오디오 분배 시스템의 근간이 되는 트랜스포머와 오토포머보다 더 실제적인 것이 있는가? 이 기사는 당신이 이전에 상상했던 철과 구리의 뭉치들로 이루어진 수많은 장치들에 대해 설명할 것이다. 또한 당신은 왜 트랜스포머가 가끔 분배 시스템에서 전력 전달의 장애(bottleneck)가 되었었는지, 제조사들의 주장들을 언제 의심해야 하는지, 고전압 시스템 구성장비의 사양을 어떻게 확인하는지, 그리고 최상의 가능 전력, 충실도, 그리고 대역폭을 전달하는 고전압 시스템을 어떻게 설치하는지에 대해서도 배우게 될 것이다.

고전압의 오디오 분배 시스템
“상시 전원”이라는 용어가 여전히 보편적으로 사용되고 있지만, 필자는 보다 덜 혼란스러운 “고전압”(HV)이라는 용어를 이 기사에서 사용할 것이다. HV 시스템은 여러 용도로 광범위하게 활용되고 있다. HV 시스템은 저비용으로서 전력 손실을 최소화하며 임피던스 매칭을 그다지 신경 쓰지 않고서도 다수의 라우드스피커를 연결할 수 있게 한다. 또한, 하나의 라우드스피커에서 독립적인 전력 조정을 이루어졌다면, 그 라우드스피커는  다른 라우드스피커가 추가되거나 그 시스템에서 빠지게 되더라도, 지속적으로 동일한 양의 전력을 받으며, 그럼으로써 일정하고 균일한 커버리지를 보이게 된다. 그래서 결과적으로, 라우드스피커 단말에서의 트랜스포머 탭으로 볼륨을 조절하는 것이 저항체 패드보다 더 효과적이게 된다.

파워 앰프 단말에서의 트랜스포머 : 출력 전압 증폭
반도체(solid-state) 소자로 된 파워 앰프는 대개 대부분의 HV 시스템의 70.7V와 100V 레벨을 얻기 위해 전압 증폭을 필요로 하며, 트랜스포머나 오토포머가 이러한 기능을 수행할 것이다. 트랜스포머와 오토포머의 차이점은 기사 후반부에서 언급될 것이다. 한편으로, “트랜스포머”라는 용어는 두 가지 형태로 볼 수 있을 것이다. 트랜스포머는 고정된 비율, 즉 “권선비” 로 앰프 출력을 증폭한다. 올바른 트랜스포머는 적절한 양의 증폭 양을 제공할 것이며, 이것은 단순히 앰프의 최대 전력 출력 전압으로 나누어진, 원하는 HV 시스템 전압(예를 들면, 70.7V)이다.
이제부터는 HV 시스템을 위한 출력 트랜스포머를 선정하는 기본 단계에 대해 알아볼 것이며, 이러한 시스템은 아래와 같은 공식을 사용하여 결정되어 왔다.
적절한 HV 레벨을 얻기 위한 권선비를 결정하기 위해서, 우선 파워 앰프로부터 가능한 깎이지 않은 rms 출력 전압을 측정함으로써 시작하거나, 옴의 법칙(Vout=√(P·R))으로 그것을 계산한다. 예를 들면, 8Ω에서 100W의 앰프의 경우, Vout= 28.3Vrms이다. 다음으로, 원하는 전압의 증폭비(즉, 권선비)를 구해 보자. N=VHV/Vout이며, 예를 들면, N=70.07/28.3=2.5이다. 그런 다음, 계산된 N의 20퍼센트 이내의 권선비와 앰프 출력 수치와 비슷한 데이터 시트 정격 출력을 가진 후보군의 트랜스포머를 선정한다.
다음 단계로, 당신은 포화상태가 될 것 같은 다른 후보 트랜스포머를 제외할 것이다. 가장 중요한 것은, 우수한 효율과 최대 전력 전달을 위해 가장 낮은 시스템 주파수(fIC)를 결정하는 것이다. 그러고 나서, 데이터 시트의 정격을 찾거나 fIC 에서의 후보 트랜스포머의 전압 안정도(voltage tolerance)를 결정하기 위해 테스트를 수행한다.  적격이 되려면, 트랜스포머가 fIC에서 Vout과 함께 구동될 때 포화되지 않아야 한다. 당신은 데이터시트에서 이러한 특성을 결정할 수도, 하지 못할 수도 있다. 반복해서 읽어야 하며, 트랜스포머의 저주파수 전압 특성이 시스템 전력 공급에 있어서 주요한 제한적 요소가 된다는 것을 명심해야 한다.

