[햄린이의 무선공학] 다이오드

[햄린이의 무선공학] 다이오드

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앞서 저항과 컨덴서 그리고 코일에 대해 얘기 했어. 근데 한달 내내 기본 소자이야기 만 하려니까 좀 지겹다. 글쓰는 사람도 지겨운데 글읽는 사람은 더 그럴거 같네. 기왕 하던 거니까 회로를 구성하는 기본 소자는 얼렁 끝내기로 할께. 이번 편에서 다이오드와 트랜지스터를 끝으로 기본 부품 얘기는 끝내기로 할께. 진공관은 구경하기도 힘든 물건이니까 생략 하겠어.

'반도체'는 이미 여러번 얘기 했던 것이니 다시 얘기하면 잔소리가 될 것 같아. 그래도 한마디 하자면 어떤 조건에서는 도체가 됐다가 어떤 조건에서는 부도체가 되는 요상한 물질이지. 그 조건이란 것이 뭐냐면 직류전압이야. 그러니까 일부러 전압을 가하지 않으면 그냥 돌덩어리인 물질이지. 뭐 이런 요상한게 있냐면 원래 없었지. 지난 세기 중반 쯤(1960년대) 인간이 만들어 낸거지. '일부러 전압을 가한다'를 '바이어스를 가한다'고 말해.

반도체는 P형과 N 형이 있는데, 전자(electron)가 넘쳐나는 물질을 N형, 전자가 모자라게(구멍이 많게) 만든 반도체를 P형 이라고 하지. 전지로 바이어스를 가할 때 N에다가 (-)극을 P에다가 (+)극을 연결한다고 외우자. N은 네가티브(Negative), P는 포지티브(Positive) 라고 하면 쉽지. 우리 '햄린이'가 반도체에 대해서 알아야 할 것은 이게 다야. 뭔가 좀 있는체 해볼겸 그래프 하나만 볼까봐. 간단한 수식을 읽기 그리고 그래프 보기를 익히면 남들한테 아는체 할때 어깨에 힘주기 좋다는거 잘 알지?

일단 도체든, 부도체든, 반도체든 모든 물질은 전류의 흐름을 막아선 저항체(Resistor)야. 전압과 전류의 관계는 옴의 법칙(Ohm's Law)으로 설명되지. 도체(Conductor)는 저항이 0에 가까워서(R→0) 전압을 가하면 전류가 순식간에 무한대(I→∞)로 흐르지. 부도체(Non-Conductor)는 저항이 무한대(R→∞)에 가까워서 전압을 아무리 높이 가해도 전류가 흐르지 않아((I→0). 반도체(Semi-Conductor)는 전압을 가하면 전압치에 따라 전류 흐름이 증가하는 물질이야. 그러니까 전압으로 전류의 흐름을 조절할 수 있는 가변저항이라고 할 수 있어. 그런데 이게 방향성이 있다는 거야. 

반도체에 대해 더이상 알고 싶다면 검색해봐. 그런데 검색해봐야 더 알고싶진 않을꺼야. 더 알 필요도 없을거고. 이 물건을 도데체 어따 쓰는지 만 알아두자.

다이오드

다이오드(diode)는 P형 반도체와 N형 반도체를 붙여 놨어. 다리(-ode)가 두개(di-) 달린 반도체 소자라는 뜻이야. P형 반도체 측의 전압이 N 형 반도체 측의 전압보다 높으면 전류가 잘 흐르는데 반대로 하면 전류가 흐르지 않아.

반도체의 극성이 있다고 했잖아. 이게 바로 그 원리를 이용한 거지. 다이오드는 정류, 그러니까 교류에서 직류 성분 만 걸러내는 용도로 사용되지.

그런데 저렇게 절반만 걸러내면 빈공간이 너무 많잖아. 그래서 다이오드를 복수개로 써서 빈곳을 채우고 컨덴서를 써서 굴곡을 줄이면 직류를 만들 수 있어. 이때 교류 전압을 낮추기 위해 코일을 겹으로 감은 트랜스(transformer)를 쓰고 있어. 코일의 또다른 용도지. 코일을 근접시켜 놓으면 교류전류를 전달할 수 있어서 전선 없이도 전기장 유도작용으로 전력을 전달하는데 무선 충전기의 근본 원리야.

트랜스를 '변성기'라고도 하는데 교류의 성질을 바꿔 놓았다는 거야. 겹쳐감은 코일의 횟수 비로(n1/n2) 전압차(V1/V2)를 만들 뿐만 아니라 위상도 180도 바꿔 놓거든. 그래서 양파정류가 가능하지.

