신호를 걸러준다! Filter의 원리와 종류를 살펴보자.

데이터를 주고 받을 때에는

서로 원하는 신호를 주고 받아야합니다.

라디오를 들어보시는 분들은 알겠지만

주파수에 맞춰서 채널을 찾아가잖아요?

이렇게 주파수를 찾아가려면

내가 원하는 주파수 이외에

다른 주파수는 모두 걸러야겠죠?

그럼 어떻게 신호를 걸러줄까?

이 신호를 거르는 회로가

바로 Filter!

지금부터 이 Filter의 원리와 종류를 살펴보겠습니다.

우선 필터에 대해서 살펴보겠습니다.

필터라고 하면

공기청정기가 바로 떠오르시나요?

공기중의 나쁜 먼지를 걸러주어서

깨끗한 공기만을 통과시키는 필터.

전자회로의 필터도 이와 비슷합니다.

내가 원치 않은 신호를 먼지.

내가 원하는 신호는 깨끗한 공기.

이렇게 개념을 놓고보면 이해가 쉬울 겁니다.

먼저, 간단한 개념정리.

직류 교류를 살펴보겠습니다.

위에가 직류.

아래가 교류.

직류는 주파수가 없이

시간에 따라 일정한 방향으로 흐릅니다.

다른말로 저주파 신호라고 부르죠.

반면 교류는 주파수가 있어

시간의 흐름에 따라 방향이 바뀝니다.

다른말로 고주파 신호라고 부르죠.

이 직류 교류 개념을 탑재하고

설명으로 이어가겠습니다.

필터 설명에 앞서,

소자 2가지를 짚고 가겠습니다.

첫번째로 볼 소자는

Capacitor입니다.

절연체(전기가 통하지 않는 물질)을

분리시킨 전도체 판으로 구성되어있습니다.

그림에서 보면

두 개의 판이

d만큼의 거리만큼 떨어져있습니다.

저렇게 떨어진 덕에

양극에 전하를 저장하는

충전기의 역할을 수행합니다.

전시간에 다이오드 원리할 때

전자가 이동하는 거 배웠죠?

판이 떨어져있어서 전자가 이동하지 않으니

그만큼 에너지가 저장이 되는 겁니다.

이렇게 그림으로 보면

이해가 더 쉬울까요?

하나의 판에는 전자

하나의 판에는 정공

두 판이 합쳐지면

전자가 움직이면서

에너지가 0이 되겠지만

서로 떨어져있으니

그만큼의 에너지가 남아있습니다.

회로 기호상에서는

이렇게 표현됩니다.

전선이 끊어진 느낌이 오시나요?

실제로 Capacitor는

저런 그림대로

직류는 차단하고

교류는 통과시킵니다.

???

뭔소리여!

쉽게 말해!

한마디로 말하면

진동이 없는 저주파의 전류는 막고

진동이 많은 고주파의 전류는 통과시킵니다.

이 그림으로 조금 더 쉽게 볼까요?

첫번째 그림은

Cap에 충전을 완료한 상태.

전압이 같아 더이상 전류가 흐르지 않습니다.

그러다 두 번째 그림처럼

전원의 극성을 바꿔보겠습니다.

전원과 cap이 성질이 반대가 되어서

전류가 흐르겠네요.

이런 과정을 계속 반복하다면

전류의 방향이 계속 바뀌고

이를 교류라고 부릅니다.

이 교류는 주파수가 상대적으로 높아

고주파 신호라고 부르게 되죠.

여기까지 잘 모르겠다 싶으면

'cap은 저주파는 거른다'

라는 것만 머릿속에 담아두셔도 됩니다.

다음으로 볼 소자는 인덕터입니다.

전선을 감은 코일로

전기 에너지를 저장합니다.

인덕터 기호는 다음과 같이 됩니다.

그림에서 보면 전선이 이어져있죠?

cap과는 반대로

직류는 통과.

교류는 거릅니다.

즉, 저주파를 통과.

고주파를 필터링하죠.

왜 얘는 교류는 거르나요?

이걸 위해서는 전자기학 강의로 들어가야합니다.

전류가 흐를 때,

그 주변에 자기장에 형성이 되고

그 자기장으로 형성된 에너지가

전류에 저항합니다.

이를 렌츠의 법칙이라고 하는데,

쉽게 말해 전류 변화의 반대로

전류가 흐를려는 성질이 있습니다.

교류는 시간에 따라 방향이 바뀌니

계속 전류가 변화하려고 하고

이 때문에 전류가 잘 흐르지 않습니다.

아!!머리 아파!

그럼 인덕터는 여튼 고주파는 거른다

이렇게 이해하고 넘어가자고요.

이제 필터로 넘어가겠습니다.

첫번째로 볼 필터는

Low pass filter

저주파만을 통과시키는 필터입니다.

회로도만 보면 헷갈릴 수 있어

그림을 그려봤습니다.

Cap쪽으로 고주파가 흐르니

출력단에서는 저주파만 흐르게 됩니다.

그래서 결국 저주파만 통과하는 필터가 됩니다.

다음은 고주파를 통과시키는

High Pass Filter입니다.

그림을 그려보면 이렇게 됩니다.

우선 cap에서 고주파만을 통과시켰으니

고주파만 출력이 됩니다.

다음에는 원하는 구역만 통과시키는

Band Pass filter입니다.

우선 인덕터로 저주파만 pass

그 다음 cap으로 고주파만 pass

인덕터와 cap의 크기를 조절하여

어느정도의 저주파를 거를지

어느정도의 고주파를 거를지

조절하고

남은 주파수의 신호를 남깁니다.

마지막은 내가 원하는 부분만을 거르는

Band stop filter입니다.

원리는 위의 

Band pass filter의 반대라고 보시면 편합니다.

cap으로 고주파를 거르고

인덕터로 저주파를 거른 다음

남은 주파수의 신호를 통과시킵니다.

 

이번 시간은 원하는 신호를 얻게 만드는

기본적인 회로.

필터 회로를 살펴보았습니다.

소자에 대한 이해가 어렵긴 하지만

만약 소자에 대해서 부담을 느끼신다면

회로적인 부분이라도 이해하시거나

정 어려우면 일단 외운 후에

천천히 원리를 다듬는 걸 추천드립니다^^