KR100904883B1

KR100904883B1 - 주파수 안정형 유전가열장치

Info

Publication number: KR100904883B1
Application number: KR1020080025958A
Authority: KR
Inventors: 장우환
Original assignee: 주식회사 동영엔지니어링
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-06-29

Abstract

본 발명은 주파수 안정형 유전가열장치에 관한 것으로, 진공관을 제거하고 반도체 소자를 이용하여 출력 주파수를 고정시키는 주파수 안정형 유전가열장치에 관한 것이다. 출력 주파수를 생성시키는 크리스탈 발진기(11)와, 상기 크리스탈 발진기(11)의 출력 주파수를 일차적으로 분주하는 일차 분주기(12)와, 상기 일차 분주기(12)로 분주된 주파수가 입력되는 위상비교기(13)와, 상기 위상비교기(13)의 출력이 입력되는 전압제어 발진기(15)와, 상기 전압제어 발진기(15)의 출력이 입력되어, 상기 위상비교기(13)로 피드백(Feed back)시키는 이차 분주기(14)로 구성되는 위상잠금루프(10)를 구비한다. 따라서, 본 발명은 반도체 소자를 이용하여 진공관 방식과 달리 주변장치로부터의 외란, 기후와 온도의 영향에 무관하게 출력 주파수를 고정시키며, 부하단 임피던스와의 정합이 쉽고, 유전가열이 지속되는 동안에도 부하의 공진점에 일치시되는 출력을 제공하는 효과가 있다.

위상잠금루프, 크리스탈 발진기, 분주기, 위상비교기, 전압제어 발진기

Description

주파수 안정형 유전가열장치{Frequency Locking Type Dielectric Heating Device}

본 발명은 주파수 안정형 유전가열장치에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 진공관을 제거하고 반도체 소자를 이용하여 출력 주파수를 고정시키는 주파수 안정형 유전가열장치에 관한 것이다.

일반적으로 유전가열장치는 보통 비전도 전기적 성질을 가진 재질에 적용되는 것으로서, 가열되는 물질(부하)은 두 전극 사이에 놓이게 되며, 고주파 형태의 에너지가 전극에 가해져 매우 빠른 비율로 부하 전체에 열을 발생시키는 장치이다.

도 1은 종래의 유전가열장치의 발진 회로부를 나타낸 도면으로, 종래의 유전가열장치는 전극에 입력되는 고주파를 형성시키기 위하여, 상기 도 1에 도시된 바와 같은 고출력 진공관을 사용하였다.

그러나, 상기 진공관을 사용한 유전가열장치는 외란에 의한 고주파 출력의 변동이 심하여 부하단의 임피던스에 부정합이 빈번하게 발생되어, 에너지 효율이 저하되는 원인이 되며, 상기 진공관으로 고출력을 유지하기 위해서는 발진 회로부의 크기가 비대해지므로, 유전가열장치 자체를 유연하게 사용하는데 방해가 되기도 한다.

즉, 진공관 방식에 의한 유전가열장치는 주변장치로부터의 외란, 기후와 온도의 영향으로 출력 주파수가 미세하게 흔들리는 경우가 허다하게 발생되므로, 부하단 임피던스의 완벽한 정합을 이루기 힘들고, 이로 인하여 유전가열이 지속되는 동안 부하의 공진점에 일치시키는 것은 불가능하기 때문에 에너지 효율이 크게 낮아지는 문제점이 발생된다.

한편, 유전가열장치에 사용되는 고출력 진공관은 그 크기에 비례하여 가격이 크게 증가되며, 유전가열장치 가격의 대부분을 차지하므로, 장비의 효용성에 비하여 지나치게 높은 장비 가격 때문에 유전가열장치에 대한 접근을 차단하는 원인이 되기도 한다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 반도체 소자를 이용하여 진공관 방식과 달리 주변장치로부터의 외란, 기후와 온도의 영향에 무관하게 출력 주파수를 고정시키며, 부하단 임피던스와의 정합이 쉽고, 유전가열이 지속되는 동안에도 부하의 공진점에 일치되는 출력을 제공하도록 하여, 장비의 효용성에 대한 가격 저항을 개선시키는 주파수 안정형 유전가열장치를 제공하는데 목적이 있다.

