TỔNG QUAN VỀ BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN

TỔNG QUAN VỀ BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN 1.1. Lịch sử ra đời Từ những năm 1880, hiệu ứng áp điện đã được phát hiện bởi hai anh em Pierre Curie và Jacques Curie khi họ nghiên cứu các vật liệu có cấu trúc tinh thể. Hiện tượng này gồm có hai hiệu ứng cụ thể sau:  Hiệu ứng áp điện thuận: khi tác động một lực cơ học lên một số loại vật liệu tinh thể thì các loại vật liệu này trở nên phân cực về điện. Mức độ phân cực tỷ lệ với lực tác động lên nó tuy nhiên không vượt quá một giới hạn nhất định.  Hiệu ứng áp điện nghịch: khi đặt những loại vật liệu trên trong một điện trường thì chúng bị biến dạng như thể bị tác động bởi một lực cơ học. Mặc dù được phát hiện sớm như vậy nhưng chỉ có rất ít các ứng dụng dựa trên hiệu ứng thuận hay nghịch được phát triển. Những ứng dụng hiếm hoi xuất hiện chủ yếu trong các phòng thí nghiệm để đo áp suất hoặc sạc điện. Năm 1956, một loại biến áp dựa trên hiệu ứng áp điện được giới thiệu lần đầu tiên bởi C.A. Rosen. Biến áp này được gọi là biến áp áp điện (Piezoelectric Transformer - PT). Biến áp áp điện được chế tạo dựa trên cả hiệu ứng áp điện nghịch (phía sơ cấp) và hiệu ứng áp điện thuận (phía thứ cấp). Tuy vậy, biến áp áp điện không được quan tâm nghiên cứu nhiều bởi những hạn chế về công nghệ vật liệu, khả năng điều khiển cũng như phạm vi ứng dụng lúc bấy giờ. Trong những năm 70, biến áp áp điện được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm thương mại, thay cho biến áp điện từ truyền thống. Các công ty Mỹ và Nhật Bản như RCA, Motorola, Denki Onkyo Limited và Matsushita sử dụng biến áp áp điện để tạo ra điện áp cao cho ống tia cathode của tivi. Một số công ty khác sử dụng biến áp áp điện làm mồi cho các lò nướng đốt ga. Những năm 80, nhiều hãng có tên tuổi như Siemens, General Electric dùng biến áp áp điện để điều khiển đóng mở các van công suất như THYRISTOR, MOSFET[4]. Thập kỷ 90, kỹ thuật điện tử, điện tử công suất đã có sự phát triển bùng nổ cùng với nhu cầu giảm kích thước, khối lượng và giá thành các bộ biến đổi điện. Trong bối cảnh đó, biến áp áp điện đã thu hút được sự chú ý của nhiều công ty công nghệ và các nhà nghiên cứu bằng các ưu điểm nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn. Các công ty Nhật Bản như NEC, Tokin, Matsushita dẫn đầu xu thế này. Mục tiêu của họ là sử dụng biến áp áp điện thay thế các biến áp điện từ trong các ứng dụng đòi hỏi điện áp cao, công suất vừa và nhỏ. Trong đó, ứng dụng tiêu biểu là làm bộ nguồn cho đèn nền CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) của màn hình LCD (laptop, PDA, máy ảnh số, …), hay ballast điện tử cho đèn LED, bộ mồi điện cho đèn HID… Trong những năm gần đây, ngành công nghệ vật liệu và kỹ thuật điện tử, điều khiển có những bước tiến vượt bậc đã tạo điều kiện để các nhà nghiên cứu, phát triển đưa ra nhiều ứng dụng sử dụng biến áp áp điện. Một số ví dụ điển hình như: ballast điện tử đèn cao áp, bộ biến đổi DC/DC, DC/AC, sạc điện cho laptop, điện thoại di động… So với máy biến áp điện từ truyền thống, biến áp áp điện có một số ưu điểm nổi trội:  Mật độ công suất lớn  Hiệu suất cao  Không có tổn hao điện từ  Kích thước, khối lượng nhỏ  Độ cách ly điện áp cao Tuy vậy, biến áp áp điện cũng có những nhược điểm:  Có tính cộng hưởng: biến áp áp điện thường chỉ hoạt động hiệu quả ở một hay một vài dải tần số cộng hưởng nhất định.  