Website: http://wWebsite: Email : Tel (: 0918.775.368
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của xã hội luôn đi đôi với việc nhu cầu về hàng hóa sản phẩm
ngày càng cao. Để có thể đáp ứng được những đòi hỏi của thị trường thì công nghệ sản
xuất luôn luôn phải cải tiến, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm. Những bước tiến
của nền khoa học kỹ thuật trong những thập kỷ gần đây dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả
về mặt lý thuyết lẫn thực tế trong lĩnh vực tự động hóa xí nghiệp công nghiệp.
Một mảng quan trọng trong tự động hóa là sử dụng điện áp cao để điều khiển thiết
bị. Có nhiều cách để tạo ra điện áp cao từ những nguồn điện thông thường. Một trong
những cách đó là sử dụng máy biến áp áp điện. Với ưu điểm gọn, nhẹ lại tạo được điện áp
cao biến áp áp điện đã xuất hiện trong nhiều ứng dụng mặc dù mới được nghiên cứu phát
triển.
Từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu phát triển bộ
PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện” mà em được giao đã giúp ích cho
em rất nhiều trong việc tổng hợp các kiến thức lý thuyết chuyên ngành tự động hóa đã
được học trên lớp và những kinh nghiệm làm việc thực tế trong quá trình thiết kế - chế tạo
sản phẩm, đồng thời tạo điều kiện cho em tìm hiểu kỹ hơn về kiến thức điện tử công suất,
vi xử lý, mô hình hóa và mô phỏng. Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản sau :
- Tổng quan về biến áp áp điện.
- Mô phỏng đặc tính của máy biến áp áp điện.
- Giới thiệu một số mô hình điều khiển của máy biến áp áp điện.
- Thiết kế mạch ứng dụng biến áp áp điện sử dụng thuật toán PLL số.
Sau một thời gian nghiên cứu và thiết kế hệ thống, em chân thành cảm ơn đến thầy
giáo TS. Đỗ Mạnh Cường đã trực tiếp hướng dẫn, cũng như thường xuyên khuyến
khích và tạo điều kiện cho chúng em làm thí nghiệm để hoàn thành đồ án này. Do kiến
thức và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án này không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự hướng dẫn và góp ý của các thầy cô giáo để đồ án của em được hoàn
thiện hơn.
Hà nội, ngày 25 tháng 5 năm 2010
Sinh viên thực hiện


Trong bối cảnh đó, biến áp áp điện với các ưu điểm nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao đã thu hút
được sự chú ý của nhiều công ty công nghệ và các nhà nghiên cứu. 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 và công suất vừa
3
Website: http://wWebsite: Email : Tel (: 0918.775.368
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 …).
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
Cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp trong biến áp áp điện 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. Công thức hóa học chung của các vật liệu áp

vật liệu áp điện sẽ duy trì tính chất phân cực kể cả sau khi ngắt điện trường đặt lên nó
(hình 1-2c).
5
Website: http://wWebsite: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1-2. Quá trình phân cực biến áp áp điện.
1.2.2 Sự mất tính phân cực của vật liệu áp điện
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
6
Website: http://wWebsite: Email : Tel (: 0918.775.368
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.

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 và điện trường với cường độ
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 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

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.
1.3.1 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 1-6. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen
1.3.2 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
9
Website: http://wWebsite: Email : Tel (: 0918.775.368
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

Website: http://wWebsite: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1-8. Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính
11
Website: http://wWebsite: Email : Tel (: 0918.775.368
12
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
ĐẶC TÍNH CỦA BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN
1.4. Sơ đồ tương đương của biến áp áp điện
Biến áp áp điện trên thực tế có thể hoạt động ở 3 tần số cộng hưởng (theo [1]). Hình
2-1 là sơ đồ thay thế tương đương ứng với 3 tần số cộng hưởng này. Tuy vậy, để đơn giản
hóa và giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, đồ án này sẽ xem xét sơ đồ tương đương của
biến áp áp điện tại một trong những tần số cộng hưởng của nó mà vẫn đảm bảo được
những đặc tính hoạt động chung của biến áp. Theo [2], sơ đồ tương đương của biến áp áp
điện tại một tần số cộng hưởng được trình bày ở hình 2-2. Theo đó, đầu ra của biến áp áp
điện được tách thành hai nguồn phụ thuộc: nguồn áp
/
Co
V n
và nguồn dòng
/
Lr
I n
,
in
V
và
out
V
là điện áp vào và điện áp ra,
in

