토요일, 4월 20, 2019
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스피커 DIY (3), 네트워크용 커패시터에 대한 이야기

글쓴이 : SOONDORI

스피커 유닛, 저항, 커패시터, 코일, 기타 잡자재 이 다섯가지만 있으면 나만의 스피커를 만들 수 있다. 그 중에 하나인 커패시터(콘덴서)에 대한 이야기. 값은 정의되어 있다고 보고 무엇을 어떻게 선정할 것인가에 관하여 몇 가지 생각들을 정리해 본다.

[ 관련 글 ]
스피커 DIY (1), 네트워크용 코일에 대한 이야기
스피커 DIY (2), 네트워크용 저항에 대한 이야기
스피커 DIY (4), 네트워크용 부속자재와 마무리에 대한 이야기

■ 오차 그리고 부정확성

모든 부품들이 그렇지만… 경험상 커패시터는 유독 오차가 많은 편이었다. 작은 오차들이 쌓이면 스피커 시스템이 확연히 다르게 동작할 수 있는데 예를 들어 어떤 음에서 살짝 좌 편향, 살짝 우 편향 즉, 음상이 정 중앙에 생성되지 않고 마치 에코효과 비슷한, 묘한 느낌의 소리를 듣게 될 수도 있다. 대응전략은 부품들 충분히 확보하고 설계치에 가장 근접하는 부품을 선별하되 반드시 좌우 같은 값을 쓰는 것뿐.

■ ESR과 ESL

커패시터 안에 물리적으로 내재된 직렬등가저항(ESR; Equivalent Series Resistance, 오움), 직렬등가인덕턴스(ESL; Equivalent Series Inductance, 헨리)는 회로와 스피커 유닛들에 흐르는 전류의 양과 변화 패턴에 영향을 주기 때문에 중요한 설계변수로 활용된다. 둘 모두 0.0이 바람직하지만 이 세상에 ESR/ESL 제로인 커패시터는 없다. 그러므로 설계 보정하거나 사정 곤란하다면 그냥 넘어가야 한다. 다행히 0.1, 0.08 등 작은 값이 대부분?

■ 운용규격 : 온도와 전압

전해 커패시터는 확실히 온도에 따라 용량값이 변화한다는 점 참고. 온도 상승과 하강에 따라 전해액 점도가 달라지고 그에 따른 전도도가 달라지며 결국 용량이 변화한다. “그래서 어쩌라는 말씀?” 상온이니까 별 문제 없다 생각하지 말고 가급적 85도가 아닌 105도 급으로. 온도등급은 부품 사용연한과 관계가 깊다.

운용전압은 최대출력에 관련된 사항. 예를 들어 어떤 앰프가 1Khz로 열심히 스피커를 구동하고 있다 가정할 때 8오움 기준 인가전압은 1W = 2.828V/RMS, 10W = 8.944V/RMS, 30W = 15.49V, 40W = 17.89V/RMS, 50W = 20V/RMS이다. 여기서 RMS는 0.707(=1/1.414) × V_peak이므로 그에 걸맞게 전압규격이 결정되어야 할 것이다. 최대입력 40W라면 V_peak는 +25.3V~-25.3V, 총 50.5V. “나는 잘 모릅니다” DIY 세상에서는… 63V, 100V 등 내전압을 충분히 큰 것으로 선정하면 된다. 365일 Full Power 쓸 일은 없을 것이나 그래도?

■ 그외 변수들

DIY 스피커 제작에 모든 것 반영하기는 어렵다. 아래 두 가지는 단순 참고용.

○ Dissipation factor tan δ : 커패시터가 저항처럼 작용하여 에너지 일부가 열로 방출되는 것을 가늠하는 지표. LCR 계측기에서 ‘D’로 표시되는 값으로 확인해볼 수 있다. 판단은… “별 일 없겠지요”
○ Leakage Current : 원칙에 맞게 직류를 얼마나 잘 차단하는 가를 나타내는 지수. 방전된 상태의 커패시터에 DC 전압을 인가하고 시간경과에 따른 전류흐름을 관측하여 값을 확인한다. 판단은 “유명회사 신품이니 문제 없겠지요”
○ 제조사들의 기술평가문서에 나오는 기타 변수들 : 너무 많다. “저는 제조사 엔지니어가 아니어요” 태도로 생략한다.

