Don't panic !: Hybrid Headphone Amp 만들기

이전에도 살펴 보았지만, 기존의 것들을 참고하여 보완해 가는 방식으로 진행하고자 한다.
우선 참고하고자 하는 회로는 diyaudioproject.com에서 검색한 12AU7과 MOSFET IRF510을 이용한 회로를 사용하고자한다.

diyaudioproject.com/Solid/12AU7-IRF510-LM317-Headamp/
전원은 12V 단일 전원을 사용하였다. 신정섭님이 설계하신 MHHA는 정말 기발하긴 한데 아쉽게도 24V 전원은 휴대용으로 사용하기에 제약이 많다.

www.headphoneamp.co.kr/index.php?mid=diy-sijosae&page=1&document_srl=19870
24V 아답터를 구하는 것도 힘들 뿐아니라 24V의 배터리를 구하기는 더힘들다.

YAHA라는 독일 사람이 비슷한 개념의 헤드폰 앰프를 구상했다.

http://www.fa-schmidt.de/YAHA/
12V의 전압을 사용하고 IRF510과 LM317을 단일 OPAMP로 구성하여 한층 더 간소화 하였다. 공간이 더 많이 줄 수 있다.
이건 너무나도 깔끔해서 살펴 보았다. http://www.geocities.jp/shirocable/ha11.html
이 회로는 많은 변화가 가능하지만, 단순 미를 살리고자 하는 정신을 살리는 차원에서 OPAMP에 대한 변경보다는 진공관의 Heater의 전원을 6.3V로 제공하거나 12.6V로 제공하거나 하는 차원의 차이거나 이 전원을 정전류 방식으로 제공할 것이냐 정전압 방식으로 제공할 것이냐는 변화가 주를 이루고 있다. 정전압 방식이 Heater를 데우는데 좀 더 효율적이지만 진공관의 수명을 늘리는 차원에서는 정전류 방식이 좀더 좋은 방법이 된다. 이 건 사용자의 선택 사항인것 같다.

그냥 하드웨어적인 구성방식만 놓고 보자면 왜 YAHA 헤드폰앰프를 사용하지 않고 Rozers Gomez씨의 헤드폰 앰프를 사용하느냐? 하는 질문에 대한 대답은 다음과 같다.

Rozers Gomez씨가 YAHA방식과의 차이에 대해서 직접 언급한 내용이다.
"The plate load resistor, generally called RL in most circuits P1 in mine. sets the gain of the tube. Now remember we are limited by the power supply, because too much gain will cause clipping and distortion. Also CK or C2 in the schematic will increase gain ( or in respect prevent decrease in gain) by maintaining the correct cathode voltage, also known as AC bypass.

If your amp is still on the breadboard take out c2 and you will notice a decrease in gain, well enough to notice. This amp is designed for 10db of gain, enough for headphone use.

Now headphone impedance is a whole other animal. The mosfet buffer has a gain of approximately 1, its job is to decrease the amps output impedance to match the impedance of the headphones. You may have seen opamp buffers were the output is tied to the negative input pin. This is used in fa-schmidts yaha amp http://www.fa-schmidt.de/YAHA/

My amp was a combination of the yaha with a Szekers, it was improved by using the plate voltage to bias the buffer and reducing part count.

Gio has an awesome example of the Szekeres mosfet follower amp."
그 부분만 해석해 보자면 "요즘의 헤드폰의 임피던스(일종의 저항)는 완전히 다른 종류(기존의 스피커와 비교해 보자면?)의 것이다. MOSFET(여기서스크린샷, 2013-01-20 15:06:23 IRF510을 일컷는 것 같음) 버퍼는 거의 1에 가까운 증폭률을 가지고 있다. 이것의 용도는 앰프의 출력 임피던스를(진공관 앰프의 출력단의 임피던스를 일컫음) 감소시켜 헤드폰의 임피던스와 일치하게 만들어주는 것이다. 당신은 아마도 일반적인 OPAMP 버퍼의 출력이 마이너스 입력 핀에 묶여져 있는 회로를 많이 보았을 것이다. 이러한 문제점은 fa-schmidts씨의 yaha 앰프에서도 사용되었다. 나의 앰프는 yaha와 Szekers의 mosfet follower amp의 조합이다. 이것은 사용하는 부품의 수를 줄이고 버퍼에(MOSFET을 일컫음) 진공관의 Plate 전압을 연결함으로써 개선하였다."라고 말한다. 자세한 기술적인 것들은 검토해 보아야 겠지만 어쨌든 더 좋다는 말이다.

