일렉트로닉스 격언집(Ⅲ) - 전자부품 ③ : 트랜스

일렉트로닉스 격언집(Ⅲ) - 전자부품 ③ : 트랜스

 

전자부품 ③ : 트랜스

 

中野 正次

 

트로이덜 트랜스의 돌입 전류가 매우 크므로 퓨즈는 타임 래그형을 사용한다

 

100V 입력, 50VA의 트랜스는 손실을 무시할 경우 1차 측 전류가 최대 부하에서도 0.5A이며, 일반적으로 이것의 몇 배나 큰 전류가 흐를 거라고는 생각하지 않는다. 퓨즈나 스위치도 0.5A를 기준으로 선정한다.

그러나 트로이덜 코어를 사용한 전원 트랜스에서는 사정이 전혀 다르다. 사진 1은 100V, 50VA의 트로이덜 트랜스로 115V용을 개조하여 100V용으로 만든 것이다.

 

 

이 트랜스의 전원이 ON인 순간 흐르는, 이른바 돌입 전류를 측정하기 위해 그림 1과 같은 회로에서 테스트했다. 트랜스의 2차 측은 무부하 상태이다. 이 테스트는 1회만 바르게 측정할 수 있다. SW를 ON으로 하면 타이밍에 따라 돌입 전류의 크기가 전혀 다르므로, ON과 OFF를 여러 차례 반복하여 최대값을 남긴다.

 

 

 

사진 2는 첫 100ms 트랜스의 1차 측 전류이다. 최대 전류＝11.33A가 흐르고 그 후에도 전류가 한쪽 방향에만 흐른다.

돌입 전류가 극단적으로 커지는 이유는 직류 성분에 의한 코어의 포화 때문이다. 전원은 교류이며 직류 성분은 포함되어 있지 않은 것이 상식이지만, SW를 ON으로 하는 타이밍에 따라 직류분이 발생한다. 물론, 돌입 전류의 방향은 정해져 있지 않다.

사진 3은 정상 상태에 가까워지는 모습이다. 중앙 부근부터 거의 정상 상태로 되었다.

사진 4는 정상 상태의 파형이며 트랜스의 2차 측은 무부하 상태이므로 이것이 여진 전류로 된다. 이 값은 133mA_RMS로 다소 커졌지만, 전압과는 위상이 어긋나 있어 그대로 전력 로스가 되는 것은 아니다.

그래도 이 파형은 포화되어 있는 것처럼 보이기 때문에 115V용을 그대로(개조하지 않고) 100V에서 사용해야 안심할 수있는것 같다.

 

트랜스는 권수와 전압이 비례, 임피던스는 제곱에 비례

 

 

일반적으로 전원 트랜스는 전압으로 표시된다. 이 전압은 기본적으로 권수에 비례한다. 그러나 신호용 트랜스의 경우 전압이 아니라 임피던스가 표시된다(사진 5). 그래도 그림 2(a)와 같이 양단에만 부하를 연결하는 경우 표시 값대로 하면 문제없다.

 

 

이것을 CT(Center Tap, 센터 탭의 약자)를 사용하여 그림 2(b)∼그림 2(d)와 같은 방법을 사용하면 한쪽에 300Ω, 양쪽에 600Ω일 때 1차 측에서 본 임피던스는 600Ω으로 유지된다. 그러나 양쪽에 300Ω을 연결하면 1차 측에서 본 임피던스는 300Ω으로 하락했다.

한쪽만인 경우, 300Ω이 적합한 것은 전압이 절반으로 되어 있기 때문에(CT이므로) 전류를 2배로 하지 않으면 이치가 맞지 않기 때문이다. 양쪽에 600Ω을 연결하면 CT와 600Ω의 접속점에는 전류가 흐르지 않고 그림 2(a)와 똑같이 동작하게 되어 이치가 맞는다.

트랜스는 전압이 비례하고 전류가 반비례하므로 임피던스, 즉 전압을 전류로 나눈 값은 권수의 제곱에 비례한다.

 

트랜스끼리의 자기 결합 정도는 거리보다 배치가 효과적이다

 

실드가 없는 트랜스는 자속이 누설되므로 트랜스끼리 접근시켜 배치하면 상호 유도된다. 특히 한쪽이 전원 트랜스, 다른 한쪽이 신호용 트랜스인 경우 전원 트랜스에는 상시 100V가 걸려 있어 신호용 트랜스에 노이즈(험)가 들어가게 된다.

트랜스의 유도에 의한 험 노이즈는 상식이라고들 하지만, 구체적으로 어느 정도 거리에 어느 정도 노이즈가 들어가는지 물어보면 구체적인 수치는 대답할 수 없다.

실제로 거리가 멀어지면 유도는 적어지는 것이 확실하지만 그것보다 훨씬 더 영향이 큰 것이 코어의 위치 관계(방향)이다. 이것을 한마디로 표현하는 것은 어려우므로 트랜스 2개를 사용하여 실험한 사진과 유도전압을 통해서 이해할 수 있을 것이다.

실험에는 다음과 같은 트랜스를 사용했다. 모두 실드가 없는 일반적인 EI 코어이다.

·유도 측…입력 100V, 출력 16V0.2A의 전원 트랜스. 1차 측에 100V 접속, 2차 측은 무부하

·피유도 측…Sansui ST-48(하시모토전기, 600ΩCT : 4Ω/8Ω)의 600Ω을 무부하로 전압 측정

 

 

측정은 그림 3과 같이 접속하여 거리와 코어 방향을 바꿔 유도 전압을 측정했다. 최대 유도는 사진 6과 같이 코어를 같은 방향으로 밀착시켰을 때 나왔다. 이것은 예상한 대로였다.

 

 

그림 4와 같이 코어를 직교시켜도 41mV의 유도가 있어 예상보다 줄지 않았다. 또한, 코어를 평행으로 하여 권선을 밀착시키면(사진 7) 약간 감소했지만 큰 차이는 없었다. 그래서 설치 방향으로는 부자연스럽지만, 사진 8과 같이 코어를 수평으로 하여 높이를 중심으로 맞췄더니 결합은 격감하고 유도 출력은 1.90mV가 되었다. 이것은 사진 6의 약 1/48에 해당한다. 밀착되어 있어도 이만큼의 차이가 생기는 것이다.

 

 

반대로 거리를 떨어뜨리는 것만으로 이 정도까지 유도를 줄이려면 사진 9와 같이 공간 거리를 54mm, 중심 사이에서는 83mm 떨어뜨려야 한다. 이 거리는 그림 5의 방향에서도 거의 같다.

그 후 유도가 적은 방향을 다양하게 시도했더니 사진 10과 같은 위치 관계가 가장 적어 유도 출력 1.16mV로 되었다.

치수 형태나 코어의 재질, 권선 방법 등 트랜스의 변화가 매우 다양하므로, 이 실험 결과를 그대로 다른 트랜스의 배치에 응용할 수는 없다는 점에 주의하기 바란다.

트랜스를 좁은 공간에 넣고 싶을 때에는 실제로 사용하는 트랜스로 유도 시험을 실시해야 한다. 그렇지만 밀착해도 유도가 적은 위치 관계는 존재한다. 두꺼운 실드나 큰 공간만이 대책은 아니라는 뜻이다.

 

트랜스의 주파수 대역을 넓히려면 임피던스를 낮춰야 한다

 

저주파 신호용 트랜스에는 메이커에서 권장하는 임피던스와 그 조건에서의 주파수 특성이 규정되어 있지만, 트랜스 자체에 사용 임피던스가 정해져 있는 것은 아니다.

 

 

예를 들어 오디오 앰프의 증폭단 사이용으로 권수비 1 : 3의 저주파 트랜스는 대부분 10kΩ: 90kΩ으로 되어 있지만, 사진 11의 PT-157(Antique Electronic Supply)에는 아무 것도 표시되어 있지 않다.

 

 

이 트랜스를 그림 6과 같이 구동 측과 부하 측 저항을 바꿔 측정해 보면 그림 7과 같은 결과가 된다. 설정 1은 임피던스를 높게, 설정 2는 낮게 설정했다. 이에 따르면 설정 1은 라디오용, 설정 2는 겨우 오디오용이다.

 

 

또한, 그림 8과 같이 임피던스를 한계치까지 높이면 사진 12와 같은 BPF라고도 할 수 있는 산 형태의 특성이 된다. 이 특성을 필터의 일부로 이용할 수도 있다. 이와 같이 많은 경우 높은 임피던스에서는 대역이 좁아진다. 구동 측과 부하 측 양쪽의 임피던스를 낮추면 대역을 넓힐 수 있다.

 

신호용 트랜스를 광대역화했다면 전류 입출력으로 사용해야 한다

 

 

신호용 트랜스는 보통 그림 9(a)와 같이 메이커가 규정하는 임피던스에서 사용한다. 이 경우 전류와 전압이 모두 전달된다. 주파수 특성이나 왜곡률도 동일한 조건으로 사양에 써 있다. 대부분의 경우 신호를 전압으로 정의하고 있으므로 트랜스에 전압을 전달할 것을 요구한다.

