KR100975569B1 - 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환경변화 등에 의한 부품 특성 변화나 압전 변압기의 공진 주파수 변화에 대해 안정적인 압전 변압기의 공진 주파수를 얻어 압전 변압기의 파손을 방지할 수 있는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에 관한 것이다.
압전 변압기, 주파수, 정궤환 루프

Description

압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치{Apparatus for Generating High Voltage using Piezo Electric Transformer}
본 발명은 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에 관한 것으로 특히, 환경변화 등에 의한 부품 특성 변화나 압전 변압기의 공진 주파수 변화에 대해 안정적인 압전 변압기의 공진 주파수를 얻어 압전 변압기의 파손을 방지할 수 있는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 텔레비젼(TV)의 편향 장치나 복사기의 대전 장치 등과 같이 고전압이 필요한 장치의 전원 회로에는 고전압 발생 장치가 구비되어 있으며, 고전압 발생을 위한 소자로 권선형 변압기가 사용되고 있다.
그러나, 권선형 변압기는 규소 강판과 구리선(코일)의 불완전한 절연 상태로 인해 열이 발생하고, 이러한 열 발생으로 인한 승압 전압의 제한으로 인해 높은 소비 전력을 필요로 하며, 낮은 입력 전압에서 높은 출력으로 변압하기 위해 큰 부피를 필요로 하기 때문에 휴대용 전자 제품에 적합하지 않는 문제가 있다.
이에 따라, 최근에는 소형화가 가능할 뿐만 아니라 내식성이 강하고 열 발생이 낮으며 전자 장애를 일으키지 않는 비금속 변압기인 압전 변압기를 이용한 고전 압 발생 장치가 많은 영역에서 사용되고 있다.
여기서, 압전 변압기라 함은 압전 소자의 압전 효과를 이용하여 기계 발진을 발생시키고 그의 2차 전극측으로부터 변환된 전압을 추출하는 전압 변환소자를 말한다.
도 1은 종래 기술에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 외부에서 전원(VCC)를 인가하면 주파수 발생부(104)에서 압전 변압기(102)에 필요한 주파수를 발생하여 압전 변압기(102)에 인가하는 방식으로 구성된다.
즉, 전원(VCC)이 인가되면 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)의 저항비에 의해 기준전압이 생성된다.
이때, 비교기(COMP)와 다이오드(D)로 형성된 비교회로는 제 1 커패시터(C1)와 제 3 저항(R3)의 충방전을 통해 기준전압과 충방전된 전압을 비교하고 비교기(COMP)는 비교된 결과를 통해 일정한 주파수를 생성하여 코일(L)에 인가한다.
이에 따라, 코일(L)에서는 사인웨이브형(Sinewave) 신호가 유기되고 코일(L)에서 유기된 사인웨이브형 신호는 압전 변압기(102)에 인가된다.
이때, 압전 변압기(102)는 코일(L)로부터 전송된 사인웨이브형 신호에 따라 구동되고 압전 변압기(102)의 구동으로 인해 로드 저항인 제 4 저항(R4)의 양단에 큰 전압이 생성되게 된다.
그러나, 이와 같은 구성을 갖는 종래 기술에 따른 압전 변압기를 이용한 고 전압 발생 장치는 압전 변압기(102)의 공진 주파수가 일정하지 않기 때문에 동일한 주파수로 압전 변압기(102)를 구동시킬 경우 압전 변압기(102)에서 발생하는 전압에 차이가 발생하게 될 뿐만 아니라 압전 변압기(102)의 공진 주파수와 인가 주파수의 불일치로 인해 압전 변압기(102)의 파손이 발생하는 문제가 있다.
또한, 종래 기술에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 비교기(COMP) 등의 부품의 변화 요인이 발생 될 경우 코일(L)로부터 일률적인 주파수를 얻을 수 없어 공진 주파수의 불일치로 인한 상술한 문제가 발생한다.
