파워앰프의 주요 특성과 바른 사용을 위한 기초 전기 지식 – 초보의 초보 음향 공개강좌 ⑮

시작하기 전, 독자 제위가 싫어할 만한 전기 이론 이야기를 먼저 해야겠다. 다만, 이 문단은 전기에 대한 지식이 전무한 독자를 가정하고 작성했다. 전기전자분야의 기본적인 지식(고등학교 물리시간에 배웠을 ①옴의 법칙 ②합성저항 ③전력 공식 정도면 충분하다.)이 있으신 독자 제위께서는 그냥 스쳐 지나가셔도 되겠다.

모두가 알다시피, 전기는 발전소에서 생산된다. 발전소에서 생산된 전기는 전봇대를 타고 여기저기 들어가서 불도 켜고 냉장고도 돌린다. 음향 시스템에서는 발전기에 해당하는 놈이 파워앰프가 되고, 냉장고에 해당하는 놈이 스피커가 된다.

그리고 냉장고와 스피커 두 가지 모두 동일한 전기 법칙이 적용된다. 앞에서도 말했지만, 파워앰프는 전력을 다루는 놈이다. 때문에 파워앰프를 운용하기 위해서는 전기 전력에 대한 최소한의 지식이 필요하다. (그러니 억지로라도 읽어.. ㅜㅜ)

전력(Power)

전력이란, 전기가 어느 정도 일을 해낼 수 있는지를 보여주는 값이다. 밥솥이 크면 지어야 할 밥이 많다는 뜻이고, 그만큼 해야 할 일도 많다는 뜻이다. 그리고 많은 일을 하기 위해서는 많은 힘이 필요하다. 그리고 밥솥은 전기 에너지를 공급받아 힘을 얻어 밥 짓는 일을 한다.

이처럼, 어떤 일을 하는 데 필요한 전기 에너지의 크기를 전력이라고 하며, [W](Watt, 와트)로 표시한다. 전력은 전압과 전류의 곱 또는 전류의 제곱과 저항의 곱으로 계산할 수 있다. (참고로, 본 글에서는 단위를 표시하기 위해 [대괄호]를 사용하겠다. 대괄호 안에 있는 문자는 모두 단위를 의미한다.)

위의 공식을 이용해 계산하면, 만약 소모전력(P) 100[W] 짜리 장비가 있고 그 입력 전압(V)이 100[V]라면, 1[A]의 전류(I)가 흘러야 한다는 것을 알 수 있다. 또한, 만약 10[Ω]의 저항(R)을 가진 장비에 2[A]의 전류(I)가 흐르고 있다면, 소모되는 전력(P)이 2[A]² x 10[Ω] = 40[W] 가 됨을 알 수 있다.

이 공식은 파워앰프에 대략적으로 공급되어야 하는 전류를 계산할 때 사용된다. 앞서 살펴본 Crown MA-3600의 경우, 대략 3600[W]의 출력을 낼 수 있다. (보통 파워앰프의 모델명에 있는 숫자는 정격 출력을 의미한다.) 우리나라의 상용전압 220[V]를 사용한다면,

즉, 최소 17[A] 이상의 전류를 안정적으로 공급받을 수 있어야 한다는 얘기 또는, 콘센트 차단기 용량이 최소 17[A] 이상은 되어야 한다는 얘기다.

또한, 스피커를 향해 흐르는 전류도 계산할 수 있다. 스피커의 임피던스(저항)이 8[Ω] 이고, 스피커의 출력이 800[W]라고 하면,

스피커 케이블에 흐르는 전류는 10[A] 라는 얘기다. 즉, 최소한 10[A] 이상의 전류를 흘려도 문제가 없는 규격의 전선을 스피커 케이블로 사용해야 한다는 것을 알 수 있다.

사실, 저 공식은 직류(DC : Direct Current) 시스템에서 사용하는 공식이다. 우리가 사용하는 한전 전원은 60Hz의 진동수를 가진 교류(AC : Alternating Current)이며, 파워앰프의 출력 역시 파형의 형태를 고스란히 가지고 있는 교류에 속한다. 하지만, 현장에서 이를 다 감안하며 계산하기에는 힘들다. 고로, cosθ같은 성분은 빼 버리고, 그냥 DC를 가정하여 계산하여 어림값으로 사용한다. 이런 이유로 계산값에 반드시 여유를 주어야 한다. (위의 16.36[A] 를 최소 17[A] 라고 말한 이유이다.)

