KR100966873B1 - 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기와 (-) 전압을 발생하는 제2 압전 변압기를 사용하여 고전압을 발생시키는 고전압 발생 장치에서 제 1 압전 변압기와 제 2 압전 변압기의 공진 주파수에 따라 발생하는 맥 놀이 현상과 맥 놀이 현상에 의해 출력 파형이 왜곡되는 것을 방지하여 안정된 출력을 얻을 수 있는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에 관한 것이다.
압전 변압기, 맥 놀이, 공진 주파수

Description

압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치{Apparatus for Generating High Voltage using Piezo Electric Transformer}
본 발명은 (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기와 (-) 전압을 발생하는 제2 압전 변압기를 사용하여 고전압을 발생시키는 고전압 발생 장치에서 제 1 압전 변압기와 제 2 압전 변압기의 공진 주파수에 따라 발생하는 맥 놀이 현상과 맥 놀이 현상에 의해 출력 파형이 왜곡되는 것을 방지하여 안정된 출력을 얻을 수 있는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에 관한 것이다.
일반적으로 복사기의 대전 장치나 음이온 발생기 등과 같이 고전압이 필요한 장치의 전원회로에는 고전압을 발생하기 위한 고전압 발생 장치를 구비하고 있다.
이러한, 고전압 발생 장치는 종래에는 권선형 변압기가 사용되었는데, 권선형 변압기는 일반적으로 규소 강판과 구리선의 불완전한 절연 상태로 인해 많은 열이 발생하는 문제가 있다.
이에 따라, 종래의 고전압 발생 장치는 권선형 변압기에서 발생 되는 열로 인해 승압 전압이 제한되고 높은 소비 전력이 소모되며 고전압을 발생하기 위해 큰 부피가 필요하여 전자 제품의 박형화 및 소형화에 적합하지 않았다.
이로 인해, 최근에는 소형화가 가능할 뿐만 아니라 내식성이 강하고 열 발생이 낮으며 전자 장애를 일으키지 않은 비금속 변압기인 압전 변압기(Piezoelectric Transformer)를 이용한 고전압 발생 장치가 많은 영역에서 사용되고 있다.
여기서, 압전 변압기는 압전 소자의 압전 효과를 이용하여 기계 발전을 발생시키고 그의 2차 전극측으로부터 변환된 전압을 추출하는 전압 변환 소자를 말한다.
이러한, 압전 변압기는 일반적으로 고전압 발생 장치에서 (+) 전압을 발생하는 압전 발전기나 (-) 전압을 발생하는 압전 발전기 중 어느 하나만이 사용되었으나 최근에는 압전 변압기에서 발생 되는 소비 전력이나 열 발생을 줄이기 위해 (+) 전압을 발생하는 압전 변압기와 (-) 전압을 발생하는 압전 변압기가 모두에 사용되고 있다.
이때, (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기와 (-) 전압을 발생하는 제 2 압전 변압기를 모두 사용하는 고전압 발생 장치는 제 1 압전 변압기와 제 2 압전 변압기를 인쇄회로기판의 한 면에 일정 간격 이격 되도록 배치하여 사용한다.
그러나, 이와 같이 (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기와 (-) 전압을 발생하는 제 2 압전 변압기를 모두 사용하는 종래의 고전압 발생 장치는 제 1 압전 변압기와 제 2 압전 변압기에서 각각 (+) 전압 및 (-) 전압을 출력할 때 제 1 압전 변압기와 제 2 압전 변압기 각각의 공진 주파수에 의해 여러 가지 문제가 발생하게 된다.
다시 말해, 종래의 고전압 발생 장치는 제 1 압전 변압기의 공진 주파수와 제 2 압전 변압기의 공진 주파수 간의 간섭현상에 의해 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 압전 변압기의 출력 전압과 제 2 압전 변압기의 출력 전압이 왜곡되는 문제가 있다.
또한, 종래의 고전압 발생 장치는 제 1 압전 변압기의 공진 주파수와 제 2 압전 변압기의 공진 주파수의 차이로 인해 도 2에 도시된 바와 같이 맥놀이 현상이 발생되고 이러한 맥놀이 현상에 의해 제 1 압전 변압기의 출력 파형과 제 2 압전 변압기의 출력 파형이 간섭 현상을 일으키게 된다.
