트랜스포머란? 이상적인 트랜스포머에 대하여

이번 글에서는 이상적인 트랜스포머(Transformer)에 대해 알아보겠습니다. 

 

1)  트랜스포머의 4가지 특징

 

1. 절연이 가능합니다.

 

1차 측과 2차 측을 절연하여 접지를 분리 합니다. 필요에 따라 3차 측까지 나누어 사용하기도 합니다. 이번 글에서는 1차 측과 2차 측을 나눈 것이라 가정하고 설명하겠습니다. 절연 특성은 안정상의 이유로 꼭 필요합니다.

 

2. 턴 수 비를 조절하여 승압 및 강압이 가능합니다.

 

트랜스포머 제작 시 코어에 감는 동선의 수를 조절할 수 있습니다. 이를 통해 전압을 더 높게 승압하는 것은 물론 전압을 더 낮게 강압할 수 있습니다. DC-DC 변환 목적이 DC 전압을 다른 크기의 DC 전압으로 변환하는 것입니다. 이때 트랜스포머의 힘을 빌린다면 더욱 용이하게 할 수 있습니다.

 

3. 극성이 존재합니다.

 

따라서 승압 및 강압이 가능한 것은 물론, 극성을 반전시킬 수도 있습니다. 또한 극성은 회로를 해석하는 중요한 지표입니다.

 

첫 번째는 극성을 통해 전압의 반전 유무를 알 수 있습니다. 극성이 마주 보는 위치에 존재한다면 극성이 반전되지 않는 정극성입니다. 만약 극성이 마주 보지 않고, 서로 대각선 방향 위치에 존재한다면 극성이 반전되는 반 극성입니다.

 

두 번째는 극성을 통해 전류의 흐름을 알 수 있습니다. 1차 측 전류가 극성에 들어가는 방향으로 흐른다면, 2차 측 전류는 극성에 나가는 방향으로 전류가 흐릅니다.

$$ vs(t)=nvp(t) $$ $$ ip(t)=nis(t) $$	$$ vs(t)= -nvp(t) $$ $$ ip(t)=-nis(t) $$

4. 전압과 전류 관계

 

1차 측과 2차 측의 전력 손실이 없다고 가정합니다. 따라서 위 그림과 식에서 알 수 있듯이, 1차 측과 2차 측의 전압 관계가 1:N이라면 1차 측과 2차 측의 전류 관계는 N:1입니다.

 

2) 회로 해석 예시

2차 측의 부하에 따라 회로를 해석해보겠습니다.

 

1. 정극성일 경우

1. 턴수비에 따라 2차측에 8V가 걸립니다.(정극성) 2. 옴의 법칙에 따라 is=2A입니다. 3. 턴수비에 따라 ip=4A입니다. 중요) 2차측 전압은 1차측 전압에 의해 결정됩니다. 1차측 전류는 2차측 전류에 의해 결정됩니다.

 

2. 반극성일 경우

1. 턴수비에 따라 2차측에 -8V가 걸립니다.(반극성) 2. 옴의 법칙에 따라 is=2A입니다. 3. 턴수비에 따라 ip=4A입니다. 중요) 2차측 전압은 1차측 전압에 의해 결정됩니다. 1차측 전류는 2차측 전류에 의해 결정됩니다.

 

3. 부하가 OPEN일 경우

1. is= 0 A입니다.( 2차측 OPEN) 2. 따라서 1차측 전류 ip=0A입니다. 중요) 2차측이 OPEN이면 1차측도 OPEN입니다.

 

 

 

4. 부하가 SHORT일 경우

1. is= ∞ A입니다.( 2차측 SHORT) 2. 따라서 1차측 전류 ip= ∞입니다. 중요) 2차측이 SHORT면 1차측도 SHORT입니다.

 

3) 트랜스포머에 1차 측 DC 전압이 인가되면?

 

트랜스포머 1차 측에 1차 측에 DC 전압을 인가할 수 있을까요? 앞서 예시 회로에서 1차 측에 4V를 인가했습니다. 하지만 실제 트랜스포머는 불가능합니다. 

 

그 이유는 실제 트랜스포머에는 1차 측에는 자화 인덕턴스(Magnetizing Inductance)라는 인덕터가 있습니다. 앞서 인덕터에 DC 전압이 인가되면 인덕터에 흐르는 전류는 일차함수로 증가한다는 것을 얘기했습니다. 따라서 DC 전압이 인가된다면 인덕터는 포화됩니다. 인덕턴스 값이 0이 됩니다.

 

자화 인덕턴스가 이상적인 트랜스포머와 실제 트랜스포머의 결정적인 차이입니다. 따라서 1차 측 전압이 자화 인덕턴스가 포화되지 않게 인가해야 합니다. 즉 자화 인덕턴스의 Volt-sec 조건을 만족하도록 평균 전압이 0인 전압을 인가해야 합니다. 흔히 트랜스포머는 AC에서만 사용 가능하다고 표현하는 것도 이와 같은 이유 때문입니다.

 

다음 글에서는 자화 인덕턴스가 포함된 실제 트랜스포머를 알아보겠습니다.