월요일, 11월 19, 2018
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정신없이 어수선한 AC 전원

글쓴이 : SOONDORI

“빈티지 오디오들이 취급하는 AC 전원은 교과서적이지 않고 너무~ 너무~ 지저분하다” 정말 그럴까? 현실 세상의 전원라인 상태의 변수들을 간단히 정리해 보자면…

■ AC 주파수

발전소~송전선~배전선~변압기~인입선~기기로 구성된 일련의 전력에너지 전달 과정에서 상용전원 주파수 60Hz는 전적으로 ‘발전소 발전기 RPM 제어시스템’에 의해 결정된다. 그런데 수 백 Km 떨어진 경로에, 변압기나 COS(Cut Off Switch) 등 전력선 구성요소들의 속성이 반영되고 3상 고조파(Harmonics), Voltage Sag(순간 전압 결핍), 기타 다양한 현상들이 개입되면서 발전소 종단점에서는 완벽했던 AC 파형이 여하히 왜곡될 수 있다.

(출처 : Harmonics Effects in Power System)

■ AC 전압

한편으로 220V 공칭 전압은 이론과 현실이 아주 많이 다르다. 우선, 각 지역마다 전압이 다른데 예를 들어 대도심에서는 215V, 218V…인 곳들, 시골에서는 222V, 227V…인 곳들이 있다. 즉, 흐르는 물과 같은 속성을 가진 전기의 압력이 상시 높거나 상시 낮은 상태 혹은 순간적으로 올라가거나 낮아질 수 있다는 것으로서 빈티지 기기들은 매순간 극심한 전원전압 변동을 마주하고 있는 셈이다. (표제부 사진 출처 : https://www.youtube.com/watch?v=R6_VYZsF2M8)

■ AC NOISE

AC 공급라인은 일종의 망형 안테나 또는 망형 선호 케이블과 같은 역할을 하여 이 세상 온갖 잡음들이 유입된다. 그 잡음원 위치는 실외일 수도 있고 실내일 수도 있다. 낙뢰, 인근 공장의 전동기 기동, 배전선로 연결점 불량, 무선설비 RF 유입, 세탁기, 냉장고, 전열기구, PC 등 무한한 것들이 동작하면서 온갖 전기적인 잡음들을 만들어 낸다.

(출처 : http://www.pcguide.com/ref/power/ext/probsNoise-c.html)

결국 공급자가 열심히 만들고 출고한 것은 깨끗한 ‘Pure Sine Wave’였으나 정작 배달받은 제품은 엉망진창 Sine Wave가 되어 버린다.

현실 세계에서 이런 제품 변질은 정말 흔한 일이기에 고 순도 전원이 필요한 연구소, 특별한 공장 등에서는 전력선 품질조사, 전력선 상태개선 작업 등에 고급 계측장비들을 동원하고 상당한 전원 Conditioning 솔루션 비용을 지불하고 있다.

(산업용 파워라인 컨디셔너, 출처 : http://www.ortea.it)

아무튼 사용자가 빈티지 기기 전원을 켜자마자 곧바로 그 엉망진창 Sine Wave가 기기 트랜스포머에 전달될 것인데… 기기 내부에서는 어떤 일들이 벌어질까?

아래 예시에는 a) 모종의 고주파 노이즈가 AC에 포함되는 경우, b) 외란이 겹쳐서 위상이 짧은 순간 달라지는 경우(Phase Shift), c) 라인에 유기된 어떤 에너지에 의해 순간적으로 AC Sine Wave가 상승 또는 하강하는 경우들을 포함하고 있다.

오염이 필수인 상용 AC 전원을 최대한 Pure한 상태로 만드는 방법은? 오디오매니아들이 사용하는 몇 가지 방법론들을 정리해 둔다.

■ Surge 제거

낙뢰에 의한 피해는 종종 언급되는 바, Surge Arrester로 명명된 장치(회로)를 사용한다. 써지는 순간적이고 취급할 수 없을 정도로 큰 고압이기 때문에 AC 라인을 빠르게 합선시켜 에너지를 되돌리는 방식을 사용한다. 단락형 소자가 망가진한들 회로만 안전하면 되고 대부분 원복시킬 수 있다. 참고로 송전 라인, 일반 배전라인에서는 산화아연(Zn Oxide)을 이용하는 큰 구조물 형태의 써지-어레스터를, 작은 전자회로의 경우는 흔히 TVS(Transient Voltage Supression)라 불리우는 소자를 사용한다.

