6BM8 S.E Amplifier |
6BM8 Single-Ended Amplifier 설계 및 제작
6BM8(ECL82)는 음성신호 증폭용 3극관과 출력용 5극관이 한 용기에 조립한 구조를 이루고 있다. 이관은 1950년대 말과 1960년대 초에 크리스탈 픽업 카트리지를 사용하는 레코드플레이어에 무척 많이 사용되었다. 크리스털 픽업은 대체로 출력이 크기 때문에 싱글 엔디드 5극관 출력단을 효과적으로 설계할 수 있었으며 완전한 작동을 위해서는 단지 정류회로만 추가하면 되었다. 한편으로 TV수상기의 수직편향 출력회로에도 많이 활용되었는데 이 경우에는 필라멘트 전압과 전류가 다른 진공관이었다. 6BM8(6.3V/780mA) 50BM8(50V/100mA) 11BM8(11V/450mA) 등〕
6BM8 Audio Amplifier.(Self-bias방식)
위회로는 기본회로이이며 아래 데이터를 참고하여 부품을 바꾸면서 설계할 수 있다.
히터는 4.5번으로 6.3VAC가 공급된다. B+는 230V이며 플레이트 전류(Ip)는 약 40mA가 흐르게 된다. 출력 스피커 트랜스는 임피던스는 5k:8Ω로 구성되었다. 이것은 필요에 따라 다양하게 변경 할 수 있으며 저 전압상태에서도 출력은 줄어들지만 대체로 잘 작동한다. 바이어스는 470Ω 캐소드 저항을 사용한 SELF BIAS 회로를 적용했다. 이 부분은 아래와 같이 고정 바이어스(FIXED BIAS)방식으로 전환이 가능하지만, 이 경우 별도로 -20V전원을 그리드 바이어스 저항에 공급해야 하며 캐소드 저항은 생략된다.
그러나 가끔은 진공관에 따라 시간이 흐르면서 바이어스 점이 변동하여 플레이트 전류가 급격히 많이 흐르는 경우가 발생한다. 수차례 시험 결과로 6BM8EH는 고정바이어스 방식이 적합하지 않은 것으로 결론지었다.
6BM8 Audio Amplifier.(Fixed-bias방식)
전압 변경과 출력 트랜스포머
다른 출력 트랜스를 사용하거나 전압을 변경할 경우 다음 Philips data book 자료 참조하여 캐소드저항(Rk), 스크린 그리드(Rg2)등의 5극관 주변의 부품을 교환해야 한다.
6BM8 진공관 특성 데이타
종단 5극관 부분
플레이트 전압(Vp) | 120V | 200V | 200V | 250V | 272V |
스크린 그리드 전압(Vg) | 120V | 200V | 200V | 250V | 272V |
스크린 그리드 저항(Rg2) | 0 | 470Ω | 0 | 5.6kΩ | 2.7kΩ |
캐소드 저항(Rk) | - | 330Ω | - | - | 650Ω |
바이어스 전압(Vg1) | -5.8V | - | -16V | -19.2V | - |
부하 임피던스 | 2.5kΩ | 4.5kΩ | 5kΩ | 8kΩ | 8kΩ |
플레이트 전류(Ip) | 43.5mA | 35mA | 35mA | 28mA | 28mA |
스크린 그리드 전류(Ig2) | 6.2mA | 7.8mA | 6.5mA | 5.1mA | 6.5mA |
출력(Po) | 1W | 3.3W | 3.5W | 3.5W | 3.5W |
왜율(%) | 7% | 10% | 10% | 10% | 10% |
Vp 는 플레이트와 캐소드간 전압이며 전원공급회로의 전압과 같을 필요는 없다. g2 voltage는 캐소드와 스크린 그리드 간의 저압 측정치이다. 200V~ 275V 운용상태에서의 스크린 그리드에는 전압이 직접가해지지 않고 저항을 통해 공급됨을 살펴야하는데. 이 저항은 회로가 고주파 발진이 일어나는 것을 방지하여 회로의 안정화를 도모하기 위함이다. Rk 는 캐소드 저항 값인데 외부 전압을 공급하는 대신에 사용한다. 이것은 제어(1) 그리드에는 바이어스 전압을 직접 가하는 것을 고정바이어스라 하며 캐소드에 저항(Rk)를 사용하는 경우를 자기바이어스라 하는데 이 저항(Rk) 양단 전압이 g1 bias 전압으로 작용하게 된다. Rk는 플레이트- 캐소우드간 전압을 플레이트 전류 + 스크린그리드 전류 합으로 나누면 필요 저항치가 산출된다.Vg1은 제어그리드에 가해져야하는 부 바이어스 전압을 말하며 지정된 캐소드 저항치(Rk)를 사용하면 된다. 캐소드 저항을 사용하지 않을 경우에는 부 바이어스 전압을 제어그리드에 직접 가해야 한다.ZL 는 부하임피던스를 말하는데 이것은 스피커 트랜스 포머의 1차 임피던스를 의미하며 DC 저항치와는 다르다.Ip 는 플레이트에 흐르는 전류를 뜻한다.Ig2 는 스크린 그리드 전류이다.Vrms I/P 은 최대 출력을 내기 위해 필요한 입력 드라이버 실효치 전압을 말한다.Po: 스피커 출력
초단 3극관 부분
공급전압(Supply Voltage) | 170V | 200V |
플레이트 부하(Plate Load) | 220kΩ | 220kΩ |
캐소드 저항 | 2.7kΩ | 2.2kΩ |
출력전압(Vrms O/P). (다음 단 그리드 저항 680kΩ 경우) | 25V | 26V |
이득(Gain) | 51 | 52 |
왜율(%) | 2.3% | 1.6% |
3극관 데이타에서 공급전압은 플레이트 전압을 말하는 것이 아님을 유념해야 한다. Vrms O/P 은 가장 찌그러짐이 없는 플레이트에서의 출력이며 다음 단은 규정 저항부하회로가 구성된 상태라야 한다.(통상 후단 그리드 리크 저항으로 680kΩ이 지정되어있으나 경험상 좋은 특성을 내기 위해 저항치를 470kΩ으로 조정하였다.
