트랜스포머(Transformer)

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  트랜스포머(Transformer)

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변압기(變壓器, 영어: transformer 트랜스포머)는 유도성 전기 전도체를 통해 두 개 이상의 회로 사이에서 전기 에너지를 전달하는 정적 유형(static: 고정형) 장치를 말한다. 처음 회로의 변화하는 전류는 변화하는 자기장을 만들어 낸다. 또, 이 자기장은 2차 회로에서 변화하는 전압을 유도한다. 2차 회로에 부하를 더함으로써 전압기에서 전류를 만들어 한 회로의 에너지를 다른 회로로 전달할 수 있다.

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트랜스라는 용어는 (전기) 트랜스포머((electrical) transformer)에서 비롯된 것이며, 도란스 혹은 토란스(トランス)는 일본어식 영어에서 온 낱말이다.


구글에서 'transformer'라고 키-워드를 집어넣고 써치를 하면 영화 '트랜스포머'에 나오는 로봇들만 잔뜩 나온다. 하지만 오늘 주제는 로봇이 아니라 전원장치에서 AC전압을 바꾸거나 전자회로에서 '신호'를 결합하거나, 특정 주파수의 신호만 거르는 '필터'로 사용되는 '트랜스포머'이야기이다. Electronics DIY를 하다 보면 ‘트랜스포머’를 사용해야 할 경우가 있는데 그럴 경우 ‘트랜스포머’에 대한 사전 이해가 필요하다.


‘트랜스포머’(우리말로는 간단히 ‘트랜스’라고 말하기도)가 제일 많이 사용되는 분야는 전원장치일 것이다. AC전력을 사용하는 분야에서는 아직도 ‘트랜스포머’이외에는 대안이 없기 때문인데, 110V를 사용하는 가정에서 220V 가전기기를 사용할 때나, 아니면 가전기기중에 외국에서 들여와 110V가 필요한 경우 220V 전원을 110V로 다운시키기 위해 사용되기도 하고 전원장치 이외에도 가정에서는 ‘인덕션 히터’나 요즘 뉴스에서 자주 거론되는 ‘무선 충전기’, 산업용으로는 철을 녹이는 ‘용광로’까지 알게 모르게 여러 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.


트랜스포머의 기본구성이나 동작원리는 사용분야나 용도에 관계없이 기본적으로는 전부 동일하고 단지 차이는 사용주파수나 규모(사이즈 와 용량)가 달라지면서 외관상 우리에게 익숙한 모습이 아닌 구조를 가지기도 하고 너무 작아서 겉으로 들어나지도 않고 반대로 너무 거대해서 잘 눈에 띄지 않는다는 것 뿐이다.


‘트랜스포머’ 의 종류
위 사진에서 보이는 것은 가장 흔히 볼 수 있는 전원 트랜스의 2가지 형태를 보여주고 있다. 왼쪽은 구형 아답터에서 쉽게 볼 수 있는 소형 전원트랜스포머이고 오른쪽은 고급 오디오 기기나 중형급 전원에 사용되는 ‘토로이덜’형태의 트랜스포머로 필자가 사용하고 있는 220V를 110V로 낮춰주는 ‘다운 트랜스’에도 사용되고 있다.


위 그림에서 왼쪽은 보통 ‘슬라이닥스’(slidacs)라고 부르는데 영어로는 ‘가변 트랜스포머’(Variable Transformer)라고 부르기도 한다. 오른쪽은 110볼트 220볼트 두 가지를 다 사용할 수 있는 ‘트랜스’이다. 국내에서는 220볼트를 110볼트로 낮추어 주는 ‘다운 트랜스’가 제일 보편적이다.


