음향에 필요한 기초 전기 지식과 파워앰프 스펙 읽기

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 힘으로 하여 밥 짓는 일을 한다.

전력은 [W](Watt, 와트)로 표시하며, 전압과 전류의 곱 또는 전류의 제곱과 저항의 곱으로 계산할 수 있다. (참고로, 본 섹션에서는 단위를 표시하기 위해 [대괄호]를 사용하겠다. 대괄호 안에 있는 문자는 모두 단위를 의미한다.)

위의 공식을 이용해 계산하면, 소모 전력(P)이 100[W]이고 입력 전압(V)이 100[V]인 장비에는 1[A]의 전류(I)가 흘러야 한다. 또한, 10[Ω]의 저항(R)을 가진 장비에 2[A]의 전류(I)가 흐른다면, 소모되는 전력(P)은 2[A]² × 10[Ω] = 40[W]가 된다.

이 공식은 파워앰프에 대략적으로 공급되어야 하는 전류를 계산할 때도 사용된다. 앞서 살펴본 Crown MA-3600의 경우, 대략 3600[W]의 출력을 낼 수 있다. 우리나라의 상용 전압 220[V]를 적용한다면,

최소한 16.36[A], 여유를 포함해 최소 17[A] 이상의 전류를 안정적으로 공급받을 수 있어야 한다는 얘기다. 파워앰프를 연결할 콘센트의 차단기와 전선이 버틸 수 있는 용량 역시 최소 17[A] 이상이어야 한다는 소리다.

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)가 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) 시스템에서 사용하는 공식이다. 우리가 사용하는 한전 전원은 60Hz의 진동수를 가진 교류(AC)이며, 파워앰프의 출력 역시 파형의 형태를 고스란히 가지고 있는 교류에 속한다. 하지만 현장에서 이를 모두 감안하며 계산하기는 힘들다. 고로, 보통 DC를 가정하여 계산한 값을 어림값으로 사용한다. 이런 이유로 계산값에는 반드시 여유를 주어야 한다. (위의 16.36[A]를 최소 17[A]라고 말한 이유이다.)

저항과 임피던스(Impedance)

저항은 전류가 잘 흐르지 못하도록 방해하는 성분을 의미한다. 물이 그대로 떨어질 때의 속도를 100이라고 하면, 물레방아를 돌리고 난 후의 속도는 100보다 줄어들게 될 것이다. 물레방아가 일을 하면서 물의 흐름을 방해하기 때문이다. 여기에서 물레방아를 저항이라고 생각하면 된다.

물레방아가 크면(저항이 크면) 흐르는 물의 속도가 줄어들고(작은 전류), 물레방아가 작으면(저항이 작으면) 물의 속도가 빨라질 것이다(큰 전류). 스피커도 이 물레방아처럼 전류의 흐름을 방해하는 성분으로 작용한다. 이러한 저항 성분을 교류 회로에서는 임피던스(Impedance)라고 부른다. 즉, 스피커의 저항을 임피던스라고 부른다고 생각하면 된다.

스피커가 8[Ω]짜리다, 4[Ω]짜리다 하는 말은 바로 스피커의 정격 임피던스(Nominal Impedance)를 얘기하는 것이다. 본 강좌에서는 스피커와 파워앰프를 설명하면서 저항과 임피던스라는 표현을 혼용할 수 있다. (실제 현장에서도 혼용하며, 정확한 표현인 임피던스보다 저항이라고 부르는 경우가 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 내놓지만, 각 콘센트를 통해 흐르는 전류는 연결된 장치가 소모하는 전력에 따라 달라진다. 집안 콘센트들은 모두 병렬로 구성되어 있다.

직렬(Series) 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.

직렬연결과 병렬연결의 합성 저항

복수의 스피커를 하나의 파워앰프 출력에 연결해서 사용한다고 치자. (거의 매번 발생하는 상황이다.) 이럴 경우, 파워앰프에서 스피커들을 바라볼 때의 전체 저항, 즉 합성 임피던스를 계산해야 한다. 8[Ω]짜리 스피커 4개를 직렬로 연결할 때와 병렬로 연결할 때의 합성 임피던스를 구하는 방법은 다음과 같다.

1. 직렬연결: 스피커의 임피던스를 모두 합친다. 8[Ω] + 8[Ω] + 8[Ω] + 8[Ω] = 32[Ω]
2. 병렬연결: 스피커의 임피던스를 스피커 개수로 나눈다. 8[Ω] ÷ 4[개] = 2[Ω]

참고로, 원래 병렬연결의 합성 저항을 구하는 공식은 다음과 같다.

