2018년 8월 9일 목요일

새로운 장난감, SMPS(Switched-Mode Power Supply)

지금까지 SMPS가 Switching-Mode Power Supply의 약자라고 생각했었는데 검색을 해 보니 Switched-Mode Power Supply였다. SMPS는 220 볼트 상용 전원에서 직류를 만들어내는 기기로서 주변에서 매우 흔하게 쓰인다. 워낙 쓰임새가 넓어서 중요하게 취급되고 있으며 취미 수준에서 다루는 사람도 적지 않다고 들었다. 전문가들은 일반인이 SMPS를 가지고 만지작거리는 것을 별로 좋아하지 않는다. 이론도 매우 복잡하고 또 위험하기 때문이다.

오디오 기기에서는 아직 SMPS를 별로 좋아하지 않는 분위기이다. 왜냐하면 약 50 kHz의 주파수의 사각파를 발생시키는 과정에서 노이즈가 만들어지기 때문이다. 이것이 가청 주파수 내의 노이즈로까지 연결되느냐 아니냐는 논란의 여지가 있다. 아직 경험이 별로 없는 나는 '실용상으로는 별 문제가 없을 것'이라는 기대를 갖고 있다.

SMPS를 진공관 앰프의 B 전원으로 사용하려는 시도가 없었던 것은 아니다. 최근에 ebay에서 이러한 용도의 물건을 하나 주문했다가 취소하고 환불을 요청하였었다(제품 사진은 여기에). 일반 우편으로 배송하는 과정에서 중국우정국의 safety check를 통과하지 못했다고 한다. 이러한 과정을 제이앨범에 올렸더니 친절한 한 회원께서 직접 만든 SMPS를 선물로 보내준 것이다.

주황색 점선 네모 안의 것은 전구형 형광등을 분해하여 개조한 것이다. 아래에 보인 손으로 그린 회로도는 약간의 오류가 있는 것으로 보인다. 두 MOSFET의 드레인-소스를 연결한 지점은 IR2153의 6번 핀(VS)으로 이어져야 한다.

이 일의 시작은 낡은 전구형 형광등(컴팩트 형광등, CFL)에 들어있는 전원장치를 개조하여 거의 돈을 들이지 않고 원하는 직류 전원을 얻을 수 있었다는 어느 DIYer의 실험에서 비롯되었다. 아래의 링크는 전부 회원님의 수고 덕분에 알게 된 곳이다.

Simplest SMPS power supply ever - efficient and powerful - from an old CFL

Compact Fluorescent Lamp (CFL) 회로 정보

나에게 선물을 보내주신 회원께서는 이를 바탕으로 다음 stoneaudio 카페(링크)에 상세한 제작기를 올렸었다. '진공관 1개로 만드는 저렴한 네오하브앰프'라는 제목의 시리즈물로 올라와 있으니 상세한 과정은 검색해 보면 된다. 회원께서는 이렇게 CFL을 개조하여 만든 잘 동작하는 SMPS 하나와 IR2135라는 반도체 칩을 이용하여 직접 만들 수 있는 부품 세트(기판 및 페라이트 트랜스 포함)을 보내주신 것이다. IRF840이라는 power MOSFET도 중요한 역할을 한다. IR2135를 이용한 회로의 원본은 여기에 있다. 체코어로 작성된 것이라서 구글 번역기를 돌려야 한다.

SMPS 2 x 35V 2 x 5A 250W

다음에 소개한 링크는 내가 직접 찾은 것으로 만드는 과정도 친절하게 설명하고 있다.

SMPS 2 x 50V 350W for Audio Power Amplifiers

 바로 위에서 소개한 체코 사이트의 회로도와 같다.
좀 더 진보한 버전. 아래에서 설명할 보상 회로가 부가되었다.

만약 완제품 SMPS를 ebay에서 성공적으로 구입했더라면 SMPS의 원리, 그리고 내가 원하는 전압을 어떻게 얻는지에 대한 정보를 얻으려는 생각을 전혀 하지 않았을 것이다. 그러나 이 선물로 말미암아 뜻하지 않게 새로운 분야를 파고들게 되었다. 사실 SMPS는 매우 까다로운 분야이고 위험하기까지 하므로 여간 조심해서 다루지 않으면 안된다.