Dải công suất thấp  Giá thành cao  Điều khiển khó khăn 1.2. Cơ sở vật lý của biến áp áp điện 1.2.1. Tính phân cực của vật liệu áp điện Trong biến áp áp điện, cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp đều được chế tạo từ vật liệu áp điện như Bari titannat (BaTiO3) hay Chì zirconat titanat (PZT) vì hiệu ứng áp điện trên những vật liệu này thể hiện mạnh nhất. Phía sơ cấp của biến áp áp điện tuân theo hiệu ứng áp điện ngược, phía thứ cấp tuân theo hiệu ứng áp điện ngược. Công thức hóa học chung của các vật liệu áp điện loại này là 2 4 2 3 A B O + + − + + với A là nguyên tố kim loại hóa trị 2 như Bari hay Chì, B là nguyên tố kim loại hóa trị 4 như Titan hay Zirco. Cấu trúc tinh thể và theo đó đặc tính của các vật liệu áp điện thay đổi khi nhiệt độ của chúng cao hơn hay thấp hơn một nhiệt độ nhất định gọi là nhiệt độ Curie. Hình 1-1 dưới đây cho thấy sự thay đổi của cấu trúc tinh thể theo nhiệt độ: Hình 1-. Cấu trúc phân tử của vật liệu áp điện. Cụ thể của sự phụ thuộc này như sau:  Trên nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở trên nhiệt độ Curie, cấu trúc phân tử của vật liệu có dạng đối xứng hình học với các ion âm và ion dương ở các vị trí đối xứng trong không gian. Do đó tinh thể áp điện không có sự phân cực về điện, nói cách khác là trung hòa về điện.  Dưới nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở dưới ngưỡng nhiệt độ Curie thì cấu trúc tinh thể không còn tính đối xứng, các ion âm và ion dương của phân tử phân bố không đều dẫn tới sự phân cực về điện trong phân tử. Mỗi phân tử trở thành một lưỡng cực điện. Các lưỡng cực này sắp xếp theo nhiều hướng khác nhau trong không gian. Các ứng dụng của vật liệu áp điện nói chung và biến áp áp điện nói riêng đều chỉ có thể hoạt động khi khối vật liệu áp điện đã bị phân cực vì chỉ khi đó, các hiệu ứng áp điện mới xảy ra. Quá trình phân cực hóa vật liệu áp điện được thể hiện như hình 1-2. Theo đó, ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu áp điện có các lưỡng cực điện được sắp xếp tự do (hình1-2a). Ta có thể định hướng cho các lưỡng cực điện này nhờ đặt vật liệu áp điện vào một điện trường (hình 1-2b). Với một điện trường đủ mạnh và sau một thời gian nhất định thì khối vật liệu áp điện sẽ duy trì tính chất phân cực kể cả sau khi ngắt điện trường đặt lên nó (hình 1-2c). Hình 1-. Quá trình phân cực biến áp áp điện. 1.2.2. Sự mất tính phân cực của vật liệu áp điện Như đã đề cập ở trên, sau khi vật liệu áp điện được phân cực hóa thì tính phân cực của nó vẫn được duy trì kể cả sau khi đã bỏ điện trường đi và chỉ sau khi được phân cực hóa thì các vật liệu áp điện mới được đưa vào ứng dụng. Tuy nhiên có một số nguyên nhân có thể dẫn tới mất một phần hoặc hoàn toàn tính phân cực ở vật liệu áp điện và do đó các thiết bị áp điện sẽ bị hỏng. Những nguyên nhân đó gồm:  Nguyên nhân cơ học: khi có một lực cơ học đủ lớn đặt lên khối vật liệu áp điện thì sự sắp xếp có hướng các lưỡng cực điện trong khối vật liệu có thể bị xáo trộn và do đó khối vật liệu bị mất tính chất phân cực điện. Giới hạn của lực cơ học gây mất tính phân cực của khối vật liệu rất khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu.  Nguyên nhân về điện: khi đặt khối vật liệu áp điện đã phân cực hóa trong một điện trường đủ mạnh ngược chiều với điện trường sử dụng để phân cực khối vật liệu thì khối vật liệu có thể bị mất tính phân cực. Độ mạnh của điện trường để làm mất sự phân cực của khối vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó phải kể đến là: loại vật liệu, thời gian khối vật liệu bị đặt trong điện trường đó và nhiệt độ.  