火星人이 만든 Amp - #6

조회 수: 10482, 2012-06-30 09:51:43(2012-06-27)

Switch-Mode Power Supply 라고 부르는 이 전원는 처음에는 Computer 용으로 개발이 시작 되어 오늘날 거의 모든 전자장비 에 사용되고 있습니다. 현대 SMPS 는 모두 고주파 영역에서 동작하기 때문에 고주파 전원이라고 부르기로 합니다.

KD-133PF 는 제가 설계 제작 한 SMPS 로 위가 이 전원이고 아래가 기능별 부위를 표시한 사진 그리고 회로도 입니다.

SMPS 를 아시는 분은 회로 도와 비교 해 보십시오. 

이 SMPS는 Half Bridge Topology 로 전압 조절은 Phase width 로 합니다. PFC 회로,Half Bridge PWM 회로, 모두 전용 IC Application Note 에 있는 표준 회로를 사용 했습니다. 

Input/Output Isolation Voltage 는 3,500V AC, Fan을 안쓰는 Conduction Cooling 이고 RFI 를 모두 규정치 이하로 줄여서 공기가 희박한 초고도 비행 첩보기에 탑재한 미세신호 검출 장비에 합격 됬으나 Clinton 행정부가 들어서자 Project 가 취소되여 성능은 우수하지만 개발비도 못 건진 PS입니다.

SMPS의 원리

우리가 집에서 쓰는 상용 전력 전압은 한국은 220V, 미국은 120V 입니다. 이들을 입력으로 한국은 Full wave 정류 미국은 배 전압 정류 를 하고 큰 용량의 Filter Capacitor를 병열로 연결하면 300V 정도의 직류 전압이 얻어집니다. 

여기서 가상 SMPS 를 만들기로 합니다.

위의 직류에 switch 를 연결해서 1초에 한번씩 키면 1Hz, 두번이면 2 Hz 의 구형파가 만들어 집니다. 기계적으로 고속 Reley 를 60Hz 를 반파 정류해서 120Hz 의 Ripple 로 동작시키면 120Hz 의 진동을 하면서 1초에 120번 접점이 껏다 켰다 합니다. 옛날에 Vibrator 라는 것이 바로 이런 것입니다. 

이것으로 120Hz 300V의 구형파가 만들어 집니다. 120Hz 구형파에 맞는 전원 Trans 로 60 Hz와 같은 방식으로 정류 해서 원하는 전압을 만들면 이것이 바로 SMPS 입니다. - 여기서는 120Hz 저주파 SMPS!! 전에 전원부님이 저주파 SMPS 질문이 있섰습니다. – 옛날 vibrator 로 만든 전원이 져주파 SMPS 입니다. 그 당시 저는 SMPS 라는 말은 못 들어 봤습니다.

최근 SMPS 는 여기에 여러가지 부속회로를 첨가해서 개선 한 것입니다. 반도체 MOS Power Transistor 소자의 발달로 고주파 Switching 이 가능해졌고 입력 단에서 생산 돼서 배전망으로 들어가는 Harmonics 를 없애는 Power Factor Correction (Pfc) 회로를 추가하고 Switching 방식도 다양화 되서 특히 공진형은 Noise level이 매우 낮습니다. 정류소자에서의 전력손실도 많이 개선 됐습니다.

고주파 전원의 최대 특징은 main Power Trans 와 filter capacitor의 소형화 입니다. 아래가 비교 사진입니다 .

개조한 전원입니다. 

사진에 보이는 부품과 회로도를 비교해 보십시오 회로는 모두 기본회로를 사용했습니다. 고전압은 배전압 회로를 시용하고 출력측에 Source Follower (동작 원리로는 gate follower 입니다) 를 설치 해서 120Hz Ripple 도 감소 시키는, 제가 즐겨쓰는 제 방식의 Regulator 입니다.

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•              KDK

                   2012.06.27 11:24
  

  전원이 100 Khz 로 동작 하기때문에 Ripple Filter 는 문제도 안됩니다.
  Filter 를 안해도 상관 없습니다.    ccc

• KDK

  2012.06.27 11:25
  

  진공관 Amp는 Boat Anchor로 불리고 있는 무거운 쇠 덩어리 입니다.
  크고 무거울수록 권위 있는 물건으로 알아 줍니다.
  
