KR100886144B1 - 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극 전원의 전류와 무관하게 필라멘트의 전압 및 전류를 측정하여 이로부터 저항치를 예측하고, 상기 저항치를 항상 일정한 저항값이 되도록 함으로써, 필라멘트의 온도를 일정하게 유지하고, 필라멘트의 과열을 방지하여 필라멘트의 수명을 연장시킬 수 있는 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.

이를 위해,

(a) 기준 저항값을 설정하는 단계;

(b) 필라멘트의 전압 및 전류를 측정하는 단계;

(c) 상기 전압 및 전류로부터 필라멘트의 저항예측치를 계산하는 단계;

(d) 상기 저항예측치와 상기 기준 저항값을 비교하여 인가전압을 조절하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치를 제공한다.

마그네트론, 필라멘트, 온도, 모딩, 역충격, 양극, 음극, Magnetron, Filament, Back-bombardment, Moding.

Description

마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치 {Method And Apparatus For Control Of Magnetron Filament Electric Power Source}

본 발명은 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극 전원의 전류와 무관하게 필라멘트의 전압 및 전류를 측정하여 이로부터 저항치를 예측하고, 상기 저항치를 항상 일정한 저항값이 되도록 함으로써, 필라멘트의 온도를 일정하게 유지하고, 필라멘트의 과열을 방지하여 수명을 연장시킬 수 있는 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 마그네트론은 자기장 속에서 극초단파를 발진하는 2극 진공관으로서, 1921년 미국의 A.W.헐 등에 의해서 발명되었다. 상기의 마그네트론은 순동의 전극을 양극으로 하고 축 방향으로 음극과 그리드를 배치하는 구조이며, 음극의 축방향으로 자기장을 걸면 음극에서 반지름 방향으로 튀어나온 전자는 양극에 흡인됨과 동시에 자기장에 의해서 진행방향의 직각으로 힘을 받아, 그 결과 전자는 나선상의 운동을 하는 특징이 있다.

여기서 자기장의 강도를 크게 하면 전자가 구부러지는 양도 커지며, 양극에 도달하기 전에 수회 돌게 된다. 그리고 자기장의 강도가 특정 한계(임계자속밀도)에 도달하면 전자는 거의 양극에 도달하지 못하게 된다.

이때 음극 주위에는 전자에 의한 회전전자가 생기고 양극의 진동회로에는 유도전류가 생겨서 진동이 자극되어 지속되며, 상기 진동의 발진 주파수는 대부분 진동회로에 의해 정해지고 고능률이며, 또한 대출력을 얻을 수 있다. 이러한 마그네트론은 현재 고주파가열·입자가속기·레이더 등의 산업응용을 비롯하여 전자레인지와 같은 가정용 기기에도 널리 사용된다.

필라멘트는 음극을 직접 가열하여 전자의 방출을 용이하게 하는 역할을 수행하며, 마그네트론의 열음극 수명을 좌우하는 부품이다.

도 1은 종래의 마그네트론과 필라멘트의 전원 제어 회로이다. 필라멘트 전원 장치는 슬라이닥스 구조의 변압기를 사용하여 교류전압(120)을 인가하며, 이때 인가되는 전압의 크기는 양극의 전류 크기와 연동된다.

즉, 마그네트론의 필라멘트를 제어하는 기존의 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 고전압 전원에서 공급하여 양극과 음극 사이에 흐르는 양극전류를 검지하여 전류의 크기에 따라 반비례하는 형태의 필라멘트 전류가 흐르도록 제어해 주는 방식이었고, 이는 수학식 1과 같이 나타난다.

상기에서, I_filament는 필라멘트 전류를, I_max는 최대 필라멘트 전류를, K는 임의의 상수를, I_cathod는 마그네트론의 양극 전류를 나타낸다.

상기와 같이 제어한 이유는 필라멘트에서 방출된 전자들 중 일부가 되돌아와 필라멘트와 충돌하는 역충격(back-bombardment) 현상 때문에 발생하는 추가적인 열에 의한 필라멘트의 온도 상승을 보상해 주기 위해서였다.