또다른 용도로는 광석 라디오에서 검파용으로도 쓰인다고. 왜 이렇게 다이오드로 직류성분만 잘라내냐면 말이지.... 스피커의 진동판(크리스털 진동판의 피에조도 마찬가지)을 울려서 소리를 내야 하는데 안테나에서 잡아낸 고주파 교류는 음의 전압과 양의 전압이 대칭인 신호잖아. 양쪽에서 진동판을 잡아 당기면 진동판이 떨지 못하지. 그래서 정류해서 양의 전압 진동만 사용하는거야. 다이오드 뒤의 컨덴서는 고주파 성분을 빼내고 포락선을 만드는 용도지. 어짜피 진동판은 고주파에 반응할 정도로 민감하지 못해서 이 컨덴서는 생략되기도 해.

반도체 특성을 보이는 물질로 게르마늄, 셀렌, 아산화동 등이 있다고 해. 금속을 아산화('약간 산화') 시키면 반도체 물질의 특성을 보인다는 것은 아주 오래전부터 알려졌거든. 그래서 면도날을 불에 달궈 식히면(산소가 스며들어 시커멓게 됨) 반도체 성질을 띄게 되고 여기에 흑연(연필심)을 접촉 시켜 다이오드처럼 되서 전시 비상용 방송 수신기로 사용하는 맥가이버가 라디오가 되는거야. 폭스홀 라디오(Fox-hole radio)라고 아주 널리 알려져 있어. 동조회로가 큰 역활을 하는데 중파용 동조회로용 코일을 감으려면 힘개나 들껄? 그나저나 증파대에서 AM 방송이 조만간 끝난다고 하니 역사속으로 사라질 것 같네. 아 그리고 상식으로 알아둬. 금속이 녹슨다는 것은 산소를 머금어 굳어지는 거잖아. 원치 않게 검파회로가 만들어져서 그래. 근처에 강력안 전파원이 있다면 동조회로 없이도 검파 되버리거든. 그래서 RFI 방지 대책으로 오래된 앰프의 단자에 접촉부를 닦아주면 해결된다고 하지.

https://youtu.be/g4j1QsUNrM4

그리고.... SSB 변조와 복조 방식으로 평형 변조니 프로덕트 검파니 하는 소리 들어 봤을거야. 여기에서도 다이오드가 큰 활약을 하지. 이에 대해서는 나중에 송수신기 편에서 다뤄보기로 하자. 궁금하다면... 여기 참조 [링크]

제너 다이오드

제너 다이오드는 순방향 전압에 대해서 보통 다이오드와 같은데 역방향 전압이 걸리면 조금 이상한 행동을 하지. 역방향 전압이 걸리면 전류 흐름이 차단 되어야 하는데 특정 역방향 전압에서 갑자기 차단 능력을 잃어버리고 저항이 되버리는 거지. 아래 그림을 보자. a=3.3v 인 제너 다이오드가 역전압 5v에 걸려 있지. 역전압이 3.3 볼트를 넘었으니 마치 분압 회로처럼 작동 하게된다. 만일 외부전압이 5볼트에 고정되어 있지 않고 3.3볼트를 넘어서 오락가락 하더라도 제너 다이오드는 딱 3.3v 에 맞춰 차단저항 R_z이 급격히 떨어지거든. 그래서 이런 작동을 정전압 다이오드라고 불리지.

바렉터 다이오드

바렉터 다이오드는 역전압이 걸릴경우 P-N 접합 사이에 정전용량이 생기는 다이오드야. 마치 가변 컨덴서 처럼 작동해서 바렉터(VARACTER, Variable Capacitance Rectifier)라고 하지. 역전압의 전압 크기에 따라 정전용량이 미세하게 변해서 소량 트리머 대신 사용되고 있어. 

[출처: https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete/chap2/chap2-9.html ]

사실 모든 다이오드는 역전압이 걸리면 약간의 정전용량을 가지게 되. 아래 회로는 Sputnik 라는 재생식 수신기의 회로도 거든. D3는  12볼트를 9.1볼트로 전압강하 시켜주는 역활을 하는 제너 다이오드야(녹색 표시). D4와 D5는 정류용으로 흔히 사용되는 다이오드 인데 역전압을 걸어서 마치 바렉터처럼 쓰고 있어(청색 표시). 바렉터용으로 만들어진 다이오드가 아니라서 한개로는 정전용량이 모자라니까 두개를 쓴거야.

