김원후 교수님의 진공관 앰프 제작 강좌-아웃 트랜스 제작

[관운]

김원후 교수님의 진공관 앰프 제작 강좌-아웃 트랜스 제작

매력있는 삼극진공관 앰프의 제작

최근 진공관 파워앰프의 인기도는 날로 더해가고 있는데 그원인은 트랜지스터 앰프의 섬세하고 날카로운 해상력에 비해 다이나믹한 박력과 중후하면서도 굵은 톤의 시원시원한 느낌이 진공관 앰프의 특징이기 때문이라 생각된다.

특히 진공관 앰프중에서도 오디오 매니어들의 각광을 받고 있는 것은 3극 진공관의 밝고 투명도 높은 특이한 음색이 한층 더 음악성을 높이기 때문이다.

진공관은 이미 제작된지 오래되었을 뿐 아니라 구입에도 매우 어려움을 갖는 것이 사실이다. 이번호에는 필자가 준비한 왕년의 명출력관으로 정평이 있었던 RCA 2A3 직렬형 삼극관을 사용한 싱글 A급 증폭기를 만들어 보기로 한다.

진공관앰프를 설계함에 있어 고려되어야 할 점은 출력트랜스(Output Transformer)이다. 모든 진공관 앰프의 특성을 좌우하는 것이 이 출력트랜스이기 때문에 출력트랜스의 제조회사의 신뢰도가 곧 제품의 신뢰도와 직결되고 있다. 따라서 이러한 제품들을 국내에서 입수하기 어렵고 또 상당히 고가이기 때문에 자작파들로서는 큰 부담이 되고 있다. 그러나 기성품 이상의 특성을 갖는 출력트랜스를 설계 제작하여 고급기에 일차 도전하여 보기로 하자.

출력트랜스 다음은 회로 및 부품의 선택이다. 부품 중 저항 및 콘덴서의 경우 필자의 경험에 의하면 최근 생산 수출되고 있는 국산 제품이면 외국의 어느 유명메이커 제품에도 버금가는 훌륭한 특성을 보장할 수 있다.

진공관의 경우 2A3을 드라이브 하는데 필요한 것으로 음질면에서 특성이 우수하고 잡음이 적은 E80CC 하나를 사용하여 드라이브 및 초단관으로 사용하였다.

2A3 결합방식으로는 CR 결합방식, 트랜스 결합방식, 초크코일 결합방식, SRPP 결합방식등 여러 가지가 있으나 본기에는 SRPP 결합방식을 택하기로 한다.

2A3은 출력 3.5W 의 저출력이지만 가정용으로 충분한 음량을 가지며 음질면에서 뛰어난 특성을 나타내는 좋은 진공관이다. 필자의 경험에 의하면 2A3 싱글 3.5W 출력으로 TANNOY AUTOGRAP. BITABOX CH-191, JBL 4343, ALTEC A-5 등 초대형 스피이커들을 실내에서 Listening level로 구동한다면 경험하지 않고는 믿기 어려울 것이다.

이와 같이 2A3으로도 고능률 스피커 시스템을 충분히 구동시킬 수가 있다. 출력음압레벨 90dB 이상의 스피커 시스템의 구동에는 별문제가 없을 것으로 본다.

2A3 싱글앰프에서 output transformer의 특성이 곧 AMP 전체의 특성에 중요한 영향을 미치므로 먼저 출력트랜스의 설계에 대해서 알아보자.

오디오 power transformer의 설계에서 전문적인 설계방법의 상세한 설명은 아마추어들로서 이해가 어려울 것이므로 실제 설계에 필요한 결과식만을 이용하여 용이하게 설계할 수 있는 방법으로 2A3용 출력트랜스를 설계하여 보기로 한다.

물론 2A3 뿐만 아니라 211, 845, 300B, DA-30 등의 3극출력관의 경우도 여기에 적용시키면 쉽계 설계할 수가 있다.

먼저 가청주파수 출력트랜스로서 갖추어야 할 특성에 대해서 알아본다.

본래 transformer에서 주파수의 변화폭이 넓을면 코일의 인덕턴스라 하는 저항성분에 의해서 저주파(저역특성)특성이 나빠지고 코일 상호간의 분포용량에 따라서 고역특성이 나빠진다. 이와같이 고역 및 저역특성의 변화범위가 3dB 정도 감소하는 값 이내에서 가청주파수 영역인 20Hz-20kHz 범위에 들어가야만 Hi-Fi 앰프로서 그 특성을 유지할 수 있다.

