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[DIY] Multi-Hybrid Headphone Amp - 신정섭

앰프 기본 개념회로:


실제 앰프에서의 회로도:


A회로를 이용해 만든 앰프:


어제 이미 소개한대로 진공관-FET의 Hybrid 헤드폰 앰프를 만들었습니다.

위 회로도에서 보시는 바와 같이 너무나 간단하고 재미있습니다.
제가 아는한 지금까지 소개된 하이브리드 앰프 중 최고로 간단하고, 싸고, 쉽게 만들 수 있는 앰프라 생각합니다.

제목이 왜 "Multi-" 냐 하면 단순히 한가지만이 아니라 여러가지가 Hybrid로 상부상조 하면서 동작하는 아주 효율적인 앰프이기 때문입니다.

우선 증폭단은 널리 알려지고 전형적인 진공관 프리앰프입니다.
여기서 증폭된 신호는 출력단의 MOSFET에 의해 헤드폰을 A급 구동합니다. 이 출력단 회로는 Szekeres와 거의 같다고 보시면 됩니다.

이것이 기본적인 앰프 회로의 골격이고,
그것보다 더 핵심적인 두가지의 잔머리가 들어가 있습니다.

잔머리-1:
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6922 히터 전류가 300mA 이므로 각 채널에서 150mA의 정전류를 만들어서 보냅니다.
결과적으로는 6.3V 히터전압을 주는 것과 마찬가지입니다.
별도의 히터 전원이 없으므로 구조가 간단하고 이 앰프의 총 사용 전류량도 크게 줄어듭니다.
각 채널에서 힘을 모아 진공관의 불을 지펴주니 얼마나 아름답습니까. ㅎㅎ
채널당 150mA가 출력단의 정전류량으로 꽤 알맞은 정도인데 마침 히터가 300mA를 요구하니 이렇게 한 회로에서 만나라고 전생에 뭐가 있었는지도 몰라요. ㅋㅋ
게다가 출력단의 24VDC는 Szekeres와 같은 형태의 앰프에 사용하기엔 좀 높은 전압이었는데 히터전압으로 6.3V를 주고나니 약 18V가 되어 일석이조, 일석삼조입니다.


잔머리-2:
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24VDC로는 플레이트 전압이 충분하지 않으므로 9V 배터리를 한개 또는 두개 직렬로 추가하여 좀더 제 성능이 발휘되도록 합니다. (전류량은 채널당 0.5~1.5mA 이므로 아주 적음)

그러므로 의해 진공관 사용시 가장 골치아픈 문제중 하나인 전원이 해결됩니다.

그런데 위에 회로가 2개 있습니다. A회로, B회로...
두가지의 차이가 있고 장단점이 있습니다.
우선 배터리 문제입니다.
A회로는 배터리가 부품의 일부처럼 사용됩니다.
B회로에선 전원과 같이 생각하면 되고...

그러므로 A회로로 구성할 때 같은 배터리로 좌우 채널을 동시에 쓸 수 없습니다. ㅠ.ㅠ
즉 A회로는 채널마다 별도의 배터리를 사용해야 합니다.
대신 A회로는 출력단과 직결(Direct Coupled)되므로 커플링 콘덴서가 필요없고요...

저는 일단 A회로로 만들었고,
채널당 9V 배터리 한알을 써서 실제 진공관 입장에서의 공급전압은 24 + 9 = 33 VDC가 되도록 했습니다.

제대로 만들기 보다는 실험적으로 만든 것으로,
기판도 그냥 페놀 단면기판에, 케이스 역시 카프라 조각 3개를 이용하여 목공 본드로 붙여서 급조한 것입니다.
원래 B회로까지 염두에 두고 만들었던 것이라 앰프 뒷쪽의 만능기판에 공간적인 여유가 있습니다.
나중에 기회가 있으면 좀더 정성들여 만들어 볼까 합니다.

