증폭용 3극 진공관의 속성 - 빈티지 오디오 콘텐츠와 판매, 오디오퍼브

글쓴이 : SOONDORI

2극 진공관의 필라멘트/캐소드와 플레이트 사이에 그리드(Grid)를 놓고 그 그리드에 음(-)의 전압을 공급하여 통과하려는 전자(-)의 이동을 방해하면, 그리고 그 방해 작용의 변량보다 플레이트에 도달한 전자의 양이 더 많다면, 증폭 기능을 가진 것을 만들 수 있다.

(▲ ERlog社 ER 211 3극관의 내부. 필라멘트 발열 → 물리적 현상으로서의 전자 방출 → 왼쪽에 있는, 열 취급에 유리한 검은 톤의 플레이트에 전자 도달. 이때 둘 사이에 망형 그리드를 배치하고 그것을 신호 전달 라인에 연결하면 전자 흐름을 억제 즉, 통제할 수 있다. 진공관은 장인이 손으로 직접 만들 수 있다는 게 강점이다. 출처 및 글 열람 : https://vinylsavor.blogspot.com/2013/05/211-and-845-triodes-made-in-germany.html)

(출처 : https://www.ebay.co.uk/itm/225510628969)

무엇을 키우는 기능이 없고는 차이는 매우 큼. 그리고… 많은 이들이 머리를 굴려 가며 별 희한한 회로를 만들고, 나아가 두 번째, 세 번째, 무한대의 그리드를 넣기 시작한다. 3극관 트라이오드(Triode), 4극관 테트로드(Tetrode), 5극관 펜토드(Pentode)…

한편, 쏟아지는 전자 알갱이와 금속 구조물 사이에 적용되는 차일드-랭뮤어(Child-Langmuir) 법칙이라는 것도 있다. 요지는, 진공관의 속성이 내부 구조물의 형태나 크기나 금속 절편의 접근 거리 등 구조적인 것에 크게 영향을 받는다는 것. (뭐… 전자 이동의 물리적 경로에 집중하는 소자이므로, 막연하게 상상해 보아도 당연한 것 아닌가?)

여기서 V는 플레이트 전압, A는 음극의 면적, D는 음극과 플레이 사이 거리(cm)

3극 진공관을 쓰는 방법은?

데이터시트를 따라가서, 필라멘트에 제시되는 전압(AC 또는 DC) 전압을 인가하고, 플레이트 전압을 설정하고, 어떤 전류가 흐를 것이라고 하니까 그런가 보다 하고, 나머지도 그런가 보다 하고… 마치 리드 3개짜리 트랜지스터처럼 인식하고 취급하고 이해하면 그만.

회로도를 볼 때는, 입력(=그리드, 트랜지스터의 Base), 출력(=플레이트, 트랜지스터의 에미터나 콜렉터), 환경(=캐소드+필라멘트, 트랜지스터의 남은 리드)으로 단순화하거나 가상의 트랜지스터로 치환하면 되고…

(▲ 널리 쓰이는 12AX7을 이용한 2단 증폭 회로 예시. 여기서, 적색 = 신호 경로, 녹색 = Negative Feedback. 출처 : https://electronics.stackexchange.com/questions/156301/how-does-a-vacuum-tube-amplifier-work)

(▲ 마찬가지 방법으로 분해/인식. 녹색 마킹한 커플링 커패시터가 필요한 것은, 오로지 DC 라인 전압과 등락 신호를 분리하기 위한 것. 출처 : http://agalavotti.altervista.org/ACLASSEL34/AClassEL34.html)

이상에서, 3 극관 단독인 것, 위와 같이 두 개 3 극관이 편의점 1+1 스타일로 묶인 것, 3극관에 4극관, 5극관 등이 함께 묶인 것, 그렇게 다양한 조합의 제품이 있다. 그러므로 눈에 보이는 진공관이 꼴랑 한 개뿐이라고 다짜고짜 무시하면 안 됨.

이제, 흔히 볼 수 있는 12AX7의 데이터시트를 살펴보면…

1) 오디오 앰프, 기타 다양한 산업용 회로를 만들 수 있는, 엄지 손가락만한 크기의 범용관. GE는 ‘High Voltage Gain’ 즉, 고이득관임을 강조하고 있다.

실제로 (플레이트 전압에 적당히 비례하는) 30~70배 범위의 증폭도를 갖는다. 경우에 따라서는 트랜지스터에 맞먹는 수치.

