3. 진공관의 동작
가. 검파와 정류
이극 진공관은 한 방향으로 전류를 흘리는 특성이 있어, 검파 또는 정류를 할 수 있다.
라디오는 높은 주파수에 음성 신호를 실어 나르게 되는데 수신기에서는 라디오 주파수 속에서 음성 신호를 분리해 내는 과정을 검파라고 하는데, 이 때 이극 진공관이 사용된다. 정류도 꼭 같은 과정이나 주파수가 낮다는 것 뿐이다.
나. 바이어스
바이어스란 진공관이 동작하도록 기본적인 전류를 흘리는 것을 말한다. 마치 자동차의 시동을 걸어 놓은 것 처럼 진공관이 동작하기 위해서 모든 진공관은 바이어스를 걸어야 동작 한다.
이 상태(바이어스 전류가 흐르는 상태)가 진공관의 여러 가지의 기본적인 특성을 결정짓게 되는데 예를 들어 출력, 왜율, 효율, 게인, S/N비, 증폭등급 등을 결정하게 되므로 신중을 기해야 한다. 그러나 적절한 바이어스가 이 모든 것을 충족시키는 것은 모순이며, 증폭단의 목적에 맞게 바이어스를 조정해야 한다.
대부분의 진공관은 제1그리드인 컨트롤 그리드에 마이너스 바이어스가 필요하다. 그 이유는 컨트롤 그리드에 플러스 전압을 가하면 진공관은 특성이 급격하게 변해, 그리드에 전류가 흐르고, 증폭과 전달 특성이 변하게 된다. 그래서 대부분의 진공관은 그 동작 범위가 수 볼트 정도의 마이너 전압의 바이어스가 될 때 정상 동작하도록 한다. 이것은 진공관이 세가지의 전압의 공급이 필요하다는 것이데, 필라멘트를 가열하기 위한 낮은 전압(AC도 가능), 플레이트에 공급하기 위한 50-350볼트 정도의 B+전압, 그리고 마이너스 1-20볼트 정도의 그리드 바이어스를 위한 B- 전압이다.
1)고정 바이어스
고정 바이어스는 외부에서 따로 일정한 마이너스 전압을 그리드에 거는 것을 말한다.
고정바이어스는 바이어스가 조정할 수 없다는 말은 아니고, 사실은 그 반대이다. 자기 바이어스는 보통 고정되어 있어, 조정할 수 없다. 그리고 고정 바이어스는 통상 조그만 트리머 볼륨에 의해 조정이 가능하다.
고정 바이어스는 통상 진공관을 교체하면 다시 바이어스를 조정해 주어야 한다.
외부에서 걸어주는 마이너스 전압은 깨끗해야 하고 리플이 있으면 바로 신호와 함께 증폭된다.
2)자기 바이어스
바이어스를 얻기 위해 마이너스 전압을 공급하지 않고 쉽게 얻는 확실한 방법은 케소드에 그리드 보다 플러스 전압을 공급하는 것이며, 이렇게 하면 그리드에 마이너스 전압이 걸린 것처럼 보인다. 진공관을 통해 흐르는 전류는 케소드 저항에 의해 전압 강하가 일어나 케소드를 기준으로 보면 그리드에 마이너스 전압이 걸려 적절한 바이어스가 걸린다.
진공관이 -4볼트의 그리드 전압이 필요하고 10mA의 플레이트 전류가 흐른다면 케소드에 400 옴의 저항을 연결한다고 가정하면, 이 저항에 전압 강하는 4볼트가 되어, 바이어스 전압을 자신이 만들어 내는 것이다. 플레이트 전압은 다양하게 걸수 있는데 이때는 데이터 시트를 보면 된다. 그리고 디 커플링 콘덴서를 살펴보면, 그리드의 신호는 플레이트의 전류를 스윙시키기 때문에 이 전류의 변화가 케소드 저항에 전압 변화로 나타나(케소드와 그리드 사이의 전압 변화) 그리드에 피드백되어 바이어스를 스윙시켜 증폭율에 제한을 가져오게 된다. 이는 매우 직선성이 좋아지나, 높은 증폭을 바랄 수 없다. 그래서 케소드 저항과 병렬로 디커플링 콘덴서를 넣는다.
자기 바이어스는 오디오용 증폭기와 AGC(자동 게인 컨트롤)이 없는 곳에서는 매우 유용하다. 라디오 수신기에서 AGC는 다른 바이어스를 유기 시키며 이로 인해 자기 바이어스와 이 AGC사이에 상호 작용으로 AGC의 효과가 떨어진다. 그래서 이런 경우에는 보통 외부 바이어스를 쓴다.
