Chế tạo nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới

Chế tạo nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới

Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp Đại học quốc gia hà nội Trờng đại học công nghệ Giang Cao Sơn Chế tạo nguồn xung lỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới Khoá luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy Ngành: Điện tử-Viễn thông Cán bộ hớng dẫn: TS. Nguyễn Việt Dũng Hà nội-2005 Giang Cao Sơn K46ĐC 1 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp TểM TT NI DUNG KHO LUN Nghiờn cu gii phỏp k thut v la chn phng ỏn thit k ch to thit b: Ngun xung lng cc cho thớ nghim cụng ngh m mi Cỏc cụng vic chớnh c thc hin l: 1. Thit k b phỏt xung vuụng cú tn s v rng thay i c - Kho sỏt mt s nguyờn lý to xung - Tỡm hiu IC LM3524 v thit k mỏy phỏt xung dựng IC ny 2. Thit k tng m cụng sut v tng cụng su t nhm to xung cụng xut lng cc li ra - Kho sỏt cỏc linh kin úng m cho ngun mt chiu: Nh Tranzito, Tranzito MOSFET, GTO, IGBT. - La chn phng ỏn dựng MOSFET lm cụng sut. 3. Thit k ngun n ỏp mt chiu in ỏp ra bin i c t 0V n U ra max - Kho sỏt nguyờn tc n ỏp c in v n ỏp xung. - Tỡm hiu IC n ỏp LM317 v thit k ngun n ỏp da trờn nú. 4. Nhng vic b tr cn thit cho vic ch to hon chnh mt thit b thớ nghim - Cỏc mch o, ch th in ỏp, dũng, tn s. c bit cú tớnh n phn c khớ v mỏy, lp rỏp v tin li cho ngi s d ng. 5. Kt qu - V thit b v cỏc ng dng. Giang Cao Sơn K46ĐC 2 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp MC LC Xut x ti 1 Chng 1: Tỡm hiu nhim v v la chn phng ỏn thit k 1.1. Tỡm hiu nhim v 3 1.1.1. S lc k thut m xung 3 1.1.2. S khi tng quỏt 4 1.1.2.1. Phõn tớch s khi 4 1.2. Kho sỏt cỏc linh kin in t 5 1.2.1. TIRISTO khoỏ c bng cc iu khin, GTO (Gate Turn Off Tiristo) 5 1.2.1.1. Cu trỳc bỏn dn 6 1.2.1.2. c tớnh úng c t 6 1.2.2. Tranzito lng cc cụng sut 7 1.2.2.1. Cu trỳc bỏn dn 7 1.2.2.2. c tớnh úng ct 8 1.2.3. Tranzito trng MOSFET 10 1.2.3.1. Cu to v nguyờn lý hot ng 10 1.2.3.2. c tớnh tnh 11 1.2.3.3. c tớnh úng ct 12 Giang Cao Sơn K46ĐC 3 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp 1.2.4. Tranzito cú cc iu khin cỏch ly, IGBT (Insulated Gate Bibolar Tranzito) 13 1.2.4.1. Cu to v nguyờn lý hot ng 13 1.2.4.2. c tớnh úng ct 14 1.2.4.3. Yờu cu vi tớn hiu iu khin 15 1.2.5. So sỏnh tng i cỏc phn t bỏn dn cụng sut 16 1.2.6. Vn to nhit cho linh kin cụng sut 17 1.2.6.1. Mụ hỡnh truyn nhit 18 1.2.6.2. Tớnh toỏn to nhit 20 1.2.7. Vn chung v dao ng v kho sỏt IC LM3524 21 1.2.7.1. Cỏc vn chung v dao ng 21 1.2.7.2. Mt s m ch to xung vuụng 22 1.2.7.3. Mỏy phỏt xung vi tn s v rng cú th thay i c, s dng IC LM3524 24 1.2.8. Kho sỏt nguyờn tc n ỏp c in v n ỏp xung 27 1.2.8.1. n nh in ỏp 27 1.2.8.2. n ỏp tham s dựng iụt Zener 28 1.2.8.3. n ỏp kiu bự dựng b khuych i cú iu khin 29 1.2.8.4. n