KR20000052884A - 피에조세라믹 변성기를 구비한 컨버터 - Google Patents

피에조세라믹 변성기를 구비한 컨버터 Download PDF

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Abstract

대전력 용품을 위한 피에조세라믹 컨버터는 피에조세라믹 변성기 및 펄스동기화 전자귀환회로로써 구성된다. 피에조세라믹 변성기는 대전력을 다루기 위하여 두께방향으로 분극되고 외형연장모드에서 여자되는 사각형 또는 원형 피에조평판의 형태로 설계된다. 펄스동기화 전자귀환회로는 변화하는 부하조건하의 출력전압 및 전류를 안정화하도록 내장된다. 주파수 프로그래밍 소자, 저항기 및 커패시터는 피에조세라믹 변성기의 동작주파수를 설정하기 위하여 제어회로로 구성된다.

Description

피에조세라믹 변성기를 구비한 컨버터{CONVERTER WITH PIEZOCERAMIC TRANSFORMER}
3와트 정도의 작은 출력전력을 갖는 고상 피에조세라믹 컨버터는 노트북 컴퓨터에 LCD 배후조명용 전원으로서 개발되어 사용되고 있다.
다음의 참고문헌은 이 분야의 종래기술을 이해하는데 참고로 될 수 있다.
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그러나, 대전력 적용을 위한 피에조세라믹 변성기(PCT : piezoceramic transformer)는 큰 출력전류를 전달할 수 있는 피에조세라s믹 소자의 적절한 설계가 부족하여 그다지 성공적이지 않다.
본 발명은 전기조명용구, 의학용구 등의 응용기구용으로 수십 와트까지의 출력전력으로, 220 V(110 V) 50 Hz 또는 60 Hz의 가정전기를 직접 입력할 수 있는 피에조세라믹 변성기(PCT)를 사용하는 컨버터를 설계하는 것이다.
전기 기계적 전기에너지 변성기로서의 피에조일렉트릭 변성기는 바아, 평판, 디스크 또는 실린더 형태의 피에조세라믹으로 만들어진 일체의 고상 구조를 갖는다. 피에조세라믹 변성기(PCT)의 독특한 특징은 기계적 내부응력의 크기가 최대값(1,2,3)에 달하는 기계적 공진 근처의 비교적 좁은 주파수대역 내에서 전기에너지 변환의 공진 특성이다.
종래의 전자기 (coiled) 변성기에서의 전기에너지 변환이 입력부터 출력까지의 전자기 커플링을 통하여 실현되는 반면, 피에조세라믹 변성기(PCT)에서의 에너지 변환은 전기 기계적 커플링을 통하여 달성된다. 낮은 임피던스의 전자기 변성기와는 달리, 피에조세라믹 변성기(PCT)는 비교적 높은 출력임피던스로 인해 오히려 전력원이다.
피에조세라믹 변성기는 다음의 주요 장점을 갖는다:
-높아진 효율 및 저 레벨의 전자기 간섭
-평면 구조 및 높은 선택주파수특성
-대량생산에 편리한 단순한 일체구조
-전기에너지 변환의 높은 동작주파수
-무 화재위험 및 단락에 대한 높아진 안전성
유전성(피에조일렉트릭)소자의 대부분에서 여자된 변형파형에 따르면, 피에조세라믹 변성기(PCT)는 길이방향-횡방향 및 구부러짐으로 분류된다. 대부분 통상의 피에조세라믹 변성기(PCT)는 폭, 길이 또는 주변(4,5)을 따라 배향된 길이방향 진동의 여자되는 평판 및 바아 형태이다.
피에조세라믹 변성기(PCT) 구조의 선택 및 그 작동주파수는 입력/출력 전압, 부하 저항, 부하 전류, 출력전압의 안정성 및 허용가능 구동주파수와 같은 입출력 파라미터에 대한 기술적 요건에 의해 주로 결정된다.
본 발명은 피에조세라믹 변성기(變成器)를 구비한 컨버터에 관한 것이다.
상기 및 다른 목적 뿐아니라 본 발명의 장점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 수행하는 최적의 형태에 대한 아래의 설명에 의해 명확해질 것이다.
도 1은 사각형 피에조세라믹 변성기 평판의 소정의 실시예들에 대한 사시도,
도 2는 사각형 평판의 전극패턴 및 분극방향을 나타내는 도면,
도 3은 피에조세라믹 변성기의 공진 특성 및 출력전압을 나타내는 도면,
도 4는 사각형 평판의 출력전압의 함수로서의 출력전류를 나타내는 도면,
도 5는 전계강도의 함수로서의 출력전압을 나타내는 도면,
도 6은 전계강도의 함수로서의 출력전압을 나타내는 도면, 및
