소형 리니어 전원 트랜스포머를 만들어 봅시다...

[덤보]

소형 리니어 전원 트랜스포머를 만들어 봅시다...

소형 리니어 전원 트랜스포머는 보통 EI 철편을 사용한 단상 복권 트랜스포머를 말한답니다..
소형 리니어 전원 트랜스포머를 만들기 위해서는 입력전원과 주파수, 출력전원을 설정해야 하는데, 우리가 일반적으로 사용하는 전원은 AC 220V이고, 우리나라에서 적용하고 있는 전원주파수는 60 Hz이니까, 입력전원은 220Vac, 주파수는 60Hz가 되고, 출력전압과 출력전류만 설정하면 되겠네요..

시작에 앞서 “부품에 대해 알아봅시다”에서 “변압기(트랜스포머)란?"을 먼저 숙지하시면 트랜스포머를 설계하기 위한 계산식의 이해가 좀 더 빠르겠네요.. 

변압기(트랜스포머)란 무엇인가?

 그럼, 이제부터 EI 철편 코어을 사용하는 소형 전원트랜스포머를 설계해 봅시다...

설계에 앞서 생각해야 할 것이 조금 있는데, 예를 들어 2차 전원이 30V3A를 요구하는 트랜스포머를 설계한다면 두가지를 생각하게 되는데..먼저 출력전압이 AC 30V, 3A 인 경우와 정류회로를 거친 DC 30V, 3A 의 경우랍니다...
통상, 트랜스포머에서 30V3A 출력이라하면 AC 30V, 3A를 말하는데..필요한 출력전원이 DC30V, 3A라고 한다면.. 

트랜스포머를 설계하는데 있어 AC를 DC로 전환해야하는 정류회로와 평활회로를 고려하지 않으면..  

트랜스포머에서 출력되는 출력전력이 모자라 사용할 수 없는 경우가 발생한답니다....

주 : 전원트랜스포머 용량 산정방법을 참고하세요 

전원 변압기(트랜스포머)용량 산정방법에 대해 알아봅시다.

그래서 여기서는 필요한 최종 출력이 DC30V, 3A인 트랜스포머를 예를 들어 설계할까 합니다...

DC30V, 3A 출력이 필요한 트랜스포머 설계 계산에 고려해야 할 초기 변수는 다음과 같답니다...

출력전압 : 30 Vdc
출력전류 : 3 Adc
적용될 정류회로 : 브릿지 정류

정류회로에 따른 출력전원을 DC에서 AC로 환산하면 다음과 같이 출력 변수 값이 변한답니다.
출력전압 : Vac ≒ Vdc * 0.8 = 30 * 0.8 = 24 Vac
출력전류 : Iac ≒ Idc * 1.6 = 3 * 1.6 = 4.8 Aac

이렇게 환산된 결과를 설계시 변수로 적용하면 된답니다.

(출력전압의 경우, Vdc 값은 부하 적용시 Vdc 값이 낮아지므로, Vdc 값과 환산된 Vac 값의 중간값을 적용하는 것이 적당하답니다.)

변수를 재설정하면 다음과 같이 된답니다.
입력전압 : 220 Vac
입력전원 주파수 : 60 Hz
출력전압 : 30 Vac
출력전류 : 4.8 Aac
소모전력 : 30 Vac * 4.8 A = 144 Watt
입력전류 : 144W / 220Vac = 0.65 A
효율 : 출력(W)/입력(W) (효율계산은 생략)

이렇게 재설정된 변수를 가지고 트랜스포머를 설계하시면 된답니다...

변압기의 유기전압은
V(유기전압) = 4.44 x F(입력전원주파수) x N(권선수) x Φ(교번자속)
교번자속(Φ) = 자속 밀도(Bm) x 코어 단면적(S)
V = 4.44 x F x N x Bm x S
랍니다.(상수 4.44는 정현파(sine_wave 즉, 2π/√2)에만 적용, 구형파의 경우 4를 적용)

여기서 가장 먼저 계산해야 할 것이 바로 코어 단면적인데,

코어 단면적(S) = k x √P(watt) 이므로(k=0.9~1.4 범위에서 결정되는데 여기서는 1로 설정)

변수를 재설정한 트랜스포머에 적용될 코어의 최소 단면적은 다음과 같이 계산된답니다.
S = √P(watt) = √144 = 12㎠

위 계산 결과 값을 가지고 E I 철편과 보빈을 선정하면 되는데..EI 철편과 보빈은 이미 규격화되어 있으므로,

가까운 근사치 값을 적용하여 선정하면 된답니다.

