KR100315741B1 - 오존발생기용 전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정수기나 저수조내 보관중인 물의 살균에 사용되는 연면코로나 방전판에 의한 오존발생기용 전원장치에 관한 것으로서,

방전판 자체의 정전용량과 고압트랜스 2차측 권선 자체의 인덕턴스를 이용하여 공진을 일으키므로 고효율의 전력변환을 얻을 수 있어서 고압트랜스의 권선비를 줄일 수 있고, 방전판에 시스템에서 이미 설정된 방전전류가 흐르도록 주파수를 발진하여 인버터의 스위칭주파수를 제어함으로써 희망하는 방전전류치를 정밀하게 설정할 수 있는 동시에 항상 일정한 방전전류가 유지되게 할 수 있으며, 또한 정상방전전류에 이르는 시간을 단축하기 위하여 초기에는 스위칭주파수를 제어하여 방전전압을 높게 인가하고 일정 시간 경과 후에는 정상 방전전류로 환원시키는 기능을 가지고 있기 때문에 기동시간을 단축시킬 수 있고, 상용 교류전원 전압이 광범위하게 변화하더라도 인버터에 공급되는 직류 전압을 안정화시켜 방전전류가 항상 일정하게 유지되는 효과를 제공하게 된다.

Description

오존발생기용 전원장치 { A power supply circuit for ozone generators }

본 발명은 정수기나 저수조내 보관중인 물의 살균에 사용되는 연면코로나방전판에 의한 오존발생기용 전원장치에 관한 것으로서, 특히 방전판 자체의 정전용량과 고압트랜스 2차측 권선 자체의 인덕턴스(Inductance)를 이용하여 고효율의 전력변환을 얻을 수 있어서 고압트랜스의 권선비를 줄일 수 있는 동시에 인버터의 스위칭주파수를 제어함으로써 희망하는 방전전류치를 정밀하게 설정할 수 있으며 항상 일정한 방전전류가 유지시킬 있는 오존발생기용 전원장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연면 방전은 두 전극간에 고전압을 가함으로써 전극 사이의 절연물 표면을 따라서 방전이 일어나는 현상을 나타내는 것이다. 이러한 연면 방전 중에서 연면코로나 방전은 기체 중에서 두 전극간의 전압을 상승시키게 되면 어느 값에서 불꽃 방전이 발생하는데, 전극간의 전계가 평등하지 않으면 불꽃 방전 이전에 전극 표면상의 전계가 큰 부분에 발광현상이 나타나고, 0.1∼10㎃ 정도의 전류가 흐르게 되는 것으로서 빛을 발생하고 있는 부분에서는 전리가 활발하게 이루어지며 전류 밀도도 크고 절연성을 잃게 되는 특성을 갖는다.

상기에서, 연면코로나 방전을 위해서는 세라믹(Ceramic)판이나 유리와 같은 유전체의 양면에 전극을 박막증착 또는 후막인쇄법을 이용하여 형성한 후에, 이렇게 형성된 전극에 고압 교류전압을 인가하여 연면코로나 방전을 시키는 방법이 사용된다.

상기 연면코로나 방전에 필요한 전압은 유전체의 재질과 두께에 따라 다르지만 일반적으로 10000V 이상의 고전압이 필요하게 된다. 이러한 교류 고전압을 발생시키기 위하여 기존에는 고압변압기가 사용되어 왔으나 2차측 권선의 절연을 유지하기 위해서는 상기 고압변압기가 부피가 크고 무겁기 때문에 소형기기내에 설치하여 상용화하기에 어려움이 발생하게 된다. 또한, 상기 고압변압기의 구동주파수가 고압트랜스의 1차측 권선에 인가되는 주파수와 같으므로 제약 요인이 되고 있다.

상기 구동주파수를 높여서 방전효율을 높이는 방법으로는 상용 교류전원을 정류하여 직류로 변환시키고, 이렇게 변환된 직류 전원이 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier, SCR)와 같은 전력용 반도체를 높은 주파수로 단속시키는 주파수변환기를 통과한 후에 고압트랜스의 1차측 권선에 인가되는 방법이 사용되고 있다.

