KR100338698B1 - 주파수 가변 자기장 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수 가변 자기장 발생장치, 보다 상세하게는 재질적 특성이 다른 소재로 된 2종의 트랜스를 조합하여 회로를 구성함으로써 수십㎐∼20㎑의 저주파 대역에서 주파수를 가변시켜 원하는 주파수대의 자기장을 발생시킬 수 있게 한 주파수 가변 자기장 발생장치에 관한 것으로,

즉, 자기장 발생장치의 출력 트랜스 코아를 전기강판과 페라이트(ferrite) 재질이 각각 갖는 전자기적 특성을 활용하여 이들 재료로 제작한 2종의 트랜스를 조합하여 서로 보완하도록 회로를 구성함으로써 수십㎐∼수십㎑의 광대역의 저주파 자기장을 발생시켜 차폐도 측정이 가능하게 한 것을 특징으로 한다.

Description

주파수 가변 자기장 발생장치{FREQUENCY-VARIABLE FIELD GENERATER}

본 발명은 주파수 가변 자기장 발생장치, 보다 상세하게는 재질적 특성이 다른 소재로 된 2종의 트랜스를 조합하여 회로를 구성함으로써 수십㎐∼20㎑의 저주파 대역에서 주파수를 가변시켜 원하는 주파수대의 자기장을 발생시킬 수 있게 한 주파수 가변 자기장 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동화 공정을 갖춘 설비에 교류자기장이 영향을 미치게될 때 그 조업현장 주변에 설치되어 있는 고감도의 측정센서를 비롯하여 정밀 측정기기와 신호작동기기 등에 신호교란을 일으키게 되면서 오동작을 발생시키는 경우가 빈번하게 발생되었다.

각종 조업현장에 설치된 장비에서 발생되는 교류자기장은 조업현장의 특성에 따라 수십㎐∼수십㎑의 주파수를 갖고 있으며, 그 자기장의 세기 또한 다양하여 수mG∼수백G에 이르고 있다.

따라서 상기와 같은 교류자기장의 피해를 근원적으로 줄이기 위해서는 적절한 수단과 방법으로 누설되는 교류자기장을 보다 효율적으로 원천 차폐하는 것이 바람직 하였으나, 도출된 차폐방안을 실제로 적용하기 위해서는 사전에 차폐체의 성능을 검증할 수 있는 시험방법이 필요하였고 이를 통하여 설계된 차폐체 방안을 개조 혹은 보완하는 것이 차폐도 측정장치의 필수요소가 되었다.

특히, 각종 가전제품으로부터 전자파 환경에 노출될 때 그 주파수 대역이 약 수십㎐∼수십㎑ 이므로 이 대역의 주파수 가변 자기장 발생기가 필수불가결 하였으나, 현재 수십㎐∼수십㎑의 자기장을 발생시키는 주파수 가변 자기장 발생장치는 상용화되어 있지 않은 실정이다.

그 이유는 주파수가 커짐에 비례하여 임피던스가 급격히 증가하여 수㎑ 이상의 주파수에서 출력을 확보하기 위해서는 트랜스의 용량을 증대하여야 하며, 또한 출력에 상응한 소위 헬렘홀츠 코일(Helmholtz coil)의 제작 등 여러 문제점이 존재하기 때문이다.

한편, 차폐에 의한 손실은 저주파 대역에서의 자성체를 이용한 자성손실 및 고주파 대역의 전도체에 의한 반사로 인한 손실로 이루어지며 입사된 전자파 에너지의 총손실에 의해 차폐도를 가름한다는 학설이 제기되었다(友野理平, 關 康雄, 전자파실드기초, CMC, p.210,1984).

그러나 수십㎐∼수십㎑ 대역의 저주파 영역에서의 에너지 손실의 주체를 명확히 구분하기가 용이하지 않고 또한 현재 상기 대역에서의 차폐효과를 평가하는 장치가 개발되어 있지 않았다.