그리고, 종래 기술에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 환경조건(고온, 저온)의 변화에 의해 부품의 특성이 변화될 경우에도 공진 주파수 불일치가 발생 되기 때문에 상술한 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 환경변화 등에 의한 부품 특성 변화나 압전 변압기의 공진 주파수 변화에 대해 안정적인 압전 변압기의 공진 주파수를 얻어 장기적인 구동 시 압전 변압기의 파손을 방지할 수 있는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 직류 전압을 공급받아 전력을 증폭하는 전력 증폭부; 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 인가 주파수에 따라 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 전력을 전압으로 승압시키는 압전 변압기; 상기 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 상기 압전 변압기의 입력단과 출력단 사이에 설치되어 상기 압전 변압기의 출력 전압에 따른 전류를 감지하는 안테나; 상기 안테나를 통해 입력되는 상기 압전 변압기의 출력 전류에 따른 전압을 정궤환으로 피드백하는 정궤환 루프; 및 상기 정궤환 루프의 출력 전압을 반전 증폭시켜 상기 전력 증폭부로 전송하는 반전 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에서 상기 안테나는 상기 압전 변압기의 입력단에서 상기 압전 변압기의 출력단 방향으로 3λ(λ는 압전 변압기의 파장)/4 위치에 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 안테나가 압전 변압기의 공진 주파수를 검출하여 압전 변압기에 인가되는 인가 주파수를 제어하기 때문에 환경변화에 의한 부품의 특성 변화나 압전 변압기의 자체 특성 변화에 의해 인가 주파수와 공진 주파수가 불일치되는 것을 방지하게 되므로 장기적인 구동 시 인가 주파수와 공진 주파수의 불일치로 인해 압전 변압기가 파손되는 것을 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 2는 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 나타내는 도면이고, 도 3은 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 안테나가 설치된 모습을 나타내는 도면이며, 도 4는 압전 변압기의 하부에 설치되는 안테나의 위치를 나타내는 도면이고, 도 5a 내지 도 5e는 안테나의 위치에 따라 안테나에 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 5e를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 전력 증폭부(6), 압전 변압기(2), 안테나(4), 정궤환 루프(8), 및 반전 증폭부(10)를 포함한다.
전력 증폭부(6)는 인덕터(L), 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 커패시터(C1)로 구성되어 직류 전원(VCC)으로부터 직류 전압을 공급받아 전력을 증폭한다.
이때, 인덕터(L)는 직류 전원(VCC)과 압전 변압기(2)의 입력단 사이에 연결 되고, 인덕터(L)와 압전 변압기(2)의 입력단의 공통단과 접지(GND) 사이에 제 1 트랜지스터(Q1)와 제 1 커패시터(C1)가 병렬 연결되도록 연결된다.
이러한, 전력 증폭부(6)는 반전 증폭부(10)에 의해 반전된 위상을 정위상으로 변환하여 전력을 증폭한다.
또한, 전력 증폭부(6)는 인덕터(L)와 제 1 커패시터(C1)의 병렬 공진을 통해 압전 변압기(2)에 구동 주파수를 인가한다.
이때, 인덕터(L)와 제 1 커패시터(C1)의 병렬 공진을 통해 압전 변압기(2)에 공급되는 인가 주파수는 제 1 트랜지스터(Q1)의 구동에 의해 압전 변압기(2)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖게 된다.
즉, 전력 증폭부(6)는 제 1 트랜지스터(Q1)의 구동에 의해 인덕터(L)를 단속함으로써 인덕터(L)와 제 1 커패시터(C1)의 공진 시 압전 변압기(2)의 공진 주파수와 동일한 주파수가 생성되고, 생성된 주파수를 압전 변압기(2)에 인가한다.
이에 따라, 본 발명의 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 환경변화에 의한 부품의 특성 변화나 압전 변압기(2)의 자체 특성 변화에 의해 압전 변압기(2)에 인가되는 인가 주파수와 압전 변압기(2)의 공진 주파수가 일치하지 않는 것을 방지할 수 있게 된다.
압전 변압기(2)는 전력 증폭부(6)로부터 공급되는 인가 주파수에 따라 전력 증폭부(6)로부터 공급되는 전력을 전압으로 승압시킨다.
이러한, 압전 변압기(2)의 출력단과 접지(GND) 사이에는 로드(Road) 제 4 저항(R4)이 연결된다.
안테나(4)는 도 3에 도시된 바와 같이 압전 변압기(2)가 배치된 인쇄회로기판(14)의 하부에 압전 변압기(2)의 입력단에서 출력단 방향으로 3λ/4(여기서, λ는 압전 변압기의 파장)/4 위치에 설치되고, 압전 변압기의 출력 전압에 따른 전류를 감지한다.
다시 말해, 압전 변압기(2)에 직류 전원이 인가되면 압전 변압기(2)에 변위가 발생 되는 데 이 변위에 해당하는 신호가 공중으로 방사되면 안테나(4)가 방사된 신호를 감지한다.
이때, 안테나(4)에 의해 감지된 신호는 전류가 미약하기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이 반전 증폭부(10)를 통해 증폭시킨다.
