13GB5 X 8 PP 암프의 설계 제작

 

설계 개념:

국제 표준 IEC 60268 에 나온 암프 성능 규격을 본 적이 있다.  이에 따르면:

 

주파수 특성 20Hz/20KHz, +- 0.5dB이내,

전 고조파 찌그러짐 전 주파수 대역에서 0.2% 이내,

 혼변조 찌그러짐 0.3% (50Hz, 7KHz ,4:1)이내,

신호대 잡음비 80 dB 이상,

 채널간 불균형 2 dB이내,

채널 분리도 40dB이상,

그리고 출력은 10W이상으로 규정되어 있다. 

 

이런 성능 표준은 개인이 취미삼아  만든  암프로는 달성하기 어려운 것이 사실이다.  특히 이런 성능을 부궤환 등 별 특별한 회로 기술의 기교를 동원하지 않고 달성한다는 것은 매우 지난한 일로 생각된다.

그런데 아마츄어로서도  모든 면에서 불리한 것만은 아니다.  상업적 제조회사들의 제약조건이 아마츄어에게는 해당되지 않거나 쉽게 피할 수 있는 부분도 분명 존재한다도 생각된다.  진공관 암프의 발달사를 보면 초기에는 직선성에 중점을 두어 개발했지만 점차로 효율과 출력을 강조해 나갔다고 보인다.  초기에 개발된 진공관들은 직선성이 매 우 좋다.  300B등 직열형 3극관들은 대부분 초기 개발 관들이다.  그후 보다 능율적인 5극관과 빔관들이 개발되면서 오디오 제조회사들은 출력경쟁에 들어선다.

 

오디오를 취미로 하는 분들 중에서는 미신이 많은 것 같습니다.  가령 CD의 레이블 면 가장자리를 초록색 마크 펜으로 칠해두면 음질이 향상된다는 주장 같은 미신 말입니다.  어떤 황금 귀를 가진 오디오 마니아는 볼륨 콘트롤의 가변저항기 음질을 구별할 수 있다고 주장합니다.  현재로는 이미 소규모 산업이 된 스피커 케이불도 사실은 기술적 근거가 별로 없다고 봅니다.

이런 황당한 주장들 혹은 믿음보다는 그 정도가 아주 덜 하지만 특정한 출력관에 대한 집착도 기술적 근거보다는 심리적 영향이 크다는 생각이 듭니다.

 

진공관 시대가 저물고 트랜지스터 시대가 도래할 즈음 일본 오디오 거장들이 들고 나온 것이 DHT 싱글 암프였습니다.  그 이후 몇 십년간 DHT 싱글 암프는 세계적으로 거의 종교 수준의 추종자들이 생겨났습니다.  DHT, 즉 직열형 3극관을 출력관으로 사용한 암프들은 일반적으로 소리가 부드럽게 들리고 좋습니다.

 

그런데 직열 3극관  암프들이 소리가 좋은 데에는 기술적인 이유가 있습니다.  진공관 발달 과정에서 비교적 초기에 개발된 직열형 3극관들은 일반적으로 직선성이 우수하고 내부저항 (양극저항)이 비교적 작습니다.  직선성이 좋으면 고도의 회로기술을 적용하지 않고 간단한 회로 만으로 찌그러짐이 적은 암프를 만들 수 있고 내부저항이 적으면 출력트랜스 설계가 용이해 집니다.

암프의 저역특성은 거의 출력트랜스의 1차 인닥탄스에 의해 결정되는데 출력트랜스의 입장에서 소스로 작용하는 출력관의 내부저항이 작게되면 주어진 저역특성을 실현시키기 위해 요구되는 인닥탄스가 작아집니다.  따라서 필요한 권선수가 작아지고 동시에 누설인닥탄스나 선간 부유용량이 작아져서 고역특성이 개선되고 대역폭을 크게할 수 있습니다.

 

이런 기술적인 이유로 직열형 3극관 싱글 암프는 간단한 회로 만으로 상당히 우수한 성능의 암프 제작이 가능하고 초보자들간에 인기가 좋은 암프가 된 것 같습니다.  그러나 여기서 중요한 것은 “직열형”은 소리와 큰 상관이 없다는 점입니다.  직열형 관이 아니라도 직선성이 우수하고 내부저항이 작으면 다른 직열형 출력관들과 마찬가지로 간단한 회로로 성능이 좋은 암프제작이 가능하다는 점입니다.  상당한 오디오 마니아들이 기술적인 근거 없이 직열형 3극관에 집착합니다.  개인 적인 견해입니다만, 이는 기술적인 이유 때문이라기 보다는 심리적인 이유로 보입니다.