배터리 선정

배터리는 안정적이지는 않지만 현재 널리 사용하고 쉽게 구할 수있는 Li-Ion이나 Li-Po 배터리를 사용한다.
궁극적으로 12V의 전원을 만들어 내는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 배터리는 그 보다 더 높은 전압을 사용한다.

규격화된 Li-Ion 혹은 Li-Po 배터리 셀은 3.7V의 전압을 갖는다.

최저 3.4V에서 최고 4.0V의 전압 변화를 보인다.
http://www.batteryspace.com/Ultra-High-Energy-Li-ion-18650-Cylindrical-Rechargeable-Cell-3.7V-2800mAh.aspx

4개의 셀을 직렬로 구성하여 14.8V의 전압을 갖는 배터리 팩을 구성한다.

물론 보호회로를 추가하여 배터리의 안정성을 보장한다.

전원 부분은 험이나 배터리 사용을 고려하여 Fairchild사의 ka378r12를 사용하여 12V의 최대 3A의 전력을 공급할 수 있도록 하고자한다.

물론 발열이 조금 걱정되는 부분이다. PCB 설계시 Heatsink를 고려하였다.
배터리 전원은 14.8V의 4Cell의 Li-Ion 으로 선정하였다. 보호회로가 부착 되어있어서 최저 13.6V에서 16V까지의 전압 변동을 보인다.
아답터 모드의 경우 ka378r12가 요구하는 전압이 어느정도 12V보다 높아야 하기 때문에 15V 정도의 아답터를 사용하고자 한다. 최대 35V까지 입력해도 되는 것 같다.

그리고 동시에 DC Jack도 추가하여 배터리 충전이나 아답터를 이용한 구동도 가능하도록 설계하였다.

충전기와 아답터의 구동 원리는 서로 다르므로 아답터 사용과 충전기를 DC Jack을 통하여 사용할때는 Jumper를 이용하여 선택할 수 있도록 하였다.

아답터 선정

우선 정전압 레귤레이터를 회로에 내장할 것이기 때문에 12V 보다 좀더 높은 15V 정도의 아답터를 이용하도록 한다.
아답터는 쉽게 구할 수 있지만 대부분의 구성품이 브릿지 다이오드와 캐패시터의 조합으로 되어 있어서 전원이 아주 엉망이다. DC에 Ripple이 너무 많은 저질의 아답터가 대부분이다.
우선은 효과 좋은 정전압 레귤레이터를 사용하기 때문에 저질의 아답터도 문제가 없을 것으로 사료된다.
알텍 렌싱 스피커에 사용하였던 15V의 아답터도 이미 확보 하였다.

회로 설계

위에서도 언급하였지만 기본 적인 구조는 Rozers Gomez씨의 NP-100v12: 12AU7 (ECC82) / IRF510 Headphone Amp 를 전적으로 활용하였다.
그에 덧붙여 배터리 연결 부분과 붙박이 아답터 연결 부분 그리고 이와 같은 외부 전원에서 12V의 정전압을 만들어 주는 고 전류의 정전압 레귤레이터 회로 그리고 출력단의 출력 지연회로를 추가하였다.
Rozers Gomez씨의 회로는 기본적인 진공관 앰프로 신호 증폭은 진공관이 맞고 있고 그에 따르는 전력 증폭은 IRF510이 전담하고 있다. 구체적인 12AU7의 Bias 방식과 IRF510의 정전류 방식의 Bias방식에 대해서 좀더 공부가 필요하다.
아무튼 많은 사람들이 사용하였던 회로인 만큼 회로의 안정성에는 문제가 없는 것으로 사료된다.

Delay 회로

진공관이 달구어 지는 과정에서 순간적으로 전기적인 스파크가 발생 할 수 있음
고가의 헤드폰을 사용할 경우 진공관이 달구어지는 시간까지 물리적으로 연결을 해제해 주는 지연회로가 필요함 아니면 전원을 키고 조금 있다가 헤드폰을 연결하는 방식으로 ...
구동 원리는 다음과 같다.

전원이 인가됨
캐패시터에 전하가 누적됨
일정 정도의 전하가 누적되면 전압이 일정정도 이상이 되어버림
이 전압을 동력으로 Relay 장치의 코일에 전류를 공급함
코일에 자기장이 발생하여 Relay의 스위치가 동작함
Relay 스위치는 헤드폰 앰프의 출려과 헤드폰을 연결함
위와 같은 방식으로 캐패시터에 누적되는 전하가 일정 정압에 이르기 까지의 시간을 이용하여 전원 인가 후 일정 시간동안 헤드폰과 헤드폰 앰프의 출력의 연결을 해제시킨다.

