EFHW 변압기 권선에 대한 모든 것
EFHW 변압기 권선에 대한 모든 것
다음은 AI6XG의 블로그 내용을 한글로 번역한 것입니다.
UNUN의 권선 방식이 어째서 균일한 형태를 띄지 않는지와, 어떤 전선으로 어떻게 권선을 하면 손실을 줄일 수 있는지에 대한 이해를 도울 수 있을 것 같습니다.
원문은 여기 입니다.
참고로 EFHW용 UNUN은 원론적으론 변압기(transformer)이기 때문에 "변압기"라는 단어를 그대로 사용했습니다.
SOTA용 EFHW(End Fed Half Wave) 안테나를 성공적으로 사용한 후, 저는 자택 스테이션용으로 10~80미터 대역용 EFHW 안테나를 제작하기로 결정했습니다. 여러 EFHW 제작 가이드에서는 꼬인 1차 권선과 교차형 2차 권선을 사용할 것을 권장하고 있지만, 왜 이러한 구성이 선호되는지에 대한 데이터나 설명은 찾지 못했습니다. 저는 제 변압기에 가장 적합한 구성을 결정하기 위해 각 구성의 변압기 손실을 측정하여 세 가지 권선 구성을 평가했습니다.
실험
공식 Fair-rite 대리점을 통해 조달한 Fair-rite FT240-43 코어를 실험에 사용했습니다. 내력(power handling), 모드 및 실외 온도 측면에서 가정용 EFHW 안테나에 필요한 사항을 평가한 결과; 변압기로 두 개의 FT240-43 코어를 적층하여 사용하기로 결정했습니다. 80m에서 10m에 걸친 광대역 성능을 위해 권선비를 고려한 결과, 평가 후 1차-2차 권선비를 2:14로 결정 - 49:1 UNUN이라는 뜻 - 했습니다.
이전 게시물에 기록된 대로, 변압기 1개와 2400옴 부하 저항을 사용하여 세 가지 권선 구성의 변압기 효율 및 손실을 평가했습니다. 측정에는 BH5HNU에서 제조한 nanoVNA-F(하드웨어 버전 3.1, 펌웨어 버전 0.2.1)를 사용했습니다. 세 가지 권선 구성은 널리 사용되는 ‘교차형 2차 권선이 있는 꼬인 1차 권선’, ‘교차형 없이 촘촘하게 감긴 2차 권선이 있는 꼬인 1차 권선’, 그리고 ‘탭이 있는 단일 촘촘하게 감긴 코일’이었습니다. 권선에는 에나멜 코팅된 #16 전선을 사용했습니다.
열 분포(heat distribution)나 기타 특성은 평가하지 않았습니다.
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| 그림 1. 왼쪽부터 오른쪽 순서: 크로스오버가 있는 꼬인 1차 권선, 크로스오버가 없는 꼬인 1차 권선, 탭이 있는 단일 권선 |
결론
- 간단하게 생각합시다. 단 하나의 탭이 있고 촘촘하게 감긴 권선은 변압기 손실이 가장 적습니다. 또한 아래에 소개된 제 EFHW 변압기에서 직접 경험했듯이 권선 작업도 더 쉽습니다.
- 손실이 더 큰 것은 상위 대역입니다. 바로 태양 흑점 활동이 증가함에 따라 이제 흥미로워진 대역들이죠.
- 크로스오버 권선의 손실은 Rs 전력 손실 증가로 인한 것으로 보입니다.
- 꼬인 1차 권선의 손실은 결합 계수 및 권선 정전용량 효과로 인해 발생합니다.
- 밀접하게 감긴 권선은 변압기 효율을 향상시킵니다.
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| 그림 2. AI6XG 홈 스테이션 EFHW 변압기 |
변압기 손실 데이터
변압기 손실은 80미터에서 10미터 구간에서 측정되었으며, 그 결과는 아래와 같습니다. 측정은 NanoVNA를 사용하여 저전력 조건에서 100 pF 1차 커패시터를 장착한 경우와 장착하지 않은 경우 모두에 대해 수행되었습니다.
