싱글 용 자작 출력트랜스 제작기

글쓴 시간: 2011-06-08 05:41:55

오디오 용 출력트랜스의 설계는 그리 간단하지 않다.  그 이유는 설계과정에 상당히 많은 변수들이 관계하고 있고 이를 최적화 하는 것이 그리 간단치 않기 때문이다.  컴퓨터가 이런 공학문제에 적용되기 전 시대에는 이 문제가 더욱 두드러졌던 것 같다.  따라서 당시의 논문들을 읽어 보면 다분히 주먹구구식의 설계가 많았던 것 같고 과거 경험에 의존하여 설계가 진행되었던 것 같다.

그래서 출력트랜스의 설계를 처음부터 시작하는 것은 비전문가들의 영역 밖이라는 느낌이 든다.  그렇지만 이미 주어진 조건에서 시작하면 많은 변수들이 이미 결정되어 있는 셈이되니 결정되어야 할 변수의 수가 매우 제한적이 되어 적당한 짐작으로도 그리 나쁘지 않은 출력트랜스의 제작이 가능하다고 본다.

필자의 경우 사용될 코아가 이미 주어져 있고 현재 가지고 있는 에나멜선이 정해져 있어서 결정할 것은 권수와 권수비, 그리고 권선방법 뿐이니 주먹구구식의 결정이 가능하다고 보아서 한번 시도해 보았다.

필자에게 주어진 코아는 코아 단면적이 3.0 스퀘어 인치인 C코아 이다.  코아 단면이 2인치X 1.5 인치이니 현재 808암프 용 출력트랜스로 채택된 코아와 거의 유사한 크기다.  가지고 있는 코일은 미제 AWG #29번선과 0.85mm의 한국산 에나멜 선이다.  29번선을 1차에 0.85mm선을 2차에 쓰기로 하였다.  29번선은 허용 전류가 160mA정도이니 충분하다는 생각이다.  참고로 허용전류는 절대적인 것은 아니고 트랜스의 온도상승과 관계가 있다.  열전도가 좋다면 허용전류를 크게 할 수도 있다.

주어진 코아에서 코일의 길이는 대략 3인치 정도인데 실제로 코일을 감을 수있는 길이는 2.75인치로 잡았다.
실제로 이 길이에 감을 수 있는 권수는 대략 #29번선은180회였고 0.85mm코일은 대략 72회가 되었다.  29번선의 경우 도표에서 제시한 인치당 권수의 대략 82%정도였다.

여러가지 고려사항을 생각해서 필자는 2차코일을 동일한 4개의 코일로 분할해서 감기로 했다.  이는Full Layer Winding 과 Full Usage Winding을 실현시키기 위함이다.  여기서Full Usage Winding이란 모든 코일이 2차 출력임피던스에 관계없이 쓰임을 받도록 한다는 것, 즉 놀고있는 코일을 없게하려는 정책이다.  

4개의 코일을 모두 직렬로 연결하여 하나의 코일로 쓰면 16Ohm이 되도록 하고 두개의 코일을 직렬로 한 후 이를 다시 병렬로 연결하면 코일 권수가 반이되어 4Ohm을 만들 수 있고 두개의 코일은 직렬, 또 다른 두개의 코일을 병렬로 연결한 다음 이들을 직렬로 연결하면 9Ohm을 만들 수 있는데 이를 8Ohm으로 쓰려는 것이다.

2차코일을 4개로 분할하게 되면 이를 감싸는 1차코일은 5분할이 된다.  흔히 이런 때 쓰는 방법은 1차측의 총권수를 4분할하고 그 중 하나를 다시 2등분하여 5분할 코일이 되도록 한다.  그러니 코일 분할은 다음과 같이 된다:

제 1층: 1차코일의 8분지 1
제 2층: 2차코일의 4분지 1
제 3층: 1차코일의 4분지 1
제 4층: 2차코일의 4분지 1
제 5층: 1차코일의 4분지 1
제 6층: 2차코일의 4분지 1
제 7층: 1차코일의 4분지 1
제 8층: 2차코일의 4분지 1
제 9층: 1차코일의 8분지 1

1차코일은 각 층의 코일들을 모두 직렬연결하여 쓰게되므로 큰 문제가 없으나 2차코일은 병렬로 연결할 때 긱 분할의 코일의 권수가 동일하지 않으면 코일간에 전압차가 생겨 내부전류가 흐를 가능성이 있으니 조심해야 한다.

그런데 실제로 필자가 감은 것은 위의 설계와 약간 다르게 되었다.  먼저 4Ohm기준으로 2차 코일의 권수를 72회로 잡았는데 한층에 감을 수 있는 1차코일이 180회가 되어 1차측 제 1 분할을 8분지 1로 하는 경우 1차측 총 권수가 180 x8=1440회가 되어 너무 적다.  한편 제1 분할을 2층 코일로 하면 제 1 분할이 360회가 되는데 이렇게 되면 1차측 총 권수가 2880회가 되어 조금 많다는 기분이 들었다.  그래서 1차측 제1분할의 권수를 360회로 하고 대신 제2 분할을 3층으로 감아 권수를 540회로 하여 총 권수를 2340회가 되도록 하였다.  이렇게 해서 권수비는 32.5:1 이되고 임피던스 비는 4.225Kohm: 4 Ohm이 되었다.