그러나, 상기 SCR은 게이트 점화각의 크기에 따라 도통 상태가 시작되는 전압이 달라지며, 일단 전류가 통하여 다음에 양극 전압이 '0'으로 되기까지 도통 상태가 계속되므로 게이트 점화각을 바꿈으로써 평균값으로서의 출력 전압을 조정할 수 있다. 따라서, 상기 SCR은 직류에서는 한번 도통된 후에 회로를 끊기 위해서는 인가전압의 극성을 반전시켜야 하므로 제어회로가 복잡해지는 단점이 있다.

그럼에도 불구하고 고압트랜스의 1차측 권선에는 수백 볼트의 전압이 인가되고 2차측 권선으로는 수만 볼트의 전압이 나와야 하므로 큰 권선비가 요구되어 전원장치는 여전히 부피가 크고 무겁게 된다.

한편, 고압트랜스의 권선비를 줄이기 위하여 스위칭인버터(Switching Inverter)가 구동하는 고압트랜스의 일차측 권선과 직렬로 인덕터(Inductor) 및 콘덴서(Condenser)를 연결하여 직렬공진을 유도하거나 고압트랜스의 2차측 권선에 병렬로 콘덴서를 연결하여 병렬공진을 유도하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법에서는 직렬 또는 병렬로 연결된 인덕터(Inductor) 및 콘덴서(Condenser)가 전력을 소모하여 변환효율이 낮은 단점이 있다.

비교적 안정된 연면코로나 방전을 지속적으로 발생시키기 위해서는 방전전류를 안정적으로 일정하게 유지시켜 주는 것이 필요하다. 종래에는 방전전류가 설정된 값을 초과하면 스위칭인버터(Switching Inverter)의 발진이 중단되고, 방전전류가 점차 감소되면 다시 발진이 계속되는 단속제어 방법이 사용되고 있다. 상기한 방법은 평균적으로는 적정 방전전류로 보이지만 순간적으로는 과방전 전류가 흐르므로 연면코로나 방전을 발생시키는 방전판의 수명을 단축시킬 수 있다.

또한, 스위칭인버터(Switching Inverter)에 공급되는 직류전압을 조정하여 방전전류를 제어하는 방법이 사용되는데, 이러한 방법은 전원장치의 공급전압과 출력전압 사이에 직류전압 조정에 필요한 전압차 이상의 차이가 있어야 하므로 전압제어회로에서 필연적으로 과도한 열을 발생시키는 단점이 있다. 그리고, 넓은 범위에 걸쳐서 방전전류를 제어하기 위해서는 광범위한 직류전압의 조정이 필요하나 일반적인 정전압회로로는 구현이 어려우며, 일단 회로가 구현되더라도 상당히 복잡해진다는 단점이 있다.

결국, 상기에서 상술한 바와 같이 종래 기술에 의한 오존발생기용 전원장치는 변환효율이 낮으며, 그로 인해 고압트랜스의 권선비를 획기적으로 낮추기 어려운 문제점이 있다. 또한, 종래 기술에 의한 오존발생기용 전원장치는 방전전류를 정밀하게 조정하며 안정적으로 유지시키기가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 연면코로나 방전을 발생시키는 방전판 자체의 정전용량과 고압트랜스 2차측 권선 자체의 인덕턴스를 이용하여 공진을 일으키므로 고효율의 전력변환을 얻을 수 있어서 저손실 고효율이 기대될 수 있는 동시에 방전전류를 정밀하게 조정하여 방전전류를 안정적으로 유지시킬 수 있는 오존발생기용 전원장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 오존발생기용 전원장치의 구성이 도시된 회로도,

도 2는 도 1의 일부 구성요소인 인버터(Inverter) 제어부가 도시된 회로도,

도 3은 도 1의 일부 구성요소인 방전판의 구성이 도시된 도면,

도 4는 도 1의 일부 구성요소인 인버터 내의 스위칭 소자의 구동펄스가 도시된 파형도,

도 5는 도 1의 일부 구성요소인 전압변환부의 신호 파형도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 고압트랜스 20 : 방전판 21 : 유전체 블록