ỏp xung 31 Giang Cao Sơn K46ĐC 4 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp 1.2.9. La chn phng ỏn thit k 32 Chng 2: Ch to ngun xung lng cc 2.1. Thit k v phõn tớch s khi chi tit 34 2.1.1. S khi chi tit 34 2.1.2. Phõn tớch nguyờn lý hot ng s khi chi tit 34 2.2. Thit k v phõn tớch nguyờn tc hot ng s nguyờn lý 36 2.2.1. S nguyờn lý 36 2.2.2. Phõn tớch nguyờn tc hot ng s nguyờn lý 36 2.2.2.1. Phõn tớch nguyờn tc hot ng ph n to xung iu khin 36 2.2.2.2. Phõn tớch nguyờn tc hot ng phn cụng sut 44 2.2.2.3. Phõn tớch nguyờn lý hot ng phn ngun n ỏp cụng sut 48 2.2.2.4. Ngun n ỏp nuụi cho mch iu khin 49 2.3. Tớnh toỏn to nhit cho cỏc linh kin cụng sut 49 2.4. Kt cu thit b 51 2.4.1. La chn cỏc ph kin trờn mt mỏy 51 2.4.2. Thit k v thit b v lp rỏp 51 Kt lun v ỏnh giỏ kt qu t c ca khoỏ lun 52 Ti liu tham kho 53 Giang Cao Sơn K46ĐC 5 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp XUT X TI Cụng ngh m in l cụng ngh ó c s dng rng rói t lõu trờn th gii v Vit Nam phc v cho nhng mc ớch khỏc nhau ca cụng nghip v i sng. Trong hai thp k gn õy, cỏc nc cụng nghip phỏt trin ngi ta ó tin hnh nghiờn cu v ng dng cụng ngh m tiờn tin ú l cụng ngh m xung vo thc t sn xut, trong ú cụng ngh to mng v lp ph cú cu trỳc nanụ bng k thut xung cng khụng nm ngoi tro lu ny nh vo tớnh u vit ca k thut m xung. 1.í ngha ca k thut m xung *) To ra cỏc lp ph bo v chng n mũn cao Cỏc lp ph kim loi ch to bng k thut m xung cú th nhn c cu trỳc Submicro v nanụ, lp m mn, r nh, ng u ca lp m hon ho, cng tng, chiu dy lp ph gim v vic la chn thnh phn hp kim d dng nh vo s thay i cỏc thụng s ca k thut xung [5]. *) S dng vo mc ớch trang trớ Cỏc lp ph vng, bc v hp kim. Cú búng cao m khụng cn s dng cỏc cht to búng, ng u, mng, rt thớch h p cho mc ớch trang trớ [6]. *) To cỏc mng cú cu trỳc nanụ õy l mt cụng ngh rt mnh ch to nhng mng mng hp kim cú tớnh cht t nh NiFe, CoFeNi, NiFeB s dng trong cỏc nghnh cụng nghip khỏc nhau v trong i sng [4]. *) S dng trong cụng nghip in t K thut m xung c s dng t lõu trong nghnh cụng nghip in t nh m mch in, tip imchỳng cú th m trờn l v cỏc a hỡnh phc tp mt cỏch d dng. Ngy nay vi tớnh u vit ca lp m cú cu trỳc nanụ, k thut ny ang c s dng rt mnh trong nghnh MEMS(Microelectro Mechanic System) cng nh ch to sensor [7]. Trong thi gian gn õy, Phũng n mũn v bo v vt liu Vin khoa hc vt liu- ó nghiờn cu k thut m xung. to ra lp m cú c u trỳc Submicro v nanụ l rt quan trng v cn thit trong khi Vit Nam hu nh cha cú c s no nghiờn cu v s dng cụng ngh ny. Vỡ vy phi cú nhu cu tt yu l ch to ngun xung lng cc phc v cho k thut m mi ny. Vic ch to Ngun xung lng cc khụng nm ngoi mc ớch phc v cho ti nghiờn cu k thut m xung ca Phũng thớ nghim n mũn v bo v vt liu thuc Vin khoa hc vt liu. Giang Cao Sơn K46ĐC 6 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp 2.Nhim v ch to