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파워 서플라이

음향분야에서 사용되는 진공관 마이크나 프리앰프와 같은 장치는 매우 큰 직류전압이 필요한 경우가 많이 있기 때문에 파워 서플라이의 설계가 매우 중요해진다.

파워서플라이의 품질의 제일 중요한 요소는 정확한 DC 전압이 일정하게 잘 나오는지 안나오는지가 최고의 척도라고 볼 수 있다. 이런 측면에서 볼 때, 낮은 직류 출력만 정전압이 가능한 리니어 파워 서플라이는 한계가 명확하여 점차 크기도 작고 효율이 좋은 SMPS 로 바뀌어가는 추세이다.1)

리니어 파워 서플라이

Linear Power Supply

감압

220V 의 교류를 받아서 트랜스포머를 이용해 감압한다. 트랜스포머가 무게가 높은 편이라, 파워 서플라이의 무게가 무겁게 되는 편이다.

정류

감압한 교류를 다시 다이오드를 이용한 정류 회로로 정류한다.

우리나라의 220V 교류 전기는 실질적인 교류 전압이 있는 라이브선과 전압이 없는 중성선으로 이루어져 있지만, 위와 같은 정류회로를 살펴보면 어느 선이 라이브선인지 중성선인지 관계없이 동작한다는 것을 알 수 있다.

리플 제거

정류된 전기를 볼티지 레귤레이터로 Ripple을 제거한다.

정전압 레귤레이터

정전압 파워 서플라이, Constant Voltage Power Supply

회로의 마지막 DC 출력 부에 정전압을 유지 시켜주는 정전압 레귤레이터가 내장될 수 있다.

정전압 레귤레이터가 내장된 파워 서플라이는 “정전압 파워 서플라이”, 어댑터의 경우는 “정전압 어댑터” 등으로 구분해서 부르기도 한다. 2)

정전압 레귤레이터가 없는 일반 리니어 파워 서플라이의 경우는 출력되는 DC 전압이 입력되는 전압에 대해 비례하여 변동되기 때문에, 이러한 일반 리니어 파워 서플라이의 사용에서는 입력 전압의 오차를 조정하여 일정한 전압으로 바꿔주는 AVR의 사용이 중요하다.

하지만, 보통 큰 DC 출력을 내야 하는 경우에는 해당하는 큰 용량의 정전압 레귤레이터 설계가 어렵기 때문에 정전압 레귤레이터가 없는 일반 리니어 파워 서플라이를 사용하게 된다. 대부분의 정전압 레귤레이터들은 대부분 출력이 12V, 5V 등으로 낮은 직류 전압 출력 용도이다. 따라서, High Plate Voltage 등을 사용하는 진공관 앰프, 진공관 프리앰프, 진공관 기타 앰프의 파워 서플라이에는 정전압 레귤레이터가 없는 경우가 많고, 그렇기 때문에 AVR의 사용이 더욱더 중요해진다. 3)4)

SMPS

Switching Mode Power Supply, 스위칭 모드 파워 서플라이

스위칭 속도 제어를 통해 입력 교류 전압 : 출력 직류 전압의 조절이 용이한 파워 서플라이 방식.

SMPS를 사용한 제품의 경우 인입 전압이 100V~250V 또는 Free Volt 등으로 표기 되어 있다. 즉 입력 전압의 폭이 넓다.5)
또한 출력 되는 DC 직류 전압도 정전압으로 나오게 된다. 파워 서플라이 중간에 위치한 스위칭 속도 제어를 통해서 입출력 전압을 제어 하기 때문이다. 따라서 AVR을 따로 사용할 필요가 없다.

효율이 매우 좋다. 하지만, 회로가 매우 복잡해진다.

빠르게 스위칭을 하는 회로가 있기 때문에, 이 스위칭으로부터 발생하는 실제 스위칭 노이즈나, 전기적 노이즈 등이 이 파워 서플라이를 사용하는 음향기기의 신호 회로로 유입될 가능성이 있기 때문에, 노이즈를 차폐하거나 제거하거나, 억제하는 기술 등이 추가로 꼭 필요하다.

