직렬공진회로에서 전압상승과 테슬라코일에의 적용

 

테슬라코일이 LC공진을 기반으로 작동하는 공심변압기라는것은 널리 알려진 사실이다.

공진회로는 그 구성양상으로 두가지로 나뉘는데 직렬공진회로와 병렬공진회로이다.

 

일반적으로 테슬라코일의 2차 권선과 토로이드, 대지는 병렬공진회로를 이룬다. 

DRSSTC의 1차권선과 MMC는 직렬공진회로를 이룬다.

이처럼 테슬라코일에는 이 두가지가 적절히 혼합된 회로를 이룬다.(물론 테슬라코일의 종류나 회로에 따라 그 갯수나, 적용양상은 상이하다)

하지만 보통 테슬라코일 제작자가 신경써 제작하는 부분인 PRIMARY코일과 그 구동회로에는 직렬공진회로가 많이 이용되는듯하다(적어도 내가 아는 선에선..). 위에서 언급한 DRSSTC의 1차권선과 MMC이나 일반적인 HFSSTC의 심장격인 CLASS-E회로등이 그 예시가 되겠다.(물론 모든 고주파 테슬라코일이 CLASS E 구성을 차용하는것은 아니지만 경제성이나 부품 조달의 편리성등을 감안하면 가장 흔히 볼수 있는 회로이다..). 

적용되는 방식에 있어 목적에 다소간 차이는 있겠으나 공통적으로 직렬공진을 이용하는 목적을 몇가지 생각할 수 있다. 우선 직렬공진회로에서 공진점에 도달하면 회로의 임피던스가 최소가 된다. 전체 회로의 총 저항값이 최소가 되는것이니 이를 마다할 이유가 어디 있겠는가. 이점에 대해 확인하고 싶으면 유튜브에 DRSSTC와 ISSTC를 검색해서 영상을 보면 좋다.

 

간략히 설명만 하자면, ISSTC는 인터럽트 신호를 캐리어주파수에 변조하여 이용하는 방식이고 DRSSTC는 위에서 말했듯 1차코일또한 MMC를 구성해 공진하는 테슬라코일이다. 이 둘을 개념적으로 직접 비교하는것은 무의미하지만 제작자들이 유튜브에 테슬라코일 영상을 올릴때 ISSTC는 주로 MMC를 사용하지 않고 (DRSSTC가 아닌) 인터럽트 신호만 이용하는 테슬라코일을 일컫고 DRSSTC는 MMC가 들어간 테슬라코일이라 칭하는 경향이 있기에 어느정도 비교가 될것이다.

DRSSTC는 CW작동도 가능하기에 둘을 비교하려면 단속파로 작동하는 DRSSTC중 입력전력이 비슷한것들을 비교하는게 바람직하겠다.

 

다시 직렬공진의 테슬라코일 구동에서 발하는 장점에 대해 논해보자. 위에서는 회로의 임피던스가 최소가 된다는 점을 꼽았다.

두번째로는 L과 C양단에서 입력전압보다 높은 전압을 얻을 수 있다.

테슬라공진기는 1차코일과 2차코일간의 전자기 유도현상을 이용한다는 점에서 기본적인 변압기와 그 원리가 같다.

즉 1차코일의 입력전압이 높으면 출력전압도 높아지며 이는 긴 스트리머의 길이로 귀결된다.

 

그럼 어떻게 단순히 수동소자 L과 C를 연결한것만으로도 승압효과가 난단말인가..

사실 이 궁금증으로부터 모든게 시작되었다.

테슬라코일 자료를 뒤적거리다보면 1차코일이나 여타 공진기 주변 부하에 입력전압보다 높은 전압이 걸린다는 말을 몇번 들었고 당최 이해가 되지 않았다. LC공진 자료를 뒤적거렸으나 이 점에 관한 내용은 잘 나오지 않았다.(물론 내가 못찾은거겠으나..)

단순히 입력전압에 Q FACTOR의 값을 곱한것만큼의 전압이득을 볼수 있다는 도표자료만 간간히 볼수 있었다.

그러던 중 이에 대한 설명이 나와있는 정보글을 볼 수 있었고 그 내용을 아래와 같이 정리해보았다.

 

 

 

 

고등학교 물리 2와 기하벡터의 벡터정도만 알면 이해할 수 있는 내용이고 기본적인 지식은 네이버에 검색해도 잘 나와있으니 이부분을 공부해두면 유용할듯싶다..

이제 실제 회로를 꾸며서 확인해보도록 하자.

사실 회로를 먼저 꾸미고 출력단 전압이 다른 자료에서 봤던것처럼 입력전압보다 높게 찍히는것을 보고 신기하여 이론적인 내용을 알아본것이다. 순서가 좀 바뀌었으나 크게 문제 없으리라 본다.

우선 회로도.그냥 CLASS-E회로이다.

IRF520에는 가변트리머를 이용해서 4V정도 바이어스를 걸어주었다.

사실 함수발생부는 구형파로 작동하기에 바이어스를 걸 필요가 있나 싶기도 하다..

IRF520의 문턱전압을 데이터시트에서 찾아봐야겠다.

 

2차 B급 증폭단(푸시풀 구성)에서 TIP31,32를 쓰는것이 목적이었으나(회로도상에도 나와있듯) 실제 연결하고 오실로로 찍어보니 고주파특성이 좋지 않아 그냥 S9012,13시리즈로 대체했다..-_-

입력전원은 컴퓨터파워로 12V를 공급한다.

 

공진콘덴서의 양단에서 얻은 전압이다. 사진찍느라 탐침봉과 콘덴서 양단이 잘 접촉되지 않아서 전압이 좀 낮아졌으나 

잘 측정하면 29V정도 나온다. 즉 입력전압에서 2배가 넘게 전압이득을 본것이다.

그러니 Q FACTOR은 2.4정도 되겠다.

 

위에서 공진콘덴서라 말했으나 실상 콘덴서를 달지 않았다. 공진콘덴서의 역할은 IRF520의 output capacitance가 한다. 

출력파형을 오실로로 찍어본것이다.

https://blog.naver.com/dongjungim20/221174090936

 

 

 

사실 47uh짜리 코일을 공들여 열심히 감았는데..이걸쓰는것보다 집게전선(직선도선의 작은 인덕턴스를 이용했을때)으로 결선했을때가 효율이 더 좋았다. 그렇다고 그냥 브레드보드상에서 클립으로 직결하면 인덕턴스가 극도로 작아져 다시 효율이 감소한다..

그냥 직선도선만 해도 인덕턴스가 정말 작을듯 싶은데,, 고주파로 갈수록 재미나지만 까다로운 현상들이 많이 일어난다.

 

인터넷 검색을 하다가 보게 된 한 대학 연구 팀은 1테라 헤르츠의 RF설계를 진행하고 있단다..물론 여타 연구팀이나 대학도 이마만큼의 RF연구를 진행하고 있을테도..현재 내가 이 실험에서 사용한 주파수는 4메가 헤르츠인데 이런걸 보면 정말 대단하지 싶다.

 

 

게이트 드라이브 트랜스포머를 거친 파형도 띄워보았다.

동일한 VOILS/DIV가 아니니 크기는 신경쓸필요 없다.

 

GDT를 통과해도 꽤 깨끗하게 나온다.

 

 

 

 

 

위 사진들은 CLASS E부분의 공진회로를 조정하며 찍은 불완전한 파형(매칭이 안된 상태)이다.

나같은 경우 처음 끼워놓았던 커패시터(수동소자)를 제거하고 인덕턴스를 줄이니 매칭이 되었다.