도 7은 피에조세라믹 변성기를 갖는 안정기 회로를 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적은 110/220V AC, 50/60 Hz의 가정전기와 40 W까지의 대전력을 다룰 수 있는 피에조세라믹 변성기를 사용하는 콤팩트하고 신뢰성있으며 경제적인 컨버터를 설계하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 두께방향으로 분극되고 외형 연장 모드에서 여자되는 사각형 또는 원형 피에조평판(piezoplate)의 형태로 설계되어 있는 피에조세라믹 변성기로써 구성된 대전력 응용기기를 위한 피에조세라믹 컨버터를 제공한다. 피에조세라믹 변성기의 크기는 사각평판의 변 또는 원형판의 직경이 10 내지 50 mm 이고 두께가 1 내지 6 mm 이다. 펄스동기화 전자귀환회로가 변화하는 다양한 부하조건하에서 출력 전압 및 전류를 안정화하기 위하여 내장된다. 귀환회로는 병렬로 접속된 2개의 다이오드와 커패시터 및 이것에 직렬로 접속된 저항으로 구성된다. 주파수 프로그래밍소자, 저항기 및 커패시터는 피에조세라믹 변성기의 동작주파수를 설정하기 위하여 제어회로내에 조립된다.
본 발명의 목적은 높은 전기 기계적 커플링 계수 및 출력전압의 단일파장 진폭-주파수 특성을 갖는 두께방향으로 분극되고 외형 연장 진동모드에서 여자되는 사각형 또는 원형 피에조평판 형태인 피에조세라믹 변성기(PCT)와 펄스동기화 정귀환회로로써 달성된다. 이것은 부하전류에 있어서의 큰 변화에서조차 피에조세라믹 변성기(PCT)의 공진주파수에서의 전자 변성기의 안정한 동작과 정귀환 전압의 명백한 위상 특성을 제공한다. 따라서, 피에조세라믹 변성기(PCT)의 작동효율 및 신뢰성이 매우 증가한다.
제안된 피에조세라믹 컨버터는 피에조세라믹 변성기(PCT)의 출력으로부터 정귀환 전류에 의해 나타난 전압이 가해지는 구동회로를 포함한다. 피에조변성기는, 입력여자구획이 중앙에 배치되고 출력발전기구획(output generator section)이 외주 근방의 피에조 평판의 나머지부분에 배치되거나, 그 역으로 배치되는 외형 연장모드에서 작동하는 두께방향으로 분극된 사각형 또는 원형 피에조세라믹 평판의 형태로 설계된다. 내부전극의 독특한 크기는 사각형 피에조평판의 10 내지 80%이다.
본 발명에 따른 피에조세라믹 컨버터의 구조는 도면에 상세히 설명된다. 도 1은 여러 가지 피에조세라믹 변성기(PCT)의 구조의 예를 도시한다. 도 2는 피에조평판의 전극 패턴 및 분극방향을 도시한다. 도 3,4,5 및 6은 피에조세라믹 변성기(PCT) 및 피에조세라믹 발전기의 주요 전기파라미터에 대한 다이어그램을 도시한다. 도 7은 피에조세라믹 변성기(PCT)를 구비한 전자 안정기의 주요 전기회로를 도시한다. 도면들에 있어서, DIC는 제어 IC를 나타내고; PCT는 피에조세라믹 변성기를 나타내고; FET는 스위칭 전계효과 트랜지스터(FET)를 나타내고; C1, D1, D2 및 R1은 각각 귀환회로를 위한 커패시터, 2개의 다이오드 및 저항기를 나타내며; C2 및 R2는 각각 주파수 프로그래밍을 위한 커패시터 및 저항기를 나타낸다.
본 발명의 요지는 피에조세라믹 변성기(PCT)용 피에조평판이 사각형 또는 원형 평판의 공진주파수에서 여자될 때 최대인 것으로 알려진 가장 효과적인 전기 기계적 커플링계수를 미리 결정하는 사각형 또는 원형인 것이다. 전극의 대칭적인 위상을 갖는 두께방향으로 분극된 원형 또는 사각형 평판의 회로진동은 일반적으로 단일 파장의 진폭특성 및 명백한 위상특성을 갖는다.
피에조평판 두께는 입력전압에 따라 1 내지 6 mm의 범위에서 최적화된다. 사각형 또는 원형 피에조평판의 크기, 엄밀하게는 사각형의 변 또는 원형 평판의 직경은 피에조세라믹 변성기(PCT)의 공진 또는 작동주파수, 입출력 임피던스 및 최적의 전류부하를 결정한다. 사각형 피에조 평판의 변 또는 원형 피에조평판의 직경은 10 내지 50 mm이다.
도 1은 두께를 따라 분극된 사각형 피에조세라믹 평판의 형태로 설계된 피에조세라믹 변성기(PCT)의 여러 가지 예시를 나타낸다. 이들은 입력 및 출력 구획의 전극 위상만 서로 다르다. 둥근 전극으로써 설계된 입력여자구획은 회로진동의 주요모드의 탄성응력분포의 특성과 명백한 분포로 더 양호한 근사에 대응하는 여자구획의 타원형 사각 위상에 비해 가장 간단하다. 사각형 여자구획은 자연적 진동의 주요 모드에서 탄성 변형의 분포를 실질적으로 방해하지 않는 간단한 위상을 갖는다. 입력 및 출력구획 사이에 어떤 갈바니 바이패스(galvanic bypass)도 요구되지 않는다면, 입력 및 출력전극은 피에조평판의 일면(one face)에서 서로 접속될 수 있다.
