앰프 제작시 접지 방법 #1

[제이]

앰프에서 접지는 매우 중요합니다.

특히 증폭도가 높아질 수록 접지가 완벽하지 않으면 험이 발생하거나 발진이 생기는 등의 문제가 발생됩니다.

이 접지 방법은 반도체 앰프에도 동일하게 적용될 수있습니다.

접지 자료를 찾던 중 꽤 잘되어 있는자료를 찾아 번역과 약간의 설명사진을 더 추가해 쉽게 이해하도록 하였습니다.

출처: https://www.valvewizard.co.uk/Grounding.html

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Chapter 15: Grounding 

접지는 회로의 모든 부분이 공유하는 공통 '기준 노드'를 나타냅니다.

이 책의 모든 회로 접지는 0볼트 또는 어스이며 일반적으로 그림(15.1)의 회로 기호 중 하나로 표시됩니다.

4개 모두 거의 상호 교환이 가능합니다. (a)는 일반적으로 섀시 또는 메인 접지에 직접 연결을 위한 기호 입니다.

그림15.1 접지 기호

이러한 기호는 단일 회로도에 여러개가 있을 수 있지만 실제로는 모두 함께 연결됩니다.

그러나 회로를 실제로 제작할 때 특히 프리앰프에서 적절한 접지 방식을 채택하는 것이 중요합니다.

우리는 단순히 모든 접지선을 서로 연결해서는 안 됩니다.

회로도에 보면 접지선 다 같아 보이지만 실제 배선 에서는 그렇게 하면 안됩니다.

예. 접지 기호로 구성된 회로도

좋은 접지 방법은 다음과 같습니다.

• 신호 접지에서 직렬 임피던스는 최소화 하고

• 그라운드 루프를 피해야 하고

• 조용한 신호 접지에 '노이즈' 접지 전류가 흐르는 것을 방지합니다.

'접지'에 관한 혼란은 아마도 우리가 전자기술을 배우기 시작할 때 시작될 것 이었지만 매우 간단한 회로로 시작하기 때문에사실 접지가 문제가 되지 않았습니다. 

우리는 어떤 오래된 금속이나 전선에도 접지 연결을 할 수 있고, 연결되어 있는 한, 회로는 잘 작동합니다.
따라서 우리는 이미 나쁜 습관이 생길 때까지 접지에 대해 생각하거나 배우려고 애쓰지 않습니다. 우리가 더 발전되고 높은 이득의 회로로 나아갈 때, 갑자기 접지가 중요한걸 알게 됩니다.

접지 기호로 끝나는 구성 요소를 보여주는 회로도에 익숙하기 때문에 나쁜 습관이 강화될 수도 있습니다.
이렇게 하면 깔끔한 도면이 만들어지지만 전류가 실제로 루프에서 흐르고 있다는 사실을 잊기 쉬운데 전원이나 발전기에서 전류가 흐르면 어떻게든 접지를 통해 다시 되돌아와야 합니다.

그러므로 접지는 전류가 사라져 보이지 않는 어떤 전기적 블랙홀이 아니라 '회로의 나머지 절반'입니다.

진공관 앰프는 최상의 경우에도 노이즈가 상당히 발생하지만, 많은 상업용 앰프에서도 접지 불량 문제가 심각한 노이즈의 원인입니다. 때때로 이상적인 접지 방식을 따르는 것은 현실적으로 어렵고, 항상 가장 가까운 접지선이나 섀시에 무언가를 연결하려는 유혹이 있습니다. 때때로 우리는 특히 소형의 저이득 증폭기에서 이 문제를 피할 수 있지만 이 책의 독자는 아마도 그 수준을 넘어섰고 제대로 알고 싶어질 것입니다.

접지에 대한 원리는 일단 설명되면 사실 꽤 간단해 보일 것이지만, 전압(또 다른 나쁜 습관)의 관점에서만 회로에 대해 생각하는 독자들이 이것을 이해 하려면 전류 측면에서 생각하기 시작해야 할 것입니다.

