폰 커넥터

3. 역사

폰 커넥터는 1877년 또는 1878년 보스턴과 뉴 헤이븐에서 최초의 전화 교환대가 설치되면서 6.35mm 형태로 처음 등장했다.^{[7][8][9][10][11]} 1878년 찰스 E. 스크리브너는 '스프링 잭 스위치'를 이용한 교환대 작동 관련 특허를 출원했고,^[12] 이후 지속적인 개선을 통해 1882년에 현대적인 커넥터와 유사한 형태의 특허를 출원했다.^[14][15][16] 1901년에는 헨리 P. 클라우센이 오늘날 사용되는 6.35mm TS 형태의 '전화 교환대 플러그' 구조 개선 특허를 출원했다.^[17]

웨스턴 일렉트릭(Western Electric)은 벨 시스템(Bell System)의 제조 부서로서 전화 잭과 플러그를 포함한 다양한 엔지니어링 설계를 개발 및 개선했으며, 이는 미국군 등 다른 산업 분야에도 널리 채택되었다. 1950년대까지 WE-309 (4.8mm 잭 호환)와 WE-310 (6.35mm 잭 호환)의 두 가지 주요 플러그 디자인이 사용되었다. 이후 B-게이지 표준 BPO316, EIA RS-453 (5.23mm 직경, IEC 60603-11:1992와 동일) 등 여러 현대적인 디자인이 파생되었다.

1950년대에는 트랜지스터 라디오 이어폰용으로 설계된 3.5mm "미니어처" 커넥터가 등장하여 1964년 소니 EFM-117J 라디오를 통해 대중화되었다.^[21][22][23] 1979년에는 워크맨의 영향으로 3도체 버전이 큰 인기를 얻었다. 2.5mm "서브 미니어처" 크기는 소형 휴대용 전자 제품에 널리 사용되었다.

1940년대 방송 라디오 방송국에서는 웨스턴 일렉트릭 코드 No. 103 플러그와 잭을 사용했으나, 공간 문제로 인해 1940년대 후반부터는 WE Type 291 플러그와 WE Type 239 잭을 사용한 3선 플러그와 잭으로 전환했다. 전문 오디오 및 통신 산업에서는 4.4mm 직경의 밴텀(Bantam) 커넥터가 사용되기도 한다.

디지털 오디오 기술 발전과 함께 USB 사운드 카드, 블루투스 등의 등장으로 폰 커넥터는 점차 쇠퇴하게 되었다. 특히 얇은 모바일 장치에서는 공간 활용 문제로 인해 폰 커넥터가 제거되는 추세이다. 중국 전화 제조업체들이 이러한 경향을 선도했으며, 애플도 2016년 아이폰 7에서 소켓을 제거하면서 다른 제조업체들도 이를 따르게 되었다.

3. 1. 초기 개발

1950년까지 두 가지 주요 플러그 디자인은 다음과 같았다.

• WE-309 (4.8mm 잭과 호환), 608A와 같은 고밀도 잭 패널에 사용
• WE-310 (6.35mm 잭과 호환)

• B-게이지 표준 BPO316 (EIA RS-453과 호환되지 않음)
• EIA RS-453: 5.23mm 직경의 '전화 플러그 및 잭 정의의 치수, 기계적 및 전기적 특성' 표준, IEC 60603-11:1992 '인쇄 회로 기판에 사용하기 위한 3 MHz 미만 주파수용 커넥터 – 파트 11: 동축 커넥터에 대한 상세 사양 (자유 커넥터 및 고정 커넥터 치수)'에서도 발견됨

3. 2. 군용 변형

3. 3. 소형화

3. 4. 방송에서의 사용

3. 5. 패치 베이 커넥터

3. 6. 덜 흔한 형태

3. 7. 소비자 제품에서의 쇠퇴

4. 크기

폰 커넥터는 다양한 크기로 제공되며, 각 크기는 특정 용도에 맞게 사용된다.

