진공관 엠프 바이어스 조절법 - 1편

참고 사이트

바이어스 조정은 스피커를 연결하지 않아도 아무 문제 없이 할 수 있습니다. 그러나, 잘 있는 앰프의 바이어스 조정은 하지 않는 것이 좋습니다.

진공관 앰프에서는 PP의 상하 진공관의 바이어스 전류가 동일해야 출력트랜스를 정상적으로 동작시키고 험을 줄일 수 있지만(진공관을 교환한 후에 한번하는 정도), 반도체 앰프에서는 디스토션이 아주 약간(사람들이 알 지 못하는 수준) 보완 되는 정도차이 외는 달라질 것이 없습니다.
그 보다는 바이어스 조정용으로 사용하는 반고정 저항기는 대부분 수명이 길지 않은 것이 되어 쉽게 망가져버려(어떤 것은 100회 정도) 조정한 후에 틀어져버립니다.
심하면 잘 있는 앰프의 출력석의 안녕에도 관계되니, 고장이 난 것 아니면 손대지 않는 것이 좋습니다.

• 비전코난 2018.12.10 09:05
• 바이어스 조정 볼륨은 워낙 미세, 약해서 대나무 젓가락 깍아 일자로 만들어
  눌러 돌리지 않고 완전 힘 빼고 살살 돌리고 있습니다.
  정보 감사 합니다
• 실용오디오
• https://www.enjoyaudio.com/zbxe/index.php?document_srl=8895795&mid=questions

 

 

1. 진공관 기초지식

엠프(amplifier)는 말 그대로 신호를 증폭하는 장치이며, 기타 엠프의 경우 보통 진공관이 그 역할을 하고 있습니다. 증폭의 원리는 대략 진공관의 |"그리드(grid)|"에 걸리는 전압이 변화하는 정도에 따라 |"캐소드(cathode)|"에서 |"플레이트(plate/anode)|"로 흐르는 전류의 세기가 변한다는 것입니다. 이 때 그리드의 작은 전압의 변화가 플레이트에 흐르는 전류의 양을 큰 폭으로 바꿀 수 있는데, 이를 이용해서 적은 신호(예컨대 기타에서 나오는)를 보다 큰 신호로 증폭할 수 있습니다.

이런 효과를 얻기 위해서는 진공관 내부의 온도가 일정 이상 올라가야 하는데 이를 위해 진공관 내부에는 전구와 같이 히터 선이 있습니다. 기타엠프의 프리엠프부에 쓰이는 12AX7과 같은 초단관은 앞서 말한 캐소드, 그리드, 플레이드 세가지가 한 묶음으로 구성된 |"트라이오드(triode)|" 한 쌍(그래서 가끔 |"dual triode|", 혹은 |"쌍삼극관|"이라고 합니다)의 6개의 핀과 히터에 사용되는 3개의 핀을 합해 9개의 핀을 가지고 있습니다.

출력관의 경우 |"펜토드(pentode)|"라고 해서 트라이오드에 여러가지 이유로 두 개의 그리드가 더 붙어있지만, 기본적인 증폭 원리는 트라이오드와 동일합니다. 이 때 입력에 해당하는 그리드를 특별히 |"컨트롤(control) 그리드|"라고 구분해서 부르기도 하며, 트라이오드 두 개가 한 묶음인 듀얼 트라이오드와는 달리 보통 1개의 캐소드, 1개의 플레이트, 3개의 그리드, 그리고 2개의 히터핀과 사용하지 않는 핀 1개를 합해 8개의 핀으로 구성되어 있습니다.

조금 서론이 길었지만, 중요한 것은 촤소한 엠프의 바이어스를 조정하기 위해서는 자신의 엠프에 사용되는 진공관의 종류에 따른 핀 배치 정도는 알고 있어야 한다는 점입니다. 진공관의 핀은 아래로부터 보았을 때 시계방향으로 읽는데, 보통 시작하는 핀이 다른 핀과 사이가 떨어져 있거나 아니면 플라스틱 부분에 볼록한 부분이 있어 1번 핀 위치를 알 수 있습니다. 소켓을 위에서 봤을 때는 진공관을 아래로본 순서와 반대이기 때문에 주의해야 합니다.

일단 핀 읽는 방법을 알았다면 다음에는 어느 핀이 플레이트, 캐소드, (컨트롤) 그리드에 해당하는 지 찾는 것이 중요한데, 이는 보통 인터넷 상에서 |"EL34 pinout|"이나 |"6L6 layout|" 등으로 진공관의 모델명을 붙여 검색하면 쉽게 찾을 수 있습니다.

보통 바이어스를 조절하는 출력관에 자주 쓰는 6L6이나 EL34의 경우

3번이 플레이트, 5번이 컨트롤 그리드, 8번이 캐소드입니다.