*자기 바이어스의 원리
음의 바이어스 전압을 조정하면 바이어스 전압의 방향(크기)에 따라 바이어스 전류가 증가하거나 감소한다. 일반적으로 바이어스 전압이 마이너스로 내려가면 바이어스 전류는 줄어들고, 진공관의 바이어스는 "colder"가 된다. 그리드의 바이어스 전압이 0쪽으로 갈수록(커질수록) 바이어스 전류는 커지며 진공관의 바이어스는 "hotter"가 된다. 이것은 진공관이 동작상태에서 그리드의 전압이 케소드에 비해 좀더 0볼트 쪽(양:플러스의 방향)으로 변하면 케소드에서 플레이트로 흐르는 전류가 증가하게 되고, 그리드의 전압이 케소드에 비해 마이너스(음) 쪽으로 더 커지면 흐름은 적어져 마침내 중단한다(cut-off).
바이어스는 그리드가 케소드에 비해 마이너스 전압을 걸어 줘야 하는데, 이것은 케소드를 그라운드로 잡으면 그리드에 음의 전압을 거는 것이 되고, 그리드를 기준으로 보면 케소드는 바이어스 양 만큼 플러스 전압이 걸리는 것이다.
자기 바이어스는 진공관에 흐르는 전류를 이용해 진공관이 자체적으로 적절한 바이어스 포인트를 찾게 하는 방법이다. 이 기술은 그리드에 음의 DC전압을 걸어 주지 않고, 바이어스를 걸 수 있는 기술이다. 만약에 케소드와 그라운드 사이에 저항을 넣어주고 그리드에도 그라운드와 저항을 연결시켜(이 때 그리드에는 전류가 흐르지 않아 그리드의 전압은 그라운드와 같게 된다.) 동작시키면 진공관은 케소드에서 플레이트로 큰 전류가 흐를 것이다(왜냐하면 그리드와 케소드는 초기값이 그라운드와 같다). 그래서 케소드로 흐르는 전류는 케소드 저항을 통해서 전압 강하가 이루어지고 케소드의 전압은 그리드에 비해 양의 전압이 된다. 그래서 케소드의 전압은 그리드에 비해 양의 전압이 되므로 전류는 감소하고(바이어스 양이 커지므로) 진공관은 컷옾으로 향하게 된다. 그래서 케소드 전압의 증가는 전류가 증가하게 하고 전류의 증가는 컷옾으로 가게 해서, 그래서 바이어스 전압은 어떤 특별한 점에서 안정이 된다. 이 특별한 점은 저항값이 변하지 않으면 어떤 값으로 남을 것이며, 다른 진공관으로 교체하면 다른 특별한 점이 형성된다. 이것은 케소드 저항값을 바꾸면 원하는 바이어스 포인트가 형성된다.
* 자기(케소드) 바이어스 대신에 언제 고정 바이어스를 쓰는가?
자기 바이어스는 케소드에 마이너스 DC전압을 걸어야 할 필요에 의해서 기초했으데, 왜 케소드 바이어스를 모든 증폭회로에 사용하지 않는가? 케소드 바이어스는 결점이 없는건 아니다. 입력 신호가 변화하는 동안에도 케소드에 일정한 DC바이어스 전압을 유지하기 위해서 큰 용량의 바이패스 콘덴서가 필요하다. 이 컨덴서가 AC신호를 효과적으로 그라운드로 보낼수 있고, DC에 대해서는 계속적으로 남아 있도록 한다. 만약에 이 콘덴서를 떼내면, 이 케소드의 DC 전압은 신호 전압을 덧붙이는 것이고, 이것은 그리드와 케소드의 신호 전압을 빼는 효과가 있어 결과적으로 이 단의 게인이 줄어 든다.
이런 문제는 신호가 크게 변할 때 일어나며, 평균 케소드의 전압이 변화하게 된다. 이것이 원인이 되어 바이어스가 통상 colder 바이어스(더 마이너스쪽)로 밀려나게 된다. 이 바이어스의 이동은 귀에 들릴 정도이나, 가끔 기타 앰프에서는 소리에 배음의 조화를 더해 원하는 효과가 되기도 한다. 만약에 이 바이어스의 이동이 이루어지면, 진공관은 곧 컽옾으로 갈 수 있다. 그리고 큰 크로스 오버 왜율이 생길 수 있다. 또한 케소드 저항으로 흐르는 전류는 케소드의 적절한 동작에 부득이하게 큰 바이어스 전압을 발생시킬 수있다.(대형 출력 진공관의 전형적인 전압은 30-50볼트) 이 전압은 플레이트의 총 전압에서 빠져서, 출력을 줄일 수 있다. 이 전압의 감소와 바이어스의 이동 사이에서 고정바이어스와 비교할 때 케소드 바이어스는 출력을 감소시킨다. 그래서 고정바이어스는 통상 고출력 파워 앰프에 사용한다(50와트 이상) 그리고 자기 바이어스는 보통 출력이 낮은 앰프에 사용한다.
프리앰프 진공관은 파워를 증폭하는게 아니라 신호를 증폭하기 때문에 거의 만능적으로 케소드 바이어스를 쓰며, 그 외의 효과는 크지 않다. 또한 케소드 바이어스는 회로에 진공관의 각종 수치(파라미터)의 의존도가 낮으며, 바이어스 점으로부터 수치(파라미터)가 필요없어진다. 이 때문에 증폭단에 진공관을 교체해도 바이어스를 다시 걸 필요가 없다. 케소드 바이어스를 건 출력관는 진공관을 교체했을 때 주어진 케소드 저항값에 의해 아이들링이 광범위하게 변하기 때문에 항상 바이어스를 체크해야 하며, 그리고 출력단의 적절한 바이어스 전류로 되돌리기 위해서 케소드의 저항을 바꾸어야 할 필요가 있을 수 있다.