그러나 2차 측에 OP 앰프와 같은 전류를 전압으로 변환하는 회로를 부가할 경우나 50Ω계에 직접 연결할 경우에는 전압을 필요로 하지 않으므로, 그림 9(b)와 같이 2차 측을 쇼트에 가까운 상태에서 사용할 수 있다.

 

 

이것을 트랜스에서 보면 전혀 어울리지 않지만, 실제로 이렇게 하면 전달 특성이 비약적으로 좋아진다. 이것을 600Ω:1200ΩCT의 저주파 트랜스 STFT-9004(일본무선)에서 실제로 확인한 것이 그림 10이다.

전압 트랜스로 사용할 때에는 0dBm(50Ω계)에서 측정한 것이다. 이 이상에서는 저역이 포화되므로 여기가 한계이다. 여기서도 40Hz 이하는 포화되어 레벨이 내려간다.

한편, 50Ω계에 직접 연결하는 전류 트랜스에서는 15dBm에서도 전혀 포화되지 않는다. 고역도 피크는 있지만 훨씬 연장된다.

 

 

주파수 대역은 표 1과같다. 2차측에 OP 앰프의전류→전압 변환 회로를 넣을 경우, 트랜스의 부하로서는 임피던스가 더 내려가므로 특성은 좋아진다. 단, OP 앰프의 성능에 의해 제한을 받는다.

 

전원용 트랜스도 신호용 트랜스로서의 능력을 갖고 있다

 

전원 트랜스를 만드는 메이커는 많다. 그러나 이것이 신호용으로 되면 진공관용 출력 트랜스 외에는 극히 일부밖에 없다. 또한, 제품 가격이 너무 비싸 쉽게 사용할 수 없다.

그래도 성능 요구를 아주 조금만 낮추면 소형 전원 트랜스를 그대로 신호용으로 사용할 수 있다. 단, 모든 전원 트랜스가 동일한 특성인 것만은 아니다. 전원 트랜스는 전원용 기능을 만족시킬 경우 제품으로서는 문제가 없기 때문이다.

실제로는 각각 측정해 보지 않으면 판단할 수 없다. 여기서는 간조전기연구소(S.E.L)의 06080(사진 13, 6V×2, 80mA)을 측정해 보았다. 600Ω계 오디오 신호를 절연하여 100kΩ 부하에 스텝업하는 목적을 상정했다.

 

 

측정 회로와 결과는 그림 11과 같다. 고급 제품에는 미치지 못하지만, 1kHz에 대한 편차 －2dB 이내가 30.33Hz∼69.6kHz가 되었다. 스텝업 배율은 계산값 100÷12＝8.333과 거의 일치했다.

전원 트랜스를 유용할 때의 주의점은, 레벨이 내려가면 저역이 잘 나오지 않게 된다는 점이다. －20dBu에서는 －2dB 포인트가 85.6Hz로 되었다.

단, 이 경향은 신호용으로 만들어진 트랜스에서도 전혀 없는 것은 아니다. 정도의 차이이다.

 

CD/DVD 플레이어의 출력 레벨

 

블루레이를 포함하는 비디오 기기의 신호 레벨은 세세하게 규정되어 있다. 또한, 디지털 코드는 최대값이 엄밀하게 정해져 있다. 따라서 음성 신호 레벨도 거의 통일되어 있다.

그 전압은 정현파의 최대 진폭이 무부하 시 2.0VRMS, 출력 임피던스 600Ω이다. 디지털 음성 데이터의 최대 레벨은 0dB로 규정되어 이 데이터를 재생하면 2.0VRMS가 출력된다.

출력 임피던스가 600Ω이므로 600Ω부하를 연결하면 1.0VRMS가 된다. 이 전압이 0dBu이다. 단, 무부하 시의 2.0VRMS도 0dBu이다. 즉, 부하에 따라 변동한 만큼은 신호변화라고 생각하지 않는다는 의미다.

여기서 주의해야 할 것은 오디오 전용 기기에서는 전압과 임피던스 모두 상기와 다른 값을 사용하고 있는 경우가 적지 않다는 점이다.

고급 오디오에서는 전압은 높게, 임피던스는 낮게 설정되어 있다. 한편, 포터블 기기에서는 전원 소비를 억제하기 위해 전압은 낮게 되어 있다. 또한, 이어폰 출력은 저임피던스이다.

 

트랜스에서는 큰 것이 작은 것을 겸하지 않는다 적절한 사이즈를 선택해야 한다

 

 

‘큰 것은 작은 것을 겸한다’는 일본 속담은 트랜스에 해당되지 않는다. 그림 12는 이 관계를 상징적으로 나타낸 것이다. 소전력 트랜스는 치수가 작고 가는 선을 여러 차례 감은 것이므로, 인덕턴스가 커지고 무부하시의 전류가 작아진다.