아날로그 오디오 회로를 접지할 때 우리가 따르는 규칙이 고주파 라디오나 디지털 전자제품에 사용되는 규칙과 항상 같은 것은 아니므로 독자는 어떤 교재를 참고 할지 주의해야 합니다.

15.1: 안전 접지

대부분의 기타 앰프는 금속 섀시로 제작됩니다. 나무 상자로 되어 있더라도 고정 나사나 진공관 교체 등을 통해 사용자가 금속을 어떻게든 만질 수 있습니다. 따라서 기기가 안전하려면 금속 섀시(및 사용자가 만질 수 있는 다른 모든 것)가 통전되는 것이 완전히 불가능해야 합니다. 이는 메인 접지 와이어를 통해 섀시를 개별 접지에 물리적으로 연결하는 방식으로 이루어집니다. 섀시가 접지되면 섀시와 동일한 전위가 되며, 전원 와이어가 섀시에 닿는 즉시 접지에 단락되어 퓨즈가 끊어지든 아니든 사용자는 감전되지 않습니다.

주 케이블이 섀시에 들어갈 경우(일반적으로 IEC 인렛을 통해) 굵은 와이어를 접지 탭에 납땜해야 합니다(누름식 커넥터를 사용하지 않음). 그런 다음 그림 15.2와 같이 솔더태그(납땜 링터미널)로 섀시에 연결해야 합니다. 전기 연결 상태를 양호하게 하려면 섀시 접속부를 사포로 미리 갈아 주어야 합니다.
와이어는 짧아야 하며 유럽에서는 녹색과 노란색 줄무늬로, 미국에서는 녹색으로 표시되는데 현지 주전원 공급과 동일한 색상 구조를 가져야 합니다.

그림15.2 안전 접지는 주전원 인입구 가까운 곳에 전용 나사를 사용해 연결하여야 합니다

섀시에 볼트로 고정되는 이 와이어를 안전 접지 연결 이라고 하며, 시간이 지남에 따라 느슨해질 수 있는 일반  나사가 아니라 전용 나사/볼트여야 합니다. 로크너트를 사용해야 하며, 그렇지 않으면 일반 너트 2개를 잘 조여 흔들림 방지 또는 별 모양 와셔를 사용해야 합니다.

이 와이어는 앰프에서 가장 중요한 연결이고 법적으로도 필수사항이며, 아주 견고해야 합니다.

이 접지 연결은 안전만을 위한 것입니다. 회로 작동에는 아무런 역할을 하지 않으며 고장 조건 외에는 전류가 흐르지 않습니다. 그것은 단지 섀시의 또 다른 부분으로 간주될 수 있습니다. 비록 '어스'와 '그라운드'라는 용어가 종종 번갈아 사용되지만, 오디오 회로 접지를 진짜로 땅에 연결할 필요는 없습니다.

전체 앰프 회로는 섀시에 전혀 연결되지 않고 금속 섀시 내부에 '부동'(고정되어 있지 않고 떠서 움직임) 상태로 구축될 수 있었습니다.

그러나 실제로 회로는 앰프의 작동 전압이 0볼트에 대해 적절하게 정의되고 섀시가 전기장에 대한 보호막 역할을 하기 때문에 어느 지점에서 섀시에 연결됩니다. 그러므로 일단 우리의 회로가 접지에 안전하게 연결된 금속 상자 안에 존재한다는 사실을 알면 적어도 당분간은 섀시에 대해 신경쓰지 않아도 됩니다.

