KR20170031605A - 압전변압장치를 이용한 전원공급회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 주전원 입력단(10)에 회로연결되어 교류형태의 주전원을 입력받으며, 상기 주전원의 고전압과 비공진 주파수에 따라 상대적으로 낮은 수준의 진동을 발생시켜 전극 주위의 세라믹 물질에 응력이 생성되면서 스텝다운된 저전압 전원을 출력하는 압전변압장치(110); 상기 압전변압장치(110)의 출력측에 회로연결되어 입력되는 저전압 전원을 직류형태로 변환하는 정류회로부(120); 및 상기 정류회로부(120)의 출력단에 회로연결되어 변환된 직류전원이 일정한 전압레벨을 유지하도록 변환하며 변환된 전원을 후단에 회로연결된 부하(20)로 출력하는 평활회로부(130);를 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로를 개시한다.

Description

압전변압장치를 이용한 전원공급회로{POWER SUPPLY CIRCUIT USING PIEZOELECTRIC TRANSFORMER}
본 발명은 압전변압장치를 이용한 전원공급회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상용전원 등의 주전원 입력단에 직접 회로연결된 압전변압장치를 이용하여 무선센서노드나 LED램프 등과 같이 저전압을 요구하는 부하에 구동전원을 공급하기 위한 전원공급회로에 관한 것이다.
일반적으로 압전변압장치(Piezoelectric Transformer)는 기계적에너지를 매개로 하여 인가된 전기적에너지를 변환하는 소자로서, 권선형의 전자식 변압기와 비교하여 보면 권선이 불필요하고 소형, 박형, 경량화가 가능하며 고주파 구동시 와류손이나 히스테리시스손 등의 자기손실이 발생하지 않아 고효율화가 가능한 변압기이다.
또한, 압전변압장치는 공진주파수 범위에서 동작할 때 전압을 스텝업 또는 스텝다운하는 기능으로 이용되는데, 스텝다운용으로 이용되는 압전변압장치는 디지털전자기기에서 요구되는 5V 또는 3.3V와 같은 작동 가능한 전압레벨로 감소하도록 한다.
여기서, 도 1에는 종래의 압전변압장치를 이용한 전원공급회로의 회로도가 개시되어 있다. 도 1을 참고하면 전원공급회로로 입력된 입력전원은 정류회로에 의해 직류전압으로 변환되고 변압스위칭회로에 의해 압전변압장치의 공진주파수와 Anti 공진주파수 사이의 높은 주파수로 스위칭되도록 회로구성된다.
또한, 통상적으로 압전변압장치는 75kHz, 3W, Step Down Radial Mode와 같이 수 내지 수십 kHz 단위로 높은 공진주파수에서 정상구동되기 때문에, 공진주파수가 아닌 비공진 주파수 영역 즉 저주파수 범위에서 동작시키는 경우 손실발생으로 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.
한편, 이와 같은 종래의 압전변압장치는 입출력주파수 이외의 주파수로부터 발생하는 스퓨리어스 모드(Spurious Mode) 시 발생하는 소음을 억제시키는 기술을 제시하지 못하였고, 납땜을 이용해 전선을 연결함으로 인해 오히려 연결이 끊어질 수 있다는 문제점이 있어왔다.
한편, 압전변압장치와 관련한 종래 기술로서 대한민국 등록특허공보 제10-2015-0023639호(2015.03.05 공개, 액체 충전 변압기 또는 인덕터용 탱크)를 예로 들 수 있다.
해당 특허 문헌에서는, "작동 중 변압기들 또는 인덕터들의 음향 방출(Acoustic Emission)들이 외부 치수들을 허용할 수 없는 크기로 증가시키지 않으면서 가능한 작은, 액체 충전 변압기들 또는 인덕터들용 탱크"가 개시되어 있다.