입력 및 출력구획의 전극 사이의 거리는 100 내지 270 VAC의 입력전압을 갖는 라인 펄스 컨버터의 장치에서 피에조세라믹 변성기(PCT)의 사용을 위한 전기안전성 허용규정의 요구에 따라 선택된다.
피에조세라믹 변성기(PCT)상의 전기회로(도 2참조)는 아주 간단하다. 예를 들면, 전극(1,2)은 입력용으로 작용하고 전극(3,4)은 출력용으로 작용한다. 도 2는 피에조평판의 각 구획에서의 분극의 방향을 나타낸다. 피에조평판은 도 2에 도시된 바와 같이 두께 방향으로 분극된다.
피에조변성기는 다음과 같이 동작한다. 교류전압을 입력구획의 전극에 입력할 때, 대부분의 피에조세라믹의 후방 피에조효과(back piezoeffect)는 탄성의 압축-확장파를 발생시키고 그 진폭이 공진 주파수에서, 즉 외부전계의 주파수가 자연적인 기계적 진동의 주파수와 일치할 때 최대값에 접근한다. 사각형 또는 원형 평판의 형태로 설계된 피에조세라믹 소자에 대하여, 주요모드는 다른 형태의 피에조 구조와 비교하여 최고의 전기 기계적 커플링계수와 고도의 단색성(monochromat- icity)으로 특징되는 외형연장진동을 포함한다. 다음에, 출력 구획의 후방 피에조효과는 동일한 주파수의 전압을 발생시킨다.
피에조전기 변성기는 다소 복잡한 특성을 가지는 것에 주목해야 한다. 피에조세라믹 변성기(PCT)의 최대 컨덕턴스의 주파수(도 3 참조)는 출력전압이 최대인 경우의 주파수와 일치하지 않고, 출력전압의 진폭-주파수 특성의 곧은 기울기는 더 고도한 효율성에 대한 필요에 부응한다.
도 4는 32 V/mm의 입력전계강도와 50 W 내지 50 kW 범위의 부하저항을 갖고 26 x 26 x 5 mm의 치수를 갖는 피에조세라믹 변성기(PCT)에 대한 출력전류 대 출력전압의 실험적 특성을 나타낸다. 도 5 및 도 6은 발전기 구획에 가해진 다양한 전류에 대해 피에조세라믹 변성기(PCT) 의 공진주파수에서 입력구획의 전극에 인가된 외부전계의 강도에 대한 피에조세라믹 변성기(PCT)의 출력전압의 종속성을 나타낸다.
피에조세라믹 변성기(PCT)를 구비한 자여자 컨버터의 분석은 다양한 요소, 즉 공급전압, 부하전류, 분위기 온도, 공기 습도 등의 변화에 대해 진동의 고정진폭의 개시 및 설정조건의 결정을 포함한다.
도 7은 사각형 또는 원형 피에조평판의 형태로 설계된 피에조일렉트릭 변성기를 구비한 피에조세라믹 컨버터에 기초한 발광램프용 전자 안정기의 주요 전기시스템을 나타낸다. 도 7에 나타낸 자여자 컨버터는 2개의 스위칭 FET(FETs), 구동회로(DIC) 및 2개의 다이오드, 콘덴서, 저항기 및 부하로 이루어진 정귀환 회로를 포함한다. 이 컨버터는 피에조세라믹 변성기(PCT)의 출력전압과 동기화된 제어 IC(DIC)를 포함하고, 부하전류와 독립적으로 기계적 공진의 주파수에서 피에조평판의 작동체제를 제어하는 것을 가능하게 한다. 컨버터의 입력측에는 교류 선전압을 위하여 브릿지 정류기가 설치된다. 정류된 진동전압은 필터로서 사용되는 평활 커패시터(C3)로 인가된다. 저항기(R3,R5)는 과부하시 전류 서지(current surges)를 제한하도록 작용한다.
펄스발생기는 경제적인 집적 MOS 회로에 기초하여 설계된다. 마이크로회로 작동 전압은 저항기(R4)에 의해 결정된다. 발전기 마이크로회로의 주파수 프로그래밍 요소(R2,C2)는 피에조세라믹 변성기(PCT)주파수의 작동공진영역내에 발전기 동작을 제공한다. 피에조세라믹 변성기(PCT)의 발전기 구획으로부터의 출력전압은 부하(발광램프 전극)로 인가되고 2개의 다이오드, 한 개의 콘덴서 및 한 개의 저항기로 이루어진 구획을 통하여 발전기 마이크로회로의 주파수 프로그래밍 입력으로 인가된다. 그 저항이 점등 전에 MW의 범위로 충분히 높을 때, 형광램프의 점등의 초기에 출력전압은 500V 이상으로 높게 발생된다. 60 kHz 내지 70 kHz의 작동 공진주파수에 있어서, 이들 조건은 발광램프의 강제된 이온화 및 내부의 전류의 급격한 증가에 충분하다. 전류증가가 피에조세라믹 변성기(PCT)의 내부저항에 의해 제한되기 때문에, 발광램프의 전해전량계 체제가 안정화된다. 한편, 피에조세라믹 변성기(PCT)의 공진주파수가 재설정되고, 출력전압은 필요한 광속을 제공하는 소정값까지 감소한다.

