KR100565543B1 - 리액턴스 자동보상장치를 구비하는 초음파 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고주파 발생기는, 고주파용 콘덴서 C2의 충방전 전류를 감지하는 전류감지센서(CT1)와, 전류감지센서(CT1)에 감지되는 전류를 전파정류하는 신호정류부(45)와, 신호정류부(45)에 의해 전파정류된 전류의 최대치를 검출하여 이 값이 미리 정해져 있는 허용최대전류치 및 허용최소전류치의 사이를 벗어나면 이상신호를 출력하는 최대치 전류검출부(50)를 포함하며, 발진제어장치(60)는 최대치 전류검출부(50)의 이상신호를 받아 IGBT Q1 및 Q2의 턴온 시간을 변화시킴으로써 코일 L1이나 L2의 리액턴스가 변화하더라도 이를 보상할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 특히 보일러용 초음파 세정장치에 적합하다.

코일, 온도, 최대치 전류, 초음파 세정, 리액턴스

Description

리액턴스 자동보상장치를 구비하는 초음파 발생기{Ultrasonic generator having device for automatically controlling reactance of coil}

도1 및 도2는 종래의 초음파 발생기를 설명하기 위한 도면들;

도3 내지 도5는 본 발명에 따른 초음파 발생기를 설명하기 위한 도면들이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

10: 직류전원공급장치 30: 초음파 변환기

40: IGBT 구동장치 45: 신호정류부

50: 최대치 전류검출부 60: 발진제어장치

본 발명은 초음파 발생기에 관한 것으로서, 초음파 발생기 내에 있는 코일의 리액턴스 값이 온도 등으로 인하여 최초 설계치 허용범위를 벗어나는 경우에 이를 보상하도록 제어하는 자동보상장치가 구비된 초음파 발생기에 관한 것이다.

도1은 종래의 초음파 세정장치에 사용되는 초음파 발생기를 설명하기 위한 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 직류전원공급장치(10)에 평활용 콘덴서 C1이 연결된다. 그리고, 직류전원공급장치(10)의 + 단자에는 IGBT Q1의 콜렉터가 연결되고, -단자에는 IGBT Q2의 에미터가 연결되어 반쪽 브릿지 형식의 인버터(half-bridge type inverter)가 구성된다.

IGBT Q1의 에미터는 초음파 변환기(30) 내에 있는 코일 L1에 연결되고, IGBT Q2의 콜렉터는 초음파 변환기(30) 내에 있는 코일 L2에 연결된다. L1과 L2의 다른 한쪽은 고주파용 필름 콘덴서 C2의 한쪽단에 공통으로 연결되며 콘덴서 C2의 나머지 한쪽단은 직류전원공급장치(10)의 - 단자에 연결된다. IGBT Q1과 Q2의 베이스에는 IGBT 구동장치(40)가 연결되며, 발진제어장치(60)는 구동장치(40)의 발진을 제어한다.

직류전원공급장치(10)에서 출력되는 직류전원이 평활용 콘덴서 C1을 거쳐 IGBT Q1 및 Q2에 인가되면 발진제어장치(60)에서 초음파가 발생할 수 있는 주파수의 발진신호를 구동장치(40)로 보낸다. 그러면, 구동장치(40)는 상기 발진신호를 Q1, Q2가 동작할 수 있는 신호로 변환하여 이 동작신호를 Q1, Q2에 각각 보낸다.

Q1과 Q2는 구동장치(40)에서 나오는 동작신호에 따라 온/오프를 반복하게 되는데, 이러한 온/오프는 Q1과 Q2에서 동시에 이루어지는 것이 아니라 서로 반복하여 이루어진다. Q2가 오프되고 Q1이 온되면 참조번호 (1)로 표시된 바와 같이 전류가 Q1과 L1을 순차적으로 거쳐서 C2에 전기 에너지가 충전되는 방향으로 흐른다. 그리고, Q1이 오프되고 Q2가 온되면 참조번호 (2)로 표시된 바와 같이 전류가 L2와 Q2를 순차적으로 거쳐서 C2에 충전되어 있던 전기에너지가 방전되는 방향으로 흐른다.

