앰플리파이어의 부품과 회로


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앰플리파이어의 부품
앰플리파이어의 전기회로를 구성하는 부품은 크게 수동 소자(passive element)능동 소자(active element)로 구분할 수 있습니다. 수동 소자란 그것을 통과하는 전기 신호를 크게하지 못하고 그 꼴만 변화시키는 역할을 하는 부품을 말합니다. 기술적으로 말하면 이득(gain)이 없는 부품입니다. 쓸모가 없다는 뜻이 아니고 통과하는 신호의 크기를 키우지 않는다는 뜻입니다. 이에 비해서 능동 소자는 들어온 신호의 크기를 키워서 내보냅니다. 그러므로 이득이 있습니다. 여기서 이득은 출력신호/입력신호 입니다. 우리가 원하는 동작을 하는 앰플리파이어를 만들기 위해서는 이 수동 소자와 능동 소자를 적절하게 배합하여 전기회로를 구성해야 합니다. 오디오 앰플리파이어의 회로에 사용되는 주요 부품에 대하여 간략하게 소개해 보도록 하겠습니다.

구분 이름 종류 주요 역할 단위
수동 소자 저항(Resistor) 솔리드, 탄소피막, 금속피막, 권선... 전기 에너지 소모,
전압 강하
Ohm
축전지(capcitor or Condenser) 전해, 탄탈,필름, 세라믹... 정전기 에너지 축적으로
교류회로의 임피던스 제공
F(Farad)
인덕터(Inductor) 공심 코일, 철심 코일... 자기 에너지 축적으로
교류회로의 임피던스 제공
H(Henry)
스위치 기계식, 전자식 전기신호의 접속, 단락  
정류기(Rectifier) 반도체 Diode, 2극 진공관 정류  
능동 소자 트랜지스터(Transistor) Bipolor, FET, IGBT... 전류, 전압 증폭 
3극 이상의 진공관 3극관(Triode), 5극관(Pentode)... 전압 증폭  

너무나 간략하게 설명되었기 때문에 이 표만 보고 그 부품의 구조나 동작을 이해하시기는 어려우시겠지만 상식으로 이 정도만 알아두셔도 전혀 모르시는 것보다는 낫지 않을까 생각하여 이 정도의 내용을 올려봅니다. 앰플리파이어에 소개된 것들 이외에 다른 부품들도 있지만 대개는 이것들의 변종이라고 생각하시면 됩니다.

앰프의 능동 소자로 무엇을 쓰는 가에 따라 트랜지스터 앰플리파이어가 되기도 하고 진공관 앰플리파이어가 되기도 합니다. 간혹 트랜지스터와 진공관이 배합된 앰플리파이어도 보이는데 이러한 앰플리파이어를 하이브리드(Hybrid) 앰플리파이어라고 부릅니다.

진공관과 트랜지스터
진공관을 증폭 소자로 쓴 앰프를 진공관 앰플리파이어(미국에서는 Tube Amp. 영국에서는 Valve Amp.)라고 하고 트랜지스터를 증폭 소자로 쓴 앰프를 트랜지스터 앰프라고 합니다. 진공관 앰플리파이어라고해도 최근에 나온 것들은 정류관 대신에 반도체 다이오드를 쓰는 경우가 많은데 이경우에는 신호 전달하는 과정에는 반도체가 쓰이지 않으므로 진공관 앰플리파이어라고 해도 이견이 없을 것입니다. 증폭소자로 진공관과 트랜지스터를 혼합해서 쓰는 경우도 있는데 이런 것을 하이브리드(Hybrid) 앰플리파이어라고 합니다. 진공관과 트랜지스터는 모두 입력 전압이나 입력 전류로 출력 전압이나 출력 전류를 제어하는 기구입니다. 이러한 작용은 작은 크기의 입력 신호를 이용하여 진공관이나 트랜지스터 속의 전하의 흐름(전류)을 제어하여 이루는 것입니다. 그 안에서 흐르는 전하를 발생시키는 원리전류를 제어하는 과정 은 다르지만 진공관과 트랜지스터의 역할은 크게 다르지 않습니다. 그러나 진공관과 트랜지스터는 둘다 이상적인 동작을 하지 않습니다. 둘다 특유의 결점과 장점을 가지고 있으므로 이러한 결점들을 보완하고 장점을 이용하기 위하여 필요한 전기회로도 다릅니다. 이제 각각의 구조와 특성이 어떻게 다른지 간단하게 알아보도록 하겠습니다.

(1) 진공관(Vacuum Tube) : Diode라고 불리는 2극 진공관은 진공이 유지되는 유리관 속에 열을 내는 히터(Heater), 금속으로 된 음극(cathode)과 양극(anode 또는 plate)으로 이루어져 있습니다. 아래 그림은 3극 진공관을 그린 것인데 3극관에서 grid가 빠진 것이 2극관입니다. 음극(cathode)은 텅스텐 합금으로 되어있는데 히터에서 열을 받아 온도가 1000도 가량되면 전자를 방출합니다. 이렇게 방출된 전자는 음극과 양극 사이의 전압때문에 양극 쪽으로 운동하여 음극-양극 사이의 전류를 만듭니다. 전자는 음극(K)에서 양극(P)으로만 운동하므로 전류는 P에서 K로만 흐릅니다. 이렇게 2극관은 전류를 한 방향으로만 흘릴 수 있으므로 정류 작용을 합니다.