  무게 대 출력비 가 클수록 재료 를 아끼지 않고 여유있게 만든 Amp 로 평가 합니다.
  
  저는 이런 기계 거저 줘도 들지도 못 하는 주제에 -- 무슨 진공관 Amp 야! 맞습니다. 
  
  저는 지금 모든 것을 반대로 하고 있습니다.--가볍고 작게 -적어도 내가 들수 있게

• KDK

  2012.06.27 11:25
  

  예, 진음사랑 님 제가 개조한 부분은 모두 Toroid Core 를 사용했습니다.
  SMPS 회로 가 복잡한것 같아도 원리는 아주 간단합니다. 
  
  오늘날 SMPS 는 옛날 Vibrator를 고주파 반도체로 대체 한것입니다.

• KDK

  2012.06.27 11:25
  

  《Re》애플2 님 ,
  SMPS 동호인이 생길것 같군요
  요사이 젊은 전자기기 Design 하는 사람들은 시작이 SMPS로 훈련되 있습니다.
  
  얼마전에 "時代를 逆行하는 Audio"라는 글을 올렸습니다만 
  그렇게 하는것이 진공관 Amp 에서는 "正道" 라고 봅니다. 
  
  따라서 지금 쓰고 있는 저의 글은 "逆道"가 되겠고 저는 '逆徒" 가 되고-.
  
  이렇게까지 되면서 제 번지에 안 맞는 글을 써야 되나 고민중입니다.

• KDK

  2012.06.27 11:25
  

  Sine 파를 이용한 교류 이론은 Resistor Capacitor Inductor 를 정의 하고 Impedance 
  개념이 만드러지고 -- 이것을 기반으로 Linear Circuit 이론이 나오고 --
  그당시 서양 할아버지들이 큰 일을 하신겁니다.

• KDK

  2012.06.27 11:25
  

  "逆" 이 몇번 반복 되니까 방향감을 잃겠네요.
  
  지금 힝진동은 "진공관 Amp"의 正道를 가고 있습니다.
  SMPS 쓰시는 분도 없고 전원 Trans 는 물론이고 정류도 무거운 쵸크 Inductor 를 쓰는 진공관 정류 
  
  이런 것이 正道입니다. 반도체 정류는 약간 벗어 나지만 묵인하는 것이지요.

• KDK

  2012.06.27 11:26
  

  PFC 가 없어도 Half Bridge 면 충분히 쓸수 잇습니다.
  
  

•              KDK

                   2012.06.27 11:26
  

  제가 쓰는 PFC 없는 SMPS 입니다

• KDK

  2012.06.27 11:26
  

  "시멘트 저항의 노이즈 " 에 신경 쓴일이 없습니다.
  
  

•            KDK

                 2012.06.27 11:26
  

  1) IRF730의 역활은 짤게 설명하면 대형 Capacitor 대신 썼다고 보셔도 됩니다.
  Capacitor multiplier 라고도 부르는 회로 입니다.
  Drain으로 들어오는 Noise 도 제거 되겠지만 Noise 제거 목적은 아닙니다.
  
  2) Gate 의 파괴 전압이 낮아서 순간적인 Pulse 고전압에는 유효 합니다.
  
  Switching 동작이 아닌 Linear Pass Element 로 특히 고전압에 쓸때 High Impedance 
  Gate 에 Low Impedance source 의 고전압이 걸리면 Zener Diode 가 Gate 
  를 보호하다 자기힘이 모자라서 자기가 먼저죽고 다음에 gate 가 따라 죽 습니다.
  
  다행이 Zener Diode .가 죽으면서 Diode 양단이 녹아붙어서 저항이 "0"
  가되서 Gate 가 살아 남는수도 있습니다. 
  
