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오실로스코프 리사주 곡선과 몇 종 커패시터의 반응

글쓴이 : SOONDORI

오실로스코프의 리사주 곡선(Lissajous Curve*)은 CH1, CH2 두 채널 신호를 합성하고 위상에 관련된 어떤 유의미한 정보를 표현한다. 파형별 해석은 다음과 같다.

* 두 개 진동 물체와 광원으로 벽면에 위상 합성 형상을 만들었던 프랑스 물리학자 Jules Antoine Lissajous(1822년~1880년)의 이름에서 유래.

(출처 : https://top10electrical.blogspot.com/2014/09/lissajous-figures.html)

핵심만 추출하자면, 각도 불문하고 막대형 그래프가 나오면 위상차(差)가 0도 이거나 180도. 동그란 형태가 나오면 위상차 90도이거나 270도. 위상차는 두 신호의 출발점과 전개 점에 있어서 어긋남이 있다는 뜻이고 그것은 결국 시간 차이다.

두 신호를 합성하는 방법은 그냥… 오실로스코프 ‘X-Y’ Mode를 선택하면 된다. 실물 오실로스코프에서 지정된 스위치를 조작하면 끝.

(▲ 여기서 ‘X-Y Mode’, ‘XY Mode’는 X축과 Y축을 동시에 취급한다는 의미이고 각각은 공히, 전압 단위. 두 축이 동시에 같은 강도로 변화한다면 45도 막대형 파형이 보일 수밖에 없다. 두 축이 함께 양, 음 방향으로 변화하니까. 장비 구매 전, X-Y 모드 스위치가 있는지 또는 Dual Trace 언급이 있는지 확인하는 게 좋고…)

동작을 확인하기 위해 다음과 같은 테스트 회로를 구성하였다. 실물은 표제부 사진 참조.

이 테스트 회로는 High Pass Filter.

X_C를 대신할 커패시터는 1) 삼영 KMG 33uF/63V/105도급 전해 커패시터, 2) 휴지통에서 다시 줏어온 Nippon-Chemi 33uF/25V/85도급 전해 커패시터, 3) WIMA 4.7uF 어쩌고저쩌고 필름 커패시터, 4) 제조사 불명 0.47uF 필름 커패시터로 한다. R은 4.7K오움.

신호 발생기 출력을 1V_RMS로 고정하고 흔히 듣는 음성 대역 3Khz, 가청 대역 최저점 20Hz, 최고점 20Khz 그리고 “에라~ 모르겠다” 극단의 주파수 21Mhz를 주입하면서 반응을 관찰하였다.

○ 삼영 KMG

(부품 속성을 반영하지 않는) Web 시뮬레이션 툴이 제시하는 Cut Off 주파수는 약 1Hz@-3dB이다.

* 관련 글 : 삼영전자의 KMG와 NXH

위 그래프 20Hz 초과 대역에서, 신호 레벨은 균일하고 위상은 살짝 변하고 있다.

(▲ 20Hz에서 슬며시~ 원형으로. 소소한 위상차가 생겼다는 것이다. 10Hz에서는 더 동그랗게 변하고 타원의 크기(=커패시터 극판 간극을 넘어가는 신호의 강도)도 줄어들며… 이 ‘원형화 현상’은 대략 80Hz 이하에서 유의미한 모습으로 진행되기 시작하니까… 시뮬레이션 부합? 또는 아주 약간의 엇박자? 디지털 Dot 그래프라서 식별에 어려움이 있으니까 대충 맞다고 보고 넘어감)

(▲ 흔히 듣는 주파수 3Khz의 반응은 Ideal한 수준. 눈으로 확인할 수 있는 위상차는 없다. 당연히! 가뿐하게 20Khz 파형도 그렇다)

(▲ 과격한 21Mhz에서 작은 콩알처럼. 그나마 표현된다는 게 신기할 정도이고… 위상이고 뭐고 간에 높은 주파수의 취급에 심히 버거워하는 것)

○ Nippon-Chemi LR

삼성전자 S36P 프리앰에 쓰였던 Low ESR 타입. 오실로스코프 파형으로는 어찌해도 삼영 KMG와 반응이 같다. 그러나…

지난번 글에 쓴 그대로, LCR 미터는 조금 다른 이야기를 했으니… 보고 판단하는 것과 숫자를 읽는 것에 차이가 있을 터.

* 관련 글 : 삼성전자 소노라마 S36C 프리앰프 (3), 오버-홀

이 글은 위상을 다루고 있으므로 다른 항목은 멀리 미뤄두고… Phase Angle에 집중하는 게 좋겠다. 구품 평균 79도 – 신품 평균 75.3도 = 평균 3.7도… 3.7도 차이가 어떤 의미가 있을지? 글쎄요. Only 위상만으로는 극히 미미할 것이라 예상함. 수시 변화하는 음악에서 어찌 그 차이를 식별할 수 있을지… 그리고 오늘 다르고 내일 다르고.

아래는 단순 참고용. 온도에 따라, 주파수에 따라 용량, 임피던스, EST 값 등이 변한다는 사실에 유의.

○ WIMA

시뮬레이션 Cut Off 주파수는 약 7Hz. 30Hz~300Hz 영역의 위상 변화는 대체로 전해 커패시터와 같다고 보고…

3Khz, 20Khz 반응은 두 전해 커패시터의 것과 같음. 생각 없이 주입해본 4Mhz에서 거뜬히 선형 45도.

그러면 그렇지… 20Hz에서 두 전해 커패시터 반응보다 더 큰, 확연한 위상차가 목격된다. 부품 특성으로 간주.

○ 흔한 필름

소용량이라서 역시… 낮은 주파수에 약하고 반대로 높은 주파수에 강하다. 예를 들어 가청 대역에서 확연한 위상차가 존재하지만 4Mhz에서는 오히려 선형. 아무래도 그 정도 세상에서 노는 게 맞는 부품.

(▲ 3Khz)

(▲ 387Hz. 턱없이 작은 용량 = High Pass Cut Off 점 위치와 위상 변화 + 필름 특성이 혼합된 결과로서… 당연한 이야기겠지만 이런 정도를 오디오 커플링으로 쓸 수는 없음)

뭘 좀 더 해보려다가 시각적 식별에 의존하는 게 한계가 있다고 판단하여 중단하였고…

요지는,

1) 전해 커패시터와 필름 커패시터의 위상 반응특성은 다르다.

뭐… 재료와 제법이 다르니까 그러려니 하고, 20Hz 부근 반응도 그렇고 뭣도 그렇고.

(▲ 전해 커패시터의 인가전압원복특성(DA; Dielectric Absorption), * 관련 글 : 스피커 DIY (3), 네트워크용 커패시터에 대한 이야기)

2) 시각적 판단으로는, 위상에 국한해서는 두 전해 캐패시터의 반응 차이가 없다.

반응 차이라… “황금 귀라서 쉽사리 차이를 식별한다”와 “그 차이 때문에 소리가 좋다” 또는 “소리가 나쁘다”는 서로 혼합할 수 없는 전혀 다른 국면의 것. 그럼에도 종종 혼용하는 일이…

3) 의도하지 않았는데 위상이 틀어지면 음이 달라지는가?

네. 특히, 스피커 세상에서 그런 일 많음. 위상의 더하기와 빼기… 보강 간섭 또는 Cancelling 등 위상이 (특정 주파수) 소리 크기를 다르게 만들 수 있다.

 

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