KR100256090B1 - 압전 변압기 및 그를 이용한 고전압 발생회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 변압기에 귀환전극을 형성하여 간단한 회로 구성으로 공진주파수를 정합시켜 항상 높은 출력전압을 유지할 수 있도록 하는 압전 변압기 및 그를 이용한 고전압 발생회로에 관한 것으로서,
압전 변압기는 직육면체 형태의 압전 세라믹 소자와, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 좌반부 상하면에 형성된 제1,2 입력전극과, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 우반부 측면에 형성된 출력전극과, 상기 제1 입력전극과 동일면에 분리되도록 형성되어 동작시 분극에 따른 신호를 출력하는 귀환전극으로 이루어지고,
고전압 발생회로는 상기 압전 변압기의 출력전극에 연결되는 냉음극관과, 구동전원(Vcc)을 갖고 상기 제1,2 입력전극에 콜렉터 단자 및 에미터 단자가 연결되는 NPN 트랜지스터와, 상기 구동전원(Vcc)과 귀환전극을 연결하는 제1 저항과, 상기 귀환전극과 NPN 트랜지스터의 베이스 단자를 연결하는 제2 저항과, 상기 NPN 트랜지스터의 에미터 단자에 일단이 연결되고 타단은 접지되는 제3 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압전 변압기 및 그를 이용한 고전압 발생회로
본 발명은 압전 변압기 및 그를 이용한 고전압 발생회로에 관한 것으로 특히, 압전 변압기의 열화현상에 의한 공진주파수의 변화를 방지할 수 있는 압전 변압기 및 그를 이용한 고전압 발생회로에 관한 것이다.
일반적으로 TV의 편향 장치 또는 복사기의 대전 장치 등과 같이 고전압이 필요한 장치의 전원회로에는 고전압 발생 장치가 구비되고 있으며, 상기 고전압 발생을 위한 소자로서 권선형 전자 변압기를 사용하고 있다.
그러나, 최근 휴대용 전자기기의 급속한 발전에 따라 저 소비전력화, 경박 단소화, 전자파에 의한 노이즈 발생의 억제와 같은 문제 해결을 위하여 압전형 변압기의 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래 기술에 의하여 로젠형 구조를 갖는 압전 변압기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 직육면체 형태의 압전 세라믹 소자(10)와, 상기 압전 세라믹 소자(10)의 장방향 좌반부 상하면에 형성된 입력전극(21,22)과, 상기 압전 세라믹 소자(10)의 장방향 우반부 측면에 형성된 출력전극(30)으로 이루어진다.
이때, 상기 입력전극(21,22)이 형성된 좌반부를 구동부라 하고, 출력전극(30)이 형성된 우반부를 발전부라 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 압전 변압기에서, 구동부의 분극은 상하 즉 두께 방향으로 이루어지고, 발전부의 분극은 좌우 즉 길이 방향으로 이루어진다.
상기와 같은 구성을 갖는 압전 변압기의 동작을 설명하면 다음과 같다.
외부단자를 통해 상기 입력전극(21,22)에 교류 전압이 인가되면 상기 구동부에서는 분극 방향의 전계가 가해지고, 분극 방향의 수직방향으로 변위하는 압전 횡효과에 의해 길이 방향의 횡진동이 일어나서 변압기 전체가 진동한다.
그후, 상기 발전부에서 분극 방향의 수직방향으로 찌그러짐이 진행되고 분극 방향으로 전위차가 발생하는 압전 종효과에 따라 출력전극(30)을 통해 외부단자에 입력전압과 같은 주파수의 전압이 발생한다.
이때, 구동주파수를 압전 변압기의 공진주파수와 동일하게 하면 높은 고출력 전압을 얻을 수 있다.
