This blog is about country life of myself; raising kitchen garden, star gazing, studying math., HAM Radio, homebrewing electronics. You can visit my other blog "Teaching with Fun" about Semiconductor Design. Postings on this blog are written in Korean. Foreign visitors can read through Google's translation service. AI translation is sometimes IDIOT. ;-)
작년 12월 27일에 실시됐던 지구근접 소행성 전파탐지 실험이 있었다. 여러 나라에서 아마추어 무선사들로부터 약 300여건의 보고를 받았다고 한다. 수주 후에 보고서를 낼 예정인데 이 실험에 참여해준 아마추어 무선사들에게 감사드린다고. 알래스카 퍼뱅크스에 소재한 이 거대한 단파 레이더는 2015년 미 공군이 알라스카 대학에 이전한 시설이다.
설원에 얼어붙은 HAARP(High-frequency Active Auroral Research Program) 레이다 시설 사진.
NASA의 제트추진 연구소(JPL)의 관계 말에 따르면,
"This experiment was the first time an asteroid observation was attempted at such low frequencies," he said. "This shows the value of HAARP as a potential future research tool for the study of near-Earth objects."
"이번 실험은 이번처럼 낮은 주파수(10Mhz의 단파)에서 실시된 최초의 소행성 전파탐지 시도였다. 이번 실험으로 지구 근접 천체의 연구에 HAARP의 시설이 가치가 있음을 드러내게 됐다." [연구 지원금 달라는 소리?]
앞서서 철사 옷걸이를 활용해서 2m/70cm 수직 다이폴 안테나를 만들었더랬죠[링크]. 매칭을 좀더 최적으로 해보겠다고 야금야금 자르다가 아뿔싸! 너무 잘라버리는 사태가 발생 했더랬습니다. 다시 철사를 구부리자니 짜증이 한가득! 뭐하러 이짓을 하나~ 라면서 넋놓고 앉아 있다가 문득 발견한 효자손이 바로 텔레스코픽 손잡이 였습니다. 설마 설마 하면서 길이를 재보니 손가락까지 포함 52cm 입니다. 한개더 있어야 겠기에 찾아보니 나무 손잡이가 달린 고급형이 있군요.
사실 고급형 따위 의미 없습니다. 만년필 꼭지처럼 생긴 보급형이 작업하기 훨씬 좋지요. 뒷구멍에 나사가 달렸는데 M4 너트 입니다. 아이러그 단자에 구멍을 뚫고 조여주면 끝!
장착 했더니 이런 모습이군요. 저 손가락이 전파를 마구 긁어 모을것 만 같아요~ SWR 을 맘대로 조절 가능합니다. 70cm 밴드용은 굴러다니는 소형이 있길래 달았습니다.
등긁기용이라 맨 앞단까지 튼튼 하군요. 이정도 텔레스코픽 안테나라고 검색하면 무려 개당 만원 가까이 되더라구요. 하지만 '안테나 효자손'은 개당 1천원!
어재 저녁부터 V/U 밴드 안테나를 만들어야 겠다고 이리저리 검색하다가 수직 다이폴을 찾아냈고, 오늘 아침 일찍부터 철사 옷걸이가지고 씨름하던 차에 이게 눈에 띌 줄이야! 이럴때 생각하죠. 이건 우연이 아니다. 세상이 나를 중심으로 돌아가는구나!
아마추어 무선국을 운용하려면 가장 걸림돌이 안테나 입니다. 도시, 특히나 아파트 살면서 파장이 수십미터나 되는 단파대 안테나를 설치하기는 거의 불가능에 가깝지요. 그래서 파장이 그나마 짧은 2m(145Mhz)와 70cm(430Mhz) 밴드로 아마추어 무선에 입문하는 경우를 흔히 봅니다. 그래도 여전히 안테나는 항상 고심꺼리 입니다. 고정국 운용하기가 수월치 않고 초단파의 전파 특성상 건물이 밀집된 도심에서는 한계가 있어서 야외로 나가 무선국을 운용하고 싶어 하는데 족히 1미터나 될 쇠막대를 휴대하기도 여간 거추장 스러운게 아니죠. 다행히 여러 아이디어들이 있는데 그중 안테나의 가장 기본 형태인 다이폴 안테나를 접을 수 있게 만듭니다.
텔레스코픽 안테나를 다이폴로 만들기도 하지요.
SOTA – Lightweight Portable 2m – 70cm Dipole Antenna [Link]
세탁을 맞기면 딸려오는 옷걸이가 탄력이 있는 철사라 수직으로 세워 놔도 제법 잘 버티죠. 그런데 휴대 하기가 만만치 않습니다. 더구나 야외에서 수직으로 거치 하자니 그 또한 수월하지 않구요. 그래서 접이식으로 만들어 봤습니다.