EI 철편 규격(EI 코어)과, 보빈은 “일반자료실”에 있는 규격표를 참고하세요

E I core 규격 :

E I 규소강판 코어 규격표

보빈 : 

E I 규소강판 코어 보빈

여기서는 철편은 EI 85.8, 보빈은 85.8 x 46 규격을 적용하겠습니다..

Ei 85.8의 중앙 철심폭은 2.86㎝이고 적층은 4.6㎝, 적층에 따른 점적률은 계략적으로 96~100%를 적용하므로, 

단면적 S = 2.86 x 4.6 x 0.98 ≒ 12.9 ㎠ 이 되어, 요구되는 최소 단면적 12㎠ 을 만족하는 것으로 판단되네요..

그리고, 철편의 자속밀도 Bm은 일반적인 규소강판인 경우, 1(또는 1.2)의 값을 적용한답니다..

코어 단면적과 자속밀도 Bm이 구해졌으니, 이제 입력전압과 출력전압에 따른 1, 2차 권선수를 계산해 보겠습니다...

1차 권선(N1)의 계산은 입력전압과 관계되므로
V1 = 4.44 x F x N1 x Bm x S 에서
N1 = V1 / 4.44 x F x Bm x S = 220 / 4.44 x 60 x 1x10-4 x 12.9 ≒ 640 턴 이 되네요..

여기서 Volt 당 턴수를 계산하면 VT = 640 / 220 ≒ 2.9(v/t) 이 된답니다..

2차 권선(N2)의 계산은 출력전압과 관계되므로

N2 = V2 * VT = 30 * 2.9 = 87 턴이 되네요,

이렇듯, 볼트당 턴수를 계산하여 2차 권선수를 계산해도 되고, 1차 권선수를 계산하는 방식으로 2차 권선수를 계산해도 된답니다...

N2 = V2 / 4.44 x F x Bm x S = 30 / 4.44 x 60 x 1x10-4 x 12.9 = 87.3 ≒ 87턴

이제 입력전압과 출력전압에 대한 권선수가 계산되었으니.. 원하는 전류를 흘릴 수 있는 동선의 굵기를 계산해야 되는데,

동선의 굵기를 계산하기 위해서는 동선의 전류밀도를 알아야 한답니다.
(전류 밀도(電流密度, current density)는 도체 단면에서 단위 면적당 흐르는 전류랍니다.)

보통 밀폐된 변압기에서 사용되는 동선의 전류밀도는 2.5~3A/㎟을 적용하는데.. 여기서는 2.82A/㎟를 적용하겠습니다.
먼저 재설정한 변수 계산에서 1차 권선에 흐르는 전류가 0.65A이므로, 동선 단면적은 다음과 같이 계산되어지겠네요..
 
1차 권선에 흐르는 전류 ≒ 0.65A
전류밀도 J = 2.82 A/㎟
동선 단면적 S = 0.65A / 2.82A/㎟ = 0.2305 ㎟

여기서 동선 단면이 원형이면 “동선 단면적 = πr2 ” 이므로, 1차 동선 굵기는 다음과 같이 계산될 수 있답니다...
1차 권선 동선굵기(Φ)= 2r = 2 * √0.2305/π = 0.541 ≒ 0.6mm

2차 권선의 굵기는
2차 권선에 흐르는 전류 = 4.8A
전류밀도 J = 2.82 A/㎟
동선 단면적 S = 4.8A / 2.82A/㎟ = 1.70 ㎟
2차 권선 동선굵기(Φ)= 2r = 2 * √1.70/π = 1.471 ≒ 1.5mm
를 적용하시면 된답니다...

그럼 앞서 계산했던 계산식을 토대로 다중 출력을 가진 트랜스포머를 만들어 봅시다.

(직류 가변 전원공급기, 30V3A, 1CH 용으로 사용할 트랜스포머를 만들어 봅시다.)

회로도

요구되는 트랜스포머의 설계변수는 다음과 같답니다.

입력전압 : 220 Vac
입력전원 주파수 : 60 Hz
2차 요구전원(부하시)
 1) +30Vdc 3A(중간 TAP 12.5Vac)
 2) ±12Vdc 0.2A, 정격전압
 3) +5Vdc 0.2A, 정격전압
 4) +5Vdc 0.2A, 정격전압

다중 출력을 요구하는 트랜스포머에서 주의하여야 할 것은 보조전원이랍니다..
보조전원의 출력값이 정격을 요구한다면 레귤레이터를 적용하여, 요구하는 출력전원을 만족시켜야 되므로, 이때는 정류회로와 평활회로, 레귤레이터에서 요구하는 정격입력을 설계에 반영해야 한답니다.