그러기 위해서는 저역특성을 향상시키기 위해 인덕턴스를 크게 하여야 하며 고역특성을 향상시키기 위해서는 분포용량을 감소시켜야 한다. 여기서 인덕턴스를 크게 한다는 것은 코어의 자속밀도를 크게 하던가 코일의 권수를 많이 한다는 것이며 이에 따라 분포용량이 증가하여 고역특성은 더욱 떨어진다. 이와같이 인덕턴스의 증가는 분포용량이 증가되기 때문에 문제가 있다. 즉 저역특성을 향상시키면 고역손싱이 생기며 공역을 충분히 하기 위해 코일을 적게 감으면 저역특성의 손실이 생긴다. 이러한 여향을 배제하기 위해서는 가능한한 코어의 자속밀도를 큰 것을 선택하고 특수한 권선방법으로 분포용량을 최소화시키는 적층형 권선법을 쓴다.

2A3의 플레이트 임피던스 (plate impedence)는 2500Ω이다. 따라서 스피커 임피던스 8Ω과 매칭시켜야 한다. 그러면 여기서 2A3용 싱글 출력트랜스의 설계조건을 알아보면 다음과 같아.

① 임피던스 2500Ω

② 8Ω에 매칭되었을 때 출력 3.5W

③ 주파수범위 20~20,000Hz

<그림 1> 코어의 형체

<그림 2> 권선 및 임피던스

형태는 EI 형으로 코어의 단면적

Ac = 1.5inch² lc = 7.0inch 크기로 정하였다.(그림 1 참조)

Ac = g × p=코어의 단면적

1 × 1.5 = 1.5inch²

lc = 자로의 길이 = 7inch

이상과 같이 2A3용 출력트랜스는 4% 실리콘 코어, 단면적 1.5inch² 의 EI 코어에 1차 권선을 2386회를 감는데 2A3 플레이트 전류 60mA를 감안하여 안전전류 60mA의 에나멜 동선을 선택한다. 2차 권선은 8Ω에 대해서 149회이다.

권선방법

권선방법은 매우 중요하다. 그림 3 과 같이 1차권선을 약 500회씩 4등분하고 그 사이에 2차권선을 감는다. 코어를 끼울 때에는 다음 사항에 주의를 요한다. EI 코어를 교대로 끼우면 안된다. 즉 A 급 증폭기에서는 플레이트에 흐르는 직류가 신호전류와 중첩되어 흐르기 때문에 트랜스의 코어가 직류에 의해 자화되므로 그림 4 와 같이 E 와 I 코어를 각각 모아서 0.2mm 정도의 절연지를 자로 사이에 끼워야 한다. 이 갭(gap)은 흐르는 전류의 크기에 따라 적절히 조절하여야만 이상적으로 동작시킬 수가 있다.

각각 2386/4회로 감아서 직렬 연결한다

<그림 3> 권선방법

E코어와 I코어사이에 0.2~0.3mm 의 절연지로 절연

<그림 4> E I 코어의 조합

특성 시험방법

출력트랜스가 완성되었으면 그 특성을 시험하여 보기로 한다. 측정에 필요한 기긱는 오실로 스코프, 오디오 신호 발진기, Electronic Voltmeter, 8Ω 및 16Ω 무유도 저항, 2㎌ 콘덴서, 10Henry 이상의 초크코일, 가변전압 전원장치 등이 준비되어야 한다. 위상특성을 측정하려면 위상계가 필요하지만 여기에서는 주파수 특성 및 임피던스 특성만을 측정하기로 한다.

임피던스 측정

임피던스 특성은 그림 5와 같이 회로를 연결한다. 교류전압계(VTVM)를 그림과 같이 연결하고 S를 1에 놓는다. 이때 V 가 지시하는 값을 기록해 둔다. 다음 S를 2로 두고 V의 값을 기록한다.

이 두 과정에서 전압의 값이 서로 다를 것이다. 이때 가변저항 VR을 돌리면서 S를 1 및 2로 교대로 변화시키면서 S의 위치에 관계없이 V 의 값이 일정하게 되도록 한다. 이때 트랜스의 임피던스가 곧 VR의 저항치와 같은 점이다. 이때 저주파 발진기는 1000Hz 정도로 한다.