즉, 기존의 전기강판 코아는 주파수가 증가함에 따라 임피던스가 증가하여 2㎑ 대역 이상에서는 출력을 얻을 수 없었으며, 에너지 손실이 작은 페라이트 코아인 경우에도 수십㎐∼수㎑의 대역에서는 출력이 작아지게 되어 사용할 수 없었기 때문이었다.

본 발명은 상기 종래의 특정 범위의 주파수 가변 자기장 발생기의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 그 목적은 간편한 방법으로 수십㎐∼수십㎑의 광대역의 저주파 자기장을 발생시킬 수 있는 주파수 가변 자기장 발생장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 자기장 발생장치의 출력 트랜스 코아를 전기강판과 페라이트(ferrite) 재질이 각각 갖는 전자기적 특성을 활용하여 이들 재료로 제작한 2종의 트랜스를 조합하여 서로 보완하도록 회로를 구성함으로써 수십㎐∼수십㎑의 광대역의 저주파 자기장을 발생시켜 차폐도 측정이 가능하게 한 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 자기장 발생기의 출력 트랜스에 사용한 코아 재질인 방향성 전기강판과 Ni-Zn 페라이트의 주파수 특성에 대한 측정결과를 나타낸 선도,

도 2는 본 발명의 자기장 발생장치의 블럭구성도,

도 3a 및 3b은 본 발명의 실시예의 사양으로 제작된 자기장 발생장치의 정면과 그 배면구성도,

도 4는 본 발명의 자기장 측정기의 주파수 대역별 발생자장 분포도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 주파수 셀렉터 20 : 주파수 발생기

21 : 카운터 30 : 전력증폭기(Power amp.IC)

40 : 전기강판 코아 트랜스 50 : 페라이트 코아 트랜스

60 : 헬렘홀츠 코일 61 : 전류기

62 : 전압계

이하, 본 발명의 주파수 가변 자기장 발생장치를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 자기장 발생기의 출력 트랜스에 사용한 코아 재질인 방향성 전기강판과 Ni-Zn 페라이트의 주파수 특성에 대한 측정결과를 나타낸 선도이다.

위에서 입력전원 1V(0 dB)를 기준으로 할 때 전기강판 재질의 주파수 특성은 주파수가 900Hz를 상회함에 따라 낮아져 약 2000㎐가 되면 입력전원의 10%인 0.1V(-10dB)로 급감하여 그 이상의 주파수 대역에서는 거의 통전이 이루어지지 않으며, 반면에 페라이트의 경우에는 주파수가 2000㎐ 미만에서는 거의 통전이 없고 2000㎐ 이상 약 25㎑까지의 주파수 특성은 -10dB 이하로 양호한 전자기 특성을 발현함을 알 수 있다.

그러므로 본 발명은 상기 전기강판 및 페라이트 코아재질의 주파수 특성에 착안하여 선택된 입력주파수에 따라 각각의 트랜스로 선택적으로 입력되도록 전기적 회로를 구성함으로써 전체적으로 20㎐∼20㎑ 주파수 대역의 자기장이 발생 가능하도록 하였다.

도 2는 본 발명의 자기장 발생장치의 블럭구성도로서, 주파수 셀렉터(10)에의해 선택된 주파수 신호가 주파수 발생기(20)로부터 출력되어 이때의 출력 주파수가 카운터(21)를 통해 체크된 후 디스플레에 표시된다.

주파수 신호는 전력증폭기(Power amp.IC;30)를 거쳐 선택된 주파수가 2000㎐ 미만이면 전기강판 코아 트랜스(40)로, 2000㎐∼25㎑이면 페라이트 코아 트랜스(50)로 선택적으로 입력되도록 회로가 구성되고, 최종적으로 헬렘홀츠 코일(60)에 입력이 되어 원하는 주파수의 자기장을 발생시키게 된다.

상기에서 발생된 자기장의 세기는 입력전력을 가변시켜 조절할 수 있도록 하고, 이때 헬렘홀츠 코일에 입력된 전류 및 전압은 각각 전류기(61) 및 전압계(62)로 체크하도록 한다.

