직렬로 사용한 디카풀링 회로를 구성하여 대략 700V내외의 전압을 마련하여 공급하였다. 여기서 6BL7의 양극 전류를 대략 10mA정도로 잡았으니 캐소드 저항은 15K 내외가 되었고 이는 220마이크로 캐미콘과 10 마이크로 필름 캪으로 바이패스 해 두었다. 여기서도 양극 부하저항은 25K로 잡아서 이런 류의 암프로서는 높은 편이다. 참고로 6BL7의 rp는 2.15K로서 이곳 역시 부하저항이 양극저항의 10배 이상이 되었다.
2단 증폭의 출력은 0.22 마이크로의 카플링 캪으로 출력단의 캐소드 훨로워에 결합된다. 여기서 6BL7의 다른 3극관부로 구현된 캐소드 훨로워는 GM70출력관에 직결되어 있다. 이 직결회로를 구현시키기 위하여는 캐소드 훨로워단의 캐소드 전압이 대략 -80V 내외의 GM70 출력관의 바이어스 전압이 되도록 전압을 배분해야 하다. 동시에 캐소드 부하저항에 충분한 전압이 걸리도록 해야 충분한 전압스윙이 가능할 것이다. 이 캐소드 부하 저항에 적어도 300V내외의 전압이 걸리도록 하려면 캐소드에 공급해야할 네가티브 전압은 대략 380V 내외가 필요하다. 여기서도 양극 전류는 10mA내외로 잡아주어 캐소드 부하저항을 33K로 정했다.
캐소드 훨로워에 공급되는 양극전압은 동작점에 필요한 양극-음극(캐소드)간의 전압이 공급될 수 있도록 정해주어야 한다. 동작점에서의 양극-음극간 전압을 대략 300V정도로 잡아주면 공급전압은 이 전압에서 GM70의 그릿드 바이어스 전압을 빼 준 만큼의 전압이 될 것이다. 여기는 대략 220V 내외의 전압이 필요하다. 이 전압은 초단관의 양극 공급 전원으로부터 디카플링 회로를 통하여 강하시켜 공급하였다.
캐소드 훨로워의 바이어스는 -400V 전원에서 볼트에이지 디바이더로 분할하여 380K의 그릿드 저항을 통하여 공급하였다. 여기서 그릿드 리크 저항으로 사용한 380K라는 저항값은 그리 큰 의미는 없다. 다만 카플링 캪과 콤비로 또 다른 시정수가 형성되고 로우패스 필터의 역할을 하니까 카트오푸 주파수를 생각해 주어야 할 것이다. 대략 500K 이하,300K 이상 이라면 적당하다고 본다.
출력관 회로는 설명이 필요하지 않을 만큼 간단하다. 양극회로는 출력트랜스 1차 권선을 통하여 900V 내외가 공급되고 그릿드는 캐소드 훨로워 단의 캐소드에 직결되어 있다. 휠라멘트는 통상적인 회로로서 2개의 100옴 저항을 통하여 접지되는데 다만 양극 전류 측정을 위해 10옴 저항이 삽입되어 있다. 이 10옴 양단에 1V가 걸린다면 양극 전류는 대략 100mA가 된다. 여기서 한 가지 유의할 것은 바이어스 전압을 계산할 때 휠라멘트 회로에 삽입된 2개의 100옴 저항과 전류 계측 목적을 위해 삽입된 10옴 저항이 합해서 60옴 정도의 캐소드 저항으로 작동하니까 이에 따른 전압강하를 반드시 바이어스 전압 을 계산할 때 반드시 포함시켜야 한다는 점이다. 양극 전류가 100mA라면 여기서 발생하는 전압강하 만도 6V가 되는데 이는 무시 못할 수치이다.
마지막으로 이 암프에는 지연 릴레이를 장착하였다. 지연 릴레이를 사용하여 A전원이 공급된 후 대략 12초 후에 B전원이 공급되도록 하겠다는 것이 설계 당시의 의도였다.