1.5.1 Hệ số biến áp
Một trong những thông số quan trọng của biến áp nói chung và biến áp áp điện nói
riêng là hệ số biến áp. Với biến áp điện từ truyền thống, tỷ số này quyết định bởi tỷ số giữa
số vòng dây quấn phía thứ cấp và số vòng dây quấn phía sơ cấp. Tỷ số biến áp của biến áp
áp điện không được tính một cách rõ ràng như vậy được. Là một thiết bị mang tính chất
cộng hưởng, biến áp áp điện có hệ số biến áp phụ thuộc vào tần số làm việc và tải của nó.
14
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
Để xác định hệ số biến áp của biến áp áp điện và để đơn giản hơn trong việc tính
toán, mô phỏng, nghiên cứu đặc điểm làm việc, ta giả thiết nối một tải thuần trở R
o
vào
phía thứ cấp của biến áp (hình 2-3).
Hình 2-11. Sơ đồ thay thế máy biến áp áp điện với tải thuần trở
Dựa vào nguyên tắc cân bằng năng lượng giữa hai phía sơ cấp và thứ cấp, ta có thể
qui đổi phía thứ cấp về phía sơ cấp và bỏ qua điện dung đầu vào C
in
. Sơ đồ mạch như hình
2-4.
Hình 2-12. Sơ đồ qui đổi biến áp áp điện tải thuần trở về phía sơ cấp
Các thông số được tính qui đổi như sau:
'
2
o
o
R
R
n
=
( 2-0)

( 2-0)
( )
( )
2
' '
" '
2
' '
1
+
=
o o
o o
o o
C R
C C
C R
ω
ω
( 2-0)
là tần số hoạt động
Từ sơ đồ thay thế hình 2-4, hình 2-5 và các phương trình (2-1)→(2-5), ta có thể tính
được tần số cộng hưởng
m
ω
của biến áp áp điện:
1
=
m
r eq

-
rs
ω
là tần số cộng hưởng khi ngắn mạch
( )
0
0R
=
1
rs
r r
L C
=
ω
(2-0)
-
ro
ω
là tần số cộng hưởng khi hở mạch
( )
o
R
=∞
'
'
1
ro
r o
r
r o

   
 ÷  ÷
   
   
   
   
   
m rs
rs o rs rs m
R A A
Y A
R Q Q
ωω ω ω
ω ω ω ω
( 2-0)
Các thông số:
Tỷ số điện dung A:
'
=
o
r
C
A
C
( 2-0)
Hệ số chất lượng điện:
=
rs o o
Q C R
ω

1.5.2 Công suất đầu ra
Từ hình 2-3 và hình 2-4 và phương trình (2-5) công suất đầu ra của biến áp áp điện
được tính từ công thức:
( )
( )
( )
2
2 2
'
21
' '
out
out in
o
o
o o
V
V n V
P
R
R R
= = =
( 2-0)
Công thức (2-16) chỉ ra sự phụ thuộc của công suất đầu ra biến áp áp điện vào điện
trở tải và tần số hoạt động. Vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể các chương sau.
Theo [2], tại một tần số hoạt động nhất định, công suất đầu ra của biến áp áp điện
lớn nhất khi điện trở tải
''
0
R R

R
R R
R R
R
= = £
+
+ +

( 2-0)
Dấu “=” xảy ra khi:
''
0
R R
m
=
. (Bất đẳng thức Cauchy)
Từ phương trình (2-4), đồ thị của
''
0
R
theo R’ có dạng lồi như hình 2-7. Do vậy, ứng
với mỗi giá trị
''
0
R
sẽ có 2 giá trị
'
o
R
thỏa mãn điều kiện