자작시의 Comment
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- 진공관은 신품(NOS)으로 Philips의 JAN (Jointed Army and Navy, 미 군용) 6922관을 http://www.dhtsound.com 에서 9천원에, 9핀 소켓은 역시 2500원에 구했습니다. 시중에선 1500-2000원짜리 페놀이나 플라스틱한 재질로 된 저가형도 있는데 이곳의 소켓은 세라믹이고 도금된 핀이라 품질이 좋습니다.

- 한편 여기서 3알을 구입했는데 dhtsound에서는 나름대로 페어 매칭된 것을 보내주느라고 3알의 특성이 거의 같은 것으로 보냈더군요. 그런데 이 앰프에선 서로 다른 진공관과 페어가 맞는 것은 아무 의미가 없고, 오히려 한 알에서 각 채널의 특성이 같은 것이 매우 중요한 데, 불행히도 그 특성은 크게 달랐습니다.

- 진공관은 6922외에 6DJ8, ECC88 등 몇가지와 핀 호환이 되지만 각각 히터전류량 등 특성 차이가 있을 수 있으므로 데이터시트를 보시고 회로를 수정하시기 바랍니다. 그리고 9번 핀은 안 씁니다. (한편, 6922는 X-CAN 1이나 Cary등 상당히 많은 앰프에 사용되었던 진공관으로 압니다.)

- 단, 같은 6922라도 아무 조정없이 관만 교체하면 소리가 제대로 나지 않거나 아예 안 들리기도 합니다. 그러므로 관을 교체하면 반드시 가변저항으로 재조정을 해야 합니다.
특히 다른 제조사의 관이라면 더욱 더...

- 한편, Audioparts 같은 곳에선 이 진공관은 고가의 선별관을 사용하지 않으면 30-40%관에서 잡음 등이 생기는 것처럼 "겁"(?)을 주고 있는데, 제가 마구 구한 저가의 6개 진공관에서 그런 문제는 발생하지 않았습니다. 일단 저렴한 것으로 시작하여 마음에 드시면 업그레이들 하시기 권합니다. 가끔씩 중고 장터에서 저렴하게 구입할 수도 있으니 참고하시고요. 저는 6922 중고 3알(Sovtek 2알, 제조사 불명 1알)을 12000원에 구입하기도 했습니다.^^

- 실제로 제 앰프에선 8.3옴 저항을 구할 수 없어서 15옴과 20옴 저항을 병렬연결하여 8.57옴 저항을 만들었습니다. 이 경우 정전류는 150mA(=1.25/8.3)가 아니라 146mA (=1.25/8.57) 정도 나오는데, 진공관에서 실측해 보니까 히터전압이 6V가 나오네요.
일부러 히터전압을 10% 정도 줄여서 성능은 그대로 두고 진공관의 수명을 대폭 증가시키기도 한다는데, 6V라면 합격입니다.^^

==> 나중에 다시 생각해 보니 15옴&20옴 사용보다는 10옴&47옴이 더 흔한 용량이고 저항값도 8.25옴이 되어 8.3에 보다 근접한 값이 됩니다. 특히 작동 중에 온도가 올라가면 저항값도 다소 상승하므로 8.3에 더욱 근접할 겁니다.

- 2.2K 가변저항을 조정하여 진공관 플레이트로의 정전류량을 조정해야 합니다.(이에 따라 Gain도 변합니다.) 즉 A회로의 경우 JFET CCS를 지나자마자 전압이 약 17-18V가 나오도록 조정합니다. 조정하고 나니까 약 1mA 내외의 전류량이 흐르더군요.
아. 물론 진공관을 켜고서 최소한 10분이상 지나서 안정되는 것을 봐 가면서 조정해야 합니다. 처음 켤 때와는 아주 달라집니다.

- 가변저항을 돌려서 저항값을 줄일수록 Anode Current, Anode Voltagerk 증가하고 Gain은 감소합니다.