위에서 요구되는 ±12Vdc 0.2A 양전원과 독립된 2개의 +5Vdc 0.2A 는 정격을 요구하는 것으로 최종 출력단에 레귤레이터 7812, 7912, 7805를 적용하여야 한답니다.

이러한 레귤레이터의 입력은 출력전압보다 약 2~3V 정도 높아야 하므로, ±12Vdc는 ±15Vdc, +5Vdc는 +8Vdc로 설정합니다.(여기서 설정된 DC값을 그대로 AC값으로 적용해도 된답니다,)

따라서, 2차 요구전원을 재설정하여 계산하면 다음과 같은 결과값이 나온답니다.
입력전압 : 220 Vac
입력전원 주파수 : 60 Hz
2차 요구전원(부하시)
 1) 28Vac 4.8A(중간 TAP 12.5Vac)
 2) 15Vac 0.32A
 3) 15Vac 0.32A
 4) 8Vac 0.32A
 5) 8Vac 0.32A

따라서 트랜스포머를 감기 위한 산출 계산값은 다음과 같답니다.

소요전력 : (28*4.8)+((15*0.32)*2)+((8*0.32)*2) ≒ 148 Watt
입력전류 : 148W / 220Vac = 0.68 A
효율 : 출력(W)/입력(W) (효율계산은 생략)
최소 코어단면적 S = √P(watt) = √148 = 12.2㎠
코어 및 보빈 선정 : EI 85.8, Bobbin 85.8 x 46
자속밀도 Bm : 1.2 (Wb/m2)
코어단면적 S = 2.86 x 4.5 ≒ 12.87 ㎠ (점적률적용시 : 12.87 * 0.96 = 12.4) : 가능
1차권선 : N1 = 220 / 0.4124 ≒ 554(턴)
2차권선 : N2 = 28.5 / 0.4124 ≒ 70(턴)(중간 TAP : 12.5 / 0.4124 ≒ 30(턴))
        N3, N4 =   15 / 0.4124 ≒ 37(턴)
        N5, N6 =    8 / 0.4124 ≒ 20(턴)

1차 동선 단면적 S = 0.72A / 2.82A/㎟ = 0.2553 ㎟
1차 권선 동선굵기(Φ)= 2 * √0.2553/π = 0.570 ≒ 0.6mm

2차 동선 단면적 N2 = 4.82A / 2.82A/㎟ = 1.7 ㎟
     N3, N4, N5, N6 = 0.32A / 2.82A/㎟ = 0.12 ㎟
2차 권선 동선굵기(Φ)  N2 = 2 * √1.7/π = 1.47 ≒ 1.5mm
              N3, N4, N5, N6 = 2 * √0.12/π = 0.39 ≒ 0.5mm

계산결과를 요약하면 다음과 같이 되고,,

이 결과치를 선정된 보빈에 감은 후 철편을 삽입하면 훌륭한 전원 트랜스포머가 된답니다.

코어 및 보빈 선정 : EI 85.8, Bobbin 85.8 x 46
1차권선 : N1 : 554(턴), 굵기(Φ) = 0.6mm
2차권선 : N2 : 70(턴), 굵기(Φ) = 1.5mm (또는 1mm x 2가닥)
             N3 : 37(턴), 굵기(Φ) = 0.5mm
             N4 : 37(턴), 굵기(Φ) = 0.5mm
             N5 : 20(턴), 굵기(Φ) = 0.5mm
             N6 : 20(턴), 굵기(Φ) = 0.5mm

재료를 준비해 봅시다.

E I core, 에나멜 동선, 나사, 너트, 절연패드, 브라켓, 절연테이프, 등등....

완성된 트랜스포머

만들어진 트랜스포머의 설계 계산값과 실측값을 비교해 볼까요??

