02. 쵸크 코일(choke coil)에 대하여

[관운]

02. 쵸크 코일(choke coil)에 대하여

윤영진 : TR앰프에서와는 조금 다르게, 진공관앰프에서는 '평활 효율' 외에도 '음색'이나 '음질'에 대한 영향을 중요시하는 것 같습니다.

아직까지 많은 분들이 정류관과 쵸크코일을 즐겨 사용하는 이유는 이 두가지 부품이 갖고 있는 결점과 장점 중에서 '장점'에 대해 기호가 있기 때문이라고 봅니다.

정류관, 특히 직렬형 정류관은 특성상 전압을 스윙시키면서 음에 압축감과 탄력감을 주는데, 전기공학적으로는 단점일수 밖에 없는 이런 특성이 오히려 음감에는 듣기 좋은 결과로 나타납니다.

쵸크코일 역시 전압과 전류의 상관관계에서 스윙 작용이 있고, 스윙쵸크는 물론이지만 일반형 쵸크에서도 약간의 정전압, 정전류 작용을 합니다. 전압이 높아지면 헨리값이 상승하여 전류를 조절하고, 약간의 전기적 저장과 배출을 조절하는 기능을 하게 됩니다. 이로 인해 다이오드와 비교해서 최종 음이 부드럽고 윤기와 탄력감을 갖게 합니다.

특히 저항과 비교해서 비교할 수 없을 정도로 낮은 DCR을 갖게 되어 전원 임피던스를 낮추는 데 탁월합니다.

얼마전 청계천 트랜스 잘 감는 분에게 조금 어려운 조건의 쵸크코일을 주문하러 갔더니, 어려워서 못한다고 거부하시더군요. 그러면서 그 분 하시는 말씀이 미제 군용 쵸크를 예로 들면서, 직접 감다보면 같은 권선수를 감아도 인덕턴스를 정확히 페어로 감기 어렵고, 낮은 DCR에 높은 임피던스 만들기도 어려운데, 외국산 밀리터리 스펙의 쵸크 코일들은 인덕턴스 표준화 생산이 잘 되어 있고, DCR도 낮게 제작된다고 하더군요.

즉, 좋은 코일에 정확하고 견실하게 권선을 해서 만들었다고 하며, 국내에서 이렇게 만들자면 원가가 많이 들어서 어렵다고 합니다.

즉, 국산이 무조건 질이 떨어지는 것이 아니라, 작은 제작 물량으로는 채산성이 낮아서 제작 수준을 낮추게 되는 문제를 지적했습니다.

미군용 쵸크코일 같은 것이야 한번에 납품량이 수만 개 이상씩 되니까 QC는 물론 제작원가가 낮아서 더 좋은 걸 만들었다고 여겨집니다.

주현 : 콘덴서를 통한 평활과 쵸크를 통한 평활을 비교시, 쵸크 사용의 가장 큰 장점은 전원 부하 처리의 수동성과 능동성입니다. 즉, 쵸크를 사용하면, 콘덴서를 거친 수동적인 평활이 아닌, 패러데이의 전자기적 반발력에 기인한 능동적인 전원부하 처리가 이루어진다는 점입니다. 음질에 절대 영향을 끼칩니다...특히, 쵸크는 반드시 전원부 평활만을 위하여 사용되지는 않습니다. 그리드 쵸크의 경우 입력단 그리드와 그라운드 사이에 걸어주게 되는데, 저항과 비교시 열화현상의 제거뿐만 아니라, 음을 더욱 탄력있고 긴박감 넘치게 만들어 줍니다. 따라서 플레이트 쵸크와 그리드 쵸크의 병행사용은 더 음질 향상에 기여하는 바가 큰 것으로 이미 널리 알려져 있답니다...쵸크의 외산과 국산의 차이는 이미 윤영진님께서 소상히 설명을 주셨습니다. 그리드 쵸크의 경우는 통상적으로 필요 용적내에 수천 헨리의 값이 요구되기에 제작비 뿐만 아니라, 기술적 난이도가 고 난이도가 요구됩니다.