하지만, 해당 특허 문헌은 본 발명의 스퓨리어스 모드 발생을 억제시키고, 스퓨리어스 모드 시 발생하는 소음을 억제시키는 기술에 대한 언급이 없으며, 따라서 그에 대한 억제방법을 제시하지 못하고 있으며 그 구성이나 작동방식이 매우 상이하다.
공개특허공보 제10-2010-0066078호(2010.06.17), 강압용 압전변압기를 이용한 스위칭모드 전원공급장치
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 상용전원 등의 주전원 입력단에 압전변압장치를 직접 회로연결하여 저전압의 전원을 출력함으로써 50~60Hz와 같이 저주파수 영역에서 구동시켜도 고효율의 변환을 수행할 수 있는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 케이스 내부의 스프링부와 고정용 나사, 케이스와 압전변압기 사이에 에어부를 구비함으로써 스퓨리어스 모드 발생을 억제시키고, 스퓨리어스 모드시 발생하는 소음을 억제시키는 레이디얼 모드 컨투어형 압전변압장치를 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로는, 주전원 입력단(10)에 회로연결되어 교류형태의 주전원을 입력받으며, 상기 주전원의 고전압과 비공진 주파수에 따라 상대적으로 낮은 수준의 진동을 발생시켜 전극 주위의 세라믹 물질에 응력이 생성되면서 스텝다운된 저전압 전원을 출력하는 압전변압장치(110); 상기 압전변압장치(110)의 출력측에 회로연결되어 입력되는 저전압 전원을 직류형태로 변환하는 정류회로부(120); 및 상기 정류회로부(120)의 출력단에 회로연결되어 변환된 직류전원이 일정한 전압레벨을 유지하도록 변환하며 변환된 전원을 후단에 회로연결된 부하(20)로 출력하는 평활회로부(130);를 포함한다.
여기서, 상기 평활회로부(130)에 포함된 콘덴서의 충전전압에 따라 출력단 전원라인과 상기 부하(20)를 선택적으로 도통시키는 수동조작스위치(140) 또는 재설정 및 감시회로;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 부하(20)는 무선센서노드이며, 상기 평활회로부(130)와 부하(20) 사이에 회로연결되며 상기 평활회로부(130)로부터 입력된 저전압 직류전원을 상기 무선센서노드가 요구하는 전압레벨로 변환하는 선형레귤레이터(150);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전변압장치(110)는, 케이스와, 상기 케이스 내부에 위치하는 압전 변압기와, 전기를 입력 및 출력하는 와이어부 및. 상기 케이스와 상기 압전 변압기 사이의 이격된 공간을 형성하는 에어(Air)부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전 변압기는, 표면이 코팅된 압전체와, 상기 압전체의 상면 및 하면의 내표면의 코팅된 부분인 제1코팅부와, 상기 제1코팅부의 중심과 동일한 원심을 갖고, 상기 압전체의 상면 및 하면에 원주형태로 형성되는 비코팅부와, 상기 압전체의 상면 및 하면의 외표면의 코팅된 부분인 제2코팅부 및, 상기 전기가 출력되는 출력부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 출력부는, 음극 아웃풋(Out Put) 접속용 플레이트(Plate) 및 양극 아웃풋(Out Put) 접촉 및 고정용 나사를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1코팅부의 내측에 존재하는 압전체에서는 입력받은 전기를 기계적인 힘으로 변환하며, 상기 비코팅부의 내부에서는 상기 제1코팅부의 내측에 존재하는 압전체로부터 상기 기계적인 힘을 전달받아 상기 제2코팅부의 내측에 존재하는 압전체로 원주형태로 전달하고, 상기 제2코팅부의 내측에 존재하는 압전체는 상기 비코팅부의 내부로부터 상기 기계적인 힘을 전달받아 전력으로 변환하여 상기 양극 아웃풋 접촉 및 고정용 나사로 전기를 보내는 것이 가능하다.