도 2는 상기 도 1의 압전 변압기를 사용한 고전압 발생회로를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 고전압을 발생시키는 압전 변압기(100)와, 입력단을 통해 직류 전압을 인가하는 전원(110)과, 상기 전원(110)의 직류 전압을 입력받아 압전 변압기(100)의 공진 주파수와 근접한 주파수의 구형파 신호를 발생시키는 발진회로(120)와, 상기 발진회로(120)에서 출력되는 구형파 신호를 게이트(gate) 신호로 사용하여 압전 변압기(100)의 공진 주파수와 같은 정현파의 교류전압을 압전 변압기(100)의 입력단으로 출력시키는 스위칭 회로(130)와, 압전 변압기(100)에서 출력되는 고전압에 의해 구동되는 냉음극관(140)과, 상기 냉음극관(140)의 저항값에 따라 변화하는 압전 변압기(100)의 공진주파수를 추적하기 위해 압전 변압기(100)에서 발생되는 전류를 검출하는 전류검출부(150)와, 상기 전류검출부(150)의 출력신호와 기준전원(Vref)을 비교하여 그 결과를 출력하는 비교기(160)와, 상기 비교기(160)의 출력신호를 상기 발진회로(120)로 피드백(Feed Back)시키는 발진 제어부(170)로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 고전압 발생회로의 동작은 다음과 같다.
상기 전원(110)으로부터 입력단을 통해 직류 전압이 입력되면 상기 발진회로(120)는 압전 변압기(100)의 공진 주파수와 근접한 주파수의 구형파 신호를 발생시키고, 스위칭 회로(130)는 상기 구형파 신호를 게이트(gate) 신호로 사용하여 압전 변압기(100)의 공진 주파수와 같은 정현파의 교류전압을 출력시킨다.
상기 정현파의 교류전압에 의해 압전 변압기(100)에서는 고전압을 출력하여 냉음극관(140)을 구동시킨다. 이때, 냉음극관(140)은 점등이 되면 저항값이 1/3로 저하되어 상기 압전 변압기(100)의 공진주파수를 변화시키게 된다.
상기 공진주파수의 변화는 전류검출부(150) 및 비교기(160)의 출력을 변화시키고, 상기 발진 제어부(170)는 비교기(160)의 출력신호에 따라 상기 발진회로(120)로 제어신호를 피드백(Feed Back)시킴으로서 상기 압전 변압기(110)의 공진주파수를 조절하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 종래의 경우는 압전 변압기가 단순히 압전 세라믹 소자에 입력전극 및 출력전극이 형성되어 이루어지기 때문에 출력단자에 연결되는 냉음극관의 저항 변화 및 세라믹 소자의 자체 열화현상에 의하여 발생되는 공진주파수의 변화를 방지할 수 없고, 공진주파수의 변화에 의해 출력전압의 저하를 나타내게 되는 문제점이 있다.
또한, 압전 세라믹 소자의 자체 열화현상에 따른 공진주파수의 변화에 의한 발진효율의 저하가 발생되는 문제점이 있다.
또한, 상기의 문제점을 해결하기 위하여 고전압 발생회로에서는 압전 변압기의 공진주파수 변화를 추적하기 위한 전류검출부 및 주파수 정합회로가 부가되기 때문에 인버터(inverter)를 구성하는 회로부의 구조가 복잡하게 되어 제조원가를 상승시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 입력전극을 분할하여 압전 세라믹 소자의 분극에 따른 신호를 출력하는 귀환전극을 형성시킴으로서 공진주파수의 조절을 용이하게 수행할 수 있는 압전 변압기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 귀환전극에서 출력되는 신호에 따라 온/오프 되는 스위칭 수단을 구비하여 압전 변압기로 인가되는 전원을 선택적으로 공급함으로써 압전 변압기의 공진주파수 변화에 따라 발생하는 출력전압의 저하를 방지하기 위해서 부가되는 주변회로를 단순화할 수 있는 고전압 발생회로를 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 압전 변압기를 나타내는 도면,
도 2는 종래 기술에 의한 고전압 발생회로의 구성을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 의한 압전 변압기 및 고전압 발생회로의 구성을 나타내는 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 압전 세라믹 소자 121,122 : 제1,2 입력전극
123 : 귀환전극 130 : 출력전극
210 : 압전 변압기 220 : 냉음극관