그러나 종래의 이러한 방식은,

첫째, 필라멘트의 온도와 필라멘트 전원에서 공급하는 전류가 정확한 비례 관계에 있지 않으므로, 필라멘트의 실제 온도를 유추하여 사전에 준비된 곡선에 따라 제어하게 되어 정확한 필라멘트 온도로 제어가 불가능하고 이로 인해 최적의 운전 조건을 제시하지 못했으며,

둘째, 마그네트론 부하에서 반사된 마이크로파에 의해 마그네트론의 동작 모드가 변하는 모딩(moding)이 발생한 경우 고전압 전원에서 공급되는 양극 전류가 감소하고 역충격이 증가하는 현상이 발생되는데, 이때 양극 전류의 감소에 따라 필라멘트 전류가 오히려 증가하도록 설계되어 필라멘트가 과열되고 필라멘트의 수명이 단축되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 필라멘트의 온도를 일정하게 유지하고, 특히 모딩시 필라멘트의 과열을 방지하여 필라멘트의 수명을 연장시키며, 양극 전류의 정보를 필요로 하지 않아 독립적인 전원장치로 제작이 가능한 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법은,

(a) 기준 저항값을 설정하는 단계;

(b) 필라멘트의 전압 및 전류를 측정하는 단계;

(c) 상기 전압 및 전류로부터 필라멘트의 저항예측치를 계산하는 단계;

(d) 상기 저항예측치와 상기 기준 저항값을 비교하여 인가전압을 조절하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 또 다른 태양인 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 장치는,

마그네트론의 음극을 가열하는 필라멘트부;

상기 필라멘트부에 연결되어 필라멘트부의 전압값과 전류값을 측정하는 전압 및 전류 측정부;

상기 전압 및 전류 측정부에 연결되어 저항예측치를 계산하고, 이 값을 기준 저항값과 비교하여 인가될 전압을 제어하는 전압 제어부;

상기 전압 제어부에 연결되어 필라멘트에 전압을 인가하는 전압 인가부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 발명 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법 및 장치에 의하면,

첫째 주위 조건과 무관하게 필라멘트의 전압과 전류값만을 이용하여 일정한 온도를 유지할 수 있고,

둘째 필라멘트 전원의 제어를 위하여 고전압 전원에서 공급하는 양극 전류의 정보를 필요로 하지 않아 독립적인 전원장치로 제작 및 별도 판매가 가능하며,

셋째 필라멘트의 전압, 전류가 직류형태로 공급됨에 따라 필라멘트의 온도를 보다 빠르고 정밀하게 제어 가능하고,

넷째 마그네트론의 모딩 발생 시 양극 전류가 감소하더라도 기존 방식과는 달리 필라멘트 전류를 감소시켜 필라멘트의 과열이 방지되며,

다섯째 이를 통해 필라멘트의 수명을 더욱 연장 가능하므로 상당한 기술적, 경제적 가치 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르 게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

기본적으로 필라멘트는 순수한 저항으로 모델링 되며, 저항은 온도가 증가함에 따라 다음의 수학식 2와 같이 그 저항치가 비례하여 증가하는 특성을 지니게 된다.

상기에서, R₀는 0℃ 에서의 저항값을,

는 저항계수를, t는 현재 온도를 나타낸다.

따라서 필라멘트의 전압과 전류를 측정하여 이로부터 필라멘트의 저항값을 계산하여 항상 일정한 저항값이 되도록 제어를 해주면, 이는 곧 필라멘트의 온도가 항상 일정한 값이 되는 것을 의미한다. 이때 일정한 값을 유지하도록 제어하기 위해 기준으로 사용하는 필라멘트의 저항값을 기준 저항값(300)이라고 한다.

상기와 같이 기준 저항값을 설정한 후, 저항예측치를 측정하기 위하여 필라멘트의 전압 및 전류를 측정한다(310). 측정된 전압 및 전류를 이용하여 현재 필라 멘트의 저항값을 계산하고(320), 이 값을 기준 저항값과 비교하여 필라멘트에 인가되는 전압을 조절한다(330).

저항예측치가 기준 저항값보다 높은 경우 이는 온도가 높아졌다는 의미이므로 필라멘트에 인가되는 전압을 낮춰서 필라멘트의 온도를 하강시키고, 반대로 저항예측치가 기준 저항값보다 낮은 경우 이는 온도가 낮아졌다는 의미이므로 필라멘트에 인가되는 전압을 높여서 필라멘트의 온도를 상승시킨다(340).

상기의 저항예측치가 기준 저항값 보다 높은 경우는 마그네트론이 예열된 후 정상 동작 시 고전압 전원의 양극 전류(또는 출력)가 증가함에 따라 필라멘트 역충격에 의해 필라멘트의 온도가 상승하는 경우로서, 이때 제어에 의해 필라멘트에 흐르는 전류를 감소시켜 기준 저항값으로 유지함으로써 필라멘트가 일정한 온도 상태를 유지하게 한다.

