트랜스포머리스 전원 공급 장치: 비용과 공간을 줄이는 검증된 솔루션

일반적으로 강압 트랜스포머나 스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 높은 교류 전압을 낮은 교류 전압으로 변환한 후, 다시 원하는 낮은 직류 전압으로 변환합니다. 이 방식은 효율적이지만, 제품 설계 및 제조 시 비용이 많이 들고 공간을 많이 차지합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 트랜스포머리스 전원 공급 장치를 사용합니다. 오늘은 트랜스포머리스 전원 공급 장치의 작동 원리, 유형, 그리고 직접 만들어 볼 수 있는 간단한 회로 설계에 대해 자세히 알아보겠습니다.

강압 트랜스포머

트랜스포머리스 전원 공급 장치란?

이름에서 알 수 있듯이, 트랜스포머리스 전원 공급 장치는 트랜스포머나 인덕터 없이 높은 교류 전압에서 낮은 직류 전압을 생성합니다.

(인덕터)

작동 원리

트랜스포머리스 전원 공급 장치의 작동 원리는 고전압 단상 교류를 저전압 직류로 변환하는 것입니다. 이 개념은 인덕터나 트랜스포머 없이 전압 분배 회로를 사용하여 작동합니다. 또한, 전원 공급 회로는 돌입 전류 제한, 전압 분배, 정류, 평활 등의 과정을 포함합니다.

위 회로도의 동작 과정은 다음과 같습니다:

• 높은 전압의 단상 교류(230V/120V)를 필요한 낮은 직류 전압(5V/3V/12V)으로 변환하는 것이 목표입니다.
• 다이오드는 높은 교류 전압을 정류하고 조절하여 낮은 직류 전압으로 만듭니다.
• 또한, 교류와 직렬로 연결된 커패시터는 리액턴스 때문에 교류 흐름을 제한합니다. 이렇게 하여 전류 흐름이 트랜스포머리스 전원 공급 장치 유형에 따라 특정 값으로 유지됩니다. 이때 X-정격 커패시터를 사용하는 것이 바람직합니다.
• 저항은 과전류와 열 방출을 돕습니다.
• 브리지 정류기는 회로에서 전압을 제거하고 정류 과정을 통해 피크 전압을 안정화합니다.
• 마지막으로 LED 전구를 연결하여 회로 작동을 테스트합니다.

트랜스포머리스 전원 공급 장치의 유형

트랜스포머리스 전원 공급 장치의 두 가지 기본 유형은 다음과 같습니다:

저항성 트랜스포머리스 전원 공급 장치

저항성 트랜스포머리스 전원 공급 장치는 전압 강하용 저항을 사용합니다. 이 저항은 과도한 열을 제거하는 데 도움을 줍니다. 보통 정격 전력의 두 배인 저항을 권장하는데, 더 많은 전력을 소모할 수 있기 때문입니다.

용량성 트랜스포머리스 전원 공급 장치

반면, 용량성 트랜스포머리스 전원 공급 장치는 전력 손실과 열 방출이 적습니다. 여기서 X-정격 커패시터(400V, 230V 또는 600V)가 전압 강하용 커패시터 역할을 하며 과전압을 떨어뜨립니다.

트랜스포머리스 전원 공급 장치 회로의 장단점

장점

• 첫째, 트랜스포머 기반 회로에 비해 설계가 저렴하고 저전력 애플리케이션에 적합합니다.
• 또한, 부피가 작고 콤팩트하여 공간을 덜 차지합니다.

단점

• 트랜스포머리스 전원 공급 장치 회로는 높은 전류 출력(1암페어)을 생성할 수 없습니다. 따라서 1암페어 이하의 전류가 필요한 애플리케이션에만 적합합니다.
• 회로가 교류 메인 전위로부터 절연되지 않아 취급자에게 위험합니다.
• 과도한 열 방출이 출력 전압에 간섭합니다.
• 전압 서지를 허용하여 궁극적으로 전원 회로와 구동 회로를 파괴할 수 있습니다.

다행히 아래 회로 예시들이 일부 문제점을 해결해 줍니다. 계속 읽어보세요.