22, 24 : 제1 및 제2 전극 23, 25 : 제1 및 제2 단자 30 : 전압변환부

31 : 트라이액 32 : 트라이액 제어회로 40 : 인버터

41, 42 : 제1 및 제2 스위칭소자 45 : 광아이솔레이터

50 : 인버터 제어회로 51 : 전압제어발진기 52 : 브리지 드라이버

53 : 릴레이 54 : 시간지연회로 R1∼Rn : 저항

C1∼Cn : 커패시터 D1∼Dn : 다이오드 Rd1∼Rdn : 불꽃저항

Cd1∼Cdn : 추가용량 T1 : 포토트랜지스터 T : 스위칭주기

t : 시간

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따르면, 시스템에서 일정한 전압이 전달되면 1차측과 2차측의 권선비에 비례하는 고전압을 생성 출력시키는 트랜스와; 상기 트랜스의 고전압을 전달받아 그 자체의 용량으로 직렬공진 기능을 수행함으로써 오존 발생을 위한 연면코로나 방전 현상이 일어나는 방전판과; 외부에서 공급되는 교류 전원을 평활 및 정류하여 교류전원의 변동과 무관하게 일정한 직류 전압을 변환 출력시키는 전압변환부와; 상기 전압변환부에서 전달되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하기 위해 그 직류 전압을 상기 트랜스와 방전판 사이에서 결정되는 공진주파수에 따라 스위칭 주파수로 순차적으로 단속한 후에 그 스위칭 주파수를 상기 트랜스에 전달하는 인버터부와; 상기 방전판에 흐르는 방전전류를 안정적으로 유지시키는 동시에 초기 방전시 일정 시간동안 시스템에서 정해진 기준전압 보다 높은 방전전압을 인가시키도록 상기 인버터부의 스위칭 주파수에 대한 제어 기능을 수행하는 인버터제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 제2 특징에 따르면, 상기 인버터제어부는 인버터의 스위칭 소자에 흐르는 스위칭전류가 방전판의 방전전류에 비례함을 이용하여 스위칭전류를 검출하는 광아이솔레이터(opto-isolator)와, 상기 광아이솔레이터에 의해 검출된 스위칭전류를 평활하여 직류신호로 변환한 후 이를 일정 비율로 분할한 분할 직류신호를 시스템에 전달하는 전류변환부와, 상기 분할 직류신호를 전달받아 그에 따라 발진주파수를 가변시키는 전압제어부와, 상기 발진주파수를 전달받아 스위칭 소자를 구동시키기 위해 일정한 구동신호를 교대로 생성 출력시키는 브리지 구동부와, 방전시간을 단축하기 위해 상기 전압제어부의 발진주파수를 가변시킬 수 있도록 전압제어부의 단락/개방을 결정하는 접점 형태의 릴레이(relay)와, 상기 릴레이의 접점을 일정시간 동안 단락시킨 후에 다시 접점을 개방시키는 시간지연부를 포함한다.

본 발명의 제3 특징에 따르면, 상기 방전판은 육면체 형태의 유전체 블록과, 상기 유전체 블록의 상면에서 방전시 불꽃이 발생되도록 일정 면적을 갖으면서 유전체 블록의 길이방향으로 형성된 제1 전극패턴과, 상기 제1 전극패턴의 불꽃과 유전체 블록의 하면 사이에 용량이 형성되도록 유전체 블록의 하면에 형성되어 제1전극패턴보다 더 넓은 면적을 갖는 제2 전극패턴과, 상기 제1 및 제2 전극패턴을 상호 연결시키기 위해 유전체 블록의 일측 끝단에 형성된 연결수단을 포함한다.

한편, 본 발명의 제4 특징에 따르면, 상기 인버터부의 스위칭 주파수는 다수의 스위칭소자를 이용하여 상기 트랜스의 2차측 권선의 인덕턴스와 방전판의 제1 및 제2 전극간 용량으로 결정되는 공진주파수에 의해 조절됨으로써 그 스위칭 주파수의 고조파가 상기 공진주파수에 의해 공진되어 방전판에 인가되는 전압의 승압 및 증폭 정도를 조정시키게 된다.

본 발명의 제5 특징에 따르면, 상기 전압변환부는 변환 출력되는 직류전압이 시스템에서 정해진 기준전압 수준을 유지할 수 있도록 점화각 제어가 가능한 전력용 반도체가 설치된다.