 

진공관 개발 역사에서 초기의 관심사는 직선성의 개선이었지만 그 이후 효율과 출력 증강으로 관심이 바꾸게 됩니다.  그래서 빔관과 5극관이 등장하게 되는데 HIFI 전성시대는 바로 빔관 전성시대라고 해도 과언이 아닙니다.  빔관 개발의 역사에서 6L6은 한 획을 긋는 진공관으로 간주되는 것 같습니다.  6L6에 비해 그 후 개발된 KT88은 거의 2개의 6L6을 병렬연결한 것으로 볼 수 있겠습니다.  트랜스 컨닥탄스가 6L6의 6mA/V에서 KT88은 11mA/V로 증가하였고 8417 같은 5극관은 23mA/V입니다.  어느 정도 증폭율을 유지하면서 성취한 이런 결과는  당시의 부단한 개발의 결과이겠습니다.  현재에도 진공관 오디오의 쥬류는 이런 진공관들, 즉6L6, EL34, KT88을 사용한 암프들이 대종을 이루고 있습니다.

 

진공관 역사에서 비교적 마지막 으로 개발된 관들이 아마도 컬러 TV에 사용하기 위해 개발된 관들일 것입니다.  TV 튜너의 프론트 엔드에 사용되는 소형 수신관부터 대출력이 요구되는 수평 출력관 까지 다양한 진공관들이 개발되었습니다.  불행히도 대량 생산된 이들 관들은 제대로 사용되지도 못하고 진공관 시대의 종언을 보게됩니다.  그렇지만 이들 진공관들은 진공관 개발역사의 마지막 기간에 제조기술이나 설계기술이 절정에 달해 있을 때 개발, 제조된 관들입니다.  더구나 컬러TV의 수평출력관은 그 용도상 우수한 직선성이 요구되는 만큼 직선성이 좋은 관들이 많습니다.  많은 오디오 마니아들에게는 생소하겠지만 이들을 오디오에 적용하는 것은 전혀 새로운 일이 아닙니다.

 

가령 매킨토시 사의 350W급  MC3500에는KT88이 아닌 6JE6을 채용하고 있습니다.  6JE6은 공칭 양극 손실이 30W급이지만 실제로는 양극손실 35W (3극관 결합시 40W)의 KT88을 능가하는 모양입니다.  이 사이트에서 강 박사님이 말씀하신 6LW6(혹은 26LW6, 36LW6)는 양극손실 40W급으로 출력에 있어 KT88을 능가합니다.  99년 글라스 오디오 잡지에는 이 진공관 두개로 90W의 출력을 갖는 PP암프가 소개된 적도 있습니다.  KT88 PP로 출력이 가장 큰 암프는 아마도 75W 출력의 매킨토시 MC275일 것입니다. 이 싸이트에서 언급된 6GB5(혹은 13GB5)도 소형 컬러 TV의 수평출력관으로 사용된 5극관입니다.  이관은 6V6보다 훨씬 저렴하지만 출력도 더 크고 3극관으로 결합하면 내부저항아 300B(약 750옴 정도, 13GB5는 500옴 이하) 보다도 적은 우수한 3극관이 됩니다.  일반적으로 싱글 암프를 만든다면 5극관 결합보다는 3극관 결합의 암프가 소리가 좋습니다.  물론 출력은 거의 반 정도로 떨어집니다.  13 GB5 싱글이라면 7W 혹은 8W정도의 출력을 얻을 수 있고 6LW6라면 12W정도가 가능합니다.  13GB5는 5극관으로 사용하면 6V6보다 더 출력도 크고 음질도 결코 손색이 없을 것입니다.  3극관 결합하면 2A3에 비해 출력도 훨씬 크고 직선성도 결코 뒤지지 않는다고 생각합니다.  6LW6는 3결하면 300B에 비해 내부저항(700옴 이하)도 약간 작고 출력은 더 나옵니다.

 

이상은 잘 알려진 출력관들 즉 6V6, 2A3, 300B, EL34, KT88, 845, 211등등만을 고집하는일부 오디오 마니아들에게 한번 생각해 볼 기회를 주자는 의미에서 끄적거려 보았습니다.

 

 

이런 의미에서 모든 부분을 달성하지 못한다 하더라도 이와 비슷한, 그렇지만 음질면에서는 전혀 손색이 없는 암프 제작에 도전해 보기로 마음을 먹었다.

 

출력: 력 50W 내외

주파수 특성 : 전 출력에서 20Hz-20 KHz, -1dB 내외,  

디스토션: 모든 출력 레벨, 모든 주파수 대역에서 0.5% 이내

혼변조:

3극관 A급 증폭단

 

출력단 설계

흔히 암프 설계는 출력단부터 시작한다.  설계 목표에서 출력을 50W 내외로 하고 출력관 동작을 A급, 3극관으로 정했기 때문에  흔히 사용되는 출력관을 한 쌍만 사용해서는 출력관 선택이 쉽지 않다.  특히 양극에 1000V 정도의 고압이 시용되는 대형 3극관은 피하고 싶었기 때문에 출력단에 다수의  소 출력관을 사용하는 접근을 택해 보았다.

 

모든 일이 그렇듯이 출력관을 여러개 사용하는데에는 장단점이 있다.  단점이라면 여러 출력관 사이의 발란스를 맞춰주어야 하고 출력관 자체는 물론 소켓 등 파트 카운트가 커진다는 점일 것이다.  그리고 경비문제가 대두될 수도 있다. 첫번째 단점이 특히 중요하지만 두번째 단점은 그리 큰 문제는 아니다.  또 경비 문제는 출력관 선택에 따라 오히려 저렴하게 될 수도 있다.

반면 두드러진 장점이라면  출력관이 여러개 병렬로 동작하게 되느니 만큼 출력단의 내부저항이 작아져서 출력트랜스 설계가 상당히 편해진다는 점일 것이다.  특히 출력트랜스 까지 자작을 하려는 경우에는 이 점이 특히 중요하다.

 

출력관을 선택하는데에 여러 가능성을 놓고 저울질을 해 보았지만 결국 이 시이트에서 여러번에 걸쳐 언급된 13GB5와 31LW6 두 관 중에서 하나를 선택하기로 하였다.  결국 13GB5를 선택하기로 하였는데 그 주된 동기는 13GB5의 경우 요구되는 드라이빙 전압이 60V내외로서 80V혹은 그 이상이 요구되는 31LW6보다 낫다는 점에 있다.  이는 드라이버단의 설계를 용이하게 해 준다.  또 다른 동기는 3극관 결합의 13GB5는 양극 저항이 460옴 내외로서  양극 저항이650옴 내외인3극관 결합의 31LW6에 비해 다소 낮은 편이라는 점이다.

 

 한편, 필자는 13GB5 4개를 병렬로한 싱글 암프를 제작해 보았던 경험에 비추어 그 음질이 845 혹은 300B등 전통적으로 선호되고 있는 고가의 3극관들에 비해 결코 손색이 없다는 결론을 얻었었다.

 

13GB5의 동작점은 양극 전압 350V, 양극전류  64mA로 잡아주었다.  이 때의 양극 손실은 22.4W가  된다.  이는  13GB5의 최대 허용 양극손실 17W를 상당히 상회하는 수준이지만 3극관 결합시에는 스크린 그릿드 허용손실 5W가 더해질 수 있으니 최대 허용손실을 크게 넘지는 않는다.  양극 부하는 출력관 개당 4.8KOhm으로 잡아주었다.  따라서 pp간 임피던스는 2.4KOhm이다.

 

문제는 이 암프에 적합한 출력트랜스를 구할 수 있는가이다.  이 암프에 적합한 출력트랜스는 먼저 출력트랜스 1차 권선의 허용 전류가 상당히 커야 하고 1차 임피던스 레벨이 비교적 작은 편이어야 한다.  출력관 한개당 양극 전류가 64mA내외이니 출력단 한 레일당 4개의 출력관을 사용할 때 64X4 =256 mA의 전류를 흘릴 수 있어야 한다.  한편  PP간 임피던스는 2.4KOhm이니 2.4KOhm:4 Ohm의 임피던스 비를 가진 출력트랜스가 요구된다.