간단한 트랜스포머리스 전원 공급 장치 회로 4가지 설명

기본 트랜스포머리스 설계

기본 트랜스포머리스 회로 설계

회로 동작 및 설계

• C1은 높은 교류(120V 또는 220V 메인)를 더 나은 출력 직류 부하를 위해 낮은 직류로 낮춥니다.
• 회로를 메인 입력에서 분리할 때, R1은 높은 전압의 C1에 대한 방전 경로를 제공합니다. 이렇게 하면 C1이 메인 전원에 없을 때 플러그 핀으로부터 전압 충격을 방지할 수 있습니다.
• D1~D4는 브리지 정류기입니다. C1에서 나온 낮은 교류를 낮은 직류로 변환합니다.
• 결과적인 직류 전압은 릴레이를 제외한 대부분의 저전압 장치에는 여전히 높습니다. 제너 다이오드가 높은 전압을 원하는 권장 값으로 분로(셔트)시킵니다.
• R2는 전류 제한 저항입니다. C1은 교류 메인 입력 최초 인가 시 몇 밀리초 동안 단락을 제공합니다. 이 짧은 시간 동안 높은 교류 전류가 회로로 유입되어 출력 부하를 손상시킬 수 있습니다. R2가 이를 방지합니다.
• 마지막으로 C2는 필터 커패시터 역할을 합니다. 브리지 정류기에서 나온 100Hz 리플을 더 깨끗한 직류로 만듭니다.

전압 안정형 트랜스포머리스 전원 공급 장치로 업그레이드

여기서는 용량성 전원 공급 회로를 가변형 또는 서지 없는 전압 안정형 트랜스포머리스 전원 공급 장치로 변환합니다.

전압 안정형 트랜스포머리스 전원 공급 장치로 업그레이드한 회로

회로 설계/동작

• 1N4007 다이오드가 메인 전압을 정류하고 10uF/400V 커패시터가 필터링합니다. 그러면 메인에서 정류된 피크 전압은 310V에 도달합니다.
• TIP122(MJE13005도 사용 가능)의 베이스가 전압 분배 네트워크를 구성하여 필요한 출력 전압을 유지합니다. 또한 TIP122의 그라운드/이미터 사이에 10k 포트를 설정하여 12V를 얻을 수 있습니다.
• 220uF/50V 커패시터는 켜진 회로에서 베이스를 순간적으로 0V로 만들어 스위치를 끕니다.
• 스위치 온 기간 동안 인덕터는 코일을 통해 돌입 전류가 회로로 유입되는 것을 제한합니다. 또한 높은 저항을 제공하여 손상을 방지합니다.

핵심 포인트: 전압 레귤레이터 IC7805를 사용하여 강압 전압 또는 5V를 얻을 수도 있습니다.

제로 크로싱 트랜스포머리스 전원 공급 장치 회로

세 번째 프로젝트는 주로 용량성 트랜스포머리스 전원 공급 장치에 제로 크로싱 감지를 적용합니다. 커패시터는 전원 전압을 인가받을 때 몇 밀리초 동안 단락처럼 동작했다가 충전된 후 지정된 출력 레벨로 돌아갑니다.

회로 설계 및 동작

제로 크로싱 트랜스포머리스 전원 공급 장치 회로

교류 메인에서의 제로 크로싱

교류 메인 전위는 영점에서 최대값으로, 또는 그 반대로 극성과 함께 상승하고 하강하는 전압 사이클을 포함합니다.

메인 전압이 사이클 피크에 가까워지면 높은 전류와 전압을 가집니다. 이때 용량성 전원 공급 장치를 켜면 높은 전압이 직류 부하와 전원 공급 장치를 뚫고 들어갑니다.

반대로, 메인 제로 크로싱에서는 위상 영점에 가까워질수록 약한 전압과 전류를 가집니다. 따라서 이때 장치를 켜면 안전하며 서지 전류를 경험하지 않습니다.

요약하자면, 교류 입력이 위상 영점을 통과할 때 용량성 전원 공급 장치를 켜면 서지 전류를 방지할 수 있습니다.