230 : NPN 트랜지스터 241,242,243 : 제1,2,3 저항
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따르면, 직육면체 형태의 압전 세라믹 소자와, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 좌반부 상하면에 형성된 제1,2 입력전극과, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 우반부 측면에 형성된 출력전극으로 이루어지는 압전 변압기에 있어서,
상기 제1,2 입력전극 중 어느 하나는 분할되어 동작시 분극에 따른 신호를 출력하는 귀환전극이 형성된 압전 변압기를 제공한다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 직육면체 형태의 압전 세라믹 소자와, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 좌반부 상하면에 형성된 제1,2 입력전극과, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 우반부 측면에 형성된 출력전극과, 상기 제1 입력전극과 동일면에 분리되도록 형성되어 동작시 분극에 따른 신호를 출력하는 귀환전극으로 이루어지는 압전 변압기를 포함하는 고전압 발생회로에 있어서,
상기 압전 변압기의 출력전극에 연결되는 냉음극관과, 구동전원(Vcc)을 갖고 상기 제1,2 입력전극에 콜렉터 단자 및 에미터 단자가 연결되는 NPN 트랜지스터와, 상기 구동전원(Vcc)과 귀환전극을 연결하는 제1 저항과, 상기 귀환전극과 NPN 트랜지스터의 베이스 단자를 연결하는 제2 저항과, 상기 NPN 트랜지스터의 에미터 단자에 일단이 연결되고 타단은 접지되는 제3 저항을 포함하는 고전압 발생회로를 제공한다.
이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 압전 변압기 및 고전압 발생회로의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 압전 변압기는 직육면체 형태의 압전 세라믹 소자(110)와, 상기 압전 세라믹 소자(110)의 장방향 좌반부 상하면에 형성된 제1,2 입력전극(121,122)과, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 우반부 측면에 형성된 출력전극(130)과, 상기 제1 입력전극(121)과 동일면에 분리되도록 형성되어 동작시 분극에 따른 신호를 출력하는 귀환전극(123)으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 고전압 발생회로는 압전 변압기(210)와, 상기 압전 변압기(210)의 출력전극(130)에 연결되는 냉음극관(220)과, 구동전원(Vcc)을 갖고 상기 제1,2 입력전극(121,122)에 콜렉터 단자 및 에미터 단자가 연결되는 NPN 트랜지스터(230)와, 상기 구동전원(Vcc)과 귀환전극(123)을 연결하는 제1 저항(241)과, 상기 귀환전극(123)과 NPN 트랜지스터(230)의 베이스 단자를 연결하는 제2 저항(242)과, 상기 NPN 트랜지스터(230)의 에미터 단자에 일단이 연결되고 타단은 접지되는 제3 저항(243)을 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 고전압 발생회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.
상기의 구성에서 제1 저항(241)은 NPN 트랜지스터(230)의 자기 바이어스(bias) 저항으로 사용되고, 제2 저항(242)은 베이스(base) 저항으로 사용되고, 제3 저항은 에미터(emitter) 저항으로 사용된다.
먼저, 구동전원(Vcc)에 직류전압을 인가하면 제1 저항(241) 및 제2 저항(242)에 의해 NPN 트랜지스터(230)의 베이스 단자로 전류가 흐르게 되고, 그에 따라 상기 NPN 트랜지스터(230)는 온(on) 된다.
상기 NPN 트랜지스터(230)가 온(on) 되면 압전 변압기(210)의 제1,2 입력전극(121,122) 사이에 방전전류가 흐르기 시작하고, 상기 압전 세라믹 소자(110)는 분극 방향에 따라 정해진 방향으로 휨운동을 시작한다. 이때, 상기 귀환전극(123)에는 정(+)방향의 귀환신호가 생기고, 상기 NPN 트랜지스터(230)의 베이스로 귀환되어 상기 NPN 트랜지스터(230)를 계속적으로 온(on) 시킨다.