Ngun xung lng cc cho thớ nghim cụng ngh m mi Vi lý do phc v cho mc ớch thớ nghim, cho nờn cn ch to ngun vi xung li ra cú di lm vic rng, ngi s dng cú nhiu s la chn cỏc thụng s khỏc nhau, phc v cho yờu cu thớ nghim. - Tn s xung ra 1Hz 1500Hz ữ - Xung li ra l xung vuụng lng cc cú th iu chnh c rng - Thi gian ngh sau mt cp xung lng cc l 1 ữ 512 ln ca chu k - Biờn t 0 15V ữ - Dũng cc i 15A - Thit b ny phi c kt cu vng chc v tin li khi thớ nghim Giang Cao Sơn K46ĐC 7 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp CHNG 1 TèM HIU NHIM V V PHNG N THIT K 1.1.TèM HIU NHIM V 1.1.1. S lc k thut m xung K thut m thụng thng c dựng t nhiu thp k trc õy v cho n ngy nay vn cũn s dng ú l k thut m s dng dũng in mt chiu tc l dũng in liờn tc. K thut m xung l k thut ch to lp ph bng cỏch dựng dũng in khụng liờn tc, nú cho phộp s d ng mt dũng m cao hn rt nhiu do m xung cú tc to mm cao v cho phộp ci thin cỏc c tớnh ca kim loi hay hp kim so vi lp m truyn thng (dũng mt chiu). Dng dũng xung c s dng nhiu nht l xung vuụng. Ch m xung n gin nht c biu din trờn hỡnh 1. Quỏ trỡnh khuch tỏn V 0 t Np lp kộp Quỏ trỡnh Faraday P h ú n g i n l p k ộ p Ch ny c xỏc nh bi cỏc thụng s in: - T + : thi gian xung. - T ngh: thi gian ngh - T: chu k - Jc: mt dũng xung - Jm: mt dũng trung bỡnh Cỏc thụng s ny nh hng rt ln n trng thỏi tinh th ca lp m. Trờn hỡnh 2 biu din dng lý thuyt ca s thay i th theo thi gian ti in cc lm vic. ng cong ny th hin nhng hin tng in hoỏ din ra ti catot. T J J C T + T ngh J M 0 t Hỡnh 2. ng cong th ti catot Hỡnh 1. Ch xung n Giang Cao Sơn K46ĐC 8 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp - Ti thi im t=0, th tng theo chiu thng ng, th hin in tr omic do tr khỏnh dung dch. - Mt phn dũng in mt chiu J DC dựng np cho in dung lp kộp v tin ti h cõn bng. - Mt phn khỏc l dũng Faraday J F liờn quan n cỏc phn ng, ú l quỏ trỡnh chuyn in tớch. Lỳc ú J C = J DC +J F . - Thi gian xung cú th to lp m phi ln hn thi gian np ln kộp. Vựng dũng Faraday l vựng lý tng m. vựng cui ca xung xut hin st th omic v tip theo l phúng in ca lp kộp. 1.1.2. S khi tng quỏt Trờn c s nhim v ca ti ta thit k s khi tng quỏt nh sau: (4) Cụng sut k in ỏp V - k in ỏp V + V + V - k tn s (1) Mỏy phỏt xung vuụng (2) To thi gian ngh (3) m cụng sut k rng iu khin thi gian ngh Ti (B m) (5) Ngun n ỏp Hỡnh 3. S khi tng quỏt 1.1.2.1. Phõn tớch s khi (hỡnh 3) - Khi 1: L mỏy phỏt xung vuụng vi 2 ng vo iu khin tn s v rng xung nhm to ra li ra xung vuụng cú tn s v rng iu khin c. Giang Cao Sơn K46ĐC 9 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp - Khi 2: L mch to thi gian ngh nhm to ra c thi gian ngh theo yờu cu ca ngun xung. Thi gian ngh cú th c la chn T*1,T*2,T*4,T*8T*512 ( T l chu k ca xung li ra mỏy phỏt xung) bng chuyn mch iu khin h s chia tn. - Khi 3: L tng m cụng sut li ra vi mc ớch m cụng