전자파장해방지 접지

왜 배우는가: 전자파장해방지 접지는 디지털 기기와 정보통신설비가 늘면서 오동작을 막는 핵심 설계 항목이 되었다. 시험에서는 접지 방식의 선택 기준과 설계 원칙을 묻는 형태로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제113회 4교시 5번, 제111회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전자파장해방지 접지는 전자기기의 기준전위를 안정시키고 외부 잡음 간섭을 줄이는 접지다

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 목적과 방법을 한 문장씩 붙인다. 목적은 전자기기의 오동작을 막는 것이고, 방법은 기준전위 확보와 잡음 전류 귀로의 제어다. '접지'라는 말만 쓰면 감점된다. '전자파 잡음 억제'와 '기준전위 확보'를 함께 써야 한다.

키워드

• 전자파 적합성(EMC) : 전자기기가 전자파 환경에서 다른 기기에 간섭을 주지 않고, 스스로도 오동작하지 않는 능력이다.
• 잡음(Noise) : 원하지 않는 전압·전류 성분으로 신호를 왜곡하는 요소다.
• 공통모드 잡음 : 신호선과 대지 사이에 같은 방향으로 실리는 잡음이다.
• 기준전위 : 회로 전압을 재는 기준이 되는 전위다.
• 단일점 접지 : 회로의 접지선을 한 점에 모으는 방식이다.
• 다중점 접지 : 여러 지점을 짧은 경로로 접지하는 방식이다.
• 등전위본딩 : 도전성 부분 사이의 전위차를 없애도록 서로 연결하는 작업이다.
• 차폐접지 : 케이블과 함체의 차폐체를 접지에 연결하는 작업이다.

정의에서 중요한 것은 '저임피던스'라는 조건이다. 접지 경로의 임피던스가 높으면 잡음 전류가 기준선에 큰 전압을 만든다. 따라서 이 접지는 단순히 대지에 연결하는 것이 아니라, 잡음이 흐를 경로를 짧고 낮게 설계하는 일이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 이 접지는 기기가 주변 전자파를 잘못 받아들이지 않도록 기기의 0V 기준을 튼튼하게 잡아 주는 접지다. 전기기기 안에는 빠르게 바뀌는 디지털 신호와 작은 크기의 아날로그 신호가 함께 있다. 두 신호가 같은 기준선을 공유하면 한쪽의 잡음이 다른 쪽으로 넘어간다.

정식 정의는 다음과 같다. 전자파장해방지 접지는 전자파 적합성을 확보하기 위해 회로의 기준 도체, 차폐체, 함체를 저임피던스 경로로 접지하고, 잡음 전류의 귀로를 한정하여 기준전위를 안정시키는 접지다. 여기서 귀로는 잡음 전류가 발생원으로 되돌아가는 경로를 뜻한다. 귀로가 길고 넓을수록 기기 내부로 들어오는 잡음 전압이 커진다.

핵심 원리는 두 가지다. 첫째, 접지 임피던스가 낮아야 잡음 전압이 작아진다. 둘째, 접지 경로가 닫힌 루프를 만들지 않아야 자기장에 의한 유도 잡음이 줄어든다. 잡음 전압은 V_n = Z_g \times I_n 으로 나타낸다. Z_g는 접지 임피던스(Ω), I_n은 잡음 전류(A), V_n은 잡음 전압(V)이다. 잡음 전압은 접지 임피던스와 잡음 전류의 곱으로 생긴다

이 원리는 주파수가 높을수록 더 중요해진다. 같은 도선이라도 고주파에서는 인덕턴스 때문에 임피던스가 커지기 때문이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 접지 루프(Ground Loop) : 두 개 이상의 접지점 사이에 닫힌 경로가 생겨, 그 안을 지나는 자속에 의해 전압이 유도되는 현상이다.
• 차폐접지 : 케이블 차폐체를 한쪽 또는 양쪽에서 접지해 외부 전계와 자계를 대지로 돌려보내는 방법이다.
• 단일점 접지와 다중점 접지 : 기준선을 한 점에 모을지, 여러 짧은 경로로 나눌지에 따라 구분한다.

단일점과 다중점의 선택 기준은 신호 주파수다. 주파수가 1MHz 미만인 저주파 회로는 배선 인덕턴스보다 접지 루프의 영향이 크므로 단일점 접지를 쓴다. 주파수가 10MHz 초과인 고주파 회로는 접지 임피던스가 커지므로, 가장 가까운 지점에서 다중점 접지를 쓴다. 그 사이 대역에서 단일점 접지를 쓸 때는 접지선 길이를 파장의 1/20 이하로 제한한다. 길이가 이를 넘으면 다중점 방식으로 바꾼다.

설계 실무에서는 디지털 회로와 아날로그 회로를 분리한다. 고속 논리 회로와 선형 회로를 가능한 한 멀리 떼어 놓고, 두 회로의 접지선이 섞이지 않도록 각각 전원 단의 접지선과 따로 잇는다. 선형 회로의 접지 면적은 넓게 확보한다. 접지선 자체는 굵게 설계해 임피던스를 낮춘다.

차폐와 접지는 함께 써야 효과가 있다. 차폐체만 설치하고 접지하지 않으면 차폐체가 오히려 안테나가 된다. 차폐체는 한 지점 또는 짧은 경로로 접지해야 외부 잡음이 대지로 빠진다.

