KR100320717B1 - 가변전원공급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 RCC방식의 전원 공급장치에 있어서 트랜스 권선수의 변화 없이 가변저항의 저항값에 따라 출력전압이 조절되도록 한 가변 전원 공급장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 스위칭용 파워 소자인 트랜지스터(Q)의 베이스 단자에 제너 다이오드(DZ)의 캐소드가 연결되어 베이스 전류를 바이패스하고, 트랜스(T)가 상기 제너 다이오드(DZ)의 애노드에 (-)극이 연결된 콘덴서(C2)의 전압에 비례되는 출력특성을 갖는 RCC 방식의 전원 공급장치에 있어서, 상기 베이스 단자와 상기 제너 다이오드(DZ)의 캐소드 사이에 가변저항(Rval)이 접속된다.
그러면, 사용자가 상기 가변저항(Rval)의 저항값에 조정하면 비례적으로 상기 콘덴서(C2)에 걸리는 전압(Vc)이 변화되고, 이 전압(Vc)의 변화에 따라 비례적으로 상기 트랜스(T)의 출력전압이 조절된다.

Description

가변 전원 공급장치{Variable voltage power supply}
본 발명은 가변 전원 공급장치에 관한 것으로, 특히 RCC방식의 전원 공급장치에 있어서 트랜스 권선수의 변화 없이 가변저항의 저항값에 따라 출력전압이 조절되도록 한 가변 전원 공급장치에 관한 것이다.
종래 RCC방식의 전원 공급장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 기동저항(Rg)이 스위칭 트랜지스터(Q)의 베이스 단자에 연결되어 입력전원 Vin이 인가되고, 기동저항(Rg) 한 단에 트랜스(T)의 1차 권선P(Np)이 연결되며, 트랜지스터(Q)의 베이스 단자에 제너 다이오드(DZ)의 캐소드가 연결되고, 제너 다이오드(DZ)의 애노드에 콘덴서(C2)의 -극이 연결되어 +극이 트랜지스터(Q)의 에미터 단자에 연결되며, 콘덴서(C2)의 +극이 트랜스(T)의 베이스 권선B(Nb)을 거쳐 다이오드(D1)의 애노드에 연결되고, 다이오드(D1)의 캐소드에 트랜지스터(Q)의 베이스 단자 저항(Rb)을 거쳐 제너 다이오드(DZ)의 캐소드가 연결되며, 제너 다이오드(DZ)의 애노드에 다이오드(D2)의 애노드가 연결되어 캐소드가 다이오드(D1)의 애노드에 연결되고, 다이오드(D1)에 콘덴서(C1)가 병렬 연결되며, 트랜스(T)의 2차 권선S(Ns)에 다이오드(D3)의 애노드가 연결되고, 양단으로 트랜스(T)의 출력전압 Vout을 출력하는 콘덴서(C3)의 +극이 다이오드(D3)의 캐소드에 연결되어져 있다.
이와 같이 구성된 종래 RCC방식 전원 공급장치의 동작을 첨부한 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 입력전원 Vin이 인가되면 기동저항(Rg)을 통하여 스위칭 트랜지스터(Q)에 베이스 전류(Ib)가 흘러 트랜지스터(Q)가 턴온된다.
이때, 기동저항(Rg)에 흐르는 전류를 기동전류(Ig)라 일컫는데 RCC방식에서는 트랜지스터(Q)의 콜렉터 전류가 도 2와 같이 반드시 0에서 시작하므로 기동전류(Ig)는 작은 값으로도 충분하다. 즉, 트랜스(T)의 2차 권선S(Ns)은 개방상태이므로 입력측으로부터 보면 트랜스(T)의 1차 권선P(Np)에만 전류가 흐르기 때문이다.
트랜지스터(Q)가 일단 온상태로 들어가면 트랜스(T)의 1차 권선P(Np)에는 입력전압 Vin이 인가된다. 그러므로, 베이스 권선B(Nb)에는 각각의 권수비에 따른 전압(Vr)이 식 1과 같이 발생된다.
---------------------- (식 1)
Np는 트랜스(T)의 1차 권선P(Np)의 권선수, Nb는 베이스 권선B(Nb)의 권선수이다.
이 전압(Vr)에 의하여 트랜지스터(Q)는 온상태를 계속 유지하고, 이때 트랜지스터(Q)의 베이스 단자-이미터간 전압을 Vbe, 다이오드(D1)의 순방향 전압을 Vf라 하면 베이스 전류(Ib)는 식 2와 같이 발생되어 정전류로 흐른다.
------------ (식 2)
그리고, 도 2와 같이 트랜지스터(Q)의 콜렉터 전류(Ic)는 1차 함수적으로 증가하기 때문에 어느 기간의 도통시간 경과 후에 직류 증폭률(hFE)과의 사이에 hFE≤(Ic/Ib)인 관계가 되고, 트랜지스터(Q)는 더 이상 온상태가 유지되지 않는다.