■ Noise 제거

AC에 포함된 고주파 노이즈를 제거하는 전문필터(EMI Filter, RFI Filter*)를 사용하면 좋을 때가 있다. 가장 대표적인 예가 한 개 콘센트로 빈티지 오디오와 SMPS 전원모듈을 쓰는 PC나 기타 장치들을  공용 사용하는 경우이다. 이 필터는 기기 외부로부터 유입되거나 기기 내부에서 외부로 나가는 양방향 노이즈들을 차단한다.

* Electro-Magnetic Interference, Radio Frequency Interference

(출처 : https://www.murata.com)

* 관련 글 : 튜너와 노이즈-필터

■ 전압변동의 제거

흔히 AVR(Automatic Voltage Regulator)로 불리우는 장치. 적절한 제어용량(W) 하에서 110V, 220V 등 설정전압을 균일하게 유지해준다.

(대표적인 국산 브랜드 파워텍 제품, 출처 : http://www.powertek.co.kr/gnuboard4/bbs/board.php?bo_table=product1&wr_id=3)

■ DC Offset 제거

본래 트랜스포머 금속 코어들이 에너지 파동(교류)에도 진동하지 않도록 에폭시로 단단히 고정(‘함침’이라 한다*)되지만 마무리가 부실하면 a) 60Hz의 진동이 생기거나 b) 모종의 전기적 충격파에 의해 떨림이 발생할 수도 있다. 후자는 파형의 상하대칭이 무너지면서 생긴 일종의 공진 교란현상.

* 含浸 : 고형 물체에 액체를 투입하여 그 성질을 개선하는 작업 일체를 말하는 산업용어.

이에 관련된 DC Bias, DC Offset은 +, -가 균등해야 하는 Pure Sine Wave가 모종의 외란요소에 의해서 중성점 상(+), 하(-) 어느 한 쪽으로 편이(Asymmetrical)된 것을 말하는데 그것은 순간적인 에너지 파동으로서 트랜스포머, 이후 회로에 물리적 충격 에너지로 작용하게 될 것이다.

원론은 그러한데… 다음은 WEB에서 검색된, 트랜스포머 험(Hum)을 제거하는 목적의 DC Offset Filer 회로. 글쓴이의 설명에 따르면 첫 번째 파형으로 제시된 이슈가 두 번째 회로를 이용해서 해결되었고 AC 라인은 세 번째와 같은 상태가 되었다고 한다.

출처 및 글 : http://sound.whsites.net/articles/xfmr-dc.htm

(왼쪽 : Normal 상태, 오른쪽 : 132mV DC Offset이 있는 상태)

(왼쪽 : Normal 상태, 오른쪽 : 132mV DC Offset 조건에서 필터 적용 후)

그런데… 제작사들은 다양한 전원환경을 고려하여 설계를 진행하고 트랜스포머 험은 기본적으로 제작결함에 의한 것이며 이 필터는 전력, 특히 트랜스포머 공급전류의 속성을 달리하는 것이므로 완벽한 해결책이 될 수 없다. 즉, 이 필터가 반드시 유효하고 반드시 필요한 것은 아니다.

■  AC 접촉 포인트들의 불량 여부

종종 콘센트 AC 라인 두 개는 무결한 것으로 간주되기 쉽상인데… 플러그들 단면, 콘센트 내부 접촉단자들 전기적 특성들이 순간적으로 달라질 수 있다. 모든 금속단자의 산화, 부식, 접촉저항 편이는 어찌할 수 없는 물리현상에 의해 현실에서는 AC 두 라인의 운용조건이 절대로 같을 수가 없다. 접촉면이 좋은, 정확하게는 시간이 지나도 특성이 나빠지지 않는 소켓을 쓰는 것이 가장 좋겠고 DIY 관리방법은… 주기적으로 표면부식을 제거해주는 것뿐이다. 이를 위한 용제, 스프레이 등이 있다.

참고로 파워앰프에 전기에너지가 도달할 때까지의 경로를 상상해보면,

전주 배전 변압기 연결점 → 주택 인입구 단자 → 차단기 단자 → 배전반 → 콘센트까지의 이런 저런 배분 포인트 → 콘텐트 외부 단자 → 콘센트 내부 단자 → 전원케이블 플러그 → 휴즈와 휴즈홀더 → 전원스위치 → 트랜스포머 → (어떤 경우는 콘넥터로 처리) → 전원회로와 DC 전환 → (어떤 경우는 콘넥터로 처리) → 메인보드 순이다. 배전 변압기를 기준으로 최소 10여 개 이상의 접촉부를 거쳐 동작전압이 공급된다는 것을 알 수 있다.

요지는 내 집 안에서조차 AC전원 불량을 만들어낼 배선불량, 접점불량 등 인자들이 충분히 산적해 있다는 것.

 

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