KR101515540B1 - 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에 관한 것으로, 특히, 압전 변압기의 출력 신호를 이용하여 양과 음의 전압의 출력이 가능하도록 한 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 기준 전압을 공급받아 공진시켜 구동 주파수를 갖는 구동 전압을 생성하고 증폭하여 출력하는 전력 증폭부; 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 구동 주파수에 따라 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 구동 전압을 승압시키는 압전 변압기; 상기 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 상기 압전 변압기의 입력 단자와 출력 단자 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; 상기 정궤환 루프의 출력 전압을 반전 증폭시켜 상기 전력 증폭부로 전송하는 반전 증폭부; 상기 압전 변압기의 출력 단자를 통하여 출력되는 승압 전압을 입력받아 제1 전압을 생성하여 출력하는 제1 출력 전압 생성부; 및 상기 압전 변압기의 출력 단자를 통하여 출력되는 승압 전압을 입력받아 상기 제1 전압과 극성이 반대인 제2 전압을 생성하여 출력하는 제2 출력 전압 생성부; 를 포함하는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치가 제공된다.

Description

압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치{High Voltage Generator using Piezoelectric Transformer}
본 발명은 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치에 관한 것으로, 특히, 압전 변압기의 출력 신호를 이용하여 양과 음의 전압의 출력이 가능하도록 한 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 내열성이 강하고 열 발생이 낮으며 전자 장애를 일으키지 않는 비금속 변압기인 압전 변압기를 이용한 고전압 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.
종래 기술에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 외부에서 기준 전압(VCC)을 인가하면 주파수 발생부에서 압전 변압기에 필요한 주파수를 발생하여 압전 변압기에 인가하는 방식으로 구성된다.
이러한 주파수 발생부는 일예로, 직류 전압을 공급받아 전력을 증폭하는 전력 증폭부와, 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 인가 주파수에 따라 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 전력을 전압으로 승압시키는 압전 변압기와, 상기 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 상기 압전 변압기의 입력단과 출력단 사이에 설치되어 상기 압전 변압기의 출력 전압에 따른 전류를 감지하는 안테나와, 상기 안테나를 통해 입력되는 상기 압전 변압기의 출력 전류에 따른 전압을 정궤환으로 피드백하는 정궤환 루프와, 상기 정궤환 루프의 출력 전압을 반전 증폭시켜 상기 전력 증폭부로 전송하는 반전 증폭부를 포함한다.
이와 같은 종래 기술에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 양과 음의 고전압을 얻기 위하여 2개의 압전 변압기를 사용하고 있다.
이처럼 2개의 압전 변압기를 사용하게 되면, 장치의 소형화와 단가 절감에 어려움이 초래된다.
또한, 2개의 압전 변압기가 사용됨으로써 각각의 압전 변압기의 편차에 의한 양 전압과 음전압에도 편차가 발생한다.
국내공개특허번호 2009-0116847호 국내공개특허번호 2009-0122758호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압전 변압기의 출력 신호를 이용하여 양과 음의 전압의 출력이 가능하도록 한 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기준 전압을 공급받아 공진시켜 구동 주파수를 갖는 구동 전압을 생성하고 증폭하여 출력하는 전력 증폭부; 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 구동 주파수에 따라 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 구동 전압을 승압시키는 압전 변압기; 상기 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 상기 압전 변압기의 입력 단자와 출력 단자 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; 상기 정궤환 루프의 출력 전압을 반전 증폭시켜 상기 전력 증폭부로 전송하는 반전 증폭부; 상기 압전 변압기의 출력 단자를 통하여 출력되는 승압 전압을 입력받아 제1 전압을 생성하여 출력하는 