- 30옴 더미저항을 연결하여 작동시키니까 Gain이 13정도 나왔습니다. 그래서 출력단에 120옴 저항을 달아서 Gain이 약 2.7 정도 되게끔 조정했습니다. 그런데 진공관의 각 채널이 차이가 있습니다. 선별관이 아니어선지는 모르지만 10-20% 정도...
그러므로 증폭률이나 동작점이 좌우 채널 다르게 됩니다.

- 이러한 좌우 채널이 다른 부분은 JFET의 gate 전압이 17-18V를 크게 벗어 나지 않는 범위에서 2.2K 가변저항으로 각 채널의 Gain이 같아지도록 조정할 수 있습니다.

- 귀로 듣기로는 배터리를 아예 빼고 대신 그 부분을 쇼트시켜서 24VDC 어댑터만으로 들어도 별 차이를 모르겠습니다. 물론 나머지 조정값들은 위와  거의 같고요.(즉 JFET Gate에서 약 18V 되도록) 약식으로 배터리 없이 들어도 좋을 듯 합니다.

- 지금 조용한 사무실에서, 풀볼륨 근방을 제외하고는 잡음을 거의 느낄 수 없습니다.(24VDC 1.5A SMPS 사용) 그렇다고 이 앰프가 잡음에 강하다는 것은 아닙니다.
일점 접지를 꼭 하시기 바라고, 특히 배터리가 부품의 일부라는 점을 유념해서, 배터리 스냅의 전선 등을 가급적 짧게 해야 합니다. 공간에 여유가 있다면 아예 배터리 스냅을 기판에 땜질해 두는 것도 좋을 것 같습니다.
또한 아무래 앰프나 전원에서 문제가 없다고 해도 주변 환경 때문에 잡음(전기장판 따위...)이 유입될 수 있으니 앰프 제작시엔 이점 유념하셔서 쓸데없이 고생하는 일은 피하시길 바랍니다.
저는 재미있게도 1.5m 떨어져 있는 레이저 프린터가 작동할 때 잡음이 유입되는군요.^^

- 아. 알고보니 풀볼륨에서의 작은 잡음도 앰프에서 난 것이 아니라 24VDC SMPS에서 유입된 것이군요. 제가 LM317로 제작했던 정전압 전원으로 공급하니 풀볼륨에서도 잡음이 없습니다.

- 또한 기특한 것은 배터리는 별도로 On/Off 할 필요가 없이 그대로 연결해두면 앰프 작동시에만 배터리가 소모됩니다. 그러므로 배터리 쪽에 별도의 스위치는 달지 않았습니다.
즉, 앰프 전원을 위해 스위치 볼륨을 사용할 수 있습니다.

- 현재의 상태에서 채널당 IRF610에서는 1.6 Watt 정도가, LM317에서는 0.9 Watt 정도가 Idle 시 발열됩니다.

- 방열판은 공간 문제 때문에 좀 작은 것을 썼습니다만 지금 사진에서 제가 쓰는 것보다 한 치수 위의 것을 쓰시면 더 좋을 것 같습니다. (사진에서 두가지 방열판중 큰 놈이 9V 배터리 절반만 합니다.)
물론 지금 제 앰프에서도 열이 심각할 정도로 많이 나진 않습니다.
온도 측정 결과, IRF610 방열판은 65-70도, LM317 방열판은 75-80도 정도 되는군요.

- 효율적인 디자인 덕으로 총 소비전류가 하이브리드 앰프로는 아주 적습니다. 약 0.3A의 전류가 소모됩니다.

- JFET는 꼭 2SK30A가 아니라도 다른 것으로 대체가 가능합니다. 대신 제가 사용한 JFET와 Idss값이 너무 다르면 가변저항 2.2K를 다른 용량으로 바꿔야 합니다.
어떠한 방법과 부품으로든 0.5~1.5 mA 사이에서 조절하며 정전류를 보낼 수 있기만 하면 됩니다.