이에 따라, 종래의 고전압 발생 장치에서는 출력 파형이 왜곡되기 때문에 고전압 발생 장치의 품질이 저하될 뿐만 아니라 제 1 압전 변압기 및 제 2 압전 변압기의 성능이 열화 되어 고전압 발생 장치의 성능 열화가 발생 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기와 (-) 전압을 발생하는 제 2 압전 변압기가 10㎑ ~ 60㎑의 공진 주파수 차이를 갖도록 하여 공진 주파수의 차이로 인해 발생 되는 맥놀이 현상과 맥놀이 현상에 의해 발생 되는 출력 파형의 왜곡을 방지하여 안정된 출력을 얻을 수 있는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기; 및 (-) 전압을 발생하는 제 2 압전 변압기를 포함하고, 상기 제 1 압전 변압기의 공진 주파수와 상기 제 2 압전 변압기의 공진 주파수는 10㎑ ~ 60㎑의 차이를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에서 상기 제 1 압전 변압기는 상기 제 2 압전 변압기의 공진 주파수보다 높은 공진 주파수를 갖는다.
본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에서 상기 제 2 압전 변압기는 상기 제 1 압전 변압기의 공진 주파수보다 높은 공진 주파수를 갖는다.
본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에서 상기 제 1 압전 변압기와 상기 제 2 압전 변압기는 1KV의 출력전압에 대해 1㎜ 이격 되도록 인쇄회로기판의 동일면 상에 배치된다.
본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 외부 전원을 입력받는 전원 입력부; 상기 제 1 압전 변압기의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 구동 주파수를 생성하는 제 1 주파수 발생부; 상기 제 1 주파수 발생부와 상기 제 1 압전 변압기 사이에 설치되어 상기 제 1 압전 변압기의 출력 전압을 검출하여 상기 제 1 주파수 발생부에 전달하는 제 1 피드백 회로; 상기 제 1 주파수 발생부와 상기 제 1 압전 변압기 사이에 설치되어 상기 제 1 주파수 발생부로부터 전송되는 구동 주파수에 따라 상기 전원 입력부로부터 전송되는 입력 전원의 전력을 증폭하는 제 1 변압기; 상기 제 2 압전 변압기의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 구동 주파수를 생성하는 제 2 주파수 발생부; 상기 제 2 주파수 발생부와 상기 제 2 압전 변압기 사이에 설치되어 상기 제 2 압전 변압기의 출력 전압을 검출하여 상기 제 2 주파수 발생부에 전달하는 제 2 피드백 회로; 및 상기 제 2 주파수 발생부와 상기 제 2 압전 변압기 사이에 설치되어 상기 제 2 주파수 발생부로부터 전송되는 구동 주파수에 따라 상기 전원 입력부로부터 전송되는 입력 전원의 전력을 증폭하는 제 2 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기와 (-) 전압을 발생하는 제 2 압전 변압기가 10㎑ ~ 60㎑의 공진 주파수 차이를 갖기 때문에 고주파인 공진 주파수의 차 신호 주파수로 인해 제 1 압전 변압기 및 제 2 압전 변압기의 출력 파형 에 묻혀 출력 파형이 왜곡되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 제 1 압전 변압기 및 제 2 압전 변압기의 출력 파형의 왜곡 방지로 인해 맥놀이 현상이 발생 되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 안정된 출력을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 환경 변화에 의한 부품의 특성이 변화하거나 압전 변압기의 자체 특성 변화로 인해 압전 변압기의 공진 주파수가 변하더라도 피드백 회로를 통해 압전 변압기의 공진 주파수와 압전 변압기에 인가되는 구동 주파수를 동일하게 하기 때문에 장기적인 구동 시 압전 변압기의 공진 주파수와 구동 주파수의 불일치로 인한 압전 변압기의 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치의 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 고전압 발생 장치에서 제 1 압전 변압기 및 제 2 압전 변압기의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 외부 전원을 입력받는 전원 입력부(2), (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기(8), (-) 전압을 발생하는 제 2 압전 변압기(18), 제 1 압전 변압기(8)의 출력 전압을 피드백(Feedback)하는 제 1 피드백 회로(10), 제 2 압전 변압 기(18)의 출력 전압을 피드백하는 제 2 피드백 회로(20), 제 1 피드백 회로(10)에 의해 피드백된 출력 전압에 따라 구동되어 제 1 압전 변압기(8)의 공진 주파수와 동일한 구동 주파수를 생성하는 제 1 주파수 발생부(4), 제 2 피드백 회로(20)에 의해 피드백된 출력 전압에 따라 구동되어 제 2 압전 변압기(18)의 공진 주파수와 동일한 구동 주파수를 생성하는 제 2 주파수 발생부(14), 제 1 주파수 발생부(4)로부터 전송되는 구동 주파수에 따라 전원 입력부(2)로부터 전송되는 입력 전원의 전력을 증폭하는 제 1 변압기(6) 및 제 2 주파수 발생부(14)로부터 전송되는 구동 주파수에 따라 전원 입력부(2)로부터 전송되는 입력 전원의 전력을 증폭하는 제 2 변압기(16)를 포함한다.