sut li ra cho mỏy phỏt xung vuụng v nhn tớn hiu iu khin khong th i gian ngh t tng to thi gian ngh a lờn. - Khi 4: L tng cụng sut li ra t cụng sut xung theo yờu cu ca nhim v ch to - Khi 5: L ngun n ỏp to ra 2 in ỏp V + v V - cú th iu chnh c biờn , cung cp ngun lc cho khi cụng sut. Li ra ca tng cụng sut chớnh l li ra ca Ngun xung lng cc, cú th l ti hay c th hn ú l in cc anot v catot ca b m. 1.2. KHO ST CC LINH KIN IN T Do yờu cu v nhim v ca ti v theo s khi tng quỏt m ta ó trỡnh by cỏc phn trc. Nờn mc ny ta tỡm hiu cỏc linh kin in t, c bit l cỏc linh kin cụng sut cú th úng m c dũng in mt chiu. 1.2.1. TIRISTO khoỏ c bng cc iu khin, GTO (Gate Turn Of TIRISTO) TIRISTO l linh kin chnh lu cú iu khin, c s dng rng rói trong cỏc s chnh lu hoc dựng ct pha dũng in xoay chiu t cụng xu t nh vi W n cụng sut ln vi trm MW. Tuy nhiờn vi cỏc ng dng trong cỏc b bin i xung ỏp mt chiu hoc cỏc b nghch lu m cỏc phn t úng,m bỏn dn luụn t di in ỏp mt chiu thỡ TIRISTO khụng c s dng rng rói vỡ nú khụng th khoỏ li c sau khi ó cú xung kớch m. khoỏ c TIRISTO thỡ thng dựng n cỏc mch chuyn mch cng bc phc tp, gõy t n hao v cụng sut, tn kộm v gim hiu sut. Vo u nhng nm 80 thỡ GTO ra i. Nh tờn gi ca nú, ngha l khoỏ li c bng cc iu khin. GTO cú kh nng úng ct dũng in rt ln, chu c in ỏp cao, l van iu khin hon ton. GTO ó phỏt huy u im c bn ca phn t bỏn dn ú l kh n ng úng ct dũng in ln nhng li c iu khin bi tớn hiu cụng sut nh. Giang Cao Sơn K46ĐC 10 [...]... ng m xut hin xung rng ca chõn 7 - Tng t t in ỏp a vo chõn 1 (Un) khi n mt giỏ tr in ỏp Un* thỡ li ra ( chõn 14 v 11) cú xung ra Nu tip tc tng Un thỡ rng xung ra tng cho n khi mc cao v mc thp c rng nh nhau, lỳc ú cho dự cú tng Un na thỡ rng xung li ra khụng thay i ( xem hỡnh 27) Giang Cao Sơn K46ĐC 31 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp 1.2.8 Kho sỏt nguyờn tc n ỏp c in v n ỏp xung 1.2.8.1 Vn... thi gian ln dũng qua GTO kp vt xa giỏ tr dũng duy trỡ khoỏ GTO, mt xung dũng phi c ly ra t cc iu khin Xung dũng khoỏ phi cú biờn rt ln khong 20-25% biờn dũng anot-catot Mt yờu cu quan trng na l xung dũng iu khin phi cú dc sn xung cao khụng ln hn 1 à s Giang Cao Sơn K46ĐC 11 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp Hỡnh 5 Dng Xung dũng v nguyờn lý iu khin 1.2.2 Tranzito lng cc cụng sut 1.2.2.1 Cu... hi Vin Vout Vout t 1 0 t b) Gin xung a) S khi mch n hi Hỡnh 22 to mch n hi ( hỡnh 22 a) ta cú th s dng Tranzito hoc dng mch IC Qua th (hỡnh 22b) ta cú nhn xột sau: Mch n hi s to ra mt xung cú rng l 1 khi cú mt xung a vo li vo Vin rng xung 1 khụng ph thuc vo rng ca xung li vo 2 *) Mch khụng ng b hai trng thỏi khụng n nh, a hi Mch a hi l mch t dao ng, phỏt ra xung vuụng vi tn s v rng ph thuc... thỏi kia v ngc li, mch to ra c xung vuụng Nh vy, bng vic kt hp mch a hi v n hi (hỡnh 25) ta cú th to ra c xung vuụng