선이 가늘기 때문에 저항도 커지고 부하 전류도 작게 제한된다. 부하를 쇼트해도 파괴되지 않도록 오히려 저항값을 올린 트랜스도 있다. 이것을 대전력 트랜스로 대용하면 무부하에서 경부하 사용으로 되어 부하 전력보다 큰 손실이 발생한다. 대전력용은 전류도 커지므로 이것을 견딜수 있는 굵은 선을 적게 감아 저항을 늘리지 않아야 한다.

결과적으로 크기에 맞춘 전력에서 사용할 때 효율이 높으며, 크게 한다고 해서 다 좋은 것은 아니다. 효율뿐만 아니라 왜곡 특성에 대해서도 마찬가지라고 할 수 있다‘( 트랜스에서 가장 낮은 왜곡을 얻기 위해서는 신호 레벨을 조정해야 한다’ 부분 참조).

 

트랜스에서 가장 낮은 왜곡을 얻기 위해서는 신호 레벨을 조정해야 한다

 

부품에는 신호를 통과시키면 왜곡을 발생시키는 것이 있다. 대표적인 것이 세라믹 콘덴서로, 레벨이 높아지면 증가한다. 그러나 트랜스의 왜곡은 레벨이 낮아져도 증가한다. 전원 트랜스를 소신호용으로 유용한 경우 현저해지지만 신호용에서도 이러한 경향은 나타난다.

신호 레벨이 작아도 왜곡이 증가하는 원인은 트랜스 코어에 사용되고 있는 자성체의 히스테리시스 특성에 있다. 신호 레벨이 높아지면 이번에는 코어의 자기 포화가 일어나며 이것도 왜곡을 발생시킨다.

 

 

실례로, 600Ω: 1200ΩCT의 저주파 트랜스 STFT-9004를 매칭 상태(그림 13)에서 측정한 결과가 그림 14이다. 이 트랜스는 오디오용이며 주파수 대역은 100∼100kHz이다. 1kHz에서는 특성이 매우 좋아졌지만 그래도 낮은 레벨에서 왜곡이 증가했다.

한편, 100Hz는 대역 하한이므로 왜곡은 전체적으로 커졌다. 이것은 포화에 의한 왜곡과 히스테리시스에 의한 왜곡이 동시에 발생한 것이라 생각된다.

 

바이파일러 감기 트랜스를 신호용으로 사용하려면 직렬로 하지 않는다

 

전원 트랜스도 신호용 트랜스(오디오 대역)로 사용할 수 있다는 것은‘전원용 트랜스도 신호용 트랜스로서의 능력을 갖고 있다’부분에서 설명했다. 여기서는 트로이덜형 전원 트랜스를 신호용으로 사용할 경우 주의해야 할 점에 대해 다룬다.

 

 

사진 14에 나타난 트랜스는 RS컴포넌츠에서 취급하고 있는 입력 전압 230V/115V의 2권선 타입이다. 이 트랜스의 2차 코일을 입력으로 하여 약 10배(230÷22)의 전압을 얻으려고 했더니 특성이 좋지 않았다.

 

 

특성 악화의 원인을 명확히 하기 위해 그림 15와 같이 주파수 특성을 테스트해 보았다. 115V의 권선을 직렬로 하여 230V로 했더니 그만큼 고역이 갑자기 내려간다는 것을 알 수 있었다. 그 이유는 115V의 2개의 권선이 바이파일러 감기로 되어 있었기 때문이다. 바이파일러란 2개의 선을 평행시키는 방법이다. 이 방법은 평행시킨 권선 2개사이의 정전용량이 커져 그 영향으로 고역이 내려간다. 이 트랜스는 유감스럽게도 10배의 승압비를 얻을 수 없었다.

그러나 직류까지 나올 정도로 저역은 늘어났다. 이것은 트로이덜형의 특징이다. 고역도 1권선만 사용한 5배의 승압(SW를 OFF)에서는 나쁘지 않아 사용할 수 있는 트랜스라고 할 수있다. 단, 이와 같은 사용법은 메이커 사양 밖의 방법이므로 완전히 자신의 책임이다.

 

자기 코어의 소성을 알고 싶다면 코일을 만들어 LC 공진 주파수를 측정한다

 

페라이트 코어 등 자성체의 특성은 코일을 감아 전기적으로 측정하는 것뿐이다. 인덕턴스나 리액턴스를 직접 측정하기보 다 공진 주파수를 측정하는 편이 정확한 인덕턴스를 얻을 수 있다. 특히 고주파에서는 주파수에 따라 실효 인덕턴스가 변화하므로 원하는 주파수 부근에서 측정하는 것이 중요하다.