■ 전해와 필름의 차이

스피커 시스템 안에서 양의 파형과 음의 파형은 균등히 교차되므로 본래 극성이 없는 필름 커패시터나 전해콘덴서들 중 양극 콘덴서(Bipolar)를 사용한다. 만일 +와 -가 구분되는 일반 콘덴서를 써야 할 형편이라면 용량값을 두 배 키우고 +와 +를 연결(=합산 용량값의 1/2)한 후 두 배 내전압을 갖는 단품 양극성 커패시터로 취급해도 된다. 물론, 이 조건에서 총 ESR과 총 Dissipation Factor 등이 달라지겠지만… 어쩔 수 없으니 무시한다.

액상 유전체를 봉입한 전해콘덴서(커패시터)는 값 싸게 대 용량 제품들을 만들어 내는데 유리하여 아주 널리 쓰이고 있지만 수명이 정해져 있고 서서히 품질이 나빠지는 한계점이 있다. 사실 전해콘덴서의 노화는 앰프 등 기기에 있어서도 지긋지긋한 고민거리. 아무튼 습식과 건식(*)의 차이로 비유할 수 있는 바, 무미건조한 필름 커패시터는 대용량 만들기는 어려워도 항상성 유지에 있어서는 유리한 측면이 있는 부품이다.

* Solid Polymer를 이용하는 전해커패시터가 따로 있다. 논외로 한다.

더불어… 인가전압원복특성(DA; Dielectric Absorption) 때문에 전해콘덴서와 필름콘덴서의 반응도가 약간 다르다. 예를 들어 10V 전압을 인가하고 곧바로 방전시키는 것을 반복할 때 음에 대한 선호감과 연결되는 일종의 스위칭 잔류물이 남는다. 더 남고 덜 남고… 어떤 이들의 실험으로는 Polypropylene에서 0.05%, 전해 콘덴서에서 5% 이상? 이것은 참고만 한다. 이 세상에는 느릿한 반응의 푸근한 느낌을 좋아하는 사람과 재빠르고 날 선 느낌을 좋아하는 사람이 있다.

그나저나 무엇을, 어떻게 써야 할까? 개인 성향으로는 노화라는 단어 때문에 전해커패시터는 질색! 그러나 시장 내 입수용이성 기준으로는 a) 10uF 이하는 Polypropylene 필름 커패시터를, b) 100uF 이상은 전해 콘덴서를 사용하는 정도로 기준점을 잡아두는 것이 좋을 듯하다. 의지와 여건이 된다면 필름 커패시터들을 병렬로 붙여가며 100uF 이상을 만드는 것도 좋은 방법. 재차 언급하지만 총 합산용량들의 L/R 균등성은 매우 중요하다.

■ 진동과 고정

밀폐 엔클로저 안에 격납하면 스피커 콘지의 파동에너지가 상시 전가되므로 접착제로 단단히 고정해 놓는 것이 좋다. 단단한 결박은 모든 네크워크 부품들에 있어서 공히 조치되어야 하는 사항.


[ 부품 구매기준을 마련하기 위한 예시 자료 ]

1. 전해 커패시터

괜한 두문들이 적힌 일산, 외산 제품들 찾는 경우가 많은데 시간의 흐름, 기술의 발전 그리고 시장의 변화를 모르고 하는 행동. 80~90년대 많은 외산 모델들이 이미 국산 콘덴서들이 널리 사용되었다는 사실까지 더하고… 아무튼 삼영, 삼화, 국산 제품들 매우 좋다. 다음은 아예 ‘Cross-Over-network’ 문구를 적시하고 있는 삼영콘텐서 SSP 시리즈의 예.

2. 필름 커패시터

다음은 비마(영문식 위마) 필름 커패시터 분류. 재료로는 Polyester(PET), Polypropylene(PP) 두 가지를 쓰고 Metalized 즉, 측면극판 적용 여부에 따라 MK시리즈와 FK 시리즈를 구분한다. 비마 권고에 따르면 PP & MK 시리즈가 적당하다.

 

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