발룬
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1. 개요
발룬(Balun)은 구현 방식, 사용 주파수, 임피던스 변환 비율 등에 따라 다양한 종류로 나뉘며, 평형 회선과 불평형 회선 간의 임피던스 변환 및 대칭을 맞춰주는 역할을 하는 전자 부품이다. 변압기형, 자동 변압기형, 평면형 등 동작 원리에 따른 분류와 강제 발룬, 플로트 발룬과 같이 평형-불평형 변환 방식에 따른 분류가 있다. 안테나, 오디오, 비디오, 통신 등 다양한 분야에서 사용되며, 임피던스 정합, 잡음 제거, 신호 변환 등의 목적으로 활용된다.
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| 발룬 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 전류 발룬 전압 발룬 |
| 상세 정보 | |
| 발룬 (Balun) | "BALanced-to-UNbalanced"의 약자 |
| 기능 | 평형 회로와 불평형 회로 사이의 임피던스 변환 |
| 응용 분야 | 안테나 연결 텔레비전 수상기 무선 통신 장치 |
2. 종류
발룬은 구현 방식, 사용 주파수, 임피던스 변환 비율 등에 따라 다양한 종류로 나뉜다. 동작 원리에 따라 고전적인 변압기형, 자동 변압기형, 평면형 및 마샹 발룬 등으로 분류할 수 있으며, 평형-불평형 변환 방식에 따라 강제 발룬과 플로트 발룬으로 분류할 수 있다.
강제 발룬은 다이폴 안테나처럼 완전히 평형인 안테나를 동축 케이블에 연결하는 데 사용되며,[11] 플로트 발룬은 평형성이 깨진 안테나나 접지선이 불완전한 그라운드 플레인 안테나처럼 완전한 평형도 불평형도 아닌 안테나를 동축 케이블에 연결하는 데 사용된다.[11]
발룬은 자기적 장치로 설계되지만, 실제로는 커패시턴스 성분을 가진다. 발룬의 각 권선은 인덕터인데, 모든 변압기는 권선 사이에 작은 커패시턴스를 가지며, 이는 원치 않는 "자기 커패시턴스"를 형성한다. 커패시턴스와 인덕턴스의 전기적 연결은 발룬의 자기 인덕턴스와 자기 커패시턴스의 전기적 리액턴스 크기가 같지만 부호가 반대인 주파수, 즉 공진으로 이어진다. 어떤 설계의 발룬이라도 자기 공진 주파수 이상에서는 제대로 작동하지 않는다.
2. 1. 동작 원리에 따른 분류
발룬은 동작 원리에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다. 대표적으로 고전적인 변압기형, 자동 변압기형, 평면형 및 마샹 발룬 등이 있다.2. 1. 1. 고전적인 변압기형 (Classical transformer type)
고전적인 변압기에서, 변압기 코어 주변에는 전기로 분리된 두 개의 코일 권선이 있다. 다른 유형의 발룬에 비해 변압기형의 장점은 입력과 출력에 대한 전기로 분리된 권선을 통해 접지 전압이 접지 루프에 영향을 받거나 다른 방식으로 전기적으로 호환되지 않는 회로를 연결할 수 있다는 점이다. 이러한 이유로 종종 절연 변압기라고 불린다.
이 유형은 '전압 발룬'이라고도 불린다. 1차 권선은 입력 신호를 수신하고, 2차 권선은 변환된 신호를 출력한다. 코어가 감겨 있는 코어는 비어 있거나(공심), 도자기 지지대와 같은 자기적으로 중성적인 재료일 수 있으며, 현대 고주파(HF) 발룬의 좋은 자기 전도체인 페라이트 또는 전신의 초창기 시절의 연철과 같은 재료일 수도 있다.
1차 코일의 전기 신호는 변압기 코어의 자기장으로 변환된다. 1차 코일을 통과하는 전류가 반전되면, 확립된 자기장이 붕괴된다. 붕괴되는 자기장은 2차 권선에 전기장을 유도한다.