C2의 충방전 전류를 참조부호 '가'로 표시한 지점에서 측정하면 도2와 같은 파형을 얻을 수 있는데, 도2의 전류 파형에 의해서 L1, L2가 진동하면 코일 L1, L2 에 부착되어 있던 금속물체에 이것이 전달되어 초음파 변환기(30)의 말단에서 초음파가 방사된다.

이 때, 초음파의 에너지는 L1, L2에 흐르는 전류량과 코일의 권선수에 의해서 결정된다. L1, L2의 권선수는 코일의 재질, 직류전압값, 및 동작주파수에 의해 결정되어지며 이는 초기 설계시에 반영되어 고정되므로, L1, L2의 권선수는 향후 동작 중에 변하는 값이 아니다. 그러나, L1, L2에 흐르는 전류량은 Q1, Q2가 일정한 턴온시간을 가지고 동작하더라도 L1, L2의 리액턴스값이 변하면 이에 따라서 변한다. L1, L2의 리액턴스값은 코일의 특성과 권선수에 의해 결정되는데, 권선수는 고정되어 향후 변하지 않는 반면에 코일의 특성으로서의 자성값은 제조상의 오차, 주위의 온도 등에 의해 변한다.

결국, 종래의 초음파 발생기는 제조상의 오차, 주위의 온도 등으로 인하여 L1, L2의 리액턴스값이 변하여 Q1, Q2가 일정한 동작을 하여도 L1, L2에 흐르는 전류가 변하는 문제가 발생한다. 이렇게 전류량이 변하면 초음파 에너지 또한 변하게 되는데 전류가 과다하면 초음파 변환기(30)의 코일에 자속포화가 발생하고 전류가 적으면 초음파 에너지가 줄어 예컨대 초음파 세정장치의 세정능력이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

고온의 보일러에 사용되는 초음파 세정장치의 경우에는 주위의 온도변화가 심하여 최초에 설계한 값들이 변하는 경우가 종종 발생한다. 고출력 초음파 에너지가 필요한 경우 L1, L2는 리액턴스값이 매우 작은 것을 사용하게 되는데 이 때에는 제조상의 오차나 주위온도에 의해 리액턴스값이 더욱 민감하게 변하게 되어 매우 바람직하지 않다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 초음파 발생기 내에 있는 코일의 리액턴스 값이 온도 등으로 인하여 최초 설계치의 허용범위를 벗어나는 경우에 이를 보상하도록 제어하는 자동보상장치가 구비된 초음파 발생기를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 발생기는, 직류전원공급장치와, 상기 직류전원공급장치의 +극에 콜렉터가 연결되는 IGBT Q1과, 상기 직류전원공급장치의 -극에 에미터가 연결되는 IGBT Q2와, 한쪽이 상기 Q1의 에미터에 연결되는 제1코일과, 한쪽이 상기 Q2의 콜렉터에 연결되는 제2코일과, 상기 Q1 및 Q2의 베이스에 연결되는 IGBT 구동장치와, 상기 IGBT 구동장치의 발진을 제어하는 발진제어장치와, 한쪽단은 상기 직류전원공급장치의 -극에 연결되며 다른 한쪽단은 상기 제1코일 및 제2코일의 나머지 한쪽에 공통으로 연결되는 고주파용 콘덴 서를 포함하는 초음파 발생기로서,

상기 고주파용 콘덴서의 충방전 전류를 감지하는 전류감지센서;

상기 전류감지센서에 감지되는 전류를 전파정류하는 신호정류부; 및

상기 신호정류부에 의해 전파정류된 전류의 최대치를 검출하여 이 값이 미리 정해져 있는 허용최대전류치 및 허용최소전류치의 사이를 벗어나면 이상신호를 출력하는 최대치 전류검출부;를 포함하며,