15.2: 접지 루프
접지 루프는 둘 이상의 접지 회로 노드가 둘 이상의 경로로 서로 연결될 때 생성됩니다.
이는 부주의한 배치, 우발적이거나 예상치 못한 접지 연결 또는 둘 이상의 기기가 함께 연결되어 발생할 수 있습니다 (섹션 15.9 참조).
빈티지 앰프는 종종 비절연 잭 소켓을 사용하거나, 가변저항의 접지 탭을 구부려 케이스에 납땜하거나, 접지 버스를 콘트롤 포트 뒤쪽에 납땜하거나, 섀시를 다소 '랜덤 접지'로 사용하여 접지 루프를 만들게 됩니다.

접지 루프는 원치 않는 노이즈가 있는 전류가 흐르면 문제가 되며 두 가지 방법으로 발생할 수 있습니다.

• 패러데이의 법칙에 따라 변압기와 큰 전류가 흐르는 케이블에 의해 생성된 교류 자기장은 루프에서 EMF를 유도합니다. 이것은 차례로 루프 주위에 노이즈 전류를 발생시킵니다.

• 노이즈가 있는 전원 공급 장치 또는 파워 앰프 접지 전류는 루프를 통해 대체 복귀 경로를 찾아 흐르게 됩니다(섹션 15.9 참조)

노이즈 전류가 접지 루프 주위를 흐르면 다음과 같은 두 가지 방법으로 험을 유도할 수 있습니다.

• 노이즈 전압은 루프의 불가피한 직렬 임피던스에 걸쳐 발생되며, 이는 오디오 신호 전압에 직접 추가될 수 있습니다.

• 전류는 상호 인덕턴스 또는 변압기 작용을 통해 근처의 신호 도체에 노이즈 EMF를 유도합니다.

자기 유도에 의한 간섭은 루프를 끊거나, 루프의 영역을 줄이거나, 루프를 통해 흐르는 자속의 양을 줄이기 위해 루프의 방향을 바꾸거나, 간단히 자기장의 원천으로부터 멀리 이동함으로써 감소하거나 제거할 수 있습니다.

변압기 작용에 의한 간섭은 접지 루프 와이어와 신호 와이어가 평행하고 근접하게 작동하여 차폐된 케이블에서와 같이 그들 사이에 상호 인덕턴스가 있을 때 발생합니다.

실드의 한쪽 끝만 접지(루프 차단)하거나, 접지 전류를 줄이기 위해 루프에 직렬 저항을 추가하거나, 프로 오디오 장비에서 사용되는 유도된 험 신호를 거부하는 밸런스 연결을 사용하여 이러한 현상을 줄이거나 제거할 수 있습니다.

일반적으로 사용하는 언밸런스연결과 프로오디오용 밸런스연결 비교

그림(15.3)은 진공관 앰프에서 자주 발생하는 특정 경우를 보여줍니다.

그림15.3 a: 차폐 케이블로 생성된 접지 루프를 보여주는 간단한 회로. b: 섀시 연결 중 하나를 제거하여 접지 루프를 제거합니다. c: 완전히 분리되고 독립적인 쉴드가 사용되는 이상적인 상황입니다.

(a)의 회로는 차폐 케이블을 사용하여 기생 피드백으로부터 그리드 입력을 차단하는 간단한 입력 단을 보여줍니다. 그러나 회로가 실수로 쉴드의 양쪽 끝에 있는 섀시에 연결되어 접지 루프가 생성되었습니다.

신호 전류와 접지 루프 전류 모두 화살표로 표시된 대로 실드에 흐르므로 접지 루프 전류는 오디오 전압에 직접 추가되는 실드의 저항에 걸쳐 노이즈 전압을 생성하고 케이블의 변압기와 같은 유도 동작도 그리드에 노이즈를 실리게 합니다.

이를 수정하려면 b에서와 같이 섀시 연결 중 하나를 분리하여 루프를 끊어야 합니다.

c의 회로는 더 나은 솔루션을 보여줍니다.

그리드 와이어와 신호 접지는 이제 완전히 독립적인 차폐로 차단됩니다.