저항과 임피던스 (Impedance)

저항은 전류가 잘 흐르지 못하도록 막는 성분을 의미한다. 물레방아의 예를 들어 설명하자면, 아무것도 없이 물이 떨어지는 폭포에서 물이 떨어지는 속도를 100이라고 하면, 물레방아를 돌리고 난 후의 속도는 100보다 줄어들게 될 것이다. 물레방아가 물의 흐름을 방해하기 때문이다. 여기에서 물레방아를 저항이라 생각하면 된다.

물레방아가 크면 (저항이 크면) 흐르는 물의 속도가 줄어들 것이고(작은 전류), 물레방아가 작으면 (저항이 작으면) 흐르는 물의 속도도 빨라질 것이다(큰 전류). 그리고 스피커는 이 물레방아처럼 저항으로 작용하게 된다. 이 저항을, 교류회로에서는 임피던스(Impedance)라고 부른다. 즉, 스피커의 저항을 임피던스라고 부른다고 생각하면 된다. 그리고 이것 역시 앞서 설명한 것과 같은 이유로 그냥 DC로 가정하여 계산한다.

스피커가 8[Ω]짜리다, 4[Ω]짜리다 하는 것이 바로 스피커의 저항인 정격 임피던스(Nominal Impedance)를 얘기하는 것이다. 본 강좌 진행 중, 스피커와 파워앰프를 언급하며 저항과 임피던스를 혼용해 사용할 수 있다. (실제 현장에서도 혼용해서 사용하고 있으며, 정확한 표현인 임피던스보다 저항이라고 표현하는 빈도가 더 많다.) 이 경우 정확히는 임피던스를 지칭하는 것임을 기억하기 바란다.

저항의 직렬연결과 병렬연결

전기 소자를 다른 전기 소자와 연결하는 방법은 직렬연결과 병렬연결로 나뉜다.

병렬(Parallel) 연결은 옆으로 죽 세워 두는 것을 말한다. 모든 소자에 걸리는 전압은 동일하다. 하지만 각 소자를 통해 흐르는 전류의 양은, 각 소자에 따라 크기가 달라진다. 집안의 콘센트는 모두 220[V]의 전압을 내어 놓지만, 각 콘센트를 통해 흐르는 전류는 연결된 장치가 소모하는 전력에 따라 달라진다.집안 콘센트들은 모두 병렬로 구성되어 있다.

직렬(Serial) 연결은 한 줄로 세워 두는 것을 말한다. 제일 앞의 소자를 통해 들어온 전류는 제일 마지막 소자까지 순서대로 각 소자들을 거쳐 흐르게 된다. 즉, 모든 소자에 흐르는 전류가 동일하다는 것이다. 반대로 전압의 경우, 저항에 따라 서로 다른 전압이 걸린다. (일단 이 정도만 알아두면 된다.)

직렬연결과 병렬연결의 합성저항

만약 복수개의 스피커를 하나의 파워앰프 출력에 연결해서 사용한다고 치자. (상당히 자주, 아니 거의 매번 발생하는 상황이다.) 이럴 경우, 합성 임피던스 계산을 해 주어야 한다. 8[Ω] 짜리 스피커를 직렬로 연결할 때와 병렬로 연결할 때의 합성 임피던스를 구하는 방법은 다음과 같다.

1. 4개 직렬연결의 경우 : 스피커의 임피던스들을 모두 합친다 : 8[Ω] + 8[Ω] + 8[Ω] + 8[Ω] = 32[Ω]
2. 4개 병렬연결의 경우 : 스피커의 개수로 임피던스를 나눈다 : 8[Ω] ÷ 4개 = 2[Ω]

참고로, 본래 병렬로 연결된 합성 저항을 구하는 공식은 다음과 같다.

통상 복수의 스피커를 사용할 때는 동일한 모델의 스피커들을 묶어 사용하기 때문에 스피커 개수로 나누라 한 거다. 만약 서로 다른 모델을 섞어서 사용하는 상황이라면, 일단은 같이 안 쓰는 게 좋고, 굳이 섞어 쓴다면 이 공식을 이용해 합성 저항을 반드시 구해야 한다.

