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변압기의 역사

코일의 상호 인덕턴스에 의해 동작하는 변압기 역사의 시작은 인덕터의 전자 유도 현상과 전자 유도 법칙을 발판으로 유도 코일의 발견괴 철심의 와전류에 대한 문제 등을 개선이 이루어졌고 20세기에 들어와 미국의 스탠리가 변압기를 발명하였습니다. 그는 모든 전기 회로는 역학에서 작용과 반작용의 관계와 유사하게 한 회로에 기전력이 존재하면 반드시 역기전력이 발생하여 평형을 유지하고 이러한 역기전력은 자석의 교번에 의해 만들어진다고 했습니다. 스탠리는 엷은 절연지로서 철판을 전연 성충하여 여러 변압기를 만들어 교류 배전에 이용하였고 이것이 교류 배전 방식의 시초가 되었습니다 그러나 스탠리가 사용한 철심은 성질이 열화됨에 따라 서서히 철손이 증가하는 단점을 가졌고 영국의 하드필드는 이러한 문제점을 개선하기 위해 규소강판을 이용하였고 독일의 굼리치는 규소강판의 공업적인 양산을 이룩하였습니다.

변압기를 트랜스포머라고 합니다.동작의 기본 원리는 상호 인덕턴스에 의한 상호 유도 작용입니다. 상호 유도 작용은 두개의 코일이 서로 가까이 놓여 있을때 일어납니다. 실제로 간단한 변압기는 두개의 코일로 만들어지며 이러한 두 개의 코일은 코일 사이에 존재하는 상호 인덕턴스에 의해 자기적으로 결합하게 됩니다. 두개의 코일은 전기적 접촉 없이 자기적으로만 결합되기 때문에 전기적으로는 완전히 분리된상태에서 한 코일에서부터 다른 코일로 에너지를 전달할수있게됩니다. 이렇게 전기적 절연상태에서의 에너지 전달은 많은 장점을 가지고있습니다.  상호유도 작용은 두개의 코일이 서로 가까이 놓이게 될 경우 한 코일에 흐르는 전류가 시간에 따라 변화하게 되면 역시 시간에 따라 변하는 전계와 자계가 발생합니다.  이렇게 전계와 자계는 다른 코일에 유도 전압을 일으키며 이를 코일의 상호 유도 작용이라고 하고 이러한 작용은 코일 사이의 상호 인덕턴스에 의해서 일어납니다. 

위 이미지를 보면 두개의 코일 중에서 전원이 연결되는 쪽의 코일을 1차 권선이라하고 부하Vind가 연결된 다른쪽을 2차 권이라고 부릅니다.변압기는 두 권선이 한개의 코어에 감겨 있는것이 일반적이며 코일을 감는 방법에는 여러가지가 있습니다. 코어에는 공기코어 철코어 페트라이 코어가 있습니다. 공기 코어는 비자성체로 만들어진 원통에 1차 권선과 2차권선을 감은 것으로 두 권선을 서로 분리하여 감거나 겹쳐서 감기도 합니다. 이때 겹쳐서 감겨진 코일의 결합 계수가 분리한 경우보다 크고 상호 인덕턴스도 커집니다. 그리고 철이나 페트라이트 코어나 철를 이용한 변압기는 결합 계수가 더욱 증가합니다. 고주파 회로에서 주로 사용하는 공심 변압기나 페트라이트 변압기는 코어의 바깥에 절연판을 대고 절연판 위에 코일을 감아 만들게 됩니다. 철심 변압기는 가청 주파수 신호를 주로 다루는 회로나 전원 회로 등에 사용되고 강자성체로 만들어진 얇은 판을 여러개 겹쳐서 코어를 구성하고 이것에 코일을 감아서 만듭니다. 이러한 구조로 하면 자속이 코어를 통하여 형성되며 두 코일 사이에 자속의 결합량이 증가하게 됩니다.

변압기에서 중요한 요소 중의 하나가 권선비(n)입니다. 권선비 식은 n=Ns/Np 입니다. Ns는 2차 권선의 감은 횟수고 Np는 1차 권선의 감은 횟수입니다. 권선비 이외에 변압기에 영향을 주는 중요한 요소가 코어에 감겨지는 권선의 방향입니다. 위 이미지는 변압기 권선의 방향에 따라 권선의 양단에 나타나는 전압의 위상을 보여주고 있습니다. 1차와 2차 권선의 양단에 전압의 극성을 알 수 있도록 권선에 위상점을 표기 하고 있습니다. 

