KR101945318B1 - 고주파 인두기의 전원 공급 장치 - Google Patents

고주파 인두기의 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본체, 인두기 팁, 및, 발열부를 포함하여 구성되는 고주파 인두기의 전원 공급 장치에 관한 것으로, 교류전원을 입력받아 직류전원으로 변환하는 파워 어셈블리; 스위칭 신호를 생성하는 FET 스위칭부; 스위칭 신호에 의해 발생되는 펄스 형태의 교류전원의 전압을 변환하는 고주파 스위칭 변압기; 상기 인두기 내에 설치되고, 상기 고주파 스위칭 변압기의 출력에 의하여 유도되어 와전류를 발생시키고, 상기 와전류에 의해 발열부를 가열하는 유도 코일; 상기 FET 스위칭부에 부착되어 온도(이하 제1 내부온도)를 측정하는 제1 내부온도 센서; 상기 고주파 스위칭 변압기에 부착되어 온도(이하 제2 내부온도)를 측정하는 제2 내부온도 센서; 상기 발열부에 구비되어 상기 발열부에서 발생되는 열(이하 제3 내부온도)을 감지하는 제3 내부온도 센서; 상기 인두기의 주위 온도를 측정하는 주위온도 센서; 및, 상기 FET 스위칭부를 제어하되, 상기 제1 및 제2 내부온도가 사전에 정해진 기준온도 이상이 되면 상기 FET 스위칭부를 턴 오프(turn-off) 시키고, 상기 제3 내부온도 및 상기 주위온도를 이용하여 상기 FET 스위칭부의 스위칭 주파수를 조절하는 제어부를 포함하도록 구성된다.
상기와 같은 장치에 의하면, 인두 팁 내부 온도와 주위 온도의 차이 범위에 따라 스위칭 주기를 조절함으로써, 외부 온도 또는 주위 온도에 따라 팁의 상자성체로의 전환되는 시점이 다르게 되는 것을 보상하여, 항상 적정한 온도로 인두 팁을 가열하고 납땜 대상물에 과도한 온도 전이에 의한 손상을 방지할 수 있다.

Description

고주파 인두기의 전원 공급 장치 { A power supply device for a high frequency soldering iron }
본 발명은 인두기 팁의 내부온도 센서를 통해 내부 온도를 측정하여 인두기의 전원 공급을 제어하되, 인두 작업 대상물이 있는 작업장 주변의 실내 온도를 감지하여 실내온도를 보상하도록 제어하는, 고주파 인두기의 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 인두기는 전자회사의 생산현장, 전자기판 실험실, 학생 실습실 등에서 사용되며, 주로 인쇄회로기판(PCB)에 전원 또는 회로를 패턴(Pattern)화 시키고 이 패턴부에 I,C 등의 부품이나 전기 및 전자소자를 납으로 융착하여 이들을 고정 설치하기 위한 것이다. 특히, 인두기는 선단부로 땜납을 용융시켜 납땜을 수행하거나 납땜되어 있던 땜납을 제거하는 것을 목적으로 사용된다.
상기와 같은 인두기는 손잡이가 구비된 본체와, 손잡이의 후방으로 구비된 전원선 및 전원플러그를 통해 전원을 공급받아 자체 발열되는 발열체와, 발열체의 선단에 형성되어 상기 발열체로부터 전도되는 열에 의해 발열되어 대상물을 가열시키는 팁으로 구성된다. 즉, 인두기는 공급되는 전원을 저항열 또는 유도가열 발열체를 통해 고온의 열로 발열시키고, 상기 발열된 열은 발열체의 선단에 접속된 상태로 끼워진 팁으로 전도되면서 상기 팁이 발열하게 된다.
특히, 전자유도는 인두기를 가열하는데 사용되어 왔다. 유도가열을 이용하는 이점은 별도로 사용된 코일 히터로부터 열을 먼저 팁에 전달하는 간접 방법에 의해 열 손실을 줄일 수 있다는 것이다. 전기 와전류는 인두기의 팁에 먼저 유도된다. 와전류는 일반적으로 발열부의 표면 근처에 집중한다. 전기 저항에 의해 와전류는 발열부의 줄(Joule)가열의 요인이 된다. 발열부가 철이나 철합금 등의 강자성체로 제작되었을 경우 재료 안에 내재된 자성체가 빠르게 변화함으로써, 히스테리시스 가열 또는 자기 손실에 의한 가열이 더욱 증가한다.
