총성없는 미국 내전

 

이 제작기를 써 보겠다는 생각은 꽤 되었다.  그렇지만 총체적 부정선거가 난무한, 11월 3일 의 미국 대선이후 너무도 마음을 추수릴 수가 없어 차일 피일 미루어 왔고 지금도 이런 글을 쓸 마음이 아니다.  지금 미국 대선은 누가 차기 대통령이 되느냐의 문제가 아니다.  그 향방에 세계 인류 전체의 운명이 걸려 있다는 것을 나는 느낀다.  좁은 의미에서 지금의 미국 상황은 선거를 틈탄 친중 글로발리스트 기득권자들의 구테타다.  선거의 투,개표가 정상적으로 이루어 졌다면 트럼프가 538명의 선거인단에서 거의 410표를 받는 압승이었다.  그러나 이런 문제보다 내 마음을 상하게 하는 것은 거짓이 진실을 이기는 상황을 겪게될 수 있다는 가능성 때문이다.  제발 그런일이 미국에서 발생하지 않기를 바라는 마음이 간절하다.  현재 미국에서는 총성없는 내전이 진행중이다. 이런 상황에서 그나마 마음을 다잡고 이 실험기를 쓴다.

 

왜 하이엔드 오디오는 SMPS를 외면할까?

 

얼마전 845 싱글 암프를 제작하면서 느낀 바가 있었다.  전원부가 너무 많은 공간과 무게를 차지한다는 점이다.  물론 SMPS 로 전원부를 교체한다면 이를 대폭 개선할 수 있지만 현재까지도 많은 오디오 제작자들은 이를 꺼려왔다.  그래서 필자도 이에 대해 큰 관심을 두지않고 가지고 있는 부품들을 활용하여 845 싱글 암프를 제작했었다.

 

그런데 필자는 왜 오디오에서는SMPS는 안되는가를 정확히 이해하지 못하고 있다.  특히 문제로 삼고 있는 부분이  고주파 노이스인 모양인데  현대의 SMPS는 노이스가 있더라도 이는 가청주파수 밖에 있다.  실상 년전에 강기동 박사께서 6LW6 싱글 암프에 적용할 수 있는 SMPS를 보내주신적이 있어 시험해 보았는데 음질이 어딘가 모르게 마음에 걸리는 부분이 있긴 했지만 딱히 꼬집어서 지적할 수는 없었다.  그러나 이 경우 암프는 정말 조용했었다.  암프가 너무 조용해서 귀를 스피커 그릴에 바짝 대고 들어도 어무 소리도 들리지 않을 정도였다.  강박사님의 SMPS는 resonance 스타일이 아닌 하드스위칭 방식이었다.  이 문제에 대한 확실한 대답을 찾지 못한다면 해결책은 실제로 만들어서 실험을 해 보는 방법일 것이다.

 

필자는 2년여 전에 한국에서 있었던 강박사님 출판 기념화 참석차 한국을 방문했다가 이 사이트의 운영자이신 금동님이 소개하는 장사동 가게에서 SMPS에 사용할 생각으로 리츠선 2가지를 구입해 왔었다.  당시 두 종류의 코아도 같이 구입해 왔었는데 그 동안 다른일로 바빠서 이들은 내 장크박스속에 쳐 박혀 있었다.  그러다가 앞서 언급한 대로 845 싱글을 다시 조립하는 과정에서 전원부가 너무 부피가 크고 무거워서 SMPS를 만들어 볼 생각을 하게 되었다.  일단 스위칭 손실과 노이스가 현저하게 감소한다는 resonance 타입의 SMPS를 시도해 보기로 마음을 정했다.

 

Half Bridge LLC Resonant type SMPS

 

나는 2년도 전에 페어챠일드의 FSFR2100 몇개를 구입해 둔것이 있어 이 칩을 사용하였다.  여기서 이 SMPS의 동작에 대한 설명이나 설계 과정은 페어챠일드의 Application Note AN-4151에 자세히 나와 있으니  더 이상의 논의는 생략한다.  이 노트는 페어챠일드의 최항석 박사가 작성한 것인데 아마도 그의 박사학위 논문 중 일부인 것 같다.  

 

일단 나의 목표는845 싱글에 적용할 수 있는 고압 전원을 만드는 것이다.  즉 출력전압 1000V에 출력전류 150mA가 목표다.  이정도 전류용량이라면 845 싱글 스테레오의 출력관 전압 공급원으로 충분하다.  

 

회로는AN-4151에 보여준 응용사례를 그대로 적용하였다.  다만 거기서는 출력전압이 24V, 출력 전류 8A로 이 부분은 나의 목표에 맞도록 변경하였다.  그리고 일단 PFC회로는 생략하였다.  이는 추후에 필요하다면 덧붙일 생각이다.