이하, 본 발명에 의한 오존발생기용 전원장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 오존발생기용 전원장치의 구성이 도시된 회로도이고, 도 2는 도 1의 일부 구성요소인 인버터(Inverter) 제어부가 도시된 회로도이며, 도 3은 도 1의 일부 구성요소인 방전판의 구성이 도시된 도면이다. 그리고, 도 4는 도 1의 일부 구성요소인 인버터(Inverter) 내의 스위칭(Switching) 소자의 구동펄스가 도시된 파형도이고, 도 5는 도 1의 일부 구성요소인 전압변환부의 신호 파형도이다.

다음 도 1을 참조하면 본 발명은, 시스템에서 일정한 전압이 전달되면 1차측과 2차측의 권선비에 비례하는 고전압을 생성 출력시키는 고압트랜스(10)와; 상기 고압트랜스(10)의 고전압을 전달받아 오존을 발생시키기 위해 연면코로나 방전 현상이 일어나도록 제1 및 제2 전극(22, 24)이 형성되어 그 자체의 용량으로 직렬공진 기능을 수행하는 방전판(20)과; 외부에서 공급되는 220V의 상용교류 전원을 평활 및 정류하여 교류전원의 변동과 무관하게 일정한 직류 전압을 변환 출력시키는 전압변환부(30)와; 상기 전압변환부(30)에서 전달되는 수백 볼트의 직류 전압을 바이폴라 트랜지스터(BJT), 모스펫(MODFET), IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor)와 같은 스위칭 소자(41, 42)를 이용하여 하프 또는 풀 브리지(half or full bridge) 회로를 구성함으로써 상기 고압트랜스(10)의 2차측 권선의 인덕턴스와 방전판(20)의 제1 및 제2 전극(22, 24)간 용량으로 결정되는 기본 공진주파수에 따라 스위칭 주파수로 순차적으로 단속하고, 그에 따라 증폭율이 조정되어 방전판(20)에 전달되는 고전압이 조절될 수 있도록 상기 스위칭 주파수를 고압트랜스(10)의 1차측 권선에 전달하는 인버터(40)와;

상기 방전판(20)에 흐르는 방전전류를 안정적으로 유지시키는 동시에 초기 방전시 일정 시간동안 시스템에서 정해진 설정전압보다 높은 방전전압을 인가시키기 위해 상기 인버터(40)의 스위칭 주파수를 제어하는 인버터 제어회로(50)로 구성된다.

여기서, 상기 전압변환부(30)는 트라이액 제어회로(32)에 의해 구동 제어되는 전력용 반도체인 트라이액(31)을 직렬 연결한 후에 상용 교류전원이 트라이액(31)을 거쳐 정류 및 평활을 위한 제1 내지 제4 다이오드(D1, F2, D3, D4)와 제1 커패시터(C1)를 통과함으로써 상용 교류전원을 직류전압으로 변환 출력시키게 된다. 이때, 상기 트라이액(31) 외에도 서로 역방향으로 평행하게 연결된 SCR을 사용하기도 한다.

이때, 상기 전압변환부(30)에서 출력되는 직류전압을 측정하여 시스템에서 이미 설정된 기준전압과 서로 비교하고, 그 비교 결과가 직류전압이 기준전압보다 높은 경우에는 트라이액(31)의 점화각을 빠르게 작동시켜 직류 전압을 기준전압 수준으로 낮추게 된다. 그런데, 직류 전압이 기준전압보다 낮은 경우에는 트라이액(31)의 점화각을 늦게 작동시켜 직류 전압을 기준전압 수준으로 높이게 된다. 이렇게 하여, 상용 교류전원이 큰 폭으로 변동하여도 전압변환부(30)를 통해 출력되는 직류전압이 항상 일정하게 된다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 인버터 제어회로(50)는 인버터(40)의 스위칭 소자(41, 42)에 흐르는 스위칭전류가 방전판(20)의 방전전류에 비례함을 이용하여 스위칭전류를 발광소자인 발광다이오드(D5)에 의해 광에너지로 변환시키는 동시에 그 광에너지가 수광소자인 포토트랜지스터(T1)에서 전기신호로 변환시킴으로써 검출하는 광아이솔레이터(45)와, 상기 광아이솔레이터(45)에 의해 검출된 스위칭전류가 펄스 형태이므로 이를 평활하여 직류신호로 생성 출력시키는 제4 커패시터(C4)와, 상기 제4 커패시터(C4)에 의해 출력된 직류신호를 일정 전위차로 분할하여 그 분할 직류신호를 시스템에 전달하는 가변저항기(R3)와,