또한, 인두 팁의 온도가 상승하는 것에 따라 자기 특성은 변화한다. 그리고 강자성체는 퀴리점, 혹은 퀴리 온도(Tc)에서 강자기 특성이 없어져 Tc 이상에서는 히스테리시스 가열이 나타나지 않는다. 즉, 자석같은 강자성체를 퀴리온도 이상으로 가열하면 자석으로서의 성질을 잃는다. 이렇게 강자성체가 강자성 상태에서 상자성(常磁性, paramagnetism) 상태로 변하거나 그 반대로 변할 때의 전이온도를 말한다. 자석의 재료가 되는 물질을 조절하면 이 온도를 어느 정도 바꿀 수 있다. 한편, 인두기의 팁이 퀴리 온도 Tc에 도달해 자성을 잃는 순간 급격한 자장 변화을 위해 과도기적인 와전류가 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 퀴리 온도를 이용하면서 인두기의 온도를 가변적으로 제어하는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 1]. 즉, 상기 선행기술은 퀴리 온도 부근에서의 전자기적 특성에 착안하여, 종래에 회피했던 와전류의 급격한 상승을 적극적으로 이용한 기술이다.
그러나 상기 선행기술에 의하면, 인두기 팁이 용접부에 접속시 팁 부분의 열이 용접대상물로 전이된다. 이로 인하여 인두기 팁이 상자성 상태에서 강자성 상태로 변화된다. 이때, 강자성 상태에서 일정한 온도를 유지할 수 있도록 고주파 코일에 공급하는 전류를 감지하여 제어한다. 그러나 상자성에서 강자성으로 전환되는 과정 및 강자성 상태에서도 납땜 대상물 주위의 온도가 반영되지 아니하여, 냉납 또는 납땜 대상물에 과도한 온도 전이에 의한 손상이 발생할 수 있다.
또한, 인두기 팁의 선단에 온도를 감지하고 팁의 온도 설정부에서 설정한 온도를 유지할 수 있도록 하는 구성이 제시되고 있다[특허문헌 2]. 그러나 이러한 구성은 구조상 밀폐된 팁 내부 공간의 온도 만을 감지하여 실제 용접(납땜) 대상물의 주위의 온도가 반영되지 않는다. 즉, 실제 납땜이 되는 대상물의 납땜에 적정한 온도로 설정부를 조정하여 설정하더라도, 납땜인두의 선단부의 온도를 설정한 것이므로 실제 납땜을 하는 팁 부분의 외부 온도와는 편차가 발생한다. 따라서 주위 온도에 따라 냉납이 발생하거나 납땜 대상물에 과도한 온도 전이에 의한 손상이 발생 할 수 있다.
일본특허공보 제5449328호(2014.01.10.공고) 한국등록특허공보 제10-0750616호(2007.08.23.공고)
본 발명의 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 작업대상물의 주위 온도를 감지하는 주위온도 센서와 팁의 내부 온도를 감지하는 내부온도 센서의 센싱 온도 값의 차이에 따라 FET 스위칭소자의 스위칭 주기를 조절하는, 고주파 인두기의 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.
즉, 본 발명은 작업 환경의 주위 온도에 따라 인두 팁의 내부 온도와 인두 팁의 외부온도의 차이가 발생하는데, 인두 팁 내부 온도와 주위 온도의 차이 범위에 따라 팁의 상자성체로의 전환되는 시점이 다르게 되는 것을 보상하고자하는, 고주파 인두기의 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 본체, 인두기 팁, 및, 발열부를 포함하여 구성되는 고주파 인두기의 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 교류전원을 입력받아 직류전원으로 변환하는 파워 어셈블리; 스위칭 신호를 생성하는 FET 스위칭부; 스위칭 신호에 의해 발생되는 펄스 형태의 교류전원의 전압을 변환하는 고주파 스위칭 변압기; 상기 인두기 내에 설치되고, 상기 고주파 스위칭 변압기의 출력에 의하여 유도되어 와전류를 발생시키고, 상기 와전류에 의해 발열부를 가열하는 유도 코일; 상기 FET 스위칭부에 부착되어 온도(이하 제1 내부온도)를 측정하는 제1 내부온도 센서; 상기 고주파 스위칭 변압기에 부착되어 온도(이하 제2 내부온도)를 측정하는 제2 내부온도 센서; 상기 발열부에 구비되어 상기 발열부에서 발생되는 열(이하 제3 내부온도)을 감지하는 제3 내부온도 센서; 상기 인두기의 주위 온도를 측정하는 주위온도 센서; 및, 상기 FET 스위칭부를 제어하되, 상기 제1 및 제2 내부온도가 사전에 정해진 기준온도 이상이 되면 상기 FET 스위칭부를 턴 오프(turn-off) 시키고, 상기 제3 내부온도 및 상기 주위온도를 이용하여 상기 FET 스위칭부의 스위칭 주파수를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 고주파 인두기의 전원 공급 장치에 있어서, 