공통 모드 전류와 쵸크

공통모드 전류

간단히 말해 안테나로 간 전류가 도로 돌아오는 놈을 말합니다. 
사실 정확하게 이야기를 하자면.... (으악!)  동축 케이블에서의 전류 흐름에 대해서 이해해야 한다고 합니다. 

제가 대충 그렸습니다. ㅋㅋ 

일단 동축 케이블에서 전류는 몇 부위에서 흘러가느냐는 질문으로 시작합니다.

세 군데 입니다. 네, 두 군데가 아닙니다. 고주파 전류는 표피효과(skin effect)로 인해 언제나 도체의 표면으로만 흐르기 때문에, 1) 심선의 표면 2) 쉴드선의 내측 3) 쉴드선의 외측으로 흐른다고 합니다.

이제 차동 모드 전류와 공통 모드 전류에 대해 알아보지요. 

아마추어 무선에서 사용하는 고주파도 결국에는 교류 전기잖아요.
그러니 안테나로 전기를 보내면 반드시 무전기쪽으로 돌아오게 되어 있습니다. 전류는 +극에서 -극으로 흐르니까요. 그런데 이걸 동축 케이블의 어느 한 지점에서 보면, 전류 한쪽은 안테나로 가고 다른 한쪽은 무전기 쪽으로 정확히 같은 양이 흐르기 때문에 서로 방향만 다릅니다. 이걸 차동 모드 전류(Differential Mode Current)라고 부르며 방향은 다르고 에너지양은 동일하니까 서로 정확히 상쇄된다고 생각하시면 됩니다. 

그런데 현실에서는 상황이 다르다고 합니다.
우리가 안테나를 통해 나가라고 쏘아 보낸 전류 일부는 안테나에서 튕겨 돌아오기도 하고, 일부는 대지 접지로 흐르기도 하고, 또 일부는 엉뚱하게 안테나를 돌아 들어와 무전기로 들어가기도 한다고 합니다. 
자, 여기서 중요한 것은 방향입니다. 원래는 무전기에서  안테나 쪽으로 1의 에너지를 보냈고 그게 쉴드선의 내피를 통해 정확히 1이 돌아와야 하는데, 뜬금없이 쉴드선의 외피쪽으로 0.1이나 0.3, 또는 2의 전류가 무전기로 돌아오는 것입니다. 

쉴드선 내피를 통해 돌아오는 전류와 함께 쉴드선 외피를 통해 흘러 들어오는 뜬금없는 전류, 이것의 전류 방향이 쉴드선 내피의 전류 방향과 같다고 해서 공통 모드 전류(Common Mode Current)라고 부른다고 합니다. 말은 복잡하지만 요점은 뭔가 엉뚱한 놈이 안테나에서 무전기를 타고 들어오는 것을 말합니다. 
네... 저는 아마추어 무선을 하고 있지만 전자공학에 대해서는 전혀 모르기 때문에 딱 이 정도까지 이해했습니다. 

요점은 다음과 같습니다. 

안테나가 전기적으로 완벽한 균형이 아니거나 (당연히 아니겠지),
아니면 여러가지 다른 이유로 인해 동축 케이블의 외피를 타고 무전기로 들어오는 전류를
우리는 공통 모드 전류(CMC)라고 하며, 이것은 좋지 않다! 

물론, 공통 모드 전류를 이용해서 존재하지 않는 안테나의 절반을 만드는 기술도 있기는 하지만 일단은 위와 같이 이해하시면 됩니다. 

아무튼! 공통 모드 전류는 안테나의 효율도 떨어뜨리고, 장비도 망가뜨릴 수 있고, 심지어 사람도 다치게 할 수 있기 때문에 못 들어오게 막아야 합니다. 그리고 이 공통 모드 전류를 막을 때 쓰는 것이 바로 쵸크(choke)입니다. 