사용할 때는 카메라 삼각대에 거치 합니다.
삼각대의 헤드에 붙이기 위해 3/8-1/4인치 변환 너트를 끼웠습니다.
안테나 아날라이져가 없어서 엘리먼트 길이를 좀 넉넉히 놓고 무전기에 직접 연결하고 길이를 조금씩 잘라가며 SWR을 봐가며 조정 했더니 매칭은 시킬 수 있었네요. 일단 만들어 놓긴 했는데 정작 V/U 밴드를 운용하지 않아서 성능을 말하기는 좀 곤란 하군요. 기본 안테나 역활은 하리라 기대해 봅니다.
전자회로 기초 소자는 트랜지스터로 마무리 하려고 한다. 아마추어 무선을 60여년간 취미로 해왔다는 어느 올드-타이머의 '전자회로 알아서 뭐하냐'[링크]라는 말씀을 듣고(물론 교신하는 것을 듣게 됐음) 잠시 충격을 받아서 회복하느라(?) 이 글을 올리기가 늦었어. '햄린이의 무선공학'의 연재하는 목표[링크]가 라디오의 회로도를 보면서 최소한의 궁금증 정도는 풀어보자는 거였지. 그리고 교신하면서 화잿꺼리로 삼아보면 좋겠다는 소망이 있었는데 저 올드-타이머의 말씀에 다소 현타의 시간이 있었지. 자작 경험도 나누고 자작기로 교신 실험도 해보고 자작에 필요한 부품들은 서로 나누고 정크시장에 가서 어떤 부품을 얼마에 사야 할지 정보도 교환하고 그럼 좋잖아. 간단해 보여서 따라서 만들어 보고 싶은데 막상 부품을 구할 수 없다면 의욕이 싹 사라지는 경험을 해봤을거야. 이럴때 대치품을 사용한다 던가 약간의 회로변경으로 비슷하게나마 작동하는 꼴을 보자는게 햄린이의 무선공학을 연재하는 이유이기도 해.
무전기 자작이라고 하니까 좀 거창해 보일지 모르지만 지레 겁낼것은 없을거야. 픽시2(Pixie2)라는 0.1와트 짜리 무전기를 만들어서 교신도 해봤는데 재미 있더라[링크]. 부품이래봐야 이십여개 들어 갔지. 아주 간단한 송신기라면 미시건 마이티 마이트(Michigan Mighty Mite)라는 0.5와트 송신기도 있어.
이렇게 간단한 송신기는 불필요한 고조파(harmonics)가 나오니까 억제하는 방법으로 앞서 햄린이 무선공학의 공진회로[링크] 편에서 다뤘던 LC-매칭 회로를 추가해주면 좋지.
https://youtu.be/2AdW9Zpl2Es
위의 동영상을 보니 뭔가 취미로 해보고픈 동기가 마구 생기지 않아? 저 동영상에 등장하는 어마어마한 측정 장비들에 주눅이 좀 들긴 하지. 오실로 스코프에 트래킹 제네레이터와 스펙트럼 아날라이져. 말만 들어도 겁난다. 하지만 요즘은 취미용 측정기기들이 싸고 많이 나오니까 충분히 활용할 수 있을거 같아. 듣기론 tinySA, nanoVNA 같은 측정기들이 10만원 내외로 구입할 수 있다고 하더라고. 나중에 이런 장비들을 그저 안테나 임피던스 측정 뿐만 아니라 라디오 자작에 활용하는 방안도 알아보도록 할께. (이 측정기들은 아직 구경도 못했는데 나중에 구입하게되면... ^^)
스위칭 다이오드
이 전편에 '다이오드' 편에서 그 용도로 정류와 검파 그리고 소용량 컨덴서를 대신할 수 있는 바렉터와 감쇄기로서 사용된 경우를 봤었지. 그외 두어가지 용도를 더 살펴보기로 하자. 많이 활용되는 용도로는 소신호 스위치 용도가 있어. 스위칭 다이오드(Switching Diode)라는 말을 들어봤을 거야. 왜 다이오드에 '스위치'라는 말이 붙었을까? 이 '스위치'가 연결과 차단을 말하는 그 '스위치' 맞나?