기본적인 원리는 회로이론 시간에 배웠던 저항과 캐패시터를 조합하여 캐패시터가 충전되기 까지의 시간을 이용하는 방법이 일반적이다.

http://diyaudioprojects.com/Forum/viewtopic.php?f=5&t=2419

가장 간단한 구조는 NE555를 이용한 One-Shot방식의 지연회로이다.

http://diyaudioprojects.com/Forum/viewtopic.php?f=5&t=2419&start=10

시간 지연회로는 다양하게 구성이 가능하지만, 물리적으로 앰프의 출력단과 해드폰의 연결을 차단하고 연결하는 역할은 Relay로만 가능하다.

http://www.digikey.com/product-detail/en/G5V-2-H1%20DC12/Z109-ND/277845

보통 12V로 동작하는 Relay를 구동하기 위해선 수mA에서 수십mA의 전류가 필요하다.
집에서 붇박이로 사용하는 대부분의 헤드폰 앰프의 경우 Relay를 구동하는데 필요한 전류는 개의치 않기 때문에 Relay의 코일에 전류가 흐를때 앰프의 출력단과 해드폰의 연결이 이루어지는 구조를 가지고 있다.

이때 여러가지의 문제가 발생한다.
첫째, 전류를 더 소모하게 된다.
둘째, 코일에서 발생하는 자기장이 다른 곳에 유도 기전력을 발생시켜 웅웅 거리는 노이즈로 작용할 수 있다.
셋째, Relay를 장시간 On 상태로 사용하게 되면 Relay 내부의 스프링이 수축된 상태로 방치되어 나중에는 스프링이 제대로 동작하지 않아 고장나게 되는 원인이 된다.

하지만, 배터리의 사용도 염두해 두고 해드폰 앰프를 설계하고 있기 때문에 이러한 부분은 중요한 사항이다. 수십mA의 전류는 무시할 수 없는 양이다.
헤드폰과 헤드폰 앰프가 연결되는 시점에 Relay의 코일에 전류를 인가하지 않는 방식으로 회로를 설계해야 한다.
그래서 전원이 인가되는 동시에 Relay의 코일에 전류가 인가되도록 하여 해드폰의 연결을 바로 차단하고 일정 시간이 흐른후 Relay의 코일에 전류를 차단하여 원래의 상태(해드폰과 앰프의 연결)로 되돌아 가도록 설계해야 한다.

이렇게 함으로써 구동시 필요한 수십mA의 잉여 전류 소비를 제거하고 소모성 부품인 Relay가 전원인가시 잠깐만 동작하기 때문에 Relay의 수명도 늘어나게 된다.
그에 더하여 언젠가 Relay가 고장 나더라도 전력 비인가 상태가 해드폰과 앰프가 연결된 상태이기 때문에 동작하는데 아무런 지장이 없다.
하지만, 문제는 전원 인가시 Relay가 turn on 되기 까지에 걸리는 시간동안 헤드폰은 헤드폰 앰프에 연결된 상태로 남아 있게 된다. 이 기간은 위의 Relay를 사용할 경우 약 7ms가 된다. 이 정도의 시간은 문제 될 것 없기도 하고 진공관이 달구어 지는데 인가되는 전원의 관점에서도 무시해도 되는 것 같기도 하다.

그럼 방향은 정해 졌지만, 문제는 Relay의 turn on 시간이 빨라야 하고, Delay회로를 사용하는 원인이 단지 진공관이 달구어 지기까지의 시간 확보에만 사용되는 건지가 문제이다. 다른 사용 원인을 생각해보면 전원인가시 생기는 스파크도 문제가 될 수 있다. 좀더 검색해 보아야 겠다.
주의 ! 실제로 구현해 본 바에 의하여 위의 회로 즉 NE555로 구현한 Delay회로는 이미 이러한 고민들이 녹아 들어가서 설계되어 있었다. 괜한 걱정을 한 것 같다. NE555의 One-Shot은 처음에 High 상태에서 일정 시간이 지나면 Low상태로 떨어지는 구조로 되어 있다. 그럼 Relay에 연결만 정확하게 확인하면 되겠다.

실제로 설계한 회로이다.

PCB 설계

4 Cell 배터리 팩은 보통 89x89mm의 크기에 보호회로와 배터리를 포함하고 있다.
보드의 크기는 최대 90x90mm의 정사각형으로 설계하고 외각에 충분한 Support와 Spacer를 연결할 수 있도록 여유 공간을 확보하도록 하였다.
실제로 구현한 아트웍 결과물이다.