상기 전원공급장치는 제1, 제2, 제3, 제4, 및, 제5 낸드게이트로 구성되는 게이트 드라이브 회로부를 더 포함하고, 상기 제1 낸드게이트의 출력핀은 상기 FET 스위칭부와 연결되고, 상기 제1 낸드게이트의 2개의 입력핀은 각각 상기 제어부의 구동신호와 제어신호를 입력받도록 구성되고, 상기 제2, 제3, 제4, 제5 낸드게이트의 출력은 상기 제어부의 입력신호로 연결되고, 상기 제2, 제3, 제4, 제5 낸드게이트의 2개의 입력핀 중 하나는 상기 제어부의 구동신호를 입력받도록 연결되고, 다른 하나는 각각 상기 제1, 제2, 제3 내부온도 센서와 상기 주위온도 센서의 출력과 연결되고, 상기 제어부는 상기 제1, 제2, 제3, 제4 또는 제5 낸드게이트의 구동신호를 온/오프로 제어하여 상기 FET 스위칭부를 제어하거나, 상기 제1, 제2, 제3 내부온도 센서 또는 상기 주위온도 센서로부터 측정값의 입력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 고주파 인두기의 전원 공급 장치에 있어서, 상기 제어부는 측정된 주위온도와 사전에 설정된 기준 주위온도의 차이에 반비례하여 상기 FET 스위칭부의 스위칭 주파수를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 고주파 인두기의 전원 공급 장치에 있어서, 상기 제어부는 다음 [수식 1]에 따라 상기 FET 스위칭부의 스위칭 주파수를 조절하는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
Figure 112017077642479-pat00001
단, f는 스위칭 주파수이고, f0는 사전에 설정된 기준 주파수이고, T는 측정된 주위온도이고, T0는 사전에 설정된 기준온도이고 α는 α> 0 인 상수임.
또한, 본 발명은 고주파 인두기의 전원 공급 장치에 있어서, 상기 제3 내부온도 센서는 열전대 센서로서, 센서신호 증폭부에 의해 증폭된 신호를 상기 제어부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 인두 팁 내부 온도와 주위 온도의 차이 범위에 따라 스위칭 주기를 조절함으로써, 외부 온도 또는 주위 온도에 따라 팁의 상자성체로의 전환되는 시점이 다르게 되는 것을 보상하여, 항상 적정한 온도로 인두 팁을 가열하고 납땜 대상물에 과도한 온도 전이에 의한 손상을 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, FET 스위칭 회로 또는 고주파 스위칭 변압기의 온도를 측정하여 일정한 온도 이상으로 올라가면 스위칭 회로를 차단함으로써, FET 스위칭 회로 또는 고주파 스위칭 변압기가 과열되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제어부의 출력을 직접 FET 스위칭 회로에 연결하지 않고 별도의 게이트 드라이브 회롤르 연결시켜 간접적으로 제어함으로써, FET 스위칭 회로나 고주파 스위칭 변압기에서 발생하는 노이즈로부터 발생되는 오작동을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고주파 인두기의 전원 공급 장치의 구성에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 게이트 드라이브 회로부의 회로 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 인두기의 전원 공급 장치의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 인두기의 전원 공급 장치(100)는, 센서 어셈플리(20), 파워 어셈블리(30), 유도가열 어셈블리(40), 및, 제어 어셈블리(50)로 구성된다.
센서 어셈블리(20)는 인두기 본체(10)의 내부에 구비되어, 인두기 또는 인두기 팁(11)의 내부 온도를 측정하는 제1, 제2, 제3 내부온도 센서(21,22,23)로 구성된다. 또한, 센서 어셈블리(20)는 인두기 본체(10) 또는 전원공급장치에 탈부착 가능하도록 구성되어, 작업장의 주위 온도를 측정하는 주위온도 센서(24)를 더 포함하여 구성된다.
제1, 제2, 제3 내부온도 센서(21,22,23)는 고주파 인두기 본체(10) 내부에 구비된다. 구체적으로, 제1 내부온도 센서(21)는 FET 스위칭부(42)에 부착되어 온도를 감지한다. 제1 내부온도 센서(21)에 의해 측정된 온도 신호는 FET 스위칭부(42)의 과열 여부를 판단한다. 또한, 제2 내부온도 센서(22)는 고주파 스위칭 변압기(43)에 부착되어 온도를 감지하여, 고주파 스위칭 변압기(43)의 과열 여부를 판단한다.