• 6.3mm (1/4인치): 표준 사이즈로 불리며, 주로 녹음 장비나 음악 장비에 사용된다. 원래는 전화 교환대용으로 개발되었다.
• 4.4mm: 2016년 JEITA에서 밸런스 연결을 위한 5극 (TRRRS) 플러그 잭으로 규격화되었다.^[97]
• 3.5mm: 미니 플러그라고도 불리며, 소형 컴포넌트, 휴대용 음악 플레이어, PC 등에서 널리 사용된다.
• 2.5mm: 미니미니 플러그라고도 불리며, 휴대용 기기의 밸런스 연결, 카드형 라디오, 데이터 레코더, IC 레코더의 컨트롤 단자 등에 사용된다.^[98]

4. 1. 6.3mm (1/4인치)

1950년까지 두 가지 주요 플러그 디자인은 다음과 같았다.

• WE-309(인치 잭과 호환), 608A와 같은 고밀도 잭 패널에 사용
• WE-310(인치 잭과 호환)

4. 2. 4.4mm

4. 3. 3.5mm

4. 4. 2.5mm

5. 구조 및 연결

폰 플러그는 팁(tip), 링(ring), 슬리브(sleeve)라고 불리는 극(전기 회로에서 전류가 들어가거나 나오는 부분)들로 구성된다. 2극은 "TS", 3극은 "TRS", 4극은 "TRRS"와 같이 부른다.

1902년 발행된 ''International Library of Technology''는 암놈 커넥터를 ''잭(jack)''으로, 수놈 커넥터를 ''플러그(plug)''로 불렀다.^[2] 1989년의 ''Sound Reinforcement Handbook''는 암놈 커넥터를 ''폰 잭(phone jack)''으로, 수놈 커넥터를 ''폰 플러그(phone plug)''로 사용했다.^[3] BBC에서 근무했던 로버트 맥클리쉬는 2005년 저서 ''Radio Production''에서 암놈 커넥터를 ''잭(jack)'' 또는 ''잭 소켓(jack socket)''으로, 수놈 커넥터를 ''잭 플러그(jack plug)''로 불렀다.^[4]

폰 커넥터는 연결이 쉬워 자주 탈착하는 용도에 적합하며, 마이크로폰, 헤드폰, 전자 악기 등의 단자에 많이 사용된다. 악기 용도로 양쪽에 폰 플러그가 부착된 케이블은 '실드'라고 불리기도 한다.

5. 1. 극 수에 따른 분류

• '''2극(TS)''': 팁(Tip)과 슬리브(Sleeve)의 2극 형태로, 모노럴용이다.

• '''3극(TRS)''': Tip, Ring, Sleeve의 3극 형상으로, 스테레오 (2채널)용이다. 모노럴(1채널)의 평형 연결에도 사용되는 경우가 있다.

• '''4극(TRRS)''': 팁(Tip), 링(Ring), 링(Ring), 슬리브(Sleeve)의 4극 형태이다. 3극의 TRS 커넥터의 슬리브 단자를 더 분할하여 4극으로 만들고 기능을 할당한 것이다.

5. 2. 독자 사양 제품

5. 2. 1. 인서트 케이블

6. 극성에 따른 분류

폰 커넥터는 극성에 따라 다양한 종류로 나뉜다. 팁(Tip), 링(Ring), 슬리브(Sleeve)의 조합으로 구성되며, 각 부분에 할당되는 신호는 표준에 따라 다르다.

• 2극 (TS): 팁과 슬리브로 구성되며, 주로 언밸런스 모노 입출력에 사용된다.
• 3극 (TRS): 팁, 링, 슬리브로 구성되며, 스테레오 연결이나 모노럴 평형 연결에 사용된다. 믹싱 콘솔의 인서트 케이블은 팁을 신호 송출, 링을 신호 귀환으로 사용한다.
• 4극 (TRRS): 3극 TRS 커넥터의 슬리브를 분할하여 기능을 추가한 것이다. 스테레오 헤드폰에 마이크를 추가한 제품, 소형 스테레오 콘덴서 마이크, 영상 및 제어 신호 전송 등에 사용된다. 4극 TRRS 커넥터의 표준에는 OMTP, CTIA/AHJ, CTIA-스타일 AV^[103], 비디오/오디오 1, 2, 3 등이 있다.
• 5극: 소니의 노이즈 캔슬링 기능이 있는 워크맨 등에 사용된다.
• 6극: MD 플레이어용으로 사용되는 경우가 있다.

