맹그러 (Maker)

Inductor & Ferrite Bead

주변 동료 엔지니어가 자주 묻곤 하는 질문 중 하나 입니다. 때론 경력이 없는 후배이거나 때론 경력이 있고, 실제로 회로설계를 하고 있는 현업의 엔지니어도 묻는 질문 중 하나 입니다. 그런데 본인도 딱히 와 닿게 설명을 하기가 어렵네요, 그래서 인터넷 검색을 해 봐도 도체 모르는 소리들만 늘어 놓습니다. 그래서 정리좀 해 보게 되네요~

이럴땐 옛날 얘기를 해 가면서 현재까지 어떻게 변해 왔는가를 설명하면서 보여주면 좀 이해가 될지 모릅니다. 아니 경험상 이건 이거다 라고 설명을 굳이 하지 않아도, 이해가 되는 경우를 봤습니다. 그래서 옛날 우리 선배들이 주로 사용하던 부품을 먼저 설명하고 사용방법을 먼저 설명하고, 현재 얼마나 변해 왔는지 보여드리면 자연스럽게 이해가 되지 않을까요?

인덕터와 비드 의 회로 설계툴(OrCad) 에서 보면 라이브러리가 동일하다. 아니 비슷하다. 물론 라이브러리를 그리는 사람의 의도대로 똑같이 그릴수도 있고, 다르게 그릴 수도 있는데, 왜 하필 인더터와 비드를 같은 L 로 표시 했을까? 를 생각해봐야 할 필요가 있다. 결론은 동일하다고 봐야 정신건강에 도움이 될듯 합니다.

동일한 종류의 부품이다 하고 이해하고 넘어 갑시다. 왜냐 하면 Inductor 라는 부품의 특성은 아주 많은 응용분야에 여러가지 형태로 이용하게 된다. 그래서 단편적인 예를 들어서 설명하기 어려운 부품이 바로 인덕터 L (Inductor) 입니다.

인덕터는 현재도 많은 종류가 존재 하고 앞으로도 많은 형태가 새로 만들어 질 것이기 때문에 복잡한 것이다.

제일처음 보게 되는 인덕터 트랜스포머 (Transformer)

공학도 들은 위에 그림을 전자/전기/통신 을 막론하고 모두 공부했고 봐 왔다. 모르는 공학도는 없을 정도로 많이~

상호 인덕턴스 바로 에너지의 전달이다. 상용전기(220V/110V) 에서 전자부품의 동작전원 을 만들기 위해 인덕터를 이용하여 제일처음 사용하는 부품이고, 원리 입니다. 자세한 내용은 생략해도 될 정도로 이미 많은 이론과 지식이 있는 분야 이기도 하지요~

공진 회로로 사용되는 바 안테나 (Bar ANT) 와 동조코일 (IFT)

그 다음 라디오 또는 가정용 수신기등에 많이 사용되는 라디오 안테나 및 공진회로 입니다. 바 안테나를 통해 들어오는 Radio Frequncy 를 공진회로(탱크회로)를 통해서 필터링 하고, 원하는 주파수 만을 받아들여 라디오로 수신되도록 만드는 회로이고 이 부분에 이용되는 부품 들입니다. 그리고 때론 발진회로에도 사용되어지고 이미 오래전 부터 Inductor는 사용되어 왔습니다.

전원입력 단 노이즈 제거용 코일 (Inductor)

그 다음 제일 많이 사용되고 일반적인 분야가 전원입력 단 노이즈 제거를 위해 사용되는 여러 형태의 인덕터 이다.

전원 입력단에 사용되는 인덕터는 광대역의 주파수를 차단 또는 흡수하기 위해 사용되어 지고, 크기와 가격적인 면에서 좀더 효율적인 방법을 찾기 위한 노력이 꾸준히 발휘되는 분야 이고 그만큼 새로운 제품이 많이 나오기도 한다.

사용측면에서 주의 할점은 부품에 흐르는 전류의 양과 주파수가 중요하다. 허용용량 이상의 양을 흐르게 하기해서는 자기포화(세츄레이션) 상태가 되지 않는 범위 내 에서 사용되어야 한다.