상기 발진제어장치는 상기 최대치 전류검출부의 이상신호를 받아 상기 Q1 및 Q2의 턴온 시간을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

상기 전류감지센서로는 홀전류감지센서를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 최대치 전류검출부는,

애노드는 상기 신호정류부에 연결되는 다이오드;

한쪽은 접지되며 다른 한쪽은 상기 다이오드의 캐소드에 연결되는 커패시터;

에미터는 접지되고 베이스는 저항을 거쳐 상기 발진제어장치에 연결되는 트랜지스터;

비반전단자는 상기 트랜지스터의 콜렉터와 상기 다이오드의 캐소드에 연결되고 반전단자는 출력단자로 귀환하는 연산증폭기;

반전단자에는 허용최대전류치가 입력되고 비반전단자는 상기 연산증폭기의 출력단자에 연결되는 제1비교기; 및

반전단자에는 허용최소전류치가 입력되고 비반전단자는 상기 연산증폭기의 반전단자에 연결되는 제2비교기를 포함하여 이루어질 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에 있어서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.

아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생기를 설명하기 위한 도면이다. 도3을 참조하면, 본 발명의 특징부인 자동보상장치는 전류감지센서 CT1, 신호정류부(45), 및 최대치 전류검출부(50)를 포함하여 이루어진다.

콘덴서 C2의 충방전 전류를 측정하기 위하여 도1의 '가'로 표시된 부분에 전류감지센서 CT1을 설치한다. 전류감지센서로서 고주파 전류 감지에 적합한 홀(Hall) 전류감지센서를 사용하면 좋다.

발진제어장치(60)에서 적절한 신호를 Q1, Q2에 보내면 Q1, Q2가 교차동작하여 초음파 변환기(30)의 코일 L1, L2에 전류가 흐르며 이 때 콘덴서 C2에는 도5의 A와 같은 충방전 전류가 흐른다. 이 전류는 CT1에 의해 감지되어지고 신호정류부(45)에 의해서 도5의 B와 같이 전파정류되어 최대치 전류검출부(150)로 입력된다. 그러면 최대치 전류검출부(150)에서는 도5의 B에 참조부호 (c), (d)로 표시한 바와 같이 전파정류된 전류의 최대치를 파악한다.

도4는 최대치 전류검출부(150)를 설명하기 위한 도면이다. 도4를 참조하면, 최대치 전류검출부(150)는 다이오드 D1의 애노드 단자를 입력으로 하며, D1의 캐소드는 GND와 연결된 콘덴서 C3, 연산증폭기 U3의 + 단자, 트래지스터 Q3의 콜렉터 단자에 연결된다. Q3의 에미터는 GND에 연결되며 Q3의 베이스는 저항 R1을 거쳐 발진제어장치(60)에 연결된다. U3의 -단자는 U3의 출력단자로 귀환되며 이 신호선은 비교기 U1, U2의 + 단자에 각각 연결된다. U1, U2의 -단자에는 허용최대전류치에 대응하는 전압 Vref1 및 허용최소전류치에 대응하는 전압 Vref2가 각각 입력되며 U1, U2의 출력단자는 발진제어장치(60)에 연결된다.

신호정류부(45)에 의해서 도5의 B와 같이 전파정류된 전류는 D1을 통해서 C3에 충전되어지는데, 이때 D1은 C3에 대해서 역방향으로 설치되므로 C3에 충전된 전압이 방전되는 것은 방지된다.

연산증폭기 U3는 C3에 충전된 전압을 그대로 출력하며 이 신호는 U1, U2의 +단자에 인가된다. U1은 C3의 전압과 허용최대전류치에 대응하는 전압 Vref1을 비교하여 C3의 전압이 Vref1 보다 크면 하이신호를 발진제어장치(60)로 출력한다. 그리고, U2는 C3의 전압과 허용최소전류치에 대응하는 전압 Vref2를 비교하여 C3의 전압이 Vref2보다 작으면 로우신호를 발진제어장치(60)로 출력한다.