이회로는 많은 TV와 라디오겸용전축에 사용하던 전통적인 방식에 근거를 둔 디자인이다. 입력감도는 스피커 출력 2W 정도에서 약 100mV이다. B+ 전원은 약 40mA 전류에서 230V이며 히터는 6.3V 780mA이다. 3극관 부분은 출력단인 5극관의 드라이버용으로 사용되며 당연히 A급 증폭기로 작동된다. 네가티브 피드백(N.F.B)은 증폭신호의 왜율을 개선하기 위해 사용되며, 출력신호의 일부를 4.7K + 150R 전압 분배회로를 통해 3극관 캐소드로 들어간다. 4.7K에 겹쳐있는 1000pF 커패시터에 대해 알아보자. 이 용량 값은 스피커용 출력트랜스에 따라 조정되어야 하는데, 여러분이 오실로스코프와 구형파 발진기를 가지고 있다면 이용량 값을 찾을 수 있다.
스피커 단자에 스피커 대신 8Ω 5W 저항을 연결하고 입력에는 1kHz정도의 구형파를 가하고 볼륨을 최대가 되어 찌그러짐이 발생하지 않도록 적절히 조정한다. 오실로스코프 Probe를 8Ω 저항에 연결하고 파형을 관측하면서 커패시터를 교환하여 구형파 끝이 튀어 오르거나 뭉개지는 현상이 최소화가 되는 용량을 찾는다. 통상 820~1,500pf 범위 안이다. 측정기가 없을 경우는 1000pf를 선택하는데 통상 별 문제가 없다.
또 다른 주의 사항은 스피커 출력트랜스의 위상 선택인데, 트랜스 위상이 정확한 경우에는 부궤환 회로가 형성되어 정상 작동하지만 트랜스의 위상이 180도 달라지면 정궤환(Positive Feedback) 루프가 형성되어 삐-익하고 발진이 일어난다. 이 경우 1차 플레이트 ↔ B+간 권선을 서로 바꾸거나 스피커 측 권선을 서로 바꾸면 된다. 단 1.2차 모두 바꾸면 원상태가 되므로 어느 쪽이든 한쪽만 바꾸어야 한다.
이것을 확인하는 방법으로 150Ω저항을 단락시키고 볼륨을 서서히 증가 시켜보면서 물론 정상적인 소리가 날 것이다. 150Ω저항 단락을 원상시켜서 발진이 일어나면 잘못된 것이니 트랜스 권선을 바꾸어야 한다. 캐소드 바이패스 저항치를 올리면 저역이 올라가지만 결국은 출력트랜스의 성능과 밀접한 관계와 한계가 있기 때문에 캐소드 바이패스 저항치를 가변하는 방법으로는 아무것도 개선되지 않는다. 커플링 커패시터는 통상 0.1uF 값을 사용하는데, 더 큰 값을 사용하면 저역결합도가 좋아진다. 옛날 페이퍼 커패시터를 사용하던 시절에는 임의로 큰 값을 쓸 수 가 없었는데 그것은 부품자체에 누설이 크기 때문에 후단 바이어스에 영향을 주기 때문이었다. 요즈음의 필름 타입 커패시터는 그러한 문제가 전무하기에 여유 있게 설계하면 저역이 개선된다.(지금의 0.1uF 값도 물론 적절하다.) 볼륨 값은 대부분의 옛날 진공관 기기 출력환경에 적절하게 정해진 것인데, 어찌되었든 최근에는 그런 진공관 장치는 거의 없고 CD, MP3등 출력임피던스가 낮은 반도체 소자회로를 사용하는 장치가 대부분이므로 10kΩ ~ 50kΩ 정도로 내려야 하며 커플링 커패시터도 수 uF로 내려야 한다. 신호에 DC성분이 없다면 커패시터를 생략해도 된다. 이 설계에서는 입력 커패시터를 생략하고 VR도 50kΩ 이하로 한다. 3극관 플레이트와 5극관 그리드간의 커패시터는 실제 인가전압보다 높아야 한다. 통상적으로 400VDC이나 630VDC 내압이 표시된 부품을 사용하면 된다. 저항은 5극관 캐소드 저항(1-3W)를 제외하고는 모든 저항을 1/2W급을 사용한다. 캐소드 회로에는 25V급 전해 커패시터면 충분하다. 일반적으로 B+전원용 전해 커패시터는 무부하 상태 전원전압보다 훨씬 여유 있게 설계해야 한다. 230-250V정도의 B+전압이 걸린다면 350VDC 이상의 커패시터를 사용한다. 물론 450V이면 더 좋다.