최근 스마트폰 등에서 사용되는 4극 TRRS 커넥터는 CTIA와 OMTP 두 가지 표준이 존재하며, 서로 호환되지 않는다.

6. 1. 2극 (TS)

6. 2. 3극 (TRS)

믹싱 콘솔에서 이펙터와 같은 외부 기기를 연결할 때 사용하는 인서트 케이블은 팁을 신호 송출(tip send), 링을 신호 귀환(ring return)으로 사용한다.^[104]

6. 2. 1. 인서션 케이블

6. 3. 4극 (TRRS)

6. 3. 1. L、R、MIC、GND 계

• 이동통신 산업 협회(Cellular Telephone Industry Association, CTIA)
• 개방형 모바일 단말 플랫폼(Open Mobile Terminal Platform, OMTP)

이러한 호환성 문제를 해결하기 위해 이어폰 마이크 자체에 전환 스위치를 부착한 상품도 있다.^[99]

6. 3. 2. L+、L-、R+、R- 계

6. 3. 3. L、R、V、GND 계 (음성+컴포지트 영상 계)

6. 3. 4. Y、Pb、Pr 또는 Y、Cb、Cr 계 (컴포넌트 계)

6. 4. 5극

6. 5. 6극

7. 항공 및 미국 군용 커넥터

8. 일반적인 사용

• 헤드폰 및 이어폰 잭: 가정용 및 전문 오디오 장비에는 6.35mm ( in) 플러그가, 휴대용 오디오 장비 및 헤드폰에는 3.5mm 플러그가 주로 사용된다. 2.5mm 플러그는 무선 전화기, 휴대폰, 무전기 등에 사용되었으나, 현재는 3.5mm가 주로 사용된다. 스마트폰에서는 USB-C 커넥터 및 블루투스를 선호하여 폰 커넥터 사용이 줄고 있다.
• 디지털 카메라, 캠코더, 휴대용 DVD 플레이어 등의 소비자 가전 제품: 컴포지트 비디오 및 오디오 출력에 3.5mm 커넥터를 사용한다. TRS 연결은 모노 언밸런스 오디오 및 비디오, TRRS 연결은 스테레오 언밸런스 오디오 및 아날로그 비디오에 사용된다. 이 용도의 케이블은 주로 RCA 커넥터로 종단된다. 일부 컴퓨터에는 결합된 비디오/오디오 잭이 있으며, 여러 세대의 Raspberry Pi와 소니 Vaio 랩탑 일부 모델에서 사용되었다.
• 핸즈프리 세트와 헤드셋: 3.5mm 또는 2.5mm 커넥터를 사용한다. TRS 커넥터는 모노 오디오 출력 및 언밸런스 마이크, 4극 TRRS 폰 커넥터는 스테레오 출력을 위한 추가 오디오 채널을 지원한다.
• 테이프 및 카세트 레코더의 마이크 입력: 링에서 원격 제어 스위칭과 함께 사용되기도 한다. 초기 모노럴 카세트 레코더에서는 주로 마이크용 3.5mm TS와 원격 제어용 2.5mm TS로 구성된 듀얼 핀 버전이 사용되었다.
• 기타, 디지털 키보드, 전자 드럼 키트와 같은 악기, 앰프 및 효과 장치와 같은 관련 오디오 장비: 일반적으로 6.35mm TS 커넥터를 사용한다.^[32][33]
• 다양한 장비의 패칭 포인트(인서트 포인트): 에니그마 기계의 플러그보드가 특이한 예시이다.

