출력트랜스 설계연습 (4)

글쓴 시간: 2010-02-20 10:27:28

일차권선의 권수와 이차 권선의 권수가 정해졌으니 이제는 선경을 정해야 할 것이다.  불행히도 오디오용 트랜스의 선경을 정하는 과정은 찾지 못했다.  그래서 우선 전원트랜스의 설계방법을 따라볼까 한다.  사실 전원트랜스와 출력트랜스는 전류의 흐름에 차이가 있다.  오디오 용 트랜스에는 직류전류와 함께 음향신호가 함께 실린다.  음향신호의 특징은 소위 크레스트레시오, 즉 피크 값과 평균값의 비가 높다는데 있다.  흔히 10:1 혹은 그 이상으로 잡는 모양인데 1: SQRT(2)의 사인 웨이브과 비교된다.

또 다른 고려할 점은 암프의 클래스이다.  클래스 A암프는 전류가 (평균적으로) 일정하다.  반면 클래스 AB나  B는 전류에 변화가 비교적 크다.

한편 트랜스 권선의 전류용량은 상당부분 임의로 정하는 모양이다.  이는 주로 온도상승이 중요한 이슈이므로 트랜스의 구조나 사용한 인슐레이션에 따라 열 전도가 다르기 때문인 모양이다.

하여튼 여기는 일차 전류를 80mA로 가정하고 음향신호는 무시한다.  이는 클래스 A암프이니까 평균전류가 일정하다고 본 것이다.  대신 권선의 전류밀도를 넉넉하게 잡도록 한다.

흔히 전원트랜스의 경우 권선의 전류밀도를 450-800 circular mils (1/1000 inch 직경의 원의 넓이)/ Ampere 정도로 잡는 모양인데 여기서는  1000 circular mils/Ampere를 기준으로 하였다.

그러면 1차 권선은 1000  x 0.08 = 80 circular mils가 필요한데 AWG 31 이면 될 것이다.

2차 권선에는 직류가 흐르지 않는다.  출력을 최대 30Watt로 잡을 때 전류는4Ohm기준으로 최대 2.7A이다.  여기서는 4Ohm 권선은 두 권선이 병렬로 연결될 것이므로 최대전류를  8Ohm을 기준으로 2A로 잡아도 될 것이다.  한편 직류가 없으므로 전류밀도를 완화하여 500 –600 circular mils/Ampere로 잡는다.  그러면 600 x2 =1200 circular mils 이 되어 AWG 19번 선이면 된다.  혹은 21번선이나 22번선으로 나란히 두선을 함께 감는 방법도 생각할 수 있다.

권선창의 길이가 3.15inch (80 m/m) 이지만 보빈 양단의 마진을 두면 선을 감을 수 있는 길이를 대략 2.9 inch 보면 

31번선:  90회/inch => 90x2.9 = 261 회  2016 /261 = 8층 => 260 x 8 = 2080회
19번선:24회/inch => 24 x 2.9 = 69 회 
20번선 27 회/inch => 27 x 2.9 /2 =39회 (두선을 나란히 감는 경우)
21번선 30회/inch => 30 x 2.9 /2 =43 회 (두선을 나란히 감는 경우)
21번선 30회/inch => 30 x 2.9 /3 =29 회 (세선을 나란히 감는 경우)
22번선33회/inch => 33 x 2.9 /2 =48 회 (두선을 나란히 감는 경우)
22번선33회/inch => 33 x 2.9 /3 =32 회 (세선을 나란히 감는 경우)

2차를 두 층으로 분할한다.  첫번째 분할에서는 21번선 2선을 나란히 42회를 감는다.  두번째층은 21번선 4선을 나란히 21회 감아서 두선씩 병렬로 연결, 21회 권선 두벌을 만든다.  따라서 2차 권선은 세개의 코일로 구성하도록 한다.

1차는 세부분으로 분할한다.  첫번째 분할은 2층, 두번째 분할는 4층, 세번째 분할은 2층으로 총 8층이다.

일단 권선은 다음과 같이 감는 것으로 상정한다:
철심 안쪽부터:  

권선 분할(1): 1차 31번선으로 260회/층, 2층으로 520회
권선 분할(2): 2차  21번선 2개로 42회/층, 1층
권선 분할(3): 1차  31번선으로 260회/층, 4층으로 1040회
권선 분할(4): 2차 21번선 4개로 21회/층, 1층 
권선 분할(5): 1차 31번선으로 260회/층, 2층으로 520회
권선 분할(6): Optional 31번선 두선으로 130회

권선층의 두께를 계산해 보면
일차측 31번선 9.7 mils x 8 = 78 mils
2차측  21번선29.9 mils x 2 = 60 mils
절연지 두께 2.2 mils x 10= 22 mils  총 합계 = 160 mils = 0.16 inches

여기에 보빈의 두께와 제일 와곽의 절연을 고려한다해도 권선창 0.78 inch의 반이 넘지 않는 다는 계산이 된다.  이렇게 보면 권선창이 조금 좁은 코아를 선택했어도 된다는 결론이 나온다.  한편 누설자속을 줄인다는 면에서는 권선창은 폭이 좁고 긴편이 좋다고 볼 수 있다.  흔히 EI 코아에서는 권선창의 길이와 폭의 비가3:1이라고 하는 것을 들었으나 확실치는 않다.