목적을 달성하기 위한 구성으로는, 출력 주파수를 생성시키는 크리스탈 발진기와, 상기 크리스탈 발진기의 출력 주파수를 일차적으로 분주하는 일차 분주기와, 상기 일차 분주기로 분주된 주파수가 입력되는 위상비교기와, 상기 위상비교기의 출력이 입력되는 전압제어 발진기와, 상기 전압제어 발진기의 출력이 입력되어, 상기 위상비교기로 피드백(Feed back)시키는 이차 분주기로 구성되는 위상잠금루프를 구비한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 위상잠금루프는 출력 주파수 10.24㎒의 크리스탈 발진기를 분주비 1024인 일차 분주기로 분주하고, 40㎒를 출력으로 하는 전압제어 발진기의 출력은 분주비 4000인 이차 분주기로 분주하여, 상기 위상비교기로 피드백(Feed back)한다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 위상잠금루프는 출력 주파수 10.24㎒의 크리스탈 발진기를 분주비 1024인 일차 분주기로 분주하고, 40㎒를 출력으로 하는 전압제어 발진기의 출력은 상기 이차 분주기로 분주비를 가변 분주하여 상기 위상비교기로 피드백(Feed back)하여, 출력 주파수 대역을 변조시킨다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 위상잠금루프의 전압제어 발진기에 연결되어 고조파 성분을 제거하는 대역통과 여파기와, 상기 대역통과 여파기의 출력을 증폭시키는 증폭단과, 상기 증폭단의 출력을 부하단 임피던스와 정합시켜 부하단에 출력시키는 임피던스 매칭회로부를 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 부하단의 임피던스를 측정하여 이를 전압제어 발진기의 전압입력단으로 피드백(Feed back)시키는 버퍼회로인 인터페이스를 더 포함하되, 상기 부하단의 임피던스가 가변되어 부하단의 LC 공진 주파수가 이동되면, 이를 상기 전압제어 발진기의 입력전압에 피드백(Feed back)시켜 위상잠금루프의 출력 주파수를 이동시키거나 출력을 차단시킨다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 반도체 소자를 이용하여 진공관 방식과 달리 주변장치로부터의 외란, 기후와 온도의 영향에 무관하게 출력 주파수를 고정시키며, 부하단 임피던스와의 정합이 쉽고, 유전가열이 지속되는 동안에도 부하의 공진점에 일치시되는 출력을 제공하는 효과가 있다.

또한, 상기 진공관을 제거하고 반도체 소자를 이용함으로써, 장비의 효용성에 대한 가격 저항을 개선시키는 효과가 있다.

도 2는 본 발명에 따른 주파수 안정형 유전 가열장치의 블럭도이고, 도 3은 본 발명에 따른 주파수 안정형 유전 가열장치의 전압제어 발진기의 출력 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 주파수 안정형 유전 가열장치의 위상잠금루프의 일부 구성도이다.

이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 주파수 안정형 유전 가열장치의 블럭도로서, 상기 주파수 안정형 유전가열장치는 위상잠금루프(PLL : Phase Locked Loop)(10)와, 대역통과 여파기(BPF : Band Pass Filter)(20), 증폭단(30), 임피던스 매칭회로부(Impedance Matching)(40), 부하단(Load)(50) 및 인터페이스(Interface)(60)로 구성된다.

상기 위상잠금루프(PLL : Phase Locked Loop)(10)는 위상 고정회로, 위상 잠금장치 또는 위상 잠금회로로 알려져 있으며, 신호를 특정 위상으로 강제적으로 유지시키는 장치로서, 위상은 주파수를 적분한 개념이므로 위상을 고정한다는 것은 주파수를 고정시킨다는 것과 거의 같은 의미이므로, 상기 위상잠금루프(10)는 주파수 고정회로라 할 수 있다.

상기 위상잠금루프(PLL : Phase Locked Loop)(10)는 출력 주파수를 생성시키는 크리스탈 발진기(X-tal Oscillator)(11)와, 상기 크리스탈 발진기(X-tal Oscillator)(11)의 출력 주파수를 일차적으로 분주하는 일차 분주기(Divide)(12)와, 상기 일차 분주기(Divide)(12)로 분주된 주파수가 입력되는 위상비교기(PD : Phase Detector)(13)와, 상기 위상비교기(PD : Phase Detector)(13)의 출력이 입력되는 전압제어 발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)(15)와, 상기 전압제 어 발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)(15)의 출력이 입력되어, 상기 위상비교기(PD : Phase Detector)(13)로 피드백(Feed back)시키는 이차 분주기(Divide)(14)로 구성된다.