통상 복수의 스피커를 사용할 때는 임피던스가 같은 동일한 모델 스피커들을 묶어 사용하기 때문에 스피커 개수로 나누라 한 거다. 서로 다른 모델을 섞어서 사용하는 경우라면, 일단은 같이 안 쓰는 게 좋고, 굳이 섞어 쓴다면 각 스피커의 정격 임피던스를 확인해야 한다. 임피던스가 서로 다를 때에는 앞의 공식을 이용해 합성 임피던스를 반드시 구해야 한다.

병렬로 연결하는 스피커의 수가 많아질수록 합성 임피던스는 낮아진다. 즉, 파워앰프 입장에서는 더 많은 전력을 제공해야 하는 상황이 되는 것이다. 합성 임피던스가 파워앰프의 설계 한계보다 높으면 대체로 출력이 줄어드는 정도로 끝나지만, 과도하게 낮으면 앰프가 스피커를 구동하는 데 무리가 생긴다. 때문에 파워앰프에는 부하 임피던스별 정격 출력과 사용할 수 있는 최소 임피던스가 표시되어 있다. 이보다 낮은 임피던스에서 운용하면 과부하로 인해 파워앰프의 증폭부가 파손될 수 있다.

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

무게(Weight)

본 필자가 스펙을 설명하면서 무게 얘기부터 꺼내는 이유는, 파워앰프는 그냥 많이 무겁기 때문이다. 파워앰프 내부에는 큼지막한 쇳덩이에 전선이 마구마구 감겨 있는 부품이 있다. 변압기(도란스, Transformer)라 불리는 놈인데, 이 무식한 쇳덩어리가 장비 무게의 상당 부분을 차지한다.

사실, 파워앰프의 정확한 무게를 외우고 다닐 필요는 없다. 그리고 신형 파워앰프 중에는 전통적인 변압기 대신 다른 전원 방식을 사용해 무게를 많이 줄인 제품도 있다. 그럼에도 파워앰프는 그냥 많이 무겁다라는 사실을 기억해야 한다.

앞에서 MA-3600을 소개할 때 출력에 비해 가볍다고 했다. 그 가볍다고 하는 게 25 kg이다! 따라서 파워앰프를 운반할 때는 혼자서 운반하거나 설치해서는 안 된다. 어~? 어~!? 하다가 큰 상해를 입을 수 있다. 하지만 현장에서는 혼자서도 잘해요 내 몸은 내가 지켜야 한다. 가급적 도수 운반을 피하고, 도수 운반 시에는 반드시 2인 이상이 함께 움직이도록 한다.

전원 요구 사항(Power Requirements)

전원 요구 사항은 파워앰프를 구동하기 위해 필요한 전원의 조건을 말한다. 계속 한 말 또 하고 또 하고 해서 짜증 나는 독자 제위 계시겠다만, 안전을 위해 반드시 알고 있어야 하는 사항이다.

대부분의 매뉴얼에는 파워앰프의 사용 전압과 동작에 필요한 전류나 요구 전력이 표시되어 있다. 앞에서 설명한 방법으로 구한 계산값과 매뉴얼에 표시된 소모 전류를 비교하고, 두 값 중 더 큰 값을 기준으로 전원을 준비해야 한다. 앰프에 연결된 전원 회로와 차단기가 이 전류를 충분히 감당할 수 있는지 반드시 확인한 다음 사용하도록 한다. 그렇지 않으면 119에 전화를 걸어야 하는 상황이 닥칠지 모른다.

정격 출력(Rated Power)

정격 출력은 최저 보증 출력(Minimum Guaranteed Power)이라고도 하는데, 제조사가 보장하는 출력이다. 쉽게 말해 제조사에서 여기까지는 마음 놓고 써도 됩니다.라고 제시하는 출력이다. 많은 제조사가 모델명에 정격 출력을 나타내는 숫자를 사용하는 만큼, 파워앰프에서 가장 중요한 성능 지표라 할 수 있다. 다만 스피커에서 흔히 정격 출력이라고 부르는 값은 의미가 다르며, 실제로는 스피커가 받아들일 수 있는 허용 입력(Power Handling)을 뜻한다.

위 그림은 MA-3600VZ 파워앰프의 매뉴얼에서 정격 출력에 관한 부분을 가져온 것이다. 자세히 보면 파워앰프에 공급되는 전원 전압에 따라 정격 출력이 조금씩 달라진다. 또한, 연결된 스피커의 임피던스에 따라서도 사용할 수 있는 출력이 달라진다. 따라서 정격 출력은 숫자 하나만 보는 것이 아니라 전원 전압과 부하 임피던스 등의 측정 조건을 함께 확인해야 한다.

위에서 본 필자가 저항과 전력에 대해 먼저 말을 꺼냈던 이유가 바로 여기에 있다. 스피커나 앰프를 날려먹지 않으려면 매뉴얼에 표시된 부하 임피던스와 출력 범위 안에서 운용해야 하며, 그러기 위해서는 앞에서 설명한 지식들을 알고 있어야 하기 때문이다.

