3.3.1.1. Định nghĩa.
Hiệu ứng áp điện – piezoelectric effect – piezoelectric phenomena là một hiện tƣợng đƣợc nhà khống vật học ngƣời Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đĩ đƣợc anh em nhà Pierre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880. Hiện tƣợng xảy ra nhƣ sau: ngƣời ta tìm đƣợc một loại chất cĩ tính chất hĩa học gần giống gốm (ceramic) và nĩ cĩ hai hiệu ứng thuận và nghịch nhƣng khi áp vào nĩ một trƣờng điện thì nĩ biến đổi hình dạng và ngƣợc lại khi dùng lực cơ học tác động vào nĩ thì nĩ tạo ra dịng điện. Nĩ nhƣ một máy biến đổi trực tiếp từ năng lƣợng điện sang năng lƣợng cơ học và ngƣợc lại. Nếu nhƣ theo chiều hƣớng thuận, cĩ nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngƣợc lại là áp điện nghịch : tác động hiệu thế vào vạt thì sẽ sinh ra cơng biến dạng làm biến đổi lực. Một vật đƣợc cấu tạo bởi ba yếu tố PZT ( chì Pb, zorconi, titan ) sẽ cĩ tính chất áp điện. ( VD: thạch anh ).
28 3.3.1.2. Hiện tượng áp điện thuận.
Một tấm thạch anh cĩ bề dày l0 đƣợc phủ một lớp bạc hai bên bề mặt để tạo thành các điện cực. Trên hai bản cực nối một điện kế nhƣ hình:
Hình 3. 10Hiện tượng áp điện thuận.
Khi tác động một lực kéo sao cho bề dày của tấm mỏng biến đổi với ll = lo + l, nhận thấy kim của điện kế lệch về bên trái. Điều này chứng tỏ hai bên bản cực của tấm mỏng xuất hiện các điện tích trái dấu.[5]
Ngƣợc lại khi tác dụng một lực nén sao cho bề mặt của tấm mỏng biến đổi với ll = lo - l, ta nhận thấy kim của điện kế lệch về bên phải. Nhƣ vậy trên hai bản cực của tấm mỏng các điện tích đã đổi chiều.
Quan hệ giữa điện tích Q và lực F đƣợc xác định bởi cơng thức: Q = K x F Trong đĩ: Q: điện tích (Coulomb)
K: hằng số áp điện (K = 6.9x10-8
) F: giá trị của lực kéo hoặc nén (kg).
Qua đĩ kết luận rằng khi tác dụng một lực lên bề mặt tấm mỏng là các dao động cơ học biến đổi thì trên hai điện cực của tấm mỏng sẽ xuất hiện một tín hiệu điện xoay chiều cĩ cùng tần số với dao động cơ học đã tác dụng.
29 3.3.1.3. Hiện tượng áp điện nghịch.
Hình 3. 11Hiện tượng áp điện nghịch.
Xét tấm thạch anh mỏng nhƣ trên, bây giờ ta nối hai bản cực của tấm với một nguồn điện cĩ chiều lần lƣợt nhƣ hình(3.6). Ta nhận thấy bề dày của tấm áp điện biến đổi với ll = lo + l, và khi đổi chiều nguồn cấp điện bề dày biến đổi với ll = lo + l
Quan hệ giữa l và điện áp V đƣợc xác định: l = K x V
Trong đĩ: l: là độ biến thiên kích thƣớc hình học của tấm áo điện. K: hằng số áp điện ( K = 6.9x10-8).
V: giá trị của nguồn điện (V).
Kết luận khi đặt lên hai điện cực của tấm áp điện một tín hiệu điện xoay chiều cĩ tần số f thì bề dày của tấm áp điện sẽ biến đổi liên lục với cùng tần số và nhƣ vậy dao động cơ học sẽ đƣợc bức xạ ra mơi trƣờng.
30
Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sĩng siêu âm.
Thực nghiệm cho thấy biên độ dao động đạt giá trị cực đại khi giá trị tần số của nguồn V bằng với tần số dao động riêng của tấm áp điện. Tần số dao động riêng của tấm áp điện phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo và bề dày theo cơng thức:
fo = k/ l
Trong đĩ: k: hệ số dao động riêng (kHz.mm)
fo: tần số dao động riêng của tấm áp điện. l : bề dài của tấm áp điện (mm).
3.3.1.4. Cấu tạo đầu rung siêu âm.
Hình 3. 13Cấu tạo đầu rung siêu âm.
3.3.2.Module điều khiển siêu âm.
IC SG3525 do các hãng ST Mircroelectronis, Fairchild ...sản xuất . SG3525 đƣợc sử dụng nhiều trong các thiết kế DC-DC converter, DC-AC inverter, hệ thống UPS....