이는, 베이스 전류 부족 영역으로 콜렉터 단자 전압은 포화 영역에서 불포화 영역으로 이행한다.
그러면, 트랜스(T) 1차 권선P(Np)의 전압이 저하하므로 베이스 권선B(Nb)의유기전압(Vb)도 저하하고 베이스 전류(Ib)가 감소한다.
그러므로, 트랜지스터(Q)의 베이스 전류 부족 상태가 발생되고 트랜지스터(Q)는 급격하게 오프상태로 이행한다.
트랜지스터(Q)가 오프되면 트랜스(T)의 각 권선에는 역기전력이 발생하고 2차 권선S(Ns)으로부터 다이오드(D3)를 통하여 부하전류(Is)가 흐르기 시작한다. 이 부하전류(Is)는 어느 기간의 차단시간 경과 후에 에너지 방출을 완료하고 0이 된다.
그리고, 2차 권선S(Ns)에는 작지만 잔류 에너지가 있고 이것이 백 스윙하여 베이스 권선B(Nb)에 전압을 발생시켜 다시 트랜지스터(Q)가 도통되고, 이러한 과정을 반복하여 스위칭 동작을 계속한다.
그러나, 이러한 종래 RCC방식의 전원 공급장치는 출력전압을 조정하려면 제품을 새롭게 설계하여 제너 다이오드를 교체하거나 트랜스의 권선수를 변경하여야 하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, RCC방식의 전원 공급장치에 있어서 트랜스 권선수의 변화 없이 가변저항의 저항값에 따라 출력전압이 조절되도록 한 가변 전원 공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단은, 스위칭용 파워 소자의 베이스단자에 제너 다이오드가 연결되어 베이스 전류를 바이패스하고, 트랜스가 제너 다이오드에 연결된 콘덴서의 전압에 비례되는 출력특성을 갖는 RCC 방식의 전원 공급장치에 있어서, 베이스 단자와 제너 다이오드 사이에 가변저항이 접속되어 가변저항의 저항값에 따라 트랜스의 출력전압이 조절되는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 종래 RCC방식 전원 공급장치의 회로도.
도 2 는 도 1에 도시된 전원 공급장치 각부의 동작 파형도.
도 3 은 본 발명에 의한 가변 전원 공급장치의 회로도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
Rg : 기동저항 T : 트랜스
P(Np) : 트랜스 1차 권선 B(Nb) : 트랜스 베이스 권선
S(Ns) : 트랜스 2차 권선 Q : 트랜지스터
DZ : 제너 다이오드 D : 다이오드
C : 콘덴서
이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 가변 전원 공급장치의 회로도를 나타낸 것으로서, 기동저항(Rg)이 스위칭 트랜지스터(Q)의 베이스 단자에 연결되어 입력전원 Vin이 인가되고, 기동저항(Rg) 한 단에 스너버회로와 트랜스(T)의 1차 권선P(Np)가 연결되며, 트랜지스터(Q)의 베이스 단자에 가변저항(Rval)을 거쳐 제너 다이오드(DZ)의 캐소드가 연결되고, 제너 다이오드(DZ)의 애노드에 콘덴서(C2)의 -극이 연결되어 +극이 트랜지스터(Q)의 에미터 단자에 연결되며, 콘덴서(C2)의 +극이 트랜스(T)의 베이스 권선B(Nb)을 거쳐 다이오드(D1)의 애노드에 연결되고, 다이오드(D1)의 캐소드에 트랜지스터(Q)의 베이스 단자 저항(Rb)을 거쳐 트랜지스터(Q)의 콜렉터 단자가 연결되며, 제너 다이오드(DZ)의 애노드에 다이오드(D2)의 애노드에 연결되어 캐소드가 다이오드(D1)의 애노드에 연결되고, 다이오드(D1)에 콘덴서(C1)가 병렬 연결되며, 트랜스(T)의 2차 권선S(Ns)에 다이오드(D3)의 애노드가 연결되고, 양단으로 트랜스(T)의 출력전압 Vout을 출력하는 콘덴서(C3)의 +극이 다이오드(D3)의 캐소드에 연결되어져 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 첨부한 도면 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
기본 동작 원리는 도 1에 도시된 RCC방식 전원 공급장치와 동일하다 할 수 있으나 트랜스(T)의 출력전압(Vout)이 콘덴서(C2) 전압에 비례한다는 것에 착안점을 두어 제너 다이오드(DZ)에 흐르는 전류를 제어하여 콘덴서(C2)의 양단에 걸리는 전압(Vc)을 조정하게 된다.
트랜스(T)의 2차 권선S(Ns)에 유기되는 역기전력에 의하여 다이오드(D3)가 도통되고, 부하로 전력을 공급한다.
따라서, 단위 시간당 트랜스(T)에 축적되는 에너지양과 출력 전력이 같으므로 트랜스(T) 1차 권선P(Np)의 인덕턴스를 Lp라 하면 식 3의 관계가 정립된다.