전원부 회로
전원부 회로는 복잡한 듯 보이지만 이는 요구되는 전압이 다양하기 때문이고 회로 자체는 간단하다. 이 암프에는 모두 5종류의 전원이 필요하다. 900V정도의 고압 B 전원, 400V 정도의 저압 B 전원, -400V정도의 바이어스 전원 그리고 출력관 휠라멘트에 공급할 20V, 3A, 드라이버단 히터 전원 6.3V, 3A. 여기에 시간 지연용 릴레이에 필요한 DC 12V 전원 까지 포함시킨다면 총 6개의 전원부가 있는 셈이다.
고압과 저압 B 전원은 실리콘 카바이드 정류기로 구성한 부릿지 정류기를 사용하였고 -400V의 바이어스 전원은 역시 실리콘 카비이드 정류기 2개를 사용하여 배전압 정류를 하였다. 20V 와 6.3V, 두개의 A 전원은 모두 실리콘 부릿지 정류기를 채용하여 직류 점화를 하였다.
사용한 트랜스가 주문품이 아니고 기성품이기 때문에 필요한 전압을 얻기 위해서 약간의 변칙적인 방법이 필요하게 되었다. 먼저 B 전원용 트랜스는 350V X2, 6.3V 3A X2 가 나오는 트랜스인데 여기에 추가하여 18V, 4A x 2의 A 전원 트랜스를 사용하였다. 이들 트랜스로 고압 B, 저압 B, 6.3V, 20V가 해결 되었지만 -400V가 문제였다. 여기서 요구되는 전류는 10MA 내외로 비교적 작기 때문에 작은 용량의 6.3V 트랜스를 역으로 결선하여 이 문제를 해결하였다.
미국에서 쓰이는 소형 6V 트랜스는 1차가 115V 이기 때문에 적합하지 않고 1차가 220V 인 한국산 트랜스가 이 용도에 적합하다. 2차를 1차로, 1차를 2차로 사용하여 220V를 얻은 다음 이를 배전압 정류하여 400V 내외의 전압을 얻었다. 400V 내외의 저압 B 전원은 고압B 전원의 부산물로 얻을 수 있다. 다만 추가적인 평활 회로만 만들어 주면 된다
이렇게 기성품 트랜스를 채용한 관계로 시간 지연 릴레이를 원래의 의도대로 적용하는 것이 가능하지 않게 되었다. A전원과 B 전원을 별도의 트랜스를 사용하여 얻게되면 B전원 트랜스의 1차측을 시간지연 릴레이로 스위치해 주면 되지만 여기서는 이것이 불가능하다. 결국 시간 지연 릴레이는고압 정류회로의 그라운드 결선을 스위치 해 주는 방식으로 적용하였다.
이렇게 해 놓고 보니 전원 스위치를 넣는 순간 진공관들이 점화 되고 동시에 출력관에 대략고압 B 전원의 절반 정도의 전압이 걸린다! 그렇지만 전류는 흐르지 않는다. 그라운드 결선을 끊어주었는데도 전압이 걸리는 것이 이상하다고 보이지만 정류회로를 유심히 살펴보면 이해가 될 것이다. 전압이 걸리는데도 전류가 흐르지 않는 것은 동시에 -400V가 출력관 그릿드에 인가되어 출력관을 카트 오프 시키기 때문일 것이다. 이로서 만족스럽지는 못하지만 부분적으로나마 시간 지연 릴레이가 역할을 하고 있다고 보여진다.
조립(Packaging)
대부분의 암프는 아래가 열려있는 상자 모양의 샤시 위에 진공관과 트랜스류나 다른 대부분의 덩치 큰 부품들을 장착하고 저항과 캪등의 작은 부품들을 샤시 밑비닥에 장착하여 배선하는 형태로 만들어 진다. 이런 구조는 손쉽고 효과적이다. 그러나 이 암프에서는 이런 구조라면 볼품이 없을 것 같다. 그 이유는 전원 트랜스에 토로이달을 채택하였고 출력 트랜스에는 R코아를 채택하여 통상적인 암프의 모양이 나오지 않는다. 더구나 출력관은 장대한데 드라이버단의 진공관은 상대적으로 크기가 작아서 같은 샤시에 장착하면 볼품이 없을 것이라는 생각이 들었다.