또한, 상기 와이어부는, 상기 압전 변압기에 상기 전기를 입력하는 인풋(In Put) 와이어 및 상기 압전 변압기로부터 상기 전기를 출력하는 아웃풋(Out Put) 와이어를 포함하며, 상기 인풋 와이어는 양극 인풋 와이어 및 음극 인풋 와이어를 포함하고, 상기 아웃풋 와이어는 양극 아웃풋 와이어 및 음극 아웃풋 와이어를 포함하고, 상기 케이스는, 상기 양극 인풋 와이어, 상기 음극 인풋 와이어, 상기 양극 아웃풋 와이어 및 상기 음극 아웃풋 와이어를 상기 케이스에 고정 시키는 고정나사;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전체의 상면 중심에 위치하는 제1스프링(81); 상기 압전체의 하면 중심에 위치하는 제2스프링(82) 및 상기 양극 아웃풋 접촉 및 고정용 나사에 위치하는 제3스프링(83)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극 인풋 와이어는 상기 압전체의 상면에 위치한 제1코팅부와, 상기 음극 인풋 와이어는 상기 압전체의 하면에 위치한 제1코팅부와, 상기 양극 아웃풋 와이어는 상기 양극 아웃풋 접촉 및 고정용 나사와, 상기 음극 아웃풋 와이어는 상기 음극 아웃풋 접속용 플레이트와 결합되는 것이 가능하다.
한편, 상기 제1스프링, 상기 제2스프링 및 상기 제2스프링이 도전성 물질로 형성될 경우, 상기 제1스프링은 상기 양극 인풋 와이어와, 상기 제2스프링은 상기 음극 인풋 와이어와, 상기 제2스프링은 상기 양극 아웃풋 와이어와, 상기 음극 아웃풋 와이어는 상기 음극 아웃풋 접속용 플레이트와 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로에 의하면,
첫째, 상용전원 등의 주전원 입력단에 압전변압장치를 직접 회로연결하여 저전압의 전원을 출력함으로써 50~60Hz와 같이 저주파수 영역에서 구동시켜도 고효율의 변환을 수행할 수 있다.
둘째, 진동이 최소인 지점인 압전체의 중심부를 스프링의 탄성계수를 크게하여 강하게 고정시키고, 진동이 최대인 지점인 압전체의 가장자리는 스프링의 탄성계수를 낮춰 부드럽게 고정시키는 것으로 비대칭적 진동요소를 억제함으로써, 입출력주파수 이외의 주파수로부터 출력이 얻어지는 스퓨리어스 모드 발생을 억제시킬 수 있다.
셋째, 소음의 원인 중 하나인 케이스와 압전체의 접촉이 일어나지 않게 해주는 에어부 및 압전체로부터 발생하는 소음을 제거하는 댐퍼역할을 하는 스프링을 이용함으로써 스퓨리어스 모드 시 발생하는 소음을 억제시킬 수 있다.
넷째, 에어부가 존재함에도 불구하고 압전체를 고정시켜주는 역할을 하는 스프링을 이용함으로써 에어부를 구비하는 것이 가능해져 비접촉(Non Contact) 방식으로 케이스와 압전 변압기 사이에 발생하는 소음을 억제시킬 수 있다.
다섯째, 종래 변압기의 전극 위에 납땜이 떨어짐으로써 연결이 끊어질 수 있는 문제점을 4개의 고정나사를 통해 따로 전선을 납땜하지 않고 PCB에 고정함으로써 해결하는 것이 가능하다.