또한, 제3 내부온도 센서(23)는 인두기 선단에 구비된 발열부(12)에 구비되어, 발열부(12)에서 발생되는 열을 감지한다. 바람직하게는, 제3 내부온도 센서(23)는 열전대 센서로서, 수십 mV 전압 신호로 인두기의 발열부(12)의 열을 감지한다. 따라서 제3 내부온도 센서(23)는 감지한 측정값, 즉, 전압 신호를 센서신호 증폭부(25)에 의해 증폭하여 제어부(51)로 입력한다.
주위온도 센서(22)는 인두기 외부의 주변 온도를 측정하는 센서이다. 바람직하게는, 주위온도 센서(22)는 고주파 인두기 또는 전원장치의 외함에 탈부착할 수 있는 구조로 구성된다. 그리고 작업장 환경에 따라 리드선으로 연결하여 납땜 대상물 주위 온도를 측정하기 좋은 위치에 배치시킬 수 있도록 한다. 또한, 바람직하게는, 주위온도 센서(22)는 유무선으로 연결할 수 있도록 구성되며, 특히, 외함에 장착된 상태일 수 있다.
또한, 센서 어셈블리(20)는 제3 내부온도 센서(23)의 측정 신호를 입력받아, 해당 신호를 증폭시키는 센서신호 증폭부(25)를 더 포함하여 구성된다. 센서신호 증폭부(25)에 의해 증폭된 열전대 온도 신호는 게이트 드라이브 회로부(41)를 통해 제어부(51)로 입력된다. 또한, 증폭된 열전대 온도 신호는 직접 제어부(51)로 입력될 수 있다.
다음으로, 파워 어셈블리(30)는 교류전원을 입력받는 입력전원부(31), 교류전원의 노이즈를 제거하는 필터로 구성되는 노이즈 제거부(32), 교류전원의 전압을 변환시키는 원형 다운 트랜스 등 변압기(33), 교류전원을 정류시키는 브릿지 회로 등 정류부(34), 및, 정류된 전원을 평활화 시키는 평활부(35)로 구성된다.
또한, 유도가열 어셈블리(40)는 제어부(51)에서 외부의 신호를 입력받거나 제어신호를 출력하기 위한 인터페이스 장치인 게이트 드라이브 회로부(41), 스위칭 신호를 생성하는 FET 스위칭부(42), 스위칭 신호에 의해 발생되는 펄스 형태의 교류전원의 전압을 변환하는 고주파 스위칭 변압기(43), 및, 인두기 내에 설치된 유도 코일(44)로 구성된다.
도 2에서 보는 바와 같이, 게이트 드라이브 회로부(41)는 낸드 게이트로 구성된 IC칩을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 4개의 낸드 게이트로 구성된 IC 칩을 적어도 2개를 구비한다. 즉, 도 2와 같이, 하나의 IC칩은 4개의 낸드 게이트(Nand gate)로 구성되고, 14개의 핀으로 구성된다. 14번과 7번 핀은 각각 전원(Vcc)과 접지(Ground)에 연결되는 핀이다.
각 낸드 게이트는 제어부(51)로부터 출력신호 또는 제어부(51)로의 입력신호의 채널을 선택하는 역할을 수행한다. 즉, 각 낸드 게이트의 1개의 입력핀은 제어부(51)의 구동신호로 입력되고, 나머지 1개의 입력핀과 출력핀의 2개 핀들 중 1개는 제어부(51)에 연결된다. 또한, 상기 2개 핀들 중 나머지 1개는 FET 스위칭부(42), 내부온도 센서(21,22,23), 또는 주위온도 센서(24)와 연결된다. 바람직하게는, 제3 내부온도 센서(23)는 센서신호 증폭부(25)를 통해 연결된다. 바람직하게는, FET 스위칭부(42)로는 제어신호(또는 구동신호)가 출력되므로, 낸드 게이트의 출력핀이 연결된다. 그리고 내부온도 센서(21,22,23), 또는 주위온도 센서(24) 등은 제어부(51)로 신호가 입력되므로 낸드 게이트의 입력핀에 연결된다.
다음으로, 제어 어셈블리(50)는 마이크로프로세서 등으로 구성되는 제어부(51), 디스플레이 등 표시부(52), 입력버튼 등 입력부(53), 및, 변압기(33)로부터 제어용 전원을 공급하기 위한 제어용 전원부(54)로 구성된다.
또한, 인두기는 본체(10), 인두기 팁(11), 발열부(12)를 포함하여 구성된다.