예컨대, 주위의 영향으로 인하여 L1의 리액턴스값이 작아지면 콘덴서 C2에 흐르는 충전되는 전류는 참조부호(b)로 표시한 것처럼 정상인 경우(참조부호 (a))보다 증가하게 된다. 그러면 도5의 B에서 참조부호 (d)로 표시한 부분과 같이 최대치 전류값이 정상인 경우(참조부호 (c))보다 증가하게 된다. 그러면, 비교기 U1에 서 하이신호가 출력되고 발진제어장치(60)는 이러한 하이신호를 입력받아 Q1의 턴온시간을 줄이는 신호를 IGBT 구동장치(40)로 출력한다.

이러한 보정과정이 끝나면 발진제어장치(60)는 Q3를 동작시켜 C3에 충전된 전압을 방전시켜 다시 초기상태로 만든 후 다시 U1의 출력신호가 정상적인가를 감지한다. 도5의 D는 Q3의 동작신호이며 E는 U1의 출력신호이다.

초음파 세정장치는 고출력의 초음파 에너지가 필요하므로 낮은 리액턴스를 가진 초음파 변화기를 주로 사용하는데, 이를 특히 보일러용으로 사용할 때에 주위의 온도 변화가 심해서 초기 설계한 리액턴스값이 변화하여 적정 동작 영역을 벗어나는 경우가 종종 발생한다. 그러나, 본 발명에 의하면 이러한 리액턴스 변화를 자동으로 보상할 수 있게 되어 상술한 문제점을 해결할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 직류전원공급장치와, 상기 직류전원공급장치의 +극에 콜렉터가 연결되는 IGBT Q1과, 상기 직류전원공급장치의 -극에 에미터가 연결되는 IGBT Q2와, 한쪽이 상기 Q1의 에미터에 연결되는 제1코일과, 한쪽이 상기 Q2의 콜렉터에 연결되는 제2코일과, 상기 Q1 및 Q2의 베이스에 연결되는 IGBT 구동장치와, 상기 IGBT 구동장치의 발진을 제어하는 발진제어장치와, 한쪽단은 상기 직류전원공급장치의 -극에 연결되며 다른 한쪽단은 상기 제1코일 및 제2코일의 나머지 한쪽에 공통으로 연결되는 고주파용 콘덴서를 포함하는 초음파 발생기에 있어서,

   상기 고주파용 콘덴서의 충방전 전류를 감지하는 전류감지센서;

   상기 전류감지센서에 감지되는 전류를 전파정류하는 신호정류부; 및

   상기 신호정류부에 의해 전파정류된 전류의 최대치를 검출하여 이 값이 미리 정해져 있는 허용최대전류치 및 허용최소전류치의 사이를 벗어나면 이상신호를 출력하는 최대치 전류검출부;를 포함하며,

   상기 발진제어장치는 상기 최대치 전류검출부의 이상신호를 받아 상기 Q1 및 Q2의 턴온 시간을 변화시키는 것을 특징으로 하는 초음파 발생기.
2. 제1항에 있어서, 상기 전류감지센서는 홀전류감지센서인 것을 특징으로 하는 초음파 발생기.
3. 제1항에 있어서, 상기 최대치 전류검출부는,

   애노드는 상기 신호정류부에 연결되는 다이오드;

   한쪽은 접지되며 다른 한쪽은 상기 다이오드의 캐소드에 연결되는 커패시터;

   에미터는 접지되고 베이스는 저항을 거쳐 상기 발진제어장치에 연결되는 트랜지스터;

   비반전단자는 상기 트랜지스터의 콜렉터와 상기 다이오드의 캐소드에 연결되고 반전단자는 출력단자로 귀환하는 연산증폭기;

   반전단자에는 허용최대전류치가 입력되고 비반전단자는 상기 연산증폭기의 출력단자에 연결되는 제1비교기; 및

   반전단자에는 허용최소전류치가 입력되고 비반전단자는 상기 연산증폭기의 반전단자에 연결되는 제2비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생기.

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