프리미엄 오디오 시스템 설계 제작

PART 1. 제품 설계 제작법
제1장 전자 제품 제작 과정 / 10
1.1. 전자 제품 디자인 이슈 / 10
1.2. 전자 제품 설계 및 제작 기법 / 10
1.3. 전자 제품 제작 평가 / 14
1.4. 프리미엄 진공관 앰프 중심의 프로젝트 수행 / 14

PART 2. 오디오 기초 이론
제2장 오디오 신호 / 18
2.1. 초창기 오디오 역사 / 18
2.2. 아날로그 오디오 밸런스와 언밸런스 신호 / 26
2.3. 아날로그 오디오 커넥터와 케이블 / 30
2.4. 아날로그 디지털 신호 변환 / 32
2.5. 디지털 아날로그 신호 변환 / 40
2.6. 디지털 오디오 저장 포맷 / 43
2.7. 디지털 오디오의 장점과 단점 / 52

제3장 오디오 신호 증폭 소자에 따른 앰프 특성 / 56
3.1. 앰프 특성 / 56
3.2. 진공관 앰프 특성 / 57
3.3. 솔리드 앰프 특성 / 58

제4장 트랜지스터 오디오 증폭 회로 / 60
4.1. 옴의 법칙 / 60
4.2. 이미터 접지 / 65
4.3. 이미터 플로워 / 68
4.4. 차동 증폭 회로 / 68
4.5. SEPP (Single Ended Push-Pull) / 71
4.6. DEPP (Double Ended Push-Pull) / 72
4.7. 오디오 증폭기 전원 회로 / 73
4.8. 오디오 증폭기 보호 회로 / 73

제5장 오디오 앰프 / 75
5.1. 기능에 따른 오디오 앰프의 종류와 특성 / 75
5.2. 종단소자 바이어스 전류에 의한 앰프의 동작 특성 및 용도 / 79
5.3. 최대 전력 전송 이론 / 82
5.4. 안정적인 회로 동작 / 86

제6장 스피커와 스피커 네트워크 / 88
6.1. 스피커의 동작 원리와 기능 / 88
6.2. 용도에 의한 스피커 분류 / 91
6.3. 멀티웨이 스피커 시스템 / 92

제7장 오디오 신호 측정 / 113
7.1. 측정 단위 / 113
7.2. 오디오 신호 측정 방법 / 117

PART 3. 오디오 증폭 스피커 설계 제작
제8장 앰프 설계 / 124
8.1. 전원 전압과 오디오 앰프 출력 / 124
8.2. 앰프 회로 선정과 동작 원리 / 125
8.3. 회로도 작성과 프린트 기판 설계 / 127

제9장 오디오 증폭기 부품 / 143
9.1. 회로 구성 실장용 부품 / 143
9.2. 콘덴서 / 145
9.3. 저항 / 151
9.4. 인덕터 / 157
9.5. 반도체 / 157
9.6. 전원 트랜스 / 158
9.7. 배선 및 방열판 / 162

제10장 프린트 기판 조립 / 163
10.1. 부품 검사 / 163
10.2. 기판 조립 및 납땜 / 163

제11장 스피커 인클로저 제작 및 배선 / 168
11.1. 스피커 유닛 선정 / 168
11.2. 스피커 인클로저 제작 / 169
11.3. 오디오 배선의 종류와 용도 / 170
11.4. 전원 스위치 배선 및 스피커 연결 / 172

제12장 조정 측정 평가 / 174
12.1. 바이어스 및 0점 조정 / 174
12.2. 뮤팅 회로 타이밍 조정 / 175
12.3. 주파수 특성 측정 / 176
12.4. 외관 및 디자인 평가 / 177
12.5. 청음 평가 / 177
12.6. 설계 제작 개선사항 / 178