Nguyên nhân về nhiệt: khi khối vật liệu áp điện đã được phân cực hóa được nung nóng lên tới ngưỡng nhiệt độ Curie của nó thì sự sắp xếp có hướng của các lưỡng cực điện trong khối vật liệu trở nên bị xáo trộn do các phân tử hoạt động mạnh. Do vậy để tính phân cực của khối vật liệu được đảm bảo lâu bền và các ứng dụng vật liệu áp điện không bị hỏng thì cần bảo đảm nhiệt độ dưới nhiệt độ Curie. Mức nhiệt độ hoạt động lý tưởng của vật liệu áp điện vào khoảng giữa 0 o C và ngưỡng nhiệt độ Curie của vật liệu. 1.2.3. Các hằng số áp điện Vật liệu áp điện là có tính chất dị hướng nên các đại lượng vật lý đặc trưng như tính đàn hồi, hằng số điện môi . phụ thuộc vào cả hướng của lực tác dụng và hướng của điện trường. Các đại lượng vật lý này trong mối quan hệ với lực và điện trường được chỉ rõ ở phương trình tuyến tính (1.1) và (1.2) sau đây: . . E S s T d E= + r r r (1-) . . T D d T E ε = + r r r (1-) Trong đó , , ,S T E D r r r r theo thứ tự là véctơ thể hiện độ biến dạng, lực tác dụng, điện trường và độ phân cực của phần tử áp điện. Ở phương trình (1-1), ⃗ S là véctơ thể hiện độ biến dạng của phần tử áp điện khi có tác dụng của lực căng ⃗ T và điện trường với cường độ ⃗ E lên. Khi không có lực căng đặt lên vật liệu thì độ biến dạng S r chỉ phụ thuộc vào cường độ điện trường E r . Lúc này phương trình đặc trưng cho hiệu ứng áp điện nghịch . Tương tự như vậy ở phương trình (1-2), D r là véctơ mật độ điện tích thể hiện sự phân cực của vật liệu áp điện khi có tác dụng của lực căng ⃗ T là điện trường với cường độ ⃗ E lên vật liệu. Khi không có điện trường ngoài đặt lên vật liệu thì D r chỉ phụ thuộc vào lực tác dụng T r . Lúc này, phương trình đặc trưng cho hiệu ứng áp điện thuận. Các đại lượng khác hai trong phương trình bao gồm ma trận hằng số đàn hồi E s , ma trận hằng số điện môi T ε và ma trận hằng số áp điện d. Ma trận hằng số đàn hồi đặc trưng cho sự phụ thuộc của độ biến dạng của vật liệu khi có tác động của lực đặt lên nó, ma trận hằng số điện môi đặc trưng cho sự thay đổi mật độ điện tích khi có điện trường ngoài đặt lên nó. Ở đây ma trận hằng số áp điện là khái niệm mới đặc trưng cho sự phân cực của vật liệu áp điện khi có lực đặt lên và ngược lại, đặc trưng cho sự biến dạng của vật liệu áp điện khi có điện trường ngoài đặt lên vật liệu. 1.3. Cấu trúc và phân loại máy biến áp áp điện Nói chung, biến áp áp điện có cấu trúc gồm các phần tử “piezoelectric actuator” hoạt động theo hiệu ứng nghịch ở phía sơ cấp và các phần tử “piezoelectric transducer” hoạt động theo hiệu ứng thuận ở phía thứ cấp. Các phần tử này được cấu thành từ các phần tử áp điện. Mỗi phần tử áp điện này có cấu trúc gồm hai điện cực và một lớp vật liệu áp điện ở giữa như hình 1-3. Hình 1-. Phần tử áp điện. Các phần tử áp điện hoạt động trong máy biến áp áp điện theo một tần số cộng hưởng nhất định (vấn đề về tần số cộng hưởng sẽ được xem xét kĩ hơn ở chương sau) theo hai kiểu cơ bản là:  Kiểu dao động dọc: Phần tử áp điện hoạt động với véc tơ lực căng T ur song song với hướng phân cực điện P như hình 1-4: Hình 1-. Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc.  Kiểu dao động ngang: phần tử áp điện hoạt động với véc tơ lực căng T ur vuông góc với hướng của phân cực điện P như hình 1-5: Hình 1-. Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang. Ứng dụng hai kiểu dao động trên của phần tử áp điện, người ta chế tạo được 3 loại biến áp thông dụng:  Biến áp áp điện kiểu Rosen  Biến áp áp điện kiểu rung bề dày  Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính 1. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen Máy biến áp áp điện loại này có phía sơ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang và phía thứ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc. Khi đặt vào hai đầu điện cực của phần sơ cấp một điện áp V in thì phần sơ cấp sẽ bị phân cực theo hướng song song với bề dày của phần tử áp điện sơ cấp. Những biến dạng cơ học theo hướng vuông góc với hướng phân cực của phần sơ cấp sẽ tạo nên những dao động lực tác động lên phần tử áp điện thứ cấp. Do những lực tác động này mà phía thứ cấp của máy biến áp vốn là phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc sẽ có một mật độ điện tích nhất định xuất hiện trên 2 điện cực. Mật độ điện tích này sẽ tạo ra một điện áp V out ở đầu ra. Biến áp áp điện loại này cho ra tỷ lệ tăng áp lớn nhất. Hình 1-. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen. 2. Máy biến áp áp điện kiểu rung theo chiều dày Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày được Nhật chế tạo từ những năm 1990. Loại máy biến áp áp điện này được cấu tạo từ các phần tử áp điện kiểu dao động dọc ở cả phía sơ cấp và phía thứ cấp. Khi đặt vào phía sơ cấp một điện áp V in thì phía sơ cấp sẽ phân cực theo phương điện trường. Dao động điện của điện áp đặt vào phía sơ cấp sẽ tạo ra các dao động cơ dọc theo vật liệu áp điện phía sơ cấp. Dao động cơ này sẽ truyền sang phía thứ cấp. Tại đây do có hiệu ứng áp điện thuận, dao động cơ này sẽ biến thành dao động điện và tạo ra điện áp đầu ra bên thứ cấp. Phương phân cực và dao động cơ bên sơ cấp và thứ cấp đều cùng phương với với bề dày các lớp vật liệu áp điện. Biến áp áp điện kiểu này cho hệ số tăng áp nhỏ nên còn được gọi là LVPT (Low Voltage Piezoelectric Transformer). Do vậy, ứng dụng chủ yếu là làm các bộ biến đổi và sạc điện. Hình 1-. Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày. 3. Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính được công ty FACE Electronics của Mỹ chế tạo từ năm 1998. Loại biến áp này cũng được chế tạo từ hai phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang. Khi đặt vào hai điện cực của phía sơ cấp một điện áp V in , phần tử áp điện phía sơ cấp sẽ được phân cực và phương của phân cực này dọc theo bề dày của khối vật liệu áp điện. Do hoạt động theo kiểu ngang nên phân cực điện tạo ra biến dạng cơ học theo hướng vuông góc với điện trường. Nếu điện áp đặt vào dao động (dao động điện) thì biến dạng cơ học cũng tạo nên các dao động cơ. Các dao động cơ phía sơ cấp truyền sang phía thứ cấp. Dao động cơ phía thứ cấp tạo ra điện áp V out trên hai điện cực của phía thứ cấp. Khi mới được chế tạo thì biến áp loại này có dạng hình chữ nhật nhưng vì nếu thế thì các dao động cơ giữa các điểm không đều do khoảng cách tới tâm không bằng nhau dẫn đến những sóng bậc cao nhiều hơn cho điện áp ra. Biến áp áp điện với dạng tròn (hình 1-8) được chế tạo nhằm khắc phục nhược điểm này. Ngày nay ứng dụng chủ yếu của loại biến áp này là làm ballast điện tử cho đèn LED, các bộ biến đổi công suất và sạc điện. Hình 1-. Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính. . phần tử áp điện, người ta chế tạo được 3 loại biến áp thông dụng:  Biến áp áp điện kiểu Rosen  Biến áp áp điện kiểu rung bề dày  Biến áp áp điện kiểu. ra một điện áp V out ở đầu ra. Biến áp áp điện loại này cho ra tỷ lệ tăng áp lớn nhất. Hình 1-. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen. 2. Máy biến áp áp điện kiểu