인덕터에서 사용되는 페라이트코어는 인덕턴스를 높이기 위해 사용됩니다. 구리(Cu) 값이 꾀 비싼 금속이기 때문에 적은량의 구리를 사용하면서 효과적으로 인덕턴스를 높이기 위한 방법 입니다. 그리고 페라이트 코어에서 노이즈는 열로 변환해 버리기 떄문에 노이즈 반사가 아닌 흡수의 개념이 포함 됩니다.

바로 여기에서 광대역(여러 주파수 대)에서 보편적인 인덕턴스 값을 보이는 페라이트 코일과 다르게 점점 사용량이 많아지는 고주파 회로에서 발생하는 고주파성 노이즈를 줄이기 위해 분리되어 만들어진 페라이트 Bead 가 나오게 됩니다. 바로 우리가 많이 헷갈려 하는 비드(Bead) 는 바로 페라이트 코어를 지칭하기도 합니다.

고주파 회로에 많이 사용되는 비드 (Bead)

지금까지 봐 왔던 인덕터와 비드라 불리는 차이가 여기에 있다. 코아가 없는 공심형 인덕터나 또는 있는 인덕터는 인덕턴스를 높이기 위해 형태가 변한 것일 뿐 근본적인 원리는 여러 주파수 대역에 걸쳐 동일한 인덕턴스 성질을 이용하는 것이고, 여기에 주파수가 상대적으로 높은 디지털 회로가 많이 사용되면서 고주파에 많이 포진된 노이즈 제거를 위해 비드 라는 부품이 많이 사용되는 것이지 원리가 전혀 다른 부품이 아니라는 것이다.

비드는 고주파에서 저항값이 많이 높아진다. 하지만 주파수가 많이 올라가면 그 효과는 무의미 하게 된다. 즉 대체적으로 이용하는 주파수 대역에서만 효과적으로 임피던스가 높아져 노이즈를 흡수하게 된다.

그외 인덕터와 비드의 차이는 인덕턴스 값이 다르다. 인덕턴스는 구리선이 감겨있는 형태를 가지고, 여기에 코어가 있느냐 없느냐 에 따라 인덕턴스가 차이 나겠지만, 근본적으로 비드 보다는 훨씬 높은 값을 가지게 된다.

비드의 구조를 보면 철심 주변에 페라이트 코어가 감싸고 있는 형태이다. 그러면 예상되는 특성은 인덕턴스 는 온전히 페라이트 코어에 의한 고주파 임피던스 특성만 있고, 직류 저항은 아주 작거나 0 오옴에 가까운 특성을 보인다.

다시 말해서 전원입력 회로에 있어서 직류에 개념으로 봤을떄 전류/전압에 손실없이 전달하면서 고주파 노이즈에 대해서는 높은 임피던스 저항으로 작용을 함으로써 노이즈 제거를 하게 된다.

칩(Chip) 타입으로 변형되면서 구분이 모호해진 SMD Type Bead 와 Inductor

Inductor 도 SMD 타입으로 변형이 되어 새로 출시가 되기도 하고, Bead 도 마찬가지로 개발 출시가 되면서 외형적인 구분이 어려워 진다. 아래 사진에 몇가지 예를 들겠지만 간단히 설명을 하자면 칩 내부에 실제로 코일형태로 감겨져 있는 (Wound Inductor) 타입이 있는가 하면 적층형(Multilater) 타입으로도 만들어 지는데, 이게 인덕터와 비드를 구분하지는 않고 있다. 다시 말해 구성되어진 형태로 구분되지 않고, 작용하는 특성 및 애초에 사용용도에 맞춰진 시리즈로 구분되어 만들어지는데, 이게 양측의 장점을 다 이용한다. 인덕터에서 인덕턴스를 올리기위한 효과적인 방법으로 페라이트 를 사용하고, 비드는 광대역에 고임피던스 이용을 위해 페라이트를 이용하기도 하고, 코일처럼 감기도 한다는 것이다.