이러한, 안테나(4)는 도 4에 도시된 바와 같이 압전 변압기(2)가 배치된 인쇄회로기판(14)의 하부 어느 곳에나 설치될 수 있으나 안테나(4)가 λ/2나 5λ/8 위치에 설치될 경우에는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 싸인웨이브(sinewave) 파형의 크기가 작아 피드백 신호로 사용할 수 없고, 안테나(4)가 7λ/8나 λ 위치에 설치될 경우에는 도 5d 및 도 5e에 도시된 바와 같이 싸인웨이브 파형이 압전 변압기(2)의 출력단과 연동하여 흔들림이 발생하기 때문에 피드백 신호로 사용할 수 없는 반면, 안테나(4)가 3λ/4 위치에 설치될 경우에는 도 5c에 도시된 바와 같이 싸인웨이브 파형의 크기가 충분히 크기 때문에 피드백 신호로 사용 가능하기 때문에 안테나(4)는 압전 변압기(2)의 입력단에서 출력단 방향으로 3λ/4 위치에 설치되는 게 바람직하다.
이러한, 안테나(4)는 압전 변압기(2)의 출력 전압 감지 시 출력 전압에 포함 된 압전 변압기(2)의 공진 주파수를 검출하게 된다.
정궤환 루프(8)는 안테나(4)와 접지(GND) 사이에 연결된 제 2 커패시터(C2), 제 2 커패시터(C2)와 안테나(4) 사이의 공통단과 전력 증폭부(6) 사이에 연결된 제 3 저항(R3)으로 구성되고, 안테나(4)에 의해 감지된 압전 변압기(2)의 출력 전류에 따른 전압을 반전 증폭부(10)에 정궤환으로 피드백한다.
이때, 제 2 커패시터(C2)는 안테나(4)에 의해 감지된 전류의 노이즈를 제거하고 제 3 저항(R3)은 안테나(4)에 의해 감지된 전류를 전압으로 변환하여 반전 증폭부(10)를 구성하는 제 2 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자에 공급한다.
반전 증폭부(10)는 저항(R1, R2), 다이오드(D) 및 제 2 트랜지스터(Q2)로 구성되고, 정궤환 루프(8)를 통해 전송되는 전압에 따라 제 2 트랜지스터(Q2)가 구동되어 정궤환 루프(8)의 출력 전압을 반전 증폭시켜 전력 증폭부(6)로 전송한다.
이를 위해, 반전 증폭부(10)의 제 2 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자에 정궤환 루프(8)가 연결되고, 제 2 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자와 이미터 단자 사이에 제 2 저항(R2)이 연결되며, 제 2 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자와 접지(GND) 사이에 다이오드(D)가 연결된다.
또한, 제 2 트랜지스터(Q2)의 이미터 단자와 직류 전원(VCC) 사이에는 제 1 저항(R1)이 연결된다.
이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 안테나가 압전 변압기의 공진 주파수를 검출하여 압전 변압기에 인가되는 인가 주파수를 제어하기 때문에 환경변화에 의한 부품의 특성 변화 나 압전 변압기의 자체 특성 변화에 의해 인가 주파수와 공진 주파수가 불일치되는 것을 방지하게 되므로 장기적인 구동 시 인가 주파수와 공진 주파수의 불일치로 인해 압전 변압기가 파손되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치의 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 안테나가 설치된 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 압전 변압기의 하부에 설치되는 안테나의 위치를 나타내는 도면이다.
도 5a는 도 4에서 안테나가 λ/2 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 5b는 도 4에서 안테나가 5λ/8 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 5c는 도 4에서 안테나가 3λ/4 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 5d는 도 4에서 안테나가 7λ/8 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 5e는 도 4에서 안테나가 λ 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2, 102 : 압전 변압기 4 : 안테나
6 : 전력 증폭부 8 : 정궤환 루프
10 : 반전 증폭부 14 : 인쇄회로기판
104 : 주파수 발생부

Claims (2)

  1. 직류 전압을 공급받아 전력을 증폭하는 전력 증폭부;
    상기 전력 증폭부로부터 공급되는 인가 주파수에 따라 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 전력을 전압으로 승압시키는 압전 변압기;
    상기 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 상기 압전 변압기의 입력단과 출력단 사이에 설치되어 상기 압전 변압기의 출력 전압에 따른 전류를 감지하는 안테나;
    상기 안테나를 통해 입력되는 상기 압전 변압기의 출력 전류에 따른 전압을 정궤환으로 피드백하는 정궤환 루프; 및
    상기 정궤환 루프의 출력 전압을 반전 증폭시켜 상기 전력 증폭부로 전송하는 반전 증폭부를 포함하고 상기 안테나는 상기 압전 변압기의 입력단에서 상기 압전 변압기의 출력단 방향으로 3λ(λ는 압전 변압기의 파장)/4 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치.
  2. 삭제
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