제1 출력 전압 생성부; 및 상기 압전 변압기의 출력 단자를 통하여 출력되는 승압 전압을 입력받아 상기 제1 전압과 극성이 반대인 제2 전압을 생성하여 출력하는 제2 출력 전압 생성부; 를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 제1 출력 전압 생성부는 상기 압전 변압기의 공통 출력 단자에 일측이 연결되어 있으며, 상기 압전 변압기에서 출력되는 승압 전압을 양의 전압으로 승압하여 출력하는 제1 출력 커패시터; 상기 제1 출력 커패시터에 애노드가 접속되어 있고 제1 출력 단자에 캐소드가 접속되어 있으며 상기 제1 출력 커패시터의 양의 출력 전압을 출력하는 제1 출력 다이오드; 및 상기 제1 출력 커패시터에 캐소드가 접속되어 있고 접지에 애노드가 접속되어 있으며 상기 제1 출력 커패시터에서 출력되는 음의 전압을 접지로 유도하는 제2 출력 다이오드를 포함하며, 상기 제2 출력 전압 생성부는 상기 압전 변압기의 공통 출력 단자에 일측이 연결되어 있으며, 상기 압전 변압기에서 출력되는 승압 전압을 음의 전압으로 승압하여 출력하는 제2 출력 커패시터; 상기 제2 출력 커패시터에 캐소드가 접속되어 있고 제2 출력 단자에 애노드가 접속되어 있으며 상기 제2 출력 커패시터의 음의 전압을 출력하는 제3 출력 다이오드; 및 상기 제2 출력 커패시터에 애노드가 접속되어 있고 접지에 캐소드가 접속되어 있으며 상기 제2 출력 커패시터에서 출력되는 양의 전압을 접지로 유도하는 제4 출력 다이오드를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 전력 증폭부는 기준 전압이 입력되는 기준 단자와 압전 변압기의 입력 단자 사이에 연결되는 인덕터와 인덕터와 압전 변압기의 입력 단자의 공통 단자와 접지(GND) 사이에 연결된 제 1 커패시터를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 제1 커패시터의 커패시턴스는 상기 인덕터의 인덕턴스가 1mH일때 2200pF 이상에서 3300pF 이하의 범위를 갖는다.
또한, 본 발명의 상기 제1 커패시터의 커패시턴스는 2200pF이다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 하나의 압전 변압기를 사용하게 되면, 장치의 소형화와 단가 절감이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 하나의 압전 변압기가 사용됨으로써 양 전압과 음전압에도 편차 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 공진 주파수를 발생시키는 커패시터의 커패시턴스를 적절하게 선택함에 따라 열 내구성은 뛰어나고 출력 전압이 높으며 입력 전압값이 높아 안정적인 출력 파형을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치의 구성도이다.
도 2는 압전 변압기의 공통 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 압전 변압기의 입력 파형을 나타내는 도면이다.
도 4는 압전 변압기의 입력 파형과 출력 파형의 왜곡을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1의 제1 출력 커패시터의 출력 전압의 파형도이다.
도 6은 도 1의 제1 출력 전압 생성부의 출력 전압의 파형도이다.
도 7은 도 1의 제2 출력 커패시터의 출력 전압의 파형도이다.
도 8은 도 1의 제2 출력 전압 생성부의 출력 전압의 파형도이다.
도 9는 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 안테나가 설치된 모습을 나타내는 도면이다.
도 10은 압전 변압기의 하부에 설치되는 안테나의 위치를 나타내는 도면이다.
도 11a는 도 11에서 안테나가 λ/2 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 11b는 도 11에서 안테나가 5λ/8 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 11c는 도 11에서 안테나가 3λ/4 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 11d는 도 11에서 안테나가 7λ/8 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
도 11e는 도 11에서 안테나가 λ 위치에 설치된 경우 안테나에 의해 감지된 전압을 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치는 전력 증폭부(6), 압전 변압기(2), 안테나(4), 정궤환 루프(8), 반전 증폭부(10), 제1 전압 생성부(12) 및 제2 전압 생성부(14)를 포함한다.
상기 전력 증폭부(6)는 인덕터(L), 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 1 커패시터(C1)로 구성되어 전원으로부터 기준 전압(VCC)을 공급받아 증폭하고 공진시켜 압전 변압기(2)의 공진 주파수와 동일한 구동 주파수를 갖는 구동 전압을 생성하여 압전 변압기(2)에 제공한다. 일예로, 상기 기준 전압은 12V의 직류 전압일 수 있다.