주현 : 흔히 인터스테이지 트랜스포머나 인풋 트랜스포머들을 장착하면 음이 매우 좋아진다는 경험담을 많이 접하게 됩니다. 이는, 바로 입력된 신호의 절반정도가 이들 트랜스포머에서 그리드 쵸크와 유사한 작용을 하기 때문이랍니다^^

정호윤 : 먼저 초크 트랜스는 잘못된 명칭입니다. 트랜스포머는 1차와 2차의 권선비에 의해 교류의 성질을 바꾸는 수동소자로 초크는 1/2차가 없으므로 트랜스가 아닌 초크 코일입니다.

상당히 주관적 관점에서 쓰인 글이라 입문자분께 잘못된 개념을 심어줄 수 있어 덧글을 답니다.

'잔류리플 몇mV'가 가장 중요한 문제가 된다면 RC나 LC나 정전압등의 전원부의 형태는 아무런 상관이 없습니다.

각 전원부는 다음에 걸리는 부하에 따라 선택되어야합니다. 전류변동이 심한 부하에 RC필터를 사용하는 경우 일정한 특성을 나타내기가 어렵고, LC필터는 RC 필터에 비해 전원임피던스가 낮은 장점이 있지만 초크코일 사용으로 인한 고비용과 하중의 증가가 단점입니다. 정전압전원의 경우 전원임피던스가 위 두 전원부에 비해 극단적으로 낮은 값을 갖지만, 구성의 복잡과 고비용의 문제 및 하중의 증가가 문제가 됩니다.

전원부는 '이녀석로도 잔류리플양을 맞출 수 있는데 왜 저걸 쓰냐.'라는 단순한 관점으로 선택하면 부하의 특성을 제대로 살릴 수 없습니다. 또한 오디오에서는 각 전원부가 갖는 음색적인 문제가 매우 중요하기 때문에 신중히 생각해야합니다.

곽홍해 : 글 감사 합니다. 저의 글은 전원 회로에 사용하는 쵸크 트랜스에 대한 글입니다. 그 이상도 이하도 아니구요 이 쵸크는 단순한 리플 제거용 입니다. 소리를 만들어내는 소자가 아닌 것으로 알고 있습니다. 그리고 이 리플은 콘덴서 용량이 커지면 줄어 듭니다. 리플의 원리를 생각하면 답이 보입니다.

옛날 앰프의 전원은 불순물이(?) 많고 요즘 앰프는 불순물이 적습니다. 이는 리플의 많고 적음으로 말 할 수 있습니다. 리플이 AC 성분인데 이것이 많으면 소리가(신호) 뭉게(?) 집니다. 그래서 옛날 앰프는 소리가 약간은 둔탁한데 사람들은 이를 빈티지 소리라고 하여 좋아하는 사람들이 간혹 있습니다.

반면 현대 앰프는 이 리플이 매우 작아 소리가 덜 뭉게져 소위 해상력이 좋다고 합니다. 또 이런 소리를 좋아 하는 사람들이 있습니다. 귀가 거의 계측기 수준으로 예민하신 분들이 전원 회로에 따라 소리가 바뀐다는 하시는데 리플이 많고 적음이 아닌가 합니다.

정호윤 : 커패시터의 용량이 커지면 물론 리플은 줄어듭니다만, 커패시터의 용량이 커지면서 발생하는 '기계적'단점들도 있습니다. 이 부분도 같이 말씀하시면 더 좋을 것으로 생각됩니다.

윤영진 : 잔류 리플의 문제에 있어서, 정류관-쵸크 코일-커패시터(총 사용용량 100-200uF) 정도의 구성이면 충분한 것 같습니다. 과거에 그라운드 어스에 관한 이론이나 실장기술이 발달 못했을 때는 리플 험을 작은 콘덴서 필터 용량으로 낮게 만들기 어려웠지만, 요즘은 위의 전원회로 구성만으로도 충분히 잔류 리플험을 충분히 낮게 만들 수 있습니다. 다이오드와 대용량 캐퍼시터로 구성한 전원부로는 음질적으로 만족스런 결과를 얻기 힘들다고 봅니다.

