변압기는 입력받은 교류전류나 전압의 값을 변환 시켜주는 장치 입니다. AC-AC 변압기는 교류전류(AC)를 교류전류(AC)로 변경해 주는 장치이며, 입력 전압에 비해 출력 전압은 높거나 낮습니다. 이 글에서는 AC-AC변압기의 작동ㅇ ㅝㄴ리 및 취급시 주의 사항에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
AC-AC 변압기란
AC-AC변압기에는 오직 교류 전류만 입력됩니다. AC-AC 변압기는 전압을 입력받은 후에 다른 전압값으로 변환시킵니다. 출력전압은 입력전압보다 같을 수 없고 높거나 낮습니다. 변압기는 다양한 크기로 존재 합니다. 우리가 자주 쓰는 마이크로폰에서 부터 전력망에 사용되어 고전압을 공급하는 수톤급에 달하는 장비도 존재 합니다. 우리 생활속의 민간용 전원을 공급하기 위해서 대부분의 전기 장비에는 변압기가 필수 입니다.
우리가 일상생활에서 자주 쓰는 220V > 110V 소형 변압기도 AC-AC 변압기에 해당 됩니다. 변압기를 회로도로 표시할 때 왼쪽과 오른쪽에 코일이 있습니다. 왼쪽 코일은 1차코일 오른쪽 코일은 2차코일이라고 하면, 대 부분 두코일의 감은 횟수(일명 권선수)라고 하는 것이 다른데, 이 차이에 따라 변압기의 출력 전압이 입력전압보다 높은지 낮은지 알 수 있습니다.
작동 원리
그럼 이 변압기가 어떻게 동작하는지 쉽게 설명해 보겠습니다. 변압기의 가장 중요한 부분은 ‘코어’와 ‘코일’입니다. 코어는 철로 만들어진 부분으로, 전기를 잘 통하지 않지만 자기를 잘 통과시키는 성질을 가지고 있습니다. 코일은 전선을 돌돌 말아 만든 부분이고, 변압기에는 두 개의 코일이 있습니다. 이 두 코일을 ‘1차 코일’과 ‘2차 코일’이라고 부르는데, 기본 코일에 전기를 흐르게 하면 코어를 통해 자기가 만들어지고, 이 자기가 보조 코일에 전기를 만들어냅니다.
이 과정을 상호 유도 라고 합니다. 1차 코일과 2차코일 사이에 아무 전기적 연결이 없는 상태에서 1차코일의 전류를 끌어가게 되는 것입니다. 가장 이상적인 변압기는 두 코일의 권선수에 비율에 따라 출력 전압이 입력 전압에 따라 나오게 됩니다.
이때 중요한 것은 1차 코일과 2차 코일의 전선을 돌돌 말은 횟수, 즉 ‘턴 수’입니다. 턴 수가 많을수록 만들어지는 전압이 커집니다. 그래서 기본 코일의 턴 수와 보조 코일의 턴 수를 비교하면, 변압기가 전압을 얼마나 올리거나 내릴 수 있는지 알 수 있습니다. 예를 들어, 기본 코일의 턴 수가 100회, 보조 코일의 턴 수가 200회라면, 보조 코일에서는 기본 코일의 2배에 해당하는 전압을 얻을 수 있습니다. 반대로 기본 코일의 턴 수가 보조 코일의 턴 수보다 많다면, 보조 코일에서는 기본 코일에 비해 낮은 전압을 얻게 됩니다.
하지만 전압이 낮아지게 되는 대신 전류의 양은 상대적으로 반비례 해서 두 배로 늘어나게 됩니다. AC-AC 변압기는 이런 여러가지를 응용하여 현장에서 사용되어 집니다. 이처럼 변압기는 자기를 이용해 전압을 올리거나 내리는 역할을 하며, 이를 통해 다양한 전자 장치에서 필요한 전압을 제공합니다. 이런 변압기의 원리는 전력선, 충전기, TV, 라디오 등 우리 일상생활의 많은 부분에서 활용되고 있습니다.
코어란 무엇인가
위에서 말하는 코일이 감겨있는 부분을 우리는 코어라고 합니다. 보통 강자성 코어는 높은 투자율의 실리콘 강으로 제작되는 경우가 대부분이며, 강자성 코어가 철로 만들어 진다고 잘못 알려진 경우가 많습니다. 코어를 제작하는 점에서 특이한 점은 맴돌이 전류로 인한 손실을 줄이기 위해 얇은 판을 여러 장 겹쳐서 만듭니다. 이렇게 하면 판과 판사이에서 맴돌이 전류가 맴돌게 되어 맴돌이 전류의 손실을 막을 수 있습니다. 우리가 변압기를 자세히 보면 코일이 감겨 있는 축(코어)이 되는 부분이 얇은 판이 겹쳐져 있는 것을 확인 할 수 있습니다.