li ra cú tn s v rng cú th thay di c a hi n hi Hỡnh 25 Ngy nay cú rt nhiu cỏc IC chuyờn dng phc v cho cỏc mc ớch khỏc nhau, vi cỏc thụng s k thut tt hn hn so vi cỏc mch ri rc Giang Cao Sơn K46ĐC 28 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp 1.2.7.3 Mỏy phỏt xung vi tn s v rng cú th thay... K46ĐC 29 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp LM3524 cú mt s thụng s k thut sau: - in ngun nuụi: 8V ữ 40 V - Cụng sut: 1W - Dũng xung ln nht: 100mA - Tn s li ra ln nht: 100KHz T s khi hỡnh 26a ta thy: Tn s li ra ph thuc v thụng CT v RT mch ngoi rng xung cú th thay i c nh vo ngng in ỏp UN a vo chõn 9 ( Compasation) hỡnh 27 xung li ra c m qua 2 Tranzito n-p-n h colector do ú ta cú th chon mc logic... khỏng nhit gia cu trỳc bỏn dn v v cho bi nh sn xut Giang Cao Sơn K46ĐC 25 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp Rth(v-h): tr khỏng nhit gia v v cỏnh to nhit, ph thuc hỡnh dng kớch thc v phn t, cho bi nh sn xut Rth(h-a): tr khỏng nhit gia cỏnh to nhit v mụi trng cho bi nh sn xut ra cỏnh to nhit Rth(h-a) = TJ ,max Ta Pth ,max ( Rth ( j v ) + Rth ( v h ) ) Giỏ tr Rth(h-a) cho phộp chn c loi to nhit theo... Un1 V t 1 V t 2 t Hỡnh 27 Nguyờn tc hỡnh thnh rng xung Giang Cao Sơn K46ĐC 30 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp S mch phỏt xung s dng IC LM3524 VCC R3100K LM3524 Un 1 2 3 4 5 6 7 Rx Cx 8 INV INPUT Vref Vc IN INPUT E2 OSC QUTPUT C2 +CL SENSE C1 - CL SENSE RT E1 E2 CT E1 GND 16 15 14 13 12 11 10 9 10K R2 10K R1 100K 10K R5 R4 Hỡnh 28 S mỏy phỏt xung s dng LM3524 *) Nguyờn tc hot ng ca s trờn hỡnh... 24 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp 1.2.6.2 Tớnh toỏn to nhit 0 Hinh 20 th nhit v cụng sut to nhit ln nht cho phộp Hỡnh 20 mụ t th nhit v cụng sut to nhit ln nht cho phộp gia cụng sut ln cú th to ra ngoi mụi trng v nhit v phn t ph thuc nhau theo biu thc: Pmax = TV ,max 25 Rth ( j v ) = const ( trong ú gi thit nhit mụi trng l 250C) Mi quan h gia nhit v cụng sut to nhit ln nht cho phộp c... ỏp xung th cp Nu t b chuyn mch in t mch s cp, ta cú b n ỏp xung s cp gim cụng sut tn hao ca bin ỏp, ngi ta chn tn s lm vic ca chuyn mch cao ( vi KHz n vi chc KHz) Bng cỏch ú kớch thc, trng lng ca bin ỏp gim i vi ln v hiu sut nng lng chung ca b n ỏp cú th t trờn 80% Cỏc chuyn mch in t l cỏc tranzito cụng sut lm vic ch xung Vic iu khin úng m tranzito c thc hin nh xung vuụng a ti Baz, cú chu k xung. .. ca in ỏp õm khi khoỏ b) nh hng ca in tr u vo RG Hỡnh 16 Giang Cao Sơn K46ĐC 20 Đại học Công nghệ Khoá Luận Tốt Nghiệp Dũng iu khin u vo phi cung cp c dũng in cú biờn IGmax= U CE trong ú UGE =UGE(on)+| UGE(off) | Rg Tn hao cụng sut trung bỡnh cú th tớnh bng: P=UGE.QG.fsw Trong ú: QG np cho t u vo, giỏ tr thng c cho trong ti liu k thut ca nh sn xut fsw l tn s úng ct ca IGBT 1.2.5 So sỏnh tng i cỏc