2. |"바이어스(bias)|"란 무엇인가?

앞서서 증폭에 사용되는 진공관의 경우 그리드의 전압의 변화를 이용해서 플레이트에 흐르는 전류의 양을 제어한다고 했는데, 실제로는 여러가지 이유로 그리드에 아무런 신호가 없는 상태에서도 그리드에는 캐소드에 비해 일정량의 마이너스의 전압이 걸리도록 설계를 합니다. 즉, 일종의 |"오프셋|"이나 |"바이어스|"라고 표현할 수 있는 데, 실제로 그리드 전압은 이러한 |"바이어스 전압|"에 신호에 의한 변화양이 합쳐진 값으로 플레이트에 흐르는 전류의 크기를 조절하게 됩니다.

보통 진공관 엠프의 |"바이어스를 조정한다|"는 건 이 처럼 그리드에 기본적으로 적용되는 마이너스 전압, 즉 바이어스 전압의 크기를 조절해서 그리드에 신호가 없는 |"아이들(idle)|" 상태의 플레이트의 전류양을 조절하는 작업을 뜻합니다.

3. 바이어스는 왜 조절하는가?

진공관의 경우 모델별로 최적으로 동작할 수 있는 |"구간|"이 존재합니다. 특히 많은 전류가 흐르는 출력관의 경우 항상 안전한 영역에서 동작하도록 하는 것이 매우 중요한데, 출력관의 모델별 스펙을 찾아보면 감당할 수 있는 출력이 |"maximum power dissipation|"라는 항목에 와트(W) 단위로 표시되어 있습니다. 보통 EL34의 경우 하나당 최대 25와트를 감당할 수 있는데 예컨대 앞서 말한 바이어스 전압이 충분히 낮지 않아 (*주의* 마이너스 값이 크다는 뜻입니다. 앞으로도 바이어스 전앞이 |"높다|"는 건 0에 가깝다는 뜻이고 |"낮다|"는 건 마이너스 쪽으로 크다는 뜻입니다) 플레이트에 많은 전류가 흘러 25와트 이상 dissipation이 발생하면 자칫 진공관이 고장날 수도 있고 최악의 경우 출력 트랜스와 같은 엠프의 다른 부분까지 망가뜨릴 수 있습니다.

반면에 바이어스 전압이 지나치게 높아서 플레이트에 충분한 전류가 흐르지 않아도 문제가 생기게 됩니다. 보통 출력관이 짝수개 사용되는 기타엠프는 출력관이 입력 신호를 절반씩 나누어 양쪽에서 함께 톱질을 할 때처럼 |"밀고 당기는|" 방식, 즉 |"푸시-풀(push-pull)|" 모드로 증폭하도록 설계되는데, 이 때 바이어스가 지나치게 높으면 양쪽의 신호가 대칭되게 맞지 않아 |"크로스오버 디스토션(crossover distortion)|"이라는 왜곡이 생기게 됩니다.

즉, 출력관의 경우 바이어스 조절을 통해 아래로는 최소한 크로스오버 디스토션이 발생하지 않을 만큼, 그리고 위로는 모델별로 정해진 최대 출력을 넘지 않는 선의 사이에서 바이어스를 설정하게 됩니다. 실제로는 이러한 양 극단 사이에서도 바이어스 설정에 따라 어느 정도 소리의 차이가 생기는 데 이러한 최적점(sweet spot)을 찾는 것이 최종적인 바이어스 조절의 목표입니다.

문제는 진공관은 심지어 같은 회사에서 나온 같은 모델이라도 어느 정도 제작상의 편차가 존재하기 때문에 엠프 자체에 설정된 바이어스 전압이 일정하다 하더라도 각각의 진공관이 항상 같은 수준의 플레이트 전류양을 유지하지 않는 다는 점입니다. 심지어 같은 진공관이라도 오랜 기간 사용하면 바이어스가 달라지기도 하기 때문에 바이어스 조절은 원칙적으로 진공관을 교체할 때마다 하는 것이 정석입니다. 가끔 바이어스를 조절하는데 진공관을 끼우지 않고 그리드 전압만 측정하거나 하는 경우가 있는데 이는 원칙적으로 잘못된 방법입니다.

4. 언제 바이어스를 조절하는가?

이와 같이 바이어스는 진공관이 적절하게 동작하는 데 필수적인 요소지만 모든 진공관을 교체할 때 반드시 조절해야하는 것은 아닙니다. 바이어스 전압을 만드는 데는 여러가지 방법이 있는데, 크게 고정 바이어스와 캐소드 바이어스, 혹은 자기(self) 바이어스 방법으로 나눌 수 있습니다. 후자의 경우 자동적으로 특별히 적절한 바이어스 가 공급되도록 설계된 것이기 때문에 직접 바이어스 전압을 조절하지 않아도 됩니다. 대부분의 초단관이 캐소드 바이어스 방식이기 때문에 일반적으로 초단관 교체시에는 바이어스 조절을 하지 않습니다. 또한 엠프 모델에 따라 출력관의 경우도 이러한 방식을 따르는 경우가 있기 때문에 우선 사용하는 엠프의 출력단이 고정 바이어스 방식인지 여부를 정확히 알아보아야 출력관 교체시 바이어스 조절이 필요한 지 결정할 수 있습니다.