31
Hình 3. 14Sơ đồ nguyên lí IC SG3525. 3.3.2.2. Cách sử dụng IC SG3525.
Hình 3. 15Sơ đồ chân kết nối IC SG3525. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chân 1 (đầu vào đảo) và chân 2 (đầu vào khơng đảo) là các đầu vào của bộ khuếch đại vi sai đƣợc tích hợp trên IC. Chúng ta cĩ thể hiểu nĩ là bộ so sánh 2 tín hiệu lối vào của bộ so sánh, đầu ra của bộ so sánh này đƣợc sử dụng để tăng hoặc giảm độ rộng xung . Khi điện áp chân 1 cao hơn so với chân 2 thì độ rộng xung sẽ giảm và ngƣợc lại.
32
Chân 16 là đầu ra của khối tạo điện áp chuẩn. SG3525 cĩ một module ổn áp bên trong, cĩ điện áp ổn đầu ra là đƣợc lấy trên chân 16 là + 5.1V với độ chính xác +/- 1%. Điện áp tham chiếu này thƣờng đƣợc sử dụng để làm tham chiếu chuẩn cho bộ khuếch đại vi sai (cĩ 2 đầu vào là chân 1 và 2). Điện áp tham chiếu cĩ thể đƣợc kết nối trực tiếp hoặc thơng qua bộ chia áp đến một chân cuả bộ khêch đại vi sai.
Chân 15 là chân VCC, tức nguồn. nguồn cấp cho IC nằm trong khoảng từ 8 đến 35V. SG3525 cĩ một mạch khĩa tồn bộ hoạt động khi điện áp nguồn cấp thấp hơn 8V Chân 13,Vc, điện áp cấp đến tầng ra của SG3525. Chân này đƣợc kết nối đến các colector của các transistor NPN ở tầng ra. Điện áp cấp cho chân này cĩ giá trị từ 4.5 đến 35V. Điện áp đầu ra bộ điều khiển sẽ thấp hơn điện áp Vc một chút, đúng bằng độ thơng bão hịa của transistor. khi điều khiển Mosfet, giá trị Vc phải nằm trong khoảng từ 8 đến 18V (Khoảng điện áp để MOSFET dẫn hồn tồn mà khơng đánh thủng cực G ) Chân 12 nối mass.
Chân 11 và chân 14 là các đầu ra. Các đầu ra của SG3525 cĩ thể trực tiếp điều khiển MOSFET và IGBT. Các đầu ra này cĩ thể chịu đƣợc dịng 100 mA liên tục và 500 mA dịng đỉnh. Khi yêu cầu dịng điều khiển lớn hơn, các đầu ra này cĩ thể đƣợc kết hợp cùng với các transistor rời rạc hoặc các mạch điều khiển chuyên dụng. Khi sử dụng mạch cầu hoặc bán cầu, muốn sử dụng SG3525 để điều khiển thì cần phải cĩ biến áp để điều khiển Mosfet bên trên của cầu. phần Mosfet bên dƣới cĩ thể điều khiển trực tiếp.
Chân 10 là chân Shutdow. Khi chân này ở mức thấp, PWM sẽ đƣợc cho phép sử dụng. Khi ở mức cao, mạch PWM sẽ bị cấm ngay lập tức. Chân này cĩ thể đƣợc sử dụng để cắt lập tức tín hiệu ra PWM. Ngồi ra cĩ thể shutdow bằng cách đƣa điện áp chân 9 và 8 về mức thấp, tuy nhiên về tốc độ đáp ứng thì khơng thể nhanh bằng chân 10. Khi thiết kế mạch, chân này khơng đƣợc để hở, vì nhiễu cĩ thể tác động vào và làm ảnh hƣởng đến hoạt động PWM.
Chân 9 là chân bù, kết hợp với chân 1 để hình thành nên mạch bù phản hồi. Chân 3, 4 là hai chân dùng để đo kiểm thơng qua máy oscilloscope.
3.3.2.3. Tính tốn tần số IC SG3525.
Tần số PWM sẽ phụ thuộc vào 3 linh kiện chính đĩ là RD (chân 7),RT( chân 6) và CT(chân 5). Tần số đƣợc tính theo cơng thức:
33
Với RT và RD tính theo ơm và CT tính theo Fara,f tính theo Hz. RD thƣờng cĩ giá trị từ 10 đến 47 ơm. Dải giá trị của điện trở này theo nhà sản xuất là từ 0 đến 500 Ơm RT phải nằm trong giá trị từ 2 đến 150 Kilơ ơm. CT cĩ giá trị từ 1nF (mã 102 )đến 0.2uF (mã 224). Tần số giao động nằm từ 100 Hz đến 400KHz. Lƣu ý rằng tần số ra của tầng ra chỉ bằng một nửa của cơng thức trên. ví dụ đối với inverter 50 Hz thì tần số ra ra của tầng ra là 50Hz,do đĩ biểu thức f sẽ là 100Hz.
