3극진공관 Triode

[서암]

                          3극관 Triode 

3극관은 3개의 능동 전극을 가진 전자 증폭소자로 Filament(Cathode 또는 음극), Grid, Plate(Anode 또는 양극)등 3개 요소를 가진 진공관을 일컫는 말이다. 1906년에 드포레(Lee de Forest)가 당시 Audion이라 하는 3극관에 대한 특허를 내었는데 제3전극인 Grid는 전자 흐름을 제어할 수 있게 하였다. 드포레의 Audion은 실제로 증폭작용을 하였는데 1912년 다른 연구자가 발표하기 전까지 진공관 수명연장을 위한 작업으로 헤매고 있었다.

Audion관은 의도적으로 약간의 저압 가스를 담았다. 3극관이라 명명된 것은 진공관내에서 가능한 모든 가스를 뽑아내었다. 3극관(Triode) 호칭은 나중에 부여되어 되었는데, 4극관. 5극관 등이 다양한 종류가 나와 이를 포괄적으로 구분할 필요가 있던 시기였다.

응용분야

현재는 사람들에게서 3극 진공관은 반도체가 출현하면서 트랜지스터에 크게 밀려 한물 간 것은 사실이지만 하이엔드와 마이크 프리앰프나 전기기타(Electric Guitar)와 같은 전문음향 분야에서는 지속적으로 확실하게 그 자리를 고수하고 있는 실정이다.

어떤 기타 맨은 통상 그원 하는 소리를 얻기 위해서 진공관 앰프 외에는 방법이 없다고 하기도 한다.

많은 사람들이 이런 식의 3극 진공관 방식의 오디오를 선호하는데 반해, 부궤환을 전원공급의 한계까지 직선화하여 퉁명스럽게 자르는 일반적인 반도체 앰프보다 부드럽게 포화되는 특성을 가진 진공관 앰프의 찌그러짐이 듣기에 즐겁기 때문이다.

3극관의 구조

그림은 옛날 에디슨의 전구 같이 생긴 커다란 볼록 전구 모양의 Audion을 보여주며 Filament 다음에 마치 천조가리 같은 Grid 그리고 평철판 Plate가 보인다.

현대 3극관은 통상 실린더 모양으로 제작하는데 필라멘트 또는 Heater/Cathode가 중앙에 있으며 Grid가 그것을 둘러싸고, 전체를 Plate가 에워싸는 구조로 되어있다. 

이러한 실린더형 관의 Grid는 콜크 오프너 또는 스프링 모양의 나선형 구조로 되어있다. 6AS7G 나 6080같은 진공관을 들여다보면 확실히 볼 수 있다.

동작원리

전자는 2극관과 똑 같은 원리로 Cathode에서 방출한다. 그것들은 Cathode 주변에서 공간 전하를 모아 심각한 피해를 입힐 수 있는 무거운 양이온으로부터 보호한다. 통상적인 동작에서 Grid는 Cathode와 연관되어 음극이 되며 절대로 양극으로 가지 않는다(고주파 송신관 제외).

Grid는 전자를 끌어 들이지 않는데 그 이유는 그 선이 너무 가늘기 때문이다. 요즘 진공관들은 우연한 경우 극소량의 전자가 흘러가는 수가 있다. Grid의 전자계는 음극화 전하를 되돌려 보내고 Plate로 흐르는 수량을 제한한다. Grid가 충분히 음극화 되면 전자는 전혀 흘러가지 못하며 음극화가 덜해지면 조금 조금 전자를 통과시킨다.

실제회로

초창기에 Battery 전원을 사용하는 Radio는 Grid Bias용 C 전지가 있었다(A Battery는 Filament용이고, B+ 라는 명칭은 B Battery에서 유래) Heater형 진공관의 출현은 Grid 바이어스 전원을 다른 방법으로 끌어오는 것을 가능하게 하였다.

Cathode Bias

Cathode Bias 단은 셀프 바이어스라고도 하는데. 이 바이어스 전압은 외부에서 가져오지 않고 진공관의 Cathode 회로에서 생성하거나 튜브 자체로 해결할 수 있는 다른 방법을 생각하게 되었다. 어떤 진공관의 Grid가 -2 Volt가 필요하다고 가정해보자.