이때, 인덕터(L)는 기준 전압이 입력되는 기준 단자(1)과 압전 변압기(2)의 입력 단자 사이에 연결되고, 인덕터(L)와 압전 변압기(2)의 입력 단자의 공통 단자와 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 가진 구동 전압을 인가한다.
이때, 인덕터(L)와 제 1 커패시터(C1)의 병렬 공진을 통해 압전 변압기(2)에 공급되는 구동 전압의 구동 주파수는 제 1 트랜지스터(Q1)의 구동에 의해 압전 변압기(2)의 공진 주파수와 동일한 구동 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 구동 주파수가 생성되고, 생성된 구동 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 구동 주파수와 압전 변압기(2)의 공진 주파수가 일치하지 않는 것을 방지할 수 있게 된다.
압전 변압기(2)는 전력 증폭부(6)로부터 공급되는 구동 전압을 승압하여 공통 출력 전압을 생성하여 출력시킨다.
이와 같은 압전 변압기(2)에서 출력되는 공통 출력 전압의 파형이 도 2에 도시되어 있는데, 0V를 기준으로 최대 전압이 대략 2000V이다. 즉, 양의 최대 전압은 2000V이고 음의 최대 전압은 -2000V 정도이다.
본 발명에 이용되는 압전 변압기(2)의 명세(specification)는 정격 용량이 460pF±15%이며, 공진 주파수는 112kHz±3%이다(일본 타무라(TAMURA)사가 제작한 AS-A243T를 이용한다).
이에 따라 본 발명에서는 압전 변압기(2)의 공진 주파수에 근사한 105~115kHz의 구동 주파수를 가진 신호를 구동 전압으로 인가한다. 이때, 구동 주파수가 112kHz에서 멀어질수록, 즉 차이가 많이 날수록 압전 변압기(2)가 효율적으로 동작하도록 하기 위해서는 더 많은 전류를 입력으로 제공해야 한다. 따라서, 이러한 상황을 고려할 때에 112kHz를 기준으로 ±3% 범위인 최대 4kHz 크거나 최대 4kHz 작은 것이 바람직하다.
그리고, 전력 증폭부(6)가 제공하는 구동 전압의 실효 전압은 40 내지 60V의 범위를 가진다.
이때, 전력 증폭부(6)가 제공하는 구동 전압이 높을수록 압전 변압기(2)의 열내구성은 좋아지게 된다.
한편, 전력 증폭부(6)가 제공하는 구동 전류의 실효 전류는 15 내지 35mA의 범위를 가진다.
이와 같은 전력 증폭부(6)의 전류는 구동 전압에 반비례한다.
이와 같은 상황에서 전력 증폭부(6)의 인덕터(L)의 인턱턴스를 1mH로 고정하고, 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스를 1000에서 3300pF까지, 200pF의 간격으로 증가시키거나, 300pF의 간격으로 증가시키면서(물론 이때 커패시턴스가 3000pF에 인접한 구간에서는 500pF의 간격으로 증가시키거나, 600pF의 간격으로 증가시키면서) 측정한 구동 주파수, 구동 전류, 구동 전압, 그리고 이때 압전 변압기(2)에서 출력되는 출력 전압의 최대값과 최소값을 측정한 측정값이 표 1에 나타나 있다.
상기 압전 변압기(2)의 입력 파형이 도 3에 도시되어 있는바, 압전 변압기(2)의 온도가 상승하게 되면 도 4에 도시된 바와 같이, 입력 파형과 출력 파형이 왜곡 현상이 나타난다. 이때, 표 1에서 왜곡 온도는 출력 파형이 심하게 왜곡되는 경우를 말하며 예상되는 최대값이나 최소값에서 첨두치가 ±5% 이상으로 벗어나는 경우를 말한다.
그리고, 원복 온도는 온도가 왜곡 온도를 넘어간 후에 다시 온도가 서서히 감소하여 출력 파형의 첨두치가 다시 예상되는 최대값의 범위의 ±5%안에 들어오는 경우를 말한다.