- 아마 통상적으로 구하게 되는 2SK30A의 Idss 값 2-4 mA 정도가 될텐데(Y랭크나 GR랭크의 경우...) 랭크에 따라 다르고 같은 랭크에서도 그 값 차이가 많습니다.
제가 사용한 JFET는 Idss가 약 2.8mA 였고, 1K 저항을 달면 약 1 mA 정도 나오더군요. 그래서 제가 2.2K 가변 저항으로 결정한 것입니다.

만약 같은 JFET로 0.5mA 가 나오게 하려면 약 1.5K-2K 정도가 저항값이 되지 않을까 생각합니다.
그러므로 Idss가 4mA나 또는 그 이상인 JFET를 사용한다면 2.2K 가변저항으로는 0.5mA를 나오게 조정하지 못할지도 모릅니다.

한편, Idss=1.8 mA인 JFET에 400-500옴 정도를 다니까 약 0.5mA 나오더군요.
하여간 일반적으로는 2.2K 가변저항으로 조정이 될텐데 혹시 매우 큰 (약 4-5mA 또는 그 이상) Idss를 가지는 JFET를 사용할 경우는 2.2K 보다 큰 trimmer가 필요할 것 같습니다.

- MOSFET 역시 꼭 IRF610이 아니라도, IRF510이나 IRF530 등 다른 것을 써도 됩니다.

- 전원 On시와 Off시에 Pop 노이즈가 큽니다.
==> 추가 (2004.12.26): 이 노이즈를 감소시키도록 회로를 수정했습니다.

Off 시 노이즈는 여러번 소개한 것 처럼, 앰프회로 중 아무 곳에서 +전압과 접지 사이에 470uF-1000uF 정도의 전해 콘덴서를 하나 추가시키는 것으로 크게 감소하고,

On 시 노이즈 해결법은 헤드폰 출력과 접지사이를 1K-10K 저항으로 (Szekeres 앰프처럼) 연결하면 거의 줄어듭니다.

회로도에서 +V 전원단과 Gnd간에 470uF-1000uF의 전해 콘덴서를 삽입한 것은 채널마다 각각 구성할 필요없이 아무 곳이나 한군데만 이렇게 해 두면 됩니다.

한편, 제 앰프에도 실제로 이 두가지를 반영하여 변경시켰으나 추가로 사진을 찍지 않았습니다. 즉 위의 앰프 사진은 POP Noise가 크던 초기 모습니다.

- 저는 위에서 채널당 9V 배터리 한개씩 썼으므로, 알칼리 전지라면 약 500-600시간, 망간전지라면 약 150시간 정도 작동 가능합니다.

- 제가 배터리를 채널당 한개씩 사용한 가장 큰 이유는 역시 공간적인 제한 때문인데, 좀더 높은 전압일수록 더욱 좋으므로 채널당 한알 이상 직렬 연결하시는 것도 권합니다.

- 헷갈리거나 잘못 아시는 분들이 좀 계신 듯 하여, 다른 글에 답글로 올렸던 내용을 아래 옮깁니다.

"물론 진공관의 데이터시트 상에서 최저 동작 전압 등이 명시되어 있지는 않지만,
진공관엔 일반적으로 고전압이 요구됩니다.
공급 전압(특히 Anode 전압)이 너무 낮으면 입력 신호의 크기가 제한되고, 여러가지 성능 열화가 있을 수 있습니다.

그런데 고전압을 구성하려면 꽤나 불편한 점이 많죠.
그래서 비교적 구하기 쉬운 24VDC 정전압을 Main으로 쓰고,
전압을 좀더 높히기 위해 배터리를 전원공급단 중간에 삽입하여 승압하는 아이디어를 쓴 것입니다.

물론 소개드린대로 배터리를 넣지 않고도 별 차이를 느끼지 못할 만큼 잘 작동하여 지금은 편의상 배터리 생략버젼으로 듣습니다만,
크게 권하고 싶진 않습니다."


