DIY 100W 서브우퍼 앰프: 콤팩트하고 비용 효율적인 베이스 부스트

무소음 고품질 베이스 사운드를 구현하는 방법을 찾고 계신가요? 필요한 것은 서브우퍼 앰프 회로입니다. 콤팩트할 뿐만 아니라 제작 비용도 저렴합니다. 게다가 기기나 시스템에 오랫동안 사용할 수 있습니다.

서브우퍼 드라이버

출처: Wikipedia

오늘은 20Hz~200Hz 범위의 저주파 오디오 신호를 생성하는 서브우퍼/스테레오 앰프 회로를 설계해 보겠습니다. 출력 전력은 100W이며 4옴 스피커 부하로 동작합니다.

1. 서브우퍼 앰프 회로란?

서브우퍼 앰프 회로는 저주파 오디오 신호를 생성하는 스피커입니다. 즉, 입력 오디오 신호를 증폭하여 스피커의 베이스 품질을 향상시킵니다. 또한 고조파 왜곡을 제거합니다.

수동 서브우퍼가 한 예입니다. 외부 앰프에서 전력을 공급받지만 스피커 인클로저 타입 설계도 가지고 있습니다.

스피커

출처: Wikipedia

2. 서브우퍼 앰프 회로 원리

서브우퍼 앰프 회로의 원리는 저주파 오디오 신호를 증폭하는 것입니다.

• 첫째, 오디오 입력 신호를 필터링하여 고주파 신호를 제거합니다.
• 둘째, 전압 앰프가 저주파 신호를 증폭합니다.
• 셋째, 여러 구성을 통해 저전압 신호를 필요한 레벨로 높입니다.
• 마지막으로 트랜지스터가 증폭된 저주파 사운드를 전력 신호로 변환합니다. 결국 전력 신호는 베이스/큰 소리와 최소한의 노이즈를 생성합니다.

전문가 팁

• 실내 공기 부피와의 최적 결합과 최고 효율을 위해 서브우퍼 스피커를 모서리에 배치하세요.
• 또한 인클로저 변형을 활용하여 앰프 전력 요구 사항을 줄이고 서브우퍼 드라이브 효율을 높이세요.
• 개인 연결 시 안티바이러스를 사용하여 장치를 검사하여 감염된 장치의 가능성을 줄이세요.

100와트 서브우퍼 앰프

회로도

100와트 서브우퍼 앰프 회로도

회로 부품

위 다이어그램에서 볼 수 있듯이 100와트 스테레오 앰프 회로 제작에 필요한 부품은 다음과 같습니다:

• 듀얼 전원 공급 장치: ±30V
• Q1: 2N222A
• Q2, Q3: TIP41
• Q4: TIP147, PNP
• R1, R2: 6K
• R3: 130K
• R5: 15K
• R6: 3.2K
• R7: 300옴
• R8: 30옴
• R9, R10: 3K
• D1, D2: 1N4007
• C3, C5, C6: 10uF, 전해
• C4: 1uF, 전해
• C1, C2: 0.1uF, 전해

부품에 따라 앰프 서브 회로 아이디어도 얻을 수 있으며, 이는 앰프 프로젝트에도 유용합니다.

오디오 필터 설계

첫 번째 설계에서는 오퍼레이셔널 앰프 LM7332를 사용하여 살렌-키 저역통과 필터를 구성합니다.

살렌-키 필터 토폴로지

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차단 주파수를 200Hz, 품질 계수를 0.707로 가정합니다. 또한 극의 수를 1로 하고 C1, C2 값을 0.1uF로 설정합니다.

따라서 알려진 값을 대입하여 R1과 R2의 동일한 값을 다음 공식으로 구할 수 있습니다.

R1 = R2 = Q/(2*pi*fc*C2)

각 저항의 결과값은 5.6K입니다. 하지만 더 나은 정확성을 위해 R2와 R1에 6K를 사용하겠습니다.

가변 저역통과 필터의 비반전 단자 저항은 포함하지 않습니다. 출력 단자에 단락이 있는 필터가 아닌 폐루프 이득 필터를 원하기 때문입니다.

프리앰프 설계

프리앰프 설계에서는 2N222A 트랜지스터의 클래스 A 동작을 적용합니다.

(트랜지스터)

공급 전압 30V, 부하 저항 4옴, 출력 전력 100W가 필요합니다.

컬렉터 정지 전압을 공급 전압의 절반(15V)으로, 컬렉터 정지 전류를 1mA로 설정할 수 있습니다. 부하 저항 값 계산 시 15K가 되어야 합니다.

