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앰프의 내부 구조 보기
1. 전원부
최상균의 하드웨어 노트 [24]
글 최상균 2012-05-01 |   지면 발행 ( 2012년 5월호 - 전체 보기 )

  대부분 전자 제품들은 교류가 아닌 직류에서 동작한다. 교류를 받아들이는 것이라고는 전등이나 전열기처럼 교류나 직류 모두에서 동작하는 것과선풍기, 헤어드라이어나 믹서처럼 교류 모터를 사용한 제품들 정도밖에는 없다고 해도 과언이 아니다. 오디오 기기로 관심 분야를 좁혀 보더라도 교류 모터를 사용한 턴테이블 정도밖에는 없는 것 같다.그런데 공급되는 전원이 직류가 아니라 교류이기 때문에 생기는 불합리한 점은 무척 많다. 트랜지스터나 OP 앰프, 마이크로칩, 하드 디스크 같은 부품들도 예컨대 5V나 12V와 같은 직류 전압을 걸어주어야 한다. 반도체가 들어 있지 않은 전자 제품은 거의 없을 것이니, 그 말은 이 세상에 있는 거의 모든 전자 제품에 별도의 전원부가 장착되어 있어야 한다는 것과 동일한 의미다. 만일 가정에 직류가 공급된다면 그 많은 전원부를 생략해도 될 터이니 참으로 엄청난 낭비가 아닐 수 없다.가정으로 직류를 보낼 것이냐, 교류를 보낼 것이냐를 놓고 고민하던 시절은 1800년대 말로 거슬러 올라간다. 직류를 고집하던 에디슨과 교류를 주장하던 테슬라가 이 문제를 놓고 치열한 '전쟁'을 벌였던 것이다. 에디슨이 추구한 직류 방식은 낮은 전압으로 전기를 보내기 때문에 전기를 멀리 보낼 수 없었고, 따라서 도시 여러 곳에 소형 발전소들을 지어야 한다는 명확한 한계를 갖고 있었다. 반면에 테슬라의 교류는 변압기를 이용해 높은 전압을 만들 수 있었고, 따라서 전기를 멀리 보낼 수 있기 때문에 경제적으로는 테슬라의 방식이 분명히 유리했다. 물론 그때는 전기로 전등 정도를 켤 뿐, 반도체 같은 것은 상상조차 하지 못하던 시절이다. 만일 그 때부터, 앞으로 가정에서 사용되는 거의 모든 전자 제품이 직류에서 동작한다는 것을 미리 알 수 있었다면 직류와 교류의 장점을 취합한 새로운 아이디어가 나올 수도 있지 않았을까 하는 생각을 해 본다.앰프의 내부 구조는 크게 전원부와 증폭부, 그리고 컨트롤을 담당하는 부분으로 나누어 볼 수 있다. 전원부는 가정으로 인입되는 220V의 전압을 받아서 앰프의 증폭부나 컨트롤부에서 사용할 직류 전원으로 변화시켜주는 부분이다. 앰프로 들어온 220V의 교류 전기는 앰프의 전원부를 거치면서 크게 세 과정을 거치게 되는데, 첫 번째는 트랜스포머를 통과하면서 전압이 원하는 값으로 변환되고, 두 번째로 다이오드나 정류관을 거치면서 직류로 변환되며, 세 번째로 평활 커패시터나 정전압 회로를 거쳐 리플을 제거해 평탄한 직류 전압을 얻게 되는 것이다.그런데 앰프의 전원부는 음질에 아주 큰 영향을 준다. 프리앰프에는 작은 신호를 다루므로 앰프로 들어오는 교류에 의해 험이나 간섭을 받기 쉽고, 따라서 전원부를 차폐하거나 별도의 몸체로 만들어야 하는 등 대책이 필요하다. 특히 파워 앰프에서 전원부의 중요성은 두말할 나위가 없을 것이다. 전원부가 출력을 지탱하는 것은 물론, 스피커의 임피던스 변동에 얼마나 잘 대응하는가 하는 특징은 전원부에 크게 의존하게 된다.



