KR20000007774A - 압전 세라믹 변압기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 세라믹 변압기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 고주파 변압기에 관한 것으로 냉음극 형광등의 전력 공급용으로 사용될 수 있는 압전 세라믹 변압기에 관한 것이다.
본 발명의 압전 세라믹 변압기는 압전 세라믹 소재로 된 장방형의 압전판의 양단부와 중앙에 전극을 설치한 것으로, 양단부의 두 개의 입력부(1, 1')와 중앙의 두 개의 출력부(2, 2')로 구분된다. 입력부(1, 1')는 압전 세라믹 소재로된 장방형의 압전판의 양 단부에 형성되며, 상부와 하부에 각각 전극이 형성되어 있다. 상기 입력부는 압전판의 두께 방향으로 분극된다. 출력부(2, 2')는 압전판의 중앙부에 압전판의 중앙을 중심으로 좌우 대칭으로 길이가 같은 두 부분으로 구성되며, 압전판의 중앙에는 압전판을 감싸는 고리형의 출력 전극(3)이 형성된다. 상기 출력부는 압전판의 길이 방향으로 한쪽 방향으로만 분극된다.

Description

압전 세라믹 변압기 (Piezoceramic transformer)
본 발명은 압전 세라믹 변압기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 고주파 변압기에 관한 것으로 냉음극 형광등의 전력 공급용으로 사용될 수 있는 압전 세라믹 변압기에 관한 것이다.
압전 세라믹 소자에 압력을 가하면 일정한 방향으로 분극 전압이 발생되고, 반대로 압전 세라믹 소자에 전압을 걸어주면 진동을 하게된다. 따라서 압전 세라믹 소자를 이용하여 전기적 에너지를 기계적 에너지로, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있는 것이다. 또한, 세라믹 소자의 고유 특성에 일치하는 주파수를 인가하면 공진이 발생하여 고압을 발생할 수 있다. 이러한 압전 세라믹 변압기는 권선형 변압기에 비해 그 구조가 간단하고 소형 경량으로 제작하는 것이 가능한 여러 가지 장점을 가지고 있다.
제1도에는 출력부가 하나인 종래의 압전 세라믹 변압기가 도시되어 있다. 제1a도는 대칭형의 압전 세라믹 변압기로써 제1 및 제2고조파에서 변압 효율이 우수하다. 제1b도는 두 개의 입력부를 갖으며, 제1입력부가 전체 압전판의 절반을 차지한다. 상기와 같은 구성은 입력 임피던스를 감소시키고 부하 용량을 증가시킨다. 제1c도의 압전 세라믹 변압기는 고유 진동의 제3고조파의 경우에만 유효하게 작동할 수 있으며, 높은 작동 주파수에서 부하 용량이 크고 출력 용량이 큰 장점이 있다.
제2도에는 출력부가 둘로 구분된 경우의 종래의 압전 세라믹 변압기가 도시되어 있다. 제2도의 압전 세라믹 변압기는 제1도의 압전 세라믹 변압기에 비하여 부하 용량이 큰 장점이 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 압전 세라믹 변압기는 전기적인 출력 특성 및 제조과정에서의 기술적인 문제점을 가지고 있다. 제1a도의 압전 세라믹 변압기와 같이 중심에 대하여 대칭인 압전 세라믹 변압기는 그 효율이 좋다. 그러나 다른 비대칭적인 압전 세라믹 변압기의 경우에는 전기 에너지의 변환 과정에서 전자기적인 손실이 발생하여 효율이 떨어지며, 이는 입력전극과 출력전극의 위치가 압전판의 중심에 대하여 비대칭이기 때문이다. 또한, 압전 세라믹 변압기 내에서의 길이방향 진동의 비대칭과 불일치를 초래하는 입력부와 출력부에서의 음속의 차이와도 관련된다.