각 권선의 루프 비율과 코일의 자기 결합 효율은 전기적 전위(전압)와 전기 전류의 비율, 그리고 출력의 총 전력을 결정한다. 이상적인 변압기의 경우, 전압 대 전류의 비율은 권선 비율의 제곱에 정확히 비례하여 변경되지만, 전력(와트 단위로 측정)은 동일하게 유지된다. 실제 변압기에서는 일부 에너지가 변압기의 금속 코일의 가열, 권선 도체의 교류 및 직류 저항, 그리고 두 코일 간의 불완전한 자기 결합으로 인해 외부로 손실된다.
일반적인 발룬은 단순히 트랜스포머의 한쪽 포트를 대지 어스 또는 섀시 어스에서 띄워서 (비접속으로 하여) 평형 측 회로에 연결한 것이다. 트랜스포머이므로 임피던스비 변환을 동시에 수행할 수도 있다. 일반적으로 이 외의 기능은 없으며 전원도 필요하지 않다.
가정용 텔레비전 수신기나 안테나에서는 4:1의 임피던스비를 가지며, 표준적인 300Ω 리본 피더와 75Ω 동축 케이블을 정합시키기 위한 발룬이 사용된다. '''안경 코어'''라고 불리는 구멍이 두 개 뚫린 전용 코어에 선을 감은 것이 사용된다.
2. 1. 2. 자동 변압기형 (Autotransformer type)
자동 변압기 발룬은 하나의 전자기 코일만 있거나, 전기적으로 연결된 두 개 이상의 코일이 코어 주위에 감겨 있는 형태이다. 일반적인 변압기의 1차 및 2차 권선을 교차 연결하여 자동 변압기를 만들 수도 있다. 자동 변압기 권선으로 만들어진 발룬은 균형 잡힌 출력 전압을 생성하므로 ''전압 발룬''이라고도 불리지만, 반드시 균형 잡힌 전류를 생성하는 것은 아니다.
모든 자동 변압기에서 단일 권선은 권선의 두 끝 사이에 최소한 하나의 추가 전기적 연결(''탭'' 또는 ''탭 포인트'')이 있어야 한다. 한 쌍의 연결을 통해 발룬에 보내진 전류는 1차 코일처럼 작용하여 전체 코어를 자화시킨다. 코일 입력 부분의 전류가 변경되면 유도된 자기장이 붕괴되고, 코어의 자기장 붕괴는 전체 코일에 전류를 유도한다. 입력 연결과 다른 코일 부분에 대한 전기적 연결은 출력이 탭되는 코일의 길이에 따라 더 높거나 낮은 전압을 갖는다.
변압기형 발룬과 달리 자동 변압기형 발룬은 모든 단자에서 접지로의 직류 전류 경로를 제공한다. 실외 안테나는 마찰전기 효과로 인해 정전기 전하가 축적되기 쉬우므로, 자동 변압기형 발룬을 통해 정전기가 접지로 방전되는 경로는 뚜렷한 이점을 가질 수 있다.[1]
2. 1. 3. 평면형 및 마샹 발룬 (Planar and Marchand Baluns)
1944년 네이선 마샹은 1:3의 대역폭 비율로 작동할 수 있는 '변환 변압기'를 제안했다.[6] 이 기본적인 회로는 평면 구조(MMIC 및 RFIC 등)에서 최대 100GHz 이상의 주파수에서 사용하기 위해 널리 적용되고 수정되었다.[7]이러한 유형의 평면 발룬은 접지면 또는 차폐에서 모드를 여기시켜 작동하며, 이 모드는 주 접지에서 '분리'된다. 이를 통해 주 전송선 외에 음의 신호를 추출하여 양의 신호와 음의 신호 쌍을 생성할 수 있다. 다양한 구성으로 양의 신호와 음의 신호 경로를 연결함으로써 수십 가지의 발룬 구성이 제안되었고 전자공학 관련 문헌에 발표되었다.