쵸크의 원리

위 그림은 공통 모드 전류와 차동 모드 전류를 나타낸 그림입니다. 
먼저 우측 그림인 차동 모드 전류를 보시면, 검은색 선을 통해 흐르는 전류의 방향이 서로 반대입니다. 그리고 이렇게 되면 플래밍의 왼손법칙에 의해 나타나는 자기장의 방향이 서로 반대로 나타나게 되지요. 반대 방향으로 나타나는 자기장은 서로 상쇄되므로 이 토로이드를 지나는 전류들은 어떤 저항도 받지 않고 통과할 수 있습니다. 

이번에는 왼쪽의 그림을 보겠습니다. 
이번 경우에는 토로이드를 통과해 흐르는 전류의 방향이 동일합니다. 이렇게 되면 전류에 의해 형성되는 자기장은 두 전선에서 동일한 방향이 되므로 오히려 더 강해져 전류의 흐름을 방해하게 됩니다. 이것이 공통 모드 전류를 차단하는 쵸크의 원리입니다. 

아주 단순하지만 참 똑똑하구나 하고 생각했습니다. 

쵸크의 성능

쵸크의 성능은 페라이트 코어(토로이드)의 재질에 따른 유전율과 형상(크기, 두께 같은 것들), 그리고 전선을 감은 횟수(권선의 수)에 의해 결정된다고 합니다. 

재미있는 것은 여기서 페라이트 코어의 재질을 두껍게 하거나 직렬로 코어를 여러번 지나게 하면 일반적으로 쵸크의 성능이 증가하는데, 권선의 수는 주파수에 따라 적절한 수가 정해져 있다고 합니다. 이것은 기생 용량(parasitic capacitance)에 의한 것인데요, 페라이트 코어를 감는 전선의 간격이 조밀해질수록 서로간의 기생용량이 증가해서 쵸크의 성능을 떨어뜨릴 수 있다고 합니다. 특히 이런 특성은 50㎒부터 눈에 띄게 증가하기 때문에, VHF나 UHF에서는 토로이드에 전선을 감아 만든 쵸크는 쵸크로서의 기능을 거의 상실하게 됩니다. 

쵸크의 선택

쵸크는 형태에 따라 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다. 

• 토로이달 코어(토로이드)
• 페라이트 비드
• 클립 온 방식의 코어

그리고 재질에 따라서는 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. (아마추어 무선 기준)

• #31 소재 (MnZn)
• #43 소재 (NiZn)

우선 쵸크의 형태에 대해 정리하자면, 토로이달 코어는 우리가 전자장비를 뜯었을 때 자주 보는 도너츠 형태로 생긴 녀석입니다. 위 그림에 자주 보이는 녀석이지요. 

토로이달 코어 또는 토로이드
(색상은 코팅 여부에 따라 달라짐)

이 제품은 내경과 두께에 따라 자신이 원하는 전선을 마음대로 감을 수 있는 장점이 있습니다. 대신 코어 자체가 드러나 있는 형태이기 때문에 뭔가 케이스가 필요하겠지요. 단점으로는 눈에 보이지 않는 은근히 날카로운 부분이 많아서 전선을 감기 전에 가능하면 절연 테이프등으로 코어를 감싸주는 것이 좋다고 합니다. 

페라이트 비드는 페라이트를 전선에 끼울 수 있도록 만들어진 형태입니다. 대충 이렇게 생겼습니다. 

페라이트 비드

보시면 아시겠지만 이건 전선을 감을 수는 없고, 전선에 쏙쏙 끼워서 쓰라고 만들어진 제품입니다. 말 그대로 목걸이에 보석 같은 것을 끈에 끼우는 형태이지요. 
장점이 있다면 원하는 쵸크의 세기가 나올 때까지 전선에 쏙쏙 밀어 넣어 사용하면 된다는 것이고, 단점이 있다면 전선이 무거워지며, 일단 커넥터를 설치해 버리면 교체가 불가능하며, 페라이트 비즈 전체를 감싸는 튜브 같은 것이 하나 더 필요하다는 점입니다. 

