전원에 의해 잡음 유도
전원에 의해 발생되는 잡음이 유도되어 오디오 장비에 악영향을 미칩니다. 이 잡음은 전자 장치의 회로 구성에서도 문제가 발생하고, 전원 장치와 관계에서도 발생하고, 연결 선로에 의해서도 유도되어 발생합니다. 이글에서는 전원 잡음 유입의 원인과 이를 방지하는 방법을 알아보겠습니다.
기준 전위의 종류
거의 모든 전자 장비는 다음 표와 같이 크게 세 개의 전기적인 기준 전위를 가집니다. 이렇게 다른 종류의 기준 전위가 있는 이유는 서로 다른 환경에서 전기적 신호를 다루고 설계되기 때문입니다.
기준 전위를 사용하는 이유는 안정적인 장비의 간의 연결, 전위차에 의한 전기적인 위험 방지 등입니다. 여기서 신호 그라운드는 하나가 아닐 수도 있습니다. 최근 거의 모든 고급 오디오 장비는 아날로그 신호와 디지털 신호를 구분해서 회로를 형성하기 때문입니다. 그래도 결국 안 하나의 신호 그라운드를 만들고 이를 다른 기준 전위와 연결하게 됩니다.
그라운드 루프(ground loop)
그라운드 루프는 송수신 장비가 선로로 연결되고 지구를 접지로 사용해서 발생하는 현상입니다.
이는 다음가 같은 등가 회로로 표현되며 Vh가 추가되어 수신 측에 전송됩니다.
세부 적으로 보면, 전원선의 전자기 유도와 선로의 저항이 원인이 됩니다.
접지 별 연결 방법
그러므로 아래와 같이 전원선과 오디오 회로를 분리하면 됩니다. 그런데 이 방법은 또 다른 문제를 만들 수도 있습니다. 일반적으로 가장 안정적인 회로는 전원 접지(earth ground)와 장비의 외함 접지(chassis ground), 신호 접지(signal ground)가 묶여 있습니다.
각 그라운드의 묶임 상태은 다음과 같이 확인하면 됩니다.
가장 간단하면서 효과적으로 그라운드 루프를 해결하는 방법은 다음의 단일 경로 결선 방법을 사용하는 것입니다.
다음으로 모든 입출력 포트를 평형 신호를 사용해서 그라운드 루프로 발생하는 신호를 방지하는 것입니다.
모든 장비가 플로팅은 방법도 있습니다. 그러나 이 방법은 접지에 대해 불안정해서 위험할 수 있습니다.
마지막으로 임출력 포트에 트랜스를 사용해서 전기적으로 분리하는 방법입니다. 이 방법은 매우 효과적이고 안정적이 지만 모든 오디오 장치가 이 방법을 동시에 사용하는 해야만 합니다. 또 모든 언밸런스 신호를 밸런스 신호로 변환해서 사용해야 합니다.
이 부분은 별도의 내용으로 설명하겠습니다.
https://medialink.tistory.com/143
악기를 위한 주변 장비중에서 DI 박스(direct injection box)라는 것이 있습니다. 이 장비는 주로 전기 기타와 같이 높은 출력 임피더스를 낮은 임피던스로 변경하고 동시에 언밸런스 신호를 밸런스 신호로 로 변환해서 장거리 전송도 가능하게 해줍니다. 그런데 내부에 매칭 트랜스를 사용하는 DI 박스가 대부분이여서 위의 절연 효과를 주기도 합니다.
RCA 단자의 그라운드 루프
RCA를 사용할 경우에도 그라운드 루프가 발생할 수 있습니다. 아래와 같이 Left, Right RCA에 각각 실드(shield)를 사용하면 그라운드 루프가 발생하게 됩니다.
그러므로 한 개의 실드를 사용하도록 수정합니다.
새시 그라운드 처리
어스와 새시 그라운드 사이를 연결할 때도 다음과 같은 방법을 사용해서 접지 유도 전력을 억제하는 것이 좋습니다.
이때 오디오 출력 포트는 플라스틱을 사용해야 합니다.
자세히 보면 신호 그라운드와 전원 그라운드 그리고 어스를 직접 연결하지 않고 수동 소자를 이용한 필터로 전원 잡음 유입을 방지합니다. 이를 전문적으로 해주는 라인 필터(line filter)가 있습니다. 여기서 중요한 것은 이런 내용은 회로 구성 및 실제 장치를 개발할 때부터 고려되어야 합니다.
신호 그라운드 처리
새시 그라운드와 오디오 회로의 신호 그라운드는 다음과 같은 방법 중 하나로 결합니다. 이 중에서 콘덴서를 사용하는 방법이 주로 사용됩니다. 이는 새시 그라운 와 신호 그라운드 사이에 전위차를 해소하기 위해서 적용하는 방법입니다.
전원 공급기를 가지고 있는 경우 전원과 새시 그라운드와 신호 그라운드는 다음과 같이 연결합니다. 전원 입력 쪽에 라인 필터를 사용해서 좀 더 편리하게 구성할 수도 있습니다.