아주 간단하게 그 원리를 설명해 보자. 220 볼트의 교류 상용전원을 먼저 그대로 정류하여 300 볼트 이상의 고전압 직류를 얻는다. 이를 50 kHz 정도의 사각파(펄스)로 전환하여 트랜스의 1차에 가한다. 주파수가 워낙 높으므로 철을 재료로 하는 일반적인 트랜스포머를 쓰지는 못한다. 기억해 둘 것은 두 가지이다. 트랜스에는 고주파(가청 주파수를 초과한다는 의미에서)가 공급되고, 그 모양은 사각파(square wave)라는 것이다. 가정용 전원에서 접하는 사인파가 아니라는 것이다!

Simple Switched Power Supply (간단한 그림과 설명)

웹에서 찾은 다음 그림이 SMPS의 구조를 아주 간단하게 설명하고 있다.

출처: https://www.tutorialspoint.com/electronic_circuits/electronic_circuits_smps.htm

트랜스의 권선비에 따라서 2차 전압이 결정되고, 이는 적절한 정류회로를 거쳐서 최종적으로 원하는 직류가 얻어진다. 내가 받은 완성품은 무려 300 와트를 출력할 수 있는 트랜스가 감겨져 있다. 2차는 겨우 18번 - 센터 - 18 번을 감은 것에 불과한데, 이를 양파정류하여 31 V 정도가 나온다. 만약 더욱 높은 전압을 원한다면 2차 권선을 더 감으면 된다. 그러나 실제로는 감았다 풀었다를 반복하여 원하는 전압이 나오도록 조정해야 한다. 이 과정이 그렇게 까다롭지 않다는 것에 매력이 있다.

이것이 전부는 아니다. 반도체 소자가 어떤 이유로 망가져서 도통 상태가 되면 2차측에 위험한 고전압이 나올 수도 있다. 그리고 제대로 만들어진 SMPS라는 부하에 의해 최종 전압이 변했을 때 이를 감지하여 포토커플러를 통해 다시 앞쪽 회로로 피드백하여 보상하도록 설계가 되어있다고 한다. 이런 사항을 전부 생략한 것이니 선물로 받는 회로를 활용하려면 상당한 주의를 기울여야 한다. 어제 설레는 마음으로 전원을 넣었더니 유리관 안에 들어있던 퓨즈가 빛을 내면서 순식간에 끊어지고 말았다. 마침 갖고 있는 것으로 대체를 하여 작동하는 것을 확인했지만, 이런 일이 벌어지지 않게 대책을 마련하는 것이 필요하다. 아마 대용량 캐패시터가 충전되면서 높은 돌입전류가 흘러서 그런 것이 아닐까 한다. 이를 막기 위하여 파워 서미스터를 삽입하는 것을 고려 중이다. 망가진 PC 파워 서플라이에서 떼어내 재활용할 수 있다.

SMPS의 원리는 아주 초보적인 수준으로 이해했는데, 형광등 점등회로(전자식 안정기)의 이론은 더 어렵다!

이 선물을 가지고 해야 할 숙제는 히터용 전압(6.3 V, 12.6 V)을 만들어 보는 것, 그리고 250 V ~ 330 V 수준의 B 전압을 만들었을 때 무난하게 진공관 앰프를 구동할 수 없는지 알아보는 것이다.

2018년 8월 10일 추가한 글

벌써 MOSFET을 망가뜨린 것 같다. 디지털 멀티미터를 이용하여 MOSFET을 점검하는 간단한 방법이 있어서 소개한다. MOSFET의 작동 원리를 이해해 보려 했다가 너무 복잡하여 일단 덮어두었다!

IGBT, 모스펫 테스트 방법

다음 그림과 같이 게이트(G), 드레인(D) 및 싱크(S)에 각각 1, 2, 3번이라는 번호를 붙인다.

IRF740의 데이터시트 일부.
테스트 방법은 이러하다. 디지털 멀티미터는 다이오드 체크 기능으로 전환해 둔다.

  1. 1번과 3번 핀을 단락시킨다(혹은 전체를 단락시킨다).
  2. 2번과 3번에 각각 테스터봉 빨강과 검정을 댄다. '1'이 나오면 정상이다(테스터봉을 반대로 대면 내부에 있는 다이오드에 의해 저항값이 읽혀야 한다). 다시 말하자면 이 단계에서는 S-D 사이에 내장된 다이오드가 정상인지를 점검하는 것이다.
  3. 1과 3에 각각 테스터봉 빨강과 검정을 대서 충전을 시킨다. 값은 '1'이 나온다.
  4. 다시 2와 3에 테스터봉을 댔을 때 저항값이 나오면 정상이다(본문에서는 사진과 달리 1과 3에 테스터봉을 대라고 했다. 잘못 적은 것 같다).
망가진 반도체는 저항이 없는 것처럼, 즉 단락된 것처럼 작동한다. 이것을 기억하면 편하다.

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