상기의 과정을 장치의 형태로 도 4에 도시하였다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명 마그네트론 필라멘트의 전원 제어 장치의 일 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

본 실시예에서는 공진형 인버터(500)와 정류부(540)로 구성되는 직류형태의 필라멘트 전원장치를 구성하며 상세한 설명은 다음과 같다.

먼저, 마그네트론의 필라멘트 전원은 도 5에 보이는 것과 같이 필라멘트가 고전압이 인가되는 측에 연결되어 있어서 고압 절연이 필요하게 되는데, 이를 보통 고전압 절연변압기(590)를 사용하여 해결한다.

이에 따른 문제점으로 변압기 2차 측에서 필라멘트로 인가되는 전압과 전류 를 직접 검출하기가 어렵게 되고, 1차 측에서 인가되는 전압을 단순히 가감하는 오픈루프식 제어가 이루어지므로, 본 발명에서는 필라멘트의 정확한 저항값(또는 온도)을 제어하기 위하여 절연변압기 2차 측의 필라멘트 전압과 전류를 직접 검출하여 일정 저항값을 유지하도록 제어하게 되고, 이를 위해 필라멘트 쪽의 센서부(570)에서 전압과 전류를 직접 검출하게 된다.

이에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 필라멘트 전원장치는 절연변압기를 중심으로 저압부와 고압부의 두 부분으로 구성되고, 고압부 전원의 공급을 위하여 절연 변압기(590, 592)가 사용되고, 검출된 전압과 전류 정보를 담고 있는 소신호 레벨의 전압형태 신호는 전압/주파수 변환기(560)를 거쳐 주파수 정보형태로 광신호로 변환되어 저전압부로 전달되며 이는 다시 주파수/전압 변환기(520)에 의해 전압의 형태로 변경되어 인버터 제어부(510)로 전달된다.

상기에서 전압/주파수 변환기(560)은 전압정보를 전압의 크기에 비례하여 증가하는 주파수 정보로 바꾸어 전송한다. 예를 들면 전압/주파수 변환기(560)은 0V-5V의 신호 전달을 위해 비례하는 주파수 신호로 0Hz- 500Hz 정보로 변환하고, 주파수/전압 변환기(520)에서는 광신호의 깜빡거리는 주파수를 측정하여 전압정보로 바꾸어 전달한다. 즉, 300Hz로 측정되었다면 3V의 정보를 의미한다.

상기와 같은 방법 외에, 또 다른 방법으로서 주파수를 고정한 상태에서 온-오프 구간의 비율로 전압 정보를 전달할 수 있다. 예를 들어 항상 100Hz의 주파수로 신호를 전달하되, 0V는 광이 꺼진 신호로 전달하고 최대치인 5V는 항상 켜진 상태를 의미하는 경우, 2.5V는 비례적으로 변환하면 광신호가 수신되는 비율이 50% 수신되지 않는 비율이 50%로 즉, 50%의 듀티비(duty ratio)를 가지는 신호로 전달된다.

또 다른 방법으로는 광신호를 전달할 때 광송신부에 흐르는 전류를 신호의 크기와 비례하도록 인가하여 광의 밝기를 전송하는 방법으로 정보를 전달할 수 있다. 이때는 보통 광신호 송신단의 전류의 크기를 조절하여 광의 밝기가 바로 센싱된 신호의 크기가 되며, 수신단에서는 이 광신호를 다시 전류신호로 바꾸어 여기에 저항을 달아서 전압의 형태로 사용한다.

인버터 제어부에서는 도 5에 제시된 것과 같이 필라멘트에서 측정된 전압과 전류값으로부터 연산에 의하여 저항예측치를 계산하며, 이를 기준 저항값과 비교하여 기준 저항값보다 작은 경우 전류를 증가시키는 방향으로 또 기준 저항값보다 큰 경우 전류를 감소시키는 방향으로 제어를 수행하게 된다. 또한 입력 전원(530)은 인버터를 통해서 필라멘트에 전원을 공급할 뿐만 아니라 절연변압기(592)을 통해서 고압부의 센서와 V/F 변환부에도 전원을 공급(580)한다.