발열부(12)는 강자성 재료로 제작된다. 인두기 선단부의 유도코일(44)에서 인가된 고주파에 의해 와전류가 유도되면, 상기 와전류에 의해 강자성 재료의 발열부(12)가 가열된다. 이때, 발열부(12)의 재료에 의해 퀴리 온도, 전기저항률, 비투자율은 변화한다. 바람직하게는, 강자성 재료는 철-니켈 합금이다. 각 합금의 고유 저항값과 투자율을 이용하여 전류 침투 깊이 δ를 구하고, 이를 기초로 발열부(12)의 두께를 설정한다. 그리고 설정된 두께의 발열부(12)를 열전도 구리 코어의 내부에 형성한다.
발열부(12)의 층은 열전도 구리 코어에 덮여 구성한다. 이를 통해, 열전도 구리 코어가 접촉하는 작업 대상물로 발열부(12) 층에서 발생한 열이 전달되기가 용이하다. 열전도 구리 코어의 조성은 열에너지를 효율적으로 전도하는 특성에 의해 결정된다. 열전도 구리 코어는 전면을 부식 방지를 위하여 철로 표면을 감쌀 수 있다. 그리고 발열부(12)의 열에 의해 녹은 솔더가 인두기 선단부의 팁(11)을 넘어서는 것을 방지하기 위하여, 백색 경질 도금 혹은 이와 유사한 재료로 도금을 하거나 금속 화합물로 조성할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 고주파 인두기의 전원 공급 장치의 동작을 설명한다.
파워 어셈블리(30)에서 외부 교류전원(31)이 공급되면, 공급되는 교류전원은 정류되어 직류전원이 유도가열 어셈블리(40)로 공급된다. 유도가열 어셈블리(40)에서 인두기의 유도코일(44)에 고주파 전류가 공급된다. 이때, FET 스위칭부(42)와 고주파 스위칭 변압기(43)에 의해 고주파 전류가 발생되고, 발생된 고주파 전류가 유도코일(44)에 공급된다.
유도코일(44)에 고주파 전류가 공급되면, 발열부(12)에 흐르는 와전류에 의해 줄(Joule) 가열이 발생한다. 따라서 가열된 발열부(12)의 온도가 상승한다.
이때, 가열 초기에는 저온에서 급격한 온도 상승이 이루어진다. 따라서 자장 변화도 매우 커지고, 줄(Joule) 열도 급격히 상승한다. 따라서 발열부(12)는 인두기의 열이 포화할 때까지 상승을 계속한다. 그리고 계속 가열되면, 어느 순간 인두기의 온도는 퀴리 온도(Tc)를 넘은 범위에서 포화된다.
한편, 온도가 상승한 인두기가 사용되면, 인두기 팁(11)에서 작업 대상물(또는 납땜 대상물)로 열이 전달되어 인두기의 온도가 저하한다. 이러한 온도 저하는 센서 어셈블리(20) 또는 내부온도 센서(21,22,23)에서 검출된다.
제어 어셈블리(50)의 제어부(51)에서, 검출된 온도 신호를 검사하여 온도 저하 여부를 판단한다. 인두기 온도가 저하되고 발열부(12)가 퀴리 온도 Tc 보다 낮아지면, 제어부(51)에서 온도 저하로 판단한다. 이때 마이크로프로세서 등 제어부(51)는 입력된 프로그램에 의해 게이트 드라이브 회로부(41)에서 미리 연결된 제1 낸드게이트(NAND GATE 1)를 구동시킨다. 그리고 게이트 드라이브 회로부(41)는 FET 스위칭부(42)를 턴 온(TURN-ON)시킨다.
턴 온(TURN-ON)된 FET 스위칭부(42)는 200 ~ 400kHz의 고주파를 발생시켜서 고주파 스위칭 변압기(43)의 1차 측에 인가한다. 이후 고주파 스위칭 변압기(43)의 2차측에서 유기된 200~400kHz 대역의 고주파가 인두기 본체(10) 내부에 내장된 고주파 유도코일(44)로 인가된다.
유도코일(44)은 인가된 고주파에 의해 와전류를 유도하고 이 와전류에 의해 강자성 재료로 제작된 발열부(12)가 가열되고 또한 표피 효과를 발생시켜 발열부(12)가 다시 가열된다. 발열부(12)의 층은 열전도 구리 코어에 덮여 구성되므로, 열전도 구리 코어가 접촉하는 작업 대상물로 발열부(12) 층에서 발생한 열이 전달되기가 용이하다.