다음은 신호전달용 트랜스포머로 ‘임피던스 매칭’이나 신호를 결합시킬 때 많이 사용한다. 지금은 가정에서도 무선LAN이 일반화되어 있지만 예전에 유선LAN을 사용할 당시에는 컴퓨터에 ‘랜-카드’라는 것이 필요했었는데 랜-케이블을 연결하는 부위에 왼쪽 상단의 검은색 부품 같은 것이 있었다. 바로 LAN용 ‘펄스 트랜스포머’라는 것으로 신호대역폭이 넓은 LAN신호를 받아들이기 위해 그리고 회로‘매칭’및 회로분리(isolation)용도로 사용했었다. 그 내부를 보면 그 밑의 사진처럼 작은 ‘토로이덜’ 트랜스포머가 잔뜩 들어 있다. 다음 ‘아마추어 햄’들이 안테나 결합용으로 많이 사용하는 ‘바룬’(Balun)도 트랜스포머의 일종이고, 구형 아날로그 라디오에서 쉽게 볼 수 있었던 ‘IFT’라는 것도 트랜스포머이다. 이 밖에 주변에서 쉽게 볼 수는 없지만 무선통신기기에서 무선주파수 대역에서 신호결합용으로 ‘트랜스포머’를 사용하기도 한다.
위 사진은 주파수가 극한으로 높아져 ‘마이크로웨이브’(microwave) 대역이 되면 트랜스포머의 사이즈도 따라서 극한으로 작아지게 되어 IC내부에 ‘패턴’으로 구현되기도 한다.


요즘 뉴스를 보면 한창 스마트-폰 ‘무선 충전기’ 띄우기에 열중하는 듯 하다. 이런 건 처음이 아니고 작년에도 그랬고 재작년에도 그랬었다. 한때는 국내 잘나간다는 대기업 둘이서 서로 자기네 방식이 좋다고 싸우기도 했고 결과는 잘 안 팔리니까 좀 잠잠하다, 외국에서 본격적으로 마케팅을 하자(모든 무선충전기 규격은 외국에서 만든다) 또 국내 언론들 다시 띄우기에 동참한다. 마치 차세대 기술인양 말이다.
결론부터 얘기하면 무선충전기는 이미 오래 전부터 사용되었었다. 가장 좋은 예가 전동칫솔이다. 위 그림에서 보듯 스마트-폰의 무선충전기도 원리는 전동칫솔과 동일하다. 차이라면 코일을 필름처럼 얇게 만들어 공간도 없는 그 좁은 스마트 폰에 내장하다 보니 효율이 떨어지고(잘해야 70%- 이 말은 케이블로 직접 충전하는 거 보다 시간이 더 걸린다는 말이다. 그래서 꼼수로 일반 충전기보다 전류를 더 흘리게 만든다. 일반 케이블하고 차이가 없는 것처럼 광고하기 위해) 지불해야 하는 비용대비 효용성이 떨어져서였다. 무선충전기가 편리한 것은 사실이다. 매번 케이블을 연결하지 않아도 되니까. 하지만 항상 하는 얘기지만 ‘편리함’에는 대가가 따른다. 일단 사용하는 스마트-폰이 충전용 수신 코일을 내장하고 있어야 하고(최신 폰이라도 없는 폰이 많다. 필자 스마트-폰도 없다) 또 충전기를 따로 구입해야 한다. 그것도 비싼 가격을 지불하고, 그러니까 언론에서도 띄우기를 하고 ‘스타 벅스’같은 곳을 마케팅에 이용하는 거다. 기술의 승리라기 보다는 마케팅의 승리를 위해서. 반드시 필요해서라기 보다는 기업체들의 먹거리 싸움을 위해서. 그래서 얻는 편리함이란? 케이블을 연결하지 않는다는 거 하나다. 그거 불편해서 무선충전기를 사용한다? 글쎄다. 개인판단에 맡기겠다.


다음 일반 가정의 주방에서 가끔 볼 수 있는 ‘인덕션 히터’라는 조리기구 모습이다. 안전성(safety) 면에서 기존의 ‘가스렌지’나 ‘화덕’에 비해 안전하기 때문에 많이 사용하지만 도자기나 유리로 만들어진 조리기구는 사용하지 못한다는 단점과 ‘스테인레스’강철로 만들어진 조리기구도 잘 동작하지 못한다는 단점이 있다. 즉, 기존 주방을 완전히 대체하지는 못한다는 말이 되겠다. 인덕션 히터로 사용 가능한 조리기구인지 알아보는 방법은 자석을 이용해 자석이 붙으면 사용가능하고 붙지 않으면 적합하지 않은 것으로 보면 된다. 기존 ‘가스렌지’의 경우 효율이 40-55% 정도 되고 인덕션 히터는 효율이 65-70%정도 된다고 한다.