이런 이유로 이 암프는 좀 덜 전통적인 방법으로 조립을 시도하여 보았다. 문제는 전체가 균형이 잡힌 모양이 되도록 하면서 또 한편 조립 후 측정이나 수리가 용이하도록 해야 한다는 점이다. 통상적인 샤시형 암프는 수리를 할 때 암프를 뒤집어 놓고 샤시 카버를 제거하면 후 모든 배선과 부품에 접근이 가능하니 수리나 조정이 비교적 용이한 편이다.
이 암프 에서는 이 통상적인 샤시를 뒤집은 다음 진공관 소켓을 반대로 장착하는 형태를 시도하여 보았다. 이런 형태에서는 모든 부품들이 샤시의 안쪽에 장착되고 배선들은 샤시 겉면에 노출되는 형태가 된다. 따라서 부품 교체는 다소 불편하지만 측정이나 수리를 위한 점검은 편리한 장점이 있다. 또 다른 잇점은 모든 부품들이 샤시의 내부에 장착되기 때문에 볼품 없어 보이는 부품들을 가려줄 추가적인 하드웨어, 즉 트랜스 박스 등등이 필요하지 않다는 점이다. 암프 상면에는 다만 진공관만 보일 뿐 다른 모든 부품들은 샤시 내면에 감추어져 있게 된다. 한편 암프 외관은 목제나 금속제의 상자로 덮어 씌운 형태가 된다.
이런 형태는 폭 5인치 길이 14인치의 철판을 밑판으로 사용하고 그 위에 6인치 높이로 “ㄱ”자 형태의 알루미늄 앵글을 사용하여 틀을 만들었다. 입출력 단자, 전원 소켓을 장착한 후면도 역시 폭 5인치 높이 6인치의 알류미늄 판으로 만들었다. 이 틀의 내부에 고압 전원 트랜스, 출력관 필라멘트용 토로이달 트랜스, 고압용 쵸크, 두개의 50 마이크로 600V 필름 캪, 그리고 R코아 출력 트랜스 들을 장착하도록 하였다.
그림 3에 암프 외관을 보여준다. 그림 4는 외관을 벗긴 상태를 보여 준다. 여기서 보이는 대로 암프의 각 부분은 모듈화하여 각각 독립된, 작은 크기의 회로기판에 구현하였다. 상부에는 초단관과 증폭단, 그리고 캐소드 훨로워 단을 포함한 암프 구동단이 4인치 x 6인치 크기의 회로 기판에 구현되어 있고 측면에는 고압 정류밎 그 여과회로, 저압 여과 회로, 바이어스 전원 정류 및 여과 회로, 두개의 A전원 정류 및 여과회로용 회로 기판들이 장착되어 있다.
조정 및 시운전
요구되는 전압이 6가지나 되어 전원부는 번거롭지만 이 암프의 회로는 매우 간단하다고 할 수 있다. 그래서 전원부의 정상적인 동작을 확인 한 후에는 별다른 문제에 봉착하리라고는 예상하지 못하였다. 하여튼 일단 출력 트랜스를 감기 전이라서 전에 36LW6 싱글 암프에 사용하였던 츨력 트랜스를 임시로 차용하여 암프를 동작시켜 보기로 하였다.
그러나 일단 전원을 켠 후 필자가 처음으로 봉착한 문제는 툿, 툿, 툿,…정말로 느리게 지속되는 모타 보트의 소리였다. 출력관 양극 전류를 재기 위해 설치해 둔 전류계가 춤을 춘다. 한편 출력관 양극의 공급 전압도 900V여의 정격전압이 500V이하로 까지 급감하며 전압계의 바늘이 춤을 춘다. 무엇이 잘못 되었을까?
