[회로설계]초음파 가공기용 발진장치의 설계와 제작 (PDF 기술자료)

[국제테크노연구소]

   출력 100W의 안정된 발진동작과 정전류방식 구동의
  초음파 가공기용 발진장치의 설계와 제작

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초음파는 볼트 체결 란쥬반형 진동자(BLT: Bolted Langevin type Transducers)에 교류전압을 가하여, 기계적으로 진동시킴으로써 발생시킨다. BLT는 기계적인 공진자로, 그 공진주파수는 부하상태, 주위온도, 구동전압 레벨 등에 따라 변동한다. BLT가 기계적으로 공진했을 때에 전압, 전류의 위상차가 거의 제로가 되는 것을 이용하여 주파수를 자동 제어한다. 이른바 PLL(Phase Locked Loop) 회로이다.
초음파를 동력에 사용한 응용으로, 가장 널리 알려져 있는 것으로 초음파 세정기와 초음파 가공기가 있다. 진동자(BLT)의 머리 부분에 붙이는 혼(horn)은 BLT에서 발생한 초음파 진동을 부하에 전송하여, 진폭을 확대할 목적으로 사용되는 기계적 공진기이다. 혼에서 발생한 초음파 진동을 수중에게 전달하면 초음파 세정기가 되고, 혼의 맨 끝에 가공기구를 붙이면 초음파 가공 등을 할 수 있다. 저가격의 제품은 초음파 진동자를 귀환 루프내에 넣은 자려발진 방식을 채택하고 있는데, 이것은 진동계와 부하특성을 알지 못하면 설계를 할 수 없다.

본고에서 소개하는 것은 안정된 발진동작을 기대할 수 있는 타려방식으로, 고안정 PLL 발진회로와 정전류 방식으로 구동하는 100W 출력의 초음파 발진장치이다. 설계와 제작이 가능하도록 초음파 발진장치의 핵심요소인  PLL 발진회로, 절연 게이트 드라이브 회로, 파워 스위칭 회로, 정합회로, 가변전원회로, AC입력 필터, 정류, 평활회로, 회로전원, 얼람회로 등의 회로도와 원리와 동작, 설계 스텝에 대해 자세한 해설과 완성 시제품의 측정결과를 소개한다.

■ 주요내용

■ 초음파 발진기의 구성
    □ PLL(Phase Locked Loop) 발진회로
    □ 절연 게이트 드라이브 회로      □ 파워 스위칭 회로
    □ 정합회로      □ 전력 가변회로와 가변 전원회로
 ■ BLT의 특성 측정
    □ BLT의 등가회로
    □ 수중에서의 임피던스와 위상의 주파수 특성
    □ 고무 시트상에서의 임피던스와 위상의 주파수 특성
    □ 어드미턴스로 평가
 ■ 정합회로의 설계
    □ 정합회로의 개요    □ LCR 직렬회로에 의한 정합
    □ 회로정수의 결정    □ 위상 추이 특성을 고려
 ■ 게이트 드라이브 회로와 파워 스위칭 회로
    □ 게이트 드라이브 회로     □ 파워 스위칭 회로
 ■ 정합회로의 기본동작
    □ 출력전압과 출력전류의 파형 □ 발진주파수와 출력전류의 위상
    □ 정합회로의 승압 동작
 ■ 절연 게이트 드라이브 회로의 파형 관측
 ■ VCO 회로의 설계
    □초음파 발진기용 VCO의 요건 □ MC34025P를 사용한 발진회로
    □ 외부에 정전류 회로 부착으로 내장의 발진회로 제어
    □ 발진주파수의 조정
 ■ 위상 검출회로의 설계
    □ 주파수 lock일 때 각 부분의 파형
    □ 발진주파수의 자동제어의 모양
    PLL이 BLT의 공진주파수 이하로 발진하고 있을 때의 PSD 출력
    PLL이 BLT의 공진주파수 이상으로 발진하고 있을 때의 PSD 출력
 ■ 정전류 제어회로 설계
    □ BLT에 흐르는 부하전류와 설정전류의 차분 검출회로
    □ PWM 제어신호를 생성하는 회로
    □ 각 부분의 동작 파형
 ■ 비절연형 가변 전원회로  ■ 얼람 회로와 보호회로
 ■ 초음파 발진기의 기동 특성
    □ PLL과 정전류 제어회로가 기동 특성을 결정
    □ 기동 특성에 의한 동작 안정도의 확인

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