실험 2 : 변환 비율(Transformer Ratio)

【 이론 】

교류의 특징은 변압기(Transformer)에 의해 간단히 전압을 변환 시킬 수 있다는 이점이 있다. 그런 반면에 직류는 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 그러나 직류는 충전을 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 여기서 교류라 함은 50cycle 또는 60cycle의 전력선 교류뿐만 아니라 음성 주파수 또는 전파까지도 포함된 일반 범위의 주파수를 갖는 전류를 의미한다. 이러한 교류 전압을 승압 또는 강압하는 데에는 교류 주파수의 범위에 따라 변압기(트랜스)의 재질이나 제작형태등이 아주 다양해진다. 이를 크게 분류하면 다음과 같다.

⊙ RF Transformer 수십 kHz - 수백 MHz에 사용

⊙ Pulse Transformer 수십 kHz - 수백 kHz에 사용

⊙ AF Transformer 수십 Hz - 수십 kHz에 사용

⊙ Power Transformer 50Hz - 60Hz에 사용

여기서는 수십 Hz - 수십 kHz 범위의 AF 및 Power Transformer에 대하여 설명한다. 일반적으로 이러한 AF 주파수의 변압기들은 대개 철심을 사용하며 철심은 그림 4-4에서 보는 바와같이 1차측의 교류전류에 의하여 발생된 자력선이 2차측의 코일에 같은 주파수의 교류전류를 발생시키도록 자력선의 자로를 만들어 준다. 이는 철심의 종류에 따라 그 효율과 부피에 차이를 갖게 된다.



변압기의 1차 코일과 2차 코일 사이에는 다음과 같은 식이 성립된다.

 

E_s over E_p = N_s over N_p

 

여기서

E_p

 
는 1차 코일에 가해진 전압,

N_p

 
는 1차 코일에 감은 Turn 수,

E_s

 
는 2차 코일에 나타나는 전압,

N_s

 
는 2차 Coil에 감은 Turn 수를 나타낸다. 또한 변압기는 2차에서 사용하는 출력전력

(P_o )

 
과 이를 위한 1차의 입력전력

(P_i )

 
이 같다고 할 때 이 변압기의 효율은 100%라고 하며 다음과 같은 식이 성립된다.

 

E_p CDOT I_p = E_s CDOT I_s

 

여기서 1차 코일에 흐르는 전류를

I_p

 
, 2차 코일에 흐르는 전류를

I_s

 
로 표현한다. 실제의 변압기의 효율은 대개 85-95%이며 효율은 다음식으로 나타낸다.

 

eta ={E_s CDOT I_s} over {E_p CDOT I_p} TIMES 100 = P_o over P_i TIMES 100%

 

예를 들어 변압기의 1차 코일의 Turn수가 500회이고 2차 코일 Turn수는 600인 변압기의 1차에 정격 입력전압이 100V이었다면 2차 전압

E_s

 
는 다음과 같다.

 

E_s = {N_s CDOT E_p } over N_p = {600 TIMES 100V} over 500 = 120V

 

이때 1차 코일에 흐르는 전류가 1A이고 2차 코일에 흐른 전류가 0.8A이었다면 이 변압기의 효율은 다음과 같다.

 

{120V CDOT 0.8A } over {100V CDOT 1A} TIMES 100 = 96%

 

변압기의 입력전압이 같을 경우 코일의 감은 Turn수는 철심의 단면적과 입력전압의 주파수에 반비례하고 출력전압에는 비례하며 다음식에 의해 1차의 Turn 수

N_p

 
를 구할 수 있다.

 

N_p = {E_p TIMES 10^4} over {4.4B_m A_c f}

 

여기서

E_p

 
는 입력전압(V)을,

B_m

 
은 자속밀도(tesla)를,

A_c

 
는 Core 단면적

(cm^2 )

 
을,

f~

 
는 입력전압의 주파수 (Hz)를 나타낸다.