권선비 : 데이터시트에서의 확인
이것은 대부분의 데이터시트에 표시되지 않지만, 당신은 보통 이것을 다른 사양으로 계산할 수 있다. 우선 트랜스포머 데이터시트에 있는 정보들로부터, 1차 전압(또는 1차 전력과 임피던스)과 2차 전압 간의 관계가 표현되어 있는 사양들의 조합을 찾아본다. 생략되어 있는 권선비를 계산하기 위해 아래와 같은 유도식을 사용한다.

예를 들면, 4옴에서 300W(앰프/1차 전원 부분)와 70.7V(2차 부분)를 보이는 트랜스포머의 데이터시트 사양에서, 파워 앰프 출력 전압 VPA=34.6V를 구하기 위해 첫 번째 공식을 사용한다. 그러고 나서 세 번째 공식을 사용하여, N=2.04를 구한다.
일부 트랜스포머들은 그들의 데이터시트에 전압 탭을 부르는 각자의 명칭으로 표시하고 있다. 예를 들면, 한 트랜스포머는 70.7V와 100V의 2차 탭과 함께 25V, 35V 그리고 45V의 1차 탭을 갖고 있다. 1차와 2차 탭의 조합에 있어서, 효과적인 권선비는 단순히 상기의 세 번째 공식에서 보이듯이, 1차 탭 수치와 2차 탭 수치간의 비율이다.
이제 우리는 권선비를 알게 되었으니, 성능에 가장 크게 영향을 미치는 다른 특성에 대해 알아 볼 것이며, 이것은 통상적으로 트랜스포머의 크기와 무게로 좌우되는 ‘전압 특성’이다.

포화(Saturation) : 전속에 관한 것인가?
트랜스포머는 저주파수에서 그들의 기능을 제한하는 포화 문제가 있다. 사실, 100Hz에서 가장 잘 기능하는 트랜스포머는 한 옥타브가 낮은 주파수에서는 앰프 킬러가 될 수도 있다. 분배 트랜스포머가 포화되면 어떤 현상이 발생하는가? 이런 경우에는 어떻게 들리는가? 이러한 것이 당신의 모든 HV 시스템에 하이패스 필터를 설치해야 한다는 것을 의미하는가? 이러한 것에 대한 해답에 대해 설명하도록 한다.
트랜스포머가 포화될 경우 어떤 현상이 발생하는가? 트랜스포머는 쌍으로 된 자기장을 통해 커플링 함으로써 1차 코일로부터 2차 코일로 전력을 전달한다. 이러한 전력의 전달은 엄청날 정도로 효율적이며, 이러한 작용은 코어가 유무에 상관없이 발생한다. 그러나 철심은 두 가지의 중요한 역할을 수행한다. 첫 번째는 자기장이 포함된다는 것이다. 심이 없다면, 자기장의 중요한 부분이 코일 주변에서 상호 커플링을 감소시키고, 잠재적으로 간섭 현상을 야기하면서 급증하게 된다. 두 번째로, 심에 있는 자기장은 1차 코일에 있는 단방향의 전류 흐름에 역행한다. 이것은 트랜스포머가 두꺼운 동선으로 만들어졌다고 해도, 트랜스포머의 1차 코일이 일반적으로 단락(short)처럼 행동하지 않는 이유이다. 심이 없다면, 1차측은 단락처럼 행동하고, 포화된 심은 더 이상 심으로서의 역할을 수행하지 않는다는 것을 명심해야 한다.
그림 1은 포화상태가 입력의 각각의 절반 사이클의 끝 부분으로 들어가는 분배 트랜스포머의 1차 전압(노란색)과 전류(파란색)의 오실로스코프 파형을 보여주고 있다. 두 파형은 사인파형이지만, 전류 파형에서의 산 모양으로 꺾어 올라간 부분(spikes)은 포화(saturation) 때문이다. 이런 경우에도, 파워 앰프는 여전히 전류의 스파이크에 상관없이 계속해서 사인파를 잘 전달하고 있다는 것에 주목해야 한다. 덜 견고한 파워 앰프는 각각의 스파이크에 상응하여 상당한 왜곡을 보여줄 것이다. 1차와 2차의 커플링은 심의 포화에 영향을 받지 않는다. 그러나 포화상태 동안에는, 1차측의 DC 저항이 갑자기 병행해서 나타난다. 따라서 이 파워앰프는 자신의 출력 전압을 유지하려 애쓰게 되지만, 그 부하 임피던스는 갑작스런 곤두박질을 하게 된다.
심의 포화는 심에 있는 자기장이 최대의 가능 밀도에 도달할 때 발생하며, 이것은 적용된 전압의 극성이 오랫동안 동일한 상태로 유지되는 경우에 발생하는 것이다. 이 포화상태는 전력의 전달과는 상관이 없으며, 포화상태의 시작은 1차측에 적용된 전압 파형에만 관련이 있다는 것도 명심해야 한다.
이러한 점을 보충설명하기 위해, 부하가 없는(개방 회로) 2차측의 앰프 전압과 전류를 그림 2에 표시하였다. 1차측의 볼트-초 제한이 도달하기 전까지 전류 파형이 제로 근처에서 유지된다.
오디오 신호의 경우, 심의 포화상태는 주파수가 낮아질 때 좀더 비슷해지며, 적용된 전압을 상승시킨다. 그림 2에서, 입력은 25Hz에서 20Vrms이다. 포화상태의 개시는 전압과 시간에 관계가 있어서, 50Hz, 40Vrms에서도 유사한 문제를 볼 수 있을 것이다. 트랜스포머의 포화 전압은 주파수에 따라 선형적으로 상승하며, 이것은 전력 제어 기능이 주파수의 역제곱으로 감소한다는 것을 의미한다. DC 전압이 트랜스포머에서 심각한 문제라는 것은 그리 놀랄 일도 아니다. 왜냐하면, DC는 제로 주파수와 같기 때문이다. 사실, 몇 십 또는 몇 백 밀리볼트의 DC 오프셋 전압은 트랜스포머를 비대칭적으로 포화시킬 수가 있으며, 이것은 포화 전류 스파이크가 주로 하나의 신호 극성에서 나타날 것이라는 것을 의미한다. 이러한 이유 때문에 일부 파워 앰프들은 분배 트랜스포머와 조화가 맞지 않는 경우도 있다. 이것은 또한 일부 제조사들이 저항체와 커패시터를 분배 트랜스포머에 직렬로 연결하고, 더 나아가 저주파수 응답과 맞출 것을 권고하는 이유이기도 하다. 잘 설계된 파워앰프는 낮은 오프셋 전압을 갖고 있으며, 잘 설계된 트랜스포머는 어느 정도의 오프셋 전압을 받아들일 수 있다.