또한, 제1 내부온도 센서(21)는 FET 스위칭부(42)에 부착되어 구비되고, 제2 낸드게이트(NAND GATE 2)에 전기적으로 연결된다. FET 스위칭부(42)의 온도가 상승하면, 제1 내부온도 센서(21)에서 전압이 발생한다. 상기 전압값이 미리 설정된 전압 레벨 이상으로 상승하면, 제2 낸드게이트(NAND GATE 2)를 작동 시킨다.
즉, 제1 내부온도 센서(21)의 출력은 마이크로프로세서 등 제어부(51)로 입력되고, 제어부(51)는 입력된 온도 신호로부터 FET 스위칭부(42)의 과열로 판단한다. 내장된 프로그램에 의해 마이크로프로세서 등 제어부(51)는 제1 낸드게이트(NAND GATE 1)의 구동을 중지시킨다. 즉, FET 스위칭부(42)는 턴 오프(TURN-OFF)되고, 고주파 스위칭 변압기(43)의 작동도 중지된다. 상기와 같은 보호 조치로 FET 스위칭부(42)와 고주파 스위칭 변압기(43)의 손상을 방지할 수 있다.
다음으로, 고주파 스위칭 변압기(43)에 부착된 제2 내부온도 센서(22)는 제3 낸드게이트(NAND GATE 3)에 전기적으로 연결되어 있다. 고주파 스위칭 변압기(43)가 작동 도중 온도가 상승하면, 제2 내부온도 센서(22)에서 전압이 발생한다. 이 전압값이 미리 설정된 전압 레벨 이상 전압이 상승하면 제3 낸드게이트(NAND GATE 3)를 작동시킨다. 이 출력은 제어부(51)로 입력되면, 제어부(51)는 전압값으로 고주파 스위칭 변압기(43)의 과열로 판단한다. 내장된 프로그램에 의해 제어부(51)는 제1 낸드게이트(NAND GATE 1_의 구동을 중지시키고 FET 스위칭부(42)는 턴 오프(TURN-OFF)된다. 또한, 고주파 스위칭 변압기(43)의 작동도 멈추게 된다. 이런 보호 조치로 FET 스위칭부(42)와 고주파 스위칭 변압기(43)의 손상을 방지할 수 있다.
다음으로, 열전대 센서인 제3 내부온도 센서(23)는 센서신호 증폭부(25)에 연결되고, 센서신호 증폭부(25)는 제4 낸드게이트(NAND GATE 4)에 전기적으로 연결된다. 제3 내부온도 센서(23)에 의해, 인두기의 발열부(12)에서 발생된 열이 감지된다. 이때, 감지된 열은 수 십 mV전압 신호이다. 센서신호 증폭부(25)는 이러한 미세신호를 증폭 시켜 마이크로프로세서 등 제어부(51)로 전달한다. 즉, 제3 내부온도 센서(23)에 의해 검출되는 온도 신호는 센서신호 증폭부(25)를 통해 제어부(51)로 입력된다.
상기 열전대의 입력 신호가 계속적으로 입력되면 마이크로프로세서 등 제어부(51)는 센서가 정상이라고 판단한다. 만약 입력 신호가 입력되지 않으면 제어부(51)는 센서 단선으로 판단한다. 그리고 게이트 드라이브 회로부(41)를 구동하여 FET 스위칭부(42)를 턴 오프(TURN-OFF)시킨다.
그런데 FET 스위칭부(42)를 이용한 스위칭 회로에서 발생되는 200~400kHz 출력에서 발생되는 신호에는 고주파 노이즈가 포함되어 있다. 따라서 마이크로 프로세서 등 제어부(51)의 오동작을 예상할 수 있다. 또한, 고주파 스위칭 변압기(43)에서 발생되는 자기장의 영향이 노이즈로 작용하여, 마이크로프로세서 등 제어부(51)는 오동작을 할 수 있다.
만약 열전대 센서인 제3 내부온도 센서(23)가 단선이 되었지만, 상기와 같은 고주파 노이즈로 인하여 제어부(51)가 단선을 감지하지 못할 수 있다. 즉, 제어부(51)가 고주파 노이즈로 인하여 오작동되면 단선을 감지하지 못할 수 있다. 이런 경우 마이크로프로세서 등 제어부(51)는 계속 게이트 드라이브 회로부(41)로 작동 출력을 인가하게 된다. 따라서 고주파 유도코일(44)은 계속 가열되어 이로 인한 과열의 발생으로 화재가 발생하게 된다.
이런 경우를 방지하기 위하여 센서신호 증폭부(25)를 제4 낸드게이트(NAND GATE 4)에도 연결 시킨다. 즉, 센서신호 증폭부(25)의 출력을 제어부(51)에 직접 연결시켜 입력하는 동시에, 게이트 드라이브 회로부(41)를 통해서도 입력시킨다. 따라서 제어부(51)는 고주파 노이즈로 인하여 오작동되어 직접 입력되는 신호를 통해 단선을 감지하지 못하더라도, 낸드게이트를 통해 입력되는 신호로 단선을 감지할 수 있다.