마지막으로 클립 온은 우리가 전자제품의 어댑터에서 자주 볼 수 있는 형태입니다. 

클립-온 형태의 페라이트 코어

자주 본 것 맞지요? 보통 요 녀석을 열어서 안에 전선을 한번 통과시키거나 여러 번 통과시켜 원하는 강도를 맞춥니다. 장점이 있다면 페라이트 비즈를 플라스틱 케이스로 감싼 형태라 추가적인 튜브 처리등이 필요하지 않다는 것과 재활용이 가능하다는 것입니다. 하지만 페라이트 비드와 마찬가지로 전선이 무거워지죠. 

그럼 이번에는 소재에 따른 특성을 살펴보겠습니다. 

#31 소재는 망간-아연 합금으로 만들어진 제품입니다. 자세한 유전율 등의 자료는 생략하겠지만 한마디로 말씀드리면 "30㎒ 이하의 HF에서 강하다" 입니다. 아마추어 무선기사들이 가장 많이 사용하는 제품은 Amidon corp.의 FT-240-31이 있습니다. 외경이 6Cm나 되는 큰 놈이지요. 보통 Guanella 타입의 전류형 밸런과 30㎒ 이하의 쵸크에서 많이 사용합니다.
단점으로는 50㎒ 부터는 성능이 형편없이 감소해서 VHF/UHF에서는 쓸 수 없는 상태가 된다는 것입니다. 

#43 소재는 니켈-아연 합금으로 만들어진 제품입니다. 이 녀석의 특징은 "대충 HF부터 UHF까지 꾸준히 준수한 성능을 보인다"는 것입니다. 아마추어 무선기사들이 가장 많이 사용하는 제품은 Amidon corp.의 FT-240-43이 있습니다. 이것도 외경이 6Cm나 됩니다. 보통 49:1 UNUN과 같은 변압기 형태의 장비나 50㎒ 이상의 쵸크 또는 밸런에서 많이 사용합니다. 

아마추어 무선을 하며 필요한 정보 모음

딱 필요한 정보만 정리해서 말씀드리겠습니다.

1. 왜 아마추어 무선기사들은 Amidon corp.의 FT-240-x 계열을 주로 쓰나? 

사실 Amidon corp.는 페라이트 코어의 생산 회사라기 보다는 유통회사입니다. 다만 OEM으로 만들어 판매도 하는데요. 이 회사의 페라이트 코어를 많이 사용하는 가장 큰 이유는 아래와 같습니다. 

• 예전부터 햄들이 꾸준 사용해 보며 이 제품의 특성에 대한 자료가 충분히 쌓여 있다. 
• 위의 이유로 다른 사람의 설계를 보고 따라했을때 동일한 결과나 나오는 "재현성"이 높다.
• 덩치가 커서 권선을 하기 쉽다.

이 회사의 제품을 쓰지 않고 Fair-rite나 TDK의 코어를 사용해도 됩니다. 네, 물론이지요.
하지만 이런 제품을 사용하려면 실제 쵸크나 밸런을 만들었을 때 어느정도의 성능이 나올지 알 수 없기 때문에 권선의 수부터 임피던스까지 모두 직접 측정하고 수정해야 합니다. 대부분의 햄들이 인터넷 게시글이나 누군가의 출판 자료를 보고 만든다는 것을 생각하면 이건 다소 힘든 일이지요. 

2. 더 강한 코어를 만들고 싶으면?

• 보통 코어를 적층합니다. 특히 내출력이 높은 밸런을 만들고 싶거나 내열용량을 늘리고 싶을때 많이 사용하는 방법입니다. 
• 대표적으로 49:1  UNUN을 만들 때, 발열에 견디게 하고 싶으면 2개를 적층하는 것이 기본이고 필요하다면 3개도 쌓아 사용합니다. 
• 다만 이때에는 코어를 단단히 고정해 하나처럼 만들어야 하므로 유리섬유 테이프(과거 석면테이프, 3M 27번 테이프)를 많이 사용합니다. 일반 비닐 절연테이프는 내열온도가 60도 정도라서 코어의 발열이 증가하면 녹아버리거든요. 