제1 커패시터의 커패시턴스(pF) 구동 주파수(KHz) 구동 전류(mA) 구동 전압(V) 제1 출력전압(kV) 제2 출력전압(kV) 왜곡 온도(℃) 원복 온도(℃)
3300 108.6 31 41.6 5.24 -5.41 124 101
2700 108.4 26 44.2 5.04 -5.2 142 93
2200 108.6 24 45.6 4.88 -4.97 98 73
2000 109.1 23 47.4 4.78 -4.96 93 73
1800 109.1 21 49.9 4.54 -4.66 110 78
1500 109.1 20 49.9 4.45 -4.55 94 72
1200 108.9 18 50.3 4.08 -4.17 99 77
1000 108.7 18 51.8 4 -4.08 98 78
표 1 을 보면, 좋은 열적 내구성을 갖기 위해서는 왜곡 온도가 95도 이상이 되어야 하며, 이러한 조건에서 이후에 설명할 제1 출력 전압과 제2 출력 전압이 높다면 바람직한데 이를 만족하는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스는 2200pF에서 3300pF의 범위가 좋다.
또한, 이러한 환경에서 구동 전압이 45V이상이 되어 출력 전력을 높일 수 있다면 더 좋은데 이를 만족하는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스는 2200pF이다.
물론, 출력전압이 4.5kV 이상되어도 수용가능하고, 구동 전류를 25mA 이상 공급하여 충분한 전력 공급이 가능한 환경에서는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스가 2200pF보다는 2700pF이어도 무방하다. 이때, 왜곡 온도는 제1 커패시터의 커패시턴스의 증가에 따라 완만하게 증가하던 것이 갑자기 142℃까지 증가하여 예상되는 이상의 왜곡 온도 특성을 얻을 수 있다. 그리고, 원복 온도 또한 93℃로서 충분히 높은 온도를 유지하여 온도가 높은 환경에서 유용하게 사용할 수 있다.
한편, 제1 출력 전압과 제2 출력 전압의 절대값의 차이는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스의 값이 3300pF일 때, 0.17kV이고, 2700pF일때 0.11kV이며, 2200pF일때 0.09kV이며, 2000pF일때 0.18kV이며, 1800pF일때 0.12kV이며, 1500pF일때 0.10kV이며, 1200pF일때 0.9kV이며, 1000pF일때 0.8kV이다.
이러한 출력 전압의 제1 출력 전압과 제2 출력 전압의 차이가 가장 작은 제1 커패시터의 커패시턴스값은 1000pF이나 이는 4.5kV의 출력 전압을 요구하는 상황에서 사용하기에 적합하지 않다. 따라서, 제1 출력 전압과 제2 출력 전압의 차이가 그 다음으로 작은 제1 커패시터의 커패시턴스값이 2200pF이 사용하기에 적합하다.
한편, 압전 변압기(2)의 공통 출력 단자와 접지(GND) 사이에는 제1 전압 생성부(12)가 연결되어 있고, 또한 압전 변압기(2)의 공통 출력 단자와 정궤환 루프(8)의 접지 단자 사이에 제2 전압 생성부(14)가 연결되어 있다.
상기 제1 전압 생성부(12)는 상기 압전 변압기(2)에서 출력되는 공통 출력 전압을 입력받아 제1 출력 전압을 출력한다. 이때, 제1 전압 생성부(12)에서 출력되는 제1 출력 전압은 양의 직류 전압일 수 있다.
그리고, 상기 제2 전압 출력부(14)는 상기 압전 변압기(2)에서 출력되는 공통 출력 전압을 입력받아 제2의 출력 전압을 출력한다. 이때, 제2 전압 생성부(12)에서 출력되는 제2 출력 전압은 음의 직류 전압일 수 있다.
한편, 상기 제1 전압 생성부(12)는 상기 압전 변압기(2)의 공통 출력 단자에 일측이 연결된 제1 출력 커패시터(HC1)와, 제1 출력 커패시터(HC1)의 다른측(애노드가 연결됨)과 제1 출력 단자(캐소드가 연결됨) 사이에 연결된 제1 출력 다이오드(D2)와, 제1 출력 커패시터(HC1)의 다른측(캐소드가 연결됨)과 접지(애노드가 연결됨) 사이에 연결된 제2 출력 다이오드(D3)를 포함하고 있다.