PART 4. 프리미엄 진공관 앰프 설계 및 제작
제13장 진공관의 기초 지식 / 182
13.1. 진공관의 동작 원리 / 182
13.2. 진공관 험 특성 및 주의사항 / 188
13.3. 진공관 교체 시기와 조정법 / 192

제14장 진공관의 종류 / 195
14.1. 진공관의 형상 / 195
14.2. 3극관 / 196
14.3. 5극관 / 205
14.4. 정류관 / 213
14.5. 주요 3극관과 다극관 동작 특성 비교 / 216

제15장 진공관 앰프 설계 / 217
15.1. 초단 증폭 / 217
15.2. 전력 증폭 / 228
15.3. 전원 회로 / 231

제16장 6080W 프리미엄 진공관 앰프 설계 및 제작 / 235
16.1. 6080W 진공관 앰프 설계 / 235
16.2. KICAD를 이용한 진공관 앰프 PCB 기판 설계 / 238
16.3. 6080W 진공관 앰프 조립 및 제작 / 239
16.4. 진공관 앰프 조정 및 테스트 / 243
16.5. 오디오 시스템 연결 시 주의사항 / 245

참고자료 / 249

PART 1. 제품 설계 제작법
제1장 전자 제품 제작 과정
1.1. 전자 제품 디자인 이슈
공학의 중요한 역할은 원하는 기능의 제품을 최대한 빠른 시간 내에 경제적으로 구현하는데 있다. 오늘날 새로운 개념의 전자 제품을 출시하여 시장을 선도하기 위해서는 다양한 분야가 융복합된 개념을 적용한 설계가 요구된다. 즉, 제품 기능의 디지털화, 혁신적인 디자인, 사용자의 사회 문화적 요소, 소비 계층의 인간적인 감성과 정서 등이 반영되어야 한다. 소비시장의 세계화에 따라 각 나라의 문화와 전통, 종교, 기후에 따라 제품을 대하는 감성에도 큰 차이가 있다. 따라서 다양한 소비자의 취향에 맞도록 촉감, 색감, 느낌, 디자인 등과 같은 감각적 요소뿐만 아니라, 고객의 감정과 고객의 삶의 방식까지 고려하여야 한다. 또한, 경쟁사의 동종 제품 분석을 통하여 제품의 성능, 기능, 효율성, 편의성을 높이고 가격 대 성능비도 높여야 한다. 최근에는 소비자의 통찰력과 사용 경험에 의해서 만들어진 빅 데이터를 분석 반영하여 고객들의 내재된 소비 성향과 기호를 끌어내어 성공 확률을 높이는 기법도 적용하고 있다.
1.2. 전자 제품 설계 및 제작 기법
전자 제품 개발에 있어서 용도에 적합한 기능 뿐만 아니라 시장의 최신 트랜드도 반영하여야 한다. 최근의 전자 제품은 다른 제품들과 연동시켜 데이터를 교환하고 다른 사용자와 연결할 수 있는 통신 기능을 부가하는 추세에 있다. 또, 기기에 따라서는 다양한 정보를 얻고 새로운 기능 추가를 위해 센서들이 적용되고 있다. 전반적으로 제품들이 인터넷에 연결되어 데이터를 수집하여 정보를 전달하거나 저장하는 사물인터넷(IoT: internet of things) 환경으로 전환되는 추세이다. 예를 들어 10년 전의 세탁기는 단순한 모터와 기계식 타이머로 설계되어 있는 전기 기계 장치였다. 그러나 오늘날의 세탁기는 기본 기계 장치와 수 많은 센서 및 전자 부품들로 구성된다. 기능에 적합한 전용 MPU(multi processing unit)를 장착하고 소프트웨어 코드에 의해서 작동되며 인터넷에 연결되어 원격제어나 감시를 할 수 있다.