병렬연결을 하면 할수록 합성저항은 낮아진다. 즉, 파워앰프 입장에서는 더 많은 전력을 제공해 주어야 하는 상황이 되는 것이다. 과도하게 임피던스가 낮으면, 앰프가 스피커를 구동하는데 무리가 생긴다. 때문에 파워앰프들은 임피던스 구간별 사용 가능한 전력량(출력)을 표시해 두고, 그 안에서 운용할 것을 권장한다. 그나마 임피던스가 파워앰프의 설계 한계보다 높다고 하면 소리가 작고 음질이 떨어지는 정도로 끝난다. 하지만 임피던스가 과도하게 낮아질 경우 과부하로 인해 파워앰프 증폭부가 파손될 수 있다.

참고로, 우리가 주로 사용하는 음향 시스템 (SR : Sound Reinforcement) 현장의 스피커는 대부분 8[Ω] 이하의 임피던스를 가지고 있으며, 건물에 설치되는 전관방송 (Public Address)용 컬럼 스피커의 경우 16[Ω] 이상의 임피던스를 가진다.

소모전류 (Power Consumption)

파워앰프를 구동하기 위해 필요한 전류의 양이다. 계속 한 말 또 하고 또 하고 해서 짜증나는 독자 제위 계시겠다만, 안전을 위해 반드시 알고 있어야 하는 사항이다.

매뉴얼을 보면 이 파워앰프가 동작하는데 몇 A의 전류가 필요한지 적혀 있다. 파워앰프에 공급되는 전원이 파워앰프가 필요한 전류를 감당하기에 충분한지 반드시 확인한 다음 앰프를 사용하여야 한다. 그렇지 않으면 119에 전화를 걸어야 하는 상황이 닥칠지 모른다.

무게 (Weight)

사실 파워앰프의 정확한 무게를 알고 있을 필요는 없다. 파워앰프는 그냥 많이 무겁다. 파워앰프 내부에는 큼지막한 쇳덩이에 전선이 마구마구 감겨 있는 부품이 있다. 변압기(도란스, Transformer)라 불리는 놈인데, 다른 형태의 변압기를 사용하는 제품도 간혹 있으나, 거의 모든 파워앰프에는 이 무식한 쇳덩어리가 들어가 있다. 그리고 파워앰프의 대부분의 무게를 차지하는게 바로 이 변압기다.

앞에서 MA-3600에 대해 소개할 때, 출력에 비해 가볍다고 했다. 그 가볍다고 하는 게 25kg이다! 파워앰프는 혼자 운반하거나 설치하지 않아야 한다. 어~? 어~!? 하다가 큰 상해를 입을 수 있다. (하지만 현장에서는 혼자서도 잘해요 판..) 내 몸은 내가 지켜야 한다. 가급적 도수 운반을 피하고, 도수 운반시에는 반드시 2인 이상이 함께 움직이도록 한다.

정격 출력(Rated Power)

정격 출력이란 파워앰프의 가장 중요한 성능 지표로, 제조사에서 ‘여기 까지는 마음 놓고 써도 됩니다.’ 라고 보증하는 출력이다. (최저 보증, Minimum Guaranteed 라고도 한다.) 대부분의 업체에서 모델명으로 선택하는 숫자가 이 숫자이다.

위 그림은 MA-3600VZ 파워앰프의 매뉴얼의 정격 출력에 관한 부분이다. 자세히 보면, 파워앰프에 공급되는 전원 전압에 따라 정격 출력이 조금씩 달라지는 것을 볼 수 있다. 또한, 스피커의 임피던스에 따라서도 정격 출력이 달라지는 것을 알 수 있다.

위에서 본 필자가 저항과 전력에 대해 먼저 말을 꺼냈던 이유가 바로 여기에 있다. 스피커나 앰프를 날려먹지 않기 위해서는, 여기에 적혀 있는 범위 내에서 운용해야만 하고 그러기 위해서는 위의 지식들을 알고 있어야 하기 때문이다.

전 회차에서 앰프의 후면부를 살펴보면서 브리지에 대한 이야기가 잠깐 나왔었다. 브리지 모드(Bridge Mode)는 스테레오 앰프에 있는 2개의 증폭기를 하나로 합쳐서 더 큰 출력을 사용할 수 있는 방법이라고 말한 바 있다. 브리지 모드로 동작할 때에는 출력을 얼마나 뽑아낼 수 있는지도 적혀 있다. 또한 각 브리지 모드가 허용하는 저항의 범위가 다른 것도 알 수 있다.

