글쓴이 : SOONDORI
튜너, 라디오 회로에서 종종 거론되는 ‘온도보상형 커패시터’는 무엇일까?
어떤 RF 회로에서 처리되는 주파수는 다음과 같이 L(코일 성분)과 C(커패시터 성분)의 값에 의해 결정된다. 그러므로 최대한 정교하게 주파수(F)를 유지하려면 여하한 조건에서도 L, C는 고정된 값을 유지해야 한다. 논리가 그러한데… 현실은 그렇지 못하다.
오디오기기 전원을 넣고 전류가 흐르면 트랜지스터 등 반도체 소자들이 발열하고 취급 전류량은 증가한다. 이것은 자연적 현상. 전류량이 달라지면 (고정된 가상의 저항값을 기준으로) 전압이 달라질 것이고 그에 따라 L, C의 값도 여하히 변하게 된다. 변화는 일종의 연쇄반응으로서 그 요인과 현상들 몇 가지를 살펴보자면 다음과 같다.
(출처 : http://i.imgur.com/W4SNUYW.jpg)
■ Capacitance vs. Current
커패시터에 가해지는 전압이 높아지면 유효용량은 감소한다. 온도는 전류를, 전류는 전압을 달리하므로 결국 온도변화에 따라 C가 달라지고 종국에는 F도 변한다.
(DC Bias Characteristic 그래프. 출처 : https://www.murata.com/support/faqs/products/capacitor/mlcc/char/0005)
■ Inductance vs. Current
커패시터는 전류량에 종속된 전기를, 인덕터(Inductor, 코일)는 자기장을 저장한다. 자기장을 지칭하는 인덕턴스(Inductance) L과 전류량 d_i, 코일 양단의 전압 V의 관계식은 다음과 같이 표현된다. 중요한 것은 세 가지 사이에는 모종의 함수관계가 있고 전류량 변화에 따라 L값이 달라진다는 사실. 그런데 회로 전류량은 온도변화와 관계가 있으니 결국 온도변화는 L값과 상관관계가 있다.
또다른 참조변수로서 20도기준 금속들의 Temperature Coefficient는 다음과 같다. 금속은 온도변화에 따른 고유 저항값의 변화가 있다.
Copper = 0.004041, Aluminum = 0.004308, Iron = 0.005671, Nickel = 0.005866, Gold = 0.003715, Tungsten = 0.004403, Silver = 0.003819
(출처 : https://www.cirris.com/learning-center/general-testing/special-topics/177-temperature-coefficient-of-copper)
이상은 온도가 변화할 때 능동소자들의 동작조건 변화는 물론 L, C값도 변하면서 F가 변하게 된다는 점을 언급하고자 예를 든 것이다.
작은 변화에 민감한 RF회로에서는 동작환경의 변화가 치명적인 것이 될 수 있다. 예를 들어 IFT 즉, 중간주파수 트랜스포머의 센터주파수가 목표값에서 벗어나면 수신신호 감쇄와 다름없는 상태가 되고 임계점을 넘어가는 순간 튜너가 제대로 작동할 수 없는 경우도 생긴다.
(적색은 내부 커패시터가 없는 OSC 코일, 기타는 AM용 IFT. 출처 : http://www.automation.co.kr/radio/amradio.htm)
(온도보상형 원통 커패시터가 있는 IFT 예시)
전자기기는 온도에 상당히 민감한데 시간경과에 따라 무조건 온도가 올라가며 그에 따라 회로가 취급하는 주파수가 틀어진다 하니 그것을 보정할 방법이 필요하다.
단순 전선의 덩어리인 코일을 대상으로 부품 제조사가 무엇인가를 조작하고 가변할 여지는 없다. 그래서 또다른 항목인 커패시터에 착안하고 온도상승에 대한 정(Positive), 부(Negative)의 특성을 갖는 특별한 부품들을 만든다.
(C0G는 삼화콘덴서 NPO 등급 상당. 출처 : https://forum.digikey.com/t/understanding-ceramic-capacitor-temp-coefficients/727/2)
아래는 삼화콘덴서 세라믹 커패시터 제품 설명서에서 추출한 내용. 좌하단에 Class I(*) 등급, 부(負)의 동작 특성을 갖는 온도보상형 커패시터의 Temperature Coefficient Graph가 표시되어 있다.
* Class II는 고유전율형 세라믹 콘덴서. 이에 반해 Class I은 저유전율형으로 고주파용으로 쓰이는 작은 용량을 커패시터群이다.
온도보상형 세라믹 커패시터의 식별방법은? 예를 들어 안정도가 가장 높은 NPO 그룹은 부품 위쪽에 검은색 컬러 띠가 있다. 그 다음으로… 온도보상 등급을 결정하는 것은 재료. 다음과 같다.
(출처 : http://www.defaultlogic.com/learn?s=Ceramic_capacitor)
참고로 불량한 IFT에 의해 동조주파수가 부유(Drift)하거나 제대로 신호를 처리하지 못할 때에는 고장난 IFT 내부 커패시터를 파괴, 제거하고 외부에서 대체한다. 가끔은 서비스매뉴얼이 친절하게도 명확하게 사용된 코어의 스펙과 함께 용량을 명시하는 경우가 있지만 흔한 일은 아니다. 통상은 50~90pF.
온도보상형이 아닌 일반 세라믹 커패시터를 쓰면 어떻게 될까?
* 관련 글 : Marantz ST-54 튜너 수리 (3), 검파코일 동조 커패시터
자가수리에 있어서 대부분 가정집에서 여름, 겨울 상온 25도 정도가 유지된다고 보면 크게 상관이 없을 수도 있다. 가능성에 기댄 Try & Error형 작업이 될 것인데… 커패시터 용량의 미세 부유에 의한 조정점 틀어짐보다는 그외 변수들의 영향도가 더 클 것이고 IFT의 느슨한 필터링 폭이 짐짓 보상인자로 작용할 수도 있다. 다만, 원론은 원론이니 여건이 된다면 가급적 온도보상형을 쓰는 것이 합당하다는 의견. 인터넷 상점에서 옵션을 지정하여 별도 판매를 한다.