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| 그림 3. 세 가지 권선 구성과 변압기 손실 데이터 BF_XO는 1차 권선이 꼬인 형태이며 2차 권선에 크로스오버가 있는 경우 BF_NoXO는 1차 권선이 꼬인 형태이며 2차 권선에 크로스오버가 없는 경우 tapped는 탭이 있는 단일 권선 |
데이터에 따르면 저주파 대역에서는 차이가 거의 없으나, 주파수가 높아질수록 차이가 벌어집니다. 전반적으로 널리 사용되는 ‘크로스오버 2차 권선이 있는 꼬인 1차 권선’ 방식이 특히 20미터 이상의 주파수에서 손실이 가장 큽니다. ‘탭이 있는 단일 권선’ 방식은 HF 아마추어 무선 대역 전반에 걸쳐 손실이 가장 적습니다. ‘크로스오버가 없는’ 변압기는 그 중간 수준입니다.
토론
다양한 권선 구성에 대한 변압기 손실을 측정한 후, 해당 코어를 안테나 설치에 사용했습니다. 결합 계수와 같은 추가 측정은 수행하지 않았습니다. 하지만 데이터와 각 구성 간의 차이를 면밀히 분석함으로써 측정된 차이에 대한 가능한 설명을 도출해 볼 수 있습니다.
크로스오버 권선 제거
1차 권선이 모두 꼬인 형태이지만 2차 권선 구성이 다른 두 구성에 대한 변압기 손실 차이를 살펴볼 수 있습니다.
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| 그림 4. 1차 권선이 꼬여 있지만 2차 권선 구성은 서로 다른 변압기 |
아래는 이 두 가지 구성에 따른 변압기 손실의 차이를 보여줍니다.
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| 그림 5. 변압기 손실 차이 BF_XO는 1차 권선이 꼬여 있고 2차 권선에 크로스오버가 있는 경우 BF_NoXO는 1차 권선이 꼬여 있고 2차 권선에 크로스오버가 없는 경우 |
주파수가 40미터(약 7 MHz)를 초과하면 변압기 손실 증가율이 더욱 가파르게 나타납니다. 두 권선 구성 간의 물리적 차이는 주로 2차 권선이 감싸는 코어의 길이에 있습니다. 손실이 더 적은 구성(크로스오버 없음)은 코어를 감싸는 길이가 훨씬 짧습니다. 페라이트를 통한 전력 손실이 이러한 차이를 설명해 줄 수 있습니다.
-43 혼합 페라이트의 투자율은 주파수에 따라 달라지며, 그림 6 왼쪽에서 볼 수 있듯이 복소수 특성을 띱니다. 복소수 특성인 만큼, 반응성(허수) 성분과 저항성(실수) 성분이 존재합니다. 저항성 손실은 열로 소모되는 반면, 반응성 손실은 전력 소모로 이어지지 않습니다.
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| 그림 6 (왼쪽). -43 투과율 대 주파수 (1) |
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| 그림 6 (오른쪽). -43 저항성 Rs 및 반응성 Xs |
꼬인 1차 권선의 제거
이제 2차 권선이 촘촘하게 감겨 있지만 1차 권선 구성은 서로 다른 두 구성에 대한 변압기 손실의 차이를 살펴보겠습니다.
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| 그림 7. 1차 권선이 꼬여 있는 변압기와 탭이 있는 변압기 |
아래 그래프는 이 두 가지 구성에 따른 변압기 손실의 변화를 보여줍니다. 손실의 차이는 17미터까지는 사실상 0에 가깝다가, 그 이후부터는 주파수가 높아짐에 따라 급격히 증가합니다.
