KEMET EMI Filter 노이즈 배제 실험 (2), 기초 테스트

글쓴이 : SOONDORI

최근 플레인뷰 님과 댓글 대화를 하기 전까지, 완전히 잊고 있던 탐구 주제.

* 관련 글 : KEMET EMI Filter 노이즈 배제 실험 (1), 상상하기 

■ 테스트 취지

뭐였더라? 1편 글을 다시 읽어보고… 그때의 논리는 이러했다.

1) 시중에서 파는 ‘필터 내장 전원 막대기’, 또는 그렇게 생긴 제품은 (주파수의 복합 작용에 의해서) 수백 Khz~수십 Khz 정도일 것으로 근거 없이(*1) 추정하는 엘리베이터의 삐~ 노이즈를 잡는 데 한계가 있다고 판단하였다. 제품의 구조상, 기술적으로, 사업적으로 그럴 법함.

2) 1차 측과 2차 측이 격리되고 L,R,C 복합 성분이 개입되는 복권형 트랜스포머 또는 AC 라인 중성선을 통해 유입 노이즈를 땅바닥으로 빼내는 동박 차폐판이 배치된 복권형 차폐 트랜스는 크고, 무겁고, 비싸다. 혹시라도 효과가 없으면 낭패.

3) EMI 필터가 안테나처럼 완벽한 쌍대성(*2)이 있는 것은 아니지만… 어쨌든 만일, 필터링 밴드가 ‘아무렇게나 목표치 100Khz 이하’를 충분히 커버한다면? 그런 상상하에 미제 KEMIT 필터를 하나 구매했던 것.

* 1 : (내용 추가) 멀쩡한 앰프에서 삐~ 소리가 나고 있을 때의 유입 주파수나 기기 안에서 파생된 원인 주파수를 알 방법은 없다. 동력 모터를 돌리는 인버터, SMPS 회로 등의 스위칭 주파수를 (예)500Khz~2Mhz 정도로 보고 그 이하 하모닉 중 일부가 유입되는 것으로 추정함. (예) 100Khz에 주목하는 것은, 그 이상에서는 시장에 흔한 필터들이 적당히 반응할 것이니까. 즉, 제작사가 주목하지 않고 반응성도 떨어질 아래쪽 대역을 의심하고 있는 것.
* 2 : 雙對性, Duality. 안테나는 그냥 금속 막대기로 송/수신을 겸하는 중요한 소스 기기. 즉, 입력=출력이자 출력=입력. 그와 달리 EMI 필터는 방향성이 있음. 물론, 다이오드와는 다르지만…

다음으로 KEMET 필터 회로를 살펴보면…

공통 모드(=Common Mode*) PE 단자는 복권형 차폐 트랜스의 중간 동판 층에 해당하는 역할을 담당한다. 기기 안에서 노이즈가 발생하든 밖에서 유입되든 불요 노이즈를 집 밖으로 내던지는 경로.

* 대지, 땅을 기준으로 P, E를 공히, 동시에, 공통 핸들링한다는 암시. C1/C2를 끌어모은 결선 구조를 보면 그렇게 생겼다.

그런데 우리나라 가정집에서 대지 접지가 제대로 되어 있을 것이라고 기대하기는 힘들다.

신축 건물 준공 시 접지 저항을 충족시키기 위해 소금물을 뿌리기도 하는, 눈 가리고 아웅 사례도 있고 제대로 작업하고 제대로 검사했다고 해도 다음 날 이후, 대지와 대지에 박힌 접지 동봉(銅棒) 그리고 구내 접지선 연결점의 변화, 콘센트 안쪽 단자 연결점의 변화 등은 누구도 알 수 없음.

그러므로 위 회로도에서, 1) PE로 표기된 중성 라인 단자, 2) 그것에 물린 Cy1, Cy2는 아예 없는 것으로 간주한다. 즉, 테스트 시에는 ‘대지 접지를 기준으로 필터링하는 Common Mode’는 배제.

정리하면 아래 회로가 된다. 위상 상쇄로 노이즈를 소거하는 노멀 모드(=차동 모드)만 쓰는 게 되어버림.

아무튼… KEMET 필터 안에 들어 있는 개별 부품의 값을 알 수 없으니까 장님 코끼리 만지기식으로… 수십 Khz ~ 수백 Khz 신호를 입력한 다음, 블랙박스나 다름없는 필터의 <입력 대 출구 반응>을 살펴보는 것으로 한다.