고정 바이어스의 경우에도 특별히 사용자가 바이어스 전압을 측정하고 조절할 수 있는 장치를 제공하지 않는다면 엠프를 개조하기 전에는 쉽게 바이어스를 조절할 수 없습니다. 이 경우 보통 엠프 제조사에서 비슷한 수준의 특성을 보이는 출력관을 |"등급|"별로 선별해서 제공하는데 항상 같은 등급의 출력관을 사용하면 비슷한 바이어스를 얻을 수 있습니다.

따라서 우선 바이어스 조절에 앞서 엠프 제조사의 홈페이지나 인터넷 검색을 통해 자신의 엠프 모델이 바이어스 조절이 가능한 모델인지 알아봐야 합니다.

한편 일반적인 푸시풀 방식의 엠프의 경우 출력관은 앞서 말한 대로 반반씩 나뉘어 동작하기 때문에 가능하면 양쪽의 특성이 일치하는 편이 여러 모로 유리합니다. 따라서 보통 출력관을 주문할 때 |"매치드 페어(matched pair)|"나 |"매치드 쿼드(matched quad)|"와 같이 미리 비슷한 특성의 관을 2개나 4개조로 선별하여 판매하고 있는데 가능하면 매치된 관을 구입해서 양쪽에 균형있게 나누어 배치하는 것이 좋습니다. (예컨대 4개의 소켓이 있다면 보통 1,2가 한조, 3,4가 한조입니다).

5. 어떻게 바이어스를 조절하는가?

바이어스를 조절하는 데에는 여러가지 방법이 있습니다. 여기서는 가장 일반적이고 안전하게 할 수 있는 방식을 소개하려고 합니다.

(1) 준비물

- 멀티미터 : 보통 철물점 같은 곳에서 판매합니다. 가능하면 너무 싼 것은 피하는 것이 좋습니다. 또한 선의 길이가 지나치게 짧은 것은 엠프 내부를 열어서 측정해야 하는 경우 자칫 본체가 회로 위에 떨어지거나 해서 위험할 수 있습니다.
- 계산기
- 교체할 출력관 세트
- 드라이버 : 엠프 분해에 필요한 것 이외에도 보통 얇은 -자 드라이버가 필요합니다. 엠프의 바이어스 조절 노브를 돌리는 데 사용합니다.

* 멀티미터 대신 바이어스를 쉽게 측정할 수 있는 장치를 구입해서 쓸 수도 있습니다. 마샬 JCM2000 시리즈 같은 경우 크게 필요하진 않지만, 특별히 배선이 복잡한 엠프라거나 다른 핀을 건드릴까봐 무섭다거나 할 경우에 특히 유용합니다 ^^;

(2) 사전 조사

우선 제조사 홈페이지나 인터넷 검색을 통해 자신의 엠프의 경우 바이어스 전압을 조절하는 노브가 어디에 있는지, 또 어디에서 바이어스 전압을 측정하는 지 알아봅니다. 노브가 없다면 바이어스 조절을 위해서는 바이어스 노브를 추가하는 개조가 필요합니다. 바이어스 전압 측정을 위한 프로브가 없다면 보통 출력관의 8번핀과 그라운드, 즉 철제 케이스(chassis)와 연결되는 사이에 1옴짜리 저항이 연결되어 있을 수도 있습니다. 프로브도 없고 8번 캐소드 핀에도 곧바로 그라운드로 연결된다면 역시 1옴 저항을 연결하는 개조를 하거나 앞서 말한 바이어스 측정장비를 사용합니다. 자세한 방법은 인터넷 검색으로 얻을 수 있습니다.

JCM2000 계열의 경우 특히 헤드 모델들은 엠프 후면에 바이어스 조절 노브와 프로브 모두 노출이 되어 있어서 안전하고 편하게 바이어스 조절이 가능합니다. 또한 푸시풀의 양측을 따로 따로 측정/조절이 가능해서 보다 정확하게 출력관을 매치시킬 수 있습니다.

JCM2000의 후면 패널을 분해해보면 출력관 앞에 타원형으로 파진 홈이 있고 안쪽으로 3개의 프로브와 양 끝에 각각 하나씩 작은 바이어스 조절 노브가 있는 부분을 찾을 수 있습니다.