다양한 종류
AC-AC 변압기는 그 사용 목적과 구조에 따라 여러 가지로 분류될 수 있습니다. AC-AC 변압기의 종류에는 무엇이 있는지 알아보도록 하겠습니다. 아래의 다섯가지 종류를 간단한 설명과 함께 확인 하실 수 있습니다.
스텝-업 변압기 (Step-Up Transformer)는 입력 전압보다 더 높은 출력 전압을 생성합니다. 이는 보조 코일의 턴 수가 기본 코일의 턴 수보다 많기 때문입니다. 고전력 전송에서 전력 손실을 줄이기 위해 사용됩니다. 스텝-다운 변압기 (Step-Down Transformer) 는 입력 전압을 낮추는 역할을 합니다. 보조 코일의 턴 수가 기본 코일의 턴 수보다 적기 때문에 출력 전압이 입력 전압보다 낮아집니다. 가정용 전기 장비에서 주로 사용됩니다.
등가변압기 (Isolation Transformer)는 기본 코일과 보조 코일의 턴 수가 같아 입력 전압과 출력 전압을 동일하게 유지합니다. 이 변압기의 주요 목적은 회로를 분리하여 안전을 보장하는 것입니다. 자동 변압기 (Autotransformer)는 하나의 코일만을 가지며, 이 코일의 일부를 기본 코일로, 나머지 부분을 보조 코일로 사용합니다. 이 변압기는 크기와 비용을 줄일 수 있지만, 기본 코일과 보조 코일 사이에 직접적인 전기적 연결이 있기 때문에 보호 기능이 약합니다. 변조 변압기 (Variable Transformer)는 보조 코일의 턴 수를 사용자가 조절할 수 있어 출력 전압을 원하는 값으로 설정할 수 있습니다.
취급시 주의 사항
AC-AC 변압기를 사용할 때는 다음과 같은 주의 사항들이 있습니다. 자칫 화재로 이어지는 경우가 있으니 꼭 주의하여 사용 하시기 바랍니다. 입력과 출력의 부정확한 연결은 문제를 야기 시킬 수 있습니다. 변압기는 입력과 출력 단자가 정해져 있습니다. 잘못 연결하면 장치가 제대로 작동하지 않거나, 장비에 손상을 줄 수 있습니다. 항상 제조사의 지시에 따라 올바르게 연결해야 합니다.
접지선 연결을 제대로 해 주어야 합니다. 변압기를 사용할 때는 안전을 위해 접지선 연결이 필요합니다. 접지선 연결이 제대로 이루어지지 않으면 감전 위험이 있습니다. 특히, 변압기를 사용하는 장소가 습한 환경이거나, 변압기 자체가 손상되었을 때는 더욱 주의가 필요합니다.
DC 입력을 하면 안됩니다. AC-AC 변압기는 교류전압 (AC)만을 입력으로 사용할 수 있습니다. 직류전압 (DC)을 입력으로 사용하면 변압기가 손상될 수 있습니다. 과부하도 문제가 될 수 있습니다. 변압기에는 감당할 수 있는 전력이 정해져 있습니다. 이를 초과하는 전력을 통과시키면 변압기가 과열되거나 손상될 수 있습니다. 변압기를 사용할 때는 항상 그 규격에 맞는 부하를 연결해야 합니다.
AC 주파수를 제대로 확인 하고 설치하여야 합니다. AC-AC 변압기는 특정 주파수 범위에서만 정상적으로 작동합니다. 입력 전압의 주파수가 변압기가 지원하는 범위를 벗어나면, 변압기의 성능이 저하되거나 장비에 손상을 줄 수 있습니다. 미국의 단상 교류전원은 60Hz 이며, 영국은 50Hz입니다. 대부분의 전력변압기는 두 주파수에 모두 호환되도록 규격이 정해졌지만, 변압기가 특별히 60Hz 에서만 사용되도록 설계되었다면 50Hz전원에서 사용할 때 과열로 인해 손상 될 수 있습니다. 반면에 50Hz 변압기는 60Hz AC 에서 안전하게 사용할 수 있습니다.