결론적으로 설계시 인덕터 냐 비드냐 를 선택하려면 :

부품의 외형만 보지 말고 내부에 권선형 인지 아니면 적층형 코일인지 아니면 내부에 심선이 굵은 리드형인지 구분할 필요가 있고, 이것도 여의치 않으면 해당부품이 어느파트에 사용되는 부품인지는 구분을 해야 한다. 중요!

위 에 보인 몇가지 비드는 액셜타입 이 원래 개념에 맞는 비드 일지 모르겠다. 나머진 좀더 좋은 효과를 보려고 또는 사용상의 편의상 변형 된 것이라 판단 하자, 그러면 전원입력 회로에 전압/전류의 손실이 없도록 하면서 고주파 노이즈 제거를 위해 사용하려면 위 에 3가지 타입를 고르되 내부 구조가 많은 전류가 흘러도 손실이 없는지 즉, 직류저항이 충분히 낮은지 허용전류와 주파수 응답특성 곡선을 확인 해 볼 필요가 있다.

나머진 해당 시그널 또는 해당 핀에 맞는 특성, 사용주파수에 따라서 적절히 추천부품을 사용하거나, 레퍼런스 회로에 사용된 부품과 동일특성 부품으로 대치 시켜야 한다.

시간이 되면 사용하고 있는 부품을 일부러 파손시켜 내부 구조를 파악해 두는 것도 좋을듯 합니다.

마지막으로 Maker 카다로그에 보면 사용용도에 맞춰서 시리즈를 내 놓기도 한다. 설계시 표를 참조해야 한다.

* 테스트를 위한 더미지그 (Dummy JIG)

차량용 Audio 나 AVN 또는 그외 자동차 부품을 개발하다 보면 차량에 직접 설치를 하지 않고, 차량과 비슷한 동작환경을 만들어 줄 필요가 있다.

전원입력 이라던가 스피커 또는 시동상태 시동 OFF 상태 등등.., 개발이든 테스트든 매번 실제 차량에 연결해서 동작여부를 확인 한다는 게 여간 어려운게 아니다. 그래서 필요에 의해서 하나씩 만들어진 Dummy JIG 또는 Test JIG Box 등 여러가지 명칭이 붙여진 물건이다.

표준화 된 규격이라든가 정성화 되 있는 규격이 없기 때문에 외부모양 부터 내부까지 하나같이 동일한 것이 없다.

모양은 비슷해 보여도, 스위치 구조 그리고 사용방식이 너무 다르다.

처음 접하는 사람은 이게뭔지 부터해서 사용법, 원리, 내부구조 등을 파악하는데도 한참 걸린다. 물론 비슷한 물건을 비슷한 용도로 사용 해 본 경험자라면 그 시간이 짧을지 몰라도, 모든 JIG 가 특정한 목적으로 주문에 의해서 만들어 진 것이라 동일 할 수가 없다. 몇 가지 사진을 예로 보이면 아래와 같다.

동일한 사진이 없다. 제작 업체도 여러곳 이고, 사용하는 여러 용도의 목적을 가지고 있어서 어쩔수 없나보다.

버스 승객좌석에 RSE(Rear Set Entertainment) 라는 AV 기기가 설치된다. 요즘은 비행기 좌석처럼 승객좌석 에서도 여러가지 편의사항을 제공한다. 버스도 프리미엄 이라고 차별화된 고속버스 서비스 시대가 시작되었다.

* RSE (Rear Seat Entertainment) : 차량내 뒷좌석 승객을 위한 각종 오락 환경을 제공해 주는 시스템을 총칭한다.

 - DSA (Dual Source Audio) : 하나의 H/U 에서 두 가지 소스를 재생 할 수 있는 시스템을 말한다.

   : 메인 헤드유닛 한대에서 운전자는 라디오를 뒷좌석 승객은 CD를 청취하는 것을 말한다. 가정용에 경우 거실에서는

   DVD를 보며, 주방이나 다른방에서는 음악을 청취 할 수 있는 시스템을 말한다.