맞아 그 스위치. 대신 조건이라면 한방향으로만 전류가 흐르고 소신호용 이라는 점을 염두에 둬야 하지. 아래 그림을 보자. 검은색 그림의 정류용 다이오드는 이해 할거야. 사실 다이오드의 전압에 대한 전류의 특성이 전방향으로 걸리는 모든 전압을 통과 시키는것은 아냐. 전압이 어느 정도 Vd 이상 되어야 통과 시킨다(이것을 다이오드 스위칭 전압이라고 함). 다이오드의 스위칭 전압은 아주 낮지. 그래서 다이오드를 높은 전압의 정류용으로 쓸때 이 스위칭 전압은 별로 감안하지 않거든. 그런데 진폭이 수십 밀리볼트 밖에 않되는 신호를 다이오드에 통과시키려고 할 때 얘기는 달라져.
스위칭 다이오드는 통과 시킬수 있는 전압 이하에서는 거의 차단되어 버리는 특성을 가지고 있어(파란색 그림). 우리가 다루는 무전기에서는 고주파(전파)신호를 다루니까 진폭이 아주 작아. 특히 소출력 무전기는 더욱 그렇지. 만일 다이오드에 수십 밀리볼트의 진폭을 갖는 신호를 넣어줘 봐야 다이오드가 통과 시킬 전압이 못되니까 아예 차단 되는거야.
그럼 다이오드에 넣어줄 미약한 교류신호에 저항 R_1을 통해 Vb를 걸어서 전압을 다이오드 스위칭 전압 위로 올려 줘보자. 그럼 미약한 신호는 Vb에 더해져 다이오드를 통과하게 되지. 이번에는 Vb를 아주 낮게 주면 신호는 다이오드를 통과하지 못하게 되는 거야. 그러니까 다이오드의 스위칭 전압 Vb를 얼마 만큼 주느냐에 따라 통과 시키기도 하고 차단 시킬 수 있는거지. 다이오드를 작동시키려고 넣어주는 전압을 바이어스 전압(Bias Voltage)이라고 하지. 전압을 올려 줬다고 해서 쉬프팅 전압(Shifting Voltage)이라고 말하기도 하지. 같은 전압을 보는 관점에 따라 부르는 이름이 좀 달라진다는 점도 기억해두자. 아래 동영상을 보면 아주 잘 설명하고 있으니 참조해서 보면 좋을거야. 이 동영상 후반부에는 다이오드의 커페시턴스 특성을 활용해서 심지어 초고주파(VHF) 소신호용 전류 제어기 소자로 쓰이는 경우까지 예를 보여주고 있어. 초고주파 신호용 가변저항, 변조기, 감쇄기등으로 응용되지. 주파수 특성이 아주 지랄맞은 초고주파 신호에 기계적인 부품을 사용할 수는 없으니까. 이런 용도로 쓰이는 다이오드를 PIN 다이오드라고 한다네.
https://youtu.be/YBNIq_d56sA
트랜지스터
트랜지스터는 다이오드와 마찬가지로 바이어스 전압을 가하는 정도에 따라 도체와 부도체의 특성을 오가는 반도체 소자이지. 그래서 "전자제어 가변저항"이라고 했지. 다이오드와 다른 점이라면 능동적인 3극 소자라는 거야. '능동적'이라는 의미는 그저 단순히 통과와 불통과의 스위치 기능을 넘어 증폭(amplifier)과 발진(oscillator)용도로 쓰인다는 뜻이기도 하지. 특히 발진이라는 의미는 무에서 유를 창조한다고 할까?
사실 트랜지스터에 대해서는 앞서 몇차례 등장하기도 했으니 두말하면 또 잔소리가 될거야. 게다가 요즘은 정보가 넘쳐나는 데다가 동영상 설명도 많으니 그걸 보는게 나을거야. 이러니저러니 다 관두고 한가지만 기억해 두자. 트랜지스터는 "전자제어 가변저항"이다. 다만 '초급 아마추어무선'에는 아래와 같이 설명하고 있지.
트랜지스터 작동과 전원 연결법
트랜지스터를 작동 시키려면 바이어스 전압을 걸어줘야 해. 다이오드의 경우처럼 P 에는 +(plus: 전류가 흘러 나올 곳)를, N 에는 -(negative: 전류가 흘러 들어갈 곳)를 걸어줘야 한다는 거지. 그런데 트랜지스터는 N과 P형 반도체가 샌드위치 처럼 세겹으로 붙어 있어서 두가지 방법으로 바이어스를 걸어 줘야해.