모타 보팅을 포함한 일종의 기생발진들은 어떤 형태의 궤환이 일어날 때 발생할 수 있다. 한편 전원부의 내부저항이 충분히 낮지 않으면 리턴 패스를 마련해 주는 전원부의 내부 임피던스가 컴먼 부하가 되어 궤환 통로를 마련해 줄 수도 있다. 그러나 이번에는 그런 문제로 보이지 않는다.
이런 문제에 봉착하게 되면 우선 현상을 정확히 파악하고 이에 따른 원인 규명을 한 후 원인을 제거하는 조치를 취하는 것이 정석이다. 이번 세월호 사태와 같이 쓸데 없는 트집을 잡아 본질을 벗어나면 해결책이 없게 된다. 먼저 출력 단자에 스코프를 연결하고 출력 파형을 관찰하였다. 역시 예상대로 막대한 진폭을 가진 톱날 모양의 파형이 관찰 되었다.
결국 문제는 케소드훨로워 회로로 부터 시작된다는 것을 발견하였다. 처음 시도한 회로에서는 캐소드 훨로워 33K 부하저항을 2K저항과 31K 저항을 직렬로 하여 만들어서 중간 탭을 내고 이 탭에 380K 그릿드 저항을 연결하여 셀프 바이어스를 구현 하였었다.
이런 구성이 모타 보팅의 원인이 될 수 있다는 점을 이해하려면 RC카풀링 회로의 동작을 정확히 이해하여야 한다. 통상적으로 RC 카풀링 회로에서는 전원을 켰을 때 C가 충전되고 이 충전된 상태가 유지되어야 한다. 보통의 회로에서는 카플링 캪이 연결 되어 있는 다름 한 끝인 그릿드 리크 저항은 접지되어 있고 카플링 캪의 다른 한 끝은 전단의 양극 전압이 걸려 있어 충전상태가 큰 변화가 없이 지속적으로 유지된다. (이 경우에도 그릿드 리크 저항 값이 너무 작다면 카플링 캪이 완전히 충전되지 않을 수도 있을 것 같다.)
그러나 이 암프의 회로에서와 같이 두개의 독립된 전원이 연관되어 있을 때에는 카플링 캪의 충전상태가 교란될 수 있다. 카풀링 캪의 한 끝의 전압 레벨이 변화하면 충전상태가 바뀌어 충, 방전이 되풀이 될 수 있고 이에 따라 그릿드 전압이 바뀌고 그릿드 전압이 바뀌면 양극 전류가 바뀌게 되어 발진과 비슷한 현상이 생기는 것이다. 이런 경우는 궤환에 의한 발진이 아니다.
이 암프의 회로에서는 카풀링 캪의 한 끝은 전단의 양극에 연결되어 있고 다른 한 끝은 -400V의 전원에 연결된 캐소드 훨로워 부하저항의 탶을 사용하고 있었다. 따라서 내부 임피던스가 비교적 높은 -400V 전원의 전압이 캐소드 훨로워에 양극 전류가 흐르기 시작하면서 전압 강하가 일어나는 모양이다. 이렇게 되면 카플링 캪의 충전 상태가 변화하게 되어 충, 방전이 일어날 수 있게 된다.
이 모타보팅의 문제는 캐소드 훨로워의 셀프 바이어스를 현 회로와 같이 고정바이어스로 변경해 주니 사라졌다. 일단 별 문제가 없어 보여 약 20여분 동안 음악을 들어 보았다. 그런데 출력관의 양극이 벌겋게 달아 오르는 것이 아닌가? 출력관의 양극 전류는 200m를 넘겼는지 풀 스케일 200mA의 메타 바늘이 오른 쪽 끝을 때리고 있고 전압은 700V 이하로 강하한 상태다. 얼른 전원을 끄고 생각해 보았다. 흠… 또 무엇이 문제인가?