Claims (10)

  1. 두께방향으로 분극되고 외형연장모드에서 여자되는 사각형 또는 원형 피에조평판의 형태로 설계된 피에조세라믹 변성기와, 부하상태에서 출력전압 및 전류를 안정화하는 펄스동기화 전자귀환회로를 포함하는 피에조세라믹 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피에조평판은 0.3 내지 3.0 mm의 작은 갭에 의해 분리된 각각 출력 및 입력전극으로서 또는 입력 및 출력전극으로서의 내부전극 및 외부전극으로 설계된 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
  3. 제 1항에 있어서,
    내부전극의 면적은 상기 피에조평판의 상부 또는 저부표면의 면적의 10 내지 80 %인 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
  4. 제 1항에 있어서,
    사각형 피에조평판의 크기는 변이 10 내지 50 mm이고 두께가 1 내지 6 mm인 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
  5. 제 1항에 있어서,
    원형 피에조평판의 크기는 직경이 10 내지 50 mm이고 두께가 1 내지 6mm인 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
  6. 제 1항에 있어서,
    갭을 갖는 전극패턴은 상부 및 저부표면에서 동일한 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 내부 및 외부 전극이 한 표면에서 갭없이 공통으로 만들어진 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 내부전극은 크기, 두께 및 형상이 상기 피에조변성기의 여자구획에 부응하는 표면에 인가된 전극을 구비하면서 부가적인 유전층에 의해 덮혀있는 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
  9. 제 1항에 있어서,
    귀환회로는 병렬로 접속된 2개의 다이오드와 커패시터 및 이것에 직렬로 접속된 저항기로 설계된 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
  10. 제 1항에 있어서,
    제어회로는 주파수 프로그래밍 소자, 저항기 및 커패시터로써 설계된 것을 특징으로 하는 피에조세라믹 컨버터.
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