(시간 흐른 후)

■ 테스트 환경과 조건

하자고 하면, 다음 두 항목을 관찰하는 게 좋은데…

○ 방사성 노이즈

전파와 같은 노이즈가 막대기 안테나처럼 작용하는 P 또는 N, 한 개 이상의 라인을 타고 또는 건너뛰며 들어오는 경우 → Common Mode를 쓰지 않는다면 효과적인 대응은 어렵다. 특히 100Khz 이하의 노이즈를 Cut-Off 하기에는, L1, L2의 인덕턴스가 부족(*)할 것이고… 일단, Pass.

* 30A 이상의 전류를 흘리면서 L1, L2 인덕턴스를 키우려면 굵은 직경의 에나멜 선을 잔뜩 감고 강력한 페라이트 코어도 붙이고… “뭐요? 축구공만 한 것을 만들라고요?” 현실적으로 불가능.

* 관련 글 : [동영상] 강력한 전자기파가 허공을 날다

○ 전도성 노이즈

P와 N 라인 중 하나를 기준으로 전위차가 있는 노이즈가 들어오는 경우 = 도체를 타고 흐르는 전류 흐름과 유사함 → 펑션 제너레이터를 Line 단자에 연결한 다음, 60hz에서 500Khz까지 테스트 주파수를 달리한다.

참고로, Kenwood VT-173과 HP 주파수 카운터는 믿을 만한데 ED 펑션 제너레이터의 종단 상태를 100프로 신뢰할 수 없다는 점을 적어두고… 그래도 갖고 있는 5종 빈티지 신호 발생기 중에서 두 번째로 양호한  것이다. 하하~

(▲ 큰 의미는 없지만… 감쇄 Peak 시점의 피형)

■ 테스트 결과

다음과 같다.

(▲ 감쇄를 -값으로 표현하는 게 좋지만, KEMET가 양의 수치로 그래프를 그렸으므로… dB= -1 × 20 × log10(입력/출력)으로 처리)

그런데… 어떤 구간에서, 입력보다 출력이 크다? 40Khz~1Khz 구간의 수치는 펑션 제너레이터 출력 임피던스, KEMET 내부 코일 작용 등 통제 불가한 변수의 영향이라고 보는 게 좋을 듯. 그냥 무식하게 무시함.

그리하여 절대치를 신뢰하기는 어렵지만… 아래 KEMET 그래프의 좌측 하단 귀퉁이의 형태처럼 200Khz 부근에서 Peak를 보이고 이후 쭉~ 감소하는 것을 보고 두 그래프를 ‘모양새 부합’으로 간주.

그렇게 보면 사실, 그러니까 KEMET 그래프를 믿었다면 굳이 하지 않아도 될 테스트였다.

(시간 흐른 후)

■ 테스트 평가

KEMET의 이야기 그대로,

1) AC 플러그 중성선~대지 접지가 가능한 환경에서는 (예) 약 -30dB(*1)@100Khz의 방사성 노이즈와 (예) 약 -10dB(*2)@100Khz의 전도성 노이즈를 동시에 막을 수 있다.

* 1 : 인티앰프 볼륨을 최대치로 했다가 0으로 돌리는 것과 비슷한… 매우 큰 값이다. 2 : 이런 수준으로 또는 수 dB만으로도 노이즈 감쇄 효과가 있을 수도…

2) 1항 사례에서, KEMET 필터가 시중의 ‘필터 내장 전원 막대기’에 비해, Cut-Off 대역이 훨씬 낮아서 더 좋은 특성을 갖고 있다는 점 강조.

2) 대지 접지가 불가할 경우, Normal Mode에 의한 전도성 노이즈만 막을 수 있는 것으로 본다. 다만… 아주 재수가 좋으면 방사성 노이즈에 모종의 감쇄 반응을 할지도 모른다 정도로.

어쨌든,

EMI 필터를 쓰는 곳의 조건에 따라 성패가 갈릴 것. 기능적 확률 추정으로는 성공률 75%?

소가 뒷걸음치다가 쥐를 잡을 수 있을까? 글쎄요? 그러든 말든, 실증하지 않고 그냥 넘어가기는 그러니까… “에라이~ KEMET가 집어넣은 L1, L2와 나머지가 뭐라도 하겠지?”