* 주의: 측정은 JCM2000을 기준으로 설명하기 때문에 특별히 엠프를 완전히 분해해서 내부 회로를 노출하지 않습니다. 만일 바이어스 측정을 위해 엠프를 분해해야 하는 모델이라면 특별히 안전상의 주의가 필요합니다. 진공관 엠프는 300-500V 정도의 고전압을 쓰기 때문에 실수로 엠프 내부에 접촉하면 엠프를 망가뜨리거나 죽을 수도 있습니다! 특히 엠프를 완전 분해했을 때는 내부로 멀티미터의 프로브나 옷, 드라이버 등이 떨어지지 않도록 주의해야 합니다. 엠프에는 전원을 끈 상태에서도 많은 양의 전기가 남아있을 수 있기 때문에 가능하면 내부 회로를 조작해야 한다면 먼저 남아있는 전류를 안전하게 드레인(drain)하는 방법을 찾아보는 것이 좋습니다.

(3) 바이어스 측정 이론

앞서 이야기한 대로 바이어스 조절이란 기본적으로 그리드의 바이어스 전압 조절해서 플레이트 전류의 양을 제어하고 결과적으로 플레이트에서 소모되는 전력이 안전한 범위에 머물수 있도록 하는 작업입니다. 이 때 옴의 법칙을 떠올려보면 "전력(power) = 전류 x 전압"이기 때문에, 플레이트의 소모 전력은 플레이트 전류와 플레이트 전압을 곱한 값으로 표시 됨을 알 수 있습니다.

플레이트 전압은 멀티미터로 쉽게 알 수 있지만 전류는 그렇지 않습니다. 따라서 이를 추정하기 위해서 보통 앞서 말한 캐소드와 그라운드 사이에 1옴 저항을 넣는 방법을 사용하는데 이는 플레이트 전류는 캐소드를 통해 흐른다고 가정하고 그 사이 직렬로 1옴 저항이 있다면 저항의 양단에서 발생하는 전압강하를 안다면 간단한 옴의 법칙을 이용해서 전류를 추정할 수 있기 때문입니다.

쉽게 설명하면 만일 캐소드의 1옴 저항 양단의 전압차가 35mV이고 저항이 1옴이면 "전류 = 전압 / 저항"이라는 옴의 법칙에 의해 그대로 mV의 단위를 mA로만 바꾸면 저항을 통해 흐르는 전류의 양이 35mA가 됨을 알 수 있다는 뜻입니다.

이제 플레이트 전류와 플레이트 전압을 알고 있기 때문에 두 값을 곱하면 플레이트에서 소모되는 전력을 알 수 있습니다. 만일 플레이트와 그라운드 사이의 전압차가 440V라면 옴의 법칙에 따라,

전력 = 전압 x 전류 = 440V x 35mA = 440V x 0.035A = 15.4W

임을 알 수 있습니다. EL34 출력관의 경우 최대 플레이트 소모 전력이 25W이기 때문에 15.4와트면 어느 정도 안전한 선이라고 할 수 있습니다만 중요한 것은 이는 입력 신호가 없는 아이들 상태의 경우라는 점입니다. 즉, 아이들 상태에서 15와트가 소모 된다면 게인을 높여서 연주를 하는 경우 전류가 증가하고 출력이 커질 수 있기 때문에 실제로는 15와트보다 훨씬 많은 전력이 소모되게 됩니다.

그래서 아이들 상태에선 보통 출력관의 최대 출력보다 어느 정도 여유를 두고 바이어스를 설정하는데, 일반적으로 EL34의 경우 최대 소모 전력의 70%를 기준으로 +-10% 정도 사이에서 바이어스를 잡는 것이 일반적입니다.

즉, 플레이트 전압(예: 440V)이 고정되어 있다고 가정하고 반대로 목표 소비 전력(예: 70%)을 얻기 위한 플레이트 전류를 구한다면,

목 표전력 = 최대 소비전력의 70% = 25W x 0.7 = 17.5W = 전압 x 전류 = 440V x ?
-> 전류 = 17.5W / 440V = 0.039A = 39mA

즉, 목표 전력인 17.5W를 얻기 위해서는 플레이트 전압이 440V로 고정일 때 39mA의 전류가 필요함을 알 수 있습니다. 플레이트 전류의 양은 그리드의 바이어스 전압을 조절하면 제어할 수 있기 때문에 결과적으로 앞서 측정한 35mA가 39mA가 될 때까지 그리드 전압을 높여 주면 되는 것입니다

 

출처:

https://cafe.daum.net/korband/J2UQ/23?q=eE34%20%EB%B0%94%EC%9D%B4%EC%96%B4%EC%8A%A4%20%EC%A0%84%EC%95%95%20%EC%A1%B0%EC%A0%95%EB%B0%A9%EB%B2%95