포화상태에서의 사운드
파워앰프가 갑자기 다량의 전류를 전달하려 할 경우에, 대부분의 앰프들은 자신의 출력 전압을 낮춤으로써 장비를 보호할 것이다. 보다 우수한 앰프의 경우, SOA(Safe Operating Area) 회로를 작동할 것이다. 이것보다 조금 낮은 수준의 앰프들은, 내부 파워 서플라이의 전압이 약해지고, 그 앰프 회로는 곧 충실한 신호를 전달할 수 없게 된다. 일부 앰프들은 퓨즈가 나가버리거나 심지어는 꺼져 버린다. 사람들이 듣는 소리는 이러한 형태의 과부하에 특정 앰프가 어떻게 대응하는가에 따라 달라진다. 대부분의 경우, 베이스가 매우 왜곡된 신호나 약해진 신호를 듣게 될 것이며, 아무 소리도 못 듣게 될 수도 있다.
이제 크기에 관련된 문제이다. 오디오와 관련해서, 보다 낮은 주파수를 제어하기 위해 보다 큰 장비가 필요하게 되며, 이것은 트랜스포머에도 동일하게 적용된다. 만일 다른 장비들이 평소 상태를 유지하고 있다면, 전자장은 보다 넓은 교차 영역을 통해 보다 낮은 전속밀도를 만들어 내기 때문에, 보다 큰 심이 보다 높은 1차 전압 레벨을 받아들일 수 있다. 트랜스포머의 전압 특성을 향상시키는 또 다른 방법은 각 코일에 있는 권선 수를 늘리는 것이다. 대개 권선수를 늘리는 것은 트랜스포머의 크기와 가격을 상승시키거나, 또 다른 삽입 손실을 야기할 수 있다. 필자가 시험해본 대부분의 트랜스포머는 그 설계자가 단순히 그 설계에 몇 번의 권선 수만 늘렸다면 보다 향상된 성능을 가질 것이다.