상기 위상잠금루프(10)의 전압제어 발진기(15)에는 고조파 성분을 제거하는 대역통과 여파기(20)와, 상기 대역통과 여파기(20)의 출력을 증폭시키는 증폭단(30)과, 상기 증폭단(30)의 출력을 부하단(50) 임피던스와 정합시켜 부하단(50)에 출력시키는 임피던스 매칭회로부(40)와, 상기 부하단(50)의 임피던스를 측정하여 이를 전압제어 발진기(15)의 전압입력단으로 피드백(Feed back)시키는 버퍼회로인 인터페이스(60)가 연결된다.

상기 전압제어 발진기(15)는 도 3의 출력 그래프와 같이, 입력 전압에 대하여 출력 주파수가 비례하는 장치로서 입력 전압을 제어하여, 출력 주파수를 가변시키는 장치로, 주변 온도 등의 환경에 따라 출력이 가변되는 불안정성을 가지고 있다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 출력 주파수를 피드백(Feed back)시켜, 이를 입력단에서 보상함으로써 주파수를 안정화시킬 수 있으며, 상기 출력 주파수를 피드백(Feed back)시켜 보상하기 위하여, 피드백(Feed back)된 주파수와 원래 출력하고자 하는 주파수를 비교할 수 있는 비교기가 있어야 하는데, 이러한 비교기가 상기 도 2의 위상비교기(13)이다.

한편, 상기 위상비교기(13)에는 원래 출력하고자 하는 주파수 즉, 비교 대상값이 있어야 입력되는 피드백(Feed back) 값과 비교할 수 있으며, 이러한 원래 출 력하고자 하는 주파수 값은 환경에 영향을 받지 않는 안정화된 주파수 값이어야 한다.

그런데, 고주파 영역에서는 주파수가 흔들림 없이 고정될 수 없으므로, 본 발명의 상기 크리스탈 발진기(11)와 일차 분주기(12)로 안정된 저주파 대역의 주파수를 출력시키고, 이를 상기 위상비교기(13)의 원래 출력하고자 하는 주파수 값으로 사용하며, 상기 전압제어 발진기(15)의 출력은 이차 분주기(14)로 분주하여 상기 위상비교기(13)에 입력되는 원래 출력하고자 하는 주파수 값과 동일 주파수가 되도록 분주시켜 피드백(Feed back)시킴으로서 위상비교기(13)가 실행될 수 있도록 한다.

따라서, 본 발명의 위상잠금루프(10)는 크리스탈 발진기(11)의 출력 주파수를 일차 분주기(12)로 분주하여 위상비교기(13)로 입력하고, 상기 위상비교기(13)의 출력은 전압제어 발진기(15)로 입력시키고, 상기 전압제어 발진기(15)의 출력은 이차 분주기(14)에 의해 상기 일차 분주기(12)와 동일 주파수로 상기 위상비교기(13)에 피드백(Feed back)된다.

상기 위상비교기(13)와 전압제어 발진기(15) 사이에는 도 4에 도시된 바와 같이, 차지펌프(Charge Pump)(16)와 루프필터(Loop Filter)(17)를 포함하는 펄스-전압변환기를 구성하여, 상기 위상비교기(13)가 비교한 피드백(Feed back) 보상값을 전압으로 변환시키며, 상기 루프필터(Loop Filter)(17)는 통상의 로패스필터(LPF : Low Pass Filter)로 구성된다.

본 발명은 유전가열장치의 발진 회로부이므로, 유전가열장치에 사용될 수 있 는 1㎒ ~ 200㎒ 대역 중에서 ISM 대역에 해당되는 40㎒의 출력을 발생시키기 위하여, 상기 위상잠금루프(10)는 10.24㎒ 크리스탈 발진기(11)의 주파수를 분주비 1024인 일차 분주기(12)로 10㎑의 저주파 대역으로 분주시키고, 40㎒의 고주파를 출력으로 하는 전압제어 발진기(15)의 출력은 분주비 4000인 이차 분주기(14)로 10㎑의 저주파로 분주하여 상기 위상비교기(13)로 피드백(Feed back)시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 위상잠금루프(10)는 주파수 대역이 40㎒에 고정되어 주변의 온도 등의 환경 변화에 무관한 안정적인 고주파를 출력시키는 특징을 가지게 된다.