 트랜스포머 전원부는 트랜스, 다이오드, 커패시터와 저항 등으로 구성된다. 먼저 트랜스(정확하게는 트랜스포머)는 교류를 그대로 유지하면서 전압만을 변경시켜주는 역할을 하는 것이다. 철심에 코일 하나(A)를 둘둘 감고 다시 다른 코일(B)을 둘둘 감으면, 두 코일은 서로 분리되어 있다. 코일 A에 전류를 흘려주면 철심은 자석이 된다. 교류를 흘려주면 자석의 N극과 S극은 계속 바뀔 것이다. 그런데 자석의 N극과 S극이 계속 바뀌면, 코일 B에는 유도 전류가 발생하게 된다. 이것이 트랜스포머의 원리다. 즉, 코일 A와 B는 서로 분리되어 있으면서도 교류에 의해 발생하는 전자석을 매개체로 교류를 통과시켜주는 것이다.한편 변환되는 전압과 전류의 관계는 코일 A와 B에 감긴 수에 비례한다. 예컨대 A를 1000번, B를 100번 감은 뒤, 220V의 교류를 A에 보내면 B에서는 22V의 교류가 발생하는 것이다. 물론 B를 5000번 감으면 220V의 교류를 1100V로 승압시키는 것도 가능하다. 이 때 에너지가 보존되므로 (손실을 무시한다면) 22V로 감압될 때는 전류는 다섯 배로 증가하고, 1100V로 승압시키면 전류는 1/5로 감소하게 된다.한편 실용상으로는 B의 코일을 감는 중 정확하게 중간에서 선을 끌어내고 계속 감는 경우가 많은데, 이를 '양파'라고 한다(먹는 양파가 아니라 두량(兩) 자를 쓴 양파다). 1100V의 예에서 중간에서 뽑은 선을 0V로 접지시키면 나머지 두 선은 정반대의 위상으로 각각 550V씩 걸리게 된다(이를 각각 정류시키면 '+'와 '-' 직류 전원, 즉 '양전원'을 만들 수 있다). 그리고 처음 감기 시작한 부분을 접지시키면 중간에 뽑은 선에서 550V, 모두 감은 쪽에서는 1100V를 얻을 수 있다. 한편 중간에서 선을 뽑지 않고 두 선 사이에 1100V가 그대로 걸리는 것은 '단파'라고 한다.트랜스는 철심의 형상에 따라 분류되는데, 가장 널리 사용되는 것은 'E'자와 'I'자 형태로 생긴 것에 A·B 코일을 감는 사각형 모양의 EI형과, 반지 모양으로 생긴 철심에 코일을 감는 토로이달 타입이 있다. 요즘 오디오에서는 주로 토로이달 타입을 사용하는데, 누설 자속이 적어서 증폭계에 자기장의 영향을 적게 주기 때문일 것이다. 토로이달 트랜스는 대량 생산에도 적합하고 제품의 편차도 적다. 하지만 토로이달 트랜스는 앰프를 켰을 때, 돌입 전류가 EI 트랜스에 비해 상대적으로 크고, 쉽게 포화되는 성질이 있어서 꼭 좋기만 한 것은 아니다. 이 사실은 단적으로 진공관 앰프의 출력 트랜스(전원 트랜스와 원리가 똑같다)에 토로이달 트랜스가 거의 사용되지 않고 전원부에만 사용되는 것을 보아도 알 수 있다.EI형 트랜스는 만들기가 어렵고 자기장의 영향에서 자유롭기가 어렵다. 제품의 편차도 크다. 하지만 실드 링을 두르거나 실드 커버를 철저하게 함으로써 하이엔드 오디오에 사용될 수 있다. 게다가 EI 트랜스에는 에폭시 같은 것으로 데드닝을 하는데, 트랜스의 떨림을 데드닝시키기에 적합한 사각형의 구조를 갖고 있다. 오래 전에 내가 썼던 어떤 앰프는 토로이달 트랜스를 쓰고 있었는데 트랜스가 끔찍하게 떨리는 소리를 내어, 실로 속수무책이었다는 기억을 갖고 있다. 그래서 오디오 쪽에서는 마크 레빈슨이 주재하던 시절의 첼로 앰프처럼 한결같이 EI 타입의 전원 트랜스만을 고집하는 경우도 어렵지 않게 찾아볼 수 있는 것이다. 요즘 나오는 앰프들을 보면 국산이건 수입산이건 거의 대부분 토로이달 트랜스를 쓰고 있는데, 오디오는 유행을 쫓거나 흉내로 될 수 없다는 사실을 강조하고 싶다. 한편 트랜스는 철심(코어)의 재료에 따라서도 분류할 수 있는데, 페라이트(철) 계열은 자속 히스테리시스를 갖는다는 약점이 있다. 히스테리시스는 철심이 전자석이 되어 N극과 S극이 형성된 후 교류의 방향이 바뀌어 N극과 S극이 뒤집힐 때 이전의 자기장과 정확하게 대칭이 되지 않는 현상이다. 즉, N극과 S극이 계속 바뀌면서 정확하게 대칭이 된다면 오래 사용해도 자기장이 완벽하게 상쇄되어 스스로 자성을 갖지 않아야 하는데 페라이트 코어는 사용하면서 조금씩 자화되는 것이다. 니켈 합금은 가격은 비싸지만 자속 히스테리시스가 거의 없다는 장점이 있어서 오디오에서 널리 사용된다. 특히 고급 진공관 파워 앰프의 출력 트랜스포머에서는 거의 모두 니켈 코어를 쓰고 있다고 해도 과언이 아니다.
<다음 호에 계속>http://blog.naver.com/casalsaudio



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