- 이 6922 진공관이 불빛은 아주 약하네요. 불이 켜져있는지 자세히 봐야 보입니다. 즉, 비주얼은 별로이고, 이 앰프에서 나오는 열도 별로 없어서 겨울철 난방용으로 부적합입니다.^^
6.3V에서 0.3A 이니 총 2W도 되지 않는 발열이라 진공관을 만져도 그리 뜨겁지도 않답니다.

- 이 앰프의 제작상 단점이 있다면,
한채널만 만들어서 테스트하기 어렵다는 것입니다.

- 총 순수 부품비는 배터리 빼고 1.7-1.8만원 정도 들었습니다.


자화자찬이지만, 제 생각에 이 회로는 매우 혁신적이라고 생각합니다.
그러므로 좀더 잘 다듬으면 아주 훌륭하고 사랑받을 또하나의 회로가 등장된다고 봅니다.

물론 제가 진공관에 경험과 지식이 일천하여 여러 개선점과 오류가 있을 것입니다.
좀더 많이 아시는 분이 개선이나 튜닝 방법을 소개하시고 조언해 주시면 큰 도움이 되겠습니다.

하스만세~~


*** 추가 *** (2004.12.23)
가지고 있던 24VDC 1.5A SMPS 대신,
6000원에 구입했던 순흥전자의 24VDC 0.6A의 비정전압 어댑터를 개조하여 정전압으로 만들어 이 앰프에 물렸습니다.
LM7824를 썼고, 0.1uF를 Ground와 Out 사이에 바이패스캡으로 삽입하였습니다.

게다가 오래전 병뚜껑으로 방열판 만들어 소개했던 것을 드디어 이번에 써먹게 되었습니다.
잘 구부러지니 좁은 공간에 효과적이고 안전하게 장착시킬 수 있었습니다.

한편, 방열판이 작아보이듯이 실제로도 몇시간 작동시킨 후 만져보니 약 50~60도 되는 것 같습니다. 즉, 별 문제 없어 보입디다.

그런데 오래 켜 놓으니 아주 작긴 하지만 전원험이 좀 있는 것 같습니다.
아마 트랜스 출력 전압이 충분히 높지 않아서 이겠지만, 정황으로 봐서 제일 의심가는 것은 전해콘덴서 입니다. 지금 1000uF/50V 가 달려 있는데 2200uF 이상으로 교체할 계획입니다.
그래도 안되면 다이오드를 쇼트키로 바꾸고...

===> 3300uF/35V에다가 쇼트키로 바꿨습니다. 결국 트랜스 빼고 다 바꾼 것 같습니다. ㅠ.ㅠ
험이 줄긴 했지만 아주 미세하게 남아 있네요.
아무래도 트랜스에서의 공급전압 부족이 주 원인인 듯합니다.
결과적으로 최소한 이 특정 어댑터로는 변형하는 것 비추입니다.




*** 추가 *** (2005.2.11)
위 개조된 어댑터에 발생하는 험의 가장 큰 이유는,
전체적으로 밀페된 어댑터의 케이스 안에서 온도가 높아짐에 따른 콘덴서의 성능 열화로 보입니다.
이것은 방열판을 큰 것으로 쓴다고 해서 해결되는 것도 아니고 무슨 공식처럼 단순한 문제는 아닙니다.
방법이 있다면 LDO 레귤레이터 IC를 써서 출력 전압을 늘려서 정전압부 자체에서의 발열량을 줄이는 것이 제일 좋겠습니다.


*** 추가 *** (2005.2.13)
오늘 발견한 것인데,
6922 진공관을 가장 쉽고 저렴하게 구입할 수 있는 곳은 현재로서는 http://www.tube4u.com 이군요.
소브텍 신품은 7천원, 필립스 군용 중고는 5천원에(택배비는 3천원 별도) 판매하는군요.