처음에는 캐소드 훨로워로 사용한 6BL7이 소위 “thermal run away”를 하고 있는 것이 아닌가 라고 생각하였었다. 전원을 켜고 출력관 그릿드 전압을 관찰하여 보면 그릿드 전압이 점차 떨어지는 (즉 풀러스 방향으로 증가하는) 현상이 관찰되었다. 출력관 그릿드는 캐소드훨로워의 캐소드에 직결되어 있으니 양극 전류가 증가하면 캐소드 전압이 증가하게 되는 것이다. 그러나 진공관을 2개 이상 교체해 보아도 이 현상은 그대로 지속되었다.
결국 문제는 처음 카풀링 캪으로 사용한 0.47 마이크로를 0.22 마이크로로 교체하니 해결되었다. 여기서 유의할 것은 카풀링 캪에는 적어도 600V이상이 걸리기 때문에 충분한 내압의 캪을 사용해야 한다는 점이다. 그러나 먼저 사용했던 0.47마이크로가 내압이 부족해서 생긴 문제는 아닌 것으로 보인다. 확실하게 이해할 수 없는 이유로 0.47 마이크로 캪을 사용했을 때는 캐소드 훨로워의 그릿드 전압이 매우 천천히 상승하였다. 처음 60mA 정도로 시작한 출력관의 양극 전류가 5분여가 경과한 후 두배가 넘는 150mA로 증가하였다. 캐소드 훨로워의 그릿드 전압은 -80V 정도로부터 -55V 정도로 상승하였다.
근본적으로는 카풀링 캪 양단에 두개의 독립된 전원이 사용되고 있고 이 독립된 전원의 레귤레에션이 서로 달라 부하의 변화에 따른 전압강하가 달라져서 카풀링 캪의 충전 상태가 교란되어 생기는 일로 보인다. 처음 모타 보팅이 생겼던 이유와 유사한 상태가 지속되고 있는 것이다. 다만 그 주기가 엄청나게 길어졌을 뿐이다. 따라서 카플링 캪과 그릿드 저항의 시정수를 적절히 바꾸어 줌으로서 이런 문제를 피할 수 있는 것으로 보인다.
그런데 아마도 옹가꾸 암프를 만든 곤도상도 비슷한 문제로 골치를 썪였던 모양이다. 옹가꾸 암프 회로에서는 캐소드 훨로워의 바이어스 전압을 본기에서와 같이 네가티브 전원에서 볼트에이지 디바이더를 사용해 감압시켜 사용하고 있는데 특이한 것은 볼트에이지 디바이더를 이중으로 사용하고 있다는 점이다. 옹가꾸 암프의 카풀링 캪은 0.1 마이크로이고 그릿드 저항은 510K이다. 그런데 볼트에이지 디바이더를 이중으로 썼다고 해서 네가티브 전원의 전압 변화를 더 잘 격리시켜 줄 수 있을까? 그런 생각은 하기 힘들다. 왜냐하면 저항은 메모리 레스 디바이스이고 그 어떤 전압변화도 즉시로 전달되기 때문이다. 본기에서는 단 한개의 볼트에이지 디바이더 만을 사용하였지만 현재로서는 아무 문제가 없다.
이런 골치 아픈 과정을 통해 암프의 정상적인 동작을 확인 하였다. 이 단계에서 2단 증폭기로 구성된 구동단의 출력 전압을 첵크하여 보았다. 즉 카풀링 캪의 그릿드 쪽, 출력관과 직결된 캐소드 훨로워 그릿드에 인가되는 구동단 출력 전압을 관찰해 보았다. 의도한 대로200V 정도, 즉 400V pp의 전압 스윙을 관찰할 수 있었다. (이런 정도라면 845의 구동단으로 써도 충분해 보인다) 이 때의 입력 전압은 0.6V 피크 정도로 입력 감도가 너무 높아 보인다. 최대 1V 피크의 입력 감도를 구현하자는 것이 원래의 의도였는데 이 보다 구동단의 증폭율이 너무 높은 편인 것이다. 실상, 이런 높은 전압 스윙에서도 정현파형의 포화는 관찰되지 않았다. 출력관은 이 구동단 출력의 일부 만을 사용하게 될 것이므로 전 출력 상태에서도 비교적 찌그러짐이 없는구동 입력을 사용하게 되는 셈이다. 따라서 암프 출력은 순전히 출력관 내에서의 포화현상에만 달리게 되었다.