9. 컴퓨터 사운드

개인용 컴퓨터에는 입출력용 3.5mm 소켓이 여러 개 있을 수 있다. 이는 마더보드의 통합 사운드 하드웨어 또는 별도 사운드 카드에서 나온다. 1999년 PC 시스템 설계 가이드는 3.5mm TRS 소켓에 적용되는 색상 코드를 제시했는데, 분홍색은 마이크, 연한 파란색은 라인 입력, 연두색은 라인 레벨이다. AC'97과 2004년 후속 제품인 인텔 고음질 오디오는 물리적 소켓을 강제하지는 않지만, 잭 감지 기능이 있는 두 포트의 핀 할당을 포함한 전면 패널 커넥터 사양을 제공한다.

전면 패널에는 보통 헤드폰용 스테레오 출력 소켓과 마이크용 입력 소켓(덜 일반적)이 있다. 후면 패널에는 라인 출력, 마이크, 라인 입력 및 여러 개의 서라운드 사운드 출력(덜 일반적)을 위한 추가 소켓이 있을 수 있다. 노트북과 태블릿 컴퓨터는 크기 제약 때문에 데스크톱 컴퓨터보다 소켓 수가 적다.

9. 1. 마이크 전원

9. 2. TRRS 헤드셋 소켓

9. 3. 서라운드 사운드

9. 4. TRS와 TOSLINK 결합

10. 다양한 링 수에 대한 호환성

6.35mm(인치) 폰 잭은 원래 수동 전화 교환기에 사용되었다.^[52] 이 폰 플러그는 다양한 구성으로 사용되었는데, 일부는 5개 이상의 도체를 수용하기도 했다. 이 중 둥근 팁 프로파일을 가진 2도체 버전만이 서로 다른 제조업체 간에 호환되었으며, 마이크, 전기 기타, 헤드폰, 스피커 등에 사용되었다.

스테레오 헤드폰용으로 3도체 버전 6.35mm 플러그가 도입되었을 때, 앰프의 오른쪽 채널 단락을 방지하기 위해 더 날카로운 팁 프로파일이 주어졌다. 그러나 이러한 시도는 오래전에 포기되었고, 현재는 플러그가 밸런스형, 언밸런스형, 모노, 스테레오 여부에 관계없이 동일한 크기의 소켓에 모두 맞는 것이 관례이다. 대부분의 6.35mm 플러그는 스테레오 플러그의 프로파일을 가지고 있지만, 일부 둥근 모노 플러그도 여전히 생산된다. 스테레오 미니어처 및 서브 미니어처 플러그의 프로파일은 항상 동일한 크기의 모노 플러그와 동일했다.

이러한 물리적 호환성의 결과는 다음과 같다.

• 2도체 플러그를 3도체 소켓에 삽입할 경우: 소켓의 링이 단락되어 접지되므로, 해당 소켓의 링에서 전송되는 신호는 손실된다. 이는 오디오 앰프 채널 손상으로 이어질 수 있다.
• 3도체 플러그를 2도체 소켓에 연결할 경우: 플러그의 링이 연결되지 않은 상태로 남게 된다. 이는 진공관 사용 장비에 잠재적으로 위험하지만, 대부분의 반도체 장치는 개방 상태를 견딜 수 있다.

• 스테레오 출력을 수신하는 모노 장비는 왼쪽(팁) 채널을 모노 입력 신호로 사용하고, 스테레오 오디오의 오른쪽(링) 채널은 손실된다.
• 밸런스 신호의 양(팁) 구성 요소는 수신되지만, 음(링) 구성 요소는 손실되어 밸런스 오디오의 이점을 얻을 수 없다.