Một tụ điện cĩ thể nối từ chân 8 của IC xuống đất để thực hiện chức năng soft- start (khởi động mềm). Điện dung của tụ điện càng lớn, thời gian khởi động mềm (tức khoảng thời gian mà độ rộng xung D tăng từ 0 đến độ rộng xung theo yêu cầu) là càng lớn. Đối với SG3525, tụ Soft-start đƣợc nối từ chân 8 xuống đất cĩ giá trị từ 1uF đến 22uF.
3.3.3.Module siêu âm cơng suất.
3.3.3.1. Mosfet.
Mosfet là Transistor hiệu ứng trƣờng (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistorđặc biệt cĩ cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thơng thƣờng mà ta đã biết. Mosfet thƣờng cĩ cơng suất lớn hơn rất nhiều so với BJT. Đối với tín hiệu 1 chiều thì nĩ coi nhƣ là 1 khĩa đĩng mở. Mosfet cĩ nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trƣờng để tạo ra dịng điện, là linh kiện cĩ trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.
34
Hình 3. 16Cấu tạo mosfet kênh N.
G : Gate gọi là cực cổng S : Source gọi là cực nguồn D : Drain gọi là cực máng
Trong đĩ : G là cực điều khiển đƣợc cách ly hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn lại bởi lớp điện mơi cực mỏng nhƣng cĩ độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2). Hai cực cịn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đĩn các hạt mang điện.
Mosfet cĩ điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vơ cùng lớn , cịn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS )
Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trƣờng làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.
35
Qua đĩ ta thấy Mosfet này cĩ chân tƣơng đƣơng với Transitor + Chân G tƣơng đƣơng với B
+ Chân D tƣơng đƣơng với chân C + Chân S tƣơng đƣơng với E
Nguyên lý hoạt động.
Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đĩng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet cĩ thể đĩng cắt với tần số rất cao. Nhƣng mà để đảm bảo thời gian đĩng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng .
Mạch điện tƣơng đƣơng của Mosfet . Nhìn vào đĩ ta thấy cơ chế đĩng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nĩ.
+ Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0. Dịng điện sẽ đi từ S đến D.
+ Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển đĩng là Ugs<=0. Dịng điện sẽ đi từ D xuống S.
Do đảm bảo thời gian đĩng cắt là ngắn nhất ngƣời ta thƣờng : Đối với Mosfet Kênh N điện áp khĩa là Ugs = 0 V cịn Kênh P thì Ugs=~0 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.3.3.2. Biến áp xung. 3.3.3.2.1. Định nghĩa.
Máy biến áp xung là loại biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng vài chục kHz nhƣ biến áp ở trong các bộ nguồn xung, biến áp cao áp…Phần lõi của biến áp xung đƣợc làm bằng ferit. Do hoạt động ở tần số cao nên cơng suất của biến áp xung rất mạnh. Nếu so với các loại biến áp nguồn thơng thƣờng cĩ trọng lƣợng tƣơng đƣơng thì biến áp xung cĩ thể cho cơng suất lớn hơn gấp hàng chục lần.
Biến áp xung cĩ cơng dụng biến đổi điện áp xung hay cƣờng độ xung với số vịng dây ít. Đối với biến áp thƣờng, phần lõi sẽ đƣợc làm bằng thép silic nhƣng phần lõi của biến áp xung lại đƣợc chế tạo bằng ferit hay hợp kim pemelọd.
Lựa chọn biến áp:
Biến áp thƣờng dùng với dịng điện cĩ tần số 50-60hz. Biến áp xung thì từ 20khz tới hàng Mhz.
36
=> Chọn máy biến áp xung vì biến áp thƣờng khơng đáp ứng đƣợc yêu cầu hoạt động ở tần số cao.
3.3.3.2.2. Tính tốn biến áp xung.
Tính tốn số vịng dây quấn.
Ta cĩ đầu rung cĩ cơng suất khoảng 100-120W nên chọn tính biến áp xung của bột bộ inverter 250W, lựa chọn kiểu nguồn kéo-đẩy. Nguồn cung cấp là 24V. Tần số chuyển mạch là 28 KHz và sử dụng lõi ETD39. . Trong quá trình hoạt đơng điện áp nguồn khơng phải lúc nào cũng đƣợc duy trì ở mức 24 V. Đối với trƣờng hợp tải nặng, điện áp cĩ thể thấp hơn 24V. Vậy chúng ta thiết lập Vinmin= 23V.
Đối với biến áp đẩy kéo cho inverter, chúng ta xét kiểu biến áp nhƣ sau:
Hình 3. 16Sơ đồ nguyên lí biến áp xung.