어쨌던 ‘인덕션 히터’의 내부를 보면 역시 트랜스포머의 1차측에 해당하는 코일이 보이고, ‘후라이팬’이나 금속 주방기구가 2차 측에 해당된다(자기장의 형태로 전력을 공급받는다는 측면에서). 보통 전원용 ‘트랜스포머’는 동작 시 열 발생을 최소화하기 위해 ‘페라이트’ 코어로 사용되는 철심도 겹겹이 쌓는 구조로 만들지만(손실을 줄이기 위해) ‘인덕션 히터’의 경우는 반대로 열 발생을 적극 이용한다. 1차 측에 해당하는 코일에 높은 주파수(보통 20~70 KHz)의 AC전류를 흘려주면, 가까이 있는 금속으로 되어 있는 후라이팬의 밑바닥에 ‘에디’전류(Eddy current)가 흐르고 후라이팬의 자체 저항성분이 열을 발생시켜(‘철’의 저항은 구리나 알루미늄보다 한 10배 정도 저항이 높다) 조리를 하는 원리이다. 기술적으로 설명할 때는 여기에다 덧붙여 자성체(투자율이 높은 물질- 철이 좋은 예)에서는 ‘히스테리 손실’(Hysteresis loss)이 발생하는데 역시 열로 손실된다 그러니까 ‘인덕션 히터’에서 열을 발생시키는 두 가지 원리는 ‘에디’전류와 ‘히스테리 손실’을 이용한다는 말 되겠다. 이때 ‘후라이팬’은 트랜스포머의 2차 측을 ‘쇼트’시킨 것과 같다.


마지막으로 ‘인덕션 히팅’(Induction heating)은 산업용 ‘용광로’로도 사용된다. 그렇다. 제철소와 같은 곳에서 금속을 녹이는데 사용하는 ‘용광로’말이다. 원리는 앞서 소개한 ‘인덕션 히터’와 동일하게 ‘고로’를 둘러싼 코일에 엄청난 AC전류를 흘려주면 속에 있는 고철들에 자체전류가 흐르면서 저항 열로 녹는 원리이다. 주방용 인덕션 히터와 다른 점은 단지 규모가 크고 전기 사용량이 크다는 것 뿐이다. 예전에는 제철소에서 연료를 태워서 금속을 녹였었지만 점점 ‘인덕션 히팅’으로 바뀌어 가고 있다고 한다. 일단 효율이 높고 (연료를 태워 녹이는 것 보다 상대적으로), 제어가 쉽고(전기로 조정하니까) 그 다음 환경조건을 아주 정밀하게 조정이 가능하기 때문이라고 하는데, 반대로 단점은? 엄청난 전기를 사용한다. 그러니 이런 용광로가 많이 필요한 산업이 커지면 원자력이나 화력발전소가 더 많아져야 한다는 말이다. 이렇듯 한 가지를 얻으면 반드시 무언가를 잃게 되어 있다. 마치 나방이 불빛만 보고 촛불로 날아들 듯 기술의 발전은 점점 세상을 불안하고 위험하게 만들어 가고 있다. 좁은 땅덩어리에서 원자력 화력 발전소가 많아진다는 것은 결코 안전한 것과는 거리가 머니까.


동작원리(Operational Principles)
트랜스포머의 동작원리는 현대의 전기 및 전자분야의 태동을 가져온 ‘패러데이 법칙’(Faraday’s Law)의 발견과 밀접한 관련이 있다. 만약 ‘패러데이’가 이 현상을 발견을 하지 못했더라면 아마 우리는 아직까지도 촛불을 켜고 살아야 했을 지도 모른다. 필자가 전자공학을 전공하면서 많은 과학자들의 이름을 알게 되었지만 그 중에서도 가장 영향력 있는 과학자를 뽑으라면 주저 없이 이 사람을 선택할 것이다. 필자 이분과 만나본 적도 없고 태어난 시대도 틀리지만 이분에 관한 이야기를 접할 때마다 존경하는 마음을 감출 수가 없다.