11. 비디오

12. 녹음 장비

• 전원이 공급되지 않는 마이크를 사용하는 장치: 일반적으로 저렴한 다이나믹 마이크 또는 압전 마이크를 사용한다. 마이크는 자체 전압을 생성하며 전원이 필요하지 않다.
• 자체 전원 공급 마이크를 사용하는 장치: 일반적으로 내부 배터리 구동 앰프가 있는 콘덴서 마이크를 사용한다.
• '플러그인 전원' 마이크를 사용하는 장치: 내부 FET 증폭기가 포함된 일렉트릿 마이크를 사용한다. 이러한 마이크는 매우 작은 크기에서 우수한 품질의 신호를 제공한다. 그러나 내부 FET는 DC 전원 공급 장치가 필요하며, 이는 내부 프리앰프 트랜지스터에 대한 바이어스 전압으로 제공된다. 플러그인 전원은 RC 필터를 사용하여 오디오 신호와 동일한 라인에서 공급된다. DC 바이어스 전압은 (저전류에서) FET 증폭기에 전원을 공급하는 반면, 커패시터는 녹음기에 대한 AC 입력에서 DC 전원을 분리한다. 일반적으로 V=1.5V, R=1kΩ, C=47μF이다. 녹음기가 플러그인 전원을 제공하고 마이크가 이를 필요로 하지 않는 경우, 모든 것이 일반적으로 잘 작동한다. 반대의 경우(녹음기가 전원을 제공하지 않고 마이크에 전원이 필요한 경우), 소리가 녹음되지 않는다.

13. 모바일 장치

13. 1. TRRS 표준

• OMTP 표준: 접지 반환은 슬리브(Sleeve)에, 마이크는 두 번째 링에 배치된다. 이 표준은 구형 노키아 휴대폰, 구형 삼성 스마트폰, 일부 소니 에릭슨 폰과 같은 구형 장치에서 주로 사용되었으며, 중국 국가 표준 YDT 1885–2009로 수용되었다. 이 배선을 사용하는 헤드셋은 링 사이에 검은색 플라스틱 분리자로 표시되기도 한다.

• CTIA/AHJ 표준: 마이크를 슬리브에, 접지를 두 번째 링에 배치하여 OMTP 표준과 반대이다. 애플(Apple Inc.)의 아이폰 라인( 6S 및 SE (1세대)까지)에서 사용되었으며, 서양에서는 사실상 TRRS 표준이 되었다. 현재 HTC, 최신 삼성, 노키아, 소니 폰 등에서 사용된다. 단점은 장치에 금속 바디가 있고 슬리브에 플랜지가 있어 바디에 닿는 경우 마이크가 접지에 단락될 수 있다는 것이다. 이 배선을 사용하는 헤드셋은 링 사이에 흰색 플라스틱 분리자로 표시되기도 한다.

CTIA 헤드셋을 OMTP 장치에 연결하면, 접지가 맞지 않아 스피커가 위상 반전으로 직렬 연결된다. 이는 일반적인 대중 음악 녹음에서 가수의 목소리를 제거하는 현상을 유발한다. 메인 마이크 버튼을 누르고 있으면 마이크를 가로질러 단락시키고 접지를 복원하여 올바른 소리를 들을 수 있다.^[57]

13. 2. TRRRS 표준

14. 스위치 접점

패널 장착 잭에는 스위치 접점이 포함될 수 있다. 가장 일반적인 형태는 모노 잭으로, 플러그가 없을 때는 팁(라이브) 연결에 연결되어 있다가 플러그가 삽입되면 연결이 끊어지는 평상시 닫힘(NC) 접점을 제공한다. 스테레오 소켓은 보통 팁(왼쪽 채널)과 링 또는 칼라(오른쪽 채널)에 각각 하나씩, 두 개의 NC 접점을 제공한다. 일부 잭은 슬리브에도 이러한 연결을 가지는데, 주로 접지용으로 사용되지만 전자 회로에 잭 사용 여부를 표시하는 데도 쓰일 수 있다. 덜 일반적인 형태로는 평상시 열림(NO) 또는 변환 접점이 있거나, 스위치 접점이 커넥터 신호에서 분리된 형태가 있다.

이러한 접점의 원래 목적은 전화 교환기에서의 스위칭이었다. 초기에는 커넥터 접점에서 분리된 두 세트의 변환 접점이 일반적이었다. 최근에는 각 신호 경로에 하나의 NC 접점이 내부적으로 커넥터 접점에 부착된 형태가 헤드폰 잭으로 사용되기 시작했다. 전자 오르간과 같은 많은 앰프와 장비에는 헤드폰 잭이 있어, 헤드폰을 연결하면 스피커가 분리되도록 스위치 접점을 사용한다. 다른 장비에서는 헤드폰이 연결되지 않은 경우 더미 로드를 제공하는데, 이 역시 NC 접점을 통해 구현된다.