일반적인 전압계로는 1000㎐ 이상이면 작동되지 않기 때문에 본 발명에서는 다이오드 및 콘덴서로 정류하여 DC전압계로 사용하는 것이 바람직하다.

또한 헬렘홀츠 코일(Helmholtz coil)은 장시간 사용할 경우 저항열에 의해 코일이 용융되어 단락될 가능성이 있으므로 이를 해소하기 위해 헬렘홀츠 코일의 표면에 온도센서를 부착하여 과열이 발생될 때 일정시간 단락되도록 하는 보호회로를 구성하도록 하였다.

실시예 1

본 발명의 주파수 가변 자기장 발생장치를 상기 개념을 이용하여 다음과 같이 제작하였으며, 본 발명의 주요 구성요소인 전력증폭기 및 출력 트랜스 등을 중심으로 설명한다.

최대 220V/500W 출력의 자기장 발생기를 제작하기 위하여 주파수 발생기(20)의 실제 주파수 발생 범위가 20㎐∼10㎑의 성능을 갖는 제품으로 하고, 전력증폭기(30)에 사용되는 IC는 전원전압이 ±35V, 부하저항이 8Ω, 출력전력이 40W, 고주파왜율이 0.5%, 주파수 특성이 20㎐∼25㎑인 제품을 사용하였다.

그 실측 결과 IC의 소비전류는 1A이며 출력전압은 약 18V로 계산되어 최종출력이 200V/500W의 사양에 맞추기 위해 IC 10개(40W/개)를 사용하여 회로를 구성하였다.

그러므로, IC의 출력전압은 개당 18V이고 IC의 총 출력전압이 180V이므로, 최대 출력전압인 220V에 못미치므로 출력트랜스의 2차측의 전압을 25V로 승압시켜 출력전압이 최대 250V, 최대 출력이 500W(=25V×2×10A)가 되도록 설계하였다.

또한 본 실시예에서는 릴레이를 사용하여 주파수 셀렉터(10)가 선택하는 주파수에 따라 전기강판 코아 트랜스(40) 혹은 페라이트 코아 트랜스(50)로 자동 전환이 되도록 회로를 구성하였는데, 이러한 주파수 셀렉터(10)의 주파수 선택에 따라 릴레이가 구동되어 상기 릴레이 구동에 따른 접점제어로 전기강판 코아 트랜스(40) 또는 페라이트 코아 트랜스(50)에 선택적으로 주파수신호가 입력되도록 하는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 자명한 기술로 판단되어 상세한 설명은 생략한다.

자기장을 발생시키는 헬렘홀츠 코일은 다음과 같은 사양으로 제작하였다.

- 보빈크기 : 외경×내경×폭=18㎝×5㎝×10㎝

- 0.3㎜Φ 에나멜 동선 사용

- 권선수 : 8000회

- 보빈간(coil) 이격거리 : 가변형식으로 최대 20㎝

- coil 저항 : 36.6Ω(2개의 coil 직렬 연결시 73.2Ω)

도 3a 및 3b은 상기 실시예의 사양으로 제작된 자기장 발생장치의 정면과 그 배면을 나타낸 것으로, 본체(100)의 상부 일측으로부터 자기장 발생기에서 출력되는 실제의 파형을 표시하는 오실로스코프 모니터(110)와, 점등시에는 정상동작을 표시하되 소등시에는 과열보호회로 작동상태를 나타내는 LED(111)와, 자기장 발생기에서 출력되는 전압을 DC전압으로 출력하여 실제 전력의배로 나타내는 출력전압계(112) 및 주파수 대역이 20∼250㎐, 250∼2000㎐ 및 2000∼25000㎐ 등 3단으로 구분하는 주파수 셀렉터(10)에서 선택된 주파수를 미세하게 조절하는 주파수조정 노브(113) 등이 하향으로 순차적으로 구비되어 있다.