그리고 D6과 D7은 좀 이상해 보이지? RF 감쇄기(atteneuator)용으로 달아놓은 것인데 사실 꼭 필요한 것은 아냐. 다이오드에 순방향 전압이 어느정도 넘어가면 마치 도체처럼 작동 하는데, 실리콘 다이오드는 0.6-0.7볼트 정도이며, 쇼트키 다이오드는 0.2~0.4볼트, LED의 경우에는 1.4볼트 정도(종류와 전류의 양에 따라 달라짐)이다[출처].

동조회로에서 맞춰진 고주파 신호의 전압은 아주 낮게 마련이지. 그래서 미약한 고주파 신호를 증폭하기 마련이야. 그런데 인근에 아주 강력한 송신기(방송국)가 있다면 증폭기가 폭주해서 발진해 버리는 수가 있거든. 그래서 감쇄기를 달아주는 거야. 위의 Sputnik 수신기에서 D7, D6은 송신기를 옆에 두고 무전기를 구성할 때 송신기에서 유입될 막강한 신호를 막아내려고 달아 놓은 거야.

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이런~ 이런~~~ 트랜지스터까지 마칠려고 했더니 분량조절 실패다. 이만 다이오드로 끝내고 트랜지스터는 다음 편으로 미뤄야 겠어. 기왕 트랜지스터를 다룰 거니까 증폭과 발진 회로까지 나가 볼까봐.... 그나저나 기왕 재생식 수신기 회로를 여러번 들여다 보는 중인데 다함께 만들어보는건 어때?

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[뱀발] 어느 햄린이가 아마추어 무선국 차릴려면 얼마나 있어야 하는지 물어보길래 최소비용 무선국 꾸미기 프로젝트도 생각중이야. 단일 밴드 전용 CW모드 저전력 무선국을 송신기, 수신기, 패들, 키어, 적정 SWR 감지기, 안테나 까지 모두 자작하면 십만원대로도 가능 하겠더라구. 사실 100와트 급이라 해도 교신이 이뤄지는 횟수 얼마 않되잖아. 차라리 1와트 미만(자작 송신기라도 변경신고 면제대상 이던데 무선국 개설 허가는 어떻게 될지 모르겠네....)의 저전력 무선국으로 수십~수백 킬로(운좋으면 천킬로!) 떨어진 인근 햄하고 교신 하는 희열의 즐겨보는건 어떨까 싶네. 아래 영상을 봐바...... 막 해보고 싶지 않아?

https://youtu.be/6rKpxAWZ7uM

https://youtu.be/35TRM-uGWsY

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[양평집] 2022년 12월, 겨울 추위가 맵다

[양평집] 2022년 12월, 겨울 추위가 맵다

매년 돌아오는 겨울이지만 올해는 초입부터 추위가 맵습니다. 북극에서 발달한 추운 제트기류를 밀어 올리지 못해서 생긴 현상이라고 합니다. 이 또한 지구 온난화 탓이라는데 금방 이해는 못하지만 예년에 비해 연일 추운 날씨가 이어졌습니다. 삼한사온의 특징은 아예 사라지고 연일 영하 십도의 날씨를 보여줬고 눈도 많이 내렸군요. 지난 여름에 완전히 털어냈던 전 직장의 동료들과 저녁 약속을 했었는데 눈이 너무 와서 참석하지 못하는 아쉬움이 있었구요. 누가 들으면 두메 산골에 사는 줄 알겠습니다.

중순경에 대설 경보와 함께 십여 센티미터의 눈이 내렸는데 외출 나가는것 보다 밤늦게 돌아올 일이 걱정되더라구요. 하필 대설경보가 내린날 약속 날자가 잡혔더군요. 사실 참석하려고 마음 먹으면 못갈 것도 없겠습니다만 정성이 모자란 탓도 있었을 겁니다.

작년 12월에 우리집으로 들어온 손님이 있었지요. 꼬리와 꼬북이라는 이름을 붙여준 두마리 길고양이. 한녀석은 다리가 부러져 마당을 서성이길래 병원에 데려갔다가 결국 절단하기에 이르렀던 꼬북이. 그리고 한배에서 나온 꼬리 까지 작년 겨울을 거실 냥이로 들이게 됐었습니다. 봄과 여름 그리고 가을내내 마당에서 다른 길냥이와 함께 뒹굴다 다시 거실로 들어왔습니다.

 

제 집인 양 팔자좋게 드러눕는 꼬북이, 아침마다 밥때만 되면 한입 달라며 불쌍한 표정을 짓다가 황태포 한개 물고 가는 꼬리. 우리집에 들어온 날을 생일로 정했습니다. 내년 봄에 또 마당으로 나갈테니 굳이 캣 타워를 설치하진 않았습니다. 택배 상자로 임시 고양이 집을 만들어 줬는데 들팡날팡 하며 잘 놀아주는군요.

