기타 앰프에서 초단에 5극관을 보기는 쉽지 않음. 12AX7이 왕노릇하는 동네라서… 초기 VOX AC30 종류에서는 EF86이 유명했는데 약 200배 게인을 자랑했지만 마이크로포닉에 극히 취약해서 문제. 대책도 없었기 때문에 나중에는 다 12AX7이 대체했음.
하지만 5극관은 3극관과 다른 톤을 낼 수 있음. 홀수차 배음이 좀 더 많고 ‘glassy” 사운드가 있음. 오버드라이브를 걸면 평균 스크린 전류가 늘어나면서 컴프레션 효과가 두드러지니까, 이건 파워 앰프의 디스토션을 낮은 볼륨으로 시뮬레이션 하고 있는 것처럼 보이기도 함.
다시 말하면 초단에 굳이 5극관을 쓴다면 톤 때문. 혹은 드라이브 단으로 옮겨서 5극관을 쓰면 오버드라이드가 더 좋을 것이고 마이크로포닉 걱정도 조금 덜게 됨.
노이즈
항상 나오는 이야기가 3극관보다 5극관이 노이즈가 (hiss) 더 많다는 것인데 이건 전류가 플레이트와 스크린 그리드 사이에서 랜덤하게 꿀렁거리기 때문. 이걸 파티션 노이즈라고 한다. 물론 이 주장은 과장된 것이라서 실제로는 노이즈 차이가 2dB 정도에 불과하고 극단적인 차이라도 6dB 정도라서 크게 걱정되는 정도는 아니다. 그리드 스토퍼 저항이 일반적으로 더 큰 노이즈 소스다.
문제는 역시 마이크로포닉인데 그리드가 2개 더 있고 구조가 더 airy 해서 그렇다. 스피커가 내장된 콤보 기타앰프에서는 더 그렇다. 역시 5극관은 초단보다는 드라이브 단에나 쓰는 것이다.
구조
Suppressor Grid (g3)
전자가 anode를 쳐서 플레이트 표면의 다른 전자들을 해방시킬 수 있을 정도면, 이 현상을 secondary emission이라고 함. 그리고 해방된 전자는 위의 그림에서 secondary electrons라고 표현되어 있음. 3극관에서는 이 놈들이 다시 플레이트로 잡혀가므로 문제가 없는데 5극관에서는 스크린 그리드로 잡혀갈 수도 있음. Suppressor grid가 있는 이유가 이걸 방지하는 목적임. G3는 G2보다 더 음전압을 가지도록 함 (대개는 캐소드와 묶어버림) 덕분에 secondary electron은 다시 플레이트로 방향을 돌릴 수 밖에 없음. G3를 가지고 뭔가 혁신적이고 똑똑한 일을 할 능력이 없다면 캐소드와 묶기 바람. 빔 튜브에서는 아예 묶어서 나옴.
Screen Grid (g2)
G2는 전자를 걸러내는 역할을 하는데 대개 일정한 전압을 가함으로 전자들이 g2 쪽으로 가속되도록 만들고 그게 끝임. G2를 통과한 전자는 결국 플레이트에 충돌함. 플레이트의 가변 전기장이 뭔가 안좋을 일을 할 가능성을 차단한다고 할 수 있음. Miller effect가 최소화되는 것임. 덕분에 5극관 스테이지는 라디오 주파수 대역에서 잘 동작할 수 있게 되는데, 물론 기타 앰프에서는 관심 밖의 장점임.
그러나 어떤 전자들은 g2에 충돌하기도 해서 전류를 만들어냄. 그러면 전력 소모가 생기니 뜨거워짐. g2는 엄청 연약하기 때문에 이게 뜨거워져서 녹지 않도록 주의해야 함. 초단에 사용되는 5극관에서는 잘 발생하는 일이 아니겠지만, 파워단에 사용되는 튜브에서는 흔히 발생하는 일이라서 아마도 파워 출력관이 망가지는 가장 큰 원인이 아닐까 함.
Static Anode Characteristic Curves
5극관의 특성 그래프는 트랜지스터를 많이 닮아 있음. 하지만 트랜지스터와 달리 고정되어 있지 않음. 스크린 전압을 올리면 그래프가 위로 올라가고 전압을 줄이면 그래프가 줄어듬. 그러므로 5극관을 이용해서 설계할 때 어려운 것이 어디를 이용할 것인가 하는 점임. 데이터시트에 나온 값은 실제 사용되는 60~100V보다 훨씬 높은 전압을 기재하고 있음. (반대로 파워 출력관은 낮은 값을…)
100V를 쓰고 싶지만, 150V 스크린 전압에 대한 예를 데이터시트에서 보게 된다면 50/150 = 1/3 해서 1/3만큼 줄인 것으로 근사치를 잡아서 보면 정확하지는 않지만 크게 못 쓸 것도 없음.
잘 만들어진 데이터시트는 mutual conductance 그래프도 있는 경우가 많은데, 이걸 같이 쓰면 더 정확한 근사를 얻을 수 있음. 위의 그림에 보면 EF86을 가지고 스크린 전압 100V에 대한 근사 그래프를 만들고 있는데 자세한 내용은 내 책을 보기 바람 ㅡ.ㅡ
(역주) EF86 데이터시트에 보면 아래와 같이 Va=500V, Vg2=140V에 대한 그래프가 있음.
