[HAM] 라디오 전파 C 급 증폭기 (실전)
앞선 무선통신용 라디오 전파 C 급 증폭기(The Radio Frequency Class C Amplifier)의 SPICE 회로 시뮬레이션에 이어 실제 회로를 꾸며 보기로 한다.
[참조1] [HAM] 라디오 전파 C 급 증폭기 (SPICE 회로 시뮬레이션) [링크]
이 글은 'FesZ Electronics' 채널의 The RF Class C amplifier - basics and simulations (2/2)을 따라 요약하고 약간의 설명을 덧붙였다. 원본 동영상을 찾아가서 좋아요 한번씩 눌러주자.
[참조2] The RF Class C amplifier - basics and simulations (2/2) [링크]
글을 시작하기 전에 밝혀두자면 메가 헤르츠급의 전파를 다루는 회로를 빵판(bread board)에 꾸미게 될 것이고 사용하는 컨덴서 부품도 '온도보상'과는 거리가 멀다. 정교하지 않은 부품을 사용할 뿐만 아니라 동원된 신호발생기나 오실로 스코프는 기능이 한참 떨어지고 불편하다. 하지만 부족하다고 구경만 할 쏘냐! 하는데까지 해보는거다. 참고한 동영상에 나오는 수준급 장비 같은 것은 없다. 적절한 부품도 없이 따라하긴 할텐데 약간 비슷한 결과를 보여줄 것이다.
국내에도 번역판이 있는 '랩걸'. 여성이라는 편견과 배경이 없는 신참 과학자가 남이버린 고물 장비를 고치고 스스로 만들어 수준급 실험실을 꾸몄다는 이야기는 감동적이다. 그렇게까지는 못해도 흉내는 내보고 싶다.
[참조4] How two determined scientists built a world-class lab out of Radio Shack parts [링크]
[참조5] '랩 걸'을 읽고 나니 누군가의 연구 조수가 되어 주고 싶어 졌다. [링크]
그럼 시작해 보자.
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무선통신 전파를 공간으로 보내기 위해 C 급 증폭기를 많이 사용한다는 이야기는 이미 앞선 글[링크]에서 여러번 이야기 했으니 다시 언급 하지는 않겠다. 이제 회로 시뮬레이터로 설계[라고 하기엔 조금 민망하지만]했던 회로를 실제 부품을 이용해 꾸며보고 이론과 실제의 차이의 벽을 실감해 보기로 한다. 아울러 전문가와 아마추어의 [장비의 차이라고 강변하고 싶은] 차이 또한 보게 될 것이다.
먼저 설계하려는 목표를 이렇게 정했다.
회로: C 급 전파 증폭기
출력: 0.5W
구동전압: 10 Volt
주파수는 아마추어 무선통신용 주파수 3650kHz로 했다. 그나마 낮은 대역이라 실험하기 용이해서 정했을 뿐이다.
증폭기의 입출력은 AC 신호를 다룬다. 그러니 AC 전압 읽는 법부터 알아보자.
[출처] https://byjus.com/physics/rms-value-alternating-current/
1. V_pk: AC 전압. 보통 멀티미터에서 측정되는 전압은 0 볼트를 기준으로 양의 최대치 전압을 말한다.
2. V_pk-pk: Peak-to-Peak 전압. 교류는 양의 전압과 음의 전압으로 진동한다. 이때 진동의 주기는 고정되어 있다고 하자. 양의 최대치와 음의 최대치 전압을 뜻한다.
3. V_RMS: 자승평균(Root-Mean-Square)전압. 사인파 형태로 변하는 전압을 직류처럼 채웠을때 전압. (실효전압)
4. V_AV: 평균전압(Average)
AC 전압 읽는 법을 먼저 짚고 가는 이유는 증폭기의 입출력을 전력으로 계산할 것이기 때문이다. 전력은 전압 곱하기 전류다. 이 공식에 교류의 경우 어떤 전압치를 쓸지 알아야 하지 않겠는가. 교류는 실효전압을 사용한다.
설계하려는 증폭기의 목표가 정해졌고 조건이 주어졌다. 이에 맞는 증폭기의 설계 순서는 아래 그림과 같다.
첫번째 할 일은 LC 동조기에 걸릴 저항 R_L을 구한다. 이 저항은 결국 C 급 증폭기의 컬렉터 저항(임피던스)가 될 것이다. LC 동조기의 임피던스와 동일한 저항이 부하로 걸려야 최대 전력 전달이 이뤄질 것이기 때문이다.
증폭기에 공급될 전압과 얻고자하는 출력전력으로부터 LC-동조기가 가져야할 임피던스(저항)은 100옴이다. 다음은 동조기의 L 과 C 를 구할 차례다.
사실 C급 증폭기라고 하지만 회로들을 보면 다양한 모습을 하고 있다. 컬렉터에 공진기를 가지고 있지 않은 경우, 저항을 달고 있는 경우, 에미터에 저항과 바이패스 컨덴서를 달고 있는 경우 등등 다양하다. 사용할 트랜지스터 혹은 FET의 특성에 따라 달라지기도 하고 소자의 보호를 위해 저항을 달기도 한다. 이번에 설계하려는 증폭기는 컬렉터에 LC 공진기를 가진 C 급 증폭기다. 이 공진기의 내부 저항이 결국 이 증폭기의 부하가 될 것이다. 이 부하저항은 LC 공진기의 Q 값으로 결정한다. Q 는 5이상의 값으로 설정하는데 대역폭을 좁히기 위해 10으로 잡았다.