실드는 이제 섀시의 튜브형태 확장에 불과하며 변압기 동작에 의한 접지 루프 및 험을 방지하기 위해 한쪽 끝에서만 접지됩니다.

15.3: 전원 공급 장치 리플 전류

우리는 보통 전원부에 콘덴서를 평할콘덴서라고 부릅니다.

하지만 본 번역에서 정류단에서 사용되는 콘덴서 (Reservoir cap)를 저장 캐패시터로

R과 C를 통해 험을 제거하는 콘덴서(smoothing cap)을 평할 캐패시터로 표기하여 두 콘덴서를 나누어 글쓴이의 취지를 알 수 있도록 하였습니다.

본 책에서는 적절한 전원 공급이 가능한 것으로 가정했습니다.
여기서 전력 공급 설계의 세밀한 세부 사항을 논하는 것은 저자의 의도는 아니지만, 접지에 관한 한 우리는 최소한 그 모든 전력이 어떻게, 어디서 오는지 어느 정도 알고 있어야 합니다.

대부분의 진공관 앰프에서는 전원부는 변압기, 정류기 및 저장 커패시터로 구성됩니다. 정류기는 양파형 또는 브리지 정류기(또는 반파형)일 수 있으며, 실리콘 다이오드 또는 정류관일 수 있으며 여기서 접지는 중요치 않습니다. 그런 다음 저장 커패시터가 다음 전원 공급 장치에 전원을 공급합니다.

그런 다음 저장 커패시터는 증폭기에 적절한 전원을 공급하고, 일반적으로 RC 평활화 필터 체인을 통해 각각 점진적으로 DC 전압을 평활화하고 하나 또는 두 개의 진공관 증폭 단에 공급합니다.

그림15.4 전류는 버즈의 원인이 될 수 있는 짧고 큰전류 펄스로 변압기-정류기-저장캐패시터 주위를 흐릅니다.

DC 부하 전류는 어느 정도 일정한 속도로 저장 커패시터에서 방전되지만 변압기의 전류는 동일한 일정한 방식으로 커패시터로 흐르지 않습니다. 대신 캐패시터에는 매 싸이클 마다 두 번 '다시 충전됩니다'.

즉, 변압기, 정류기, 저장 콘덴서에 흐르는 전류는 짧고 굵은 펄스로 흐르며, 이 전류의 평균값은 직류부하전류와 같으나  피크값은 일반적으로 부하전류의 약 5배가 됩니다.

이것은 그림(15.4)에서 두꺼운 화살표로 표시됩니다(하나의 다이오드만 통전된 것으로 표시되지만 실제로는 둘다 차례로 통전됨). 

이를 리플 전류라고 하며, 강한 펄스로 발생하기 때문에 합리적인 레이아웃을 채택하지 않는 한 오디오 회로에 험 소리가 쉽게 유입될 수 있습니다.

리플 전류와 나머지 회로의 상호 작용을 최소화하려면 변압기-정류기-캐패시터를 독립형 단일 회로 블록으로 취급해야 합니다.

일부 회로도에서는 그림 15.5와 같이 보다 컴팩트한 방식으로 회로를 그려서 이를 강조합니다. 그리고 회로는 물리적으로 유사하게 컴팩트하게 구축되어야 합니다.( 커패시터와 정류관 또는 변압기 사이에는 최소한 몇 센티미터의 거리가 유지되어야 함)

그림 15.5 변압기-정류기-저장캐패세터 네트워크는 단일 회로 블록으로 간주되어야 하며 물리적 연결은 가능한 한 짧게 유지되어야 합니다. a: 양파 정류기. b: 브리지 정류기.

그런 다음 나머지 앰프는 저장 커패시터의 단자에 직접 연결됩니다.
이 노이즈가 있는 전류 루프의 다른 지점에 대한 연결은 허용되지 않으며 이 네트워크의 어떤 부분도 연결될 수 없습니다.