상기 가변저항기(R3)에 의한 분할 직류신호를 전달받아 그에 따라 발진주파수를 가변시키는 전압제어발진기(51)와, 상기 전압제어발진기(51)의 발진주파수를전달받아 스위칭 소자(41, 42)를 구동시키기 위해 일정한 구동신호를 도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같이 G1 단자와 G2 단자에 교대로 반주기 교대로 송출하는 브리지 드라이버(Bridge Driver)(52)와, 방전시간을 단축하기 위해 상기 전압제어발진기(51)의 발진주파수를 가변시킬 수 있도록 전압제어발진기(51)의 단락/개방을 결정하는 접점 형태의 릴레이(relay)(53)와, 상기 릴레이의 접점을 일정시간 동안 단락시킨 후에 다시 접점을 개방시키는 시간지연회로(54)를 포함한다.

상기와 같은 구성은 오존발생기를 최초로 구동시 방전판(20)에 흡착된 습기등(미도시)으로 방전개시 전압이 높아지게 되어 정상적인 방전이 이루어질 때까지 걸리는 시간이 지연되게 된다. 이를 보상하기 위하여 처음 몇 초간은 방전전압을 높게 인가하고, 그 후에 안정적인 방전전류를 지속시키는 정상적인 방전전압을 인가할 필요가 있게 된다. 따라서, 상기 릴레이 및 시간지연회로(53, 54)를 이용하여 초기에는 스위칭 주파수가 공진점에서 발진되도록 전압제어발진기(51)의 입력단자를 단락시켰다가 방전이 활성화되면 전압제어발진기(51)의 입력단자의 단락을 해지하여 정상적인 방전전류 제어가 이루어지도록 한다.

특히, 상기 방전판(20)은 세라믹이나 유리와 같은 재질로 형성된 직육면체의 유전체 블록(21)의 상부면에는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 유전체 블록(21)의 길이방향으로 직사각형 형태의 제1 전극(22)이 형성되어 있고, 그 제1 전극(22)의 일측 끝단에는 제1 단자(23)가 연결되어 있으며, 상기 유전체 블록(21)의 하부면에는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 제1 전극(22)보다 면적이 더 넓은 제2 전극(24)이 평판 형태로 형성되는 동시에 제2 단자(25)가 형성되어 있다.

따라서, 상기 유전체 블록(21)의 상부면에서 불꽃이 발생하게 되면 방전이 시작되고, 그에 따라 유전체 블록(21)의 하부면에 형성되어 있는 넓은 면적의 제2 전극(24)과 불꽃 사이에 용량이 형성되어 부가된 공진 회로들을 추가로 구성하게 된다.

즉, 도 1에 도시된 방전판(20)의 등가회로에서와 같이 제1 불꽃저항(Rd1)과 제1 추가용량(Cd1)이 병렬로 결합되므로 기본 공진주파수의 분수배에 해당되는 공진주파수가 추가로 발생하게 된다. 이렇게, 기본 공진주파수의 분수배에 해당하는 공진주파수는 인버터(40)의 스위칭 주파수에 근접하게 되므로 더욱 강력한 공진을 유발시켜 추가로 제2 불꽃저항(Rd2)과 제2 추가용량(Cd2)이 병렬로 결합된 형태를 갖도록 하기 때문에 불꽃저항(Rdn)이 너무 커서 방전이 지속되지 않는 영역에서 평형이 이루어지게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명이 동작은, 먼저 전압변환부(30)의 입력 단자 V_i1, V_i2사이에는 상용 교류전원인 220 볼트(Volt)가 인가되게 되고 상기 전압변환부(30)의 출력단에는 시스템에서 이미 설정된 기준전압 수준의 일정한 직류 전압이 출력된다.

이러한 직류 전압은 인버터(40)의 입력단자에 인가되고, 상기 인버터(40)는 인버터제어회로(50)의 제어에 따라 우선적으로 제1 스위칭소자(41)가 단락된 후 개방되고, 그 다음에 제2 스위칭소자(42)가 단락된 후 개방된다.

