12AX7 관을 어디서 구하냐고요? 이 관은 많은 프로 전기 기타 앰프의 "프리앰프" 단에 쓰여 매우 인기 있습니다.
좋은 악기점에 가면 적당한 가격($12 이하)에 구할 수 있습니다. 러시아 제조사 Sovtek이 신제품으로 생산하므로, 폐업한 미국 제조사 남은 "NOS(New-Old-Stock)" 부품에 의존할 필요 없습니다.
이 관 모델은 전성기 때 인기가 많아 오래된 "관식" 전자 시험 장비(오실로스코프, 발진기)에도 쓰였습니다. 그런 장비에 접근할 수 있다면 거기서 구할 수도 있지만, 골동품 장비에서 회수한 관보다는 새 관 구입을 강력 권장합니다.
이 앰프 전원 회로 출력(약 170V)을 견딜 수 있는 충분한 동작 전압(WVDC)을 가진 전해 커패시터 선택이 중요합니다. 예상 동작 전압을 훨씬 초과하는 전압 정격의 커패시터를 선택해 예상치 못한 전압 서지나 커패시터에 부담을 줄 다른 이벤트에도 대비하길 강력 권장합니다.
Radio Shack 전해 커패시터 세트(카탈로그 #272-802)를 샀는데 47µF, 250WVDC 커패시터 2개가 들어있었습니다. 운이 없으면 50WVDC 커패시터 5개로 250WVDC 1개를 대체해 이 회로를 만들 수 있습니다:
이 5개 커패시터 네트워크의 총 정전 용량은 각 커패시터 값의 1/5, 즉 20%가 됩니다. 또한 네트워크 내 커패시터가 고르게 충전되려면 모든 커패시터 값(µF 단위)과 모든 저항값이 동일해야 합니다.
자동차 점화 코일은 자동차 엔진에서 스파크 플러그를 "점화"하기 위해 수만 볼트를 생성하는 특수 고전압 트랜스포머입니다. 이 실험에서는 (매우 비전통적으로!) 진공관과 8Ω 오디오 스피커 사이의 임피던스 매칭 트랜스포머로 사용합니다.
구체적 "코일" 선택은 중요하지 않으며, 양호한 동작 상태면 됩니다. 제 실험에 쓴 코일 사진입니다:
오디오 스피커는 화려할 필요 없습니다. 작은 "북셸프" 스피커, 자동차용 (6"x9") 스피커, 대형 (100와트) 3웨이 스테레오 스피커 모두 잘 작동합니다.
어떤 경우에도 헤드폰 세트를 쓰지 마세요. 점화 코일은 "플레이트" 전원 장치의 170V DC와 스피커 사이 전기적 절연을 제공하지 않아, 스피커 접점이 그라운드 대비 170V DC로 올라갑니다. 고전압이 걸린 와이어를 머리에 두는 것은 매우 위험하므로 절대 헤드폰을 쓰지 마세요!
이 앰프 회로에 입력 신호로 쓸 오디오 주파수 AC 소스가 필요합니다. 작은 배터리 구동 라디오나 음악 키보드를 추천하며, "헤드폰" 또는 "오디오 아웃" 잭에 적절한 케이블을 꽂아 신호를 앰프로 전달하세요.
Lessons In Electric Circuits, Volume 3, Chapter 13: "Electron Tubes" (전자관)
Lessons In Electric Circuits, Volume 3, Chapter 3: "Diodes and Rectifiers" (다이오드와 정류기)
Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 9: "Transformers" (트랜스포머)
진공관 전자공학의 세계에 오신 것을 환영합니다! 반도체 기술의 정확한 응용은 아니지만(전원 정류부 제외), 이 회로는 진공관 기술 입문과 임피던스 매칭 트랜스포머의 흥미로운 응용으로 쓰입니다. 이 회로 제작과 작동에는 치명적 전압 작업이 수반됩니다!
170V DC는 감전사로 이어질 수 있으니 이 회로 작업 시 극도의 주의를 기울이세요!! 초보자는 자격을 갖춘 전문가(경험 있는 전기기사, 전자 기술자, 엔지니어)의 도움을 받길 권장합니다.