이러한 "포화"는 데이터시트의 어디에서 알아볼 수 있는가?
불행하게도, 대부분의 트랜스포머 데이터시트에는 저주파수 특성에 대한 사양이 정확하게 기재되어 있지 않는다. 일부 데이터시트는 애매한 “주파수 응답” 범위를 제공하고 있다. 다행스럽게도, 2차 무부하가 포화를 확인하기에는 필요하기 때문에, 모방 측정(bench measurement)은 쉽다. 사인파 음원을 1차측에 소량의 저항과 함께 직렬로 연결한다. 그런 다음, 전압계나 오실로스코프로 1차측 간의 RMS 전압을 측정한다. 이와 유사하게 저항 간의 전압도 측정한다. 1kHz에서 시작하여 아래로 내린다. 그런 다음, 저항 사이에서, 주파수를 내림에 따라 천천히 증가하는 소량의 전압(1차 전류에 비례함)을 측정해야 한다. 특정 주파수에서, 포화 개시를 알려주는, 저항의 전압의 갑작스런 증가가 보일 것이다. 구동 전압을 바꾸고 이런 과정을 반복한다. 이렇게 한다면, 그림 3과 같은 그래프를 도출할 수 있을 것이다. 이 그림에서의 특정 300W 트랜스포머는 “20Hz~20kHz의 주파수 응답”을 나타내는 데이터시트를 보여준다.

고주파수
저주파수와 포화에 대한 설명에서, 당신은 아마도 포화가 고주파수에는 문제가 되지 않을 것이라고 추측할 것이다. 그러나 다른 실제적인 문제점들이 있다. 1차와 2차간에 커플링 되지 않는, 고립된 전자장에는 코일과 직렬로 누설 인덕턴스(Leakage Inductance)가 생긴다. 누설 인덕턴스는 보다 높은 주파수에서 부하에 사용가능한 전압을 감소시킨다. 심에서의 손실 또한 고 주파수에 영향을 미치는  또 다른 현상이다. 보다 우수한 심은 보다 비싼 철과 보다 얇은 박막을 사용한다. 데이터시트 사양들은 고주파수 성능에 대한 꽤 신뢰할만한 지표들이다.
도넛 형태의 트랜스포머(이 기사의 오프닝 이미지 중 오른편)는 E자 형태의 모델(왼편 그림)보다 더 나은 고주파수 특성과 낮은 누설 인덕턴스를 갖는 편이다. 최상의 특성은 이 두 형태 모두 가능하지만, 이것은 그 설계의 세밀함에 달려 있다고 할 수 있다.

삽입 손실(Insertion Loss)
이유를 이해하기는 어렵지만, 삽입 손실은 분배 트랜스포머에 있어서 수임자의 사양임이 틀림없다. 라우드스피커 자체의 손실은 전적으로 대부분의 오디오 시스템을 지배하며, 오디도 전원은 구하기 쉽고 값도 싸다. 오디오 프로그램 자원과 함께 매우 손실이 많은 분배 트랜스포머까지도 과열시키는 것은 거의 불가능하다. 저주파수에서 커플링 되기에 충분할 정도로 큰 트랜스포머에는 매우 많은 철, 구리가 있으며, 평균적인 오디오 전원은 그 트랜스포머가 수용해야 할 최대치보다 훨씬 더 낮다. 마지막으로 삽입 손실을 일으키는 권선 저항은 이것이 DC 오프셋을 위한 트랜스포머의 내구성을 향상시키기 때문에 바람직한 특성이라고 할 수 있다. 궁극적으로, 삽입 손실은 유용한 특성은 아니다. 대신, 고주파수와 저주파수에서 전력을 전달하는 각 트랜스포머의 능력에 대해 초점을 맞추고자 한다.

라우드스피커 종단에서의 트랜스포머
파워앰프의 분배 트랜스포머의 2차측에서, 우리는 병렬로 HV 라우드스피커를 연결하고( 각 장소에서 필요한 증폭을 얻기에 필요한 파워 탭을 조정한다. 대개 시스템 설계자들은 내부 트랜스포머와 함께 HV 라우드스피커를 명시해서, 그 드라이버와 트랜스포머는 잘 매칭이 될 거라고 생각할 것이다. 그렇다면 무엇을 걱정하는가? 병렬의 10개의 10W 트랜스포머는 하나의 큰 100W 트랜스포머만큼 다루기 힘들다는 것이 밝혀졌다. 위에서 언급했던 트랜스포머의 특성이 라우드스피커 종단에서도 동일하게 적용된다.