사회적 개발 인프라의 발달로 제품 개발 시간은 단축되고 있으나 어느 수준의 신기술을 적용하여 제품을 출시하느냐 하는 것도 하나의 큰 관건이다. 기술 적용이나 방향 시기를 잘못 선택할 경우 판매 시장에서 참패할 수 있으므로 신중한 접근이 필요하다. 개발 기업 및 개발자는 소비자의 요구사항을 미리 예측하고 대비하여야 한다. 새로운 것은 과거의 경험에 기반하며 우수한 제품은 치열한 경쟁과 끊임없이 발전하는 기술의 융합으로 탄생된다. 우수한 기능, 적은 에너지 소비, 세련된 디자인, 경제적인 가격과 안전성 등은 제품 설계에 있어서 가장 기본적인 요구사항이다. 더 좋은 제품을 만들기 위해서는 기계, 기구, 구조, 전기, 전자, 유체, 열, 공기흐름, 진동이나 노이즈 방지, 소프트웨어 등의 공학적 기본 요소를 적용해야 한다. 기본 요소 이외에 감성적인 디자인, 소비자의 사용 패턴, 사용 지역의 종교, 문화, 기후, A/S 정책, 친환경 요소 등 광범위한 영역의 빅 데이터를 분석하여 적용하는 것이 요구되고 있다. 요구사항을 충족하고 문제를 해결하기 위해서는 다양한 기술과 지식이 필요하다. 더 많은 정보를 분석하여 적용하는 것이 더 좋은 제품을 개발하여 성공할 수 있는 요소이다.
전자 제품 개발을 위해서 중요하게 검토해야 할 사항은 법적, 기술적, 경제적인 문제와 실현 가능성 및 판매 가능성이다. 통신과 교통수단의 발달로 인하여 제품 시장의 세계화, 규격의 세계화, 각국 정부 규제 준수, 저작권 및 특허권 보호 등 세계적인 설계 요구 조건을 충족해야 한다. 개발품에 대한 고객의 사용 경험과 요구 조건을 철저히 조사하여 분석해야 한다. 또한 제품 특성과 기능을 유지할 수 있도록, 소프트웨어, 전자, 기계 시스템 등 기술 분야별로 설계팀을 구성해야 한다. 개발 팀에서는 개발 단계에서부터 시간 지연과 품질 보장 등 제조 시에 일어날 수 있는 난제를 대비하여 제조 방법을 모색해야 한다. 단품, 소량, 대량 생산 등 개발 규모에 따라 수작업이나 자동화를 고려해야 한다. 시간 단축을 위해 워크플로우 진행에 소셜미디어 또는 협업 툴을 활용하는 것도 필요하다. 특히, 글로벌 차원의 상품 개발을 진행하는 경우 어렵고 복잡한 규제나 문화적 차이에서 오는 문제들을 해결해야 개발 시간을 단축시킬 수 있다. 시제품 제작에 있어서 가상 시뮬레이션을 통해 개발 비용을 줄이고 실물에 가까운 정교한 튜닝 과정으로 시행착오를 줄여야 한다. 설계 및 제조 비용을 실시간으로 평가하고 검토하여 최선의 방법을 선택해야 한다. 채산성이 없는 경우에는 과감한 방향 전환이 필요하다.
경쟁력 있는 제품 개발을 위해서는 개발과 관련된 축적된 지식과 경험이 필요하며, 부족할 경우 경험자의 영입이나 전문성을 갖춘 관련사와의 협력 또는 분업 체계를 검토해야 한다. 그리고 개발자나 관련사들 간에 거리, 시간, 문화가 서로 다를 때 소통과 협업의 부재는 제품 개발의 성패에 심각한 도전이 될 수 있다. 개발자들이 똑같은 기술과 지식을 이용해 서로 다른 분야나 위치에서 개발을 진행하는 경우 목표치에 도달하지 못하고 개발자도 모르는 사이에 치명적인 제품의 결함을 가져올 수도 있다. 