고양이도 제각각 성격이 있습니다. 요녀석은 기둥에 집착하고

요녀석은 책상 아래서 자리를 잡습니다. 발꼬락 냄새는 아랑곳 하지 않고 바닥에 깔린 무릎담요와 발 전기장판이 따뜻한가 보군요. 그러다 쫒아내면 소파에 늘어지게 낮잠을 즐기죠.

 

월드컵 16강에 오른날은 고양이와 함께 응원

 

시골살이를 시작하고 크게 달라진 점 중 하나라면 역시 생활의 여유가 생겼다는 걸 겁니다. 식생활이 많이 달라졌습니다. 동지라고 팥죽도 쑤고 고양이 생일이라고 케익도 사고 이런저런 요리를 시도하게 됐습니다. 작년에는 겨우내 익힌 빵만들기에 자신이 생겼고 올해는 파스타 정도는 거뜬 합니다. 사실 이런 일들은 시골로 오면서 전혀 예상하지 못했던 모습이기도 합니다.

 

닭봉 간장조림까지 하게 될 줄이야. 음식 배달이 불가하니 직접 해먹게 된거죠.

동생이 지나는 길에 들럿다가 사다준 수제 맥주 세트와 크리스마스 케익. 기독교인은 아니지만 세월을 즐기는 겁니다. 이 또한 시골 살이가 아니었다면 일어나지 않을 일입니다.

 

겨울이 되면 밤도 길어지고 추위에 문밖으로 나갈일이 줄어듭니다. 생각보다 도시 살때보다 대문밖으로 나가는 일이 줄어든 것 같습니다. 마당을 서성일 망정 대문을 나서게 되지 않더군요. 실내 생활이 긴 겨울은 취미로 하루를 보냅니다. 이것저것 취미를 정해 놓았습니다. 이름하여 취미 시즌제 입니다. 이번 시즌은 '아마추어 무선'입니다.

처음 무선사 자격증을 딴다며 보던 책을 발견 했습니다. 무려 40년전의 수험서가 나왔군요. 그때는 멋도 모르고 외우기에 급급했는데 이제와 다시 읽어보니 감회가 새롭군요. 내용도 이해가 빨라지는 것을 보면 나이 들어가며 세상을 보는 안목이 넓어진 탓일까요? 그러고 보니 이번달에 무선공학 관련하여 블로그에 올린 글이 십여편이 넘네요. 한편으로는 재미있고 한편으로는 이렇게 공부하지 못하고 쫒기듯 했던 시절에 괜시리 부화가 나네요. 진즉 이렇게 공부를 했으면 인생이 달라졌을까? 하면서 웃고 맙니다.

매일 한쪽씩 이라도 글을 읽고 블로그에 글을 써보자는 계획을 실천 중 입니다. 시간을 보내기도 좋고 늙지 않겠다는 다짐이기도 합니다. 내년이면 어느새 환갑이군요. 또 무슨 일로 세월을 낚을지 생각에 잠겨 봅니다. 내년에는 그동안 접어 뒀던 핀홀 카메라를 손대보구요, 감동적으로 봤던 영화 '가재가 노래하는 곳(Where the Crawdads Sing)'을 원서로 읽어보기로 했고 소형 무전기 들고 야외로 좀더 나가볼까 등등, 뭐 그런 계획을 세웁니다. 아! 집도 새로 지어 놀이터를 마련한다는 원대한 계획이 있었네요.

웰컴 환갑!

[HAM] 소행성 전파 반사 실험에 아마추어 무선사들의 참여요청

[HAM] 소행성 전파 반사 실험에 아마추어 무선사들의 참여요청

ARRL(미국 아마추어 무선 연맹)의 홈페이지 뉴스에 이런 기사가 있었습니다. 이미 지난 기사이긴 한데 참고삼아 읽어봅니다. 대규모 과학실험에 일반 시민들의 참여를 독려하는 NASA Citizen Science [Link] 기획을 운용하고 있는데 그중 아마추어 무선 HAMSci.org [링크]도 포함되어 있습니다. 소형 위성신호 추적, 우주 전파신호 수신등 여러 활동을 수행합니다. 그중에 지구 방위대 역활도 하는데 지난 12월 17일에 실시된 소행성 전파 탐지 실험입니다.