정격 출력이 파워앰프의 가장 중요한 성능지표라고 말을 하긴 했다. 하지만, 한가지 기억해 둘 것은, 출력이 크다는 것은 얼마나 큰 스피커를 구동할 수 있는지를 나타내는 것에 불과하다는 것이다. 위에 예를 들었다만, 큰 밥통으로는 밥을 많이 지을 수 있을 것이다. 그 뿐이다. 와트 수가 크다는 것은 밥통이 크다는 것이다. 압력밥솥인지, 음성안내는 되는지, 예약취사는 되는지, 결정적으로 밥을 맛나게 짓는지는 밥통의 크기만으로는 알 수 없다는 것을 생각해 보면 될 것이다.

댐핑 팩터(Damping Factor)

세상 모든 물체에는 뉴턴의 1법칙인 관성의 법칙이 적용된다. 그리고 이것은 스피커에도 동일하게 적용된다. 파워앰프의 출력에 따라 열심히 진동하며 소리를 내던 스피커의 진동판은 파워앰프의 출력이 사라지더라도 그 관성에 의해 움직이게 된다. 이러한 현상은 뭔가의 폭발음이나 ‘빰!’ 하는, 이른바 박진감 넘치는 소리들이 재생될 때 그 소리를 ‘흐물거리게’ 만든다.

이러한 현상을 해결하기 위해서는 신호가 없을 때 스피커가 혼자 움직이지 않도록 파워앰프가 스피커를 잡아주어야 한다. 이 능력을 댐핑 팩터(DF, Damping Factor)라고 한다. (역할과 어감 때문인지, 국내의 많은 엔지니어들이 ‘댐핑’ 보다는 ‘땜핑’이라 발음한다.)

댐핑 팩터는 스피커의 임피던스를 앰프의 출력 임피던스로 나눈 값인데, 즉 스피커의 임피던스가 상대적으로 커지면 댐핑 팩터도 올라가게 되며, 파워앰프의 입장에서는 출력 임피던스가 낮아지면 댐핑 팩터가 올라간다. 그런데, 파워앰프의 입장에서 출력 임피던스가 낮아진다는 의미는 출력단자가 점점 단락(쇼트) 상태에 가까워 진다는 얘기고, 출력이 걷잡을 수 없이 폭주할 수 있는 영역에 가까워 진다는 의미다. 즉, 파워앰프의 내부 제어 능력과 품질이 좋을수록 (비쌀수록) 더 높은 DF 수치를 얻을 수 있다. 고품질 파워앰프의 경우 1000 이상을 찍는다.

슬루 레이트(Slew Rate)

파워앰프는 입력받은 라인레벨 신호를 전력레벨로 키우는(증폭시키는) 장비이다. 그런데 생각해 보자, 작은 신호를 키우는게 과연 순식간에 이루어 지는 일일까? 얼핏 생각하면 그럴지도 모르겠으나, 실제로는 약간의 시간차가 발생한다.

이 그림은 ‘알고보면재밌어’님의 블로그에서 가지고 온, 증폭 소자별 동작시간의 그래프이다. 붉은 선이 입력신호이며, 흑색 선은 AD8541, 청색 선은 LT1638 이라는 증폭 소자의 출력이다.

붉은색 입력신호가 4.00ms 지점에서 순식간에 5V로 뛰어올랐다. (사실 이것도 확대해서 보면 이렇게 수직으로 올라가지 못한다.) 그리고 변화한 입력신호를 따라, 두 소자 모두 출력 전압을 상승시키는데, 흑색 선이 청색선보다 먼저 상승을 완료했다. 청색선 소자가 흑색선 소자보다 입력신호의 파형 움직임을 따라가는 능력이 부족하다는 것을 알 수 있다.

이렇게 입력신호의 변화에 따라 출력신호를 얼마나 빠르게 변화시킬 수 있는가 나타내는 척도를 슬루 레이트라고 하며, 시간당 전압의 변화율을 의미하는 VOLT/µs 의 단위로 나타낸다. 당연히 그 수치가 높을수록 원 신호를 훌륭히 재현하는 능력이 좋은 파워앰프라 할 수 있다.