도 1은 종래의 압전변압장치를 이용한 전원공급회로의 회로구성을 나타낸 회로도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로의 회로구성을 나타낸 회로도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스텝다운 레이디얼 모드 압전변압장치의 임피던스 크기 및 위상을 나타낸 그래프,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무부하에서 회로의 반응 결과 및 압전변압장치의 다양한 형태를 나타낸 그래프 및 사진,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로의 선형레귤레이터 및 무선센서노드의 회로구성을 나타낸 회로도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템에 표출된 입력전압과 정류된 전압 반응을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로에 전압을 입력하고 출력반응을 측정한 그래프,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로에 표출된 입력전압과 정류된 전압 반응을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정류 및 선형레귤레이터의 출력파형을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치의 케이스 커버 분리상태를 나타낸 사시도,
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치의 내부구성을 나타낸 측단면도,
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치의 케이스 커버 분리상태를 촬영한 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로는 상용전원 등의 주전원 입력단(10)에 압전변압장치(110)를 직접 회로연결하여 저전압의 전원을 출력함으로써 50~60Hz와 같이 저주파수 영역에서 구동시켜도 고효율의 변환을 수행할 수 있는 전원공급회로로서, 도 2에 도시된 바와 같이 압전변압장치(110), 정류회로부(120) 및 평활회로부(130)를 포함하여 구비된다.
먼저, 상기 압전변압장치(110)는 입력된 주전원을 저전압 전원으로 변환하기 위한 회로소자로서 주전원 입력단(10)에 회로연결되어 교류형태의 주전원을 입력받으며, 상기 주전원의 고전압과 비공진 주파수에 따라 상대적으로 낮은 수준의 진동을 발생시켜 전극 주위의 세라믹 물질에 응력이 생성되면서 스텝다운된 저전압 전원을 출력한다,
상기 압전변압장치(110)에 따른 임피던스 크기 및 위상은 도 3에 도시된 바와 같다. 사인파형의 출력전압은 상기 정류회로부(120)의 다이오드와 평활회로부(130)의 커패시터를 통해 완전한 DC전압으로 정류되고 변환된다.
상기 주전원 입력단(10)은 통상적으로 이용되는 110/220V, 50/상용전원 입력단일 수 있으며 이 밖에 고전압 송전선으로 낮은 주파수 범위를 갖는 수kV단위의 전압을 전송받을 수도 있다. 이때 110/220V의 상용전원을 이용하는 경우나 송전선을 통해 전송되는 고전압의 전원을 이용하는 경우 전압의 크기에만 차이가 있으며 저전압으로 스텝다운되어 출력되는 동작원리는 동일하다.
또한, 상기 압전변압장치(110)는 입력이 비공진영역에서 커패시터로 작동하게 되며 이에 따라 하기의 세 종류의 현상이 출력전력생성에 관여한다.
첫번째로, 입력이 엑츄에이터로 작동하기에 입력 엑츄에이터의 진동은 압전변압장치(110)의 출력센서 부분에서 발전하게 된다. 두번째로, 입력전압에는 노이즈가 있을 수 있거나 파형이 완벽한 사인파가 이니기에 고조파를 생성한다. 실제 압전변압장치(110)의 공진주파수는 입력주파수의 조화배수일 수 있는데 이것이 입력진동의 원인이 된다. 세번째로, 고주파 적용은 특히 전극 주위에서 세라믹 물질에 응력을 생성하게 되는데 이에 따라 결과적으로 전압을 생성할 수 있다.
주전원 입력단(10)으로 입력된 주전원이 갖는 고전압과 비공진주파수는 압전변압장치(110) 내부에서 낮은 수준의 진동을 일으킬 수 있으며 내부진동을 압전변압장치(110)의 출력부분이 스텝다운 전압으로 수확(Harvesting)할 수 있다. 여기서, 도 2에 도시된 바와 같이 정류회로부(120)의 다이오드 정류자와 평활회로부(130)의 커패시터를 통한 완전한 DC전압으로 정류되고 변환(Rectifier And Converter)될 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 평활회로부(130)에 포함된 커패시터의 충전전압에 따라 출력단 전원라인과 부하(20)를 선택적으로 도통시키는 수동조작스위치(140) 또는 재설정 및 감시회로(Reset & Supervisory)를 더 포함하여 구비될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 커패시터가 부하를 견딜 충분한 에너지를 가지고 있을 때 부하(20)는 오직 Vout에만 연결될 수 있다. 이는 수동조작스위치(140)로 작동되거나 디지털 전자에서 사용되는 재설정 및 감시회로 등의 IC를 통해 자동으로 이루어질 수 있다. 기계적 질량이 공진주파수를 낮추거나 초기응력 조건을 만들어 내기 위해 압전변압장치(110)의 입출력부에 부착되어 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 평활회로부(130)에 회로구성되는 커패시터(Cout)는 단지 무선센서노드와 같은 로드만을 구동시킬 수 있으며, 수동조작스위치(140)가 작동되는 경우 커패시터에 저장된 충전전압이 방전되면서 출력전압으로 이용될 수 있다.