전 회차에서 앰프의 후면부를 살펴보면서 브릿지에 대한 이야기가 잠깐 나왔었다. 브릿지 모드(Bridge Mode)는 스테레오 앰프에 있는 2개의 증폭기를 하나로 합쳐서 더 큰 출력을 사용하는 방법이라고 말한 바 있다. 매뉴얼에는 브릿지 모드에서 사용할 수 있는 출력도 표시되어 있으며, 일반적인 스테레오 모드와 허용되는 부하 임피던스의 범위가 다르다는 것도 알 수 있다.

정격 출력이 파워앰프의 가장 중요한 성능 지표라고 말을 하긴 했다. 하지만 한 가지 기억해 둘 것은, 출력이 크다는 것은 얼마나 큰 스피커를 구동할 수 있는지를 나타내는 것에 불과하다는 것이다. 큰 밥통으로는 밥을 많이 지을 수 있을 것이다. 그뿐이다. 와트 수가 크다는 것은 밥통이 크다는 것이다. 얼마나 밥을 맛나게 짓는지는 밥통의 크기만으로 알 수 없다. 파워앰프의 출력과 품질도 이와 같다고 생각하면 될 것이다.

댐핑 팩터(Damping Factor)

세상 모든 물체에는 뉴턴의 제1법칙인 관성의 법칙이 적용된다. 스피커도 마찬가지다. 파워앰프의 출력에 따라 열심히 진동하며 소리를 내던 스피커의 진동판은 신호가 사라지더라도 관성 때문에 계속 움직이려 한다. 이러한 움직임은 폭발음이나 빰! 같이 가슴을 때려야 하는 소리를 힘없게 만든다. 그렇기 때문에 신호가 없을 때에는 스피커가 움직이지 못하도록 붙들어 둘 필요가 있다.

진동판이 움직이면 스피커에서 전기가 생성되는데, 이것을 역기전력이라 부른다. 파워앰프의 출력 임피던스가 낮으면 이 역기전력에 의해 만들어진 전류가 파워앰프의 출력단을 통해 흐르면서 스피커의 움직임을 방해하는 제동력이 발생한다. 이렇게 파워앰프가 스피커의 움직임을 잡아주는 능력을 댐핑 팩터(DF)라고 한다. (역할과 어감 때문인지, 국내의 많은 엔지니어들이 댐핑보다는 땜핑이라 발음한다.)

여기에서 출력 임피던스가 낮다는 것은 출력 단자가 단락(쇼트) 상태나 폭주에 가까워진다는 뜻이 아니다. 스피커가 전류를 요구하거나 역기전력을 만들어 내더라도 파워앰프가 출력 전압을 안정적으로 유지하며 스피커를 제어할 수 있다는 의미다. 일부 파워앰프는 1000 이상의 높은 댐핑 팩터를 나타내기도 한다.

슬루 레이트(Slew Rate)

파워앰프는 입력받은 라인 레벨 신호를 전력 레벨로 키우는, 즉 증폭시키는 장비이다. 그런데 생각해 보자. 작은 신호를 크게 키우는 일이 과연 순식간에 이루어질까? 얼핏 생각하면 그럴지도 모르겠으나, 실제 증폭 소자의 출력 전압은 무한히 빠른 속도로 변할 수 없다.

이 그림은 ‘알고보면재밌어’님께서 공유해 주신 증폭 소자별 전압 상승 곡선이다. 붉은 선은 입력 신호이며, 흑색 선은 AD8541, 청색 선은 LT1638이라는 증폭 소자의 출력이다.

붉은색 입력 신호가 4.00 ms 지점에서 순식간에 5 V로 뛰어올랐다. (사실 이것도 확대해서 보면 이렇게 수직으로 올라가지 못한다.) 입력 신호가 변하자 두 소자도 출력 전압을 상승시키기 시작하지만, 흑색 선은 청색 선보다 먼저 상승을 완료한다. 즉, 이 조건에서는 흑색 선의 소자가 청색 선의 소자보다 입력 신호의 빠른 변화를 더 잘 따라간다는 것을 알 수 있다.

이처럼 입력 신호의 변화에 따라 출력 전압을 얼마나 빠르게 변화시킬 수 있는지를 나타내는 척도를 슬루 레이트라고 한다. 슬루 레이트는 시간에 따른 전압의 최대 변화량을 의미하며, 단위는 [V/µs]를 사용한다. 같은 조건이라면 슬루 레이트가 높을수록 빠르게 변하는 입력 신호를 따라갈 수 있는 여유가 크므로, 원 신호를 훌륭하게 재현하는 능력이 좋은 파워앰프라 할 수 있다.