이를 통해, 제3 내부온도 센서(23)의 신호가 입력되지 않았을 경우, 제어부(51)로 출력을 인가하여 센서 단선을 판단하도록 한다. 상기 신호가 제어부(51)로 입력되면 게이트 드라이브 회로부(41)로 출력이 인가되고, FET 스위칭부(42)를 턴 오프 시켜 고주파 스위칭 변압기(43)의 작동도 중지시킬 수 있다.
또한, 외부온도 센서(24)는 인두기 외부의 주변에 설치되어, 주변 온도를 측정한다. 바람직하게는, 주위온도 센서(22)는 고주파 인두기 또는 전원장치의 외함에 탈부착할 수 있는 구조로 구성되고, 작업장 환경에 따라 리드선으로 연결하여 납땜 대상물 주위 온도를 측정하기 좋은 위치에 배치시킨다.
또한, 외부온도 센서(24)는 제5 낸드게이트(NAND GATE 5)에 전기적으로 연결된다. 제어부(51)는 제5 낸드게이트(NAND GATE 5)를 작동시켜, 외부온도 센서(24)로부터 측정된 전압값을 입력받는다. 바람직하게는, 제어부(51)는 인두기가 작동되면 최초에 1회 주위 온도의 전압값을 입력받아, 주위 온도값을 입력된 전압값으로 설정해둔다. 즉, 주위 온도는 심하게 변화되는 경우가 적기 때문에, 환경값으로 최초에 설정한다.
또는 바람직하게는, 사전에 설정해둔 기간(또는 측정주기)을 설정해둔다. 그리고 해당 측정주기가 도래하면, 제어부(51)는 주위 온도를 측정하여, 주위 온도의 설정값을 갱신할 수 있다. 이때, 제어부(51)는 제5 낸드게이트(NAND GATE 5)를 작동시켜, 외부온도 센서(24)로부터 측정된 전압값을 입력받는다.
또한, 제어부(51)는 제3 내부온도 센서(23)로부터 입력되는 제3 온도값(또는 팁 온도)과, 측정된 주위온도를 이용하여, FET 스위칭부(42)의 주파수를 조절한다.
이를 위해, 제어부(51)는 사전에 설정된 기준 주위온도값(또는 기준온도)을 설정한다. 그리고 제어부(51)는 측정된 주위온도와 기준온도의 차이에 따라 FET 스위칭부(42)의 주파수를 조절한다. 바람직하게는, 제어부(51)는 측정된 주위온도와 기준온도의 차이에 따라 FET 스위칭부(42)의 주파수(또는 스위칭 주파수)를 조절한다.
일실시예로서, 제어부(51)는 다음 [수학식 1]에 따라 FET 스위칭부(42)의 주파수를 조절한다.
[수학식 1]
Figure 112017077642479-pat00002
여기서, f는 스위칭 주파수이고, f0는 기준 주파수이고, T는 측정된 주위온도이고, T0는 기준온도이다. 그리고 α는 α> 0 인 상수이다.
예를 들어, 제어부(51)는 설계자에 의해 기본적으로 제조 시 설정한 온도는 인두기 팁 내부 온도이다. 인두팁 내부 온도는 통상적인 작업 환경인 25도를 기준하여 설정한다. 제어부(51)는 내장 메모리에 기준 온도인 25도와 작업장 환경 온도(또는 주위온도)와의 차이 값에 따라 스위칭 소자를 제어하는 온 오프 타임, 즉, FET 스위칭부(43)의 주파수를 가변할 수 있는 값을 사전에 저장한다. 상기 가변 값은 사용자에 의해 변경될 수 있다. 바람직하게는 기준 온도 보다 5도씨 단위로 차이가 날 때 마다 온오프 타임을 1%식 증가 시키거나 감소 시킨다. 다만 상기 설정값들은 팁의 형상 구조, 전원 회로의 설계에 따라 다를 수 있고, 제조자가 실험을 통하여 최적조건을 선정하여 변경될 수 있다.