내용을 요약하면,

2010 XC15 라고 명명된 지구근접 소행성(NEA, Near-Earth Asteroid)을 향해 9.6 MHz의 FM 신호를 방사하여 지구의 여러 전파 천문대에서 수신하는 실험을 실시한답니다. 위의 포스터 사진 아랫쪽에 대규모 다이폴 안테나 배열을 보라! 소행성을 향해 전파를 발사하여 반사신호를 탐지하는 실험입니다. 지구가 거대한 위상배열 레이더 역활을 하는 셈이죠. 이 신호를 가지고 소행성의 진로를 계산 할 수 있답니다. 이번 소행성은 달보다 두배 거리 떨어져 지나갈 것이라고 하네요. 만일 지구가 위험하면 DART 같은 충돌선을 띄워 지구를 방위 하겠지요. 마아추어 무선의 통신 주파수가 10.1Mhz 인데 수신기들은 대부분 9.6 Mhz 대역을 수신가능하니 혹시 수신하거든 WAV 나 MP3 파일로 보내 달라고 하네요.

기사 전문은 아래 링크에 있으니 참고 하십시요.

Amateur Radio Operators Invited to participate in Asteroid Bounce Experiment

12/23/2022 [ https://www.arrl.org/news/amateur-radio-operators-invited-to-participate-in-asteroid-bounce-experiment ]

The High-frequency Active Auroral Research Program (HAARP) will be conducting a research campaign/experiment on December 27, 2022, with transmissions between 1100 - 2300 UTC (0200 - 1400 AKST).

This experiment will reflect HAARP transmissions off of Near-Earth Asteroid (NEA) 2010 XC15, and the echo will be received by the Owens Valley Radio Observatory Long Wavelength Array (OVRO-LWA) at the California Institute of Technology (Caltech) and by the University of New Mexico's Long Wavelength Array (UNM-LWA). The target asteroid will be roughly two lunar distances away from Earth at the time of transmission. Characterizing the interior structure and composition of NEAs is critical for advancing the understanding of solar system evolution and aiding in planetary defense.

Actual transmit times are highly variable based on real-time ionospheric conditions and all information is subject to change. Currently, the Asteroid Bounce (2010 XC15) experiment will take place Dec. 27, 2022, from 1100 UTC to 2300 UTC; 9.6 MHz, LFM (linear FM), 0.5 Hz WRF (waveform repetition frequency), 30 kHz bandwidth. Reports recording echo are encouraged; demodulated recordings in .wav or .mp3 are recommended.

For real-time ionospheric conditions in Gakona, please consult ionograms from the HAARP Diagnostic Suite at https://haarp.gi.alaska.edu/diagnostic-suite.

Amateur radio and radio astronomy enthusiasts are invited to listen to the transmissions/echoes and submit reception reports to the HAARP facility at uaf-gi-haarp@alaska.edu and request a QSL card by mailing a report to:

HAARP
P.O. Box 271
Gakona AK 99586
USA

[HAM] JAXA 햄 클럽(JHRC)의 초소형 달 탐사선 소식

[HAM] JAXA 햄 클럽(JHRC)의 초소형 달 탐사선 소식

12월 7일자 아마추어 무선 뉴스에 세꼭지 뉴스가 실렸는데 그중 첫번째 꼭지가 JAXA 햄 클럽(JHRC)의 초소형 달 탐사선 소식이다.

Amateur Radio Newsline headlines for Ham Nation. December 7, 2022.

https://youtu.be/Whf58nZ7bFY

From amateur radio newsline report number 2353, this is ham Nation headlines for Wednesday December 7th, 2022. We Begin this week in space where a troubled orbit has detoured a Japanese amateur radio project that was heralded as the world's smallest moon lander.

OMOTENASHI developed by the JAXA ham radio club(JHRC) in Japan carried the promise of putting amateur radio on the moon's surface when it launched on November 16th from Kennedy Space Center in the U.S.

'오모테나시'는 일본 우주개발국의 아마추어무선 클럽에서 개발한 초소형 달 착륙선으로 지난 11월 16일에 미국 케네디 우주센터에서 발사되었다.

Now the chance to transmit a beacon in the amateur radio's 70 centimeter band from a lunar QTH has been put into question.

지금 쯤이면 달에 착지해 아마추어 무선 70 센티미터 밴드에서 비컨 신호를 보내와야 했는데 문제가 생겼다.

[JHRC의 웹페이지 정보에 따르면 궤도선 다운링크 주파수는 437.31Mhz, 착륙선은 437.41Mhz로 각각 1W 출력이라고 함. 큐브 위성들이 아마추어 무선 주파수를 사용하는 경우가 많다. 대개 2차 임무 인데다 교육 연구 목적이라 통신에 대형 지구국을 활용할 형편이 못되는 까닭에 전세계에 널려있는 아마추어 무선국들의 협조를 받을 수 있기 때문이다.]

The cubesat was a secondary payload aboard NASA's Artemis 1 Mission. The ham radio club's website for JAXA reports that orbital errors have resulted in an unstable radio signal for its Communications.