이렇게, 상기 제1 및 제2 스위칭소자(41, 42)의 단속이 반복되게 되면 제1및 제2 스위칭소자(41, 42)와 제2 및 제3 커패시터(C2, C3) 사이에 연결되어 있는 고압트랜스(10)의 1차측 권선에 전력이 유기되게 되며, 1차측 및 2차측 권선비에 비례하는 고전압도 고압트랜스(10)의 2차측에 나타나게 된다.

이때, 상기 제1 및 제2 스위칭소자(41, 42)의 스위칭 주파수의 고조파가 고압트랜스(3)의 2차측 권선의 인덕턴스(Inductance)와 방전판(20)의 용량(Cd0)으로 구성되는 공진주파수에 공진되게 되고, 그로 인하여 고압트랜스(3)의 2차측 권선에 유기된 전압의 수배에 해당하는 고전압이 증폭되어 방전판(20)에 인가되게 되므로 초기 방전이 시작된다.

상기에서, 방전이 시작되면 고압트랜스(10)의 2차측 권선 자체의 인덕턴스와 방전판(20) 자체의 정전용량(Cdn)에 의한 직렬 공진주파수의 분수배에 해당하는 공진주파수와 스위칭 주파수를 다소 달라지게 함으로써 방전판(20)에 인가되는 고전압을 낮추어 연면코로나 방전전류를 조절할 수 있고, 이러한 방전전류의 조절로 인해 오존발생량도 조정되게 된다.

한편, 인버터(40)의 각 스위칭소자(41, 42)에 공급되는 스위칭전류는 광아이솔레이터(45)내의 발광다이오드(D5)에 흘러 전류에 비례하는 광에너지로 바뀌어지고 이는 다시 포토트랜지스터(T1)에서 전기신호로 바뀌어진다. 이 전기신호는 스위칭(Switching)에 따른 펄스 형태이므로 이를 직류신호로 바꾸기 위하여 제4 커패시터(C4)를 사용하여 평활하게 된다.

상기 제4 커패시터(C4)에 의한 직류신호는 가변저항기(R3)에서 필요한 전위차로 분할된 후 전압제어발진기(51)로 인가되어 브리지 드라이버(52)의 스위칭주파수를 결정하는 발진주파수를 제어하게 된다. 상기 브리지 드라이버(52)에서는 발진주파수에 의해 결정된 스위칭 주파수를 갖는 제1 및 제2 스위칭소자(41, 42) 구동을 위한 구형파를 G1 단자와 G2 단자에 교대로 반주기 어긋나게 송출함으로써 제1 및 제2 스위칭소자(41, 42)를 구동시키게 된다.

여기서, 상기 전압제어발진기(51)의 입력단자에 인가되는 직류전압이 점차 증가하게 되면 전압제어발진기(51)의 출력단자에서 출력되는 발진주파수도 증가하게 되고, 결과적으로 상기 방전판(20)의 방전전류가 감소되므로 오존발생기를 처음 기동할 때는 시간지연회로(54)에 의하여 일정 시간동안 릴레이(53)의 접점을 단락시키게 된다. 그후, 상기 전압제어발진기(51)의 입력단자를 단락시켜 발진주파수가 낮아져 상기 방전판(20)의 방전전류가 한시적으로 높아지도록 하여 정상 방전까지 걸리는 기동시간을 단축시키게 된다. 상기 시간지연회로(54)는 일정 시간이 경과한 후에는 릴레이(53)의 접점을 개방시키게 된다.

상기 인버터(40)의 스위칭 주파수는 고압트랜스(100)의 2차측 권선의 인덕턴스와 연면코로나 방전용 방전판(20)의 전극간 용량으로 결정되는 공진주파수의 수분의 1에 해당하는 주파수로 발진되는데, 이렇게 별도의 공진용 수동소자인 인덕터(Inductor)와 콘덴서(Condenser)를 추가하지 않고 방전판(20) 자체의 용량을 이용하여 공진시키므로 외부손실이 최소화되어 고효율 전력 변환을 수행할 수 있다.