문제점이 서로 공유되지 않고 개발이 진행되면 A/S 등 추후 재작업이 늘어나게 된다. 어떤 유명 스마트폰 제조업체는 전지 분리형에서 일체형으로 제품을 전환하는 과정에서 전지 폭발로 인해 큰 어려움을 겪었다. 이 사건으로 제조업체는 브랜드 이미지 저하와 보상 비용 지출로 경제적인 큰 손실을 입었다. 이 사례를 보면 분야별 역할과 제품 기능 전환에 대비한 소통을 통한 문제 해결 능력이 얼마나 중요한지를 보여주는 좋은 예라 할 수 있다. 소통 부재는 개발 비용 증가와 제품 성능 저하로 이어져 고객의 기대치를 충족하지 못하게 된다. 결국 시장퇴출로 이어져 심각한 상태를 초래할 수 있다. 소통문제 해결 방법으로 나날이 발전하고 있는 소셜 미디어들을 잘 활용하는 것이 제품 개발 팀들 간의 협업과 실시간 커뮤니케이션의 좋은 방법이 될 수 있다.
전자 제품 개발에 필요한 도구로 워드, 엑셀, 파워포인트, 소프트웨어 개발 툴, CAD (computer aided design), CAE(computer aided engineering), 등 다양한 응용 프로그램이 사용된다. 제품 개발 툴들은 각각 개별적으로 분산된 파일을 생성하게 된다. 따라서 이러한 정보의 통합과 표준화가 필요하다. 공동 작업을 위해서는 제품 특성 데이터 및 모든 관련 데이터를 공유할 수 있는 통합 작업 환경을 구축해야 한다. 고객 요구사항을 수집하고, 문서화하고, 제품에 적용하고, 그리고 또 다시 피드백을 받아서 충족되었는지 검증할 수 있어야 한다.
제품 개발 시 나눌 수 있는 모듈이나 분야는 개발 팀 밖의 전문가와 협력 작업하는 방식은 시간을 절약하고 수익성을 높이기 위한 좋은 방법이다. 모듈에 대한 설계도, 작업 분야별 설명서 및 데이터를 분석 평가하여 최선의 협업 방법을 모색해야 한다. 인쇄회로기판(PCB: printed circuit board), 기계 기구 설계, 모니터링 시스템, 조작제어 모듈, 통신 모듈 등 전문업체가 형성되어 있는 분야들은 모듈별로 나누어 외주가 가능하다. 소프트웨어 프로그램도 인터페이스를 정확히 정의하고 분리하여 외주가 가능하다. 모듈이나 분야 별로 나누어 자사나 외주에서 개발 업무를 진행하는 경우 동시 다발적 업무 수행으로 시간을 단축할 수 있다. 특히, 복잡한 시스템 개발이나 시간이 많이 소요되는 소프트웨어 개발에 있어서 이 방식이 주효하다. 분야별로 협업시스템을 구축할 경우 통합 관리할 수 있는 체계를 갖추어야 한다. 분야별로 개발 작업을 수행할 때 다양한 인터페이스가 어떻게 서로 상호 작용하는지를 알고 있다면 협력을 통해 재작업을 줄여 제품 개발 일정을 단축시킬 수 있다.
제품 개발은 제품 기능에 맞는 기기를 설계 제작하고 CAD 도면을 활용하여 조립도를 만든다. 제품 개발 도중 제품 구조나 기능 시험을 지속적으로 시행하여 완제품 출시 이전에 문제점이 생기지 않도록 보완해야 한다. 개발된 제품 뿐만 아니라 개발 과정도 완벽한 것은 없다. 따라서 문제점 분석 및 설계 변경 사항의 생성, 추적, 관리는 필수 요소이다. 프로젝트 설계 단계에서 제조 및 생산 과정을 계획하여 설계 개발이 완료되면 제조 생산 과정으로 들어간다. 생산 제조 엔지니어들은 조립 및 제조 계획을 세우고 필요 시 자동화 툴을 이용해 조립 제조 전 과정을 관리하면서 규모에 따라 작업을 진행하여야 한다. 작업을 위해서는 자재 관리가 필요하며 제조 과정에 맞추어 자재 수급을 효율적으로 조절하여야 한다.