R5 = (Vcc/2Icq)

베이스 전류: I_b = Icq/h_fe

위 공식에 AC 이득/hfe 값을 대입하면 베이스 전류는 0.02mA가 됩니다. 바이어스 전류 I_b는 보통 베이스 전류의 10배이므로 0.2mA가 됩니다.

이미터 전압 Ve는 대략 전원 전압의 12%인 3.6V입니다. Vb/베이스 전압은 Ve에 0.7을 더한 4.3V가 됩니다.

R4와 R3 값을 구하는 공식은 다음과 같습니다:

R3 = (Vcc – Vb) I_bias, R4 = Vb/ I_bias

값을 대입하면 R4는 22K, R3은 130K가 됩니다.

이미터 저항(Ve/Ie)은 3.6K이며, 이 값은 R7과 R6이 나눠 가집니다.

R7은 피드백 저항으로 C4의 디커플링 효과를 감소시킵니다. 이득과 R5 값(300옴)을 계산하여 R7 값만 구하면 됩니다. 따라서 R6 값은 3.2K가 됩니다.

마지막으로 C4 값은 1uF입니다. 이미터 저항이 C4의 용량성 리액턴스보다 커야 하기 때문입니다.

파워 앰프 설계

파워 앰프 AB는 달링턴 트랜지스터인 TIP147과 TIP142를 사용하는 클래스 AB 모드로 동작합니다. 따라서 바이어싱 다이오드는 트랜지스터와 유사한 열적 특성을 가져야 합니다(1N4007).

1N4007 다이오드

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저바이어스 전류에는 높은 바이어스 저항 값이 필요하므로 R9에 3K가 적합합니다. 또한 파워 앰프는 드라이버 단계에서 높은 임피던스 입력을 받습니다. 따라서 TIP41 파워 트랜지스터를 클래스 A 모드로 사용합니다.

R8 값은 이미터 전류(0.5A)와 이미터 전압(1/2Vcc - 0.7) 값과 같습니다. 최종 값은 28.6옴이지만 여기서는 30옴 저항을 사용합니다.

부트스트랩 저항 R10은 TIP147과 TIP142 트랜지스터에 높은 임피던스를 제공해야 합니다. 따라서 3K를 권장합니다.

서브우퍼 앰프 회로 동작

단계별 설명으로 서브우퍼 앰프 회로 동작의 기초를 설명합니다.

• 위 설계의 살렌-키 저역통과 필터가 오디오 신호를 필터링합니다. 200Hz 이하의 주파수만 통과하고 나머지는 필터링됩니다.
• 커플링 트랜지스터와 C3를 통해 Q1의 입력으로 저주파 신호가 들어옵니다. Q1이 클래스 A 모드로 동작하므로 출력에서 오디오 입력 신호의 향상된 버전을 얻습니다.
• Q2가 증폭된 신호를 고임피던스 신호로 변환하여 클래스 AB 파워 앰프로 전달합니다.
• TIP147과 TIP142가 출력 신호의 완전한 주기를 제공합니다. 한 트랜지스터는 음의 반주기, 다른 하나는 양의 반주기를 담당합니다.
• R13과 R11은 매칭 트랜지스터 간의 차이를 줄입니다.
• 다이오드는 최소한의 크로스오버 왜곡을 유지합니다.
• 최종적으로 고전력 출력 신호가 약 4옴의 저임피던스 서브우퍼/스피커를 구동합니다.

서브우퍼 앰프 회로의 응용 분야

서브우퍼 앰프 회로의 몇 가지 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 사운드 응용 분야: 콘서트, 전자 댄스 음악, 보강 시스템 등에서 주로 찾아볼 수 있습니다. 자동차, 일부 극장, 홈시어터 시스템에도 이 회로가 있습니다.

(홈시어터 시스템)

• 고전력 안테나용 전력을 끌어오려는 경우 장거리 전송
• 최저 주파수 신호용 파워 앰프로 사용

서브우퍼 앰프 회로의 한계

한계점은 다음과 같습니다:

• 첫째, 회로 예시는 이론적이며 출력에 왜곡이 발생할 수 있습니다(어쿠스틱 음악 장르 등).
• 필터 회로가 오디오 신호의 DC 레벨을 때때로 증가시켜 바이어싱에 방해가 될 수 있습니다.
• 기존 스피커처럼 노이즈 방해를 제거하지 못할 수도 있습니다.
• 마지막으로 선형 소자로 인한 전력 소모로 회로 효율이 떨어집니다.

결론

요약하자면, 서브우퍼 앰프 회로는 저주파 사운드를 생성하는 가장 확실한 방법입니다. 이 글에서는 더 나은 사운드 애플리케이션 품질을 달성하기 위한 단계를 강조했습니다. 그래도 궁금한 점이 있거나 설명이 필요하면 연락 주세요. 답변드리겠습니다.