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고지향성 압전 트랜스듀서용 새로운 고효율 전력 증폭기
New High-efficiency Power Amplifier System for High-directional Piezoelectric Transducer 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.3, 2018년, pp.383 - 390  

김진영 (Dept. Electrical Engineering, Pukyong Nat. University) ,  김인동 (Dept. Electrical Engineering, Pukyong Nat. University) ,  문원규 (Dept. Mechanical Engineering, Pohang Univ. of Science and Technology)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Piezoelectric micro-machined ultrasonic transducers for highly directional speaker need DC bias voltage. Most existing power amplifiers are not suitable for use in highly directional transducers because they are based on AC. In addition, since the piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer h...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 먼저, pMUT의 부하 특성을 연구한 뒤에 고효율의 특성을 갖는 전력 증폭기를 구현한다. 그리고 부하의 임피던스를 고려한 매칭 회로를 추가하여 전력 증폭기의 전력 효율을 높이고자 한다. 본 연구에서 제안하는 전력 증폭기는 프로토 타입으로 제작하여 실험을 통해 동작특성을 검증한다.
  • 이로 인해 기존의 전력 증폭기는 구동하기에 적합하지 못하며 전력 효율이 매우 낮다. 따라서 본 연구에서는 압전 박막 형 트랜스듀서를 고효율로 구동할 수 있는 전력 증폭기를 제안한다. 구동 전압 및 구동 주파수에 따른 압전 박막형 트랜스듀서의 부하 특성을 분석하고 최적화된 전력 증폭기를 선정하였다.
  • 이와 같은 배경으로 본 연구에서는 기존 전력 증폭기의 단점을 보완하고 압전 박막형 트랜스듀서를 구동하기 위한 최적화 된 전력 증폭기를 구현하고자 한다. 기존의 전력 증폭기는 트랜스듀서의 부하 특성을 고려하지 않고 구현이 되었다.

가설 설정

  • 하지만 두 가지 기능을 사용함에도 불구하고 전력 증폭기의 전력 효율은 여전히 낮은 것을 확인할 수 있다. 전력 증폭기의 전력 효율을 높이기 위해서는 트랜스듀서의 부하 특성을 고려해야 한다.
  • 다만, 트랜스듀서의 무효전력을 보상하기 위해서는 주파수가 93 [kHz]일 때 커패시터 Cm의 리액턴스 크기가 인덕터 Lm의 리액턴스 크기보다 매우 작아야 한다. 커패시터 Cm과 인덕터 Lm은 직렬 구조이므로 공진 주파수 fR에서 매칭 회로의 합성 리액턴스는 0이 되며 공진 주파수 fR보다 낮은 주파수 일수록 커패시터 Cm의 리액턴스가 커지게 된다. 따라서 공진주파수 fR이 93 [kHz]보다 매우 작도록 식 (2)를 만족하는 커패시터 Cm을 선정하면 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
트랜스듀서의 무효전력을 보상할 수 있는 방법은 무엇인가? 이로 인해 무효전력 QC가 발생하게 되고 전력 증폭기의 효율은 매우 낮아지게 된다. 따라서 그림 8-(b)처 럼 매칭회로를 추가하면 트랜스듀서로 인해 발생하는 무효전력을 보상할 수 있다. 그림 8-(b)에서 매칭회로의 인덕터 Lm과 커패시터 Cm은 직렬로 구성되어 있으므로 매칭회로의 임피던스는 인덕 터 Lm의 리액턴스와 커패시터 Cm의 리액턴스의 합이 된다.
전력 증폭기 구동 시 트랜스듀서에 의해 발생하는 문제점은 무엇인가? 그림 3-(a)는 트랜스듀서의 간단한 등가회로를 나타내고 그림 3-(b)는 트랜스듀서의 어드미턴스를 나타낸다[14]. 그림 3의 등가회로에서 알 수 있듯이 트랜스듀서는 큰 용량성 리액턴스를 가지므로 전력 증폭기의 구동 시 매우 큰 무효 전력이 발생한다. 따라서 전력 증폭기는 트랜스듀서의 소비 전력(유효전력) 보다 매우 큰 피상 전력을 공급해야 한다.
본 논문에서 제안한 압전 박막 형 트랜스듀서를 고효율로 구동할 수 있는 전력 증폭기는 어느 분야에 이용할 수 있는가? 제안한 전력 증폭기는 프로토타입으로 제작하여 실험을 통해 동작 특성을 검증하였다. 제안한 전력 증폭기는 에너지 수급 어려운 군사용 소나 시스템이나 다른 전력 증폭기의 설계 및 구현에 활용될 것으로 기 대된다.
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