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빈티지 턴테이블용 60hz to 50hz 교류전원 공급장치 만들기 (2), 회로 스케치 및 테스트 보드 제작

글쓴이 : SOONDORI

전편 글에서 선정한 <크리스털 소자 기반 60hz to 50hz 변환 회로>를 가지고 샘플 회로를 만드는 과정을 정리한다.

* 관련 글 : 빈티지 턴테이블용 60hz To 50hz 교류전원 공급장치 만들기 (1), 회로 검토

■ 회로 스케치

DC 회로에서 50hz 방형파 클럭을 만든 다음, FET나 트랜지스터로 승압 트랜스포머를 구동하면 끝이다.

○ 승압 트랜스포머 드라이빙 소자

스위칭에는 FET가 좋지만 없으니까 적당한 중출력 트랜지스터로… 무엇으로 하든 방열판은 필수.

○ CD4060 IC

이 분주기/Counter IC는 입력 펄스를 세고 있다가 미리 정해 놓은 개수가 되면 출력 펄스 한 개를 내보낸다. 그것은 곧 나누기. 그 뒤에 CD4047 Flip-Flop IC가 붙으면 × 2, × 4…더 큰 배수로 나누기를 할 수 있는 것.

권장 동작전압은 +18V 이하. 권장 클럭은 ~8Mhz 이하.

○ CD4027 IC

권장 동작전압은 +18V 이하. 권장 클럭은 ~8Mhz 이하.

위 블럭도에서, Qx와 위에 막대가 붙은 Qx가 출력, J와 K 핀이 입력. S-R(Set-Reset) 타입을 변형한 것으로서 입력 핀에 J와 K 문자가 쓰인 것은… 세계 최초 IC를 만든, Texas Instrument社 잭 클레어 킬비(Jack St. Clair Kilby)께서 설계하셨기 때문에. (아? 생각해보니 JK 김동욱이라는 우리나라 가수도 있다. 그 JK는 뭐여?)

* 관련 글 : 잭 클레어 킬비가 처음 만든 집적회로, IC

○ 승압 트랜스포머

흔히 언급하는 240V, 220V, 120V, 110V, 100V는 AC 전원의 실효전력을 대표하는 RMS 값. RMS는 제곱평균제곱근(Root Mean Square)으로 Peak 전압에 0.707(=1 나누기 루트 2)을 곱한 것.

승압 트랜스포머가 꾀부리지 않고 시키는 대로 일한다고 가정할 때,

1) 우선,<AC 발진 부>의 트랜지스터 구동용 펄스는 양의 전압과 음의 전압이 동반 등락하므로 DC기준 절대값 12V가 그대로 유지된다.

즉, +12 ~ 0이거나 0 ~ -12이고 간단하게는 “12V는 불변이되 전류의 방향만 바뀐다”. 그러므로 전체 Peak(=#2)는 절대값으로 24V. 이 논리는 한정된 전압 안에서 최대한 동반 등락하면서 출력을 극대화하는 BTL(Bridge Tied Load, 요즘의 D-클래스 앰프나 자동차 오디오에서 보편화된 방법론) 앰프의 동작 원리와 같다

2) 아무튼 그런 조건에서, AC 출력_RMS는 12V × 0.707 = 8.484V_RMS(=위 그림의 #3).
3) 트랜스포머 승압비는, 목표값 AC 110V_RMS  ÷ 장치 계산값 AC 8.484V_RMS = 12.965배.

○ DC 전원부

친숙하고 만만해서 선정한 LM7812 레귤레이터 IC는 전류 한계가 1.5A라는 점에 유의. 최대 전력이 12V × 1.5A = 18W이므로 수십 W를 소모하는 턴테이블에 쓸 수는 없다.

더 큰 용량이 필요하다면 ‘Fixed Output Linear Regulator’로 검색. 예를 들어, 3A를 취급할 수 있는 TI社 LM150/LM350A/LM350, National Semiconductor社 32V/5A급 LM138/LM338도 있다. 그 외 레귤레이터 IC, LDO 등 명칭을 불문하고 특정 DC 전압을 안정적으로 만들어내는 IC 소자가 시장에 널려 있음. 제너다이오드, 제너다이오드의 확장형인 전압 레퍼런스 IC로 어떻게든 뭘 만들어볼 수도 있고…

(시간 흐른 후)

■ 부품 구매

○ 크리스털 소자

인터넷 부품 사이트에서 ‘3.2768Mhz’를 입력하고  ‘DIP’, 또는 ‘쓰루홀(Through Hole)’ 단어가 부기된 것을 구매. 실물 형태는 조금씩 다를 수 있으니 그저… 만능기판에 땜할 수 있느냐로 판단하면 된다.

○ CD4060과 CD4027 IC

쉽게 구할 수 있음. 이것 역시 ‘DIP’, 또는 ‘쓰루홀(Through Hole)’이 표기된 것을 구매.

○ 승압 트랜스포머

아세아 트랜스 등 전문 제작점에 가서 특별한 무엇을 주문하면 좋겠지만, 그럴 수 없으니까 그냥… 220V/110V 탭과 적당한 2차 탭이 있는 소형 트랜스포머를 사서 1차와 2차를 바꿔 쓰는 것으로 한다.

예를 들어 아래 제품에서, 계산된 출력 전압이 AC 8.484V_RMS ≒ 9V이므로 2차 전압 탭이 9V인 것을 고르면 자연스럽게 110V 또는 220V를 뽑아낼 수 있다는 말씀. 임시방편.