곽홍해 : 정호윤님, 님이 알고 계시는 대 용량 콘덴서의 기계적인 문제점은 자작인 들을 위하여 알려 주시기 바랍니다. 저는 부피가 커지는 이유 이외에는 없는 것 같은데 옛날 20uF/450V 정도의 크기이면 요즘 적어도 200uF/450V 정도 이므로 큰 문제가 없을 것으로 생각 됩니다.

윤영진님, 전원부를 다이오드 정류하고 20uf 콘덴서를 이용하는 전원부를 만들어 보시기 바랍니다. 님이 생각 하시는 옛날 소리를 낼 수 있을 것으로 생각 합니다.

리플 단어 그대로 잔류(잔잔한) 파형 입니다. 옛날 계측기 들은 이로 인하여 신호가 뭉글어져 정밀도가 높은 기기를 만들 수 없었습니다. 요즘은 콘덴서 만드는 기술이 발달하여 대용량도 크기가 작기 떄문에 정밀도가 매우 높은 기기도 만드는데 문제가 없습니다. 컴퓨터는 신호가 매우 작기 때문에 수십만 uF를 병렬로 사용 합니다.

저는 다이오드 정류만 하는데 200-300uF 정도의 콘덴서를 사용하지 않고 47-100uF 정도로 합니다. 적당한 리플을 허용 합니다.

주현 : 뜨거운 열기가 느껴집니다...다시 정리하여 말씀드린다면, 작동하고자 하는 앰프가 전류 의존형이라면 콘덴서 평활이, 전압 의존형이라면 쵸크 평활이 설계자들에게는 제일법칙으로 권장됩니다...이유는, 콘덴서는 전압변화에 다소 지연되는 응답성을 보이며, 쵸크는 전류변화에 늦은 응답성을 보이기 때문입니다..이유는 너무도 자명하며,, 따라서 플레이트 전압용으로 사용하고자 하신다면, 당연 쵸크 평활이 좋다는 이야기입니다. 다른 TR증폭용은 커패시터 쪽이 더 높은 응답성을 보입니다. 궁금하신 분은 .실제 계측기를 이용하여 측정하여도 같은 결과를 얻으실 수 있습니다.

곽홍해 : 주현님, 콘덴서의 충전 되는 시간에 의한 응답성은 오디오 기기에는 무의미 하다고 생각 합니다. 콘덴서의 응답성은 계측기이나 통신 장비에는 중요 합니다. 그래서 이런 경우 응답성을 빠르게 하기 위해 적층 콘덴서를 이용합니다.

옛날 앰프 중에 플레이트 전압을 공급 할 때 저항을 대신 쵸크 코일을 사용한 기기 들이 있는데 이 역시 무슨 음질을 개선하는 것이 아니고 양질의 직류 전원을 공급하기 위해서 사용하는 것으로 알고 있습니다.

전원 회로에서의 쵸그 코일은 직류 중에 있는 리플을 제거하는 기능을 갖고 있는데 콘덴서 용량이 커지면 리플이 줄어들어 쵸크 코일의 필요성이 없어집니다. 물론 진공관 정류를 할 경우에는 필요 할 수도 있습니다.

“작동하고자 하는 앰프가 전류 의존형이라면 콘덴서 평활이, 전압 의존형이라면 쵸크 평활이 설계자들에게는 제일법칙으로 권장됩니다” 는 글은 초보자인 저로서는 매우 이해가 어렵습니다. 쉬운 설명 부탁 합니다. 감사 합니다.

