[DIY] Semi-구보다(Kubota) 전원장치 (SK-PS)

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[DIY] Semi-구보다(Kubota) 전원장치 (SK-PS) - 신정섭

이것은 거의 1년 정도의 제 자작욕구 끝에 어제서야 겨우 완성을 보게된 전원입니다.
아마 대장님의 메가톤급 전원부 펌프가 지대하게 영향을 주어, 견딜수 없는 지경이 되어 만들게 된 것 같습니다. ㅋㅋㅋ

구보다(Kubota)의 전원장치는 그의 "반도체 앰프제작기법"이라는 일본 서적 및 잡지 등에서 소개가 되어 있는데 이것도 교과서적인 회로 구성인 것 같습니다. (사실 이러한 기본적인 회로를 좀더 정교하게 만들어 놓은 것이 LM78xx, LM317 같은 레귤레이터 IC가 됩니다.)

구보다식 FET 정전압회로는 인터넷에서도 다음과 같이 발견할 수 있습니다. 대신 부품 용량등이 나타나 있지 않군요.
http://www.satani.org/ele/ele003.html

(추가 2006.1.9: 다음에 완전한 회로도가 있습니다. http://www.diyaudio.com/forums/showthread.php?s=&threadid=33979 )

이 전원부는 일본에서 많은 자작인들이 만들어서 성능이 매우 좋은 것으로 정평이 나 있으며 책에 의하면 방열대책 등을 세울 때 2A 정도까지 괜찮다고 나와 있습니다. (그러나 제생각에 원문에서의 Pass TR인 2SK21x 로 그런 전류까지 흘릴 수 있을지는 의문입니다.)

책에 기술된 내용은 다음과 같습니다.

"저잡음, 하이 스피드, 저 임피던스(오디오 주파수 영역에서 약 0.038 Ohm), 높은 안정성의 오디오용 구보다식 FET 정전압 전원으로, 종래의 달링톤 접속 트랜지스터 방식보다 회로가 간단하고 발진의 트러블이 없다.
프리앰프로 부터, 파워앰프의 전압증폭단까지 광범위하게 사용할 수 있다."

보시다시피 제 전원장치는 이 회로도를 기준으로 만들었는데 왜 Semi- 냐 하면,
Kubota 전원 중에서 Positive 쪽 전원만 구성했기 때문입니다.
만약 15-0V, 15-0V 과 같은 4선식 양파 구성의 트랜스라면 이런 Positive 쪽 전원 2개로 양전원을 만들수 있기 때문에 이런 구성에 대단히 매력을 느꼈습니다. (설사 15-0-15V와 같이 중간탭을 공유하는 방식의 3선식 일반 트랜스라도 많은 경우 중간선을 분리하여 15-0, 15-0과 같은 방식으로 개조할 수도 있을 것이고요.)
아마 앞으로도 가급적 이런 방식을 선호하지 않을까 합니다.

이러한 Positive 단전원 2개로 구성한 양전원 회로의 일례는 다음의 링크에서 볼 수 있습니다.
http://www.diyaudio.com/forums/showthread.php?s=3308dae07ae48940be56e8a3943db5c1&threadid=3075&perpage=15&pagenumber=11

이렇게 하면 유용성이 커지고, 부품 수급이 훨씬 용이합니다. 컴플리멘터리 부품 찾느라 수고할 필요가 없잖아요.
(+)전원, (-)음전원 동일 구성이 되므로 보다 일관성있는 회로가 되기도 하고요.


한편, 이 전원은 Kubota의 회로 그대로는 아니고,
역시 좀더 쉽게 구성할 수 있도록 몇가지 변경했습니다.
게다가 모두 몇십원, 몇백원짜리의 저렴한 부품들로 대체했습니다.
그렇다고 성능상으로 뒤떨어지는 방향으로 "개악"되지는 않았다고 봅니다.


원문회로 대비 변경점
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1. Positive 전원단만 구성합니다.
즉, Positive 전원단 자체를 단전원에 이용하거나 똑같이 2개를 만들어서 4선식(예: 15-0, 15-0V) 양파 트랜스와 함께 양전원을 구성할 수 있습니다.
전술한 바와 같은, 이것이 갖는 실용적인 장점은 차치하고라도,
이 경우, 상대적으로 쉽게 구할 수 있고, 우수한 소자 선택의 폭이 넓다고 생각되는 N채널 MOSFET과 NPN형 TR들이 사용되게 됩니다.

2. MOSFET으로 IRF510을 썼습니다.
원문의 2sk214(or 2sk213) 도시바 MOSFET 보다 훨씬 사용전류량이 높습니다.
아마 대장님의 테스트에서 구보다의 출력이 약했던 가장 큰 이유가 원문의 MOSFET은 최대 전류량이 0.5A라는데 있는 것 같습니다.
IRF510은 그 열배인 5.6A 입니다.
한편 재미있는 것은, Horowitz & Hill의 유명한 명저인 "The Art of Electronics"에 소개된 "Ultrastable low-noise power supply"회로에 IRF510과 동급사양으로 간주해도 좋은 IRF511을 Pass TR로 쓰고 있다는 것입니다.