상기 정류회로부(120)는 압전변압장치(110)로부터 출력된 저전압 전원을 정류하는 회로로서, 상기 압전변압장치(110)의 출력측에 회로연결되어 입력되는 저전압 전원을 직류형태로 변환한다. 여기서, 정류회로부(120)는 통상적으로 이용되는 브릿지 다이오드 형태로 회로 구성될 수 있다.
상기 평활회로부(130)는 정류회로부(120)로부터 정류된 전원의 전압레벨을 일정하게 유지시키는 회로로서, 상기 정류회로부(120)의 출력단에 회로연결되어 변환된 직류전원이 일정한 전압레벨을 유지하도록 변환하며 변환된 전원을 후단에 회로연결된 부하(20)로 출력한다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 부하(20)는 무선센서노드이며, 상기 평활회로부(130)와 부하(20) 사이에 회로연결되며 상기 평활회로부(130)로부터 입력된 저전압 직류전원을 상기 무선센서노드가 요구하는 전압레벨로 변환하는 선형레귤레이터(150)를 더 포함하여 구비될 수 있다.
여기서, 상기 무선센서노드는 매 6초마다 데이터를 전송하도록 프로그램된 저전력 장치이다. 또한, 압전변압장치(110)는 마그네틱 변압기와 달리 EMI를 발생하지 않고 양호한 절연 특성과 최소한의 회로구성을 요구로 하며 직접 주전원으로 연결할 수 있다. 따라서, 저전력 무선센서노드 및 LED램프 등을 활성화시키기 위한 무선스위치의 수신부와 같이 저전력 전자기기에 사용될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c에는 무부하에서 회로의 반응 결과가 도시되어 있다. 도면을 참고하면 220Vrms와 60Hz의 입력전압이 Channel-1으로 보여지고 스텝다운 출력전압 충전커패시터의 출력전압 Cout이 Channel-2로 보여진다. 회로는 도면에 도시된 바와 같이 두가지 다른 타입의 Radial 변압기로 테스트되었다.
또한, 도 5에 도시된 시스템을 실제로 구현하면 도 6에 도시된 바와 같이 이 실험에서는 Stepdown Radial Mode Contour Type 압전변압장치(110)가 무선센서노드에 에너지를 공급하는지 테스트를 진행하였다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치를 이용한 전원공급회로에 전압을 입력하고 출력반응을 측정한 그래프이고, 도 8은 도 7에 제시된 정류된 Output Power의 전압그래프로서, 20kΩ의 저항조건에서 60Hz의 주파수의 Input Votage에 따른 Input Power와 정류된 Output Power를 각각 청색과 흑색 그래프로 표현하였다.
도 7과 도 8은 도 1에 제시된 시스템을 사용하여 정류된 Output Voltage와 Output Power를 20kΩ의 저항에서 측정하였으며, Voltage와 Power 모두 인가된 Input Voltage에 따라 선형관계를 보여주었다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정류 및 선형레귤레이터의 출력파형을 나타낸 그래프이다. 압전변압기가 220V, 60Hz의 상용전원에 의해 전원을 공급받은 후, 압전변압기의 출력이 정류되고 선형레귤레이터(150)를 통해 3V의 DC로 얻어진다. Cout이 TIeZ430-RF2500T wireless sensor node의 저항을 견디기에 충분한 에너지가 되면 스위치가 on이 된다. 이 node는 도면에서와 같이 매 6초마다 근거리로 전압과 온도 data를 전송하도록 설정되어 있다.