주현 : 아주 쉽게 설명 드리자면, 콘덴서 마이크를 생각해 보십시요. 이는 charging-discharging액션이 아주 다이나믹한 커패시터를 사용하는데, 실제 동작은 수십 마이크로 초 이내에 수십 마이크로 볼트가 변합니다 (물론 커패시터 용량이 작습니다)...이를 증폭하여 실제 고주파가 아닌 오디오 소닉파를 전기적 신호로 바꿉니다. 커패시터의 이런 동특성을 이용합니다. 그럼, 본론으로 들어가, 아무리 커패시터 용량이 크더라도, 진공관 플레이트는 신호증폭을 위하여 윤영진님이 말씀하신 바와 같이 볼테지 스윙이 필요합니다. 연속적인 소닉파가 들어올때, 진공관의 플레이트는 전압의존적이기에 실제 변화하는 전압이 수 밀리볼트 규모이며, 이때, 고용량의 커패시터들도 미세한 charging-discharging을 반복하며 실제 수 밀리 볼트 이상의 커패시터 자체의 트렘브레가 발생됩니다. 여기에 불완전 평활된 교류 리플이 더해지고요. 즉, 음의 섬세함과 다이나믹이 떨어진다는 것 입니다. 이를 해결하기 위해서는 단순한 리플제거 목적이 아닌, 쵸크를 통하여, 이들 미세한 볼테이지 변화와 리플들을 한번에 해소할 수 있는 것 입니다. 이점이 콘덴서만 사용하여 평활하는 것과는 질적으로 다르다는 이야기 입니다. 반대로 amplifier부가 전류 의존적일 경우는 이들 미세 전압변화는 아주 미미한 영향을 준다는 점 입니다. 콘덴서가 가진 기능만을 가지고도 충분한 양질의 전원을 공급받을 수 있기 때문입니다....후자의 경우 쵸크는 큰 영향을 안줍니다. 실제 준다고 하더라도, 전압 의존형보다는 매우 작다는 것이지요......

주현 : 콘덴서 마이크의 예에서도 살펴보듯이 콘덴서의 충-방전 응답성은 오디오 기기에는 매우 치명적입니다. 값싼 일반 콘덴서를 사용하지 않고, 왜 응답성이 높은 low esr등급의 콘덴서를 사용하고 개발하는지에 대한 해답이 바로 여기에 있습니다. 그리고 고가의 커패시터들을 사용하는 이유에 대해서도요. 콘덴서 응답성은 사용된 재질과 전해액 등이 좌우합니다. 일반적으로 표기하는 용량(패러디)과 허용내압(V)만이 좋고 나쁨의 척도가 아닙니다. 이들은 각 제작 메이커들의 절대적 비공개 노하우 이기도 하고요...충분한 답변이 되었는지요?

한봉석 : 전원 구성에 따른 음색 변화와 전원 임피던스 문제를 모두 없는 것으로 가정하고 전원 리플만이 중요하다고 할 때 수백V를 사용하는 진공관 전원에서 콘덴서만으로 구성된 C 필터를 이용해서 원하는 정도의 전원 리플을 제거하기란 매우 어렵습니다.(가장 근본적으로 물리적인 크기가 그렇습니다.) 이 부분은 간단히 PSU designer 같은 시뮬레이션 툴을 확인해보시면 좋을것 같습니다. 따라서, 필연적으로 RC 필터 또는 LC 필터를 구성하게 되는데 RC 필터를 구성할 경우 R 성분이 커지면 전류량에 따른 전압 변동이 무시하지 못할 정도로 커집니다. 따라서, 보다 효율적인 쵸크를 사용합니다. 이것이 바로 전압 의존형일 경우 쵸크를 사용하는 이유입니다. 반대로, TR 앰프와 같이 저전압 대전류형에서는 R의 영향이 상대적으로 작기 때문에 쵸크를 배제해도 만족할만한 전원을 얻을 수 있고 극단적으로는 R이 없는 C필터만으로 구성하는 예도 있다고 합니다. 이 경우가 바로 전류 의존형의 콘덴서 평활의 예입니다.

한봉석 : 예를 들어 330V 200mA 회로에서 콘덴서 필터만으로는 1000u를 써도 근사한 톱니형 리플을 보실 수 있습니다. 물론 어느 정도 리플을 허용한다고 생각하면 받아들일 수 있을지도 모르지만 간단한 LC 필터로 깨끗한 전원을 만들 수 있다면 LC 필터를 사용하는 것이 훨씬 효율적이고 자작의 취지에 맞는다고 생각합니다.

곽홍해 : 한봉석님 감사 합니다.