JHRC의 소형 탐사선은 미국의 아르테미스 1호에 2차 임무로 실렸었다. JHRC의 웹 페이지에 따르면 궤도에 문제가 생겨 통신이 원할하지 않았다고 한다.

The website also reports that the solar cells face away from the Sun making it problematic to charge OMOTENASHI's batteries having missed the chance for a moon landing. Organizers are regrouping.

태양 전지판이 태양을 제대로 향하지 못해서 오모테나시의 전지를 충전시키지 못해서 달착륙의 기회를 얻지 못했다고 한다. 연구팀은 계속 기회를 엿보는 중이라고 한다.

This is Jason Daniels VK2LAW

[참조]
Japan Aerospace Exploration Agency - JAXA
일본 우주항공 연구 개발기구 https://global.jaxa.jp

JAXA HAM Radio Club
JAXA 아마추어무선 클럽 (JARC)
https://www.isas.jaxa.jp/home/omotenashi/JHRCweb/jhrc.html

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미국도 과학교육 목적으로 큐브샛(CubeSat)을 띄워주는 NASA의 ELaNa도 꾸준히 이어가고 있구요[ https://www.nasa.gov/mission_pages/smallsats/elana/index.html ]. 우리나라의 항공우주 연구원( https://www.kari.re.kr/kplo/ )에서 띄운 달 탐사선 '다누리'가 달궤도에 성공적으로 진입했다는 소식이 있었습니다. 국산 우주 발사체에 실어서 띄울 '큐브위성 경연대회'도 진행되었군요[ https://www.kari.re.kr/nanosat/contest ]. 아마추어 무선이 우주로 향하는 데 있어서 우리나라도 기술적으로나 경제적으로나 뒤질 것이 없어보입니다. 다만 생각과 여유의 차이가 아닐까 싶습니다.

[ 블로그 관련글: https://goodkook.blogspot.com/2014/03/arrl.html ]

[햄린이의 무선공학] 공진회로

[햄린이의 무선공학] 공진회로

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앞서 컨덴서와 코일 이야기를 했었는데 뭔가 기억나는게 있을까? 교류에 대한 전류제한(저항) 특성을 가지고 있다는 점 만 기억해 두자. 이것을 임피던스라고 했어. 그리고 수식 같은거 별로 않좋아 하더라도 무슨 특성이니 뭐니 하면서 줄줄이 외우기 보다 수식을 읽을 줄 알면 훨씬 편해.

컨덴서의 교류에 대한 저항(임피던스)은,

코일의 교류에 대한 저항(임피던스)은,

두 공식 모두 주파수 f 를 포함하고 있지. 그런데 위치가 다르다는거야. 컨덴서의 주파수는 분모에 있잖아. 주파수가 높으면 교류저항(이제부터 임피던스라고 할께)이 낮아지지. 코일은 주파수가 높으면 임피던스도 커진다는 거지. 그런데 직류는 주파수가 0이라는 거야. 따라서 컨덴서는 임피던스가 무한대가 되고 코일은 직류에 대해서는 임피던스는 0이 되겠지. 그래서 말로 표현하길 "컨덴서는 교류를 통과 시키고 코일은 직류를 통과시킨다."

공진회로

어쨌거나 컨덴서와 코일은 주파수와 깊은 관계를 맺고 있어. 물론 저항도 줏대없이 교류의 흐름을 제한 할 수 있긴 하지만 구지 주파수 특성을 가지고 있지는 않지. 공진회로는 말그대로 진동에 대해 공명(resonate)하는 회로라는 말이지. 공명이란 내재된 진동 특성과 외부의 진동부추김이 맞을 경우 진동이 쎄지는 것을 말해. '진동이 강해 진다'는 현상은 진동을 모형화한 미분 방정식을 풀면 금방 알 수 있다고 하지만 그런건 집어치우자. 그래도 궁금 하다면 [여기1] 그리고 [여기2]를 참고해[경고: 심한 좌절감을 경험 할 수 있음]. 현수교가 외부의 주기적인 힘을 받아 크게 진동하는 동영상은 많이 봤을거야.

https://youtu.be/uWoiMMLIvco

사실 우리도 다 경험한 것인데, 그네 타봤지? 그네는 네 몸의 질량이 끈에 메달린 진동자와 같지. 그네에 올라타서 굴러주면 흔들리기 시작하는데 구르는 주기를 그네의 진동특성에 맞추면 아주 스릴이 넘친다고. 그게 공명현상이야. 공명현상을 극적으로 이용한 라디오가 있지. 바로 재생식 라디오(regenerative radio)야. 이 라디오의 회로 설명은 나중에 미룰께. 궁금하면 [여기3], [여기4] 그리고 [여기5]를 찾아봐. 동영상 설명도 있지.

https://youtu.be/JEuUK_DsNVk

재생식 회로는 1914년에 에드윈 암스트롱(Edwin Armstrong)이 발명하고 특허를 냈던 회로지. 이분은 나중에 헤테로다인 수신기의 발명자이기도 하지. 간단하게 원리를 살펴보자면 이래.