다음으로는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치(110)의 세부 구성 및 기능을 설명하기로 한다. 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 압전변압장치(110)는 레이디얼 모드 컨투어형으로 이루어져 케이스(10), 압전변압기, 와이어부 및 에어부(90)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 케이스(10)는 내부에 압전변압기를 포함하여 에어부(90)를 수용할 수 있는 공간을 포함하고 있으며, 상기 에어부(90)는 상기 케이스(10) 내에서 상기 압전변압기가 내장될 수 있도록 마련된 장착홈과 압전변압기의 크기 차에 의해 형성될 수 있다.
이와 같이 에어부(90)를 포함함으로써 입출력주파수 이외의 주파수 및 비대칭적 진동에 의해 발생하는 스퓨리어스 모드(Spurious Mode)의 발생을 억제하고 스퓨리어스 모드가 발생했을 시에 그에 따른 소음을 억제한다.
케이스(10)는 내부에 압전변압기 및 에어부(90)가 형성되는 공간 외에 별도로 고정나사(50) 및 와이어부를 구비할 수 있는 공간을 추가로 포함할 수 있다.
여기서 압전변압기란, 공명을 줄 수 있는 일정한 진동의 교류전원을 입력하면 압전 물질 즉, 압전체(20)가 진동하고 이 진동에 의해 또 다른 형태의 교류전기를 출력해 낼 수 있으며, 이 때 진동수의 비율을 조절하여 변압이 가능하다.
압전변압기는 압전체(20)의 상면과 하면에 위치하는 제1코팅부(21), 비코팅부(22) 및 제2코팅부(23)를 포함하며, 출력부는 도시되지는 않았으나 압전변압기 또는 케이스 내부 중 어느 하나에 위치할 수 있다.
출력부는 음극 아웃풋접속용 플레이트(102)와 양극 아웃풋 접촉 및 고정용 나사(101)를 포함한다.
전기를 기계적 힘으로 기계적 힘을 전기로 바꾸는 것이 가능한 압전체(20)는 세라믹, 폴리머와 같은 물질로 구성되며, 압전체(20)를 코팅하는 물질로는 대표적으로 은, 금 구리 등이 있다. 이때, 압전체(20)를 코팅하는 물질은 전도성이 좋으며, 산화 즉, 부식이 잘 일어나지 않는 금속으로 전도성과 유지성이 뛰어난 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
제1코팅부(21)와 제2코팅부(23)는 도시된 바와 같이 제1코팅부(21)의 중심과 동일한 원심을 갖고, 원주형태로 형성되는 비코팅부(22)를 사이에 두고 있으며, 제1코팅부(21)는 전기를 공급받아 기계적인 힘으로 변환시켜 비코팅부(22)의 원주를 통해 제2코팅부(23)로 전달한다.
제2코팅부(23)는 전달받은 기계적인 힘을 다시 전기로 변환시켜 출력부를 통해 전기를 출력한다. 이 과정에서 압전변압기의 진동이 일어나며 이 진동으로 인한 충격을 에어부(90)와 제1스프링(81), 제2스프링(82) 및 제3스프링(83)을 통해 완화시킬 수 있다.
이와 같은 케이스(10)와 압전변압기의 비접촉(Non Contact) 방식으로 케이스와 압전변압기 사이에 발생하는 소음을 억제시키는 것이 가능하다.
와이어부는 양극 인풋와이어(31), 음극 인풋와이어(32), 양극 아웃풋와이어(41) 및 음극 아웃풋와이어(42)를 포함하며 케이스(10)와 연결되는 부분은 도시된 바와 같이 고정나사(50)로 고정되는 것이 가능하다.
이때, 도 12에 도시된 바와 같이 케이스(10)는 음극 인풋와이어(32)를 위를 향해 올려 고정나사에 의해 고정될 수 있도록 음극 인풋와이어가 지나는 통로인 와이어홈(110)을 더 포함할 수 있다.