다. 진공관의 동작 등급
진공관의 동작 등급은 분류하는 사람에 따라 조금 씩 다르나, 이것은 기본적으로는 진공관을 어떻게 동작시키느냐 하는 것으로, 바로 바이어스를 어떻게 거느냐 하는 문제이다.
A급이란 말은 파워 진공관이 아이들링(무신호시) 때나 최대 출력 때나 항상 같은 양의 전류를 흘린다. 때문에 A급은 전기적으로 매우 비효율적이나, 왜율이 매우 낮다.
싱글앰프는 하나 또는 그 이상의 진공관을 병렬로 사용하는데 전부 같은 위상으로 동작한다. 보통 소형 기타 앰프에 쓰이며, 특별히 고급 앰프에 쓰인다. 많은 오디오 파일들은 상대적으로 우수의 디스토션이 높음에도 불구하고 SE앰프를 좋아한다. 대부분의 고급 300B앰프는 SE 앰프이다. 피드백은 앰프의 디스토션을 줄일 수 있음에도 불구하고 어떤 사람들은 소리의 등급이 떨어진다고 생각한다. 대부분의 SE앰프는 피드백을 걸지 않는다. A급 푸시풀 앰프 역시 존재하는데, 이것은 두 개 네 개 또는 그 이상의 진공관(통상 짝으로)사용하여, 서로 반대의 위상으로 드라이브한다. 이것은 우수의 디스토션을 상쇄시키며, 매우 깨끗한 소리를 낸다.
A급 푸시풀 앰프의 예는 Vox AC-30 기타 앰프이다. A급 푸시풀 앰프는 다음에 설명할 AB급 보다 보통 낮은 플레이트 전압과 높은 플레이트 전류를 필요로 한다. 높은 전류는 케소드가 AB급 보다 더 빨리 닳아 버리는 경항이 있다. A급 앰프에는 SE와 푸시풀 두 가지가 있다.
A1급은 그리드 전압이 항상 케소드보다 더 마이너스임을 뜻한다. 이것은 300B나 오디오 사극빔관과 오극관과 같은 것이 사용되며, 최대의 직선성이 가능하게 해 준다.
A2급은 그리드의 전압이 일부 파형에서 또는 전체 파형에서 케소드 보다 더 플러스 전압에서 동작 된다는 걸 의미한다.
이 A2급은 그리드에 전류가 흐르고 열이 발생한다. A2는 특별히 오디오용에서는 잘 사용하지 않는다. 통상 A2급은 SV811이나 SV572 삼극관 시리즈처럼 주름진 특별한 그리드를 사용한다. A2급 은 그리드에 파워를 공급할 수 있는 특별한 드라이브 회로를 필요로 한다.
AB급은 오직 푸시풀에만 있다. 이것은 한쪽 진공관이 완전하게 cut-off 상태일 때 다른 진공관이 완전한 출력을 핸들링하는 것이다.
이것은 A급에 비해 매우 효율적이다. 물론 디스토션이 증가하여 매우 조심스럽게 디자인하고 피드백을 사용한다. 또한 AB1급과 AB2급이 있는데 이것의 차이는 위에서 설명한 (A1급과 A2급)과 같은 의미로 설명할 수 있다.(그리드에 플러스로 드라이브 하느냐(AB2) 아니냐(AB1))
B급도 오디오 푸시풀에 적용될 수 있는데, 가끔 라디오 파워 앰프에 하나의 진공관으로 쓰기도 한다. 이것은 아이들링시 거의 0에 가까운 전류를 흘린다는 것을 제외하고는AB급과 같다.
마찬가지로 A급이나, AB급 보다 매우 효율적이다. 이것은 디스토션이 증가하여, 디자인을 조심스럽게 해야하고 조금의 피드백을 건다. 설계가 잘못되면, 출력 파형의 중간 부분의 크로스 오버 왜율이 증가하여 소리에 매우 나쁜 영향을 준다. 대부분의 반도체 앰프는 B급 앰프를 쓴다. 왜냐하면 트랜지스터는 아이들링시에 열에 대한 강박이 적기 때문에
울트라 리니어 동작은 데이비드 하플러와 허버트 케로스가 1951년 발명했다. 이것은 빔 사극관이나 오극관을 사용하는데 출력 트랜스에 특별한 탭이 있다. 이 탭에 진공관의 스크린 그리드를 연결시켜 이 스크린 그리드가 출력의 한 부분으로 드라이브 된다. 이것은 왜율을 현저히 감소시킨다. 이것은 SV6L6GC, SV6550C, EL84, EL34.등의 파워 진공관을 사용한 고급 앰프에서 볼 수 있다.
- 제 준식의 진공관 오디오 -에서 발췌