  저의 생각은 300V 가 넘는 전원 이라서 문제가 생기면 어차피 다 죽어버립니다.
  보호받을 확 율이 그리 높지 않아서 않썻습니다. 
  또 제가 쓸 전원 이라서 ----
  
  3) 저는 50V 이상은 주로 Voltage Doubler 를 씁니다. Capacitor 가 두개지만 전압니 낮고
  같은 Trans 권선을 놀리지않고 쓰기때문에 Trans 감는것도 쉽습니다.

• KDK

  2012.06.27 11:26
  

  "KD-133 Power에는 Voltage Doubler부분이 없읍니다." 전원부 님의 잘못된 설명 지적해 주셨습니다' 
  
  PFC 회로가 고전압을 만드러 줍니다.
  Thank you very much

• KDK

  2012.06.27 11:27
  

  전원 회로에서 단파 정류, 양파 정류, Bridge 정류, 배전압 정류 (그 이상도 있습니다) 등이 있습니다.
  
  양파 정류하고 배전압 전류를 비교 하면 위의 사과님 말씁대로 Efficiency 는 같다고 봅니다.
  한개의 Filament 에 두개의 Plate 가 달린 정류관 에는 모두가 양파 정류입니다. 
  개별 반도체 소자를 사용하는 고압 (100V 이상)정류는 저의 선택은 배전압입니다.

• KDK

  2012.06.27 11:27
  

  정류소자 는 1N4007 도 쓰고 Philips 의 BYV series 도 쓰고 있습니다.
  
  1N4007은 쓰고는 있지만 마음에 안들고 BYV 는 살수가 없습니다.
  
  전원부 님 께 물어 봐야 겠습니다.

• KDK

  2012.06.27 11:27
  

  제가 올린 SMPS 는 저의 JUNK BOX 에 굴러다니는 골동품 IC 를 사용한 SMPS 입니다.
  
  최근에 제가 모르는 좋은 IC 들이 많이 나와 있습니다. 특히 저는 한국의 사정은 모릅니다.
  
  한국서 쉽게구할수 있는 부품들을 소개해 주시면 감사 하겠습니다
  
  저도 앞으로는 새로운 IC로 SMPS 만드로 볼려고 합니다.

• KDK

  2012.06.27 11:27
  

  전원부 님이 지적하신대로 "취미로하기에는 좀 어렵지만" 마음만 먹으면
  못할 것은 없다고 봅니다. 
  
  한국에 있는 반도체 회사 Fairchild 에서 SMPS 관련 IC 가 여럿 나오고 있습니다.
  한번 알아 보십시요. Kit 도 있슬겁니다.
  
  한국서 쉽게 구할수있는 최신 재료로 저도 한번 만드러볼 생각입니다.

• KDK

  2012.06.27 11:27
  

  저전압 Non-isolated DC/DC converter 는 수백 가지가 개발되여 판매되고 있습니다.
  혹시 48V 나 72V output 이 있스면 이들을 직열 연결 해서 B+ 전원을 만들수 있습니다. 
  
  한국서도 이런 종류의 DC/DC Converter 를 생산 한다면 고전압 출력도 특주 가능 할겁니다

• KDK

  2012.06.27 11:28
  

  한국은 전자 분야 에서는 오래전에 선진국이 되였습니다. 
  모두가 여러분들의 노력으로 이루어진 것입니다. 
  혼자서 다 알수는 없습니다.

• KDK

  2012.06.27 11:28
  

  여기 #101 "Grid Bias 에 Battery 사용"에서 Inrush Current 말이 나왔는데
  이것도 진공관 정류 에서는 문제가 안되던 사항입니다.
  Application 에 따라서는 골치거리 입니다.

• KDK

  2012.06.27 11:28
  

  반도체 전성시대에 진공관 Plate 용 SMPS 이용이라는것이
  말그대로 " 時代를 逆行"하는 것입니다.
  
  ruby 님의 LED 를 키는 용도라면 Diode Forward 특성에 맟는 전원이 되야 겠지요.
  Fixed voltage 보다는 Fixed Current 쪽으로 이미 좋은 결과를 얻고 계시는것 같습니다.
  B+ 전원 으로의 개조도 알고 보면 별것도 아닙니다.