이러한 접점은 다른 용도로도 활용된다. 예를 들어, 믹싱 콘솔에서 효과 프로세서를 삽입하기 위해 신호 경로를 중단하는 데 사용될 수 있다. 스테레오 잭의 NC 접점 하나를 사용하여 플러그가 없을 때 팁과 링을 연결하여 바이패스를 적용하는 방식이다. 패치 패널의 '정규화'에도 유사한 배열이 사용된다.

3.5mm 또는 2.5mm 잭이 DC 전원 입력 커넥터로 사용될 때, 스위치 접점을 사용하여 외부 전원 공급 장치가 연결될 때마다 내부 배터리를 분리하여 배터리의 잘못된 재충전을 방지할 수 있다.

대부분의 배터리 구동 기타 이펙터 페달은 별도의 전원 스위치 없이 표준 스테레오 잭을 사용한다. 내부 배터리의 음극 단자는 잭의 슬리브 접점에 연결된다. 사용자가 2선(모노) 플러그를 꽂으면 슬리브와 링 사이의 단락 회로로 인해 내부 배터리가 장치의 회로에 연결되어, 신호 리드가 삽입되거나 제거될 때마다 자동으로 전원이 켜지거나 꺼진다.

15. 디자인

커넥터 조립은 보통 하나 이상의 속이 빈 핀과 하나의 솔리드 핀으로 구성된다. 잭은 절연 재료로 분리된 핀으로 조립된다.

• A: 2도체 TS 폰 커넥터. 슬리브 연결은 오른쪽의 직사각형이고, 팁 연결은 노치가 있는 선이다. 배선 연결은 흰색 원으로 표시된다.
• B: 3도체 TRS 폰 커넥터. 위쪽 커넥터는 팁이며, 슬리브에서 더 멀리 떨어져 있다. 슬리브는 섀시에 직접 연결되어 있으며, 이는 밸런스드 연결의 일반적인 구성이다. 일부 잭은 플라스틱을 사용하여 슬리브를 섀시에서 절연하고, ''A''와 같이 별도의 슬리브 연결 지점을 제공한다.
• C: 이 3도체 잭은 잭에 플러그가 삽입될 때 활성화되는 2개의 절연된 SPDT 스위치를 가지고 있으며, 한 쪽을 연결 해제하고 다른 쪽을 연결한다. 흰색 화살표는 기계적 연결을 나타내고, 검은색 화살표는 전기적 연결을 나타낸다. 이 구성은 플러그가 삽입될 때는 켜지고, 그렇지 않을 때는 꺼지는 장치에 유용하며, 전원은 스위치를 통해 라우팅된다.
• D: 이 3도체 잭은 자체 접점에 연결된 2개의 평상시 닫힘 스위치를 가지고 있다. 이는 패치 패널 정규화에 유용하다. 또 다른 일반적인 용도는 커넥터가 연결될 때 기본 출력(스피커)을 끄는 스테레오 헤드폰 잭이다.

16. 오디오 신호

폰 커넥터는 오디오 신호를 연결하는 데 널리 사용된다. 연결하기 쉬워 자주 꽂았다 빼는 곳에 적합하며, 모노럴 (2극) 또는 스테레오 (3극) 연결에 쓰인다. 마이크로폰, 헤드폰, 전자 악기 등에 많이 사용된다.

악기 연결에 사용되는 양쪽에 폰 플러그가 달린 케이블은 흔히 '실드'라고 불리는데, 이는 '실드 케이블'을 뜻한다.

폰 커넥터를 사용한 오디오 신호 연결 방식은 다음과 같다.

16. 1. 밸런스 오디오

16. 1. 1. 장점

16. 1. 2. 단점

16. 2. 언밸런스 오디오

참조

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