3. 1:1 전류형 밸런(Guanella type current balun같은 것)과 쵸크는 같은 것인가?

• 기본적으로 결선 방식은 동일합니다. 아니, 실제로는 그냥 똑같습니다. 
• 다만 차이가 나는 것은 그 "목적"인데.... 약간 말장난에 가까운 부분도 있습니다.
• Current balun: 차동 모드에서 내가 원하는 주파수 대역의 감쇄가 적고 약간의 쵸크 기능을 가져야 함.
• Choke: 딴 거 다 필요없고 내가 원하는 주파수 대역을 제외하고는 아주 강한 감쇄가 발생해야 함.

이 말인즉슨, 여러분이 전류형 밸런을 아주 개쩔게 만들어서 원하는 주파수 대역에서는 감쇄가 거의 없으면서도 다른 대역에서는 어마어마한 감쇄를 유발하는 장치를 만든다면 쵸크로 써도 되고 밸런으로 써도 된다는 뜻입니다. 

4. 일반적으로 목표를 삼는 쵸크의 공통 모드 임피던스 

• 500Ω 이하 : 부족함
• 1㏀ : 기본 수준
• 3㏀ : 좋음
• 5㏀ : 매우 우수
• 10㏀ : 상당히 뛰어남 

이렇기 때문에 아무리 못해도 "쵸크"로서 사용하려면 "내가 원하는 주파수 대역에서 2㏀ 이상의 임피던스"를 가져야 합니다.

5. 권장되는 코어의 재질과 형태를 알려줘

보통 다음을 추천합니다.

1. VHF, UHF, SHF : 공통 모드 억제 목적으로 쵸크를 사용할 때, 클립온 또는 비드 형태가 유리함. 권선하면 기생 용량으로 인해 못 쓰는 물건이 되기 때문. 
2. 트랜시버측 쵸크, HF 대역 : 공통 모드 억제 목적으로 사용. 30㎒ 이하의 대역이라면 #31 소재를 사용해야 하며, 50㎒ 대역이라면 #43 소재를 사용해야 함. 
3. 1:1 밸런, ~30㎒ : #31 소재를 사용하는 것이 유리.
4. 1:1 밸런, ~50㎒ 또는 50㎒ 목적 : #43 소재를 사용하는 것이 무난함. 
5. 49:1 EFHW용 UNUN : #43 소재를 사용하는 것이 권장됨. 필요하다면 변압기용 #61 소재를 써도 됨.
6. EFHW 급전선 쵸크 : 30㎒ 이하에서는 #31 소재를 사용하고, 50㎒까지 생각한다면 #43 소재 쪽이 유리함.

6. 안테나 급전선측 쵸크 말고, 트랜시버측 쵸크도 필요하다고 하는데 꼭 필요한가?

"반드시 필요하다"고 말할 수는 없지만 있으면 좋다고 합니다. 트랜시버측 쵸크의 목적은 집에서 발생하는 전자기 잡음과 장비에서 발생하는 전자기 잡음이 안테나를 통해 방사되는 것을 막기 위해서라고 합니다. 

보통은 반드시 필요한 존재는 아니라서 전선을 감아서 자체적으로 쵸크 기능을 하게 만들거나 그냥 클립온 형태의 페라이트 코어를 사용하는 경우가 더 많은 것으로 알고 있습니다. 

이 정도면 충분할 것 같네요. 그 동안 궁금했던 것을 찾아보고 정리한 내용입니다. 
성향따라 다르긴 하지만 아마추어 무선을 하다보면 점점 "내가 직접 만들고 만다!"는 생각이 들 수 있습니다. 그때 도움이 되시면 합니다.