Phần sơ cấp gồm 2 cuộn đƣợc đấu rút giữa, cuộn thứ cấp (secondary) dùng để tạo đầu ra 120 VAC.
Cơng thức tính số vịng dây sơ cấp đƣợc cho bởi cơng thức:
( )
[2] Trong đĩ:
Vin(nom): Điện áp đầu vào danh định, chúng ta sẽ lấy giá trị 24V f: Tần số chuyển mạch, tính theo Hz. f=28000hz
37
Bmax: từ trƣờng cực đại, Thứ nguyên là Testla T, hoặc Gauss. Lƣu ý 1 T= 10 000 Gauss. Thơng thƣờng chọn Bmax =0.2 đến 0.3 T. Chọn Bmax = 2000 Gauss. Chọn Bmax càng lớn thì cĩ thể gây bão hịa lõi, cịn Bmax quá nhỏ thì để giảm dịng từ hĩa, phải tăng số vịng dây lên, làm giảm khả năng sử dụng lõi.
Ac: Diện tích mặt cắt hiệu dụng của lõi, tính theo cm2. Ac đơi khi cịn đƣợc gọi là Ae. Đối với lõi ETD39 , cĩ datasheet cho Ae = 125mm2= 1.25cm2. Từ các tham số trên chúng ta tính đƣợc số vịng sơ cấp Vin(nom) = 24; f=28000; Bmax= 1500, Ac = 1.25
Chúng ta lấy Npri = 12 vịng.
Kiểm tra lại Bmax: ( )
Bmax =1428.57 Gauss, kết quả này hồn tồn chấp nhận đƣợc. Vì lõi bão hịa ở 2000 Gauss.
Về nguyên tắc, để ổn áp đƣợc đầu ra thì mạch phản hồi sẽ điều khiển độ rộng xung thích hợp. Do khơng cĩ mạch phản hồi để cĩ điện áp 120 V đầu ra, cần phải cĩ biên độ xung ra lớn hơn 120 V. Ở đây chúng ta chọn là 135V. Chúng ta hiểu khi điện áp lối vào ở mức nhỏ nhất, tức Vinmin =23 V, thì mạch phản hồi sẽ làm tăng độ rộng xung ra cực đại. trong ví dụ này, chúng ta chọn Dmax = 98%. Với điều kiện hoạt động ở điện áp cực tiểu trên, Điện áp xung đƣa đến sơ cấp biến áp cĩ giá trị trung bình là 98%x 23V =22,54V. Tỉ lệ vịng dây sơ cấp và thứ cấp là N= 135V/22,54 = 5.99
Vậy số vịng sơ cấp là Nsec = N.Np= 5.99x12 = 71,88 Chọn Nsec = 72 vịng.
Tính tiết diện dây dẫn
Để tính đƣợc tiết diện dây quấn biến áp ta cân tính dịng điện qua tải, cùng với mật độ dịng điện của dây dẫn: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
S = Trong đĩ: S: là tiết diện dây dẫn (mm2)
38
j: mật độ dịng điện cho phép (A/mm2). Mật độ cho phép của dây đồng là j ~ 6A/mm2
Ta cĩ cơng suất từ phía thứ cấp P = 100W, U = 135V
=> I =
̅̅̅̅ (A) => S = ̅̅̅̅ (mm2)
Mà S = => D = √ = √ =0.395 chọn D = 0.4 mm.
Ta cĩ cơng suất từ phía sơ cấp P = 240W, U = 24V
I =
(A)
S = (mm2)
Mà S = => D = √ = √ = 1,445 (mm) chọn D = 1,5 mm
3.3.3.3 Module siêu âm cơng suất.
Nguyên lý hoạt động mạch cơng suất dựa trên nguyên lý chuyển đổi nghịch lƣu.
Hình 3. 7Nguyên lý mạch nghịch lưu.
Bảng 3. 1 Thơng số máy biến áp
Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp
Điện áp 24 vol 135 vol
Cơng suất 240 W 100 W
Số vịng dây quấn 12 vịng 72 vịng
39
Giai đoạn 1: cơng tắc 1 đĩng, cơng tắc 2 mở điện áp đi từ điểm A lên điểm B tạo ra điện áp âm ở cuộn sơ cấp.
Giai đoạn 2 cơng tắc 1 mở, cơng tắc 2 đĩng điện áp đi từ điểm A xuống điểm C tạo ra điện áp dƣơng ở cuộn sơ cấp.
Chú ý: mạch ngịch lƣu 2 cơng tắc 1 và 2 khơng thể cùng đĩng một lúc.
Mạch cơng suất hoạt động tƣơng tự nhƣ vậy nhƣng thay cơng tắc 1 và 2 bằng một linh kiện điện tử bán dẫn cĩ tần số đĩng ngắt cao nhƣ là Mosfet và IGBT. Hình bên dƣới