Output Transformer Saturation

파워 앰프까지 고려하고 나면 남는 부분이 output transformer와 output feedback, 그리고 speaker가 된다. 회로를 이론적으로 보면 output transformer처럼 transparent한 부품이 없을 것 같은데, 이 또한 기타 앰프 톤에 영향을 미친다는 사실을 간과할 수 없다.무슨 말이냐면 output transformer가 saturate하는 특성이 있어서 또 한번의 찌그러짐을 일으킨다는 이야기가 된다. 왜 이런 현상이 일어나냐 하면 트랜스는 1차측에 교류를 흘려보내서 그것을 자기장의 변화로 바꾸고, 그 자기장의 변화가 철심 (코어)을 타고 2차측의 코일에 유도 전압을 발생하게 되는 방법으로 전압과 전류의 비 (또는 임피던스라고도 함)를 바꿔주는데 이 때 철심이 흘려 보낼 수 있는 자기장의 흐름을 넘어서는 입력이 들어오게 되면 전류의 변화를 자기장으로 모두 변화시키지 못하게 된다. 이렇게 되면 사실상 트랜스의 효율이 떨어져서 전력을 전달하는데 문제가 발생하게 되는 것이라고 볼 수 있는데, 오디오에서는 이러한 문제 때문에 파형이 원하지 않게 찌그러지기도 하고 특정 주파수 성분 (전류의 흐름이 같게 유지되는 기간이 많은 경우 = 주로 저음)이 깎여나가게 되기도 한다. 기본적으로 transformer는 2개의 loop를 전기적인 연결 없이 연결시키는 기능을 한다. 다시말해서 전류의 흐름을 자기장의 변화로 바꿔서 다른 회로로 전기적인 연결이 없으면서도 연결시키게 된다. 그림으로 보면 이렇게 되는데, 실제로 얇은 금속 판을 겹겹이 쌓아서 두꺼운 뭉치를 만들고 그 위에 coil을 엄청나게 감아서 만들어지게 되는데, 1차측과 2차측을 같은 뭉치에 묶게 된다. 1차측과 2차측은 절연지, 그리고 코일의 절연코딩 때문에 전기적인 연결은 없다(고 가정한다. 실제로 있을 수 밖에 없다). 1차측에서 어떠한 전기적 흐름의 변화가 생기면 그것이 금속뭉치에 자기장의 변화로 유도되고 그 유도된 자기장의 변화는 2차측의 코일에 전류흐름을 유도시키게 된다. 그래서 전기적인 연결은 없지만 1차측과 2차측이 서로 연결되게 되는 것이다.

1차측에 걸리는 전압이 예를 들어 교류 100볼트라고 하면, 1차측과 2차측의 코일을 감은 수의 비에 따라 2차측에 유도되는 교류의 전압이 결정된다. 20:1의 비라고 한다면 2차측에는 5볼트의 교류가 유도된다. 전류는 이와 반대의 비율로 유도되어 쉽게 말하면 전력(전류x전압)은 고스란히 전달되는데, 전압과 전류의 비가 코일의 감은 수에 따라 결정된다라고 이해하면 되겠다 (이 내용은 예전 중학 교육과정에 포함되어있는 거라 다 아는 내용이다).문제는 이렇게 전기흐름이 자기장으로 변화될 때 발생한다. 멀쩡한 금속이 외부의 압력으로 어떤 자성을 갖게 되려면 반발하려는 움직임이 있게 마련이고, 또 자성을 갖게 되더라도 금속자체의 물성의 한계에 따라 어느 이상은 받아들이지 못하게 되는 성질도 있게 될 것이다. 즉, 1차측의 전류량이 늘어남에 따라 유도되는 자성의 크기가 증가하다가 어느 수준에 이르르면 포화된다는 말이된다. 그 얘기는 아울러 전류의 음양 변화가 극심한 경우보다 느린 경우, 즉 단위 시간에 한 방향으로 흘리는 전류의 양이 많은 경우에 문제가 될 수 밖에 없다. 결국 상대적으로 전류를 많이 흘리는 저음에 있어서 포화현상이 심화되고, 그렇지 않은 경우는 덜하다고 말할 수 있다. 또 코일 그 자체가 이렇게 둥그렇게 감아버리면 inductor (L)이 되어서 고음의 흐름을 방해하는 성질을 갖게 됨은 물론이고, 트랜스에 1차 2차를 함께 감게 되면 그 사이가 절연체와 공기로 이루어진 sandwich가 되니까 capacitance (C)의 성분도 아울러 생겨나게 된다. 따라서, 이것을 고음과 저음으로 나누어 등가회로로 나타내면 아래 그림 처럼 된다.

복잡한 것은 다 얘기할 필요가 없고, 중요한 것만 요약하면1. 트랜스포머의 포화현상 때문에 파워앰프의 출력은 컴프레서가 걸린 듯한 출력이 된다.1. 트랜스포머에 의해서 일부의 고음 영역은 쌀짝 강조되고 트랜스포머의 크기가 작을 수록 저음이 약해지면서 컴프레스의 효과가 두드러지게 된다.