그것은 Cathode가 0 Volt 이고 Grid가 -2 Volt 위치임을 의미한다. 그러면 2 Volt 양측 값에 부가한다고 가정해보자. Grid 전압이 0 Volt가 되고 Cathode 전압이 +2 Volt가 된다. Grid는 요구되는 Cathode로부터 -2 Volt 떨어져 있게 된다. 3극관의 Cathode를 수 Volt 정도의 양극으로 하기위해서 Cathode 저항을 두는 회로를 설명하고자 한다.

다시 Heater연결을 추정해보자. 이 표기법은 모든 진공관 매뉴얼에서 볼 수 있는 고정저항 결합 증폭기도면이다. Rc는 Grid 저항인데 왜 Rg 라고 하지 않는가? 아마도 C전지 대신 쓴 것이라 생각 되며 RK 와 CK는 Cathode 저항과 콘덴서이다.

Cathode가 C로 시작하지만 C는 이미 사용되고 있는 것을 알고 있다. Rb 는 플레이 저항이고, 다른 것은 B 전지로 던져버리면 B+ 대신 Ebb가 아닌가?

Cc는 결합 용량이며 Rcf 는 다음 단 진공관의 Grid 저항이다. Cathode의 양극전압은 Cathode 저항에 Cathode 전류가 흘러 발생한다.

진공관에서 RK와 Rb는 직력회로를 구성한다. Grid는 감지할 수 있을 정도의 전류도 주거나 받지 않는다.

Cathode회로의 콘덴서는 DC 전압을 일정하게 유지하게 하는데 이

것이 없으면 전압이 변하고 앰프이득이 감소한다. 이득 감소와 함께 Distortion(왜율) 감소도 동반하는데, 이러한 현상을 이용해서 왜율을 개선하기 위해 hi-fi 회로에서는 가끔 콘덴서를 사용하지 않는 경우가 있다.

Zero Bias

외부로 부터의 바이어스도 없고 Cathode가 Ground된 앰프단을 제로 바이어스 앰프라고 한다. 바이어스는 실제로 제로는 아닌데 그 이유는 진공관이 동작하면 약간의 바이어스가 생성되기 때문이다. 이것은 Contact bias라고도 하는데 Grid에 접촉되면서 나오는 전자에 의해 생성되기 때문이다 .

Grid 선은 가늘어 매우 적은 전자가 부딪히게 되지만 수 십 만개 중 몇 %는 많은 것이다. Grid 막대를 치고 지나는 전자들에 부 전하를 주는데 만일 Grid 저항이 매우 큰 값으로 10MΩ, 이때 Grid 전압은 거의 1 Volt에 가깝게 된다. 지금 이 전압에 진공관이 적절하게 설계되었다면 앰프단의 부품은 두 개로 줄어든다.

Zero biased 증폭기는 아래 그림과 같다.

특성

양극전압(Va)에 대한 양극전류(Ia) 그리고 Grid 전압(Vg)과의 관련 특성표는 통상 3극관의 데이터 시트에서 찾을 수 있다. 여기에서 설계자는 3극관의 상세한 사용 점을 선택하면 된다.

예로 아래 그림에서 보여주는 특성은, Va(양극전압, Plate) = 200 Volt 이고 Vg(Grid 바이어스)가 -1 Volt 일 때(노란색 그래프) Ia(양극 전류)는 2.25 mA이다.

여기서 Grid 전압(Vg)을 변화 시키면 Plate 전류(Ia)가 변하게 되며 Plate 부하저항을 적절하게 선택함으로서 증폭도가 얻어진다.

3극관의 A급 증폭에서 Plate 부하저항은 Plate와 B+전압 양단에 연결되어 있는데, 예를 들어, Ra = 10kΩ이라 가정하면, V Ra = Ia × Ra = 22.5V가 될 것이다.

양극전류 Ia = 2.25mA를 선택할 경우, 현재 Grid 입력전압 진폭을 -1.5 Volt에서 -0.5 Volt(차이 1 Volt)로 변화 시키면, 양극 전류는 1.2 ∼ 3.3 mA로 변한다. 이것은 양극 부하저항 양단에 12 Volt~33 Volt 내려가는 결과로 나타난다(차이 21 Volt).

Grid 전압이 -1.5에서 -0.5 Volt로 변화하는 동안, 양극전압은 12 Volt∼33 Volt로

떨어지며 신호를 증폭한 결과로 나타난다. 출력 전압의 진폭을 입력전압 진폭으로 나누면 증폭도가 산출된다. 이 경우 증폭도는 21이 되는 것이다.