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DIY 트랜스포머 코일의 기본적인 반응 속성

글쓴이 : SOONDORI

투자율 2500μ(*)인, 망간아연(MnZn) 재질의 U자형 페라이트 코어를 맞물리고 2차 측에 수천 번 작은 직경의 코일을 감은 다음, 1:N 승압비로 1차 측을 단속하면 2차 측에 어떤 고압이 나올 것이다.

* μ = 자화되는 정도. 자기장의 강도(B) / 자속 밀도(H). 수식이 그렇지… 속내를 소비자가 알 수는 없음. 그냥 제작사가 그렇다면 그런 것. 진공은 1, 공기도 거의 1.

아래는 그러한 승압 트랜스포머 동작 및  DIY 제작에 관한 몇 가지 메모.

* 관련 글 : 아날로그 TV 그리고 플라이-백 트랜스포머

■ 기본 단속 회로

여기서. 코일 인덕턴스를 1차 측 3mH, 2차 측 10H, 공급 전압을 10V, 공급 전류는 2A를 가정한다.

■ 전기 에너지를 보관하는 코일

기계식 스위치나 다름없는 단속 소자가 ON일 때, 1차 코일이 담을 수 있는 에너지는,

E(Joule) = 1/2 × 인덕턴스(H) × 전류의 제곱 = 0.5 × 0.03 × (2 × 2) = 0.06J = 60mJ = 60mW/초.

0.06W라면 사람이 감지 못할 수준의 물리 변량. 그러나 전기회로, 전자회로는 입장이 다르다. 어쨌든… 그 에너지가, 어떤 효율성 아래에서 2차 측으로 넘어감.

■ 전기 에너지를 방출하는 코일

ON이었던 단속 소자가 OFF될 때, 1차 코일이 보관하였다가 일시에 내뿜는 에너지의 해석 기준인 <최초 Peak성 전압>의 크기는,

V_out = V_on × 인덕턴스(H) × (△I / △t) = 10V ×  0.03 × (예)2A / (예)0.001초 = 600V.
→ 전원 단속 장치 접점 또는 소자에 순간적인 600V가 걸린다는 의미. 만일 코일의 인덕턴스가 더 크다면 더 높은 전압이 생성될 것이고…

동작 전압이 10V에 불과하다고 안심했던 회로에서 갑자기 600V 고압이 만들어지는 것은 심각한 문제.

그것은 웬만한 소형 트랜지스터나 기계식 스위치 접점을 망가뜨릴 수 있는 전기적 충격 즉, 스파이크 전압(Spike Voltage)이다. 그러므로 여하한 억제 대책이 필요하겠고…

■ 1:N으로 전압을 달리하는 코일의 조합

1차 측에 펄스성 전압 내지 AC 전압을 인가했을 때, 1:N 승압비에 종속된 전압이 2차 측에 시현될 것. 그러므로,

2차 측 전압 = 1차 측 전압 × 1:N
단, 60hz가 다르고 100Mhz가 다르며 방형파와 사인파가 다르니까 식을 보정하면,
2차 측 전압 = (1차 측 전압 × 1:N) × 트랜스포머의 어떤 물리 변수. (논리상 0.0~1.0. 상식선에서 생각하기를, 현실 세상의 0.0과 1.0은 없음)

‘어떤 물리 변수’를 알아내고 에너지 전달을 최적화하는 게 전자기학이나 아날로그 부품 제조 분야의 노하우가 아닐까 싶다. 참고로 잘 만든 상용 DC-DC 변환 컨버터의 효율은 ~90%대. 나머지는 열로 사라짐.

■ SPIKE 억제 방법

○ 오히려 SPIKE가 필요할 때도 있다. 예를 들어 3000V 이상의 묻지 마 아크 방전기인 자동차 점화코일은 2차 측에서, 1) 최초 **uS 동안 약 4만 V를 생성하고, 2) 이후 약 1~2mS 동안 약 3천 V 이상을 유지한다.

실물 점화코일의 경우, E(Joule) = 1/2 × 인덕턴스(H) × 전류의 제곱 = 0.5 × 2mH × (7A × 7A) = 0.49J = 490mW/초 × 모든 것이 종합된 2차 측 전달 효율 → 보통 50mJ~150mJ.

최초 40KV는… 1:100 승압비 기준으로 한 점화코일 1차 측 전압은 1차 측 <자력선 붕괴(=코일이 담았던 에너지를 순간 방출하는 것)>에 의한 4천 V쯤. (수십 uS 이하의, 아주 짧은 시간 동안 벌어지는 현상이라서 그렇지 실제로 상시 4천 V를 견디는 반도체 소자라면 대단히 비쌀 수밖에 없을 것이다. 내압 2천 V급 소자는 있던데… 4천 V, 5천 V짜리가 있기는 한가?)

○ 대부분의 경우로서, 그 정신없는 스파이크의 제거가 필요할 때는, 1) 커패시터를 하나 붙여서 간이로 처리하기, 2) 코일에 에너지 국지 순환용 다이오드(=Fly Back Diode)를 붙여주기, 3) R과 C를 이용해서, 역시 국지적으로 스파이크 잠재우기(=RC Clamp), 4) R과 C와 다이오드를 조합해서 소화하기(=RCD Clamp) 등 수단을 활용한다.