상기 제1 출력 커패시터(HC1)는 압전 변압기(2)의 출력과 제1 출력 커패시터(HC1) 이후의 파형과의 충돌을 방지하기 위한 커플링 커패시터(Coupling capacitor)의 역할을 함과 동시에 압전 변압기(2)의 출력을 충전하게 된다. 도 5의 파형은 제1 출력 커패시터(HC1)에 의해 직류 성분이 없어진 상태를 보여준다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 출력 커패시터(HC1)를 통하여 출력되는 출력 전압의 최대 전압이 4000V에 근접하고 최소 전압이 0V에 근접하고 있음을 알 수 있다.
이때, 최대 전압이 4,000V인 파형은 제1 출력 커패시터(HC1)의 커패시턴스 성분(약 4 pF)에 의하여 평활화되고 제1 출력 다이오드(D1)에 의해 양의 전압만을 통과된 제1 출력 전압이 생성되게 된다.
이때, 제1 출력 다이오드(D2)에서 출력되는 제1 출력 전압의 파형이 도 6에 도시되어 있는데, 일정한 크기를 갖는 양의 직류 전압이며, 대략 4000V일 수 있다.
그리고, 상기 제2 출력 다이오드(D3)는 상기 제1 출력 커패시터(HC1)를 통하여 출력되는 승압 출력 전압에서 혹시 발견되는 음의 전압을 접지로 유도하여 제거한다.
다음으로, 상기 제2 전압 생성부(14)는 상기 압전 변압기(2)의 공통 출력 단자에 일측이 연결된 제2 출력 커패시터(HC2)와, 제2 출력 커패시터(HC2)의 다른측(캐소드가 연결됨)과 제2 출력 단자(애노드가 연결됨) 사이에 연결된 제3 출력 다이오드(D4)와, 제1 출력 커패시터(HC1)의 다른측(애노드가 연결됨)과 접지(캐소드) 사이에 연결된 제4 출력 다이오드(D5)를 포함하고 있다.
상기 제2 출력 커패시터(HC2)는 상기 압전 변압기(2)의 공통 출력 단자를 통하여 출력되는 공통 출력 전압을 입력받아 감압하여 출력한다. 이때, 상기 제2 출력 커패시터(HC2)를 통하여 출력되는 감압 출력 전압의 일예가 도 7에 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 출력 커패시터(HC2)를 통하여 출력되는 출력 전압의 최소 전압이 -4000V에 근접하고 최대 전압이 0V에 근접하고 있음을 알 수 있다.
이때, 최대 전압이 4,000V인 파형은 제2 출력 커패시터(HC2)의 커패시턴스 성분(약 4 pF)에 의하여 평활화되고 제3 출력 다이오드(D4)에 의해 음의 전압만을 통과된 제2 출력 전압이 생성되게 된다. 이와 같은 제3 출력 다이오드(D4)의 동작은 위에서 설명한 제1 출력 다이오드(D2)와 유사하며 그 상세한 설명은 생략한다.
이때, 제3 출력 다이오드(D4)에서 출력되는 제2 출력 전압의 파형이 도 8에 도시되어 있는데, 일정한 크기를 갖는 음의 직류 전압이며, 대략 -4000V일 수 있다.
그리고, 상기 제4 출력 다이오드(D5)는 상기 제2 출력 커패시터(HC2)를 통하여 출력되는 감압 출력 전압에서 혹시 발견되는 양의 전압을 접지로 유도하여 제거하기 위한 것이다.
한편, 안테나(4)는 도 9에 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 전압을 감지한다.
다시 말해, 압전 변압기(2)에 구동 전압이 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 출력 전압에 비례하는 전류로 출력되게 되는데, 전류가 미약하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 반전 증폭부(10)를 통해 증폭시킨다.
이러한, 안테나(4)는 도 10에 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 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 싸인웨이브(sinewave) 파형의 크기가 작아 피드백 신호로 사용할 수 없고, 안테나(4)가 7λ/8나 λ 위치에 설치될 경우에는 도 11d 및 도 11e에 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 11c에 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 포함된 압전 변압기(2)의 공진 주파수를 검출할 수 있게 한다.