2. 2. 평형-불평형 변환 방식에 따른 분류
발룬은 평형-불평형 변환 방식에 따라 강제 발룬과 플로트 발룬으로 분류할 수 있다. 강제 발룬은 다이폴 안테나처럼 완전히 평형인 안테나를 동축 케이블에 연결하는 데 사용된다.[11] 플로트 발룬은 평형성이 깨진 안테나나 접지선이 불완전한 그라운드 플레인 안테나처럼 완전한 평형도 불평형도 아닌 안테나를 동축 케이블에 연결하는 데 사용된다.[11]2. 2. 1. 강제 발룬 (強制バラン)
다이폴 안테나와 같이 완전히 평형(전기적으로 대칭)인 안테나를 동축 케이블에 접속하기 위한 발룬을 '''강제 발룬'''이라고 부른다.[11] 현실의 다이폴 안테나는, 특히 주택에 근접하여 설치된 단파대 이하 주파수의 다이폴 안테나의 경우 주변 장애물의 영향까지 포함하여 평형을 이루지 못하고 완전히 평형이라고 말할 수 없으므로, 엄밀하게는 강제 발룬으로는 완전한 불평형 변환이 불가능하다.2. 2. 2. 플로트 발룬 (フロートバラン)
플로트 발룬은 평형성이 깨진 평형 안테나나 접지선이 불완전한 그라운드 플레인 안테나와 같이 완전한 불평형도 완전한 평형도 아닌 안테나를 동축 케이블에 접속하기 위한 발룬이다.[11] 초크 코일 형태로 만들어지며, 동축 케이블 표면의 임피던스를 높여 동축 케이블 표면을 흐르는 전류를 억제한다. 안테나용 공통 모드 필터이다.2. 3. 자기 공진 (Self-resonance)
발룬은 자기적 장치로 설계되었지만, 실제로는 커패시턴스 성분을 가진다. 발룬의 각 권선은 인덕터인데, 실제 재료로 만들어진 모든 변압기는 1차 권선과 2차 권선 사이, 그리고 단일 권선의 개별 루프 사이에 작은 커패시턴스를 가지며, 이는 원치 않는 "자기 커패시턴스"를 형성한다.커패시턴스와 인덕턴스의 전기적 연결은 발룬의 자기 인덕턴스와 자기 커패시턴스의 전기적 리액턴스의 크기가 같지만 부호가 반대인 주파수로 이어진다. 즉, 공진이다. 어떤 설계의 발룬이라도 자기 공진 주파수 이상에서는 제대로 작동하지 않으며, 발룬 설계 시 고려 사항 중 일부는 공진 주파수를 작동 주파수보다 가능한 한 멀리 떨어지게 하는 것이다.
3. 응용 분야
발룬은 전기, 통신 등 다양한 분야에서 활용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다:
- 전기: 절연 변압기에서 입력과 출력에 대해 전기적으로 분리된 권선을 사용한다. 이를 통해 접지 루프의 영향을 받지 않고, 전기적으로 호환되지 않는 회로를 연결할 수 있다.
- 통신: E1 캐리어 신호를 동축 케이블(BNC 커넥터, 1.0/2.3 커넥터, 1.6/5.6 커넥터, Type 43 커넥터)에서 UTP CAT-5 케이블 또는 IDC 커넥터로 전송하는 데 사용된다.
- 기타: 레이더, 송신기, 위성, 전화 네트워크, 무선 네트워크 모뎀/라우터 등에도 널리 사용된다.