한편, 본 발명이 사용되는 유전가열장치는 부하단(50)의 임피던스 값에 따라 사용되는 주파수 값을 변경하여야 하는데, 상기 위상잠금루프(10)의 이차 분주기(14) 분주비를 변조함으로써, 출력 주파수를 변조시키거나 상기 전압제어 발진기(15)의 입력전압을 가변하여 출력 전압을 변조시킬 수 있으며, 이러한 경우에는 본 발명의 위상잠금루프(10)는 안정된 변조 주파수가 궤환되어 출력되는 특성을 가지므로, 유전가열장치에 사용될 수 있는 1㎒ ~ 200㎒ 주파수 대역 중에서 허용된 ISM 대역을 선택적으로 사용할 수 있는 유전가열장치가 제공되는 이점이 있다.

상기 위상잠금루프(10)의 10.24㎒의 크리스탈 발진기(11)를 분주비 1024인 일차 분주기(12)로 분주하고, 40㎒를 출력으로 하는 전압제어 발진기(15)의 출력은 상기 이차 분주기(14)로 분주비를 가변 분주하여 상기 위상비교기(13)로 피드백(Feed back)함으로써, 출력 주파수 대역을 변조시키도록 구성하는 것을 예로 들 수 있으며, 상기 전압제어 발진기(15)의 입력 전압으로 주파수를 제어할 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 주파수 안정형 유전가열장치의 작동방법을 설명하면 다음과 같다.

위상잠금루프(10)의 크리스탈 발진기(11)에서 출력되는 주파수 10.24㎒를 일차 분주기(12)에서 1024 분주비로 분주하여 위상비교기(13)로 입력하고, 상기 위상비교기(13)의 출력은 40㎒를 출력으로 하는 전압제어 발진기(15)로 입력시키고, 상기 전압제어 발진기(15)의 출력은 이차 분주기(14)에서 분주비를 가변하여 상기 위상비교기(13)로 피드백(Feed back)시켜, 출력 주파수 대역을 변조시키게 된다.

상기 출력 주파수 대역은 연속되는 대역통과 여파기(20)와 증폭단(30), 임피던스 매칭회로부(40)를 통하여 부하단(50)에 전달된다.

상기 대역통과 여파기(20)는 상기 전압제어 발진기(15)에 연결되어 위상잠금루프(10)에서 발생되는 고조파 성분을 제거하는 대역통과필터 회로이며, 상기 대역통과 여파기(20)의 출력은 증폭단(30)에 의하여 증폭되는데, 본 발명의 실시 예에 있어서는 상기 증폭단(30)을 프리앰프(Pre AMP)(31)와 파워앰프(Power AMP)(32)로 구분하여 상기 위상잠금루프(10)의 출력을 프리앰프(31)에서 30W로 증폭되도록 설계하였고, 상기 파워앰프(32)는 500W의 출력이 발생되도록 하였다.

상기 증폭단(30)의 출력은 임피던스 매칭회로부(40)를 통하여 부하단(50) 임피던스와 정합시켜 부하단(50)에 출력시킨다.

이때, 부하단(50)으로 고주파를 가하는 전극으로서 일반적인 평판전극(평판 平板電極)을 예로 들어 출력의 관점을 살펴보면, 유전가열은 피가열 물질(부하)의 유전 손실을 이용하는 것으로, 물체의 두께에 의하여 LC 직렬공진 원리를 이용한다는 관점에서 보면, 출력단의 평판 전극간 거리 또는 부하인 유전 물질의 두께가 가열에 따라 변화된다면 부하단(50)의 임피던스(C의 변화)도 변하게 되어 공진점(주파수)의 이탈을 초래한다.

따라서, 원래 부하단(50)으로 가해지는 주파수에 의한 안정적인 전력의 제공은 부하단(50)(전극간 거리와 부하 임피던스의 변화 등을 모두 포함한 개념)의 임피던스 변화에 의하여 변화됨으로써, 시간에 따라 불안정성을 유발하게 된다.

본 발명은 이러한 부하단(50) 임피던스의 변화를 궤환하여 주파수 출력을 보정함으로써 부하 임피던스가 요구하는 가장 적정한 주파수 출력을 제공한다.

이를 위하여 상기 유전가열장치의 발진 회로부는 상기 부하단(50)의 임피던스를 측정하여 이를 전압제어 발진기(15)의 전압입력단으로 피드백(Feed back)시키는 버퍼회로인 인터페이스(60)를 더 포함하여 구성되며, 상기 부하단(50)의 임피던스가 가변되어 부하단(50)의 LC 공진 주파수가 이동되면, 이를 상기 전압제어 발진기(15)의 입력전압에 피드백(Feed back)시켜 위상잠금루프(10)의 출력 주파수를 이동시키거나 출력을 차단시키게 되는데, 상기 버퍼회로에서 감지된 부하단(50)의 임피던스 값은 보정기(15a)를 통하여 VCO 입력보정 값으로 변환되어 전압제어 발진기(15) 출력주파수를 가변시킴으로써 공진점을 이동시키거나, 극단적인 예로서 전극간 단락의 위험이 있는 임피던스에서는 전원을 차단하는 등 부하단의 출력이 조정되도록 한다.