Q 와 공진 주파수를 가지고 L 과 C 를 정한다. 먼저 C 를 고려한다. 코일은 감아서 적절한 것을 쓸 수도 있지만 C 는 임의로 만들기 여의치 않다. 게다가 고주파를 상대하는 경우 극히 작은 용량의 컨덴서들이 사용된다. 먼저 컨덴서를 계산하고 이어 코일을 계산한다. 간단한 대수계산이다.
트랜지스터를 켜고 컬렉터에서 얻는 출력은 모두 DC 영역에서 이뤄진다. 컨덴서를 써서 이를 AC로 바꿔야 한다. 이때 사용된 컨덴서는 DC 성분을 포함한 저주파 부분을 제거하는 RC 고역 통과 필터 HPF 가 된다. HPF의 차단 주파수는 공진 주파수의 10%에 해당하는 대역 이하로 잡아준다. 사용주파수의 10%면 약 365kHz 인데 이보다 작으면 된다. 10nF 정도의 컨덴서 용량이면 부하저항 100옴과 결합하여 차단 주파수가 약 159Khz이니 HPF의 조건을 만족한다. 이 컨덴서는 대략 DC 성분을 차단하는 용도라 아주 정확하게 다루지 않는 경향이 있다.
이제 증폭기 출력 임피던스 100옴과 안테나 임피던스 50옴, 주파수 3.65Mhz의 임피던스 매칭 회로를 구해보자. 스미스 차트를 이용한다.
임피던스 매칭 탱크회로의 설계는 사용될 C 와 L에 따라 매우 다양한 값을 가질 수 있다. 가용한 표준 C 와 L을 조합할 수 있는지 고려한다. 이로써 최종 회로가 완성 되었다.
가지고 있는 부품통을 다 뒤져봐도 저 회로에 맞는 부품이 있을리가 없다. 가용한 부품으로 가장 근접한 회로를 꾸며 시뮬레이션 하면 아래와 같다.
트랜지스터 베이스 입력 전압을 가변시켜 가면서 효율을 계산한다. 효율은 dc_offset=0.25 일때 가장 컷는데 약 53.4%가 나왔다. 다소 부족하지만 그 정도로 만족해 보자. 입출력 파형을 보면 C 급동작을 하는것을 볼 수 있다. 최대효율의 바이어스일 때 컨덕션 각도(conduction angle, 트랜지스터의 스위치를 켜는 시간과 같다)은 180도 이하 구간이다. 이를 넘기면 포화되어 전류가 역류하기 시작하여 효율이 떨어진다. 그렇더라도 컨덕션 각도의 폭이 길어져 출력은 증가한다. dc_offset을 과도하게 높일 경우 트랜지스터는 열폭주하여 PN 접합이 파괴된다.
빵판(bread board)에 회로를 꾸며 실험해 보자.
부품통에서 가용한 컨덴서를 조합하여 필요한 용량을 만든다. 가지고 있는 시그널 제네레이터가 DC 오프셑 가변 기능이 없다. 가변저항을 써서 입력 신호의 DC 오프셑을 조절했다.
DC 오프셑이 낮을 때 트랜지스터 스위칭 전압에 이르지 못하면 출력은 나오지 않는다. 서서히 높여 컨덕션 각도에 접근하면 출력이 나오기 시작한다. 트랜지스터가 작동하면서 입력 전력을 까먹기 때문에 입력 파형이 찌그러지는데 상관 없다. 주기적으로 트랜지스터를 켜주기만 하면 된다. 출력은 컬렉터에 달린 LC 동조기가 만들어 낸다. 입력으로 사용하는 시그널 제네레이터가 시원찮기도 하고 포텐쇼미터도 그저 그런탓에 부품의 손실이 있다. 오프셑을 좀더 높이면 입력신호 찌그러짐이 늘어나지만 컨덕션 앵글이 넓어져 좀더 큰 출력을 얻을 수 있으나 열이 심하게 난다.
주파수 체배기 실험을 해봤다. 입력 신호의 주파수를 반으로 줄였다. 상당한 댐핑이 있지만 어쨌든 두배의 주파수를 보여준다.
보유한 장비가 이것 밖에 없으니 실험은 이정도로 하겠다. 보다 정밀한 실험을 보고 싶다면 참고한 동영상을 보기 바란다.
[참조2] The RF Class C amplifier - basics and simulations (2/2) [링크]
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DC 오프셑 조절이 세밀하지 못해 정밀한 실험이 되지 못했지만 C 급 증폭기는 얼추 이해할 수 있다. 그탓에 트랜지스터만 십여개 태워먹었다. 트랜지스터가 사망하면서 '빡~!' 하는 외마디 비명소리와 이어지는 연기와 냄새를 맏노라면 마음이 찢어진다. 햄린이의 실험을 위해 사망한 2N2222 트랜지스터에게 애도를 표한다.
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