신호 문제 사례집
증상: 고온에서 신호 진폭이 떨어진다 – 광원, 갭, 근접장 조건의 분리
고온에서의 진폭 저하는 보통 광원 발광 효율 저하, 하우징과 축의 열팽창 차이에 따른 갭 변화, 파장 적색 편이에 따른 근접장 조건 변화라는 세 항의 곱입니다. 예시에서 60 K 온도 상승 시 세 항은 각각 약 −24%, −9.6%, −1.0%, 합계 약 −32%입니다. 이 글은 곱셈 모델, 동작점 민감도, 증상으로부터 디스크, 기구, 리드헤드 세 측을 분리하는 시험 절차를 제시합니다.
모터 후단의 엔코더가 상온에서는 진폭 1 Vpp인데 예열되어 85 ℃ 전후가 되면 약 0.7 Vpp만 남고, 서보 드라이브가 신호 약함 경보를 내기 시작합니다. 정지해 식히면 다시 회복됩니다. 이런 문제의 원인은 하나가 아닌 경우가 많습니다. 광원의 발광 효율이 온도에 따라 떨어지고, 하우징과 축의 팽창이 달라 판독 갭이 바뀌며, LED 파장의 적색 편이가 근접장 결상 조건을 또 바꿉니다. 리드헤드 내부 각 온도 드리프트 항의 메커니즘은 본 자료실의 리드헤드 온도 글에서 항목별로 다루었습니다. 이 글은 증상에서 출발해 더 실제적인 질문에 답합니다. 떨어진 진폭 가운데 디스크, 기구, 리드헤드 세 측이 각각 얼마를 차지하는지, 몇 가지 비교 시험으로 이를 어떻게 분리하는지입니다.
곱셈 모델: 세 인자를 곱한다
이미징 방식 근접장 판독에서 신호 진폭은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
A(T)/A(T₀) = [P(T)/P₀] · [m(g(T), λ(T)) / m(g₀, λ₀)]
여기서 P는 LED 방사 파워, m은 기본파 변조도, g는 판독 갭, λ는 피크 파장입니다. 듀티비 50% 디스크는 부분 결맞음 조명에서(유도는 본 자료실의 탈봇 효과 글 참조)
m(g, λ) = cos(πλg/p²) · sinc(g·Δα/p)
p는 피치, Δα는 측정 방향의 조명 각폭입니다. 검출기 응답도는 근적외선 대역에서 온도에 따라 약간 올라가 일부를 상쇄하지만, 아래 계산 예에서는 고려하지 않습니다. 세 인자는 각각 다음에 대응합니다.
- 광원 발광 효율: 근적외선 LED 방사 파워의 온도 계수는 흔히 약 −0.1 ~ −0.6 %/K이며 재료와 전류에 따라 다릅니다.
- 갭: 리드헤드는 하우징에, 디스크는 축에 장착되며 두 열팽창 경로는 같은 축방향 위치 결정면에서 출발합니다. Δg ≈ α_하우징·L_하우징·ΔT_하우징 − α_축·L_축·ΔT_축. 알루미늄 하우징(약 23×10⁻⁶/K)과 강철 축(약 12×10⁻⁶/K로 가정), 축방향 치수 약 25 mm에서 균일하게 60 K 오르면 약 16 μm입니다. 부호는 구조에 따라 정해지며, 로터 발열로 축이 하우징보다 뜨거워지면 차이가 작아지거나 부호가 바뀔 수도 있습니다.
- 파장: 피크 파장은 약 0.2–0.3 nm/K로 적색 편이합니다. cos 항에서 λ와 g는 곱의 형태로 나타나므로 파장 변화 Δλ는 g·Δλ/λ의 갭 변화에 해당합니다.
수치 계산 예: 60 K 온도 상승
p = 20 μm, λ₀ = 880 nm, Δα = 20 mrad, g₀ = 100 μm로 가정하고 60 K 올립니다.
| 항목 | 가정 | 진폭 인자 |
|---|---|---|
| 광원 발광 효율 | −0.4 %/K | 0.760 |
| 갭 | +15 μm | 0.904 |
| 파장 | +15 nm(0.25 nm/K) | 0.990 |
| 합계 | 세 항의 곱 | 0.678 |
총 진폭은 약 32% 떨어지며 그중 광원이 약 4분의 3을 차지합니다. 파장 항은 약 1.7 μm의 갭 변화에 해당할 뿐이어서 기구적 갭 항보다 한 자릿수 작습니다.
그러나 이 비율은 동작점에 크게 의존합니다(그림 2 참조). 같은 +15 μm와 +15 nm라도 공칭 갭 60 μm에서는 진폭이 각각 약 5%와 0.3%만 떨어집니다. 공칭 갭 200 μm에서는 기본파 영점 p²/(2λ) ≈ 227 μm에 매우 가까워 각각 약 55%와 12% 떨어지고, 둘이 겹치면 약 69%가 됩니다. 즉 ‘고온 진폭 저하가 심하다’는 것이 열 설계가 나빠서가 아니라 상온 동작점이 이미 곡선의 가파른 구간에 잡혀 있기 때문인 경우도 있습니다.
리드헤드에 정광량 폐루프가 있으면 광원 항은 LED 전류로 보상되어 외부에서 보이는 진폭 저하는 변조도 몫만 남으며, 계산 예에서는 약 11%입니다. 대가로 구동 전류를 약 1/0.76 − 1 ≈ 32% 늘려야 합니다. 구동 여유가 부족하면 어떤 온도에서 폐루프가 포화하고, 그 지점 이후 진폭이 갑자기 가속적으로 떨어지는데, 이것도 전형적인 현상입니다.