전자 부품이 가득한 PCB는 서포터(Supporter)라는 기계적인 작은 부품들을 이용해서 외함인 새시와 연결됩니다. 이때 서포터와 PCB 사이는 전기적으로 닫지 않습니다. 즉 절연 상태인데 이때 서포터와 전자회로의 신호 그라운드 사이를 콘덴서로만 연결합니다.
그리고 전원 입력선은 아래 그림과 같이 EMI 코어를 포함하는 부품을 사용해서 잡음 유입을 차단합니다.
만약 장치에 어스선이 없는 2선 방식인 경우에는 어스를 사용해서 받는 이득을 볼 수 없습니다. 그럴 때는 위의 그림과 같은 가상 접지 장치(가상 접지 멀티 탭등)를 구해서 어스를 대신해 줘야만 잡음 유입을 어느 정도 방지할 수 있습니다.
신호 접지와 전원의 연결
앞선 내용에서 오디오 회로에서도 여러 신호 기준이 있다고 얘기했습니다. 과거와 다르게 오디오 신호를 다룰 때 아날로그 신호와 디지털 신호를 사용하기 때문입니다. 물론 두 신호의 혼용해서 사용해도 되지만 좀 더 좋은 조건의 오디오 출력을 만들고 싶다면 디지털 신호와 아날로그 신호를 분리해서 사용하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 높은 주파수의 클럭 신호를 사용하는 디지털 회로의 EMI가 아날로그 회로에 주는 영향을 줄일 수 있습니다.
그리고 두 신호의 기준 전위를 같도록 유도해 줘야 합니다. 가장 기본적인 방법은 아래와 같이 아날로그 신호 기준과 디지털 신호 기준을 $0\Omega $로 연결해 주는 방법입니다. 만약 같은 크기의 전압을 아날로그 회로와 디지털 회로에서 사용한다면 비드(Ferrite Bead)로 두 전압 사이를 연결해서 하나의 전원에서 공용으로 사용해야 합니다.
만약에 아날로그 회로와 디지털 회로가 완전히 다른 전원 공급기에서 전원을 각각 공급받는다면, 다음과 같이 기준 전위 사이를 연결하는 것이 좋습니다.
전원 선로 연결
여러 장비가 공통으로 전원을 사용할 경우에도 다음과 같이 전원 선로의 상태를 통일해야 전원 잡음 발생을 줄일 수 있습니다. 다시 말해서 어스는 당연히 어스끼리 그리고 중성점을 통일해서 연결한다고 생각하면 됩니다.
이를 위해서는 전선의 active, neurtal, earth와 동시에 전원의 선로 상태가 어떤지도 알아봐야 합니다. 전기 계통에서는 active 선을 live선이라고도 부릅니다.
기본적으로 선로의 구분은 아래의 내용과 방법으로 찾습니다.
선로 색상
나라별 전원 케이블의 선로 색상입니다.
- Earth는 지구를 중심으로 전원 기준을 만드는 선로입니다.
- Neutral은 마치 0V와 같은 개념의 기준 전원선입니다. 그러니 여러 장비를 사용할 경우 Neutral을 동일하게 쓰도록 선로를 연력 하는 것이 좋습니다. Earth-Neutral 사이에 이상적인 전압은 0V입니다.
- Active는 마치 220V의 전압이 발생하는 선으로 간주합니다.
안타깝게도 이는 규정이고 실제로 이를 잘 지키지 않는 경우가 많습니다. 그래도 어스는 잘 지키는 편입니다. 이를 지키지 않으면 동작하지 않거나 심각한 전기적 오류가 발생하기 때문입니다. 안타깝게도 active와 neutral을 같은 색의 선로로 설치하는 경우까지 있습니다. 그러면 어떻게 구분해야 할까요.
콘센트를 보면 두 개의 구멍과 외부에 금속이 보입니다. 금속이 어스에 해당합니다. 전원 테스터기를 AC 교류 측정으로 하고 어스와 두 개의 구멍 중 하나를 연결했을 때 220V 또는 아주 작은 전압이 측정됩니다. 220V가 측정되는 구멍이 active입니다.
사운드 카드의 잡음
영상 또는 음향 편집을 하시는 분들은 가끔 겪으시는 내용입니다. 사운드 카드에서 잡음이 발생해서 품질에 애를 먹는 경우가 많습니다. 이는 다음과 같은 내용이 원인입니다.
- 진짜 저품질의 사운드 카드 : 이는 개선할 방법이 없습니다.
- 전원 시스템 문제 : 위에 설명한 것과 같이 전원 연결방법으로 해결해 봅니다.
- 그라운드 루프 : 아래의 글을 읽어보시면 원인과 해결방안을 보실 수 있습니다.
- USB 접속 문제 : 컴퓨터의 USB 단자를 통해서 전원을 공급받는 경우에도 잡음이 발생합니다. 이 경우에는 다양한 원인이 있기 때문에 하나의 해결책을 제시하기 어렵습니다. 일단은 좀 좋은 전원 어뎁터를 적용해 보거나 절연 트랜스를 사용해서 원인을 하나씩 해소해 봐야 합니다.
https://medialink.tistory.com/143
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