제1a도의 압전 세라믹 변압기는 무부하 상태에서 변압 효율이 1000이상의 높은 효율을 나타내나, 부하가 연결되면 예를 들어, 부하전류가 5mA의 경우 변압 효율이 30으로 떨어진다. 게다가, 부하 전류에 따라서 압전 세라믹 변압기의 공진 주파수가 상당히 변화하며, 이는 저항의 함수인 출력 전압을 불안정하게 하여 실제적으로 적용하기에 어려움이 있다.
제2a도의 경우에는 상대적으로 입력 임피던스가 높아 변압 효율이 양호하지 않다. 게다가, 출력 전극(3, 3')이 압전판의 단부에 있어 안정성을 감소시키고, 작동시 변형이 크게 발생하는 문제가 있다. 또한, 5000V 이상의 고전압에서는 압전판의 모서리에 몇 배 더 큰 전하가 축적될 수 있으며, 이 경우 주변 공기중의 산소를 오존으로 강하게 산화시킨다. 산화의 결과 전극의 붕괴가 발생하고 압전 세라믹 변압기가 작동을 하지 못하게된다.
제2c도의 압전 세라믹 변압기의 근본적인 문제점은 진동의 불연속으로 인한 내부 기계적인 손실이 증가하여 변압 효율이 낮다는 것이다.
상기의 압전 세라믹 변압기들이 공통으로 가지고 있는 문제점은 제조과정에서 압전판의 기계적 강도가 저하한다는 점이다. 이는 공통전극(3)에 대해서 반대방향으로 분극되는 출력부(2, 2')의 분극과정에서 나타난다. 압전판의 분극 과정에서 분극 벡터의 방향이 변화하면서 미세 균열이 발생하는 것이다. 게다가 전극(3)과 압전판과의 부착강도가 저하하는 문제가 있으며, 이는 압전 세라믹 변압기의 내구성을 저하하고 최대 허용 출력 전력을 저감시키게 된다.
본 발명의 목적은 변압 효율이 향상되고 출력 전압의 안정성이 증가된 압전 세라믹 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조과정에서 기계적 강도가 증가한 압전 세라믹 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 허용 출력 전력이 증가된 압전 세라믹 변압기를 제공하는 것이다.
제1도는 출력부가 하나인 종래의 압전 세라믹 변압기의 사시도와 전압이 인가된 상태에서 응력과 변형을 나타내는 도면 및 회로도이다.
제2도는 출력부가 둘로 나뉘어진 종래의 압전 세라믹 변압기의 사시도와 전압이 인가된 상태에서 응력과 변형을 나타내는 도면 및 회로도이다.
제3도는 본 발명의 압전 세라믹 변압기의 사시도와 전압이 인가된 상태에서 응력과 변형을 나타내는 도면 및 회로도이다.
제4도는 본 발명의 압전 세라믹 변압기의 분극방법을 나타내는 도면이다.
제5도는 공명 주파수에서 출력 전류와 출력 전압간의 관계를 나타내는 그래프이다.
제6도는 제2고조파 근처의 주파수에서 부하 저항이 2MΩ과 100KΩ의 경우 출력 전압과 주파수와의 관계를 나타낸 그래프이다.
제7a도는 주파수 탐색 변압기의 기능도이며, 제7b도는 압전 세라믹 반도체 변압기를 이용한 기본적인 전기 회로도로써 냉음극 형광등이 연결되어 있다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1, 1': 입력부 2, 2': 출력부
3, 3': 출력전극
도면에 따라 본 발명을 설명한다.
제3a도는 본 발명의 압전 세라믹 변압기의 사시도이며, 제3b도에는 분극 방향이 화살표로 도시되어 있고, 압전판의 기본 공명 주파수의 제2고조파가 가해진 상태에서 기계적 응력 T와 압전판의 변형도ε이 도시되어 있다.