상기 본체(100)의 타측에는 오실로스코프 모니터(110)의 화면명암과 선명도, 화면의 상하좌우 조절과 주파수동기 및 화면크기 등을 전체적으로 조절하는 다수의 조절노브(120)와, 현재 출력되는 주파수를 ㎑로 표시하는 주파수 표시 디스플레이부(121)와, 현재의 출력전류를 표시하는 출력 전류계(122)와, 출력 전압을 50∼250V의 범위에서 가변하여 자기장의 세기를 임의로 조정할 수 있는 출력 전압볼륨(123) 및 자기장 발생기의 전원투입용 스위치(124) 등이 상부에서 하부로 배열되게 구비되어 있다.

또한 상기 본체(100)의 배면에는 헬렘홀츠 코일(60)과 연결시키기 위한 출력단자(130)와, 입력 퓨즈 홀더(131) 등이 구비되어 있다.

한편, 상기 실시예에 따라 제작된 자기장 발생장치의 성능을 검증하기 위해 헬렘홀츠 코일에 입력되는 전류를 0.4A로 고정하고, 0.5∼10㎑ 대역에서 발생되는 자기장을 측정하였다.

자기장 측정은 광대역에서 측정이 가능한 AC 마그네토 미터(magnetometer)를 이용하여 측정 탐침자를 헬렘홀츠 코일의 보빈 정중앙에 위치시켜 측정하였다.

측정시 입력전류를 0.4A로 한 이유는 입력전류를 수A로 할 경우 주파수가 1㎑ 미만시에는 발생 자기장의 세기가 magnetometer의 측정범위인 2000mG를 상회하기 때문에 주파수가 클 경우를 감안하여 적절한 투입전류의 세기로 테스트하였다.

도 4는 상기 측정조건에서 얻어진 결과를 나타낸 것으로, 투입전류를 0.4A로 한 경우, 주파수가 2㎑ 일 때 160mG를 경계로 서서히 감소하기 시작하여 주파수가 10㎑의 경우에도 22mG를 발생함을 알 수 있다.

또한 본 발명인 자기장 발생장치의 투입전류를 증가시킬 경우, 즉 주파수가 10㎑이고 투입전류를 0.8A로 할 경우 자기장의 세기가 60mG를 상회하는 자기장이 발생됨을 확인할 수 있게되어, 본 발명인 주파수 가변 자기장 발생장치는 수십㎐∼10㎑ 대역에서 간편하게 차폐도 측정이 가능하여 매우 유용한 자기장 발생장치임을 확인할 수 있었다.

이와 같은 본 발명의 자기장 발생장치는 최근 국내에서도 전자파 인체보호 규정에 관한 법제화가 조기에 이루어질 전망으로 볼 때 향후 전자기장 차폐관련 제품의 수요가 급증할 것으로 예상되어, 이에 따라 본 발명은 차폐성능 평가장치에 필수적인 기기로써 상업화가 가능하며 관련 전기전자기기 제조업체 및 대학 등에 저렴한 가격으로 보급할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 주파수 셀렉터(10)에 의해 선택된 주파수 신호가 주파수 발생기(20)로부터 출력되어 전력증폭기(Power amp.IC;30)에 입력되고, 상기 전력증폭기(30)를 거쳐 주파수 셀렉터(10)에서 선택된 주파수 대역이 2000㎐ 미만일 경우에는 전기강판 코아 트랜스(40)로, 주파수 대역이 2000㎐∼25㎑의 범위일 때에는 페라이트 코아 트랜스(50)로 선택적으로 입력되며, 상기 선택된 주파수가 최종적으로 헬렘홀츠 코일(60)에 입력이 되어 원하는 주파수의 자기장을 발생시키게 된 구성을 특징으로 하는 주파수 가변 자기장 발생장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전기강판 코아 트랜스(40) 또는 페라이트 코아 트랜스(50)의 적어도 어느 하나가 원하는 세기의 자기장을 발생되도록 출력을 가변할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 주파수 가변 자기장 발생장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 헬렘홀츠 코일(60)의 표면에 온도센서를 부착하여 그 표면온도가 일정 온도를 상회하는 경우 일정시간 동안 전원이 차단되도록 보호회로를 구비한 것을 특징으로 하는 주파수 가변 자기장 발생장치.