2차측은 병렬연결한 0.85mm선 2개를 동시에 감아 2차측 의 모든 분할이 36회가 되도록 하였다.  앞에서 말한 것처럼 이 36회 코일 2개를 직열로 연결하여 72회가 되도록 한다음 이 72회 코일 두개를 병렬로 연결하여 사용하면 4Ohm 출력이 된다.  이 방법은 4개의 코일을 모두 직렬로 연결하고 2, 3, 4번째 탭들을 쓰면 각각 4, 9, 16 단자가 되니Full usage Winding이 그리 중요하지 않다고 생각한다면 이렇게 써도 무방할 것이다.

2차코일을 병렬로 연결할 필요성 때문에 각분할의 권수를 정확히 일치시킬 필요성이 있다.  이를 눈을 감고도 달성할 수 있는 방법이 있다: 즉 2차 코일의 각 분할코일을 감을 때 4선을 동시에 감는 것이다.  이렇게 되면 한 층에 감을 수 있는 권수는 한선만 감을 경우에 비해 4분지 1이 될 것이다.  이렇게 감은 후 각 분할의 코일들을 한 개씩 직열로 연결하여 4개의 코일을 만들면 이 4개의 코일들은 모두 동일한 권수가 될 것이다.  이렇게 하는 것이 유리한 점이 또 하나 있다고 생각한다.  2차코일이 1차 코일의 분할 사이사이에 모두 분포한 꼴이 되어1,2차의 결합이 좀더 밀접하게 될 것이 아닌가 하는 생각이 든다.


필자의 경우 코아 갭이 없을 때 1차측 인닥탄스가 대략 100H쯤 되었다.  쓸데 없이 된 신용카드를 오려서 갭으로 사용했는데 80mA 보다 조금 많은 직류를 흘렸을때 저역특성이 그리 나쁘지 않은 것을 보니 코아 갭이 너무 적지는 않은 모양이고 암프의 주파수 특성도 좋은 편이라 생각한다.  20Hz 부터 20KHz 까지 비교적 평탄한 주파수 특성을 볼 수 있었다.  3dB점도 40KHz이상에서 생긴다.

한가지 덧붙인다면 2차측 코일도 굵은 선을 하나 쓰는 대신 가는 선을 여러개 나란히 감는 편이 유리하다는 생각입니다. 코일이 앏으면 누설자속이 생길 가능성이 줄겠지요. 권수비가 결국은 임피던스 비율(권수비의 자승에 비례) 인데 이것이 그리 절대적으로 중요한 것은 아닙니다. 될 수 있는한 설계값의 권수비를 유지해야 하겠지만 약간의 변동은 큰 문제가 아닙니다. 오히려 Full layer Winding이 되도록 신경을 쓰시는 것이 좋을 것입니다. 

일반적으로 일차측 권수를 늘리면 저역특성이 개선될 것이나 권수가 증가함에 따라 누설자속이 커질 것이고 이러면 고역특성이 나빠지게 됩니다. 808 암프 코아 사이즈라면 대략 일차 권수가 2500회 내외가 되면 적당치 않을가 하는 것이 저의 "감" 입니다.

한두가지 생각난 것을 올려 봅니다. 잘 아시겠지만 Full layer winding 이란 매 권선층을 모두 채워서 감는 것일 뿐 아니라 중간탭을 층 중간에서 내지 않는 것입니다. 탭을 권선층을 감는 중간에 내게되면 리드선을 뽑아내는 과정에서 권선간에 간격이 생기게 되는데 이를 피하자는 것입니다.

트랜스를 손으로 감아보니 2선을 동시에 감는 것은 그리 어렵지 않으나 2선을 넘어 4선을 동시에 감는 것은 너무 번거롭겠습니다. 그래서 말씀인데,위에 설명드린 Full usage winding을 달성하는 데 코일을 꼭 4개만들 필요는 없습니다. 실제로 2차측 4옴의 권수를 80회로 했을 때 40회 권선 2개 80회 권선 1개만 있어도 4,8, 16옴 결선이 가능합니다. 

4옴인 경우에는 40회 권선 2개를 직렬로 하여 80회를 만든다음 이를 다른 80회 권선과 병렬연결 하면 됩니다. 16옴은 40회 권선 2개를 직렬연결 한다음 이를 다시 다른 80회 권선괴 직렬연결하여 160회가 되도록 하면 됩니다. 8옴은 2개의 40회권선을 병렬연결한 다음 이를 80회 권선과 직렬연결하여 120회 권선을 만들면 됩니다. 실제로는 9옴이지만 이는 일차측 임피던스에 반영되어 출력관의 로드임피던스가 변하게 되지만 그리 큰 영향은 없습니다. 실제로 필자가 만든 트랜스에서는 2차 코일이 4개이지만 80회 권선 두개를 미리 병렬연결하여 실제 2차측의 리드선을 6개로 줄였습니다.