물론 다른 MOSFET을 쓰셔도 될 것입니다. (예를들면 IRF610은 3.3A, IRF520은 9A, IRF530은 무려 14A... 대신 고전류에서는 필히 그에 맞는 방열판 등을 사용해야 겠지요)

또한, 자작하다보면 사재기 때문에 앞으로 쓸 가능성이 희박한 부품들이 자꾸 생기게 되므로 이 파워는 그렇게 나오는 MOSFET의 처리용으로도 썩 괜찮은 것 같습니다.^^

3. 원문에서의 두 CRD 대신 "2SK30A(GR)+저항"으로 전부 대체했습니다.
사실 CRD는 500원이면 아세아 상가에서 구하지만 그 외의 장소 및 온라인으로는 어려워서 "JFET+저항"으로 대체했습니다. 원래 CRD가 JFET+저항으로 만들어 진다고 합니다.
하여간 이 부분에서 혹시 성능이 저하될까 걱정하지 않으셔도 됩니다. 이미 상당히 많은(아마 오히려 더 많은) 정전압 전원부가 이렇게 JFET로 Constant Current Source를 구현하고 있으니까요.

4. 오차 검출용 TR 들도 ic114에서 쉽고 싸게 구할수 있는 BC550 입니다. 물론 2n2222 등 다른 범용 NPN형 TR을 사용해도 됩니다. (대신 다리순서가 정반대이니 필히 확인...)

5. 좀더 낮은 전압까지 조절이 되도록 부품 용량을 다소 조절하였습니다.

6. 정류 다이오드 브릿지에 0.1uF 바이패스 콘덴서를 추가하였습니다.

그외의 나머지는 거의 같고, 생략된 부품등은 없습니다.
현재 평활콘덴서는 폐오디오에서 떼어내었던 루비콘 2200uF/25V를 쓰고 있습니다.

하여간 결과적으로, 모두 온라인상으로 아주 싸고 쉽게 구할 수 있는 부품들로 구성되어 있습니다.
어쩌면, 원문대로 보다는 개작하여 만드는데 아주 재미를 들인 것 같기도 합니다. ^^

보시다시피 매우 앙증맞고 컴팩트합니다.
레귤레이터 IC를 사용하여 구성하는 것과도 별반 크기차이가 나지 않습니다.
점퍼선은 없는데, 이거 이렇게 레이아웃 하느라고 아주 골치가 아팠습니다.
이제는 해골이 아프고, 귀차니즘 때문에 레이아웃 그리는 것이 아주 힘듭니다.

기판 크기는 56 x 26 mm 입니다.
위 전원장치를 만들어 오늘 하루종일 바지 주머니에 넣고 다녔답니다. ^^
실비아 실크 케이스에 이거 3장이 들어갈 정도로 작지요.
2장으로 양전원을 구성해도 겨우 56 x 52 mm 입니다.

또한 이미 어느정도 크기의 방열판이 달려있으므로 수백 mA의 전류에는 문제가 없을 것이고요... 출력석이 MOSFET 이므로 고열에도 상당히 강하고요...
한편, 가변저항으로 조정하면 제너 다이오드를 5.6V로 사용시 최소 7.8V 에서 부터 해당 트랜스의 한계 전압까지 사용가능합니다.

또한 파워도 충분하고도 넘칩니다.
대장님의 전원 테스트 결과와 참고하기 좋도록 Amveco 22V 양파 트랜스 25VA (12.5+12.5, 즉 0.57A)에 물려서(물론 반쪽만) 15V 정전압 테스트해보니까,
0.75A 까지는 14.98V,
1.0A 에서는 14.9V를 유지합니다.
1.0A에서 전압강하 생긴 것은 트랜스 쪽에서 받쳐주지 못해서가 아닌가 생각합니다.
물론 이런 극한의 조건에서 시간이 경과하여 트랜스나 출력석 모두 대단히 뜨거워지면 상태가 바뀌겠지만 하여간 잠시동안의 테스트에서는 매우 만족스습니다.
한편, 이 이상은 테스트 해보지 않았습니다.
(가지고 있는 100옴, 30옴 시멘트 저항 조합해서 15옴~50옴을 만들어 전원단에 물려서 부하실험을 했던 것이라서요...)
가변 저항 조정시 무부하에서 7.78V ~ 29.5V 까지 출력전압을 조정할 수 있음도 확인하였습니다.

제대로 들으려면 하나더 만들어서 양전원을 구성해야 하므로 실제로 앰프에 물려서 사용하고 있지는 않지만, 거의 1년의 숙원 Project를 풀고 나니 속이 후련합니다.


자작시의 Comments
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- AC 20V 이상의 입력을 받는다면 위의 모든 전해콘덴서는 35V 이상급을, 그 이하라면 25V 급도 가능합니다.

- 제너 다이오드는 5~7V 사이의 것이면 충분할 것입니다. (용량은 작아도 무관...) 참고로, 이 범위의 다이오드가 열적으로 가장 안정되어 있기 때문에 가장 많이 사용하는 것입니다. 저는 좀더 낮는 전압까지 조절하기 위해 5.6V를 사용했습니다.