3. 등장 배경과 필요성

전자기기는 아날로그 신호 중심에서 디지털 고속 회로 중심으로 바뀌었다. 신호의 상승 시간이 짧아지면 고주파 성분이 늘고, 그 성분은 작은 임피던스에서도 큰 전압을 만든다. 예전에는 문제가 없던 접지선 길이가 지금은 잡음 안테나 역할을 한다. 그래서 접지 설계가 기기 성능을 좌우하는 항목이 되었다.

외부 환경도 원인이다. 정보·통신설비는 다음 네 가지 장해로 오동작하는 경우가 많다. 첫째, 수 MHz 대 고주파 영역에서 접지극의 과도현상으로 접지전위가 급격히 변해 기능장해가 생긴다. 둘째, 지락전류나 뇌격전류가 흘러 접지전위가 상승하면서 손상이나 순시 장해가 생긴다. 셋째, 개폐서지가 전원선이나 신호선으로 유입된다. 넷째, 전력선이나 철도의 정전유도와 전자유도가 신호선에 전압을 만든다.

이 장해들은 모두 기준전위가 흔들린다는 점에서 같은 뿌리를 가진다. 따라서 대책도 기준전위를 안정시키는 접지로 모인다. 기준접지극을 두고 모든 설비를 짧은 보호도체로 연결하면 전위차가 줄고 잡음 경로가 짧아진다.

국내 제도에서도 이 필요성이 반영된다. 방송통신설비의 기술기준에 관한 규정은 구내통신선로 접지설비와 이동통신구내선로 접지설비를 공동으로 사용하도록 정한다. 접지극이 따로 있으면 그 사이 전위차가 잡음 원인이 되기 때문이다. 접지 통합 자체가 전자파 장해를 줄이는 수단이라는 뜻이다.

현대 설비에서는 서지보호장치(SPD)와 등전위본딩을 함께 쓴다. 두 방법은 전위차를 줄여 기기 사이의 잡음 전압을 낮춘다. 방식별 설계는 4절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

전자파장해방지 접지(EMC Grounding)는 잡음 전류가 장치 사이를 흐를 때 생기는 전위차를 줄여 간섭을 막는 접지다. 구성요소는 신호기준면, 기준접지극, 차폐접지, 본딩도체, SPD·필터로 나뉜다.

신호기준면은 장비 내부 회로의 기준선 역할을 한다. 기준접지극은 건물 전체의 기준전위를 대지에 고정한다. 차폐접지는 외부 잡음이 케이블 내부 신호선으로 들어오지 못하게 한다. 본딩도체는 금속 구조물과 장비 외함을 같은 전위로 묶는다.

접지 회로가 만드는 루프는 저주파 간섭을 키운다. 두 접지점 사이에 흐르는 잡음 전류가 신호선과 함께 루프를 만들기 때문이다. 따라서 저주파에서는 1MHz 미만은 단일점 접지를 쓴다. 주파수가 높아지면 접지 도선의 인덕턴스 때문에 접지 임피던스가 커진다. 그래서 10MHz 초과는 다중점 접지를 쓴다. 두 값 사이 구간은 단일점 접지를 쓰되 접지선 길이를 파장의 1/20 이하로 제한하고, 길이를 넘으면 다중점 접지로 바꾼다.

파장은 다음 식으로 구한다.

$\lambda = \frac{c}{f}$

여기서 c는 빛의 속도(3×10^8 m/s), f는 신호 주파수(Hz), \lambda는 파장(m)이다. 예로 신호 주파수가 10MHz이면 \lambda = 3\times10^8 / 10\times10^6 = 30m이고, 허용 접지선 길이는 30/20 = 1.5m다. 결과 1.5m는 실내 배선 길이로 상식 범위에 있다.

다중점 접지는 한 점에 모으는 스타형과 다수 점에 나누는 메시형으로 구현된다. 스타형은 저주파 신호에 적합하고 메시형은 고주파 신호에 적합하다. 두 방식을 섞은 혼합형은 장비 규모가 크고 주파수 대역이 넓을 때 쓴다.

구축 절차는 다음과 같다.

• 장비의 신호 주파수 대역과 민감도를 파악한다.
• 주파수 대역에 따라 단일점, 다중점, 혼합 방식을 정한다.
• 기준접지극을 층마다 설치하고 모든 장비를 본딩도체로 연결한다.
• 차폐 케이블은 장비 가까운 쪽에서 차폐접지를 한다.
• 전원선과 신호선에 SPD와 필터를 설치하고 접지선을 짧게 한다.
• 접지저항과 잡음 전압을 측정해 설계 기준과 비교한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 법령 중 전자파 간섭과 직접 연결되는 것은 「방송통신설비의 기술기준에 관한 규정」이다. 제9조는 전력유도 제한치를 정한다. 현행 시행일은 2024-07-19이며, 제9조는 2011·2013·2017년에 개정되었다. 제15조는 단말장치의 전자파장해 방지기준을 전파에 관한 법령에 따르도록 한다. 제18조 제3항은 구내통신선로와 이동통신구내선로의 접지설비를 공동으로 쓰도록 한다. 이 규정은 접지 설계의 검토 기준이 된다.