주현님 설명을 보다 매우 쉽게 설명 해주신 글을 보니 이해가 갑니다. TR 장비인 컴푸터, 계측기, 통신 장비 그리고 고주파(수백 MHz) 장비는 리플이 쥐약 입니다. 매우 정밀하기 때문인 것으로 알고 있습니다. 좋은 전원을 위하여 이러한 장비들은 수만 심지어 대형 컴퓨터들은 리플 제거를 위하여 수백만 uF의 콘덴서를 사용 합니다. 그런데 쵸크는 사용하지 않습니다. 심지어는 대형 UPS 장비를 이용 합니다. 님은 말씀을 좀 더 쉬운 방법인 쵸크를 사용하지 않는 이유는 무엇인지 궁금 합니다.

일반적으로 잔류 리플은 아무리 줄여도 0 이 될 수는 없습니다. 진공관 앰프의 경우 수십 mV에서 수백 mV 입니다. 이 정도의 잔류 리플은 옛날 전원 회로와 같은 수십 uF와 같은 콘덴서 용량으로는 힘들기 때문에 쵸크를 사용하지만 요즘과 같은 수백 또는 수천 uF를 사용하는 경우는 매우 쉬운 일입니다. 그런데 진공관 정류일 경우 사용 할 수 없는 것이 아쉽습니다.

그리고 쵸크는 전압 강하고 덜하고 저항은 전압 강하가 큰 것은 아닌 것 같습니다. 전원 부의 쵸크 대신 사용하는 저항은 대게 수 옴을 초과하지 않습니다. 전원 회로에서 RC 결합이냐 또는 LC 결합 이냐는 진공관으로 정류를 항 전원에는 해당되나 다이오드 정류 일 경우에는 무의미 한 것 같습니다. 자작의 취지에 맞는다는 말씀은 동의합니다. 무엇인가 묵직한 것이 있어야 그럴 듯 하니까요.

정호윤 : 한봉석님이 조금 잘못 알고 계신 듯합니다. RC필터에서 전류량이 커지면 당연히 R값에 의한 전압강하는 크게 일어납니다. 따라서 전원임피던스가 낮은 LC필터가 필요하지만, 오디오에서 저전압 대전류가 필요한 대표적 예인 반도체 PP 파워앰프의 경우 회로적 특징으로 인해 전원리플을 어느정도 감수하고 사용할 수 있습니다. 그렇기 때문에 R이 없는 C만으로 구성된 전원부도 사용되는 것입니다.

간단한 예를 들어보겠습니다. 정류기 후 입력 커패시터와 R 또는 L 후 커패시터가 사용된 회로가 있다고 합니다. 이 회로에 걸릴 부하는 100mA가 사용됩니다. 여기에 원하는 리플양을 얻기 위한 R값이 1KR이라고 가정할때 R에 의해 강하되는 전압은 '100V'입니다. 이 저항에서 발생하는 열량은 10W, 실제로 써야할 저항의 전력량은 40W 이상입니다.

리플의 주파수를 120Hz라고 했을때 1KR 저항값을 갖는 인덕턴스의 값은 약 1.32H 입니다. (모든 것이 이상적인 상황이라고 했을때) 소리전자에서 판매하는 10H/100mA가 57철심에 제작되는 것으로 미루어 5배 이하의 인덕턴스라면 당연히 더 작은 철심에도 만들어 질 수 있습니다. 소리전자의 10H/100mA 의 실측 직류저항은 약 234R입니다. 이 회로에 1KR 저항 대신에 소리전자 10H/100mA 초크코일을 넣는다면 120Hz에 대한 저항값은 약 7.54KR, 직류전압강하는 23.4V 입니다. 역으로 10H 초크 대신 7.54KR 저항을 넣는다면 저항양단에 걸리는 전압은 무려 '754V'가 됩니다. 이 저항의 발열량은 75.4W, 실제로 써야할 저항의 전력량은 300W급이 됩니다.

이 정도 되면 이게 전원부인지 전기난로인지 구분이 안됩니다. 거기에 강하되는 전압 754V와 저항에서 소모될 전력량 약 151W를 전원트랜스포머에서 더해야하고, 저항 앞에 있는 전압강하가 일어나기전 754V를 더한 커패시터의 내압은 어떻게 만들어야하겠습니까? 물론 'R값을 고정하고 앞 뒤 커패시터의 양을 늘리면 된다.' 라고 말씀하시겠지만, 이건 정말 무척 무책임한 이야기입니다. 필요한 리플을 위해서 수천uF를 투입해야한다면, 차라리 초크코일이 저렴할 수도 있습니다.