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), 제1 다이오드(D1) 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 제1 다이오드(D1)가 연결된다.
또한, 제 2 트랜지스터(Q2)의 이미터 단자와 직류 전원(VCC) 사이에는 제 1 저항(R1)이 연결된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 하나의 압전 변압기를 사용하게 되면, 장치의 소형화와 단가 절감이 가능하도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 하나의 압전 변압기가 사용됨으로써 양 전압과 음전압에도 편차 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스를 적절하게 선택함에 따라 열 내구성은 뛰어나고 출력 전압이 높으며 입력 전압값이 높아 안정적인 출력 파형을 얻을 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따르면, 압전 변압기의 출력 신호의 파형 왜곡을 방지하여 안정적인 출력 신호를 생성할 수 있도록 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
2 : 압전 변압기 4 : 안테나
6 : 전력 증폭부 8 : 정궤환 루프
10 : 반전 증폭부 12 : 제1 출력 전압 생성부
14 : 제2 출력 전압 생성부

Claims (5)

  1. 기준 전압을 공급받아 공진시켜 구동 주파수를 갖는 구동 전압을 생성하고 증폭하여 출력하는 전력 증폭부;
    상기 전력 증폭부로부터 공급되는 구동 주파수에 따라 상기 전력 증폭부로부터 공급되는 구동 전압을 승압시키는 압전 변압기;
    상기 압전 변압기가 배치된 인쇄회로기판의 하부에 상기 압전 변압기의 입력 단자와 출력 단자 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;
    상기 정궤환 루프의 출력 전압을 반전 증폭시켜 상기 전력 증폭부로 전송하는 반전 증폭부;
    상기 압전 변압기의 출력 단자를 통하여 출력되는 승압 전압을 입력받아 제1 전압을 생성하여 출력하는 제1 출력 전압 생성부; 및
    상기 압전 변압기의 출력 단자를 통하여 출력되는 승압 전압을 입력받아 상기 제1 전압과 극성이 반대인 제2 전압을 생성하여 출력하는 제2 출력 전압 생성부; 를 포함하며,
    상기 전력 증폭부는 기준 전압이 입력되는 기준 단자와 압전 변압기의 입력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 인덕터와 압전 변압기의 입력 단자의 공통 단자와 접지(GND) 사이에 연결된 제 1 커패시터를 포함하고,
    상기 제1 커패시터의 커패시턴스는 상기 인덕터의 인덕턴스가 1mH일때 2200pF 이상에서 3300pF 이하의 범위를 갖는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제1 출력 전압 생성부는
    상기 압전 변압기의 공통 출력 단자에 일측이 연결되어 있으며, 상기 압전 변압기에서 출력되는 승압 전압을 양의 전압으로 승압하여 출력하는 제1 출력 커패시터;
    상기 제1 출력 커패시터에 애노드가 접속되어 있고 제1 출력 단자에 캐소드가 접속되어 있으며 상기 제1 출력 커패시터의 양의 전압을 출력하는 제1 출력 다이오드; 및
    상기 제1 출력 커패시터에 캐소드가 접속되어 있고 접지에 애노드가 접속되어 있으며 상기 제1 출력 커패시터에서 출력되는 음의 전압을 접지로 유도하는 제2 출력 다이오드를 포함하며,
    상기 제2 출력 전압 생성부는
    상기 압전 변압기의 공통 출력 단자에 일측이 연결되어 있으며, 상기 압전 변압기에서 출력되는 승압 전압을 음의 전압으로 승압하여 출력하는 제2 출력 커패시터;
    상기 제2 출력 커패시터에 캐소드가 접속되어 있고 제2 출력 단자에 애노드가 접속되어 있으며 상기 제2 출력 커패시터의 음의 전압을 출력하는 제3 출력 다이오드; 및
    상기 제2 출력 커패시터에 애노드가 접속되어 있고 접지에 캐소드가 접속되어 있으며 상기 제2 출력 커패시터에서 출력되는 양의 전압을 접지로 유도하는 제4 출력 다이오드를 포함하는 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 커패시턴스는 2200pF인 압전 변압기를 이용한 고전압 발생 장치.
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