종래 변압기의 전극 위에 납땜이 떨어짐으로써 연결이 끊어질 수 있는 문제점을 4개의 고정나사(50)를 통해 따로 전선을 납땜하지 않고 PCB에 고정함으로써 해결하는 것이 가능하다.
이때, 양극 인풋와이어(31)는 압전체(20)의 상면에 위치한 제1코팅부(21)와, 음극 인풋와이어(32)는 압전체(20)의 하면에 위치한 제1코팅부(21)와, 양극 아웃풋와이어(41)는 양극 아웃풋 접촉 및 고정용 나사(101)와, 음극 아웃풋와이어(42)는 음극 아웃풋 접속용 플레이트(102)와 납땜을 통해 전기적으로 결합되는 것이 가능하다.
한편, 제1스프링(81), 상기 제2스프링(82) 및 상기 제3스프링(83)이 도전성 물질로 형성될 경우, 제1스프링(81)은 양극 인풋와이어(31)와, 제2스프링(82)은 음극 인풋와이어(32)와, 제3스프링(83)은 양극 아웃풋와이어(41)와, 음극 아웃풋와이어(42)는 음극 아웃풋 접속용 플레이트(102)와 납땜을 통해 전기적으로 결합되는 것이 가능하다.
이때, 제1스프링(81) 및 제2스프링(82)은 인풋 터미널(Input Terminal)로써의 역할을 수행하고, 제3스프링(83)은 아웃풋 터미널(Output Terminal)로써의 역할을 수행하는 것이 가능하다.
도전성 물질로 형성된 스프링은 그 예시로서, 도전성 금속선을 코일 형태로 형성한 스프링이 있으며, 도전성 실리콘 또는 도전성 탄성부재로 대체가 가능하다.
와이어를 압전체가 아닌 압전체에 연결된 스프링에 연결함으로써 압전체에 직접적인 납땜을 할 필요가 없어진다.
또한, 진동이 최소인 지점인 압전체(20)의 중심부를 지지하는 제1,2스프링(81,82)이 갖는 탄성계수를 크게해 강하게 고정시키고, 진동이 최대인 지점인 압전체(20)의 가장자리를 지지하는 제3스프링(83)이 갖는 탄성계수를 낮춰 부드럽게 고정시키는 것으로 비대칭적 진동요소를 억제함으로써, 입출력주파수 이외의 주파수로부터 출력이 얻어지는 스퓨리어스 모드 발생을 억제시킨다.
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전변압장치(110)를 이용한 전원공급회로의 구성 및 기능을 통해 상용전원 등의 주전원 입력단에 압전변압장치를 직접 회로연결하여 저전압의 전원을 출력함으로써 50~60Hz와 같이 저주파수 영역에서 구동시켜도 고효율의 변환을 수행할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10...주전원 입력단 110...압전변압장치
120...정류회로부 130...평활회로부
140...수동조작스위치 150..선형레귤레이터

Claims (11)

  1. 주전원 입력단(10)에 회로연결되어 교류형태의 주전원을 입력받으며 상기 주전원의 고전압과 비공진 주파수에 따라 저진동을 발생시켜 전극 주위의 세라믹 물질에 응력이 생성되면서 스텝다운된 저전압 전원을 출력하는 압전변압장치(110);
    상기 압전변압장치(110)의 출력측에 회로연결되어 입력되는 저전압 전원을 직류형태로 변환하는 정류회로부(120); 및
    상기 정류회로부(120)의 출력단에 회로연결되어 변환된 직류전원이 일정한 전압레벨을 유지하도록 변환하며 변환된 전원을 후단에 회로연결된 부하(20)로 출력하는 평활회로부(130);를 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 평활회로부(130)에 포함된 콘덴서의 충전전압에 따라 출력단 전원라인과 상기 부하(20)를 선택적으로 도통시키는 수동조작스위치(140) 또는 재설정 및 감시회로;를 더 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 부하(20)는 무선센서노드이며,
    상기 평활회로부(130)와 부하(20) 사이에 회로연결되며 상기 평활회로부(130)로부터 입력된 저전압 직류전원을 상기 무선센서노드가 요구하는 전압레벨로 변환하는 선형레귤레이터(150);를 더 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압전변압장치(110)는,
    케이스와,
    상기 케이스 내부에 위치하는 압전 변압기와,
    전기를 입력 및 출력하는 와이어부 및.