[출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_circuit ]

C1과 L1은 안테나에서 원하는 주파수를 잡아내는 직렬 공진회로지. 이것을 다시 L2와 C2로 원하는 주파수를 잡아두는 병렬 공진회로. 이렇게 잡아놓은 특정 주파수의 신호를 다시 L3를 통해 공진회로로 보내서 해당 주파수 성분을 부추기(tickler)는 거야. 되돌림(feed-back)으로 원하는 주파수 만을 선택적으로 강화 할 수 있게 되는거야. 아래 그림을 보면 파란 곡선에서 적색 곡선으로 공진회로의 통과 대역을 좁히고 증폭도를 높이게 되지. 

[출처: http://large.stanford.edu/courses/2012/ph250/adams1/images/f2big.png ]

RFDH(RF Design House)에서는 공진을 이렇게 말하고 있지. [출처]

"광범위하게 공진의 의미를 정의하면 주파수 선택적 특성을 가지는 현상을 의미합니다."

그리고, 공진은 "밀고 당기는 힘이 평형을 이룰때"라는 거야.

직렬 공진회로(Serial Resonance Circuit) [참고]

직렬공진 회로는 컨덴서와 코일을 직렬로 연결한 회로지. 주파수의 관점으로 만 봤을때 교류저항을 증가시키는 코일과 감소시키는 컨덴서가 서로 밀고 당기는데, X_L과 X_C 가 일치할 때 우리는 "공진"했다고 말하는거야. X_L과 X_C가 같을 때 직렬 공진회로에 흐르는 전류가 최대가 되는거야. 이때 주파수를 공진 주파수 f_r 이라고 하는것이고.

회로에서 전류의 흐름을 가장 많도록 하려니 밀고 당기는 임피던스를 같게 놓고 공통 인수인 주파수를 구한것이지. 수학적으로 보자면 X_L - X_C = 0 으로 놓고 시작한거야. 콘덴서가 땡기면 코일이 밀고 코일이 땡기면 콘덴서가 밀지.

직류저항 이든 교류저항 이든 모두 전류의 흐름을 방해하는 저항 아니겠어. 그러니까 직렬 공진회로를 흐르는 전류는 옴의 법칙을 적용하여 전류량과 주파수의 관계를 보면 아래와 같은 모습이 되지. 공진 주파수 지점에서 공진회로에 흐르는 전류량이 최대가 되는 거야.

공진 주파수 f_r을 기준으로 왼편(낮은 주파수 영역)은 컨덴서의 임피던스 X_C 가 지배하고 오른편(높은 주파수 영역)은 코일의 임피던스 Z_L 가 지배하지.

병렬 공진회로 (Paralle Resonance Circuit) [참조]

병렬 공진회로는 코일과 컨덴서를 아래처럼 병렬로 연결한 회로다. 공진회로 곡선을 보니까 좀 그렇지? 실선이 회로 전체에 흐르는 전류야. 그런데 어째 직렬 공진회로랑 다르다? 게다가 점선은 뭐래?

일단 전류를 제한하는 저항의 관점에서 보자. 공진 주파수 f_r에서 임피던스가 최소가 된다는 원칙은 직렬 공진회로든 병렬 공진회로든 동일하게 적용된다. 그때 두 공진회로에 흐르는 전류 또한 동일한 옴의 법칙이 적용되는 것이고. 그리고 합성저항 구하는 법칙도 다를 수 없어. 그래서 두 공진회로의 합성저항을 구해서 옴의 법칙을 적용해 보는거야. 그랬더니 직렬 공진회로는 최소 임피던스 R_s 에서 전류의 흐름 I_s 가 최대, 병렬 공진회로에서는 최소 임피던스 R_p에서 전류 흐름 I_p는 최소가 된거야.

