토로이드 코어와 64:1 바룬

코어 및 64:1 바룬에 대해 설명합니다. 

설명 편의상 존칭은 생략 합니다.

 

이 글에서는 코어의 특성과 64:1 바룬의 와인딩 문제에 대해 설명한다. 

우리가 흔히 보는 코어는 덩어리로 보이지만 실제로는 아래와 같이 미세한 알갱이로 이루어져 있다.

 

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알갱이 사이는 일종의 공극을 형성하고 있으므로 이러한 고주파 코어의 작동방식은 "도란스" 라고 부르는 일반 철심코어와는 상이하게 다르다.  철심 코어는 아래와 같은 상황에서 잘 작동하겠지만 고주파용 코어는 자속이 누설 되어 제대로 작동하지 않는다. 

특히 RF 용 금속 분말 코어의 경우에는 거의 공심코어 수준으로 자속을 전달하지 않으므로 이런 류의 응용에는 적합하지 않다. (단일 권선의 인덕터 또는 초크 용으로만 주로 사용됨)

 

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이런 관계로 고주파용 토로이드 코어를 트랜스포머로 사용할 때는 상기와 같은 와인딩 방식을 사용하지 않으며 아래와 같이 필요한 만큼 권선을 겹쳐 감는 바이파일러, 트라이파일러, 쿼드파일러(또는 그 이상) 방식을 사용한다.

이 방식을 사용하지 않으면 자속의 누설이 증가하고 증가된 손실은 코어의 발열로 이어진다. 

간혹 노이즈 저감(흡수) 등의 목적으로 손실을 유발하는 일부 응용에서는 이러한 와인딩을 의도적으로 사용하기도 한다.

 

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코어의 특성을 이해했다면  9:1 바룬을 만들 때 아래와 같이 트라이파일러 감기를 사용하는 것도 이해가 될 것이다.

 

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이제 인터넷에 게시된 수많은 64:1 바룬의 사진을 본다. 

여기서 특히 중간을 띄우고 반대쪽에 감는건 도무지 이해가 안가는 와인딩이다.

 

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인터넷에서 활동하는 전문가 중에 가장 존경하는 VK1OD OM 의 64:1 트랜스포머 와인딩을 아래 보인다. 

이제 왜 이렇게 와인딩 하는지 알 수 있을 것이며 상세한 내용은 owenduffy.net 에서 확인하기 바란다.

 

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실제로 이게 잘 작동하는지 아래와 같이 테스트 해볼 수 있으며 이러한 측정 방식을 "Back To Back" 이라고 한다.

 

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최종 손실의 계산은 단순히 50% 로 나누면 정확하지 않다 

예컨데  100W 입력  -> 50(손실 50%) -> 25(손실 50%)  -> 25W 출력 이라 할 때  

손실된 75W 를 2 로 나누고 손실율 37.5% 로 단순 계산 할 수도 있겠지만 실제로는 50% 이다.

따라서 약간의 수학을 이용하여 아래와 같은 공식을 만들었다. 

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ex) 상기 측정치에서 계산 예

1 - 1/root(100/25) = 0.5   즉 50% 프로 손실

 

그 외 

1 - 1/root(100/100) = 0    0% 프로(손실 없음)

1 - 1/root(100/50) = 약 0.29   약 29% 프로 손실

1 - 1/root(100/10) = 약 0.68   약 68% 프로 손실

 

VK1OD 의 디자인을 기반으로 만들어진 실제 64:1 트랜스포머의 back to back 연결은 아래와 같은 모습이다. 

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측정된 FT240-43 코어의 64:1 임피던스 변환 효율을 아래 첨부한다. 

테스트 환경 : 100W 입력(50MHz 는 10W) 

기존 : 인터넷 디자인 기반으로 펼쳐 감은 형태 

밀착 : VK1OD 디자인을 기반으로 붙여서 감은 형태이지만 16T 위에 2T 를 겹쳐서 감음으로 누설 자속 최소화

 

※ 측정 조건의 차이로 측정치의 절대 값은 보장하지 않으나 턴수의 증감 및 와인딩 방식에 의한 효율 변화는

   분명한 사실이므로 본인 스스로 자신의 바룬을 검증해 보기 바란다.

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결 론 

1. 선택은 자유이며 누구나 자신의 디자인을 고집할 권리가 있다.

2. 손실은 코어의 발열로 이어진다. 상기 수치가 별 차이 없다고 생각할지 모르겠지만

   손실이 26.7 W 대 9.4W 라면 발열 비율은 약 3:1 이다. (즉, 코어 발열이 1/3 로 감소한다)

권선비 변경에 대한 필드 테스트를 장기간 진행하신 안성의 DS2MYN 오엠님께 감사를 전하며 실제 성능과 운용에 대한 노하우는 DS2MYN 오엠이 보유하고 있습니다.