2015년 12월 7일 월요일

LM1876 앰프에 ±18V 100VA 파워 트랜스포머는 과한가?

[글을 수정하면서]
얕은 지식으로 부정확한 글을 인터넷에 남기는 것은 아닌지 걱정이 된다. 트랜스의 VA rating에 대해서는 아직 완벽하게 이해를 하지 못하였다. VA rating은 트랜스의 2차측에서 얼마만큼의 전력을 뽑을 수 있는지에 관한 수치라는데, 취미로 전기를 만지는 사람에게는 대략 와트(W)와 유사하다고 보면 된다고 한다. 오디오 앰플리파이어 칩의 출력은 전원 접압과 매우 밀접한 관계가 있고, 출력 외에 열로 발산되는 power dissipation(방열판 설계에서 대단히 중요)는 동일 출력에서는 전원전압이 높아질수록 증가한다는 것을 염두에 두어야 한다. 

데이터시트를 참조하자면 LM1876 앰플리파이어 칩의 전원 전압은 20V~64V 범위에서 공급 가능하다. 즉 ±10V~±32V를 공급할 수 있다는 뜻이다. 연속해서 낼 수 있는 출력은 어떻게 될까? |VCC| = |VEE| = 22V, RL = 8Ω의 조건에서 채널당 22와트가 표준적인 출력이다. 뽑아낼 수 있는 최대 출력은 물론 전원전압과 관계가 있다.

내가 알리익스프레스에서 구입하여 만든 LM1876 앰프 보드는 정류장치를 포함하고 있다. 따라서 정류를 거쳐서 최종적으로 칩에 공급되는 전압은 트랜스에서 출력되는 교류 전압보다는 더 높다. 내가 선정한 트랜스는 ±18V(100VA)인데, 앰프 보드 내에서 정류를 거친 상태의 DC 전압을 재면 ±23V 정도가 나온다.

알리익스프레스의 제품 설명서에는 연결할 파워 트랜스의 2차측 출력을 다음과 같이 제안하고 있다.
  • Dual 12-24V, 권장치는 dual 12V
  • Dual 12V에서 20W + 20W
  • Dual 15V에서 25W + 25W
  • Dual 24V에서 30W + 30W, peak 40W + 40W
그렇다면 도대체 파워 트랜스의 용량은 어떻게 정해야 할까? 만약 내가 ±15V를 전원전압으로 결정했다고 하자. 그러면 단순 계산으로 양 채널을 모두 합하여 50W x 1.5배 정도를 곱하여(피크치 감안?) 75W로 하면 무난하지 않았을까 싶다. 

그런데 트랜스의 용량은 와트가 아니고 볼트-암페어(VA)로 주어진다. 직류 회로에서 1VA는 1W에 해당하지만, 오디오 출력과 같이 교류에서는 VA 값의 1/2~2/3 정도가 실제의 파워에 해당한다고 한다. 그러면 이에 해당하는 파워 트랜스의 정격(VA로 표현)은 도대체 얼마가 가장 적합한 것인가? 

에라, 검색을 해보자!


답변에 의하면 앰프 최대 파워의 1~2배에 해당하는 VA값을 지닌 트랜스를 쓰라는 것이다. 따라서 ±15V에서는 50~100VA면 된다. 실제 내가 구입한 트랜스는 ±18V 제품이었다. 이는 언젠가 LM3875 보드로 업그레이드를 하게되면 이 트랜스를 그대로 쓸 수 있지 않을까하는 생각 때문이었다. 그러면 LM1876 데이터 시트에서 공급전압과 출력의 관계를 찾아보자.


23V(트랜스 2차 출력 18V에서 8옴 기준으로 출력은 23W/ch 정도이다. 양 채널을 합치면 46W이니, 100VA 트랜스를 고른것은 그렇게 큰 낭비는 아니라고 생각한다. 다만 4옴 스피커에서는 전원전압이 20V를 넘어가면 출력이 더 이상 증가하지 않는다. 부하가 4옴 혹은 6옴인 경우 전원전압이 20V까지만 커브가 존재한다. 따라서 8옴 스피커를 쓰지 못하는 경우 25V 이상의 전원을 공급하는 것은 금해야 할 것이다.

왜 정격 출력보다 전원의 용량이 두 배 정도 높아야 할까? 그것은 바로 power dissipation 때문이다. 스피커로 향하는 음성 출력 외에 앰프에서 발산되는 열 역시 전원장치에서 공급되는 것이다. 


위 그림을 보자. 4옴 스피커를 연결할 때 공급전압 ±20V에서는 20W 출력에 대해 약 42W가 발산된다. 그렇다면 한 채널에서 20W + 42W = 62W가 소모된다는 뜻이다. 좀 더 정확하게는 칩 이외의 부품에서 소모되는 전력도 감안해야 할 것이다. 채널이 두 개이니 결론은 124W는 공급이 되어야 한다! 이 그림이 보여주는 다른 의미도 생각해 보자. 동일 출력이라면 공급전압이 높은 경우 더 많은 열이 발생할 것이다.

다음으로 LM3875 칩의 규격을 알아보자. 8옴 부하에서 56W continuous average output power(순간 최대치로는 100W)를 자랑하는 칩이다. 전원전압 범위는 ±20V~±42V이므로 ±23V에 대해서는 8옴 기준으로 대략 27W/ch가 된다. LM1876과 마찬가지로 스피커의 임피던스가 낮으면 전원전압을 상승시켜도 이에 따른 출력 증가가 이루어지지는 않는다. 물론 power dissipation에 대해서도 고려를 해야 한다.


결론을 내리자면 나의 ±18V 100VA 토로이달 파워 트랜스포머는 LM1876에게는 전압 측면에서는 조금 과하다는 생각이 든다.  Dual 12V라는 권장치는 괜히 있는 것이 아니었다. TDA7265 앰프 보드에는 확실히 과하다고 볼 수 있다.


댓글 1개:

Susan :

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