조용한 접지 방식을 유지하려면 섀시를 사용하십시오! 일부 매우 민감한 전치 증폭기는 금속 격벽이나 차폐 캔을 사용하여 오디오 회로에서 전원 공급 장치의 이 부분을 보호할 수도 있습니다.

15.4 전원 공급 장치 평활 필터

변압기-정류기-저장소 캐패시터 회로 블록을 깔끔하고 컴팩트하게 구축했으므로 이제 전원 공급 장치 평활 필터에 대해 알아보겠습니다.

이들은 저장 캐패시터에서 공급되는 체인(또는 분기 체인)을 형성합니다.

각 필터는 전원 공급 장치 전압을 점진적으로 평활화하여 잔류 리플을 제거합니다.

앰프의 입력 단계는 항상 체인의 마지막 필터에 의해 공급됩니다. 이 단의 진공관은 전원 공급 장치의 노이즈에 가장 민감하기 때문입니다.

이제 부하 전류가 필터 체인을 따라 흐르고 접지 연결을 따라 다시 되돌아온다는 사실을 이해하는 것이 중요합니다.

이로 인해 불가피하게 접지선의 임피던스 의해 작은 전압이 발생합니다.

부하 전류가 순수한 DC라면 이것은 그다지 중요하지 않을 것이지만 실제로는 여전히 정류기에서 약간의 잔류 리플과 증폭되는 오디오 신호로 인한 부하 전류 변동이 있으므로 접지 회로를 따라 전압이 발생하여 노이즈가 발생 될 것입니다.

따라서 신호 접지를 전원 공급 장치 접지에 연결하는 방법이 중요하며 좋은 접지 구성은 자연스럽게 둘의 상호 작용을 최소화합니다.

그림 15.6은 점선으로 표시된 접지 임피던스에 걸쳐 발생하는 전원 공급 전류와 노이즈 전압의 흐름을 설명하기 위한 것 입니다.

그림 15.6 전원 공급 장치 전류의 흐름과 모든 접지 임피던스에서 발생하는 노이즈 전압을 보여주는 다이어그램(점선으로 표시)

회로도에서 전원 공급 장치 평활화 필터를 단순한 RC(또는 LC) 필터로 보는 데 익숙할 수 있지만 실제로는 하나의 콘덴서와 두 개의 직렬 임피던스로 만든 평형 필터로 보아야 합니다. 여기서 하나는 의도적 강하 저항 또는 평활 초크와 다른 하나는 그림과 같이 접지 회로의 임피던스에 의해 형성됩니다. 또한 저장콘덴서에 가까워지면 접지 전류가 발생하므로 이 경우 V1은 하나의 잡음 전류에 의해 생성되는 반면 V2는 두 잡음 전류의 합에 의해 생성됩니다.

일반적으로 접지 임피던스를 최소화하려고 하지만 이 규칙에는 유용한 예외가 있습니다. 독립형 프리앰프 및 저전력(일반적으로 싱글 엔드) 앰프의 경우 오디오 회로를 공급하기 전에 저장 캐패시터 후 하나 이상의 추가 평할 단계가 있을 수 있습니다. 이러한 경우 일반적인 강하 저항으로 두 부분으로 분할하여(보통 동일하지는 않음) 그림 15.7에 표시된 것처럼 실제 균형 필터를 의도적으로 만드는 것이 좋습니다.

회로의 음극 측에 저항이 추가되어 노이즈가 많은 정류기/저장캐패시터 회로를 앰프에서 분리하는 데 도움이 되며, 오디오 접지에 리플 전류가 들어오지 않도록 합니다.
드롭 저항기 중 하나 또는 둘 다 평할 초크로 대체할 수 있으며, 회로의 음극 측 초크는 회로의 '기존'+ 측보다 코일과 프레임 사이의 전압 스트레스가 적다는 장점이 있습니다. 물론 변압정류-저장 캐패시터와 섀시 사이에는 연결이 없어야 합니다. 그것은 적절한 기본 접지 방법에 해당됩니다.