 

출력트랜스 설계

요구되는 최소 1차 인닥탄스

필자는 처음부터 적합한 출력트랜스를 구하기 어렵다는 가정하에 출력트랜스 까지도 자작해 보기로  마음을 먹었었다.  그래서 먼저 목표의 주파수 특성을 달성하기 위한 출력트랜스 설계의 요구조건을 생각해 보았다.

 

먼저 요구되는 저역 1 dB 감쇄  주파수 특성을 만족시키기 위하여는 다음의 조건을 만족시켜야 한다:

2* (pi)* FL * L0 = 2 * Ra

 

여기서 pi = 3.14…이고 FL은 1dB 감쇄 저역 주파수로서 20Hz이고 L0는 출력트랜스의 1차 인닥탄스이다.  Ra는 출력관의 양극저항 Rp와 출력트랜스 권선저항 Rw, 그리고 1차 측에서 본 부하저항 RL( 즉 출력트랜스의 1차 임피던스)을 병렬 연결했을 때의 저항값으로 다음과 같이 주어진다:

 

Ra = (Rp + Rw) * RL / (Rp + Rw + RL)

이 식으로부터 요구되는 출력트랜스의 1차 권선 인닥탄스 L0를 계산할 수 있다.

이 식을 이 암프의 출력단에 적용해 보면,

 Ra = 230 * 2400/ (230 + 2400) = 210 Ohm

 

여기서` 13BB5의 양극저항은 460Ohm이고 4개를 병렬로 사용했을 때의 양극저항은 그 4분지 1인 115Ohm이 된다.  이것을 2벌을 사용하여 PP로 했을 때 PP간의 양극저항은 그 두배인 230Ohm이 된다.  한편  앞에서 언급한 대로 출력단의 부하 임피던스는 13GB5 한개당 4.8K로 잡았고 4개 를 병렬로 하면 1.2K가 된다.  이 때 PP간 부하임피던스는 그 두배인 2,400Ohm이 된다.  여기서 권선 저항은 무시하였다.

 

요구되는 출력트랜스의 1차 인닥탄스는

L0 =  2 * Ra / 2* pi * FL = 2 X 210 / 2 X 3.14 X 20 = 3.34 H

즉 요구되는 1차 인닥탄스는 적어도  3.34 Henry가 되어야 한다.

 

최대 허용 누설인닥탄스

다음 고역 1 dB 감쇄 점에서는 다음의 조건을 만족시켜야 한다:

2 * (pi) *Fh * Ls = 0.5 * Rb

여기서 Ls는 최대 허용 누설인닥탄스, Fh는 고역 1dB 감쇄 주파수 (여기서는 20 KHz)이고  Rb = Rp + Rw + RL 이다.

이 암프에 적용해 보면

 

Rb = 230 + 2,400 = 2630 옴

Ls = 0.5 X 2630 / 2 X 3.14 X 20,000 = 10.5 mH

즉 최대 허용 누설 인닥탄스는 10.5 mH가 된다.

이 계산에서도 권선 저항은 무시하였다.

 

코아 재질의 투자율은 자기 유도의 정도에 따라 달라지기 때문에  주파수 특성은 신호 레벨에 따라 달라진다.   흔히 신호 강도가 커질 수록 저역 특성이 확장 된다.

 

부품 목록

V1: 2GK5

V2: 4BS8

V3, V4: 6GU7

V5-V12: 13GB5

R1: 390Kohm, 1/4W

R2: 87R 1/2W

R3: 16.35K 2W

R4: 1M 1/4W

R5: 10.1K, 2W

R6, R8: 18K 4W

R7 5K VR

R9, 10: 1M 1/2W

R13: 20K 10W

R14, 15: 30K 4W

R16, 19: 890K 1/2W

R17, 18: 20K VR

R21, 22:  30K, 4W

R23-R30: 1K, 1/2W

R25-R38: 1K, 1/2W

R39-R46: 10R 1/4W

C1: 0.1uF, 630V

C2: 0.47 uF 630V

C3, C4: 0.047 uF, 630V

C5: 100uF/250V

C6, C7: 0.22 uF 630V

T4: Output Transformer  R-Core,  2.4K PP: 4 Ohm, 50W