2023년에 임시 함체 안에 넣고 다음 단계로 Go? 먼저, AM 신호 반응을 본 다음에…

* 관련 글 : KEMET EMI Filter 노이즈 배제 실험 (3), 조립

○ 왜 KEMET에 기대려고 했는가?

1) 다음은 Mouser에서 1만 8천 원에 살 수 있는 중국제 EMI Filter. 국내 산업 현장 이곳저곳 자주 쓰이는, 경제적으로 무난한 제품일 것인데…

– Common Mode Choke는 한 개. KEMET는 직렬로 두 개.
– 반응 그래프 제시 없음.
– 회로가 간단하고… 수백 Khz ~ 수 Mhz SMPS 스위칭 주파수를 억제하는 용도. 논거 없는 감각적 판단으로, 이런 제품을 열심히 달아봐야 엘리베이터 노이즈가 억제될 가능성은 낮다고 본다.

2) 이번에는… Mouser에서 3만 7천 원에 살 수 있는 일본 TDK 필터의 예. 역시 유명 브랜드인지라 그래프가 제공된다.

(▲▼ TDK 36A 제품을 기준으로, 모두 10Khz까지를 보여주고 있는데… 어떤 게 더 나을까? 100Khz 이하의 두 개 동작 Mode에서 공히, KEMET > TDK. 특히, Common Mode 조건에서는 월등하다)

○ (내용 추가, 2022.12.22) 플레인뷰 님이 댓글로 안내하신 블로그 링크를 따라가보았고 국내 기업 오리엔트전자(orient.inpiad.net)가 만든 RMS-2020/RMS02020DIN 국산 노이즈 필터를 사용한 연작 DIY 콘텐츠가 나온다.

* 파워 서플라이 고주파, 엘리베이터 노이즈 문제 1편, Klarhet님, 네이버 블로그

인터넷 가격이 2만 원대인 RMS-2020의 핵심 속성은 다음과 같음.

다 좋은데… 0.1Mhz 즉, 100Khz 이하의 정보가 없는 게 문제.

그래프는, 엘리베이터 노이즈에 고민하는 DIYer가 기댈 수 있는 가장 중요한 정보인데… 분명히 슬로프를 갖는 어떤 감쇄도가 있을 것이나 제조사에 따로 문의를 하지 않는 이상은… 단, Klarhet 님의 말씀으로는 개선이 있었다고 함.

하나 더.

마침 RMS-2030 데이터 시트에 계측 방법에 대한 간단한 설명이 담겨 있다.

Balun, 임피던스, 네트워크 애널라이저… DIYer에게는 부담스러운 테스트 환경이다. 그래서 펑션 제너레이터와 멀티미터로 입력 대 출력 전압을 비교하는 정도가 최선이라고 생각하고, 어떤 필터를 구하든 (절대치가 아닌) 추세선 변화를 확인하면 됨.

○ 참고삼아… DIY 부품 시장에 방사성 노이즈를 차단하는 용도로 쓰면 되는 ‘클립-온-페라이트 코어(Clip On Ferrite Core)’, 클램프 필터(Clamp Filter)’ 제품이 많다. 가격도 저렴함. 가정용 AC 코드선의 안쪽 선을 하나씩, 여러 번 감아주고 톡! 결박하면 되는데…

현재100Khz 이하일 것으로 의심하고 있는 엘리베이터 노이즈 유입을 차단하기에는 역부족일 것. 역부족? 논리는 맞는데 그런 정도의 차단력을 갖게 만들려면 그 굵은 안쪽 전원선을 여러 번 감을 정도로 직경이 큰 것을 써야 함. 그러면… 앓느니 죽는다는 표현이 맞을 듯.

○ 방사성 노이즈 제거를 위해 그리고 더 낮은 주파수 Cut-Off점 확보를 위해서 전원 라인에 DIY 코일을 삽입하는 방법은? 아니면 아예 EMI 필터를 수십 개쯤 직렬 연결하는 것은?

코일의 직렬/병렬에 의한 인덕턴스 계산은 저항의 직렬/병렬 연결과 똑같다. 직결하면 인덕턴스가 커지므로 유입 제한 주파수는 점점 더 낮아질 것이다. 그러나… 삽입 손실이라는 게 있고 그 외 이런저런 이슈가 생기니까 대안이 아님. 그럴 수 있었다면 엘리베이터 노이즈 고민은 진작에 사라졌겠다.

* HG, Again!