또한, 상기 방전판(20)에서 코로나 방전이 시작되면 방전 넓이에 비례하여 전극의 면적이 넓어지는 효과가 있고 그로 인하여 공진주파수가 낮아지게 된다. 그러나, 방전불꽃은 고저항의 도전체와 같으므로 고압트랜스(10)의 2차측 권선의 인덕턴스와 연면코로나 방전용 방전판(20)의 전극간 용량으로 결정되는 기본 공진주파수와 방전면적이 넓어져서 형성되는 보다 낮은 공진주파수들이 복합적으로 공존하게 된다. 이들 기본 공진주파수와 보다 낮은 공진주파수들이 인버터(40)의 스위칭 주파수의 배수가 될 때 강력한 공진이 일어나게 되어 기본 공진주파수에 해당되는 펄스들이 증폭되어 나타나게 된다. 따라서 인버터(40)의 스위칭 주파수를 기본 공진주파수의 분수배에서 약간 벗어나게 하면 증폭율이 조정되어 연면코로나 방전용 방전판(20)에 인가되는 고전압을 효율적으로 제어할 수 있게 된다.

상기 인버터(40)의 스위칭 소자(41, 42)에 흐르는 전류는 방전판(20)에 흐르는 전류에 비례하므로 이를 광아이솔레이터(Optoisolator)(45)를 사용하여 검출한 후 평활하여 직류로 만들고 이를 전압제어발진기(51)에 인가하여 스위칭 주파수 제어에 이용한다.

이러한 제어작용을 살펴보면 상기 방전판(20)에 흐르는 전류가 증가하면 상기 제1 및 제2 스위칭 소자(41, 42)에 흐르는 전류도 비례하여 증가하게 된다. 이때 광아이솔레이터(45) 내의 포토트랜지스터(T1)로부터 검출되는 전압도 따라서 증가하게 된다. 이 전압을 가변저항기(R3)를 통해 일정 비율로 분할하여 전압제어발진기(51)에 인가하면 인버터(40)의 스위칭 주파수가 증가하게 된다.

상기 스위칭 주파수가 증가하면 방전전류가 감소하도록 방전판(20)의 동작영역을 설정하면 이는 방전전류의 감소로 이루어지게 되고 이는 다시 제어회로에서 스위칭(Switching) 주파수가 낮아지도록 하여 평형점이 이루어진다. 이렇게 하여항상 안정된 방전전류가 방전판(20)에 흐르게 된다.

한편, 도 5의 (a)는 상기 전압변환부(30)에 입력되는 상용 교류전원의 입력 파형을 나타내고, 도 5의 (b)는 상기 상용 교류전원이 전력용 반도체인 트라이액(31)을 거친 후의 파형을 나타내고 있다. 만약, 상용 교류전원의 입력전압이 도 5의 (a)보다 증가하게 되면 전압변환부(30)에서 출력되는 직류전압도 증가하게 되므로 도 5의 (c)와 같이 트라이액(31)의 점화각을 앞당겨서 결과적으로 평균 직류전압이 강하되도록 함으로써 전압변환부(30)의 출력 직류전압이 일정하게 유지되게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 오존발생기용 전원장치는 방전판의 유전체 블록 양면에 형성되어 있는 두 전극간에 교류 고전압을 인가하여 연면코로나 방전을 발생시킴으로써 오존이 발생되도록 두 전극간의 정전용량과 고압트랜스의 2차측 권선의 인덕턴스(Inductance) 간의 직렬공진 현상을 이용하므로 인해 높은 고전압을 생성 출력시킴으로써 저손실 고효율로 오존을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 방전판의 두 전극간 정전용량과 2차측 권선의 인덕턴스간의 직렬 공진주파수를 고압트랜스의 1차측 권선을 구동하는 인버터의 스위칭 주파수보다 수배 높게 설정하므로 방전면적이 넓어짐에 따라 전극간의 정전용량이 증가되고 낮은 주파수대에서도 공진주파수가 추가로 형성되어 스위칭 주파수나 그 고조파의주파수에 공진되어 오히려 연면코로나 방전면적을 증가시키기 때문에 저손실 고효율을 제공할 수 있는 효과도 있다.