아래 그림 처럼 NPN 트랜지스터의 경우 중간의 베이스(Base)에 해당하는 단자는 P형 반도체 이므로 + 를, 화살표가 달린 에미터(Emitter)의 N 형 반도체 단자에는 - 를 연결해 줘야해. 이를 순방향 바이어스 전압이라 한다. 나머지 하나 남은 N 형 반도체 단자인 컬렉터(Collector)에는 - 가 아닌 + 를 인가해줘야 한다고 거꾸로 연결 했다고 역방향 바이어스 전압이라고 하지. 전체적으로 모든 전류의 종착지는 에미터가 되는거야. 따라서 에미터에 흐르는 전류는 베이스에서 에미터로 흐르는 전류와 컬렉터로부터 들어오는 전류의 합이 된다. 바이어스 전압어쩌구 하다가 갑자기 전류 이야기를 하고 있네? 트랜지스터가 제조되고 나면 일단 내부의 저항이 고정될 거잖아. 결국 전압차를 두는 것이 곧 전류의 흐름으로 이어지는 거야.
앞서 트랜지스터의 동작을 '전자제어 가변저항'이라고 했었지. 베이스에 순방향 전압을 인가하여 컬렉터와 에미터 사이의 전류 흐름을 제어한다는 뜻이다. 위의 그림에서 왼쪽의 그래프는 트랜지스터의 특성을 보여주는 예를 표현한 것이야. 좀 별나게 생겨 보이지만 별거 없어. 컬렉터와 에미터 사이의 전압과 전류 관계를 베이스에 흘린 전류량에 따라 그려 놓은거라 저렇게 여러개 선으로 그려진 것이지.
베이스와 에미터 사이의 순방향 바이어스 전압 V_be 을 바꿔 주면 컬렉터와 에미터 사이의 전류 통로를 조절 할 수 있다는 얘기는 이제 귀가 따갑지. 모든 전자회로는 옴의 법칙을 따른다. 따라서 V_be를 바꾸면 베이스로 들어가는 전류 I_b도 증가한다. 위의 트랜지스터 특성표는 V_be 대신 I_b를 그려놓은 것이야.
트랜지스터를 동작 시켜 얻으려는 목적은 컬렉터에서 에미터로 흐르는 전력량을 조절 하려는 것이지. 컬렉터와 에미터 사이에 전압을 10V 라고 고정해 놓았다면 컬렉터에서 에미터로 흐르는 전류량 I_c로 전력이 결정되. 베이스로 흐르는 전류를 10uA 였다면 I_c는 1mA 지. 이번에는 I_b를 50uA 로 올리면 I_c는 4mA 가 되고. 즉, 베이스에 인가한 순방향 바이어스 전압의 차이가 전류로 환산해(트랜지스터 내부의 베이스에 작용하는 저항은 고정되어 있으므로 전압차가 곧 전류차다. 옴의 법칙!) 40uA의 차이를 보이면 I_c는 3mA 증가한다. 베이스에 약간의 전류차를 가지고 큰 전류가 흐르게 만들 수 있다는 뜻이지. 이것이 트랜지스터의 증폭 작용이라고 한다네.
트랜지스터를 작동 시키기 위해 걸어주는 바이어스 전압의 인가 방법은 트랜지스터의 기호에서 최종 전류의 도착지를 표현하는 화살표를 기준으로 삼아 정한다고 알아두면 쉬워. 트랜지스터는 NPN 뿐만 아니라 PNP 형도 있다. PNP형 트랜지스터를 동작 시키기 위한 바이어스 전압을 인가하는 방법은 아래와 같아.
PNP 트랜지스터의 작동 원리는 NPN 트랜지스터와 같아. 다만 전류의 방향이 다르지. 바이어스 전압의 극성이 음전압에 의해 작동되는 PNP 트랜지스터 보다 NPN가 널리 쓰인다.
트랜지스터 대치품 선택
트랜지스터의 작동 목적은 컬렉터와 에미터 사이를 흐르는 전력량의 전자제어야. 따라서 트랜지스터의 가장 중요한 특성 인자는 컬렉터와 에미터 사이에 걸 수 있는 전압과 전류량 그리고 얼마나 신속하게 전류 밸브를 열고 닫을 수 있는지다. 예전에는 트랜지스터의 형식명칭에 대한 나름대로 규정이 있었어.
오늘날 워낙 많은 반도체 회사에서 다양한 트랜지스터를 생산하기에 이런 형식명칭을 따르지 않는 경우가 더 많아졌어. 게다가 자사고유의 특성을 가진 제품명을 굳이 표준협회에 등록할 필요도 없지.