분리 시험: 먼저 A와 S를 보고, 항목별로 확인한다
- 진폭 A와 직류 합 S를 동시에 기록합니다. S는 네 위상 광전류의 합이며, LED를 껐을 때 측정한 암전류를 뺍니다(고온에서는 암전류가 S를 끌어올림). 승온, 유지, 실온 복귀를 하며 궤적을 A/A₀–S/S₀ 평면에 그립니다(그림 3 참조). A와 S가 같은 비율로 떨어지면 광원이나 광로 투과율, S는 거의 그대로인데 A가 떨어지면 변조도, 즉 갭, 파장, 디스크 자세이며, 냉각 후 출발점으로 돌아오지 않으면 비가역 요인입니다. 정광량 폐루프가 있으면 S가 고정되므로 대신 LED 구동 전류를 기록합니다.
- 외부 정전류로 점등합니다. 보드의 구동 회로를 분리하고 실험실 정전류원으로 상온 전류를 그대로 흘려 LED를 점등한 뒤 S의 온도 곡선을 측정합니다. 이는 LED 자체의 발광 효율 온도 드리프트를 나타냅니다. 보드 구동일 때 더 많이 떨어진다면 구동 전류 자체가 드리프트하는 것이므로 검출 저항과 기준 전압을 점검합니다.
- 냉간·열간 상태에서 갭을 측정합니다. 상온에서 심으로 진폭–갭 곡선의 기울기를 구하고, 냉간과 열간 상태에서 각각 실제 갭을 측정합니다(필러 게이지, 정전용량 프로브, 또는 리드헤드 장착면과 디스크 면의 상대 위치 측정). Δg에 기울기를 곱해 변조도 변화를 예측하고 1단계 결과와 대조합니다.
- 부분 가열합니다. 리드헤드만 가열하고 기구는 상온으로 유지하면 광원, 파장, 회로 항을 얻습니다. 축계와 하우징만 가열하고 리드헤드는 송풍으로 상온을 유지하면 갭 항을 얻습니다. 둘의 합은 장치 전체를 승온했을 때의 결과에 가까워야 합니다.
- 파장을 바꿔 비교합니다. 상온에서 피크 파장이 다른 LED로 바꾸거나 두 갭에서 각각 한 번씩 측정해 ∂m/∂λ를 직접 구하고, 실제 적색 편이량을 곱해 파장 항을 얻습니다. 동작점이 영점에서 멀면 보통 1% 수준이어서 가장 먼저 배제할 수 있습니다.
디스크 측 원인은 대부분 ‘비가역’ 부류에 속합니다. 접착제나 그리스가 고온에서 휘발해 디스크나 창에 응결하여 얇은 흐림을 만드는 경우, 접착층이 연화해 디스크가 기울어 면 흔들림이 커지고 진폭의 회전당 한 번 변동 폭이 온도에 따라 뚜렷이 커지는 경우입니다. 냉각 후 현미경으로 디스크 표면을 검사하고 열간 상태에서 면 흔들림을 다시 측정하면 확인할 수 있습니다. 크롬막 자체의 광학 밀도가 온도와 파장에 따라 변하는 정도는 매우 작아 보통 주원인이 아닙니다.
설계 포인트
- A/A₀–S/S₀ 궤적으로 먼저 큰 분류를 합니다. 대각선을 따르면 광원, 수직으로 떨어지면 변조도, 출발점으로 돌아오지 않으면 비가역 오염이나 크리프입니다.
- 공칭 갭은 가능한 한 p²/(2λ)에서 멀리 둡니다. p = 20 μm에서 g₀를 100 μm에서 200 μm로 옮기면 같은 15 μm 열적 갭 변화의 영향이 약 10%에서 약 55%로 커집니다.
- 파장 적색 편이는 g·Δλ/λ의 갭 변화에 해당하며, 동작점이 적절하면 보통 가장 작은 항입니다.
- 정광량 폐루프의 구동 여유는 최고 온도에서의 발광 효율 손실에 노화분을 더한 만큼을 감당해야 하며, 계산 예에서는 최소 +32%의 전류가 필요합니다.
- 열 설계에서는 리드헤드와 디스크의 축방향 기준을 가능한 한 같은 위치 결정면 가까이에 두고, 축이 하우징보다 뜨거워지는 운전 조건도 검토합니다.
- 먼저 외부 정전류 점등과 냉간·열간 갭 측정이라는 저비용 시험 두 가지를 해 본 뒤, 리드헤드, 구조, 동작점 중 무엇을 바꿀지 결정합니다.
정리
고온 진폭 저하는 광원 발광 효율, 열팽창 갭, 파장 근접장의 세 인자의 곱으로 분해할 수 있으며, 예시에서는 각각 약 −24%, −9.6%, −1.0%이지만 비율은 공칭 갭에 따라 크게 달라집니다. 진폭과 직류 합의 승온·냉각 궤적을 기록해 먼저 광원형, 변조도형, 비가역형으로 나누고, 이어 외부 정전류 점등, 냉간·열간 갭 측정, 부분 가열, 파장 교체로 항목별로 확인하면 책임을 디스크, 기구, 리드헤드 중 구체적인 한쪽으로 좁힐 수 있습니다.
중국어 원문 기사 번역 (0224). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
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