전원 입력부(2)는 외부로부터 입력되는 외부전원(예를 들면, DC 12V)을 입력받아 제 1 주파수 발생부(4) 및 제 2 주파수 발생부(14)에 공급한다.
제 1 압전 변압기(8)는 제 1 주파수 발생부(4)로부터 전송되는 구동 주파수에 따라 제 1 변압기(6)로부터 공급되는 전력을 (+) 전압으로 승압시킨다.
제 2 압전 변압기(18)는 제 2 주파수 발생부(14)로부터 전송되는 구동 주파수에 다라 제 2 변압기(16)로부터 공급되는 전력을 (-) 전압으로 승압시킨다.
이때, 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)는 인쇄회로기판의 동일한 면 위에 일정 거리 이격되도록 배치되는데, 1KV의 출력전압에 대해 1㎜ 이격 되도록 인쇄회로기판의 동일면 상에 배치된다.
예를 들어, 제 1 압전 변압기(8)가 4KV를 출력하고, 제 2 압전 변압기(18)가 -3KV를 출력할 경우 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)는 7㎜ 이격 되어 배치된다.
이러한, 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)는 각각의 공진 주파수에 의해 출력 파형이 왜곡되는 것을 방지하기 위해 10㎑ ~ 60㎑의 차이를 갖는 공진 주파수를 갖는다.
다시 말해, 제 1 압전 변압기(8)의 공진 주파수와 제 2 압전 변압기(18)의 공진 주파수는 10㎑ ~ 60㎑의 차이를 갖는다.
이러한 이유는, 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)의 공진 주파수의 차이가 10㎑ 미만일 경우 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)가 각각의 공진 주파수의 간섭으로 인해 출력 파형이 왜곡되는 문제가 발생 될 뿐만 아니라 도 2에 도시된 바와 같이 맥놀이 현상이 발생 되어 출력 파형이 왜곡된다.
그러나, 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)의 공진 주파수가 10㎑ ~ 60㎑의 차이를 갖는 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)의 공진 주파수의 차 신호 주파수가 출력 파형에 영향을 주긴 하나 고주파인 관계로 출력 파형에 묻히기 때문에 출력 파형의 왜곡이 방지되므로 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)는 10㎑ 이상 바람직하게는 10㎑ ~ 60㎑의 공진 주파수 차이를 갖는 게 바람직하다.
이때, 제 1 압전 변압기(8)는 제 2 압전 변압기(18)의 공진 주파수보다 높거나 낮은 공진 주파수를 갖는다.
즉, 제 1 압전 변압기(8)가 제 2 압전 변압기(18) 보다 높은 공진 주파수를 갖거나 제 2 압전 변압기(18)가 제 1 압전 변압기(8) 보다 높은 공진 주파수를 갖는다.
제 1 피드백 회로(10)는 제 1 압전 변압기(8)의 출력 전압을 검출하여 제 1 주파수 발생부(4)로 피드백시킨다.
이를 위해, 제 1 피드백 회로(10)는 제 1 압전 변압기(8)와 제 1 주파수 발생부(4) 사이에 설치된다.
제 2 피드백 회로(20)는 제 2 압전 변압기(18)의 출력 전압을 검출하여 제 2 주파수 발생부(14)로 피드백시킨다.
이를 위해, 제 2 피드백 회로(20)는 제 2 압전 변압기(18)와 제 2 주파수 발생부(14) 사이에 설치된다.
제 1 주파수 발생부(4)는 제 1 피드백 회로(10)에 의해 피드백된 출력 전압에 따라 구동되어 제 1 압전 변압기(8)의 공진 주파수와 동일한 구동 주파수를 생성하여 제 1 변압기(6)에 공급한다.
이때, 제 1 주파수 발생부(4)에 의해 생성된 구동 주파수는 전원 입력부(2)로부터 전송되는 입력 전원의 크기와 동일한 크기를 갖는다.
이러한, 제 1 주파수 발생부(4)는 전원 입력부(2)와 제 1 변압기(6) 사이에 설치된다.