 

 

사진 15는 겉으로 보기에는 구별이 잘 안 되는 2종류의 코어에 측정용 코일을 15회 감은 것이다. 이 2개 코어의 공진 임피던스를 단순히 그림 16과 같은 접속으로 측정한 결과를 그림 17에 나타낸다. 공진 주파수를 알기 위한 측정이지만, 이 시점에서 극단적으로 Q가 낮다는 등의 불량도 밝힐 수 있다.

100pF을 병렬로 접속했을 때의 공진 주파수는 5.59MHz와 2.68MHz로 했다. 이 결과에서 인덕턴스를 계산하면 다음과 같은 식에서 8.106μH 및 35.27μH가 된다.

 

 

이 값에서 코어의 인덕턴스 계수(A_L값)를 구하면 36nH/n² 및 156nH/n²으로 계산된다.

그런데 코어 사이즈는 겉보기에 의한 것이어서 측정해 봤더니 바깥 지름은 14.0mm, 두께는 3.5mm였다. 이 사이즈 코어의 A_L값을 매뉴얼⁽¹⁾에서 찾았더니 다음과 같았다.

K6A의 A_L값 : 32.5(＋20%, －30%)nH/n²

K5의 A_L값 : 135(＋30%, －20%)nH/n²

이것으로 공진 주파수가 높은 쪽이 K6A, 낮은 쪽이 K5라고 판정할 수 있었다. 그러나 메이커를 알 수 없는 경우에는 어떻게 해야 할까. 이 경우 어떤 메이커든 그에 상당하는 제품이 있을 것이므로 K6A 상당, K5 상당으로 상정한다.

 

CD/DVD 플레이어의 출력 레벨

 

블루레이를 포함하는 비디오 기기의 신호 레벨은 세세하게 규정되어 있다. 또한, 디지털 코드는 최대값이 엄밀하게 정해져 있다. 따라서 음성신호 레벨도 거의 통일되어 있다.

그 전압은 정현파의 최대 진폭이 무부하 시 2.0V_RMS, 출력 임피던 스600Ω이다.

디지털 음성 데이터의 최대 레벨은 0dB로 규정되어 이 데이터를 재생하면2.0V_RMS가출력된다.

출력 임피던스가 600Ω이므로 600Ω 부하를 연결하면 1.0V_RMS가 된다. 이전압이0dBu이다. 단, 무부하시의2.0V_RMS도0dBu이다. 즉, 부하에 따라 변동한 만큼은 신호 변화라고 생각하지 않는다는 의미다. 여기서 주의해야 할 것은, 오디오 전용 기기에서는 전압과 임피던스 모두 상기와 다른 값을 사용하고 있는 경우가 적지 않다는 점이다.

고급 오디오에서는 전압은 높게, 임피던스는 낮게 설정되어 있다. 한편, 포터블 기기에서는 전원 소비를 억제하기 위해 전압은 낮게되어있다. 또한, 이어폰출력은 저임피던스이다.

 

직류 신호는 존재하지 않으며, 시간 변화가 있으면 모두 교류이다

 

 

안정화 전원이라고 하면 3단자 레귤레이터가 일반적이지만 이전에는 OP 앰프와 트랜지스터로 만들었다. 그림 A는 전형적인 회로예이다. 부하까지 배선이 길거나 트랜지스터 주파수 특성이 나빠지면 종종 발진이 일어났다. 그 대책으로,‘ 직류 전원’이기 때문에 주파수 특성이 좋을 필요가 없다고 생각하여 그림의 C₁이나 C₂ 콘덴서를 넣거나 했다. 그러나 이것은 레귤레이터의 응답 특성을 나쁘게하여 부하전류의 변동에 대해 안정도가 떨어졌다.

실제사용환경에서는 부하전류뿐만 아니라 V_in도 변동하므로, 실제로는 직류가 아니라 교류까지 포함한‘맥류’이다. 이 교류 성분이 있어 레귤레이터에도 주파수 특성이 필요한 것이다. 부하와 V_in 모두 변동하지 않는다고 하면 처음부터 레귤레이터 자체가 필요 없기 때문이다.

변화가 있는 것은 모두 교류로 생각해야 하며, 회로도 직류에서 교류(때로는 고주파)까지 대응하여 설계해야 하는 것이다. 이 세상에 순수한 ‘직류’는 존재하지 않는다.

 

 

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=10975