이상 설명한 본 발명에 의하며, 본 발명은 희망하는 유전가열장치의 발진주파수를 외란의 영향없이 안정적으로 발생시키며, 부하단(50)의 요구에 맞추어 주파수 출력의 변조가 자유롭고, 유전가열 진행 중 부하단(50) 임피던스 변화에 대하여 부하단(50)에 입력되는 주파수 출력도 변화되어 항상 최적의 에너지 효율을 가져올 수 있으며, 부하단(50)에서 발생될 수 있는 단락 사고 등에 대한 대응이 가능하여 운전이 크게 편리해지는 유전가열장치가 제공된다.

본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 유전가열장치의 발진 회로부를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 주파수 안정형 유전가열장치의 블럭도.

도 3은 본 발명에 따른 주파수 안정형 유전가열장치의 전압제어 발진기의 출력 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 주파수 안정형 유전가열장치의 위상잠금루프의 일부 구성도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >

10 : 위상잠금루프 11 : 크리스탈 발진기

12 : 일차 분주기 13 : 위상비교기

14 : 이차 분주기 15 : 전압제어 발진기

16 : 차지펌프 17 : 루프필터

20 : 대역통과 여파기 30 : 증폭단

31 : 프리앰프 32 : 파워앰프

40 : 임피던스 매칭회로부 50 : 부하단

60 : 인터페이스

Claims

주파수 안정형 유전가열장치에 있어서,

출력 주파수를 생성시키는 크리스탈 발진기(11)와, 상기 크리스탈 발진기(11)의 출력 주파수를 일차적으로 분주하는 일차 분주기(12)와, 상기 일차 분주기(12)로 분주된 주파수가 입력되는 위상비교기(13)와, 상기 위상비교기(13)의 출력이 입력되는 전압제어 발진기(15)와, 상기 전압제어 발진기(15)의 출력이 입력되어, 상기 위상비교기(13)로 피드백(Feed back)시키는 이차 분주기(14)로 구성되는 위상잠금루프(10)를 구비하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정형 유전가열장치.
제 1항에 있어서,

상기 위상잠금루프(10)는 출력 주파수 10.24㎒의 크리스탈 발진기(11)를 분주비 1024인 일차 분주기(12)로 분주하고, 40㎒를 출력으로 하는 전압제어 발진기(15)의 출력은 분주비 4000인 이차 분주기(14)로 분주하여, 상기 위상비교기(13)로 피드백(Feed back)하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정형 유전가열장치.
제 1항에 있어서,

상기 위상잠금루프(10)는 출력 주파수 10.24㎒의 크리스탈 발진기(11)를 분주비 1024인 일차 분주기(12)로 분주하고, 40㎒를 출력으로 하는 전압제어 발진기(15)의 출력은 상기 이차 분주기(14)로 분주비를 가변 분주하여 상기 위상비교 기(13)로 피드백(Feed back)하여, 출력 주파수 대역을 변조시키는 것을 특징으로 하는 주파수 안정형 유전가열장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 위상잠금루프(10)의 전압제어 발진기(15)에 연결되어 고조파 성분을 제거하는 대역통과 여파기(20)와, 상기 대역통과 여파기(20)의 출력을 증폭시키는 증폭단(30)과, 상기 증폭단(30)의 출력을 부하단(50) 임피던스와 정합시켜 부하단(50)에 출력시키는 임피던스 매칭회로부(40)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 주파수 안정형 유전가열장치.
제 4항에 있어서,

상기 부하단(50)의 임피던스를 측정하여 이를 전압제어 발진기(15)의 전압입력단으로 피드백(Feed back)시키는 버퍼회로인 인터페이스(60)를 더 포함하되, 상기 부하단(50)의 임피던스가 가변되어 부하단(50)의 LC 공진 주파수가 이동되면, 이를 상기 전압제어 발진기(15)의 입력전압에 피드백(Feed back)시켜 위상잠금루프(10)의 출력 주파수를 이동시키거나 출력을 차단시키는 것을 특징으로 하는 주파수 안정형 유전가열장치.