출력단 동작
임시 출력트랜스를 결선한 상태에서 출력관의 약극 전류를 70mA 정도에 맞추어놓고 출력을 재 보았다. 이 때의 양극 전압은 대략 920V 내외 였고 8옴 부하일 때 20V 피크의 깨끗한 파형을 관찰 할 수 있었다. 이는 출력이 25W라는 말인데 이때 양극 입력은 65W가 채 되지 않으니 38% 이상의 양극 효율을 구현하고 있는 셈이다. 그러나 사실은 출력 파형은 22.5V 피크 까지도 크게 포화되지 않는다. 그러니 이 암프의 최대 출력은 30W 라고 해도 무방하다.
한편 이 동작점에서 20V 피크 출력시 정현파의 상, 하는 약간 비대칭이다. 상부가 20V 일때 하부는 19.5V 로 0.5V의 비대칭이 관찰 되었다. 이 때 암프의 내부 임피던스를 측정해 보니 대략 1.3옴 정도가 되었다. 이는 무궤환 암프에서 통상적으로 관찰되는 수치이다.
이 상태에서 음악을 몇곡 들어 보았는데 어느 순간에는 꽤 들을만 하다가 다른 순간에는 음질이 썩 마음에 들지 않았었다. 동작점을 양극 전류를 늘리는 방향으로 다시 잡아 보았다. CF단의 바이어스 회로에서 100K와 33K로 형성된 볼트에이지 디바이더(전압 분배기)의 33K 저항 양단에 480K 저항을 병렬로 연결함으로서 CF단의 동작점을 바꾸어 주었다. 480K저항 2개를 병렬로 연결해 주니 출력관 양극 전류가 80mA로 증가 하였고 양극 전압은 900V채 되지 않았다. 이 동작점에서는 20V피크의 출력전압도 상당히 정확히 대칭의 정현파를 관찰할 수 있었다.
선입관이 작용해서 인지는 모르겠으나 이 새로운 동작점에서 음악을 몇곡들어 보니 상당한 음질의 향상이 있는 것으로 느껴졌다. 필자의 경우 음질에 대한 느낌은 음원에 따라, 감상하는 곡에 따라 동일한 암프와 스피커에 대하여도 상당히 다르게 느껴지는 경우가 많았다. 따라서 출력관 동작점을 약간 이동시켰다고 해서 음질이 많이 달라진다는 주장은 설명하기 어렵고 그런 주장을 하고 싶지도 않다.
그러나 이 새로운 동작점에서 동일한 곡들을 다시 들어 보니 상당한 음질의 개선이 느껴진 것이 사실이다. 따라서 일단 동작점 조절은 여기서 마치도록 하였다. 대형관 암프들의 제작기사를 보면 어떤 제작자는 구동단회로에서 몇 개의 0.5W 저항들을 탄탈룸 저항으로 교체하고나니 음질이 확 달라졌다는 주장을 하고 있다. 이런 주장이 얼만큼의 기술적 근거가 있는지는 알려진 바 없다.
필자가 느낀 몇가지 경향
이 암프는 아직도 진행형이다. 출력트랜스 설계 제작이 남아 있고 우선 모노불럭으로 한 챤넬만 제작하였으니 다른 챤넬도 만들어야 한다. 그러나 그러자면 상당한 시일이 지나야 할것 같아 우선 이 시점까지의 진행사항과 그 동안 가졌던 느낌을 여러 동호인들과 나누어 보고자 한다.