출력 트랜스포머하찮은 이야기지만, 고물이든 신품이든 적절한 트랜스를 가지고 있다면 출력트랜스로 시험해볼 필요도 있다. 다시 말해, 전원 트랜스가 되었건 고 임피던스(70V~100V) 확성기용 매칭 트랜스건 임피던스 비율만 정확하게 표시되어 있다면 그것으로 시험해보라. 임피던스라는 것은 비석에 새긴 것과 같이 확고한 것이 아니고 유동적이다.
예를 들어 출력임피던스가 5kΩ으로 설계된 회로에 7kΩ트랜스를 적용 한다고 해서 안 될 것은 없고 단지출력이 조금 감소 할 뿐이다. 최대출력을 원하지 않거나 그럭저럭 들을 만한 것을 원한다면 총체적으로 트랜스 매칭이 이루어 지지 않아도 된다는 이야기다. 즉 8Ω 스피커 출력단자에 6Ω 이나 4Ω 스피커를 연결해도 문제가 될 정도로 소리가 형편없는 것은 아니라는 뜻이다.
임피던스 비율은 권선비의 자승(自乘)이다. 240V:12V의 전원 트랜스의 경우 240/12=20, 즉 20이 권선비율인데 이것을 자승하면 400이 되며 이것이 임피던스 비율이다. 12V 권선을 8Ω 스피커용으로 이용한다면 반대편 240V 권선의 1차 임피던스는 8*400=3,200Ω가된다. 즉 3.2kΩ : 8Ω 출력트랜스로 사용가능하다는 이야기다.
그러나 이것은 어디까지나 산술적인 것이며 실제로는 성능이 좋은 high end audio 를 원한다면 모든 것을 정확하게 설계해서 제작해야 한다. 임피던스는 물론이고, 코어 재질도 좋아야하며 권선을 감는 방식 또한 중요하다. 그래서 좋은 출력트랜스는 고가품이 될 수밖에 없다.
운용방식 선택 : Triode, Ultra linear, Pentode modes.
5극 출력관을 3극관이나 울트라 리니어방식(U.L)으로 변경하여 사용하는 것은 아주 새로운 뉴스는 아니다. 앰프를 어떤 방식으로 사용하는가는 각자 선택의 몫으로 하기로 하고 본 키트는 여러분이 다양한 시험을 할 수 있도록 선택 단자를 두었다.
Triode Mode: 3극관 방식으로 하기위해서는 g2저항을 제거하고 스크린을 플레이트 에 직결한다. 이 경우 스크린 그리드의 피드백 량은 100%가 되고 증 음량이 급격히 저하한다. 음질은 좋아진다.
6BM8 앰프의 감도는 0.1V에서 0.3V로 저하. 출력도 2/3로 감소
Ultra linear mode : 3극관 연결 시 출력저하 문제점을 해결하기 위해 고안된 방식.
울트라-리니어(U.L) 운용방식은 g2저항을 출력트랜스 1차 탭에 연결 한다. 탭이 없는 출력 트랜스의 경우에는 불가능하다. 탭의 위치는 플 레이트가 5kΩ인 경우 2.5kΩ 정도의 탭이 적절하다. 탭이 플레이트 쪽으로 가까이 가면 3극관의 특성에 가깝고 B+에 가까워지면 5극관 특성에 가까워진다. 이 방식을 사용하면 3극관과 5극관 사이에서 고민하던 가장 좋은 타협점을 찾을 수 있다.
Pentode Mode: 5극관 방식으로 하기 위해서는 g2저항을 B+에 연결한다. 출력최대 상태가 된다.
6BM8 앰프의 안정도 향상
6BM8은 고감도 진공관에 속한다. 3극관의 증폭도는 약 70정도로 12AT7의 성능에 해당한다. 5극관 부분의 상호콘덕턴스는 7500umhos로 6V6의 4100umhos보다 훨씬 높다.
고감도의 진공관이 한 용기에 탑재되어 문제가 야기될 가능성이 있다. 물론 대부분의 6BM8은 잘 동작하지만, 가끔 발진현상이 일어나는 경우가 있으므로 이를 방지하기 위해 5극관 g1입력에 47kΩ을 직렬로 부가하였다. 입력 부분의 도입선을 최대한 짧게 하고 주변 그라운드 처리를 잘해야 한다. 드물게 고주파 발진이 발생할 수 있는데 이는 인간이 들을 수 없는 영역이지만 앰프 종합특성에 악영향을 준다. 오실로스코프를 스피커 단자에 연결하고 볼륨을 최대로 줄인 상태에서 어떤 파형이 관측되면 이는 발진하고 있는 것이므로 개선해야 한다.