부가적으로, 본 발명은 상기 스위칭 주파수를 공진주파수의 분수배 근처에서 변경시켜 연면코로나 방전전류를 조절하여 오존발생량을 조절하는 기능을 갖으며, 인버터에 공급되는 직류전류를 모니터(monitor)하여 순간평균치 전류를 전압으로 변환한 후 전압제어발진기의 발진주파수를 제어하여 결과적으로 인버터의 발진주파수가 조정되어 항상 일정한 연면코로나 방전이 일어나도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 입력 교류전원전압이 광범위하게 변경되어도 고압변압기의 1차측 권선을 구동하는 인버터에 공급되는 직류전압의 변동폭이 최소가 되도록 트라이액의 점화 위상각을 조절한 후 정류하여 직류전압의 안정화에 기여함은 물론이고 일정한 연면코로나 방전이 일어나도록 하는 효과도 있다.

Claims (5)

1. 시스템에서 일정한 전압이 전달되면 1차측과 2차측의 권선비에 비례하는 고전압을 생성 출력시키는 트랜스와; 상기 트랜스의 고전압을 전달받아 그 자체의 용량으로 직렬공진 기능을 수행함으로써 오존 발생을 위한 연면코로나 방전 현상이 일어나는 방전판과; 외부에서 공급되는 교류 전원을 평활 및 정류하여 교류전원의 변동과 무관하게 일정한 직류 전압을 변환 출력시키는 전압변환부와; 상기 전압변환부에서 전달되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하기 위해 그 직류 전압을 상기 트랜스와 방전판 사이에서 결정되는 공진주파수에 따라 스위칭 주파수로 순차적으로 단속한 후에 그 스위칭 주파수를 상기 트랜스에 전달하는 인버터부와; 상기 방전판에 흐르는 방전전류를 안정적으로 유지시키는 동시에 초기 방전시 일정 시간동안 시스템에서 정해진 기준전압 보다 높은 방전전압을 인가시키도록 상기 인버터부의 스위칭 주파수에 대한 제어 기능을 수행하는 인버터제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존발생기용 전원장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 인버터제어부는 인버터의 스위칭 소자에 흐르는 스위칭전류가 방전판의 방전전류에 비례함을 이용하여 스위칭전류를 검출하는 광아이솔레이터(opto-isolator)와, 상기 광아이솔레이터에 의해 검출된 스위칭전류를 평활하여 직류신호로 변환한 후 이를 일정 비율로 분할한 분할 직류신호를 시스템에 전달하는 전류변환부와, 상기 분할 직류신호를 전달받아 그에 따라 발진주파수를 가변시키는 전압제어부와, 상기 발진주파수를 전달받아 스위칭 소자를 구동시키기 위해 일정한 구동신호를 교대로 생성 출력시키는 브리지 구동부와, 방전시간을 단축하기 위해 상기 전압제어부의 발진주파수를 가변시킬 수 있도록 전압제어부의 단락/개방을 결정하는 접점 형태의 릴레이(relay)와, 상기 릴레이의 접점을 일정시간 동안 단락시킨 후에 다시 접점을 개방시키는 시간지연부를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존발생기용 전원장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 방전판은 육면체 형태의 유전체 블록과, 상기 유전체 블록의 상면에서 방전시 불꽃이 발생되도록 일정 면적을 갖으면서 유전체 블록의 길이방향으로 형성된 제1 전극패턴과, 상기 제1 전극패턴의 불꽃과 유전체 블록의 하면 사이에 용량이 형성되도록 유전체 블록의 하면에 형성되어 제1 전극패턴보다 더 넓은 면적을 갖는 제2 전극패턴과, 상기 제1 및 제2 전극패턴을 상호 연결시키기 위해 유전체 블록의 일측 끝단에 형성된 연결수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 오존발생기용 전원장치.
4. 제 1 항 또는 제3 항에 있어서,

   상기 인버터부의 스위칭 주파수는 다수의 스위칭소자를 이용하여 상기 트랜스의 2차측 권선의 인덕턴스와 방전판의 제1 및 제2 전극간 용량으로 결정되는 공진주파수에 의해 조절됨으로써 그 스위칭 주파수의 고조파가 상기 공진주파수에 의해 공진되어 방전판에 인가되는 전압의 승압 및 증폭 정도를 조정시키는 것을 특징으로 하는 오존발생기용 전원장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 전압변환부는 변환 출력되는 직류전압이 시스템에서 정해진 기준전압 수준을 유지할 수 있도록 점화각 제어가 가능한 전력용 반도체가 설치된 것을 특징으로 하는 오존발생기용 전원장치.