상기의 동작이 계속되어 압전 세라믹 소자(110)의 휨운동이 최대점에 도달하게 되면 역방향으로 전류가 흐르기 시작하고 초기 상태로 되었을 때 상기 NPN 트랜지스터(230)의 베이스 단자의 전위가 베이스-에마터 포화전압(VBE(SAT)) 이하로 되어 다시 상기 NPN 트랜지스터(230)를 오프(off) 시킨다.
상기 NPN 트랜지스터(230)가 오프(off) 되면 상기의 동작과 반대로 압전 변압기(210)의 제1,2 입력전극(121,122) 사이에 충전전류가 흐르기 시작하고, 상기 압전 세라믹 소자(110)는 소자 방전시와 반대 방향으로 휨운동을 시작한다. 이때, 상기 귀환전극(123)에는 부(-)방향의 귀환신호가 생기고, 상기 NPN 트랜지스터(230)의 베이스로 귀환되어 베이스 단자의 전위를 계속 끌어내림으로서 상기 NPN 트랜지스터(230)를 계속적으로 오프(off) 시킨다.
상기의 동작이 계속되어 압전 세라믹 소자(110)의 반대방향 휨운동이 최대점에 도달하게 되면 역방향으로 전류가 흐르기 시작하고, 초기 상태로 되었을 때 상기 NPN 트랜지스터(230)의 베이스 단자의 전위가 베이스-에마터 포화전압(VBE(SAT)) 이상으로 되어 다시 상기 NPN 트랜지스터(230)를 온(on) 시킨다.
상기와 같은 동작이 연속적으로 이루어져 상기 NPN 트랜지스터(230)의 온/오프가 반복되면 압전 세라믹 소자(110)의 휨주기 즉, 공진주파수와 동일한 주파수에서 소자를 발진시키게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 압전 변압기에 입력전극 및 출력전극 이외에 공진주파수의 정합을 위한 귀환전극을 형성하기 때문에 공진주파수의 안정적인 발진을 이룰 수 있게 되어 발진효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고전압 발생회로에서는 냉음극관의 부하저항이 변화됨에 따른 압전 변압기의 공진주파수 이동을 귀환회로에 의해 조절되기 때문에 세라믹 소자의 공진주파수를 정합시키는 별도의 회로부가 필요없게 되어 회로 구성이 단순하게 되는 효과가 있으며, 그에 따라 제품의 제조원가를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 귀환전극에 의해 구동주파수와 공진주파수를 정합시킬 수 있기 때문에 구동주파수와 공진주파수의 불일치로 인한 출력전압의 저하를 방지할 수 있고, 세라믹 소자 자체의 열화현상으로 인한 공진주파수의 변화에도 높은 출력전압을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 직육면체 형태의 압전 세라믹 소자와, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 좌반부 상하면에 형성된 제1,2 입력전극과, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 우반부 측면에 형성된 출력전극으로 이루어지는 압전 변압기에 있어서,
    상기 제1,2 입력전극 중 어느 하나는 분할되어 동작시 분극에 따른 신호를 출력하는 귀환전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  2. 직육면체 형태의 압전 세라믹 소자와, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 좌반부 상하면에 형성된 제1,2 입력전극과, 상기 압전 세라믹 소자의 장방향 우반부 측면에 형성된 출력전극과, 상기 제1 입력전극과 동일면에 분리되도록 형성되어 동작시 분극에 따른 신호를 출력하는 귀환전극으로 이루어지는 압전 변압기를 포함하는 고전압 발생회로에 있어서,
    상기 압전 변압기의 출력전극에 연결되는 냉음극관과, 구동전원(Vcc)을 갖고 상기 제1,2 입력전극에 콜렉터 단자 및 에미터 단자가 연결되는 NPN 트랜지스터와, 상기 구동전원(Vcc)과 귀환전극을 연결하는 제1 저항과, 상기 귀환전극과 NPN 트랜지스터의 베이스 단자를 연결하는 제2 저항과, 상기 NPN 트랜지스터의 에미터 단자에 일단이 연결되고 타단은 접지되는 제3 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 발생회로.
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