이제 근사치 그래프가 있으므로 로드라인을 고를 수 있음. 최대 출력 스윙과 좋은 직선성을 가지려면 로드라인이 커브의 무릎을 통과해야 함. 이게 하이파이의 정석임. 무릎 위를 통과하면 게인과 스윙이 줄어들고 홀수차 배음이 줄어들면서 동작이 3극관 닮아감. 무릎 아래를 통과하면 헤드룸이 줄어들고 클리핑이 비대칭적이 됨. 이건 하이파이에는 나쁜건데, 기타앰프에는 좋은 것임.
HT 전압이 250V, 68K 부하를 가정해보면 위의 그래프와 같이 최대 플레이트 파워 커브에 전혀 가깝지 않은 좋은 위치에 로드라인이 들어서게 됨.
스크린 전압 설정
HT 전압에 저항을 하나 달아서 g2에 연결하는 식으로 스크린 전압을 설정하게 됨. 저항 값을 정하려면 스크린 전류를 알아야 하는데 옴의 법칙을 쓰면 됨. 스크린 전류는 플레이트 전류의 몇 퍼센트로 정해짐. EF86 데이터시트에 보면 플레이트 전류가 3.0mA면 스크린 전류는 0.6mA임. 즉 3.0/0.6=5의 비율임.
위의 예에서 보면 동작점을 -1.5V 바이어스에서 잡았는데 이 때 플레이트 전류 Ia는 1.9mA임. 그러므로 5로 나누면 1.9mA/5=0.38mA가 됨.
지금의 예에서는 Vg2=100을 HT 250V로부터 감압해서 얻으려고 하므로 (250-100)V/0.38mA=395Kohm이 나옴. 표준 저항치를 찾아보면 390K가 적당하고 약 60mW를 소모할 것임. 1/2W 저항이면 충분함.
스크린 바이패스 캡
스크린 바이패스 캡은 캐소드 바이패스 캡과 유사한 일을 함. 스크린 전압을 일정하게 잡아서 내부의 NFB가 게인을 떨어뜨리지 못하게 함. 하지만 고역대를 위해서 아주 작은 값을 써도 되고, 게인을 손해보더라도 아예 바이패스 캡을 달지 않고 대신 헤드룸을 늘릴 수도 있음. 전통의 기타 앰프들 보면 안 달고 있음.
스크린 바이패스 캡은 캐소드 바이패스 캡보다 게인에 영향을 더 많이 줌. 그리고 그라운드 말고 캐소드에 연결해야 함. 많은 회로에서 그라운드 직결을 한 것을 알고 있지만 나는 좋은 구현이라고 보지 않음.
Cg2 = 1/(2 pi f Rg2)
모든 음역대를 다 통과시키고 싶으면 f를 10Hz 근처로 잡음. 그럼 위의 예에서는,
Cg2 = 1/(2×3.13x10x390K) = 40.8nF.
47nF 정도를 선택하면 되겠음.
Biasing
그래프에서 얻을 수 있는 플레이트 전류는 캐소드 전류와 같지 않음. 캐소드 전류는 플레이트 전류에 스크린 전류가 더해진 것임. 이 경우는 1.9 + 0.38 = 2.28mA가 되겠음.
선택한 바이어스 전압은 -1.5V로, 이제 캐소드 저항은 옴의 법칙을 이용하면 됨
1.5V/2.28mA = 658ohm
680옴 정도면 되겠음. 저항 말고 실리콘 다이오드나 LED를 써도 됨. 이 때는 바이패스 캡이 없어도 됨.
데이터시트에 보면 플레이트에서 0.2W 이상을 쓰면 그리드 리크 저항은 3메가 이하여야 함. 우리는 대개 1Meg를 쓰곤 함.
캐소드 바이패스 캡
대개 아래와 같이 구함
f = 1/(2 pi Rk Ck)
저역대를 좀 깎고 싶은 기타 앰프라면 300Hz 쯤에서 f를 선정해 보겠음.
Ck = 1/(2 pi Rk f) = 1/(2 x 3.14 x 680 x 300) = 780nF
그러므로 820nF 정도를 선택하면 되는 중요한 것은 귀로 듣고 튜닝하는 것임
전압 이득
Voltage gain은 로드라인에서 읽어내거나 공식을 통해서 추정할 수 있음
A = gm x Ra
gm을 1.6mA/V로 추정하면 A = 1.6 x 68K = 109배가 됨.
물론 다음 단이 붙으면 좀 줄어들게 됨.
출력 임피던스
플레이트의 출력 임피던스는 플레이트 부하 저항을 5극관의 내부 저항과 병렬로 연결한 합성 저항과 같지만, 내부 저항은 훨씬 더 크기 때문에 기본적으로 출력 임피던스는 플레이트 부하 저항과 같다고 보면 됨.
이 임피던스는 너무 크기 때문에 5극관을 쓰면 대개 다음 단에 버퍼를 두게 마련임.
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