출력트랜스 설계연습(1)

글쓴 시간: 2010-02-18 11:02:4

일반적으로 트랜스의 설계는 상당수의 변수들을 고려해야 하기 때문에 생각같이 간단하지가 않다. 특히 광대역을 카버해야하는 고급 오디오 트랜스를 설계하는 일은 전기공학에 대한 소양이 없이는 매우 힘든일로 보인다.

한편 진공관 시대는 물론 아날로그 시대도 지나가고 디지탈 시대가  이미 진행중에 있는 이 때에 별 효용가치도 없는 출력트랜스 설계에  관심을 가질 사람도 별로 없을 것이니 이런 고색이 창연한 문제에 대하여 도움을 청할 수 있는 사람을 찾기도 힘들 것이다.  

다행히 이 분야에 대한 연구는 이미 1950년대이전에 상당히 잘 정리되어 있는 것으로 보인다.  그래서 문헌만 잘 찾아보면 될 것이라고 생각했었는데  막상 인터넷을 뒤져보고 대학시절에 모아둔 진공관 서적을 뒤져 보아도 출력트랜스에 대한 체계적 설계과정에 대한 정보는 보이지 않는다.  그래서 나름대로  심심풀이로 출력트랜스 설계과정을 생각해 보았다.  아무런 검증도 받지 않은 자료이니까 틀린부분도 있을 테지만 808암프 출력트랜스 설계에 도움이 되기를 바랄 뿐이다.


출력트랜스의 설계는 요구되는 사양을 확인하는 작업으로부터 시작할 수 있을 것이다.  이들 요구되는 사양은 다음 사항들을 포함할 수 있다:

· 1 dB혹은 3dB down point 로 정의된 주파수 특성 및 위상특성
· 최대 허용 찌그러짐 (트랜스에서도 고조파 찌그러짐이 발생한다)
· 최대 출력
· 최대 허용 직류전류 등.

이 외에 도 다음과 같은 조건들을 정의할 필요가 있다 즉,

· 출력관의 내부저항(풀레이트 저항)
· 출력관의 부하저항
· 코아의 허용 최대 자속밀도 (Bmax)
· 코아의 단면적 (A), 자속통로의 길이 (lc)
· 기타 코아 재질에 대한 정보

여기서 설계는 과거 경험으로부터 얻은 적당한 코아사이즈를 시작으로하여 요구사양을 충족시킬 때까지 코아의 크기를 바꾸어 가며 몇번의 반복과정을 통하여 완성하도록 다음과 같은 과정을 생각하여 보았다:

(1) 주어진 저역 cutoff 주파수와 출력관의 내부저항, 부하저항을 가지고 필요한 일차 인닥탄스를 계산한다.

(2) 또한 고역 cutoff주파수로부터 이 고역주파수를 실현시키기 위한 누설인닥탄스를 계상한다.  위의 두 과정에서  1차 인닥탄스와 누설 인닥탄스의 목표값을 설정한다.

(3) 주어진 부하저항 값에서 1 Watt 출력에 필요한 1차 전압과 전출력에 필요한 일차전압을 계산한다.  1 Watt 출력에 필요한 1차전압을 E1이라고 하고 자속밀도를 대략 10,000 lines/square inch로 잡아서 이 전압을 유기시키기 위한 1차 권수를 계산한다.

(4) 과정(3)에서 계산한 권수로 부터 1차 인닥탄스를 계산한다.  코아에gap 을 만들경우 이로인한 인닥탄스의 감소도 계산한다.  계산된 인닥탄스가 1차 인닥탄스 목표치 보다 클 경우에는 다음 단계로 진행한다.  아니면 과정 (1)로부터 다시 시작한다.

  
(5) 최대출력에 필요한 1차 권선의 전압 Em과 E1의 비를 계산한다.  이 비율을 R1m 이라할 때 최대출력시 자속밀도 10,000 x R1m을 계산한다.  최대출력시 자속밀도가 50,000 lines/square inch 를 크게 초과하지 않는 다면 다음 단계로 진행한다.  아니면 과정 (1)로부터 다시 시작한다.

(6) 과정 (5)까지에 계산된 1차 인닥탄스와  채택된 권선 방법으로부터 누설인닥탄스, 의율(찌그러짐)등을 계상하여 이들이 요구사양을 충족하는지를 확인한다.  아니면 과정(1)로 올라가 다른 사이즈의 코아를가지고 설계과정을 반복한다.

(7) 계상된 일차권선으로부터 2차권선수와 선경을 정하고 이들이 코아의 권선창의 크기내에서 실현이 가능한가를 확인한다.  또한 권선의 직류저항, 동손, 철손(히스테리시스 손실과 와류손)등으로 인한 트랜스의 온도상승을 계상하고 이들이 사양의 범위안에 있는지를 확인한다. 확인이 된다면 설계는 끝난것이고 아니면 과정(1)로 돌아가 다시 시작한다.  

이 설계과정이 수렴할 지의 여부는 단정하기 힘들지만 실제에 있어서는 요구사양을 완화함으로서 설계의 반복과정을 종결시킬 수 있을 것으로 본다.