주파수 특성 시험

주파수특성시험은 그림 6과 같이 회로를 결선하고 바이어스 전원을 저정하여 60mA(출력관에 흐르는 전류의 값)의 전류를 흘린다. 이때 저주파 발진기의 주파수를 1000Hz 에 두고 출력전압이 미터의 중앙을 지시하도록 발진기 출력은 주파수를 20Hz 에 맞춘다. 이때 발진기의 출력은 주파수에 관계없이 항상 일정한 값이 되도록 하여야만 측정오차를 줄일 수가 있다.

신호발진기 주파수를 20Hz 에서부터 점차로 높이면서 출력전압을 기록해 나간다.

이와같이 하여 얻어진 데이터를 Log Scale로 나누어진 그래프지에 옮겨 그린다.

2차측 부하저항은 무유도 저하으로 트랜스의 2차 임피던스와 같은 부하를 연결하여야 한다.

출력전압 레벨을 dB로 표시하려면 로 표시하며 1000Hz 에서의 전압을 E1으로 정해놓고 주파수에 따라 변화한 값을 E2로 하여 계산한다.

log1〓0 log2≒0.3 log3≒0.5 log4≒0.6

log5≒0.7 log7≒0.8 log8≒0.9 log9≒0.95

임피던스 측정시에도 가청주파수 대역내에서 주파수를 변화시키면서 주파수에 대한 임피던스 특성도 측정할 수가 있다.

이와같이 증폭단을 극소화 시킨 것은 비직선성에 의한 왜곡(Distortion)을 최소로 줄이기 위함이며 이때 1V 정도의 입력신호로 충분한 출력을 얻을 수가 있다.

문 : P-P 트랜스 일 때 권선감는 1차 2차 코일의 순서는 어떠한지요.

답 : 권선의 감는 방법은 <그림 3> 권선방법과 같이 1차와 2차를 교대로 배치하고 1차측은 모두 병렬접속으로 또 2차측은 모두 직렬접속하되 양쪽의 권선수가 똑같은 부분에서 중간탭을 내어야 합니다. 이때 층의수는 많이 쪼개는 것이 유리하며 결합방법은 코어의 가까운 쪽과 먼쪽의 순서로 결선하여 보십시요. 이 결선방법은 어떠한 법칙이 있는 것이 아니며 실험을 하면서 가장 이상적인 결선을 찾는 것이 바로 Know How입니다. 푸쉬풀 앰프의 출력트랜스에 EI 코어를 사용할 때에는 E.I. 코어를 서로교대로 공격이 생기지 않게 하여야 합니다.

문 : 시중에서 쉽게 구할 수 있는 Sf(규소)강판을 사용하여 Bm을 1000 Gauus로 계산하여 Np를 구하면 가능한지요? 불가능하면 4% Silicon-Steel Core를 구할 수 있는 방법을 알려 주시면 고맙겠읍니다.

답 : 물론 자속밀도(Bm)을 알고 있으면 식에 넣어 Np를 구할 수 있습니다. 코어의 자속밀도가 큰 재료일수록 일차권선(Np)가 작아져 누설인덕턴스 및 분포용량이 적어지기 때문에 특성이 좋아집니다. 코어 구입은 세운상가 주변의 트랜스 전문제작업소에서 구입이 가능할 것으로 압니다.

문 : 코어의 단면적(Ac)를 구하는 식은 어떻게 되는지요.

답 : 코어의 단면적은 코일이 감기는 부분의 면적으로 코어의 형체에서 Ac=g×p의 값으로 된다.

[관운]

트랜스를 감는 틀을 보빙이라고 합니다. 저는 한개의 권선기에 한 개의 보빙을 걸어서 감는 것만 보았지만 사진과 같이 여러개의 보빙을 걸어서 한 번에 작업하면 제품 성능도 일정하고 효율적이라 생각합니다. 트랜스는 여러가지가 있지만 오디오에서는 파워, 출력, 쵸크 트랜스로 구분됩니다. 파워나 쵸크는 코일에 정확한 데이타 값을 적용하면 되지만 출력은 좋은 소리를 내기 위해 많은 방법들이 시도되고 있지만 코일을 감는데 절연 방법과 코아를 끼우는데 재료와 방법, 트랜스의 크기 그리고 함침하는 것들이 계속 연구되고 있습니다.