대형관으로 만든 싱글 암프는 약간은 독특한 음질이 있다는 느낌을 받아 왔고 이번 GM70 싱글 암프도 예외가 아니라는 느낌을 받는다. 이런 느낌은 실제 측정결과와 큰 상관 관계가 없는 것이 사실이다.
지금 까지 만들어 본 싱글 암프 가운데 주파수 특성이 가장 넓게 측정된 암프는 13GB5 4개를 별렬로 해서 만든 싱글 암프다. 이 암프는 저역도 20Hz 이하도무난하고 고역도 60 혹은 70 KHz까지도 평탄하다. 물론 음질도 우수하다. 반면 트랜스 결합을 사용한 845 싱글은 1KHz 방형파 출력에서도 약간의 링잉이 관찰 될 정도로 주파수 대역이 좁다. 그러나 실제 음악을 들어 보면 고역이 부족하다는 느낌은 들지 않는다. 이런 결과는 인터넷 상에서 볼 수 있는다른 제작자들의 경험담에서도 나타난다.
이번 GM70 싱글에서는 입력트랜스를 사용하지 않았지만 임시로 사용중인 출력트랜스의 특성이 신통치가 않아 20KHz 정현파도 상당한 감쇄가 있는 것을 관찰할 수 있었다. 또 한가지, 이 임시 출력트랜스는 과거 36LW6 싱글에 사용하던 출력트랜스다. 그런데 같은 트랜스지만 36LW6를 출력관을 썼을 때와 비교해 보면 GM70의 경우가 괄목할 정도로 주파수 대역폭이 좁아졌다. 이는 저역, 고역 공히 나타나는 현상이다.
그 이유는 아마도 두 출력관의 내부저항 값의 차이에서 오는 것 같다. 36LW6는 3결하였을 때 내부저항이 650 내외로 작은 편이다. 반면 GM70은 정확한 값은 기억에 없으나 대략 2.5 K정도로 기억하고 있다. 이는 36LW6에 비해 거의 4배 정도가 되는 수치이다. 필자는 내부 저항이 비교적 높은 대형관들은 출력트랜스가 매우 좋아야 한다는 경험을 해 왔다. 즉 이런 내부저항이 비교적 높은 관들은 출력트랜스의 성능에 매우 민감하다는 것이다.
그러나 GM70은 내부저항이 845 보다는 높지만 211보다는 작다. 이 점에서 이 Poor man’s ongaku amplifier를 제작하는데에 있아서 GM70이란 출력관은 별 큰 약점은 없다고 보인다. 이 암프로서 곤도 상의 8만불 짜리 옹가꾸 암프에 감히 도전장을 내 볼수도 있지는 않을까? 마치 이 사이트 회원들이 만든 808 암프로 시시도 씨의 암프를 능가하려는 도전정신을 갖는 것처럼.
하여튼 본기는 완성까지 상당한 시일이 더 요구될 것 같다. 이후에 더 진전이 되는대로 이 싸이트에 제작기사를 올려볼 것이다.
(1부 끝)
완성한Amp 사진 여기로 옮겨 왔습니다. -KDK
지난번 제작기사를 올릴 때는 외관이 전혀 준비되지 않았었다. 아직도 측면 파넬을 부착하지 않았지만 외관에 대한 원래 설계 아이디어를 보이기 위해 사진을 올려본다. 원래는 전면에 전류계를 장착할 예정이 없었고 따라서 측면 파넬도 목제로 영구 부착을 하도록 할 생각이었지만 메터를 장착하는 것으로 계획이 변경되어 측면 파넬을 탈착 가능하도록 하였다. 측면파넬을 다공 처리가 된 알루미늄 판을 사용할 생각이다.
사용한 목재는 도토리 나무인데 호두나무나 티크 혹은 에보니 등 다른 고급 목재로 하면 더 좋을 것 같다.