압전 세라믹 변압기는 압전 세라믹 소재로 된 장방형의 압전판의 양단부와 중앙에 전극을 설치한 것으로, 압전판의 양단부에 제1입력부(1) 및 제2입력부(1')가 형성되고 중앙부에는 제1출력부(2) 및 제2출력부(2')가 형성된다. 입력부(1, 1')는 압전 세라믹 소재로된 장방형의 압전판의 양 단부에 형성되며, 상부와 하부에 각각 입력전극이 형성되어 있다. 출력부(2, 2')는 압전판의 중앙부에 압전판의 중앙을 중심으로 좌우 대칭으로 제1출력부(2) 및 제2출력부(2')가 형성되며, 압전판의 중앙에는 압전판을 감싸는 고리형의 출력전극(3)이 형성된다. 상기 입력부(1, 1')는 다수개의 금속층 및 분극층이 형성되고 전기적으로 서로 연결된 다층 압전구조로 형성될 수 있다.
제3c도는 본 발명의 압전 세라믹 변압기에 전압이 인가된 상태의 회로도로써, 제1입력부(1)의 상부 입력전극과 제2입력부(1')의 상부 입력전극 및 제1입력부(1)의 하부 입력전극과 제2입력부(1')의 하부 입력전극은 서로 병렬로 연결되어 있으며, 공명 주파수의 제2고조파 fr과 같거나 근사한 주파수 f의 입력 전압 Uin이 인가된다. 압전 세라믹 변압기의 출력 전압은 출력부(2, 2')의 출력전극(3)으로부터 주파수 fr의 출력전압 Uout이 출력되어 부하에 연결된다.
본 발명의 압전 세라믹 변압기의 작동원리는 다음과 같다.
입력부(1, 1')의 입력전극에 공명 주파수 fr의 전압 Uin이 인가되면 입력부(1, 1')에 기계적인 변형이 발생한다. 입력부에 발생한 기계적인 응력 T의 크기는 전기장 밀도 및 압전 계수에 비례한다. 동일한 주파수의 출력 전압 Uout이 출력부(2, 2')의 출력전극(3)에서 압전 세라믹 변압기의 출력으로 발생한다. 압전판의 최대 공명 진동과 최대 응력 T는 오직 기본 공명 주파수의 제2고조파의 경우에만 발생한다. 따라서, 압전 세라믹 변압기의 변압 계수와 효율은 제2고조파의 주파수에서 최대가 된다.
만약 입력 전압의 주파수가 제2고조파의 주파수와 달라지면 분포된 응력 T의 부호와 입력부의 전압 Uin와 출력부의 출력전압 Uout의 위상의 분포가 부분적으로 달라질 것이다. 따라서, 압전 세라믹 변압기의 효율과 출력 전력은 감소한다.
제2고조파의 주파수에서 응력의 부호는 압전판의 중앙부까지는 동일하므로 제3a도에서 ℓ1및 ℓ4의 길이를 변화시킬 수 있고, ℓ2및 ℓ3의 경우도 또한 같다. 상기와 같이 자유로이 압전 세라믹 변압기의 치수를 조정함으로써 개개의 경우마다 최고의 효율을 갖도록 압전 세라믹 변압기의 치수를 계획할 수 있다.
좁은 밴드 형태로 금속 코팅된 출력전극(3)에는 분극장이 생기지 않고 입력부(1, 1')의 상, 하부 입력전극 부분에만 분극이 일어나고 제1입력부(1)와 제2입력부(1')는 서로 격리되어지는바, 압전 세라믹 변압기의 강도는 상당히 증가한다. 제1출력부(2)와 제2출력부(2')는 동일한 방향으로 압전판의 길이방향으로 분극되어진다. 이 경우 분극전압은 출력전극(3)에 인가되지 않으며, 압전판의 중앙부에서 강도 특성은 최대를 유지한다. 분극과정에서 출력전극(3)의 압전판과의 결합 강도는 변하지 않으며, 결과적으로, 이는 압전 세라믹 변압기의 허용 출력을 증가시킨다.
