신호 결합: 전화 케이블 내 AC 노이즈 이해

부품 및 재료

• 6V 배터리
• 0.22µF 커패시터 (Radio Shack #272-1070 또는 동등품)
• 0.047µF 커패시터 (Radio Shack #272-134 또는 동등품)
• 소형 하비 모터, 영구 자석 타입 (Radio Shack #273-223 또는 동등품)
• 헤드폰 장착 오디오 검출기
• 전화 케이블 수 피트 (Radio Shack #278-872) – 비차폐 다심 케이블이면 뭐든 괜찮음; 얇은 도체(≈24AWG)일수록 효과가 큼

전화 케이블은 철물점에서 쉽게 구할 수 있습니다. 어떤 비차폐 다심 케이블이든 괜찮지만, 도체가 가늘수록 결합 효과가 더 두드러집니다.

참조 자료

• Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 7: "Mixed-Frequency AC Signals" (혼합 주파수 교류 신호)
• Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 8: "Filters" (필터)

학습 목표

• AC 신호가 결합되면서 DC는 측정 장치로부터 차단되는 방식 시연
• 케이블 내 잡음 결합 발생 원리 시연
• 케이블 간 결합을 줄이는 실용적 기법 파악

회로도

실물 배선도

실험 방법

1. 모터를 배터리에 전화 케이블 4개 도체 중 2개로 연결하세요. 모터가 정상 작동해야 합니다.
2. 오디오 검출기를 모터 단자 양단에 놓고, 0.047µF 커패시터를 직렬로 삽입하세요:

   

3. 헤드폰에서 윙윙거리는 소리나 휘파람 소리가 들려야 합니다. 이는 정류자 브러시 접촉으로 발생하는 AC 노이즈입니다.

직렬 커패시터는 하이패스 필터 역할을 해 AC만 검출기에 도달하게 하고 DC 성분은 차단합니다. 오실로스코프도 AC 커플링 시 같은 원리로 프로브에 직렬 커패시터를 넣습니다.

4. 이론적으로 모터 단자는 배터리와 직접 병렬이므로 순수 DC여야 합니다. 하지만 내부 배터리 저항과 케이블 도체 저항 때문에 모터가 전류 펄스를 끌어당길 때 전압 강하가 생깁니다. 이 강하가 모터 단자에서 AC 노이즈로 나타납니다:

   

5. 오디오 검출기로 배터리 단자 양단 노이즈 전압을 직접 측정해 확인하세요. 두 점 사이 저항이 작을수록 검출 노이즈가 낮습니다:

   

6. 단일 전화 케이블 도체 양단에 검출기를 연결해 그 도체를 흐르는 전류 펄스에 의한 노이즈를 측정할 수도 있습니다:

   

7. 다음으로 AC 노이즈가 인접 와이어로 어떻게 결합되는지 탐구하세요. 모터 단자 하나와 사용하지 않는 케이블 도체 사이 전압을 측정하세요. 이 두 점 사이엔 DC가 없으므로 직렬 커패시터가 필요 없습니다:

   

검출된 전압은 인접 도체 간 기생 정전 용량에서 옵니다. 커패시터를 통해 전하가 흐르지는 않지만, 교류 전류 경로를 제공합니다.

기생 결합은 미사용 도체로 전송되는 신호를 오염시킬 수 있습니다. 특히 그 신호가 유도 노이즈에 민감하다면 더욱 그렇습니다.

용량성 결합은 고주파에서 더 강하므로, 고주파 AC 노이즈가 더 강하게 결합됩니다.

DC 신호의 노이즈를 줄이려면 두 도체 사이에 더 큰 커패시터를 병렬로 연결하세요. 0.22µF 커패시터는 디커플링 커패시터로, AC에는 낮은 임피던스를 보이면서 DC는 그대로 둡니다:

7. 또 다른 효과적 전략은 회로 간 공통 도체를 공유하지 않는 것입니다. 두 미사용 도체 사이 노이즈를 측정하세요. 기생 용량이 거의 동일한 노이즈 전압을 두 도체에 결합시키므로, 차분을 취하면 상쇄돼 훨씬 낮아야 합니다: