트랜스포머

트랜스포머(Transformer)는 전자기 유도 원리를 이용하여 전압을 변환하는 전기 기기입니다. 주로 교류 전력을 전송하는 데 사용되며, 입력 전압을 다른 전압으로 변환하여 출력합니다. 트랜스포머는 2개의 코일(1차 및 2차 코일)로 구성되어 있으며, 이 코일은 공통의 자기 코어에 감겨 있습니다. 전압 비율은 코일의 감김 수에 따라 결정되며, 이를 통해 전압을 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다. 트랜스포머는 전력 시스템, 오디오 장비 및 다양한 전자 기기에서 광범위하게 사용됩니다.

트랜스포머는 입력측과 출력측의 권선비에 따라 전압을 바꿀 수 있다.

$$\text{권선비} = \text{2차 권선수} : \text{1차 권선수} = \text{2차 전압} : \text{1차 전압}$$

• 승압 : 권선비가 1보다 큼, 전압을 높힘
• 강압 : 권선비가 1보다 작음, 전압을 낮춤

1차 권선 400회, 2차 권선 1200회, $120\,V$의 교류 전압을 1차 양단에 인가하면 2차 권선에 유도되는 전압의 크기는 $1200 : 400 = X : 120\,V$, $1200 / 400 = X / 120\,V$, $X=360\,V$ 로 승압.

위의 공식에 따르면, 정해진 권선비를 가진 트랜스포머로 감압 또는 승압을 했을 때, 입력과 출력의 힘(Watt)은 같아야 하므로¹⁾, 결론적으로 출력되는 전압이 승압, 감압 됨에 따라 임피던스도 변화하게 되며, 그 비율은 권선비에 따른다.

권선비가 $100:200$인 트랜스포머의 예시를 들면, 입력 교류 전압이 $100\,V$, 임피던스 $1000\,\Omega$²⁾일 때,

$$V = 100\,V \cdot \left(\frac{200}{100}\right), \quad V = 200\,V$$ 로 승압되며,

$$Z = 1000 \cdot \left(\frac{200}{100}\right)^2 = 4000\,\Omega$$ 의 출력 임피던스를 가진다.³⁾

즉 이 경우에는 승압과, 출력 임피던스의 상승⁴⁾이 같이 일어난다.⁵⁾

이러한 트랜스포머의 임피던스 변환 성질을 이용하여, DI와 같이 하이 임피던스 신호를 로우 임피던스 신호로 변환해주는 기기를 만들 수 있다.

어떤 프리앰프의 경우에는 입력단에 임피던스 변환 스위치가 달려있어서, 입력 임피던스를 높히면, 신호의 출력 임피던스를 줄이는 효과를 가져오는데, 이것은 사실 입력단에 장착된 트랜스포머 부품에 의한 감압 및 임피던스 저하에 해당한다.⁶⁾

트랜스포머는 신호를 복제하여 스플릿 할 수 있다.
이 기능으로 언밸런스 신호를 밸런스 신호로 변경하는데 사용된다.

트랜스포머는 차동 입력을 받아서 언밸런스 신호로 변경이 가능하다.

트랜스포머는 내부 기생 성분(인덕턴스, 정전용량 등)으로 인해 모든 주파수 대역을 무한히 통과시키지 못하며, 저음역(LF)과 고음역(HF)에서 감쇄가 발생하는 밴드패스 필터(Band-pass Filter) 특성을 보인다.

• 지배 요인: 1차 코일의 주 인덕턴스($L_p$, Primary Inductance)
• 특성: 주파수($f$)가 낮아질수록 코일의 유도 리액턴스($X_L = 2\pi f L_p$)가 감소한다. 이로 인해 입력 신호 중 자화 전류(Magnetizing Current) 손실이 커지면서 전압비($V_2/V_1$)가 떨어지고 저음역대 감쇄(Roll-off) 및 위상 변위가 발생한다.
• 개선: 저음 대역폭을 넓히려면 1차 인덕턴스($L_p$)를 크게 설계해야 한다. (권선수 증가 또는 높은 투자율의 코어 재질 사용)

• 지배 요인: 권선비($N_2/N_1$)
• 특성: 인덕티브 리액턴스가 충분히 크고, 고주파 기생 성분의 영향은 미미한 구간이다.주파수 변화에 영향을 받지 않고 전압비($V_2/V_1$)가 권선비에 비례하여 평탄(Flat)하게 유지되며, 위상 편차 역시 선형적이다.

• 지배 요인: 누설 인덕턴스($L_l$, Leakage Inductance) 및 권선 기생 용량($C_w$, Stray Capacitance)
• 특성: 주파수가 높아지면 1/2차 코일 사이에 완전히 결합되지 못한 누설 인덕턴스($L_l$)와 권선 간 정전용량($C_w$)이 결합하여 Low-pass Filter 회로를 형성한다.이로 인해 고주파 영역에서 신호 감쇄(Roll-off)가 가파르게 발생하며, 고주파 부근에서 링깅( 공전 현상)이나 급격한 위상 변화가 나타난다.
• 개선: 권선을 교차로 감는 인터리빙(Interleaving) 기법 등으로 누설 인덕턴스와 기생 용량을 최소화해야 고주파 대역폭이 확장된다.

트랜스포머는 신호를 왜곡 및 착색시키는데, 이는 코어의 물리적 특성으로 인해 신호에 THD(Total Harmonic Distortion)가 발생하기 때문이다.