상기와 같이, 제어 어셈블리(50)의 제어부(51)의 출력을 직접 FET 스위칭부(42)에 연결하지 않고 별도의 게이트 드라이브 회로부(41)를 연결시켜 간접적으로 제어한다. 이와 같은 구성을 통해, 마이크로프로세서 등 제어부(51)를 FET 스위칭부(42)와 고주파 스위칭 변압기(43)에서 발생하는 노이즈로부터 발생되는 오작동을 방지할 수 있다. 또한 FET 스위칭부(42)와 고주파 스위칭 변압기(43)의 과열을 방지하여, 안정적인 고주파 유도 가열을 운영할 수 있는 장점도 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 인두기 본체 11 : 인두기 팁
12 : 발열부
20 : 센서 어셈블리 21 : 제1 내부온도 센서
22 : 제2 내부온도 센서 23 : 제3 내부온도 센서
24 : 주위온도 센서 25 : 센서신호 증폭부
30 : 파워 어셈블리 31 : 교류전원
32 : 노이즈 제거부 33 : 변압기
34 : 정류부 35 : 평활부
40 : 유도가열 어셈블리 41 : 게이트 드라이브 회로부
42 : FET 스위칭부 43 : 고주파 스위칭 변압기
44 : 유도 코일
50 : 제어 어셈블리 51 : 제어부
52 : 표시부 53 : 입력부
54 : 제어용 전원부
100 : 고주파 인두기의 전원 공급 장치

Claims (5)

  1. 본체, 인두기 팁, 및, 발열부를 포함하여 구성되는 고주파 인두기의 전원 공급 장치에 있어서,
    교류전원을 입력받아 직류전원으로 변환하는 파워 어셈블리;
    스위칭 신호를 생성하는 FET 스위칭부;
    스위칭 신호에 의해 발생되는 펄스 형태의 교류전원의 전압을 변환하는 고주파 스위칭 변압기;
    상기 인두기 내에 설치되고, 상기 고주파 스위칭 변압기의 출력에 의하여 유도되어 와전류를 발생시키고, 상기 와전류에 의해 발열부를 가열하는 유도 코일;
    상기 FET 스위칭부에 부착되어 온도(이하 제1 내부온도)를 측정하는 제1 내부온도 센서;
    상기 고주파 스위칭 변압기에 부착되어 온도(이하 제2 내부온도)를 측정하는 제2 내부온도 센서;
    상기 발열부에 구비되어 상기 발열부에서 발생되는 열(이하 제3 내부온도)을 감지하는 제3 내부온도 센서;
    상기 인두기의 주위 온도를 측정하는 주위온도 센서; 및,
    상기 FET 스위칭부를 제어하되, 상기 제1 및 제2 내부온도가 사전에 정해진 기준온도 이상이 되면 상기 FET 스위칭부를 턴 오프(turn-off) 시키고, 상기 제3 내부온도 및 상기 주위온도를 이용하여 상기 FET 스위칭부의 스위칭 주파수를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 인두기의 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원공급장치는 제1, 제2, 제3, 제4, 및, 제5 낸드게이트로 구성되는 게이트 드라이브 회로부를 더 포함하고,
    상기 제1 낸드게이트의 출력핀은 상기 FET 스위칭부와 연결되고, 상기 제1 낸드게이트의 2개의 입력핀은 각각 상기 제어부의 구동신호와 제어신호를 입력받도록 구성되고,
    상기 제2, 제3, 제4, 제5 낸드게이트의 출력은 상기 제어부의 입력신호로 연결되고, 상기 제2, 제3, 제4, 제5 낸드게이트의 2개의 입력핀 중 하나는 상기 제어부의 구동신호를 입력받도록 연결되고, 다른 하나는 각각 상기 제1, 제2, 제3 내부온도 센서와 상기 주위온도 센서의 출력과 연결되고,
    상기 제어부는 상기 제1, 제2, 제3, 제4 또는 제5 낸드게이트의 구동신호를 온/오프로 제어하여 상기 FET 스위칭부를 제어하거나, 상기 제1, 제2, 제3 내부온도 센서 또는 상기 주위온도 센서로부터 측정값의 입력을 제어하는 것을 특징으로 하는 고주파 인두기의 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 측정된 주위온도와 사전에 설정된 기준 주위온도의 차이에 반비례하여 상기 FET 스위칭부의 스위칭 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 고주파 인두기의 전원 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 다음 [수식 1]에 따라 상기 FET 스위칭부의 스위칭 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 고주파 인두기의 전원 공급 장치.
    [수식 1]
    Figure 112017077642479-pat00003

    단, f는 스위칭 주파수이고, f0는 사전에 설정된 기준 주파수이고, T는 측정된 주위온도이고, T0는 사전에 설정된 기준온도이고 α는 α> 0 인 상수임.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 내부온도 센서는 열전대 센서로서, 센서신호 증폭부에 의해 증폭된 신호를 상기 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 고주파 인두기의 전원 공급 장치.
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