승압변압기는 2차 전압의 크기가 1차 전압보다 높은 변압기를 말하고 이와 같은 전압의 증가는 권선비의 조정으로 이루어집니다. 즉 2차 전압과 1차 전압비는 2차 권선의 권선수와 1차 권선의 권선수와의 권선비와 동일합니다. 위 이미지를 예를들어 변압기의 1차측 권선수는 300회,2차측 권선비는 600회라고하면 권선비식n=Ns/Np에 의해서 권선비는1:2가 됩니다. 그럼 1차측전원이 120v라고 했을때 2차측은 240v가 됩니다. 그리고 감압변압기는 교류 전압의 크기를 감소시키는 것으로 2차 전압의 크기가 1차 전압의 크기보다 작은 변압기를 의미합니다. 물론 2차 전압의 크기는 권선비에 의 결정되고 감압 변압기의 전압을 얻기 위한 식은 n=Ns/Np 랑 같습니다. 예를 들어 1차측권선수를 200회로하고 2차측 권선수를 50회로 한다면 1/4가 나오는데 1차측 입력전원이120v닌까 이것을 나누면 30v가 나옵니다.

펄스트랜스는 수10khz 이상 고주파가 나옵니다. 코일 감이가 저주파용 트랜스보다 매우 적게되고 가벼워지며 주파수를 높게하면 더 작고 가벼운 크기로도 큰 전류를 흘릴수있습니다.

펄스트랜스는 코어가 기준이 되어 형상 및 코일감이 전력등이 결정되고 형태에 따라서 EP,EIEE CORE등으로 분류됩니다.

SMPS에 사용되는 트랜스는 용도 및 규격에 따라서 다양한 형태가 있어 일일이 나열할수는 없으나 기본적 유형에서 크게 벗어나지 않습니다. 위 이미지는 일반SMPS에서 볼수 있는 공통적인 유형의 규격들입니다.펄스트랜스의 구동 방식에서 포워드 컨버트 방식인 경우 스위칭 주파수를 1/2로하면 출력은 약 20%로 감소하고 반대로 주파수를 2배로하면 출력은 약20%로 증가됩니다. 즉 50KHz로 구동되는 SMPS가 있을때 스위칭 주파수를 1/2로 하여 25KHz로 낮추면 출력은 20% 감소하고 스위칭 주파수를 2배로 올려서 100KHz로 했을때는 출력이 20%로 이상 증가됩니다. 이경우 출력이 5A인SMPS라면 스위칭 주파수를 2배 올리는것만으로 6A의 전류증강 효과를 얻을 수있게됩니다. 단 주파수를 높이게 되면 펄스트랜스를 소형으로 할수 있으나 컨트롤이 어렵게 됩니다.

펄스 트랜스는 포워드 방식은 한쪽방향으로 코일을 감는거고 플라이백 방식은 서로 반대방향으로 코일을 감는것이 되겠습니다.트랜스에 갭을 넣고 인덕턴스를 조정하여 사용하는 경우가 많습니다.포워드 방식에 권수비를 줄일 수 있으므로 고압일 때 편리합니다. TR-ON일때 트랜스에 에너지를 축적하고 TR-OFF일때 출력합니다. 펄스 트랜스는 코일 권수가 수십회 이내인 경우가 대부분이므로 코일의 저항값을 측정하여 회로 결선을 알아내기는 쉽지 않으나 트랜스의 공통 유형을 알고 있다면 미묘한 차이의 저항값이라고 하더라도 구분이 가능합니다. 또는 1차 권선에 펄스를 입력하여 2차 코일에 유도되는 전압과 전류를 측정 비교하면 어느 단자에 부하가 연결되는지를 파악 할수있습니다.코일이 감겨있는 부품들중에 인덕터라는 드럼타입 인덕터는 수W의 소출력을 내는 휴대폰 충전기회로등에서 자주 볼수있는데 이것은 고주파 필터용 초크코일이며 수100mA이네의 전류에서 사용합니다.

그리고 코일이 감겨있는 초크코일이라는 부품이 있습니다. 이것은 입력전류의 피크값을 내리고 입력 콘덴서의 리플전류를 내립니다. 스위칭트랜지스터의 콜렉터 피크값을 내리고 스위칭 트랜지스터의 손실을 줄입니다. 펄스 트랜스 및 다이오드의 실효전류를 내립니다. 경부하시 부하 변동을 작게 합니다. 인덕턴스가 작은 초크 코일은 스위칭 트랜지스터의 동작에 무리를 줄 수 있으므로 사용시 주의가 필요합니다. 그리고 노이즈필터코일이라는 전자부품도 있습니다.

코일이 교류에 대해 큰 저항분(리액턴스)을 갖는 것을 이용하여 교류분이나 고주파성분의 저지를 위해 사용하며 콘덴서와 조합하여 회로가 구성됩니다.