트랜스포머의 1차 코일과 2차 코일은 전자기 유도 현상으로 신호를 전달한다. 이때 신호 파형이 왜곡되는 주원인은 자성체 코어의 비선형 B-H 자화 특성(Hysteresis)과 자화 전류(Magnetizing Current) 때문이다.

전류에 의해 형성되는 자계의 세기($H$)와 코어 내부의 자속밀도($B$)는 완벽한 직선 관계를 이루지 않으며, 신호의 극성이 바뀔 때 히스테리시스 루프를 형성한다. 이로 인해 코어를 자화시키는 과정에서 정현파(Sine Wave) 신호의 파형이 미세하게 찌그러지며, 주로 3차 고조파(3rd Harmonic)를 비롯한 정수배의 하모닉스 성분이 만들어지게 된다.

특히 저주파(베이스 영역)로 갈수록 코어를 자화시키는 데 더 많은 전류가 필요하므로 저음역대에서 THD가 크게 발생하는 특성을 갖는다.

일반적인 E-I 코어 트랜스포머와 달리, 도넛 모양의 원형 코어를 사용하는 트로이달 트랜스포머는 자기 회로에 끊어짐(Air Gap)이 없는 연속된 원형 구조를 가진다.

• 코어 전 둘레에 균일하게 권선이 감겨 있어 누설 자속(Stray Flux)이 극도로 적다.
• 외부 회로로 방출되는 전자기적 간섭(EMI 및 Hum)이 대폭 줄어들며, 효율과 주파수 응답 특성이 우수하다.

진공관 앰프의 출력단에 대형 트랜스포머가 필수적으로 사용되는 이유는 임피던스 매칭(Impedance Matching) 때문이다.

진공관(Plate)은 수 $\text{k}\Omega$ 단위의 매우 높은 출력 임피던스를 가지는 반면, 스피커는 $4 \sim 16\,\Omega$의 매우 낮은 임피던스를 갖는다. 따라서 권선비가 높은 강압 트랜스포머를 사용하여 고전압/저전류의 진공관 신호를 저전압/고전류 신호로 변환함으로써, 스피커로 효율적인 전력 전송이 이루어지도록 만든다.

트랜스포머 코어(Core)에 사용되는 자성체 재질이 니켈(Nickel/Permalloy)인지 스틸(Silicon Steel)인지에 따라서도 THD의 발생 정도와 형태가 달라진다. 이는 각 재질의 투자율(Magnetic Permeability, $\mu$) 및 포화 자속밀도($B_{sat}$) 차이에서 비롯된다.

• 높은 투자율과 완벽에 가까운 선형성: 니켈(80% 퍼몰로이 계열)은 스틸에 비해 초기 투자율이 매우 높아 아주 작은 신호(전류)에도 코어 내 자기도역이 즉각 정렬된다. 따라서 신호가 오가는 일반적인 동작 영역에서 자화 곡선(B-H Curve)이 거의 완벽한 직선을 이루며, 자화 전류 손실이 극도로 적어 일반 레벨에서의 저음역대 THD가 매우 낮고 투명한 음색을 보여준다.
• 낮은 포화 한계: 포화 자속밀도가 약 $0.6 \sim 0.8\text{ Tesla}$ 정도로 낮다. 따라서 일정 입력 레벨을 넘어서는 순간 자속이 더 이상 늘어나지 못하고 THD가 급격히 치솟는 디핑/클리핑 현상이 발생한다.
• 주요 용도: 원음의 변형을 최소화해야 하는 마이크 내부 트랜스, DI 박스, 하이파이 마이크 프리앰프의 입력단 등.

• 상대적으로 낮은 투자율: 스틸 코어는 투자율이 니켈보다 낮아 코어를 자화시키는 데 더 많은 자화 전류가 요구된다. 이 자화 과정 자체의 비선형성으로 인해 신호 파형에 미세한 왜곡이 유발되며, 주로 3차 고조파(3rd Harmonic) 중심의 THD(착색감)가 발생한다.
• 높은 포화 한계와 소프트 서츄레이션: 포화 자속밀도가 약 $1.5 \sim 2.0\text{ Tesla}$ 수준으로 니켈보다 2배 이상 높아서 큰 헤드룸을 확보할 수 있다. 또한 포화 지점에 다다를 때 곡선이 완만하게 꺾이므로, 큰 신호가 들어올 때 자연스러운 컴프레션 효과와 함께 따뜻한 서츄레이션(Soft Saturation)을 만들어낸다.
• 주요 용도: 큰 전원/신호를 다루는 아웃풋 트랜스포머, 빈티지 아웃보드 기기(Neve 1073 아웃풋 등)의 의도적인 아날로그 질감 형성 등.

트랜스포머의 특성치를 좋게 하기 위해서는, 사용되는 전선의 품질, 그리고 얇기 정도가 중요하다. 사람이 직접 수제작하는 경우가 많다. 따라서 높은 인건비가 들어가게 되어 상당히 비싼 부품이 되어버린다.

일반적인 트랜스포머도 제작이 어렵지만. THD 를 감소 시키기 위해 고리 형태를 가진 Troidal 트랜스포머의 경우는 더 제작 난이도가 높다.

그림 1: lundahl transformer

이러한 이유로 유사한 부품인 일렉트릭 기타나 일렉트릭 베이스의 픽업들도 수제품은 좋은 품질을 유지하면서, 상당히 고가인 경우가 많다.