RC나 LC나 정전압이나 필요한 전류량에 원하는 리플을 얻는다. 는 목적에서는 어떤 것을 선택해도 괜찮습니다. 하지만 각 필터의 장단점은 알고 있어야한다고 생각합니다. RC필터 알고 쓰셔야합니다.

정호윤 : 고주파기기에서는 리플이 그리 큰 문제가 아닙니다. 대형기기가 수십만 수백만 uF을 쓰는것은 쓰는 전류량이 많기 때문이지, 리플을 줄이기 위해서가 아닙니다. 게다가 대형 측정장비들은 커패시터로 리플을 잡지않고 각 단마다 정전압회로를 투입합니다. 기본적인 디지털 신호의 1과 0을 판단하는 전압 범위만 알고 있다면 컴퓨터가 리플에 약하다 같은 말씀은 하지 않으실것으로 생각됩니다.

한봉석 : 위의 제 표현에 좀 애매하기 뭉뜽그린 부분이 있군요. TR회로에서의 R의 영향에 대해.. TR 회로의 리플 감수가 가능하므로 R이 작을 수 있으므로 영향이 작다고 표현한게 좀 애매하게 씌였네요.. 온라인으로 두서없이 쓰다보니 좀 뭉뜽그려서 틀린 부분이 있었습니다. 정호윤님이 바로잡아주셨으니 감사드립니다.

그리고 정호윤님 말씀대로 컴퓨터 등 고주파기기는 전원리플이 그다지 민감하지 않으며 주로 SMPS를 전원장치로 사용합니다. SMPS는 고주파 노이즈가 엄청나지요. 또 거기에 사용된 대용량 캐패시터들은 전원필터가 아니라 안정적인 전류 공급을 위한 전류 버퍼입니다.

한봉석 : 그리고 LC냐 RC냐 필터의 결정에 있어 정류관이냐 다이오드냐는 관계 없습니다. 정류관과 다이오드의 차이는 돌입전류 허용량과 전압강하율의 차이 뿐입니다. 그 이후에 필터의 동작은 다이오드와 정류관 모두 동일합니다. 그리고 자작의 취지라고 한 의미는 묵직한 그 무엇이 아닌 추구하는 리플의 정도라고 생각합니다. 일반 생산에서는 생산 단가를 고려하여 허용할 리플도 자작이라면 그 생산 단가에 크게 영향받지 않으므로 보다 깨끗한 전원을 투입하고자 하는 바램이지요.

김상동 : 1단 RC필터라면 그렇겠지만, 다단 RC필터를 쓰면 충분히 리플은 억제 할수 있다고 봅니다. 코일의 장점은 전력 소모소자가 아니라는 점입니다. 특성은 LC필터가 좋지만, 간단하고 저렴하게 꾸미기 위해 RC-RC 등으로 만드는 것이겠지요. 그리고, 모든 주파수에서 똑같은 임피던스보다는 고주파에 큰임피던스를 갖는 L이 전원부 잡음감소에도 매우 좋습니다. 재미있는것은 요즘 CPU전원부 회로를 잘보면 우리들이 쓰고 있는 아주 고전적인 LC회로가 있습니다. 물론 2단도 있고, 고급은 3단도 있지요. 여기에 RC-RC-RC하지 않은 이유는 다들 아시겠지요. 리플없이 원하는 큰전류를 공급하기 위한 디지탈 시대의 LC 필터 인것입니다.

[출처] 쵸크 트랜스란? | 작성자 달마

[관운]

쵸크 코일(트랜스)에 대해서 아는 바 없지만 진공관 오디오 제작에 있어서 많이 사용되어지고 있습니다. 파워트랜스에서 직류전원이 나오게 되는데 혹시나 교류전류가 타고 들어오는 경우를 방지하기 위해서 쵸크 코일을 사용한다고 합니다.