진공관 이해를 위한 짧은 이야기들

글쓴이 : SOONDORI

1. Vacuum Tube의 탄생

1906년 Lee DeForest가 검파기로 쓰이던 플레밍 밸브(Fleming Valve)를 변형하여 삼극관을 만들고는 Audion이라고 이름을 붙였다고 한다. 전구가 발명되고 나서 전자를 이용한 소자장치들이 서서히 만들어지기 시작했던 무렵이다. 다음 사이트에 자세한 설명이 기록되어 있는데 실제 대중적으로 사용할 수 있는 증폭장치로 사용된 것은 웨스턴엘렉트릭이 오디온을 기초로 안정화된 3극관을 상품화하면서부터라고 한다. Western Electric은 영화관에서 사용하는 대규모 음향장비를 만들었던 것으로 유명하니 증폭소자 아이디어가 절실했을 것.

(출처 : http://uv201.com/Tube_Pages/deforest_audion.htm)

2. 2극관 이해

다음은 1) 전자를 방출하는 부분, 2) 전자를 흡수하는 부분 두 가지 영역으로 구분된 2극관이다. 2극관은 참으로 이해하기 쉽고 이해하기 쉬운 만큼 심플한 기능을 수행한다. 무엇인가하면 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 것으로 요즘의 다이오드소자와 완벽하게 동일하다.

필라멘트가 가열되고 열과 전자를 방출하면 열은 차단되고 전자만 캐소드(음극, Cathode)를 지나 Plate로 표현된 양극(Anode)로 이동한다. +와 -의 대응에 있어서 +/+, -/-는 반발을 하고 -/+, +/-는 서로 붙으려고 하는 것을 상상하면 이해가 쉽다. 요지는 이 세상의 모든 것처럼 전자(-)는 플레이트(+)를 찾아 이동한다는 것. 플레이트는 열전자 방출을 할 수 없으므로 반대의 흐름, 즉 Plate에서 Cathode로 전자가 움직일 일은 절대로 없다. 그러므로 한 쪽 방향으로 전자이동(전기의 흐름)이 일어난다는 것이고 그것이 정류작용을 한다는 것이다. 정류는 전기의 흐름을 정제한다는 것으로 한쪽 방향으로 쭉~ 밀어내는 효과를 생각하면 된다.

(출처 : http://www.justinholton.com/hotrod/images/tubes/tube.gif)

3. 3극관 이해

3극관은 2극관에 전자를 밀어내거나 튕겨내는 망사형 그리드(Control Grid)를 배치한 구조를 갖고 있다. 100% 차단하는 것은 의미가 없으니 망사형 또는 코일형 등등의 방법으로, 일부는 전자가 플레이트로 이동할 수 있도록 배려한다. 그러니까 물고기잡을 때 작은 고기는 빠져나갈 수 있는 그물의 원리같은 것이다.

그리드에 많은 반발전자를 공급하면 그 만큼 캐소드에서 애노드로 이동하는 전자들이 튕겨져 나가고 작게 공급하면 100%에 근접하게 캐소드 방출전자가 애노드에 다다르게 된다. “많다”라는 것은 상대적인 것으로서 1) Cathode → Anode 흐름을 큰 강이라고 생각하고 2) Grid를 수문이라고 하면 3) 수문의 여닫힘에 딸 큰 강의 흐름이 일파만파 영향을 받게 된다. 1)과 2)의 관계식에 있어서는 물리적인 배율(증폭율)이 적용되므로 3극관은 분명히 증폭소자로 작용하게 된다.

(출처 : http://www.privateline.com/tube/triode.jpg)

다음은 3극관 이용 증폭기 표준회로도이다.

Heater는 열전자방출을 위해 반드시 필요. 이것이 없는 오디오 진공관은 없다. 캐소드에서 방출된 전자는 그리드의 제어에 따라 반발 또는 통과되고 플레이트로 이동한다. 양극, 음극이 필요하므로 진공관 구동에는 DC 전압, DC 전류가 꼭 필요하다.

(출처 : http://www.dogstar.dantimax.dk/tubestuf/graphics/cctriode.gif)

4. 표준형 증폭회로 이해

다음은 3극관과 4극관을 이용한 앰프회로도. 6J4가 3극관 증폭원리 그대로 1단 증폭을 하고 0.1uF 커플링커패시터를 거쳐 그 신호가 6L6의 첫 번쨰 그리드로 간다. 470K 오움은 신호전압을 만들기 위해 붙여진 것. 그리고 2차 그리드를 거쳐 6L6의 플레이트로 전자가 이동. 플레이트는 +전위를 갖고 있어야하므로 전원공급기로부터 고압을 공급받는다. 고압이라… 입력교류전압이 220V이므로 루트2(1.414) x 220 = 약 311V DC 전압이다. 이래서 사람들이 종종 진공관 앰프 만지작거리다가 전기충격을 받는다.

(출처 : http://www.tubeamp.net, 한국진공관앰프자작동호회에는 아주 많은 자료가 있다!)

위 전원부에서 트랜스포머 2차측은 두 개로 나뉘어 있다. 한 개는 회로에 고압을 공급하는 것이고 다른 하나는 필라멘트에 전기를 공급하는 AC 6.3V 생성용이다. 필라멘트는 열전자를 방출하는 것뿐이니 AC를 그대로 써도 된다. 집에서 쓰는 백열전구와 다를 것이 하나도 없다. 그러나 회로에는 분명 DC 전압이 공급되어야 한다. 예전에는 정류관을 사용했지만 그것은 반도체 정류소자인 다이오드가 없었을 때 이야기이고 요즘엔 그런 것 쓸 필요없이 고압 정류다이오드를 쓰면 된다.

[ 6L6 데이터 스펙 ]
6l6gcrca.pdf

[ 6J4 데이터 스펙 ]
6J4.PDF

아무튼 위 회로에서는 고압 브릿지 다이오드와 450V/100uF 평활콘덴서를 거쳐 직류를 만들어 내고 혹여 모르는 전원부 잡음유입을 고려하여 코일을 직결. 그리고 적당한 저항을 거쳐 6L6 플레이트에 +전압을 공급한다. 증폭을 하고 나서 종단에 출력트랜스포머를 쓴다. 출력 트랜스1차엔 예의 고압이 걸리지만 2차에는 스피커 구동에 필요한 전압, 즉 순수한 음향성분만 유기된다. 4오움, 8오움, 16오움 임피던스를 갖는 다양한 스피커에 대응하기 위해 Tap을 가공해 놓았다.

한편, 이 트랜스포머의 특성이 음색에 미치는 영향은 실로 막대할 것이다. 예를 들어 고역 주파수 변화가 빠르게 트랜스포머를 통과하지 못한다면 둔한 음들이 들릴 것이고 저역 주파수가 통과하면서 트랜스포머를 진동시켜 악영향을 줄 수도 있다.