- 입맛에 따라 정류 다이오드는 고속형이나 쇼트키를 사용하셔도 됩니다. 현재 저는 그냥 일반 정류용 다이오드를 사용했습니다. (1N4004)

- JFET인 2sk30A는 GR 랭크를 구입하시기 바랍니다. 특별히 매칭할 필요는 없다고 생각합니다. 위 회로 상에서 왼편 JFET에는 1K 저항을 달아서 약 1~1.5mA의 정전류원이 되도록 구성한 것이고, 제너다이오드에 정전류를 공급하는 오른쪽 JFET는 10옴을 달아서 약 3.0~4.5mA가 흐르도록 한 것입니다. 아마 일반적인 2sk30A GR 랭크의 것을 구입하시면 대략 이 범위내에 들어갈 것 같습니다. 만약 좀더 정교하게 정전류를 조절하고 싶다면 여기 제 자작방에서의 "Pairman"으로 FET를 선별하실 수 있습니다.


그럼...
즐음, 즐자작 하세요...

ps) 위 회로도 및 아트워크와 실제로 처음 만들었던 위 사진의 습작 기판과는 조금 다릅니다. (출력쪽 47uF 콘덴서도 실제 기판에서는 실수로 빼 먹었지요.)


*** 추가 (2004.1.9) ************

일반 1n400x 다이오드 보다는, 1n5819 정도의 쇼트키(ic114에서 50개 60원씩이었던가?)을 사용하시길 권합니다. 다른 것은 제가 구별 못하고, 이놈이 VF가 일반 다이오드보다 훨씬 작으므로 가능한 최대 출력 정전압도 0.5~1.0V 정도 추가확보가 가능하더군요.  
아. 1n5819는 40V, 1A 용이고, 1n5822는 4A용이니 용량을 감안하시기 바랍니다.

한편, 현재 한시간이상 테스트중인데 이미 안정상태에 도달한 것 같아서, 결론이라 생각하고 이글을 씁니다.

일반 다이오드 대신 1n5819 쇼트키로 바꾸고,
MOSFET도 IRF610으로 바꿔서 똑같이 하나더 만들었습니다.
물론 방열판과 크기는 위 사진과 동일하고요.

여기에 Amveco 15V양파 (0.83A급)을 물려서 12V 정전압 출력으로 만들고,
시멘트 저항 25옴을 달았습니다.

즉, 480mA의 부하를 걸어놓은 것입니다.
이 경우 방열판의 온도가 대단히 높지만 100도를 넘지 않는군요.
즉, 소자의 안정성에는 문제가 없을 정도로 보입니다.
물론 아주 정상적으로 동작하고 있습니다.
대략 계산해 보니까, 방열판에서 3.3W 정도의 열이 방열되고 있습니다.

Szekeres급의 고전류 사용 앰프에도 위와 같은 크기로 가능하다고 생각되는 결과입니다.

물론 발열량 자체는 전원부의 질과 거의 상관이 없습니다.
예를들면 입력전압과 출력전압이 고정되면 거기서 발생하는 것은 것은 전적으로 흘러가는 전류의 량에 비례합니다.

말하자면 고급저항을 쓰건, 싸구려 저항을 쓰건 저항에서 발열되는 양은 차이가 전혀 없다는 이야기 입니다. 단지 저항의 외관 덩치가 크면 표면온도가 낮은 것으로 나타나는 것이고요.

그러므로 주어진 조건에선 서로 다른 전원부라해도 발열총량의 차이가 거의 없습니다. 방열판이 크면 온도가 낮아지고 방열판이 작으면 뜨거워질 뿐이므로 그런점을 방열판의 크기 등, 열적 설계에 참고하시길 바랍니다.


*** 추가 (2004.1.11) ************

대장님께서도 위와 유사하게 제작하시어 테스트한 결과들과 제 나름대로의 추가적인 실험을 통하면,

- 전해 콘덴서의 용량을 위 2200uF에서 3300uF 또는 그 이상으로 증가시킬 때 대저류에서 분명한 성능향상이 발견했습니다.

- 대장님의 IRF610 (3.3A)과 IRF530 (14A)과의 비교실험에서 IRF530이 최대출력 성능에 분명한 향상이 있었습니다. 두 소자의 한계 전류량 부근에서 훨씬 아래인 1A 부근에서도 최대성능의 차이가 있다는 것입니다.
아마 고전류용 MOSFET이 같은 전류량에서 Vds 등이 낮은 특성때문이 아닐까 생각하는데 이건 좀더 공부해봐야 겠습니다.
원문대로의 MOSFET인 2sk214로 한 대장님의 테스트에서 아주 저전류 밖에 뽑아내지 못했던 것도 데이터시트를 살펴보니 보니 약간 이해가 될것도 같습니다.
하여간 좋은 시도이고 유용한 실험 결과가 아닐까 합니다.
고로 향상된 최고전류 성능을 원하신다면 높은 전류 스펙을 가지는 MOSFET을 쓰시기 바랍니다.