1/2 * Lp ( Vin/L1 * Ton ) 2 * F = Vout * Iout --------- (식 3)
여기서, Lp는 권선P의 인덕턴스, L1은 권선S의 인덕턴스, F는 스위칭 주파수, Iout는 2차측 출력전류, Ton은 도통시간이다.
따라서, 출력 전압(Vout)을 정전압화하는 데에는 주파수 F와 트랜지스터(Q)의 도통시간(Ton)을 바꿔주면 된다.
트랜스(T)를 오프하려면 콜렉터 전류(Ic)에 대하여 베이스 전류(Ib)를 부족하게 하면 되므로 트랜스(T)의 Vb로부터 구동전류를 트랜지스터(Q)의 베이스 단자로 흐르지 않게 하고 다른 쪽에 바이패스하여 주면 된다. 이것이 정전압 제너 다이오드(DZ)의 역할이다.
콘덴서(C2)의 전압(Vc)은 베이스 권선B(Nb)으로부터 트랜지스터(Q)의 오프기간에 다이오드(D2)를 통하여 충전된 음(-)의 전압으로 되어있다. 그러므로, 콘덴서(C2)의 전압 Vc가 식 4를 만족하면
Vc = Vz + Vbe + Vrval ------------ (식 4)
제너 다이오드(DZ)가 도통하며 구동 전류를 패스하고 트랜지스터(Q)를 오프하게 된다.
어떤 기간을 경과하면 출력전압이 상승해 가는데 이 때 콘덴서(C2)의 단자 전압 Vc도 출력 전압 Vout에 비례하여 상승한다. 이때 가변저항(Rval)에 의하여 전류 Iz를 조정하면 Vz가 조정되며 결과적으로 Vc를 조정할 수 있다.
즉, 트랜지스터(Q)의 차단시간 동안 축적된 에너지가 부하로 방출되지만 다이오드(D2)에서 콘덴서(C2)로의 충전전류는 음 전원으로 있어도 2차측 전류(Iout)와 동시에 흐른다. 따라서 베이스 권선B(Nb)과 2차 권선S(Ns)의 전압은 각각의 권수비에 비례한 값으로 식 5와 같다.
Vc = Nb/Ns * (Vout + Vf3)- Vf2 ------------ (식 5)
여기서, Np는 트랜스(T)의 1차 권선P(Np)의 권선수, Ns는 베이스 권선S(Ns)의 권선수, Vf3은 D3의 순방향 전압 강하, Vf2는 D2의 순방향 전압 강하이다.
그러므로, 반대로 콘덴서(C2)의 단자 전압 Vc를 변화시키면 트랜스(T)의 출력전압(Vout)이 변화된다.
콘덴서(C2)의 단자 전압(Vc)이 상승하면 (-)측에 접속된 제너 다이오드(DZ)가 도통한다. 이 때 가변저항(Rval)을 큰 값으로 변화시키면 제너 다이오드(DZ)가 도통하기 위한 콘덴서(C2)의 단자 전압(Vc)이 더 켜져야 하고, 가변저항(Rval)을작은 값으로 변화시키면 콘덴서(C2)의 단자 전압(Vc)은 작아도 제너 다이오드(DZ)는 도통한다.
그리고, 트랜지스터(Q)의 베이스 전류(Ib)를 제너 다이오드(DZ)로 바이패스하고 트랜지스터(Q)의 베이스 단자에는 전류를 흐르지 않게 작용한다.
따라서, 이 시점에서 트랜지스터(Q)는 오프하게 되는 것이다. 이를 전압의 관계로 보면 제너 다이오드(DZ)의 제너 전압(Vz)은 상기 식 4를 만족하여야 하므로 (Vz + Vrval)와 Ns/Nb의 비에 의하여 트랜스(T)의 출력 전압(Vout)이 결정된다.
즉, 출력전압(Vout)은 식 6과 같이 나타난다.
Vout = Ns/Nb*(Vz+Vbe+Vrval) - Vf3 ------------ (식 6)
그러므로, Ns, Nb, Vz, Vbe, Vf3는 변화시킬 수 없으므로 가변저항(Rval)의 저항값을 조정하여 Vrval을 변화시키면 출력전압(Vout)이 조절된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 가변 전원 공급장치는 제품을 새롭게 설계하여 제너 다이오드를 교체하거나 트랜스의 권선수를 변경할 필요 없이 가변저항의 저항값을 변화시키면 출력전압이 조정되는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 트랜스의 입력 양단 사이에 배치된 스위칭용 파워 소자의 베이스 단자에 제너 다이오드가 연결되어 베이스 전류를 바이패스하고, 트랜스가 상기 제너 다이오드에 연결된 콘덴서의 전압에 비례되는 출력특성을 갖는 RCC 방식의 전원 공급장치에 있어서,
    상기 베이스 단자와 상기 제너 다이오드 사이에 가변저항이 접속되어 상기 가변저항의 저항값에 따라 상기 콘덴서의 전압을 조절함으로써 상기 트랜스의 출력전압이 조절되는 것을 특징으로 하는 가변 전원 공급장치.
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