3. 1. 방송 및 통신
텔레비전, 아마추어 무선 등 안테나 설치 및 연결에서 발룬은 임피던스를 변환하고 급전선과 안테나의 대칭성을 맞춘다.[8] 예를 들어, 300-Ω 트윈 리드 또는 450-Ω 래더 라인 (평형)을 75-Ω 동축 케이블 (불평형)로 변환하거나, 평형 안테나를 불평형 동축 케이블에 직접 연결한다. 급전선 방사를 방지하기 위해, 발룬은 안테나 급전 지점에 부착된 공통 모드 초크 형태로 사용되어 동축 케이블이 안테나 역할을 하며 전력을 방사하는 것을 막는다. 다이폴처럼 평형 안테나가 동축 케이블로 급전될 때 필요하다. 발룬이 없으면, 동축 케이블의 실드가 다이폴의 한쪽과 결합하여 공통 모드 전류를 유도, 안테나의 일부가 되어 의도치 않게 방사될 수 있다.[9]안테나의 임피던스 또는 방사 패턴을 동축 케이블을 사용하여 측정할 때, 케이블과 안테나 급전 사이에 발룬을 배치하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 케이블에 흐를 수 있는 불평형 전류는 측정된 안테나 임피던스를 급전 케이블의 구성에 민감하게 만들 수 있으며, 작은 안테나의 방사 패턴은 케이블의 방사로 인해 왜곡될 수 있다.
발룬은 레이더, 송신기, 위성, 모든 전화 네트워크, 그리고 가정에서 사용되는 대부분의 무선 네트워크 모뎀/라우터에도 존재한다.
- 전력선 통신에서 발룬은 신호를 전력선에 결합하는 데 사용된다.
- 전자 통신에서 발룬은 트윈액스 케이블을 Cat 5 케이블로, 다시 반대로 변환한다.
발룬의 가장 일반적인 용도는 다음과 같다.
- 텔레비전, 아마추어 무선, 또는 다른 안테나를 설치할 때 특성 임피던스가 300Ω의 리본 피더(평형)와 75Ω(또는 50Ω)의 동축 케이블(불평형)을 연결하거나, 평형형 안테나를 동축 케이블에 연결할 때 변환을 수행한다.
- 휴대 전화나 블루투스영어의 RFID에서 평형 입출력인 경우, 불평형 장치에 연결하거나 동축 케이블에 연결하는 데 사용한다. 이 경우, 깨알 정도 크기의 '''칩 발룬'''이라고 불리는 표면 실장 부품이 많이 사용된다.
- 오디오에서는 높은 임피던스의 비평형 라인을 낮은 임피던스의 평형 라인으로 변환한다.
- 전력선 통신에서는, 전원선과 신호선의 결합을 위해 사용한다.
3. 2. 오디오
오디오에서 발룬은 여러 가지 용도로 사용된다. 고 임피던스 불평형 회선을 저 임피던스 평형 회선으로 변환할 수 있다.[10] 또 다른 용도는 장치 간의 절연을 통해 접지 루프를 방지하는 것이다.[10]
오디오 시스템에서 발룬의 세 번째 용도는 장비에 평형 주 전원을 공급하는 것이다.[10] 평형 주 전원의 공통 모드 간섭 제거 특성은 벽면 플러그에서 발생하는 여러 잡음을 제거한다.[10] 예를 들어 에어컨, 난방기, 냉장고 모터에서 발생하는 전원 잡음, 형광등 및 조광기 스위치에서 발생하는 스위칭 잡음, 개인용 컴퓨터에서 발생하는 디지털 잡음, 안테나 역할을 하는 전력선이나 코드에 의해 수집된 무선 주파수 신호 등이 있다.[10] 이러한 잡음은 전원 공급 장치를 통해 오디오나 비디오 시스템에 침투하여 전체 시스템의 노이즈 플로어를 높인다.[10]
연결을 제외하고, 이미지의 세 장치는 전기적으로 동일하지만, 왼쪽 두 개만 발룬으로 사용할 수 있다.[10] 왼쪽에 있는 장치는 일반적으로 수동 DI 유닛 역할을 하면서 기타와 같은 고 임피던스 소스를 평형 마이크 입력에 연결하는 데 사용된다.[10] 중앙에 있는 것은 마이크로폰과 같은 저 임피던스 평형 소스를 기타 앰프에 연결하기 위한 것이다.[10] 오른쪽에 있는 것은 임피던스 매칭만 제공하므로 발룬이 아니다.[10]