제품설명서 작성 작업은 마지막으로 수행하는 매우 중요한 작업이다. 제품이 완성되면 최종적으로 서비스 및 제품설명서를 만들어 완성한다. 필요하다면 제품설명서를 비디오 형태로 만들어 인터넷 상에서 공유할 수도 있다. 설계 과정에서 설명서를 효율적으로 만들 수 있다면 제품 개발 시간을 줄이고 시장 출시 시간을 앞당길 수 있다. 또한, 실용적인 제품을 개발하기 위해서는 제품 사용 시 일어날 수 있는 문제점을 인터넷 환경을 이용하여 미리 파악하고 해소할 수 있어야 한다. 개발자는 인간적이며 더 스마트하고, 더 빠르고, 더 간편하게, 더 경제적인 개념을 제품 개발에 적용해야 한다. 이러한 복잡하고 다양한 요소들을 반영하여 많은 구매로 이어질 수 있는 차별화된 기능을 갖춘 제품 개발이 중요하다. 결론적으로 현재 전자제품 개발 방식은 하드웨어 장비를 사용하는 것 뿐만 아니라 소프트웨어 프로그램 툴을 활용한 방식으로 빠르게 전환되고 있다.
본 교재에서 설계 제작 프로젝트를 수행하는 프리미엄 진공관 오디오 앰프는 하나의 전자제품으로 디지털 음원이나 인터넷 음악을 충분히 재생할 수 있도록 설계되었으면서도 순수 아날로그 소리 재현이 가능한 음향기기이다. 이 기기는 작은 오디오 신호 전압을 증폭하는 프리앰프와 스피커 구동을 위한 전력 증폭 기능의 메인 앰프가 함께 복합된 인티그레이티드 앰프로 전기 에너지를 소리로 변환하는 스피커를 구동하는 회로와 부품들로 구성되어 있다. 제품 설계를 위해서는 진공관과 트랜지스터(TR: transistor) 증폭 회로, 옴의 법칙, 최대 전력전송 이론과 임피던스 매칭, 스피커 및 전원 트랜스 동작 원리, 전원 회로 보호회로 등 관련 기초 전자 회로 이론 학습이 필요하다. 또한 상용 판매를 위해서는 앰프와 스피커에 대한 전반적인 기술 발전 방향과 시장에 판매되고 있는 기존 제품 동향 분석이 필요하다. 학습 지식과 분석 자료를 바탕으로 기본 회로를 응용하여 증폭 회로를 설계하고 구현한다. 또한, 진공관, 트랜지스터, 커패시터, 인덕터, 저항, 방열판, 다이오드 등 관련 부품 학습과 실제 선정 및 사용 방법을 익힌다. PCB 설계는 캐드를 이용한 제작 방법까지 공부하고 프로젝트 수행 시간 절약을 위해 미리 제작된 전용 PCB를 사용한다. 공구 사용법을 익혀 PCB 부품 장착 및 납땜을 수행하여 PCB를 완성하고, 제품 케이스에 부품을 고정하고 전원부와 완성된 회로 기판을 장착하는 작업을 수행하여 제품을 완성한다.
1.3. 전자 제품 제작 평가