3) 다양한 그래프가 데이터시트에 담겨 있지만, 생략. 그리고는 트랜지스터의 I-V 커브와 같은 것이 눈에 들어오는데… 아래 그래프에서, 플레이트 전압이 DC 200V이고 그리드 전압(=전자 이동 방해를 위한 – 전압)이 -1V일 때, 플레이트 전류가 약 2.3mA 정도 흐른다고 한다.

“에게게~?”

수십 mA, 수 A가 아니어도 되는 것은 이 진공관이 본격적인 출력관이 아닌 데다가… ‘전압 × 전류 = 전력’ 공식을 가지고 가늠해 보면, 200V × 0.0023 = 0.46W, 무려 0.5W 정도를 취급하는 셈이니까 나름 잘하고 있는 것.

예를 들어, 그 전력이 고스란히 스피커에 전달된다고 가정하면? 게다가 진공관 시절의 빈티지 스피커가 대체로 너풀너풀, 상당히 반응 민감도가 높다는 점을 고려하면? 그리고 12AX7 중심 출력 회로에 SPL 80dB 초반의 모던한 스피커를 연결할 리가 없다고 전제를 달면? 나름대로는 충분한 소리가 날 것이다.

그렇게 간주하고 트랜지스터식의 1석(石)과 같은 회로를 생각해보면,

(▲ 흔히 너무 뻔한 필라멘트 배선은 생략한다. 캐소드가 에미터 역할을 하는 것은 아니지만, <트랜지스터 리드 3개> : <진공관 핀 3개>의 대응 구조를 맞추기 위해서, 적당히 그렇게 표현함)

– 회로 초입, 왼쪽에서 오른쪽으로 등락하는 미세 신호가 전달된다
– 그 신호가 그리드에 연결되고 전자 이동에 대한 부(負) 즉, 방해 요소로 작용하는데, 어느 정도 방해해야 하는지를 결정하기 위해서 즉, 그리드 전압을 결정하기 위해서 음의 GND에 연결된 적색 RG 저항을 연결해 놓았다.
– 한편, 녹색으로 표시된 RK와 CK에 의해서 캐소드 상태가 정의될 것이고… CK는 정중동을 위한 것.
– 트랜스포머 1차 측을 거쳐서, 흔히 B 전원이라고 불리는 수백 V DC가 공급되면… 이 3극 진공관은 원론에 맞게 동작한다. 여기서, 직류 전원 공급 라인을 타고 흐르는, AC와 같은 아날로그 신호는 각각 혼재될 수 있고 필요에 따라 AC 성분만 따로 빼낼 수 있다는 점에 유의한다.

그렇기 때문에, 비싼 트랜스포머를 쓰지 않고 다음과 같이 커패시터 커플링을 할 수도 있음. 트랜지스터 증폭 회로와 완벽하게 같다.

(▲ 안쪽 부하저항인 RA는… “신호야, 가급적 그쪽으로는 가지 말고 커패시터 쪽으로 빠져라” 정도로 치환하여 이해하고, 커플링을 거친 신호(전류)는 종단 부하저항인 RL이 있어야 전압 형태가 된다. 없으면 다음 단에 물리는 국부 회로 전체가 부하. 이상 출처 : https://www.homecookingwithvalves.com/Triodescircuits-and-Simulations/Basic-Triode-Circuits.html)

“아? 그러면 이게 여기에서 전달되서 저쪽으로 가고…” 뭐… 진공관은 단품 그 자체가 배선도와 다름없기 때문에, 이후의 반도체식 회로나 IC 회로보다 훨씬 더 요해하기가 쉽다.

참고로, 12AX7, 12AT7, 12AU7은 계열 모델인데, 에라이~ 다짜고짜 관을 바꾸는 것만으로도 음이 달라지더라. 어떤 게 더 좋았는지는 기억이 나지 않음.

아무려나 엇비슷한 제품을, 각기 다른 제조사의 제품을, 구품을 또는 신품을 교체하는 것은 심심파적으로 OP.AMP 바꿔보는 것과 같은 맥락의, 호기심 많은 DIYer의 즐길거리라는 생각. (표제부 사진의 제품은 1940년대에 제조된 RCA 8000 3극관. 출처 : https://www.etsy.com/uk/listing/228414754/rca-8000-vacuum-tube-large-triode)

○ 다음은 독일의 진공관 제작 회사인 ERlog社 탐방 기사.

* URL : https://vinylsavor.blogspot.com/2013/05/211-and-845-triodes-made-in-germany.html