경고: 앰프 회로가 통전 중일 때 어떤 와이어나 단자도 만지지 마세요! 어떤 이유로든 회로에 접촉해야 한다면 "플레이트" 전원 스위치를 끄고 필터 커패시터가 30V 미만으로 방전될 때까지 기다린 후 접촉하세요. 전원 켠 상태에서 회로 전압을 테스트해야 한다면 가능하면 한 손만 써서 팔-팔 간 감전 가능성을 피하세요.
고전압 전원 장치 제작: 진공관은 플레이트와 캐소드 단자 사이에 꽤 높은 DC 전압이 걸려야 효율적으로 동작합니다. 이 실험에 설명된 앰프 회로를 24V DC 정도로 낮게 동작시키는 것도 가능하지만, 출력이 미미하고 음질이 나쁩니다.
12AX7 트라이오드 최대 "플레이트 전압"(플레이트와 캐소드 단자 간 전압)은 330V이므로, 여기 지정된 170V DC 전원은 그 한계 내에 있습니다. 235V DC까지 올려 작동해보니 음질과 강도가 약간 개선됐지만, 실험자 추가 위험을 감수할 만큼은 아니었습니다.
전원 장치는 사실 두 가지 다른 출력을 냅니다: 플레이트 전력용 "B+" DC 출력, 그리고 "필라멘트" 전력(12V AC만). 관은 작은 필라멘트(때로 히터라 불림)에 전력이 가해져야 작동합니다. 캐소드가 열적으로 전자를 방출할 만큼 뜨거워져야 하는데, 실온에서는 일어나지 않기 때문입니다!
한 전력 트랜스포머로 가정용 120V AC를 12V AC로 강압해 필라멘트용 저전압을 얻고, 다른 트랜스포머를 승압 방식으로 연결해 전압을 다시 120V로 올립니다. "왜 120V로 다시 올리나? 벽면 콘센트에서 직접 120V AC를 뽑아 정류해 170V DC를 만들면 안 되나?"라 의아할 수 있습니다.
답은 두 가지입니다: 첫째, 두 트랜스포머를 통과시키면 앰프 회로 플레이트 측 우발적 단락에 흐를 수 있는 전류량을 본질적으로 제한합니다. 둘째, 플레이트 회로를 집 배선 시스템에서 전기적으로 분리합니다. 벽면 콘센트 전력을 다이오드 브리지로 정류하면 DC 양단자(+와 -)가 모두 집 전기 시스템의 안전 접지 대비 전압이 높아져 감전 위험이 커집니다.
두 트랜스포머 12V 권선 사이에 연결된 토글 스위치는 "플레이트 전원 스위치"라 표시돼 있습니다. 이 스위치가 승압 트랜스포머 전원을 제어해 앰프 회로 플레이트 전압을 제어합니다. 왜 메인 전원 스위치(120V 플러그 연결)를 쓰지 않나요? 메인 스위치 하나로도 같은 걸 달성할 수 있는데 왜 DC 고전압을 끄는 두 번째 스위치가 있나요?
답은 올바른 진공관 동작에 있습니다: 백열전구처럼 진공관도 필라멘트가 반복적으로 켜지고 꺼지면 "마모"됩니다. 이 추가 스위치로 필라멘트는 켜둔 채 DC 고전압만 끌 수 있어(회로 수정/조정 시 안전), 필라멘트를 반복 온/오프하지 않아도 됩니다. 또한 관이 완전 동작 온도에 도달하기 전에 플레이트 전압 인가를 지연시키는 좋은 습관을 들이게 합니다. 이 두 번째 스위치로 관이 동작 온도에 도달할 시간을 준 후 플레이트 전압을 인가할 수 있습니다.
작동 중에는 전원 장치 "B+" 출력( B+ 단자와 그라운드 사이)에 전압계를 계속 연결해 전원 전압을 지속 모니터링하세요. 이 미터는 "플레이트 전원 스위치"를 끌 때 필터 커패시터가 감전 위험 한계(30V) 이하로 방전됐는지 알려줍니다.