일반적인 전자 제품을 제작 평가할 때는 우선 공학적 측면에서 원하는 기능과 구조 그리고 성능이 성취되었는지 분석한다. 그리고 가혹한 사용 환경에서의 내구력 시험을 통해서 제품의 완성도를 평가한다. 내구력 시험은 스위치 부분의 반복 동작, 사용 환경에서의 낙하 시험, 접는 부분의 반복 동작에 의한 내구력 테스트, 온도와 습도의 변화에 의한 정상동작 및 변형 점검 등이 기본적으로 수행해야 할 시험이다. 여기서 가장 중요한 것은 전자 제품 목적에 맞는 동작 성능이다. 즉, 청소기는 청소, 세탁기는 세탁, 오디오는 소리 재생, TV는 영상과 음성 수신 등 최종적인 전자 제품으로서의 기능의 정상적인 수행이 기본 요소이다.
음향기기를 기술적으로 완벽하게 평가하기 위해서는 왜율 측정, S/N비 측정, 증폭율 측정, 스테레오 기기의 경우 좌우 편차 측정, 바이어스 드리프트 측정, 재생 주파수 대역 측정 등 수 많은 측정 요소가 있다. 본 프로젝트에서는 제작하는 앰프의 근본 기술적인 요소와 더불어 사용자 측면의 청감도 같이 평가한다. 일단 안정성 평가를 위해 바이어스 및 출력단 0점 조정 후 24시간 이상 앰프를 연속으로 장시간 동작시킨다. 이어서 바이어스 전압의 변화 여부 및 앰프 출력단의 전압이 정상적으로 유지되는지 확인한다. 과도한 전류 흐름으로 열이 나거나 타는 부품이 없는지 후각, 촉각, 육안 및 측정기를 이용하여 측정한다. 촉각으로 온도를 감지하는 경우 화상을 입지 않도록 주의한다. 예를 들면 온도계가 없을 경우 저항이나 부품에 물을 살짝 도포하여 증발 여부를 확인하는 것도 고온 측정의 하나의 테크닉으로 활용할 수 있다. 이 때 회로에 물이 흘러 절연이 불량해지지 않도록 주의한다. 발진기와 오실로스코프를 이용하여 앰프가 가청주파수 영역에서 평탄한 증폭 특성이 나오는지 20 Hz에서 20 kHz 사이의 주파수를 가변하여 특성을 측정한다. 신호가 없을 때 노이즈를 측정하여 신호 대 잡음비(S/N: signal to noise ratio)를 계산한다. 전용 장비가 있으면 왜율 등을 정밀 측정한다. 제품이 완성되었으면 원하는 성능만큼 음질을 재생하고 있는지 평가하는데, 이 경우 평가용 음원을 사용하여 소리 재현을 테스트한다. 기본적인 소리 재생 평가가 끝났으면 보이스, 오케스트라, 재즈, 록 음악, 관현악 등 다양한 장르의 음악을 재생하여 청감 시험을 한다. 청감을 평가하여 부족한 점이 있으면 보완하여 제품 제작을 완수한다.
1.4. 프리미엄 진공관 앰프 중심의 프로젝트 수행
이 교재는 전자공학 프로젝트 수행 지침서로 오디오 증폭 앰프 제작을 통해서 전자 제품 개발 과정을 학습하도록 구성되어 있다. 전자공학과 관련 2～3학년 학생이 이미 학습한 전자 회로 이론을 기반으로 오디오 신호, 오디오 기기, 증폭 회로, 전원 회로 등 오디오 신호 재생 및 제작과 관련된 전반적인 이론을 교재를 통해 학습한다. 또한, 개별 리포트를 통해서 실무에 적용할 수 있도록 재정립한다. 정립된 이론을 응용하여 교재 과정에 따라 회로 설계, 앰프 제작과 측정, 평가, 개선 등을 진행한다. 기초 지식의 복습과 관련 지식을 심층 심화 학습하고 실제 적용하여 이해도를 높이도록 한다. 이론을 현실화하는 과정에서 예상치 못하게 발생하는 문제들을 교재를 바탕으로 학습 당사자가 자기주도형으로 스스로 문제를 해결하여 학습 과정을 수행한다. 스스로 해결이 불가능한 어려운 문제들은 교수자와의 질의응답 및 소셜 미디어를 통한 소통으로 해결할 수 있다.