최소가 됐든 최대가 됐든 앞서 공진의 의미를 되새겨 보면 "주파수 선택적 특징을 광범위한 공진의 의미"라고 했었잖아. 그럼 병렬 공진회로에서 최대 전류 흐름은 어디에 있는거냐면 코일과 컨덴서 사이에서 일어나는데 내부적으로 컨덴서의 충방전이 반복되고 그로부터 코일의 기전력과 역기전력이 일어나고 있어서 공진 주파수에서 내부 임피던스가 최대가 된다는 거야. 그럼 전류는 최대가 된다는 건데. 어째 좀 믿기진 않더라도 믿어보자(?!?!). 그 대신 병렬 공진회로가 어디에 쓰이는지 예를 들어보기로 하자.

주파수 체배기 회로(Frequency Doubler Oscillator Circuit) [참고]

요즘은 반도체 제조기술이 발달헤서 고주파 반도체 부품들이 나오고 기가 헤르츠 대역의 발진기도 나오고 있다. 전에는 안그랬다. 수 메가 헤르츠 발진기를 만들기에 급급했다. 크리스털은 10 메가 헤르츠를 넘기면 수정편이 너무 얇아서 가공하기 어렵다고 했단다. 그래서 고주파 발진기를 만드는 방법으로 채택한 것이 체배기다. 말그대로 발진 주파수를 뻥튀기 해주는 회로다. 예전의 무전기 계통도를 보면 심지어 단파대 송신기에도 체배기(frequency doubler)라는 부분이 꼭 있었다.

[출처: 초급아마추어 무선(개정판), 70쪽, 1982]

위의 체배기 설명중 "파형을 일그러지게"에 주목하자. 앞서 우리는 "왜곡파"를 배웠는데 기억들 하시는지 모르겠다. 기본파의 주파수에서 n 배되는 파(고조파 또는 harmonics)를 더하면 기기 묘묘한 파형을 만들어 낸다. 변조의 원리 이기도 하다. 이 고조파를 만들려고 일부러 찌그러 뜨리는데 동원된 방법이 C 급 증폭이라는 것이다.

아래 그림을 보자. 원래 제대로된 입력 파형에서 일부분을 싹뚝 잘라내고 한쪽만 증폭 시키는 것을 C 급 증폭이라고 한다. 이 증폭회로는 나중에 다시 다루겠다. 어쨌든 이렇게 해서 나온 파형을 보자. 아래 그림의 왼쪽 회로다. LC 공명회로(LC Resonate Circuit)가 없었다면 콜렉터의 파형은 심하게 찌그러져 있게된다. 이 찌그러진 파형은 원 파형을 기본파로 삼아 마치 고조파들이 합쳐진 모양이 된다. 이 찌그러진 왜곡파에서 제 2왜곡파를 분리해 내면 기본파에서 주파수가 두배인 파형을 얻어낼 수 있다. 이것이 LC 공진회로다!!!!

[출처] Injection-Locked CMOS Frequency Doublers for -Wave and mm-Wave Applications

위의 그림에서 오른편은 위상이 180도 다른 기본파를 각각 증폭해서 합쳐 놓았다. 주파수를 파형의 정점으로 따지면 아예 기본파의 주파수가 두배되는 "찌그러진" 파형이다. 따라서 뻥튀겨진 주파수 성분이 훨씬 강하게 된다. LC 가 신통치 않아도 믿음직하지 않은가!(?) 다이오드로 양파 정류해서 만들어내기도 한다.

정말 회로를 봐야 믿을 텐데 동영상으로 대체하고,

https://youtu.be/Y9c2DGiG-5A

스파이스 회로 시뮬레이터[SPICE: 참고]로 확인해 보자. 아래와 같은 회로는 아주 단순한 증폭회로다.

회로중 두 지점에서 파형을 관찰하면 이렇게 된다. 청색(1)은 원 파형, 녹색(2)는 "찌그러진" 파형이다. 

이 왜곡된 파형의 주파수 스펙트럼을 보면 아래와 같다. 입력 원파형인 1Mhz를 시작으로 2Mhz, 3Mhz 의 고조파가 포함되어 있음을 알 수 있다.

이제 제2 고조파인 2Mhz 신호만을 꺼내기 위해 LC 공명회로를 달아보자. 동조 주파수를 구하는 식을 이용한다. 먼저 C 를 적절히(가장 흔하고 주파수 특성이 괜찮다는 용량대) 100pF 라고 놓고 L 을 계산하니 63uH 가 나왔다.

이 회로를 시뮬레이션 한 파형을 보자. 출력 파형은 약간 찌그러진 면이 있지만 주파수가 두배 됐다.

주파수 스펙트럼을 보면 2Mhz 성분이 지배하고 있다.

이상 수동소자라고 하는 R, C, L 에 대해 살펴봤다. 다음에는 능동소자(진공관, 다이오드, 트랜지스터)와 응용회로(증폭기, 발진기 등등)를 알아보기로 하자.

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