전계효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)
앞서 트랜지스터를 작동 시키기 위해 바이어스 전압을 가한다고 했잖아. 그러다가 은근슬쩍 전류로 이야기를 넘겼지. 트랜지스터 내부의 저항이 그리 높지 않기에 이를 감안해서 전압보다는 전류를 따진거야. 어짜피 일은 전류가 하는 거니까. 그런데 반도체 부품의 내부저항이 아주 높아서 흐르는 전류를 매우 조금만 흘려도 전류 꼭지의 제어가 가능 하다면 좋겠지. 꼭지를 열고 닫는데 전력을 소모하지 않아도 되거든. 그렇게 만든 반도체가 바로 전계효과 트랜지스터 FET 라고 하는 거지.
FET도 세개의 단자를 가지는데 부르는 이름이 달라. 트랜지스터와 마찬가지로 전류의 흐름을 표시한 화살표가 그려져 있는데 이게 전류 흐름 방향이 아니라 전위차를 의미한다는데 주의 하자. 그리고 제조방법이 조금 다른 MOS 형 FET도 있어. MOS는 반도체 집적회로를 만드는 방식이야.
접합형 FET의 구조는 아래와 같아. N과 P형 반도체를 샌드위치 처럼 겹겹이 붙여 만든게 아니야. N 형 반도체 양단에 두개의 전극 소스(Source)와 드레인(Drain)을 붙이고 몸통에 P형 반도체를 붙여 놨어. 게이트에 + 전압을 인가하면 전계(Electric Field)가 형성되서 소스와 드레인사이가 도통되는거야. 소스와 드레인 사이를 채널 이라고 부르지. 이 채널에 P 형 반도체로 게이트를 만든것을 P형 FET 라고 하지.
FET를 소개할때 '입력 임피던스가 높아서 저전압에서도 동작' 한다고 하는 얘기는 들어 봤을거야. 접합 트랜지스터는 입력 임피던스가 수 킬로 옴에 불과 하지만 전계효과 트랜지스터는 수 메가 옴에 달해. 그래서 동작 특성을 전압차로 표현하고 있어. 물론 전류차로도 표현 할 수 있겠지만 커다란 저항이 딱 버티고 있으니 전류차는 표현하기가 미미하거든.
FET의 동작은 전압을 가지고 이야기 하기로 했지. 그래서 FET의 기호로 그려진 화살표는 전위차의 높낮이를 의미한다는 점을 기억하자. 위 그림에서 FET의 전지 연결 방법을 보면 P 채널 FET의 게이트 화살표 방향이 바이어스 전압 V_GG 의 높은 전위쪽으로 연결 되어 있어. 그리고 전류는 소스(source)에서 드레인(drain) 쪽으로 흐르게 되지. 트랜지스터의 전류 흐름 그림과 좀 헷갈리게 그려놨네. 트랜지스터와 FET의 동작을 비교하기 좋게 그려보면 아래와 같아. 두 소자 모두 콜렉터에서 에미터로 그리고 소스에서 드레인으로 흐르는 전류를 제어하는 용도라는 점은 같아. 다만 전류 꼭지 제어를 위해 가하는 바이어스 전압 인가 방법이 조금 다를 뿐이지.
그리고.....
수많은 트랜지스터 중에 하나를 고르기도 어렵거니와 동일한 부품을 갖추기 곤란하여 대치품을 선택해야 할 때가 있지. 대치품을 고르는 방법을 알아보면서 아울러 트랜지스터의 특성을 살펴보기로 하자. 내용이 간단하니까 아래 동영상으로 대체할께.
https://youtu.be/PRFE2OS6xu0
좀 길게 설명한 동영상도 있으니까 참조하고
https://youtu.be/jtcgoWtwK6E
트랜지스터 테스트 하는 방법도....
https://youtu.be/qM7_h8my8eA
끝으로....
송수신기의 회로도에서 가장 흔히 볼수 있는 기본 소자 이야기는 이것으로 끝낸다. 주마간산 식으로 대략 훓어 봤어. 마구 생각나는대로 써놓은 거라 간혹 엉뚱한 내용도 있었을 거야. 모쪼록 무전기 자작에 다소나마 흥미를 가졌길 바래. 다음에는 [햄린이의 QRP] 라는 주제로 연재를 해볼 생각이야. 최소한의 비용으로 쉽게 1와트 이하 전신용 무전기를 비롯해 안테나와 관련 악세사리 등등을 자작해보는 거지. 그때마다 등장하는 이런저런 회로들을 정성적으로나마 이해해 볼거야. 만들기만 하면 재미 없으니까 교신도 해보는 희열을 함께 누렸으면 하는 바램이야. 아마추어 무선 자격 검정이 곧 있을 텐데 HF대 전신 가능한 자격을 갖춰 놓으면 좋겠어. 모쪼록 교신 친구들이 더 많이 늘어나고 햄 취미가 다채로워 졌으면 하는 바램이다.