 - RSA (Rear Separator Audio) : 프론트에 메인 H/U 이 있고, Rear에 별도의 서브 오디오가 있는 것을 말한다.

   : 이것은 운전자에게 주행중 조작의 위험을 줄이고 승객이 안전하게 자신이 원하는 정보를 이용할 수 있도록 

   배려한 시스템이다.

   RSA는 대부분이 RSE의 범위에 속한다고 볼 수 있다. 프론트 유닛은 라디오/CD/NAVI 정도의 정보를 이용할 수 있고

   서브 유닛은 라디오/CD/DVD/인터넷/게임/켐코더 등의 오락 환경을 조정하고 감상할 수 있도록 설계 되어진다.

   뒷자리 승객의 청취 방법은 무선 헤드폰이나 유선 헤드폰을 이용하여 운전자에게 방해를 주지 않는다.

버스 승객좌석에 각 한개씩 설치되는 모니터다. 마치 비행기 좌석처럼~, 출력은 헤드폰 이나 이어폰을 꽂아서 듣는 헤드폰 출력포트 한개다. 이 출력 포트로 출력되는 오디오 품질을 정밀측정 해 달란다. 어떻게 할가? 구글링을 아무리 해봐도 속시원한 내용은 없다. 그래서 없으면 만들지 뭐 내 방식대로~ 나에 자작 본능이 발휘된다.

우선 Test 를 위한 JIG 가 필요하고, 자작을 해야 하고, 부품이 공수 되어야 한다.

(개념도)

기존에 차량오디오 정밀측정을 위한 Config' 에다가, 더미 로드만 변경하고, Unbalanced Audio 로 입력 되니깐 입력을 일부러 변환하는 BTL->Unbalance 기기는 필요 없고, 개념도는 완성 되었고 부품을 구하자~

(부품구하기)

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집 근처 윙윙문구		구입한 부품과 양은 도시락		PCB를 도시락에 넣어본다.

전자부품은 예전부터 애용 해 오던 "디바이스마트" 에서 케이스랑 PCB 한시리즈로 주문을 했더니, 케이스 사이즈가 단종이라 공급이 안된단다. 이래저래 난 PCB와 케이스 사이즈를 맞춰서 한셋트로 받고 싶다는 요청은 거절 되었다. 그래서 주문 취소, 케이스로 이용할 마땅한 넘을 찾으러 집 근처 윙윙문구를 또 방문, 난 이곳을 너무 좋아 한다. 가격이 싼거는 아니지만 물건종류가 많다는 점이 너무 좋다.

케이스는 난로위에 데워먹던 추억의 양은 도시락으로 결정, 나중에 구멍 뚫기가 너무 수월해서 탁월한 선택이었다는 점. 도시락에 PCB 빵판을 살짝 넣어보니 대충 맞는다. 작아서 PCB를 잘라내기라도 하면 너무 일이 커진다. 안성 마춤이다.

(제작과정)

01		02		03
더미저항 시멘트저항		케이스에 입출력 콘넥터		구멍뚫고 PCB 삽입

케이스에 구멍 뚫기가 비교적 어렵지 않다. 알루미늄 보다 더 쉽게 홀 가공이 용이 하다. PCB 에 대충 부품실장 하고, 배선완료, 쉴드선은 회사에 가서 완성하기로 하고 마무리 한다.

(정밀측정)

중앙 하단에 마치 금도금 된 계측기 처럼 번쩍 거리는 것이 자작 JIG 이다. 개념도 에서처럼 스코프 물리고, Level Meter 연결하고, Analyzer 로 측정을 해 본다.

별 문제 없이 무난하게 측정이 마무리 된다. 단지 제품자체 오디오 Level 이 Max 에서는 구형파처럼 클리핑 되는 점 말고는 없는듯~

(측정 레포트)

Frequency Response 특성도 무난한거 같은데, 역시나 Volume Max 에서 오디오 출력이 구형파가 된다. 내부 입출력 Level 튜닝이 좀더 필요해 보인다.

끝