3극 진공관은 Triode라고도 하는데 이것은 2극 진공관의 음극-양극 사이에 control grid를 넣어서 여기에 가하는 전압을 변화시켜서 음극-양극 사이의 전류를 제어하기 위한 것입니다. 3극 진공관의 구조(왼쪽)과 회로 기호를 그려보면 아래와 그림과 같습니다.(히터는 회로에서 표시하지 않는 경우가 많습니다.)
음극과 양극 사이에 있는 control grid는 그물이나 금속선을 감은 형태로 되어있어 음극에서 양극으로 운동하는 전자의 흐름을 막지는 않지만 여기에 가하는 전압을 변화시켜 전자의 흐름을 제어합니다. 신호 전압을 grid(G)에 걸어주면 음극(K)과 양극(P)사이에 신호 전류에 따라 변화하는 전류를 얻을 수 있습니다. 이 것이 3극관의 증폭원리입니다.

4극 진공관은 Tetrode라고도 하는데 양극과 control grid 사이에 grid를 하나 더 추가해서 양극과 control grid 사이의 축전 용량을 줄이고 grid를 전기적으로 anode의 영향으로부터 차폐하여 독립적으로 동작하도록 도와주는 역할을 합니다. 이렇게하면 큰 축전용량 때문에 고역의 신호가 줄어드는 효과를 방지할 수 있고 anode에서 grid로 되돌아 갈 수 있는 신호의 유입을 방지합니다.

그런데 양극의 전압이 너무 커질 경우에는 양극이 control grid에 영향을 줄 수 있으므로 grid를 하나 더 추가하여 5극 진공관(pentode)를 만듭니다. 현재 4극관은 사용되지 않으며 5극관이 많이 사용됩니다. 이러한 이유로 5극관은 큰 신호에 대하여 안정적으로 동작하며 주파수 대역이 넓다고 할 수 있습니다. 그러나 5극관이 3극관보다 항상 좋다고 할 수는 없고 3극관과 5극관은 전압-전류특성이 상당히 다르므로 경우에 따라 5극관보다 3극관이 더 유리한 경우가 있습니다. 그러므로 진공관의 선택은 앰플리파이어의 용도나 설계자의 의도에 따라 달라집니다.

(2) 트랜지스터(Transistor) : 실리콘(si) 결정체는 분자들이 아주 규칙적으로 분포되어 전자들이 분자에 강하게 속박되어 있으므로 주위에서 약간의 전압을 가해서 마음대로 운동을 제어할 수 있는 자유전자가 없습니다. 그런데 여기에 어떤 종류의 불순물을 약간 첨가하면 분자들 결합에 사용되고 남는 전자들이 생기게 됩니다. 이 잉여 전자는 분자에 강하게 속박되어 있지 않으므로 밖에서 가하는 전압에 민감하게 반응합니다. 이렇게 잉여 전자가 많이 들어 있는 것을 n-type 반도체라고 합니다. 전자는 음부호(Negative)를 띤 전하이므로 n-type이라고 하는 것입니다. 첨가하는 불순물의 종류에 따라 필요한 분자 결합에 전자가 하나 모자라게 할 수도 있습니다. 이렇게 전자가 빈 자리를 hole(구멍)이라고 합니다. hole은 전자를 쉽게 받아들일 수 있으므로 다른 곳의 전자가 어떤 hole에 옮겨 오면 hole은 결과적으로 그 전자와 반대 방향으로 움직이는 셈이 되어 hole은 +전하를 띤 것과 같이 행동합니다. 이렇게 hole이 많이 있는 것을 p-type 반도체라고 합니다. 왜 p-type이라고 하는지 눈치 채셨으리라 생각합니다. 진공관은 금속에 열을 가해 자유 전자를 만드는데 비해서 반도체는 결정체에 불순물을 가해서 자유 전자와 hole을 만듭니다. 진공관이 사용하는 전하는 -전하를 가진 자유전자 밖에 없지만 반도체는 -전하를 가진 전자와 +전하를 가진 hole이 둘다 있으므로 Bi-polar라고 합니다. 그러므로 진공관은 Uni-polar라고 할 수 있습니다.
p-type 반도체와 n-type 반도체를 붙이면 진공관과 같은 정류, 증폭 작용을 하는 소자를 만들 수 있습니다. p-n 두개만 접합시킨 것은 2 극 진공관과 같은 정류작용을 시킬 수 있으므로 반도체 diode라고 합니다. p-n-p 순서나 n-p-n 순서로 접합시키면 소위 PNP 트랜지스터NPN 트랜지스터가 되어 3극관과 같은 증폭작용을 시킬 수 있습니다. 다음의 그림은 이 반도체들을 간단히 나타낸 것입니다.

여기서 반도체 다이오드도 한 방향으로만 전류를 흘릴 수 있으므로 정류작용을 합니다. 그리고 신호 전류를 Base와 collector 사이에 흐르게 하면 emitter와 collector 사이의 전류를 제어할 수 있습니다. 이 것이 반도체 diode의 정류와 pnp, npn bipolar 트랜지스터의 증폭 원리입니다. 여기서 화살표들은 전류가 흐를 수 있는 방향을 나타냅니다. (계속)
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