라우드스피커 스텝다운 트랜스포머와 포화
라우드스피커 종단에서의 트랜스포머는 앰프 종단에서와 마찬가지로 포화상태가 되기 쉽다. 10개 이상의 트랜스포머 모두가 병렬 상태로 동시에 전압 포화상태에 도달할 경우의 결과를 상상해 보라. 더욱이, 포화는 전압에만 관련 있기 때문에, 각각의 라우드스피커 트랜스포머는 가장 낮은 시스템 주파수에서 그것에 할당된 전력량에 상관없이 최대 HV 전압 레벨을 견딜 수 있어야 한다. 이것이 대부분의 HV 라우드스피커 모듈에 트랜스포머 포화 같은 것을 감소시키기 위해 직렬의 커패시터를 구비하는 이유이다. 그러나 이들 커패시터들이 이러한 스파이크가 생기기 시작하면 포화 전류 스파이크를 전달하기에 완벽화게 최적화되어 있다는 것을 명심해야 한다.

임피던스 매칭
최상의 결과를 위해서, 라우드스피커 탭들이 파워앰프 정격 출력이나 파워앰프 분배 트랜스포머 정격을 합칠 수 있도록 라우드스피커 탭을 조정한다. 이것은 적절한 비율의 부하 임피던스를 파워앰프에 제공할 것이며, 저 주파수에서 트랜스포머에 있는 포화의 영향을 최소화하면서 정격 출력을 향상시킬 것이다. 라우드스피커가 더 추가되거나 파워 탭 세팅이 앰프나 트랜스포머의 정격 이하로 증가하는 경우에, 파워 앰프의 부하 임피던스는 이에 반비례하여 감소될 것이다. 보다 작지만 여전히 선형인 부하 임피던스는 대개 고도로 비선형인 포화되는 트랜스미터에 선호되는 대체품이다.

분리 또는 비분리
분배 트랜스미터는 오토포머(비분리)와 트랜스포머(분리 구성) 모두를 사용할 수 있다. 그래서 앰프 결선부터 라우드스피커 결선을 분리하는 옵션을 갖게 된다. 적어도 그렇게 하려 하는 이유가 몇 가지 있다.
첫 번째 이유는 안전을 위한 분리이다. 분배 트랜스포머는 치명적인 메인 파워 포텐셜과 접근 가능한 라우드스피커 터미널간의 추가의 장벽을 제공할 수 있다. 분리하는 트랜스포머로부터의 HV 라인은 접지와는 무 포텐셜 관계가 있기 때문에 한꺼번에 두 라인 모두가 결속되는 경우를 제외하고는 쇼크가 일어나지 않는다. 일부 전기 점검관들은 파워앰프 출력으로부터 HV 라인이 분리되기를 요구하기도 한다.
두 번째 이유는 그라운드 루프를 깨기 위한 분리이다. 접지에 연결된 포텐셜을 차폐하고 있는 다양한 형태의 오디오 장비의 경우, 분리되지 않은 HV 라우드스피커 라인은 임시로(가끔) 매우 넓은 범위로 그라운드 루프를 위한 리턴 경로를 제공하기도 한다. 플라스틱 라우드스피커 엔클로저가 대부분인 요즘에는, 이러한 것이 더욱더 귀해지고 있다.

요약
파워앰프 종단에서의 분배 트랜스포머를 선정할 경우, HV 시스템 레벨을 증폭하고 파워앰프에 맞는 임피던스를 제공하기에 적절한 권선비를 선정한다. 당신은 다른 사양들로부터 권선비를 도출해낼 수 있다. 다음으로는, 양호한 저주파수 전력 전달을 위해 포화를 예방하는 충분한 저주파수 전압 기능을 선택한다. 여기에서 당신은 직접 측정을 해보는 것이 좋다. 마지막으로 양호한 고주파수 전력 전달을 위해 낮은 누설 인덕턴스와 낮은 심의 손실을 충분히 검토하여야 한다. 이러한 것들은 데이터시트의 정보들을 적절히 활용하면 된다.
라우드스피커 종단에서의 트랜스포머의 경우, 이것들도 동일한 문제들로 고생하고 있으며 시스템에서 취약점이 되고 있다. 그것들은 또한 라우드스피커 모듈과 자주 매칭 되고 포함되어서, 태생적인 특징들을 알아야만 한다.
또한, 두 형태의 심과 함께 설계 디테일이 형태보다 더 중요하다는 것도 명심해야 한다. 그리고 마지막으로, 트랜스포머 분리는 안전성을 향상시키고 그라운드 루프도 제거한다는 것도 알아야 한다.