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| 그림 8. 변압기 손실 차이 BF는 1차 권선이 꼬인 형태이며 2차 권선에는 크로스오버가 없는 경우 Tapped는 탭이 있는 단일 권선 |
두 권선 구성 간의 물리적 차이는 1차 측이 꼬인 권선인 경우와 탭이 있는 단일 권선인 경우의 차이입니다. 결합 계수의 차이가 그림 8에서 볼 수 있는 변압기 손실 차이를 초래했을 것으로 예상할 수 있습니다. 2차 권선 위에 꼬인 형태로 감긴 1차 권선은 탭이 있는 권선보다 결합 계수가 더 낮을 것으로 가정됩니다. 하지만 결합 계수의 차이가 그림 8에서 관찰된 현상을 설명할 수 있을까요?
이 가설을 검증하기 위해, 탭이 있는 권선 구성을 나타내는 오토트랜스포머 블록과 꼬인 쌍 구성을 나타내는 결합 변압기를 사용하여 SimNEC 회로를 구축했습니다. 결합 계수는 독립적으로 지정할 수 있습니다. 결합 계수 k는 다음과 같이 정의됩니다:
k = (1-Ll/Lm)0.5 식 1
여기서 Lm은 자화 인덕턴스이고 Ll은 누설 인덕턴스입니다. 변압기의 경우 Ll은 측정하거나 추정할 수 있으며, Lm은 코어와 권선의 기본 특성을 이용하여 측정하거나 계산할 수 있습니다. Ll은 HF 대역에서 상당히 일정하지만, Lm이 주파수에 따라 달라지기 때문에 k는 주파수에 따라 달라지는 것으로 밝혀졌습니다(2).
SimNEC 회로에서는 누설 인덕턴스를 추정하고 자화 인덕턴스를 계산했습니다.
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| 그림 9. 탭이 있는 1차 권선과 꼬인 1차 권선을 비교하기 위해 구축된 SimNEC 회로 |
D1 블록은 Lm을 계산하고 Ll 추정치를 포함한 변압기 파라미터를 입력하는 데 사용됩니다. A 블록과 B 블록은 각각 탭이 있는 1차 권선과 꼬인 1차 권선입니다. 두 변압기 구성에 대해 변압기 손실과 손실 차이(델타)를 계산했습니다. 또한 그림 8에서 측정된 손실 델타를 SimNEC 모델과 비교하여 그래프로 나타냈습니다. 비교 그래프는 아래와 같습니다.
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| 그림 10. 변압기 손실과 델타의 비교 그래프 |
그림 10에서 두 구성 간의 변압기 손실 차이(델타)는 빨간색 점선으로 표시되어 있습니다. 측정된 델타 데이터(그림 8)는 녹색 점선으로 표시되어 있습니다. 보시다시피, 두 값 간의 일치도는 상당히 양호합니다. 이러한 적합도를 얻기 위해, 결합 계수가 0.99에서 0.98 사이가 되도록 누설 인덕턴스에 대한 합리적인 추정치를 산출했습니다. 가설대로, 꼬인 1차 권선의 결합 계수는 탭이 있는 1차 권선의 결합 계수보다 작았습니다. 하지만 놀랍게도, 두 계수의 값은 제가 예상했던 것보다 더 가깝게 나타났습니다. 변압기 손실에 상당한 영향을 미친 또 다른 매개변수는 권선 정전용량인 Cw였습니다. 이 모델에서 꼬인 1차 권선은 탭이 있는 권선보다 권선 정전용량이 더 컸습니다. 이는 권선의 구조를 고려할 때 타당한 결과입니다.
변압기 손실과 권선 밀도
변압기 손실 측정을 수행하는 과정에서 권선의 밀도가 변압기 손실에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 이를 검증하기 위해, 이전 측정에서 사용했던 #16 선 대신 #24 선을 사용하여 탭이 있는 변압기를 권선했습니다. #24 전선은 #16 전선보다 물리적으로 얇기 때문에, 동일한 FT240-43 코어 두 개를 사용했을 때 훨씬 더 촘촘하게 권선할 수 있었습니다. 아래 차트에서 볼 수 있듯이, 더 촘촘하게 권선된 #24 전선 권선의 경우 변압기 손실이 더 적었습니다.
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| 그림 11. AWG #16 및 AWG #24 권선의 변압기 손실 |
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