3. 3. 비디오
베이스밴드 영상(video)은 수 메가헤르츠까지의 주파수를 사용한다. 발룬은 동축 케이블 대신 꼬임쌍선 케이블에 영상 신호를 연결하는 데 사용될 수 있다. 많은 보안 카메라는 현재 내부 발룬을 통해 평형 비차폐 꼬임쌍선(UTP) 출력과 불평형 동축 출력을 모두 가지고 있다. 발룬은 비디오 레코더 끝단에서 100Ω 평형에서 75Ω 불평형으로 다시 변환하는 데도 사용된다. 이러한 유형의 발룬은 두 개의 나사 단자가 있는 BNC 커넥터를 가지고 있다.VGA/DVI 발룬은 VGA/DVI 소스(노트북, DVD 등)를 CAT-5/CAT-6 케이블을 통해 장거리 VGA/DVI 디스플레이 장치에 연결하는 데 사용되는 전자 회로가 있는 발룬이다. 130m 이상의 거리에서는 각 신호의 감쇠 및 도착 시간의 변동으로 인해 품질이 저하될 수 있다. 왜곡 제어 및 특수 저왜곡 또는 무왜곡 케이블은 130m 이상의 거리에 사용된다.
3. 4. 기타
발룬은 레이더, 송신기, 위성, 전화 네트워크, 무선 네트워크 모뎀/라우터 등 다양한 분야에 사용된다.[10] 주파수 변환 믹서를 구현하여 휴대폰 및 데이터 전송 네트워크를 가능하게 한다. E1 캐리어 신호를 동축 케이블(BNC 커넥터, 1.0/2.3 커넥터, 1.6/5.6 커넥터, Type 43 커넥터)에서 UTP CAT-5 케이블 또는 IDC 커넥터로 전송하는 데 사용된다.[8]텔레비전, 아마추어 무선, 기타 안테나 설치 및 연결에서 발룬은 임피던스를 변환하고 급전선과 안테나의 대칭성을 맞춰준다. 예를 들어, 평형 안테나를 불평형 동축 케이블에 직접 연결하는 경우, 발룬은 공통 모드 초크 형태로 사용되어 동축 케이블이 안테나 역할을 하는 것을 막는다.[9]
오디오 응용 분야에서 발룬은 고 임피던스 불평형 회선과 저 임피던스 평형 회선 간의 변환, 장치 간의 절연(접지 루프 방지), 평형 주 전원 공급 등에 사용된다. 평형 주 전원의 공통 모드 간섭 제거 특성은 전원 잡음을 제거하여 오디오/비디오 시스템의 노이즈 플로어를 낮춘다.[10]
참조
[1]
웹사이트
balun
https://www.oed.com/[...]
2021-07-28
[2]
웹사이트
balun.
https://www.merriam-[...]
2020-01-01
[3]
논문
Sevick 1990
[4]
웹사이트
The Small-Signal Frequency Response of Ferrites
https://www.highfreq[...]
2024-08-30
[5]
웹사이트
Balun Basics Primer
https://markimicrowa[...]
2024-08-30
[6]
간행물
Transmission-Line Conversion
https://www.worldrad[...]
1944-12
[7]
서적
2023 IEEE USNC-URSI Radio Science Meeting (Joint with AP-S Symposium)
IEEE
2023
[8]
문서
Baluns: What They Do And How They Do It (W7EL)
http://www.eznec.com[...]
[9]
문서
Feeding a Dipole Antenna with a Balun
[10]
웹사이트
Balanced Power Technologies
http://www.b-p-t.com[...]
[11]
서적
改訂新版 定本 トロイダル・コア活用百科
CQ出版社
[12]
웹사이트
balun.
https://www.merriam-[...]
2020-01-01
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