전원 장치 DC 출력에 표시된 "그라운드" 단자는 대지 접지(어스)와 연결될 필요 없습니다. 그저 앰프 회로의 대응 그라운드 단자 기호와 공통 연결을 나타내는 심볼일 뿐입니다. 실제 회로에선 이 두 "그라운드" 점을 잇는 와이어 한 조각이 있습니다. 언제나처럼, 회로 내 특정 공통 지점들을 공유 심볼로 지정하는 것은 전자 회로도 표준 관행입니다.
회로도에 필터 커패시터와 병렬로 100kΩ 저항이 표시돼 있습니다. 이 저항은 AC 전원이 꺼졌을 때 커패시터 방전 경로를 제공하므로 꽤 필요합니다. 이 "블리더" 저항이 없으면 커패시터가 "파워 다운" 후 오랫동안 위험한 전하를 유지해 추가 감전 위험이 됩니다.
제가 만든 회로(47µF 커패시터, 100kΩ 블리더 저항)에선 이 RC 회로 시정수가 짧은 4.7초였습니다. 더 큰 필터 커패시터 값(스피커에서 원치 않는 전원 "험" 최소화에 좋음)을 쓰면 더 작은 블리더 저항을 쓰거나, "플레이트 전원" 스위프 끄고 전압이 방전될 때까지 더 오래 기다려야 합니다.
앰프 회로에 전원을 대려 시도하기 전에 전원 장치가 안전하게 제작되고 신뢰성 있게 작동하는지 확인하세요. 이는 일반적인 좋은 회로 제작 관행입니다: 전원 장치를 먼저 만들고 트러블슈팅한 후, 그것으로 구동할 회로를 만드세요. 전원 장치가 제대로 작동하지 않으면, 구동 회로가 아무리 잘 설계되고 만들어졌어도 작동하지 않습니다.
앰프 제작: 21세기 진공관 회로 제작의 문제 중 하나는 이 부품용 소켓을 구하기 어렵다는 점입니다. 대부분 "수신용" 관 수명이 몇 년이라, "관식" 전자 장비는 관을 쉽게 탈착 교체할 수 있게 소켓을 썼습니다.
관은 여전히(악기 부품점에서) 상대적으로 쉽게 구할 수 있지만, 관이 꽂히는 소켓은 상당히 희귀합니다—동네 Radio Shack엔 없습니다! 그럼 소켓 없이 어떻게 관 회로를 만드나요?
소형 관의 경우, 22게이지 단심 동선을 관 핀에 직접 납땜해 솔더리스 브레드보드에 "꽂을" 수 있게 하는 우회로가 있습니다. 제 관 앰프 사진으로, 12AX7이 뒤집힌 상태(핀 위쪽)로 장착된 모습입니다.
사진 왼쪽의 10세그먼트 LED 바 그래프와 오른쪽 8위치 DIP 스위치 어셈블리는 이전에 같은 브레드보드에 조립한 디지털 회로 실험 남은 부품이니 무시하세요.
관을 이 위치에 장착하면 핀 식별이 쉬워집니다. 대부분 관 "핀 연결도"가 바닥 뷰로 표시되기 때문입니다:
앰프 회로도에 12AX7 내 두 트라이오드 소자가 병렬로 쓰임을 알 수 있습니다: 플레이트-플레이트, 그리드-그리드, 캐소드-캐소드 연결. 이는 관 출력을 최대화하기 위함이지만, 기본 동작 시연엔 필수 아닙니다. 단순화를 위해 두 트라이오드 중 하나만 써도 됩니다.
회로도에 표시된 0.1µF 커패시터가 오디오 신호 소스(라디오, 음악 키보드 등)를 관 그리드에 "결합"해 AC는 통과시키고 DC는 차단합니다. 100kΩ 저항은 그리드-캐소드 간 평균 DC 전압이 0이 되게 하고, 높은 레벨로 "떠"있지 않게 합니다. 일반적으로 바이어스 회로로 그리드를 그라운드 대비 약간 음으로 유지하지만, 이 목적엔 바이어스 회로가 가치보다 복잡성을 더합니다.