Nếu
"
>>
o m
R R
thì hiệu suất của biến áp càng lớn. Do
m
R
là hằng số phụ thuộc
biến áp nên hiệu suất đạt được cực đại khi
"
o
R
đạt giá trị lớn nhất. Từ (2-4) và hình 2-7,
"
o
R

đạt cực đại tại:
19
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
'
'
1
=
o
o
R
C
ω

Hình 2-16. Hệ số biến áp
21
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
Hình 2-17. Công suất đầu ra
Hình 2-18. Hiệu suất biến áp
22
Chương 2. Đặc tính của biến áp áp điện
Hệ số biến áp, công suất đầu ra và hiệu suất biến áp phụ thuộc vào điện trở tải như
hình 2-11:
Hình 2-19. Đặc tính hoạt động của PT
23
Chương 3. Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện
NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN
1.6. Các mô hình bộ biến đổi công suất điều khiển biến áp áp điện
1.6.1 Giới thiệu chung
Bộ biến đổi công suất là 1 phần của hệ thống điện tử công suất nhằm biến đổi tín
hiệu đầu vào nó thành tín hiệu có công suất lớn hơn. Trong các ứng dụng thực tế của máy
biến áp áp điện thì đa phần mục đích sử dụng của máy biến áp áp điện trong đó là tạo ra
các mạch biến đổi điện áp DC/AC với đầu ra có điện áp cao hay các mạch biến đổi DC/DC
(thực chất là sự kết hợp giữa mạch DC/AC với chỉnh lưu đầu ra ). Có nhiều mô hình điều
khiển thiết kế khác nhau để tạo ra các mạch biến đổi điện áp trên. Vì máy biến áp áp điện
nói chung được sử dụng nhằm tạo ra các thiết bị ở dải công suất thấp, giá thành rẻ, hiệu
suất cao nên các mạch biến đổi phải có cấu trúc đơn giản, sử dụng tối thiểu các phần tử thụ
động và van chuyển mạch. Thực tế có 2 mô hình thỏa mãn các yêu cầu trên được dùng
rộng rãi cho biến áp áp điện.
Bộ biến đổi lớp D.
Bộ biến đổi lớp E.
Các đặc điểm cụ thể của hai mô hình điều khiển này sẽ được trình bày chi tiết dưới
đây.
1.6.2 Sơ đồ điều khiển lớp D

, S
2
. V
in
, i
in
là điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào, i(t) là dòng điện cộng hưởng (dòng
i
Lr
trên hình 3-1) chạy trong biến áp. Chu kỳ hoạt động của mạch gồm các giai đoạn:
Từ t0 đến t1: giai đoạn nạp của tụ Cin
Từ t0 đến t2: thời gian chết (hai khóa S
1
và S
2
đều không có xung áp vào cực G)
Từ t2 đến t3: thời gian ON của khóa S1
Từ t3 đến t4: thời gian phóng của tụ Cin
Từ t0 đến t5: thời gian chết
Dòng điện cộng hưởng i(t) được biểu diễn bởi công thức 3.1 dưới đây:
( ) ( )
m
i t I t
ω ψ
= −
( 3-0)
Với
m
I
và

1
về 0. Diode song song ngược này dẫn dòng trong thời
gian rất ngắn t
1
đến t
2
. Tại t
2
thì S
1
được phát xung ở cực G và chuyển lên trạng thái ON
sau đó tại t
3
thì chuyển về trạng thái OFF. Trong khoảng thời gian t
3
đến t
4
thì hai khóa S
1
và S
2
đều ở trạng thái OFF vì thế cho nên tụ C
in
phóng điện và dòng phóng lúc này cũng
chính là dòng cộng hưởng i(t). Do vậy nên điện áp đầu vào V
in
hay cũng chính là điện áp
trên khóa S
2
giảm và do đó điện áp trên khóa S