제4도에는 본 발명의 압전 세라믹 변압기의 분극과정이 도시되어 있다. 제4a도는 본 발명의 압전 세라믹 변압기의 사시도로써, 입력부(1, 1')와 출력부(2, 2')의 분극 방향이 화살표로 표시되어 있다. 제1입력부(1) 및 제2입력부(1')의 분극 벡터는 한 방향을 향하고 있다. 이는 입력부의 분극 방향을 한쪽 방향으로 하는 것이 기술적으로 더 용이하기 때문이며, 제4b도에 도시된 바와 같이 제1입력부(1)의 입력전극과 제2입력부(1')의 입력전극을 각각 상부 전극은 상부 전극끼리, 하부 전극은 하부 전극끼리 연결하고 분극 전압 EP1을 인가하였다. 상기와 같은 방법으로 입력부는 한 방향으로 분극된다.
압전 세라믹 변압기의 출력부의 분극을 위한 회로가 제4c도에 도시되어 있다. 제1입력부(1)의 상, 하부 입력전극은 서로 연결되고, 같은 방법으로 제2입력부(1')의 상, 하부 입력전극도 서로 연결되고, 높은 분극전압 EP2가 인가된다. 이런 방식에 의해 압전 세라믹 변압기의 출력부(2, 2')를 출력부의 출력전극(3)을 사용하지 않고 분극시킬 수 있다. 이에 의하여 압전 세라믹 변압기의 안정성과 출력 전력은 향상된다.
본 발명의 압전 세라믹 변압기의 특성에 대한 실험결과가 제5도 및 제6도에 도시되어 있다. 제5도는 공명 주파수에서 출력 전류와 출력 전압간의 관계를 나타내는 그래프이며, 제6도는 제2고조파 근처의 주파수에서 부하 저항이 2MΩ과 100KΩ의 경우 출력 전압과 주파수와의 관계를 나타낸 그래프이다.
압전 세라믹 변압기의 전기적 특성의 측정은 출력 전압이 30V에서 내부 저항이 50Ω인 표준 발진기를 이용하였다. 압전 세라믹 변압기는 다음과 같은 특성을 갖는 ZTBP-8 타입의 재료를 이용하여 제조하였다.
Qm>400, kp>0.58, K33>0.68, K31>0.32, Y31=1.2×10-11Pa,
ε33/ε0=1100±100, tag<0.02, Cs=3200m/s, Tk=270℃
압전판의 치수는 제3도에서 각 부분의 치수가 a=7.5mm, b=1.5mm, L=30mm, ℓ1=ℓ2=ℓ3=ℓ4=7.5mm 로 제조하였다.
제5도 및 제6도에서 보는 바와 같이 본 발명의 압전 세라믹 변압기는 3mA 내지 6mA의 부하전류의 범위에서 제2고조파의 공명 주파수에서 부하용량이 증가한다. 이 경우 출력 전력은 3 내지 3.5W에 달하고, 변압계수 Ku는 무부하시 100, 부하시 30에 이른다. 압전 세라믹 변압기의 공명 주파수는 제2고조파에 해당하고, 107 내지 109kHz에 해당한다. 부하전류가 변화함에 따라 공명 주파수도 변화하나 2.5kHz를 초과하지는 않는다.
본 발명의 압전 세라믹 변압기는 안정성이 증가하며, 이는 압전판과 출력전극(3)의 접착강도가 향상된 것과 사전 분극 과정에서 압전판의 미세 구조의 혼란이 없기 때문이다.
본 발명의 압전 세라믹 변압기는 전기적 출력 특성에 따라서 노트북 타입 퍼스널 컴퓨터의 냉음극 형광등의 작동을 위한 변압기에 사용될 수 있다.
압전 세라믹 변압기에서 에너지 변환의 공명 특성은 사전에 주어진 공명 주파수와 유사한 입력 주파수를 변경함으로써 출력 전압을 안정화하고 조절할 수 있다. 상기와 같은 타입의 압전 세라믹 반도체 변압기는 출력 특성이 매우 안정적이고 복잡한 하드웨어가 필요치 않다.
압전 세라믹 반도체 변압기의 상태를 조절하는 단계는 다음의 두 단계이다.
첫째는 압전 세라믹 변압기의 공명 주파수를 찾고 주어진 출력 전압 또는 전류와 관련하여 작동 주파수를 결정하는 단계이다.