하여튼 이렇게 되면 실제 권수비와 임피던스비는 
4 Ohm 결선 :  2080: 42 (49.52:1) => 10K : 4.07 OHm
8 Ohm 결선: 2080: 63 (33:1) => 10K : 9.18 Ohm
16 Ohm 결선: 2080: 84 (24.76:1) =>10K: 16.3 Ohm
64 Ohm 단자: 2080: 130 (16:1)  =>10K : 40 Ohm

강선배께서 지적하신대로 64Ohm단자를 KNFB(?)에 이용할 경우 이 권선은 일차로 간주되어 각 임피던스 비율이 달라질 수 있다.  이 경우 일차임피던스가 10K Ohm을 초과하는 것으로 간주할 수도 있겠다.

하여튼 위의 설계예는 single enamel wire를 기준으로 하여 생각해 보았다.
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845 일차에 상당한 고압이 걸리는것을 생각하여 Doble enamel wire를 사용한다고 가정하여 보자.  Belden Wire AWG 30과 AWG 20를 가지고 생각해 보겠다.

AWG 30 은  단면적이 100.5 Circular mils로 1차권선에 쓰기에는 다소 굵어 보인다.  하지만 AWG#31에 대한 데이터를 찾지못하여 우선 생각해 본다:

AWG30, 86.2 / inch x 2.9 inch = 250회/층 => 8층 2000회, 9층 2250회
AWG 20, 28.9/inch x 2.9 inch =84 회/층 =>두선으로 감으면  42회 /층  

분할방법은 위의 경우와 같다.  즉 2차를 2분할 하고 1분할에는 42회 권선을 다른 분할에는 21회 권선 두개를 감는 방법이다.  일차권선은 세분할을 하는데  첫째 분할은 2층, 두째 분할은 4층 , 세째분할은 2000회를 감느냐 혹은 2250회를 감느냐에 따라2층 혹은 3층으로 한다.

코일의 두께를 계산해 보면

1차 30번선 (1/86.2) x 9 층 =0.1044 inch
2차  20번선 (1/28.9) X 2층 = 0.07 inch
절연지 두께  2.2 mils x 12 = 24.4 mils ~ 25 mils = 0.025 inch  총계 = 0.2 inches.

위의 두 계산을 통하여 보면 권선창의 크기는 충분하고도 남는 다는 사실을 알 수 있겠다.

이제 설계에서 남은 일은 트랜스의 손실을 계산하고 온도상승이 실용범위 이내에 있는 가를 살펴보고 한편 누설인닥탄스와 권선 용량이 요구사양을 충족시키는 가의 여부를 판단하는 일이다. 이에 대한 논의는 다음으로 밀겠다.

한가지 주의 사항: 지금 까지의 논의는 어디까지나 연습이고 전문가가 아닌 사람이 심심풀이로 처음으로 시도해 보는 일이니 만큼 틀린부분도 있을 것이다.  혹시라도 이상한 부분이 있으면 주저없이 지적해 주기 바란다.

HL2WM	심심풀이로 하신것은 아닌것 같읍니다.저희는 METRIC단위를 쓰는고로 얼핏 선경을 가늠하기가 어렵읍니다.오엠님 자료를 참고하여 자료를 정리하겠읍니다.다음에는 METRIC으로 계산해 주시면 국내에서 보는 사람들이 편할것 같읍니다. 고생 많이 하셨읍니다.지금 막 HL1BY오엠님과 식사 약속을하여 최오엠님 회사오 출발합니다.	2010-02-20 11:31:59
HL1ET	Metric으로 전환 하는 것은 전혀 어렵지 않습니다. 길이의 단위만 전환하면 다른 문제는 없으니까요. 1inch = 25.4 m/m로 전환하면 됩니다. 1mil = 1/1000 inch 이니까 1 mil = 0.0254 m/m 가 되겠지요. 845를 예로 들었으나 808의 경우는 매 과정을 그대로 답습하면 그림이 나올 것입니다. 808의 내부저항을 모르기 때문에 시도하지 않았는데 강선배 께서 실측치를 알고 계실 테니까 설계가 가능할 것입니다.	2010-02-20 12:34:36
HL1KSK	아이구 어려워서 wm님에게 해설을 들어야겠네요.	2010-02-20 21:39:19
HL1TA	4번에걸처 많은자료 올려 주셧습니다. Thank You! R-core Trans 설계에 좋은 참고가 되겠습니다.  1Et 께서 밀씁하신 808 진공관 내부저항 "rp" 의 실측치는 동작점에서 11.3 Kohm 입니다.  3극관으로는 매우 높은 값입니다. 그이유는 우리가 택한 동작 영역이 Plate V/I특성이 누워 있는 부분이기 때문 입니다. "808 출력단 설계"(#158) 에서 보시는것과 같이 5극/빔 관과 같은 모양의 특성 입니다.	2010-02-21 02:54:19
HL1ET	출력관의 내부저항이 11.3KOhm 출력트랜스 일차 임피던스를 3.6 KOhm으로 잡으면 Ra = 11.3K//3.6K = 2.93KOhm이 되니 1dB cut-off를 10 Hz로 잡으면 일차 인닥탄스가 93.33H, 20Hz로 잡으면 46.65H, 30Hz로 잡으면 31.11H 40Hz로 잡으면 23.33H 가 됩니다. 이 수치가 일차인닥탄스의 목표값이 될 것 같습니다. 소프톤사의 출력트랜스는 일차 인닥탄스가 12H라는 광고를 보았는데 아마도 30H정도가 Low-end cutoff주파수 인것 같습니다. 그러나 이것은 소스임피던스 (즉 출력관의 내부저항)가 700 Ohm으로 비교적 작기 때문에 가능한 일이라고 봅니다.	2010-02-23 03:59:28
HL1TA	권선의 전류용량에 대한 자료가 http://amasci.com/tesla/wirel.html 에 나와 있습니다.  보통 750 circular mils/amp 로하고 500 circular mils/amp 를넘지 않도록 하라고 되어 있습니다.