앰프 회로 테스트 시 라디오 수신기 출력과 나중엔 콤팩트 디스크(CD) 플레이어 출력을 오디오 신호 소스로 썼습니다. "모노"-"포노" 커넥터 연장 코드를 수신기/CD 플레이어 헤드폰 잭에 꽂고, 악어 클립 점퍼 와이어로 코드 "모노" 팁을 관 앰프 입력 단자에 연결해 다양한 진폭의 오디오 신호를 쉽게 보내 성능을 광범위 조건에서 테스트했습니다:
트랜스포머는 앰프 출력에서 진공관과 스피커 임피던스 "매칭"에 필수적입니다. 진공관은 고전압 저전류 소자이고, 대부분 스피커는 저전압 고전류 소자라 직접 연결하면 오디오 출력이 매우 낮습니다.
고전압 저전류 소스를 저전압 고전류 부하에 성공적으로 매칭하려면 강압 트랜스포머를 써야 합니다. 진공관 회로 테브난 저항이 수만 옴 대이고 스피커 임피던스는 약 8Ω이므로, 약 10,000:1 임피던스 비율의 트랜스포머가 필요합니다.
트랜스포머 임피던스 비는 권수비(또는 전압비)의 제곱이므로, 약 100:1 권수비 트랜스포머를 찾아야 합니다. 일반적인 자동차 점화 코일이 대략 이 권수비를 가지며, 고전압 권선에 극히 높은 전압 정격이 있어 이 용도에 잘 맞습니다.
점화 코일의 유일한 단점은 1차와 2차 권선 간 전기적 절연이 없다는 점입니다. 이 장치는 실제로는 오토트랜스포머로, 양 권선이 한 끝에서 공통 단자를 공유합니다. 즉 스피커 와이어가 회로 그라운드 대비 높은 DC 전압에 놓입니다.
이 사실을 알고 작동 중 그 와이어들을 만지지 않으면 문제 없습니다. 이상적으로는 트랜스포머가 완전 절연과 임피던스 매칭을 모두 제공해 스피커 와이어가 사용 중에도 완벽히 안전하면 좋겠습니다.
기억하세요, 회로 모든 연결은 전원 끈 상태에서 하세요! 연결을 육안과 옴미터로 점검해 회로도가 회로대로 만들어졌는지 확인한 후, 관 필라멘트에 전원을 넣고 약 30초 기다려 동작 온도에 도달하게 하세요.
두 필라멘트 모두 관 위/아래 뷰에서 보이는 부드러운 주황빛을 내야 합니다. 신호 소스(라디오/CD 플레이어/음악 키보드) 볼륨 컨트롤을 최소로 하고 플레이트 전원 스위치를 켜세요.
전원 장치 B+ 출력 단자와 "그라운드" 사이 연결된 전압계가 만전압(약 170V)을 표시해야 합니다. 이제 신호 소스 볼륨을 올리고 스피커를 들으세요. 모든 게 정상이면 정확한 소리를 스피커에서 명확히 들을 수 있습니다.
이 회로 트러블슈팅: DC 및 AC 실험 장에 설명된 민감한 오디오 검출기로 하는 게 최선입니다.
각 테스트 리드에 0.1µF 커패시터를 직렬로 연결해 검출기로 DC가 들어가지 않게 하세요. 한 테스트 리드를 그라운드에 연결하고 다른 리드로 회로 여러 지점에서 오디오 신호 확인하세요. 앰프 입력 커패시터 같은 고전압 정격 커패시터를 쓰세요:
단 하나 대신 두 결합 커패시터를 쓰면 고 DC 전압으로부터 장치를 격리하는 추가 안전도가 생깁니다. 추가 커패시터가 없어도, 검출기 내부 트랜스포머가 (제안대로 120V 전력 트랜스포머를 쓴 경우) "오디오 출력" 트랜스포머 대신 써서 이 같은 고전압 회로에서 신호 테스트용으로 쓸 때 안전을 위한 충분한 전기적 절연을 제공해야 합니다.