(출처 : https://www.ledmk.co.kr/m/product.html?branduid=697973)

물론, 논리가 그렇고 승압 트랜스포머 드라이빙 펄스가 완전한 사인파(Sine Wave)가 아니고 트랜지스터, 트랜스포머 속성 변수 등이 개입되니까 110V, 220V가 아닌 값이 나오게 될 것. 어차피 현실에서 110.0V과 220.0V는 없음. 가정집 콘센트에서 10~15% 전압 유동은 흔한 일이니까 그냥 넘어가고…

한편으로 위 트랜스포머는 (2차 측 기준) AC 9V 300mA급으로 취급 전력이 너무 작다. 실용적인 수준으로 만들려면 1) 대상 턴테이블의 Peak 전력을 확인한 다음, 2) 그것의 두 배쯤 되는 VA 등급(*)을 쓰는 게 안전하겠다. 안전, 안전… 에라 모르겠다, 클 수록 좋음.

* V는 Voltage, A는 Amphere. 둘의 단순 곱 = 전동기나 트랜스포머 등 코일 부품에서 생기는 무효전력 즉, 일하지 않고 그냥 스쳐 지나가는 전력 + 실제 소모되는 전력.

○ DC 전원부 부품

강압 트랜스포머는 최대 소모 전력을 고려하여 적당한 것을 구매하면 된다. 나머지는 흔한 부품들. 모든 게 귀찮다면, 넉넉한 리니어 어댑터 또는 (눈 질끈 감고) 대용량 SMPS 어댑터로 대체할 수도  있고…

(시간 흐른 후)

■ 만들기 그리고 관찰하기

DIY 세상은 역시… 늘 뭔가 모자란다. 그리하여 갖고 있던 것들을 억지로 끼워맞춤.

(▲ 특히, CD4027에 대하여… #8핀 GND 연결 + 나머지 쓰지 않는 핀도 모두 GND에 연결. 그렇게 하지 않으면 핀 부유 현상에 의해 오작동한다)

그리하여… AC 220V 콘센트 전원을 기준으로, 승압 트랜스포머 2차 측 전압은 AC 175V_RMS, 변환 주파수는 50hz. 기대했던 그대로? 대충은… YES.

이하에서 여러 포인트에서 관측한 파형, 국부 주파수 등을 참고용으로 나열한다.

○ 크리스털 클럭 파형

오실로스코프의 주파수 표시는 간이형이라서… 실제는 3.2768Mhz. 맞는 값.

○ CD4060 IC #3핀 출력 파형

○ CD4027 IC #14핀, #15핀 출력 파형

(▲ Qx와 위쪽 막대기가 표시된 Qx_Bar, 두 출력이 동반 등락한다. Pk-Pk는 17.6V, 절반은 8.8V. 이것은 CD4027 IC 출력이라는 점에 유의. 뒤에  붙는 전류 제한 저항, 트랜지스터 속성, 트랜스포머 속성, 아름답지 않은 출력 파형 등에 의해 220V가 아닌 ‘175V@0/220V탭”이 나온 것. 그리고 단순 계산으로는, 8.8V × 0.707 × 승압 비율  12.9 = 87.4V_RMS@0/110V탭인데 그것은 실제 관측값과 같다. fluke 제시값은 87.44V_RMS)

○ 승압 트랜스포머 2차 즉 0V 탭~110V 탭 파형

(▲ 0/110V탭에서 측정한 것. Duty Ratio는 50% 즉, 두 클럭이 Sine파 1개에 해당함. Rising Edge와 Falling Edge에 종속된 단발성 피크는… 임시방편으로 쓴 승압 트랜스포머 코일의 반작용, CEMF를 생각해볼 수 있겠다. 드라이빙 펄스가 방형파가 아니라 아주 완만하고 아름다운 사인파였다면 모습은 크게 달라졌을 것)

* 관련 글 : 빈티지 턴테이블용 60hz To 50hz 교류전원 공급장치 만들기 (3), 사인파 출력 만들기

자, 모든 구성품의 취급 전력이 보강되었을 때, 빈티지 아이들러 턴테이블의 커다란 AC 모터를 정상 구동할 수 있을까? 어떤 에너지 밀도를 가진 <50hz짜리 유사 사인파>가 반드시 전달될 것이니… YES.

조금 욕심을 내서 마이크로컨트롤러와 프로그램으로 생성하는 사인파 + 드라이빙 소자, 마이크로컨트롤러와 DDS 등 전문 소자로 구성하면 꽤 그럴 듯하겠다. 가변 주파수 조정 즉, 플래터 피치도 조정하고 현재 주파수도 표현하고… 국내 빈티지 시장 내 수요가 있다면 그렇게 제대로 된 <마이크로 컨트롤러 기반 DIY 키트>를 만들어볼 수도 있겠지만, 도저히 그럴 것 같지는 않음.

이상, 즉흥 탐구는 끝.


재미 삼아… 위 <사인파 유사 출력>에 대하여 빈티지 계측기마다 각기 다른 해석을 내놓는다.

○ Kenwood VT-173은 155V_RMS이라고 하고,

○ 복잡한 것을 잘 모르는, 가장 오래된 Heathkit IM-5225 멀티미터는 그냥… 140V라고 하고.

현실의 파형이 이상적이지 않으니까 충분히 그럴 법하다. 게다가 교정이 안 된 것이니, 역시 Fluke를 믿어야…

 

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