제 2 주파수 발생부(14)는 전원 입력부(2)와 제 2 변압기(16) 사이에 설치되고, 제 2 피드백 회로(20)에 의해 피드백된 출력 전압에 따라 구동되어 제 2 압전 변압기(18)의 공진 주파수와 동일한 구동 주파수를 생성한다.
이때, 제 2 주파수 발생부(14)에 의해 생성된 구동 주파수는 전원 입력부(2)로부터 전송되는 입력 전원의 크기와 동일한 크기를 갖는다.
제 1 변압기(6)는 제 1 주파수 발생부(4)와 제 1 압전 변압기(8) 사이에 설치되어 전원 입력부(2)로부터 공급되는 입력 전원의 전력을 증폭하여 제 1 압전 변압기(8)에 공급한다.
이때, 제 1 변압기(6)에 의해 전력이 증폭된 전압은 제 1 주파수 발생부(4)에 의해 생성된 구동 주파수와 동일한 주파수를 갖는다.
제 2 변압기(16)는 제 2 주파수 발생부(14)와 제 2 압전 변압기(18) 사이에 설치되어 전원 입력부(2)로부터 공급되는 입력 전원의 전력을 증폭하여 제 2 압전 변압기(18)에 공급한다.
이때, 제 2 변압기(16)에 의해 전력이 증폭된 전압은 제 2 주파수 발생부(14)에 의해 생성된 구동 주파수와 동일한 주파수를 갖는다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기(8)와 (-) 전압을 발생하는 제 2 압전 변압기(18)가 10㎑ ~ 60㎑의 공진 주파수 차이를 갖기 때문에 고주파인 공진 주파수의 차 신호 주파수로 인해 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18) 각각의 출력 파형에 묻히므로 출력 파형이 왜곡되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 제 1 압전 변압기(8)와 제 2 압전 변압기(18)의 출력 파형의 왜곡 방지로 인해 맥놀이 현상이 발생 되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 안정된 출력을 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 환경 변화에 의한 부품의 특성이 변화하거나 압전 변압기의 자체 특성 변화로 인해 압전 변압기의 공진 주파수가 변하더라도 피드백 회로를 통해 압전 변압기의 공진 주파수와 압전 변압기에 인가되는 구동 주파수를 동일하게 하기 때문에 장기적인 구동 시 압전 변압기의 공진 주파수와 구동 주파수의 불일치로 인한 압전 변압기의 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치의 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 고전압 발생 장치에서 두 개의 압전 변압기가 공진 주파수의 차이로 인해 발생 되는 간섭 현상에 의한 출력 파형이 왜곡되는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 압전 변압기를 고전압 발생 장치에서 두 개의 압전 변압기가 공진 주파수의 차이로 인해 발생 되는 맥놀이 현상을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 고전압 발생 장치에서 두 개의 압전 변압기의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 전원 입력부 4, 14 : 주파수 발생부
6, 16 : 변압기 8, 18 : 압전 변압기
10, 20 : 피드백 회로

Claims (5)

  1. (+) 전압을 발생하는 제 1 압전 변압기;
    (-) 전압을 발생하는 제 2 압전 변압기;
    외부 전원을 입력받는 전원 입력부;
    상기 제 1 압전 변압기의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 구동 주파수를 생성하는 제 1 주파수 발생부;
    상기 제 1 주파수 발생부와 상기 제 1 압전 변압기 사이에 설치되어 상기 제 1 압전 변압기의 출력 전압을 검출하여 상기 제 1 주파수 발생부에 전달하는 제 1 피드백 회로;
    상기 제 1 주파수 발생부와 상기 제 1 압전 변압기 사이에 설치되어 상기 제 1 주파수 발생부로부터 전송되는 구동 주파수에 따라 상기 전원 입력부로부터 전송되는 입력 전원의 전력을 증폭하는 제 1 변압기;
    상기 제 2 압전 변압기의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 구동 주파수를 생성하는 제 2 주파수 발생부;
    상기 제 2 주파수 발생부와 상기 제 2 압전 변압기 사이에 설치되어 상기 제 2 압전 변압기의 출력 전압을 검출하여 상기 제 2 주파수 발생부에 전달하는 제 2 피드백 회로; 및
    상기 제 2 주파수 발생부와 상기 제 2 압전 변압기 사이에 설치되어 상기 제 2 주파수 발생부로부터 전송되는 구동 주파수에 따라 상기 전원 입력부로부터 전송되는 입력 전원의 전력을 증폭하는 제 2 변압기를 포함하고 상기 제 1 압전 변압기의 공진 주파수와 상기 제 2 압전 변압기의 공진 주파수는 10㎑ ~ 60㎑의 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치.
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