그림 15.7 저장 커패시터 직후에 평활화의 추가 단계가 있는 경우 드롭 저항을 두 부분으로 분할하여 균형 잡힌 필터를 만드는 것이 좋습니다. 그러면 리플 전류가 오디오 접지로 들어가는 것을 지연시킬 수 있습니다. 저항이 표시되어 있지만 일부 또는 모두를 초크코일로 대체할 수 있습니다.

15.5: 신호 전류

그림15.8 신호 전류와 전원 전류가 어떻게 분리되어야 하는지 보여주는 설명도

앰프가 정지 상태일 때는 전원 공급 장치에서 들어오는 전류가 일정하지만 신호를 증폭할 때는 전류량이 계속해서 변합니다.

이것은 또는 안정적인 '배경' 전류 위에 겹쳐진 AC 신호 전류로 볼 수 있습니다.

진공관 단에서 이 신호 전류는 그림(15.8)과 같이 밸브와 이를 공급하는 평활 콘덴서 의해 형성된 루프로 흐릅니다.

가장 조용한 작동을 위해 신호 전류는 잔류 리플을 포함하기 때문에 커패시터를 충전 상태로 유지하는 전원 공급 장치 전류와 별도로 유지해야 합니다.

따라서 평활 커패시터는 진공관  스테이지에 가깝게 위치해야 하며 연결은 가능한 한 짧게 유지해야 합니다(이러한 이유로 레이디얼형 커패시터가 선호되는 경우도 있음). 

레이디얼형 콘덴서

반대로 나머지 전원 공급 장치에서 평활 커패시터로 전류를 공급하는 연결은 중요하지 않습니다.

결국 우리는 일반적으로 이 경로에 드롭 저항기 또는 초크를 배치하므로 긴 와이어의 추가 임피던스는 중요하지 않습니다. 반면에 긴 이송 경로는 긴 접지 복귀 경로를 의미하며 이는 우리가 원하는 것이 아닙니다.

좋은 방식은 이러한 것들 사이에서 합리적인 타협을 이루는 레이아웃을 생성해야 합니다.

모든 전원 공급 장치 커패시터를 한 곳에 배치하고 거기에서 증폭기 단계까지 긴 전선을 연결하는 습관은 우리가 원하는 것과 정반대이며 잘못된 엔지니어링입니다.

두 개의 진공관 단이 캐스케이드 연결되면 커플링 커패시터 뒤에 오는 구성 요소는 다음 단의 계통 누설 회로에 '속하고' 다음 단의 음극 회로로 직접 연결되어야 합니다. 그림 15.9는 동일한 평활 커패시터에 의해 2개의 증폭단에 공급되는 경우의 예를 보여줍니다.

그림15.9 동일한 한개의 평할콘덴서로 2개의 관이 사용되는 이상적인 배치

[tree(DS1SBP)]

잘 정리하셨네요

[제이]

영어실력이 부족해 좀 더 잘 표현하지 못했습니다.
감사합니다.

[유만길 ( hl1iww )]

감사합니다
건축하는데 ㅡ
기초공사와 같은게 접지이지요

[제이]

예전에 포노앰프,카세트 헤드앰프, 프리, 파워까지 모두 자작해 앰프 하나에 집어 넣었다가 발진을 하여 접지 잡느라 애 먹었던 적이 있었습니다.
접지는 정말 중요하고도 까다로운것 같습니다.
감사합니다.

[가는 님아]

의외로 접지로 인한 어려움을 겪었습니다. 좋은 지침이 되는내용 감사합니다.

[제이]

좋은 자료를 공유할 수 있어 기쁩니다.
감사합니다.

[변문진]

접지에 대한 이해가 어려웠었는데,
좀더 눈을 뜨게 해 주셔서 고맙습니다.^^

[제이]

도움이 되셨다니 기쁩니다.
감사합니다.