필라멘트 전력 공급을 위한 인버터(500)는 도 6에 도시된 것과 같이 단상 풀브릿지 형태의 공진형 인버터를 사용하고, 이는 그림과 같이 4개의 반도체 스위치와 공진 커패시터, 공진 인덕터와 함께 구성되어 변압기 1차 측에 전원을 공급하며, 상기의 공진 인덕터는 변압기 내부의 인덕턴스로 대체 가능하다.

공진형 인버터(500)는 고효율 소형 제작의 장점을 지니는 인버터로서, 고주파 공진 전류를 발생시켜 절연 변압기(510)를 통하여 고압부 측에 전달하고, 이 교류신호는 정류회로(540)를 거쳐 직류의 형태로 변환되어 필라멘트에 인가된다.

필라멘트의 전압, 전류가 직류형태로 공급됨에 따라 필라멘트의 온도를 보다 빠르고 정밀하게 제어 가능하다.

상기와 같은 구조의 필라멘트 전압 제어 장치를 사용함으로써, 종래에 이런 제어에 있어 필수적으로 요구되었던 양극 전류의 정보가 필요 없게 되므로, 필라멘트 전원장치는 연계제어를 위한 고전압 전원장치와 완전히 독립적인 전원장치로 제작이 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래 기술에 따른 마그네트론 필라멘트 전원의 연결 구성도,

도 2는 종래 기술에 따른 필라멘트 전원의 제어 곡선,

도 3은 본 발명에 따른 필라멘트 전원의 제어 방법,

도 4는 본 발명에 따른 필라멘트 전원의 제어 장치,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 전원 제어 장치를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 전원 제어 장치의 공진형 인버터부의 상세 구성도,

도 7은 본 발명에 따른 제어 순서를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

100 : 마그네트론 110 : 마그네트론 전원

120 : 필라멘트 전원

400 : 필라멘트 410 : 전압 및 전류 측정부

420 : 전압 제어부 430 : 전압 인가부

500 : 인버터 510 : 인버터 제어부

520 : F/V 변환부 530 : 입력 전원

540 : 정류부 550 : 필라멘트

560 : V/F 변환부 570 : 센서부

580 : 전원 공급부 590 : 제1 변압기

592 : 제2 변압기

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. (a) 기준 저항값을 설정하는 단계;

   (b) 필라멘트의 전압 및 전류를 측정하는 단계;

   (c) 상기 전압 및 전류로부터 필라멘트의 저항예측치를 계산하는 단계;

   (d) 상기 저항예측치와 상기 기준 저항값을 비교하여 인가전압을 조절하는 단계를 포함하여 구성되는 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법에 있어서,

   상기 (d) 단계는,

   공진형 인버터를 통해 필요한 교류 전압을 발생시키고, 이를 정류하여 필라멘트에 직류형태로 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 마그네트론의 음극을 가열하는 필라멘트부;

   상기 필라멘트부에 연결되어 필라멘트부의 전압값과 전류값을 측정하는 전압 및 전류 측정부;

   상기 전압 및 전류 측정부에 연결되어 저항예측치를 계산하고, 이 값을 기준 저항값과 비교하여 인가될 전압을 제어하는 전압 제어부;

   상기 전압 제어부에 연결되어 필라멘트에 전압을 인가하는 전압 인가부를 포함하여 구성되는 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 장치에 있어서,

   상기 전압 및 전류 측정부에 연결되어 센서부에 의해 측정된 전압 및 전류를 주파수 형태로 바꾸는 V/F 변환부와, 상기 V/F 변환부에 연결되어 주파수 형태의 값을 전압 및 전류 형태로 바꾸어 전압 제어부에 전달하는 F/V 변환부를 더 포함하여 구성되고,

   상기 전압 인가부는,

   전원이 입력되는 입력 전원부;

   상기 입력 전원부에 연결되어 필요한 크기의 전압을 발생시키는 공진형 인버터;

   상기 공진형 인버터에 연결된 절연변압기;

   상기 절연변압기에 연결되어 발생된 교류를 직류로 변환시켜 필라멘트에 인가하는 정류부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 장치.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 입력 전원부는,

   상기 센서부, V/F 변환부, F/V 변환부에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 장치.
10. 청구항 8에 있어서,

    상기 공진형 인버터는,

    4개의 반도체 스위치와 공진 커패시터, 공진 인덕터와 함께 구성된 단상 풀브릿지 형태인 것을 특징으로 하는 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 장치.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 공진형 인버터는,

    상기의 공진 인덕터를 변압기 내부의 인덕턴스로 대체하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 필라멘트 전원의 제어 장치.

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