설계 계산값
	AC 전압	AC 전류	소요전력	DC전원
입력	220 V	0.68 A	149.6 W	정류방식	DC 전압	DC 전류	부 하
출력1	28 V	4.8 A	134.4 W	브릿지	30 V	3 A
출력2	15 V	0.32 A	4.8 W	브릿지	15 V	0.2 A
출력3	15 V	0.32 A	4.8 W	브릿지	15 V	0.2 A
출력4	8 V	0.32 A	2.56 W	브릿지	8 V	0.2 A
출력5	8 V	0.32 A	2.56 W	브릿지	8 V	0.2 A
실측정값(무부하시)
	AC 전압	AC 전류	소요전력	DC 전원
입력	216.3 V	0.06 A	12.978 W	정류방식	DC 전압	DC 전류	부 하
출력1	28.5 V	0 A	0 W	브릿지	37.6 V	0 A	무부하
출력2	14.5 V	0 A	0 W	브릿지	18.5 V	0 A	무부하
출력3	14.5 V	0 A	0 W	브릿지	18.5 V	0 A	무부하
출력4	7.8 V	0 A	0 W	브릿지	9.5 V	0 A	무부하
출력5	7.8 V	0 A	0 W	브릿지	9.5 V	0 A	무부하
실측정값(부하시)
	AC 전압	AC 전류	소요전력	DC 전원
입력	216.3 V	0.57 A	123.291 W	정류방식	DC 전압	DC 전류	부 하
출력1	27.4 V	3.82 A	104.668 W	브릿지	33.1 V	3.33 A	10 Ω
출력2	14.2 V	0.25 A	3.55 W	브릿지	17.1 V	0.21 A	80 Ω
출력3	14.2 V	0.25 A	3.55 W	브릿지	17.1 V	0.21 A	80 Ω
출력4	7.7 V	0.25 A	1.925 W	브릿지	8.5 V	0.21 A	40 Ω
출력5	7.7 V	0.25 A	1.925 W	브릿지	8.5 V	0.21 A	40 Ω
출력전력			115.618 W

                                
효율 = 출력전력 / 입력전력 = 115.618 / 123.291 = 93.77%

결국, 설계시 반영한 계산값과 실측정값(부하시)이 거의 매칭된, 훌륭한 리니어 전원트랜스포머가 제작되었답니다...

만들기가 어려우신 분들은 선착순 주문 받을 까요?

이제 트랜스포머가 만들어 졌으니 30V3A, 1CH 용 직류 가변 전원공급기를 만들어 보기로 할 까요?

그보다,,,, 다음에는 다운 트랜스포머(autotransformer, autostep down transformer)를 만들어 보기로 하지요...

[가마니]

멋지십니다.~^^
이렇게 자세한사진과설명을 볼수있는
행운을주셔서 깊은감사드립니다.(꾸벅.).
하루빨리 등업되어서 나의자료실을 볼수있게되길 희망합니다.

[푸른 하늘]

안녕하세요
오디오 12v양파정류는 12v권선에 중간탭을 만들고 또12v권선을 감아 양파정류가 되어있는데요.
회로 특성상 위 트랜스에 12v 브릿지 정류를하고 싶습니다. 이때 12v 두 권선을 병렬로 연결하고싶습니다.
어떠한 문제가 있는지 궁금합니다. 자세한 도움 좀 주시면 감사하겠습니다.

[덤보]

문의 하신 내용을 적용하는 것을 추천하지 않지만,,,,,
권선방향이 동일한 방향이고, 권선수가 정확하게 같다면.....
출력권선 2개를 연결한 후, 브릿지 다이오드의 AC 입력단에 연결하시고, 중간탭 선을 브릿지 다이오드의 나머지 AC 입력단으로 연결하시면 됩니다.

[푸른 하늘]

전압이 제로상태로 열이 심하게 나 중건탭선을 절단하여 위상을 바꾸니 전압이 정상으로 나옵니다.
그런데 불안하여 양파정류로 하여 시간이 소요되는 작업을 해야할 것 같습니다.

[덤보]

전압이 제로 상태가 되는 것은 권선방향이 반대로 되어 있어 출력 단을 서로 연결하였을 때 출력 전압이 서로 상쇄되는 현상이랍니다.
트랜스포머를 제작한 제작자가 아닌이상 권선 방향을 정확하게 알수 없기 때문에 문의 하신 내용을 적용하는 것이 바람직 하지 않다고 한 것이랍니다...^^

[만복]

잘 정리해주신 내용 이해가 잘 되네요. 많은 도움이 되었습니다.
변압기 재료는 어디서 구입하셨나요?
구입처좀 알려주실래요?

[덤보]

만복님의 거처가 어디신지는 모르지만....
저는 서울에 있는 장사동, 세운상가 쪽에서 구입했습니다.
아직도 있는 지는 모르겠지만....^^

[만복]

아네 세운상가쪽에 직접 가셨군요.
온라인에서 구입하신줄 알았죠.
그럼 시간내서 한번 둘러봐야겠네요.
아무튼 좋은정보 감사합니다.^~