음향기기에서 가끔 띠~ 하는 고주파 노이즈는 이러한 SMPS 에서 발생하는 스위칭 노이즈가 실제 신호 경로6)를 타고 들어와서 생기는 현상이다. 이러한 고주파 노이즈는 보통 접지에 관한 문제로 접지가 제대로 되어있다면 발생하지 않는다. 그라운드 루프에 의해 생기는 경우도 있는데, 이경우 그라운드 루프를 생성하는 기기를 그라운드 리프트를(접지 끊음) 하여 해결할 수 있다.

정전압 파워 서플라이와는 달리 출력되는 직류 전압을 정전압으로 매우 크게 만드는 것도 가능하기 때문에, 최근에는 High Plate Voltage가 필요한 풀진공관 음향기기에도 SMPS로 파워 서플라이를 설계하는 경우가 더러 있다.7)

정류

입력된 교류를 바로 정류 하여 고전압의 직류로 만든다.

우리나라의 220V 교류 전기는 실질적인 교류 전압이 있는 라이브선과 교류 전압이 없는 중성선으로 이루어져 있지만, 정류회로는 어느 선이 라이브선인지 중성선인지 관계없이 동작한다.

스위칭

고전압의 직류를 고속으로 스위칭 하여 사각파 형태의 교류로 변환한다. 출력되는 DC 전압을 제어회로에 피드백하여 출력 DC 가 정확히 나오도록 스위칭 속도를 제어하게 된다.

감압

사각파 형태의 교류를 감압하여 저전압의 사각파 형태의 교류로 만든다.

직류를 스위칭하여 사각파로 변환시킨 이유가 바로 이것 때문이다. 트랜스포머는 교류에 대해서 작동하지만, 직류에 대해서는 작동하지 않는다. 따라서 일종의 교류인 사각파로 먼저 변환해야 트랜스포머를 통해 감압할 수 있게 된다.8)

SMPS에서의 감압 과정에서는 목표 출력 DC 전압에 맞춰 감압하는 것이 목표가 아니기 때문에 그냥 일정 비율로 감압하게 된다.

정류

감압된 사각파를 정류하여 목표하는 직류로 만든다.

목표하는 전압과 다른 전압이 나올 경우 센서가 측정하여 다시 스위칭 회로로 피드백 하여 스위칭 속도를 조절하게 된다.

SMPS는 마지막의 정류 회로를 통해 정전압 레귤레이터의 기능을 하게 되므로, 따로 정전압 레귤레이터를 사용할 필요가 없다. 높은 정전압 직류도 얻는 것도 가능하다.9)

1)
스위칭 회로에 의한 고주파 노이즈는 음향기기용으로 쓰이는 SMPS의 경우는 대부분 차폐된다.
2)
SMPS 도 정전압 파워 서플라이다.
3)
심지어 주변 온도, 습도에 따라서도 출력 전압이 차이가 날 수도 있다.
4)
진공관 프리 앰프에서 사용되는 플레이트 전압은 12V(12AX7) 정도 되지만, 진공관 파워앰프에서 사용되는 플레이트 전압은 200~300V(6V6), 500V(6L6) 정도 된다.
5)
덕분에 전자제품 직구가 편해졌다.
6)
케이블이나 제품 근처에서 인입
7)
https://www.manley.com/manley-power
8)
변압기 코일에 DC 전압을 가하면 실제로 어떤 일이 일어날까요? 변압기의 1차 권선에 DC 전압이 인가되면 낮은 저항으로 인해 권선이 DC 소스의 단자를 가로지르는 단락 회로 역할을 하여 권선을 통해 많은 전류가 흐르게 되어 권선이 과열됩니다. 결국 소스 또는 권선이 손상됩니다. 권선에 대한 전류의 영향은 적용된 DC 전압, 변압기 정격, 권선 저항 및 DC 소스의 강력한 정도에 따라 달라집니다. “50KVA 변압기에 5Vdc를 가하면 아무 일도 일어나지 않는다!” DC 전압을 가했을 때 변압기 2차측에서 전압을 얻을 수 있습니까? 아니요, 2차측에는 출력이 없습니다. 그러나 초기 전류 돌입으로 인해 갑작스러운 스파이크가 기록될 수 있으며 이후에는 아무것도 기록되지 않습니다.
9)
정전압 레귤레이터는 집적회로를 사용하기 때문에 큰 직류 전압을 만들기에 적합하지 않다.