특히 Electronics DIYer들에게 ‘패러데이’는 거의 선구자적인 인물이다. 책 제본소의 보조로 일하다 제대로 된 고등교육은 받지도 못했지만 철저히 독학과 혼자만의 실험으로 물리학, 화학분야(벤젠을 발견)에 수많은 발견과 업적을 남겨, 나중에는 영국 왕립학술원의 교수까지 올랐으니 의심의 여지없는 입지전적인 인물이다. 가뜩이나 계층의식(귀족 과 평민사이의)이 심했던 당시의 영국에서 말이다. 자료에 의하면 이 분의 수학실력은 3각 함수를 이해할 정도의 수준일 뿐이었다고 한다.

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트랜스포머의 동작원리는 ‘패러데이’가 발견한 ‘자기결합’과 ‘자기유도’라는 현상에 기초하고 있다.
쉽게 말해 1차측에 AC전압을 걸면(발전소에서 오는 전기나 안테나를 통해 유기된 방송신호같은) 이 신호에 의해 발생한 ‘자기장’이 2차측 코일에 전압을 유기시킨다는 간단한 원리이고, 자기결합을 높이기 위해 자성체(철심이나 페라이트)를 사용하고 동작 주파수가 아주 높은 경우는 그냥 코어 없이 결합시키기도 한다. 이때 2차 측에 유기된 전압을 전원으로 이용하면(그만큼 전류도 많이 흐른다는 의미) 전원용, 신호만을 이용하면(전압, 전류의 크기가 아주 작다는 의미) 신호결합용 트랜스포머가 되는데 전원용 트랜스포머는 일단 크기부터 예사롭지 않게 크기 때문에 덩치만 보면 전원용인지 신호용인지 구분이 될 수 있다(예외: 진공관 앰프의 매칭 트랜스포머- 아래사진 참조). 전원으로 사용되려면 큰 전류도 견뎌야 하고 높은 전압도 견뎌야 하니까 어떻게 보면 당연한 결론이지만 이런 차이가 있을 뿐이다.
오디오 앰프에 사용되는 ‘매칭 트랜스’는 음성 주파수가 낮아 ‘매칭’에 필요한 권선수도 많이 필요하고(보통 수백 회 정도) 스피커를 구동하려면 전력도 어느 정도 견뎌야 하기 때문에 덩치가 커진다. 마치 전원트랜스처럼 말이다. 그래서 외관상으로 구분이 어려운 경우가 있다.
아래 그림은 회로도에서 사용하는 ‘트랜스포머’의 회로심볼의 종류를 보여주고 있다.
아래 그림은 이상적인 트랜스포머의 1차측 2차측의 관계를 설명하는 방정식을 보여주고 있다.
트랜스포머의 원리는 위 일러스트에 나온 것과 같이 3가지 관계만 기억하면 된다. 물론 실제 트랜스포머는 손실이 생기고 효율이 100%가 아니기 때문에 2차 측은 위 공식보다 줄어든 값이 나타나지만 일반적으로 이 3가지 공식은 언제나 성립한다고 보면 되겠다.
전기 및 전자회로에서 트랜스포머를 사용하는 목적은 크게 다음 3가지이다.
첫째: 전압 전류크기의 변환 (주파수는 그대로 유지한 채 전압을 높이거나 낮출 때 이때 전류는 반대가 된다. 즉, 전압이 높아지면 전류는 줄어든다는 말이다) 주로 전원용 트랜스포머가 이에 해당한다.
둘째: ‘임피던스 매칭’ (최대 전력전달을 위해- 주로 신호결합용으로 사용시)-안테나 매칭에 사용하는 ‘바룬’(Balun)이 좋은 예이고 그밖에 진공관을 사용한 오디오 앰프에서 단간매칭(interstage match)이나 출력매칭(output match)에 사용하는 트랜스포머가 또 다른 예이다.
셋째: 전기적으로 두 회로간 분리(DC isolation이라고 함)을 위해, 전원용에서 1차측에 연결되는 AC전원과 2차측에서 정류를 하는 회로간에 전기적으로 격리를 시키기 위해서도 사용하고, 신호결합용 전자회로에서도 임피던스 매칭과 회로격리 두 가지 목적으로 사용할 수도 있다.

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