입력에서 좋은 신호가 있는지 테스트한 후, 관 그리드 핀, 관 플레이트 등 순서대로 확인해 문제 지점을 찾으세요. 용량 결합 방식이라 검출기는 과도한 전원 "험" 테스트도 가능합니다: 자유 테스트 리드를 전원 장치 B+ 단자에 대고 큰 60Hz 웅웅거림이 있는지 들으세요.
험은 아주 작아야지 크면 안 됩니다. 크면 전원 필터링이 충분히 안 된 것이니 필터 커패시턴스를 추가해야 할 수 있습니다. 앰프 회로의 고 DC 전압 지점을 테스트한 후 검출기 결합 커패시터에 상당한 전압이 충전될 수 있습니다.
이 전압을 방전하려면 자유 테스트 리드를 접지된 테스트 리드에 잠시 대세요. 헤드폰에서 "팝" 소리가 나며 결합 커패시터가 방전됩니다.
전압계로 오디오 신호 존재를 테스트하고 싶으면 그렇게 해도 됩니다. 민감한 AC 전압 레인지로 설정하세요. 전압계 지시가 신호 품질이 아닌 단순히 존재 여부만 알려준다는 점을 유의하세요.
대부분 AC 전압계는 DC 전압 소스에 처음 연결될 때 과도 전압을 기록하므로, 미터 프로브가 회로에 닿는 바로 그 순간 "스파이크"(강한 순간 전압 지시)가 나타났다가 진짜 AC 신호 값으로 급격히 떨어지는 것에 놀라지 마세요.
출력 전력이 1와트 미만임에도 이 작은 앰프 회로의 음질과 톤 깊이에 즐겁게 놀랄 수 있습니다.
물론 이 회로는 꽤 조잡하고 단순함과 부품 가용성을 위해 음질을 희생했지만, 진공관 증폭의 기본 원리를 시연하는 데는 충분합니다. 고급 취미가와 학생은 바이어스 네트워크, 부정 귀환, 다른 출력 트랜스포머, 다른 전원 전압, 심지어 다른 관으로 실험해 더 높은 출력과/또는 더 나은 음질을 얻을 수 있습니다.
테리와 셰릴 괴츠 부부가 만든 매우 유사한 앰프 회로 사진으로, 이런 프로젝트에 세심함과 장인 정신이 더해지면 무엇이 가능한지 보여줍니다.
산업기술
이름에서 알 수 있듯이 오디오 파워 앰프는 헤드폰이나 스피커를 구동할 수 있는 높은 수준으로 오디오 신호를 증폭합니다. 예로는 LM1875 IC(LM 시리즈)가 있으며 오늘 토론 주제가 될 것입니다. LM1875 앰프의 핀아웃, 응용, 특징, 응용 회로, 대체품에 대해 안내해 드리겠습니다. LM1875란 무엇인가? LM1875는 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)의 5단자 모노리식 파워 앰프 IC입니다. 듀얼 레일 또는 싱글 레일 전원 공급에서 작동할 수 있으며 내구성을 보장하는 내장 보호 기능이 있습니다. 또한
전자 회로 관점서 전압 증폭기(Voltage amplifier)는 입력 전압보다 높은 출력 전압 생성하는 모든 증폭기. 전력 증폭기(Power amplifier, 원신호보다 큰 전력 출력)와 구별. 더 높은 전압을 긴 배선/넓은 영역에 전송 필요할 때 쓰임. 트랜스포머처럼 전압 승압 가능. 호스 노즐 비유: 호스 내 물 흐름(전류)이 노즐서 세게 뿜어져 나가는(전압 증폭) 효과. 전력 공급 아닌 전압 증폭 전압 증폭기는 전력 공급 안 함. 주어진 회로 전력량 늘려 원하는 결과 얻는 장치. 모터 구동 등 전력 부하용 부적합. 오히려