둘째는 압전 세라믹 변압기의 진폭-주파수 특성 곡선상의 작동 주파수를 추가적으로 조절하여 출력 전압의 레벨을 주어진 정밀도의 범위에서 제한하는 것이다.
이 경우 압전 세라믹 변압기의 진폭-주파수 특성 곡선의 왼쪽 또는 오른쪽을 이용할 수 있다. 진폭-주파수 특성 곡선의 선택은 부하 전류의 변화 특성과 요구되는 최고 효율에 따라 결정된다.
제7a도는 주파수 탐색 변압기의 기능도이며, 제7b도는 압전 세라믹 반도체 변압기를 이용한 기본적인 전기 회로도로써 냉음극 형광등이 연결되어 있다.
기능 조정기(FR)는 제7b도의 기본 회로에서 하나는 적분기로써 기능하고, 다른 하나는 슈미트 트리거 타입의 쓰레스홀드 디바이스(threshold device)로써 기능하는 이중 증폭기 역할을 한다. 기능 조정기는 귀환 전압 Vf0=0 일 때 전압 Vc를 선형적으로 변화하도록 한다. 전압에 의해 조절되는 발전기(G)는 UC 3845 타입의 드라이버 적분 회로에 의해 만들어지고, 기능 조정기의 에러 신호의 증폭을 위한 지지 전압 Vr을 5V로 안정시킨다. 변압기는 상대 주기가 50%이고 주파수는 입력 전압의 함수인 구형파를 발생시킨다. 키 전력 증폭기는 트랜지스터 Q1 및 Q2의 드라이버와 셔터 사이에 연결된 변압기를 갖는 IFR 720 타입의 MOSFET 트랜지스터로 구성된다. 전력 증폭 회로는 전압원 Vcc로부터 통과 전류(through current)를 방지하기 위한 수단을 구비하고 있으며, 효율이 극대화된다. 진폭은 전압원 Vcc의 값과 유사하고 변화된 주파수를 갖는 임펄스 전압이 압전 세라믹 변압기의 입력부로 입력된다. 인덕턴스 L1은 압전 세라믹 변압기의 정적 용량의 보상을 계산함으로써 선택되고, 정합 역할을 한다. 이 경우, 만약 입력 임펄스의 주파수가 압전 세라믹 변압기의 제2고조파의 공명 주파수와 같거나 유사하면 높은 전압이 출력부에 발생하고 냉음극 형광등의 높은 부하 저항은 비점화(non-igniting) 상태가 된다. 냉음극 형광등이 점화된 후에는 5mA이내의 교류 전류가 흐른다. 전류는 저항 R1에서 전압강하를 일으킨다. 이 전압이 귀환 전압 Vf0이며, 형광등의 전류 변화에 영향을 미친다. 상기와 같은 과정에 의해 형광등을 흐르는 방전 전류의 안정화를 실현할 수 있다.
본 발명의 압전 세라믹 변압기는 무부하시나 정합 하중하에서나 변압 효율이 우수하다. 또한 내부 저항이 감소하여 효율이 우수하고, 안정성과 허용 출력 전력이 증가한다. 압전판의 제조 과정에서 기계적인 강도가 증가한다.

Claims (2)

  1. 압전판 형상의 압전 세라믹 변압기에 있어서,
    상기 압전판의 양 단부에 형성되고 상기 압전판의 두께 방향으로 분극되며, 상부 및 하부에 각각 입력전극이 형성되는 제1입력부(1) 및 제2입력부(1');
    상기 압전판의 중앙부에 상기 압전판의 중앙에서 대칭으로 형성되며, 상기 압전판의 길이 방향으로 같은 방향으로 분극되는 제1출력부(2) 및 제2출력부(2'); 및,
    상기 압전판의 중앙 위치에 상기 압전판을 감싸는 고리 형태의 출력전극(3);
    으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 변압기.
  2. 제1항에서, 상기 입력부는 전기적으로 서로 연결된 다수개의 금속층 및 분극층을 포함하는 다층 압전 구조인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 변압기.
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