    상기 케이스와 상기 압전 변압기 사이의 이격된 공간을 형성하는 에어(Air)부를 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 압전 변압기는,
    표면이 코팅된 압전체와,
    상기 압전체의 상면 및 하면의 내표면의 코팅된 부분인 제1코팅부와,
    상기 제1코팅부의 중심과 동일한 원심을 갖고, 상기 압전체의 상면 및 하면에 원주형태로 형성되는 비코팅부와,
    상기 압전체의 상면 및 하면의 외표면의 코팅된 부분인 제2코팅부 및,
    상기 전기가 출력되는 출력부를 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 출력부는,
    음극 아웃풋(Output) 접속용 플레이트(Plate); 및 양극 아웃풋(Output) 접촉 및 고정용 나사를 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제1코팅부의 내측에 존재하는 압전체에서는 입력받은 전기를 기계적인 힘으로 변환하며,
    상기 비코팅부의 내부에서는 상기 제1코팅부의 내측에 존재하는 압전체로부터 상기 기계적인 힘을 전달받아 상기 제2코팅부의 내측에 존재하는 압전체로 원주형태로 전달하고,
    상기 제2코팅부의 내측에 존재하는 압전체는 상기 비코팅부의 내부로부터 상기 기계적인 힘을 전달받아 전력으로 변환하여 상기 양극 아웃풋 접촉 및 고정용 나사로 전기를 보내는 것이 가능한 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 와이어부는,
    상기 압전 변압기에 상기 전기를 입력하는 인풋(Input) 와이어; 및
    상기 압전 변압기로부터 상기 전기를 출력하는 아웃풋(Output) 와이어;를 포함하며,
    상기 인풋 와이어는 양극 인풋 와이어 및 음극 인풋 와이어를 포함하고, 상기 아웃풋 와이어는 양극 아웃풋 와이어 및 음극 아웃풋 와이어를 포함하고,
    상기 케이스는,
    상기 양극 인풋 와이어, 상기 음극 인풋 와이어, 상기 양극 아웃풋 와이어 및 상기 음극 아웃풋 와이어를 상기 케이스에 고정 시키는 고정나사;를 더 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 압전체의 상면 중심에 위치하는 제1스프링;
    상기 압전체의 하면 중심에 위치하는 제2스프링; 및
    상기 양극 아웃풋 접촉 및 고정용 나사에 위치하는 제2스프링;을 더 포함하는 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 양극 인풋 와이어는 상기 압전체의 상면에 위치한 제1코팅부와, 상기 음극 인풋 와이어는 상기 압전체의 하면에 위치한 제1코팅부와, 상기 양극 아웃풋 와이어는 상기 양극 아웃풋 접촉 및 고정용 나사와, 상기 음극 아웃풋 와이어는 상기 음극 아웃풋 접속용 플레이트와 결합되는 것이 가능한 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제1스프링, 상기 제2스프링 및 상기 제2스프링이 도전성 물질로 형성될 경우, 상기 제1스프링은 상기 양극 인풋 와이어와, 상기 제2스프링은 상기 음극 인풋 와이어와, 상기 제2스프링은 상기 양극 아웃풋 와이어와, 상기 음극 아웃풋 와이어는 상기 음극 아웃풋 접속용 플레이트와 결합되는 것이 가능한 압전변압장치를 이용한 전원공급회로.
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