작동 방식

• 초기 전원 인가 시 게이트 드라이버가 없어 트라이액은 꺼진 상태를 유지합니다. 또한 브리지 네트워크에 연결된 부하도 꺼진 상태입니다.
• 105V/400V 커패시터 출력에서 나온 전압이 옵토커플러 IC의 핀 1/2을 통해 IR LED로 전달됩니다. IR LED의 빛 응답이 입력을 모니터링하고 처리합니다. 따라서 회로가 교류 사이클이 제로 크로싱 지점에 접근함을 감지하면 내부 스위치가 토글됩니다.
• 마지막으로 트라이액을 파이어링하여 유닛을 다시 켜기/끄기 전까지 켜진 상태를 유지합니다.

IC 555를 사용한 스위칭 트랜스포머리스 전원 공급 장치

최종 솔루션은 IC 555의 단안정 모드를 사용하여 돌입 서지를 제어하는 것입니다. 또한 IC 555는 제로 크로싱 스위칭 회로 개념을 통합합니다.

555 타이머 IC

제로 크로싱 스위칭의 정의

교류 메인의 사인파는 영점 전위에서 시작합니다. 그런 다음 점차 피크 전압점(120V 또는 220V)까지 상승했다가 초기 영점 표시로 돌아옵니다. 이를 양의 사이클이라고 합니다.

양의 사이클 후 파형은 다시 같은 과정을 거치지만 음의 방향으로 영점까지 내려갑니다. 메인 유틸리티 요구사항에 따라 초당 50~60회 사이클이 발생합니다.

파형이 회로에 진입할 때 영점이 아닌 지점에서는 스위치 온 서지가 발생합니다. 그 즉각적인 이유는 파형의 높은 전류 때문입니다. 부하는 영점 크로싱 중에 온 스위치를 마주해야 문제를 피할 수 있습니다. 이렇게 하면 점진적인 상승이 위험을 초래하지 않습니다.

IC555를 사용한 스위칭 트랜스포머리스 회로

회로 동작

위 회로도에서:

• 네 개의 1N4007 다이오드는 표준 브리지 정류기 구성으로 작동하며, 캐소드 접합부는 100Hz 리플을 생성합니다.
• 47k/20K 전위 분배기가 100Hz 주파수를 낮추고, 이것이 IC555의 양극 레일로 전달됩니다. 전위가 조절된 후 C1과 D1이 필터링합니다.
• 100k 저항을 통해 Q1의 베이스도 전위를 받습니다.
• 교류 메인이 (+)0.6V 이상이면 Q1은 꺼진 상태를 유지합니다. 그러나 교류 파형이 (+)0.6V 아래로 내려가면 Q1이 켜지고, 핀 2를 접지시켜 IC의 핀 3에 양의 출력을 생성합니다.
• 이후 IC 출력이 부하와 SCR을 켜고 MMV 기간이 지날 때까지 상태를 유지합니다. 그런 다음 새로운 사이클이 시작됩니다.
• 안정된 온 타임은 부하에 추가 전류를 생성하여 LED를 더 밝게 합니다. 1M 프리셋을 조절하여 단안정의 온 타임을 설정할 수 있습니다. IC555 회로는 영점 근처 교류에서 제한되므로 온 타임에 전압 서지가 없습니다.

트랜스포머리스 전원 공급 장치의 응용

트랜스포머리스 전원 공급 장치의 응용 분야는 주로 저비용, 저전력 장치로 다음과 같습니다:

• 아날로그-디지털 변환기,
• LED 전구,

(LED 전구)

• 디지털 통신 시스템,
• 모바일 충전기,
• 전자 장난감,
• TV 수신기,
• 비상등,

(비상등)

• 통신 시스템,
• 전압 레귤레이터 및 분배 회로.

결론

결론적으로 트랜스포머리스 전원 공급 장치 회로는 의심할 여지 없이 트랜스포머 기반 전원 공급 장치를 대체했습니다. 낮은 전류 생산은 저전압 애플리케이션에 이점을 줍니다. 또한 저렴하고 콤팩트합니다.

이 글에서는 필요한 단계와 함께 트랜스포머리스 회로를 만드는 방법을 자세히 설명했습니다. 그래도 더 문의사항이 있으시면 언제든 연락 주시기 바랍니다.