 

Resonance SMPS는 메인 트랜스의 누설 인닥탄스를 공진회로의 일부로 사용하기 때문에 이 트랜스 제작이 관건이다. 그런데 실제로 구입한 코아와 리츠선으로 트랜스를 제작해 보니 요구되는 누설 인닥탄스를 얻는게 생각 같이 쉽지가 않다는 것을 알게 되었다.  우리가 출력트랜스를 제작할 때는 이 누설인닥탄스를 될 수록 줄이는게 관건이었는데 여기서는 완전히 반대인 것이다.

 

AN-4151에는 24V용으로 설계된 트랜스의 제작요령이 기술되어 있는데 이 경우는 입력전압에 비해 출력 전압이 현저히 낮기 때문에 2차에 요구되는 권선의 권수가 작다.  이게 상당한 누설인닥탄스를 실현시키는데 도움이 된다.  이는 누설인닥탄스는  2차를 쇼트시킨 상태에서 1차 인닥탄스를 잰 값이기 때문에 2차 권수가 작으면 아무래도 자력선의 누설이 커질 것이라는 직감과 일치한다.  따라서 1차와 2차 코일간의 간격을 약간만 띄어주면 요구되는 누설인닥탄스가 나온다.  그러나 나의 경우 입력에 비해 출력전압이 현저히 크기 때문에 2차 권선의 권수가 1차 권선의 권수보다 현저히 크다.  이런 경우는 누설인닥탄스를 증가시키려면 1차코일과 2차코일의 간격을 아주 크게해야 한다.

 

내가 사용한 코아는 코아 단면의 직경이14mm정도이고 권선 창의 길이가 26mm 정도이다.  나는 이 26mm의 권선창을 3등분하고 한쪽 끝에는 1차코일, 다른 쪽 끝에는 2차 코일, 중간부분은 공간으로 남겨두었다. (사진 참조)  나의 경우 요구되는 누설인닥탄스는 계산 상 대략 112uH 정도인데 이런 정도의 권선간간격으로 상당히 비슷한 누설인닥탄스가 실현되었다.  그리고 실제 필요한 1차 인닥탄스는 코아의 갭을 조절하여 얻게되는데 누설인닥탄스는 코아의 갭의 크기의 변화에 별로 민감하지 않다.  여기서 1차는0.1X50, 2차는 0.07X24의 리츠 코일을 사용하였고 1차 30회, 2차 167회를 감아주었다.

 

전체 회로도는 보인 바와 같은데 특별한 것은 없다.  다만 고압용 정류기가 100K Hz 정도의 높은 주파수와 고압을 정류해야하는 만큼 염려를 했었지만 실리콘 카바이드 정류기 Cree C4DO2120, 1200V/2A,  8개를 사용한 부릿지 정류기는 별 탈 없이 동작하였다.

 

동작실험

 

임시 배선과 조립이 끝난 후 동작시험을 해 보았다.  일단 필터 커패시터는 1uF , 630V필름 캪 4개를 1uF 1200V로 직병렬 연결하여 사용하고 부하저항으로 10 KOhm, 100W저항을 연결하였다.  출력전압이 1000V가 넘게 나온다.  대략 1,100V는 되는 것 같다.  여기에  다시 전해 콘 390 uF, 400V 3개를 직열로 하여 130uF 1200V호 만들어 부하와 함께 연결해 주었다.  전압을 측정한 결과 출력이 780V로 대폭 감소하였다.

 

Resonant SMPS는 부하의 특성에 예민할 수가 있다.  현재 상태로 이 전원부가 잘 튜닝이 된 상태가 아니기 때문에 부하 특성의 변화에 따라 회로가 제대로 반응하지 못하는 모양이다.  휠터 캪을 증가시켜 주었을 때 전압강하는 이 때문에 생기는 것 같다. 

따라서 콘트롤 부분의 저항치들을 조절하여 튜닝을 시도해 보려 했으나 임시 배선이 너무 엉성해서 회로 어디에선가 쇼트가 나는 바람에 콘트롤러 칩이 죽어버렸다.

 

이렇게 엉성한 배선을 가지고는 더 이상 실험이 불가능하다는 생각이 든다.  이 시점에서 정식으로 PCB를 주문해서 전체 회로를 제대로 조립해야 하겠다고 생각하였다.  PCB는 회로에 점선으로 표시한 부분만 만들면 되니까 130X40 mm의 크기면 된다.  회로의 나머지 부분은 쉽사리 하드와이어링이 가능하다.   여기서 회원 어러분과 공동제작을 제안한다.  이 회로로 50여장의 PCB를 혹은 그 이상의 PCB를 공동주문하기를 제안한다.  나는 대략 30장 정도를 부담할 용의가 있다.

12/4/2020, KYJ