1) 아래는, 대 전류 트랜스포머가 탑재된 파워앰프는 당연지사이고 작은 트랜스포머를 쓰는 튜너에서도 쉽게 볼 수 있는 스파이크 억제 대책. 간단하다. 전원 스위치 단자(=구동 소자)에 0.*uF, 수백 V 내압의 필름 커패시터를 병렬로 연결하면 끝.

(▲ Kenwood KT-1100 튜너)

내 오디오 전원 스위치에 그런 게 없으면? 전원 릴레이를 구동하는 Tact 스위치가 아니라면, 원가 절감 정책 내지 설계자의 태만으로 보고 섭섭한 마음이…

2) 다음은 어딘가에 붙으면 되는 <RC형 Voltage Camp> 예시.

(▲ 소자의 On 상태 저항이 0이라고 가정하고, R = V / I = 10V / 2A = 5오움. C = (2 × J) ÷ (V × V) = (2 × 앞서 계산한 0.06J) ÷ (10 × 10) = 0.0012F = 1만 2천 uF → 엄청나게 큰 용량이므로 현실적으로 만들기는 어렵고… 심지어 이런 회로가 있을까 싶다)

3) 기타의 방법론. 요지는 Spike를 곧바로, 또는 잠시 담아 두었다가 국지적으로 순환, 소멸시키거나 바이패스시키거나…

(▲ 맨 좌측, 맨 우측은 빈티지 오디오에 포함된 모터 제어 회로나 릴레이 제어 회로에서 종종 볼 수 있다)

복잡한 수식으로 에너지의 이동 현상을 해석하고 대책을 마련하고, 실제로도 그렇게 되는 ‘아날로그’는 대단히 심오하다. 그런 점에서 간단 명료한 ‘디지털’은 매력이 덜함. 말씀인 즉, 끙끙거리는 가학적 학습의 관점에서는 도저히 비교가 안 된다.

“19세기~20세기 초중반에, 변변치 않았을 장비를 가지고 아날로그를 연구하고 개념화하고 수식으로 정리한 연구자들은 정말 대단한 분들이시다!”


[ 특별한 대안이 없는 DIY 세상에서 그럴듯하게 코일을 감는 방법 ]

1) 준비물 : 2mm 아크릴판, 순간접착제, 스카치테이프 등, 에나멜 선 또는 우레탄 선, 어디선가 주워온 장 볼트와 너트 그리고 적당한 직경의 와셔. 마지막으로… 비비빅 아이스크림. 빨리 먹어 치우고 나무 스틱(봉)만  남긴다.

2) (사각형 보빈의 경우) 아크릴 판은 칼로 몇번 긁어댄 다음, 반대편에 힘을 가하면 깔끔하게 부러진다 → 순간 접착제로 적당히. (물론, 아크릴 봉을 쓸 수도 있다) → 보빈을 관통한 장볼트에, 마찰력을 키우기 위해 청테이프를 붙인 와셔를 끼우고 너트로 조여준 다음에… 그러면 마치 고속도로 휴게소의 어묵-바를 쥐고 있는 것과 같은 상황이 됨.

3) 비비빅 아이스크림 스틱에 구리선 릴을 끼우고 모두를 작은 크기 주방용 밀폐 용기 안에 넣고… 스틱 끝부분을 테이프로 고정한다. 실험해보니 스틱 면이 약간 거친 편이어서 적당히 당기는 맛이 있다. Nice! 촘촘히 감으려면 그게 좋은 것.

4) 음악 들으면서 한 손으로 어묵-바를 돌리고 다른 손으로는 에나멜선 위치를 달리하면서 열심히 감으면 됨. 최대한 와이어 교차 없이 나란히. Turn 카운팅은? 적당히 마킹해둔 보빈의 회전을 눈으로 보면서…

(▲ “엇? 손잡이까지?” 마침 하늘이 도와서… 이상하게 생긴 장볼트 기구물이 있었다. 그 도움으로 열심히 감았는데… 두 페라이트 코어를 대충 결합한 상태에서 무려 38H, DCR은 약 670오움이다)

5) mH, uH를 정확하게 맞추려면 충분히 큰 값으로 만들고 적당히 끊어가며 값을 낮추면 된다. 참고로 인덕턴스는 감는 회수의 제곱에 비례함. 10번 감고 한 번 더 감았으니 +10%가 증가하는 게 아니라… 급증. (계산식을 따라가며 감고 계측기로 확인하는 게 불편하고 불확실했다는 기억이 있다)

인덕턴스 L = (μ × N^2 × A) ÷ l
여기서, 투자율 μ, 코일 직경 A, 감은 코일의 축방향 길이 l은 일단 무시. 그러면… L ∝ fx(코일 감은 회수의 제곱)가 된다. 

6) 무엇을 위해 이런 고단한 작업을 하는가? 스피커 공심 코일의 제작, AM/LW 바-안테나 제작, 작은 RF 코일의 제작, 기타 시중에서 도저히 구할 수 없는 코일 부품의 DIY 제작을 위해서.

[ ‘어묵-바 권선 방법’의 업그레이드 버전 : 모터가 달린 DIY 권선기 ]

잠시 생각했던 것. 부품통에 작은 기어드 모터가 있고 가변전압 전원 공급기도 있는데, 홀 센서(Hall Sensor) 감지 카운터가 없다. 그것은 알리 익스프레스에서 2만 원쯤.

다음 기회에…

 

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