Thiết kế, lắp ráp nguồn xung điện áp cao sử dụng sidac

1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

THIẾT KẾ, LẮP RÁP NGUỒN XUNG ĐIỆN ÁP CAO SỬ DỤNG SIDAC
DESIGN, INSTALLING HIGH-VOLTAGE PULSE SOURCE USING SIDAC

SVTH: Lưu Hồi Nam, Lê Chí Khánh, Võ Bá Thịnh, Lê Trung Nguyên
Lớp 18D1, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

GVHD: TS. Trương Thị Hoa
Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Nguồn xung điện áp cao sử dụng Silicon Diodes Abstract - The high voltage pulse source uses Silicon
cho dòng điện xoay chiều (SIDAC-Silicon Diode for Alternating Diodes for alternating current (SIDAC) that generates pulses by
Current), xung được tạo ra bằng cách sử dụng đặc tính chuyển using the high-speed switching characteristic of SIDAC and the
mạch tốc độ cao của SIDAC và đặc tính tự kết thúc của hệ thống self-termination characteristic of the dielectric-barrier discharge
phóng điện màn chắn điện mơi (DBD-Dielectric Barrier system (DBD) without external control. In our design, a series of
Discharge) mà khơng cần điều khiển bên ngồi. Trong thiết kế SIDAC connections are connected to a simple circuit in which
của chúng tôi, một loạt kết nối SIDAC được kết nối với một mạch DBD actions as a load, a capacitor is used as a buffer power
đơn giản trong đó DBD hoạt động như một phụ tải, một tụ điện supply unit for SIDAC operation, and be charged by high voltage
được sử dụng nhằm ổn định điện áp cho quá trình hoạt động của power source. Moreover, the simple modular structure, which
SIDAC và được sạc bằng nguồn điện áp cao. Nguồn xung được requires no control, eliminates transformers, the minimum number
thiết kế với cấu trúc mô đun đơn giản, loại bỏ máy biến áp, tối of voltage converters needed to achieve the desired operating
thiểu các mức chuyển đổi điện áp đã tạo ra nguồn xung gọn nhẹ conditions in the design results in reduced dimensions, weight,
về kích thước, trọng lượng, bảo trì đơn giản và khả năng mở simple maintenance and high scalability.
rộng cao.
Key words - Silicon Diodes for alternating current (SIDAC);
Từ khóa - Silicon Diodes cho dòng điện xoay chiều; hệ dielectric-barrier discharge system (DBD); High voltage pulse
thống phóng điện màn chắn điện môi; Nguồn xung điện áp cao. source.

1. Giới thiệu về diode hai chiều SIDAC giây. Trạng thái tiến hành (đường màu xanh) sẽ tiếp tục
cho đến khi dòng điện đầu cuối chính giảm xuống dưới

SIDAC là một diode hai chiều, hai cực có thể được dòng giữ (IH). Nếu số lượng SIDAC trong kết nối chuỗi là
chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái dẫn cho trạng thái N, điện áp ngắt của kết nối này sẽ tăng lên N lần, nhưng
phân cực của điện áp đặt vào. Việc chuyển đổi từ trạng dòng giữ (IH) được giữ nguyên. Các đặc tính điện học của
thái tắt sang trạng thái bật được thực hiện bằng cách đơn SIDAC được sử dụng trong thiết kế được thể hiện trong
giản vượt quá điện áp đánh thủng theo cả hai hướng. Bảng 2.1.
Diode hai chiều chuyển mạch cho dòng điện xoay chiều là
một thiết bị chuyển mạch điện áp cao hai chiều. Nó có
điện áp chuyển mạch cao. Có thể tạo ra một điện áp cao
lên đến hàng kV với giá trị công suất và dịng điện thấp
có kích thước nhỏ, đơn giản và chi phí thấp..

Hình 2.1: Đặc tính V-I của SIDAC

Hình 1: Hình ảnh và ký hiệu SIDAC trong mạch Bảng 2.1: Đặc tính điện của SIDAC (K1V38 (W)) Shindengen
Electric Mfg.Co.Ltd)
2. Đặc tính V-I của Diode hai chiều SIDAC
Điện áp ngắt (VBO) 360 ~ 400 V
Đặc tính được hiển thị hình 2.1 khi điện áp đặt vào Dòng điện dẫn (IBO) 0.5 mA
SIDAC nhỏ hơn giá trị ngắt của nó, SIDAC ở trạng thái Dòng điện giữ (IH) 50 mA
không dẫn điện với điện trở rất cao (đường màu đỏ). Khi Điện áp mở khóa (VDRM) 270 V
điện áp ứng dụng đáp ứng hoặc vượt quá điện áp ngắt Dòng điện khóa (IDRM) 10 µA
(VBO), SIDAC sẽ chuyển từ trạng thái chặn sang trạng thái Điện trở chuyển mạch (RS) 100 Ω
dẫn và chuyển sang vùng chuyển tiếp (ký hiệu là đường Điện trở nhiệt 15oC/W
màu xanh lá cây) với thời gian chuyển tiếp theo tỷ lệ nano

2 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

Điện áp chuyển mạch của 1 SIDAC là 360-400 V. Vì vậy,
khi kết nối nối tiếp của 10 SIDAC, điện áp chuyển mạch
sẽ được tăng lên tới 3600 ~ 4000 V. Khi kết nối này được

chuyển mạch một xung điện áp cao lên đến 4000 V với
thời gian chuyển mạch trong khoảng vài trăm nsec sẽ
được tạo ra, vì vậy tốc độ gia tăng điện áp (dv/dt) có thể
lên đên mong muốn hàng chục kV/sec mà khơng cần
điều khiển bên ngồi. Trong công việc này, các SIDAC
được kết nối với một mạch trong đó lị phản ứng DBD
hoạt động như một tải. Khi các SIDAC được chuyển
thành dẫn điện, xung điện áp cao được tạo ra, điện áp cao
sẽ được đặt vào lị phản ứng DBD, sự phóng điện xảy ra,
sự phóng điện sau đó bị chấm dứt bởi q trình tích tụ
điện tích trên các lớp điện mơi, và kết thúc một chu kỳ
xung.

3. Mơ hình thí nghiệm

Trong mơ hình thí nghiệm (hình 3.1 và 3.2), nguồn điện Hình 3.2: Thí nghiệm mạch thực tế
áp cao (hình 3.3) một chiều được dùng để nạp điện cho tụ
C (1nF) qua một điện trở 10 MΩ nhằm hạn chế dòng Mô tả thiết bị trong mạch tạo Plasma DBD:
trong quá trình nạp điện cho tụ. Tụ C này sẽ đóng vai trị -Nguồn điện áp cao một chiều có hình ảnh và đặc tính
ổn định điện áp cho quá trình hoạt động của các SIDAC. được mơ tả như hình 3.3 và bảng 3.1
Một chuỗi kết nối nối tiếp của 12 SIDAC được sử dụng
để tạo xung điện áp (hình 3.4). Bộ kết nối các SIDAC
được nối nối tiếp với lò phản ứng DBD (hình 3.5). Hai
điện trở 20 MΩ mắc nối tiếp với nhau sẽ được sử dụng
nhằm xả điện tích tích tụ trên điện mơi của lị phản ứng.
Que chia áp điện áp cao được sử dụng cho quá trình đo
đếm điện áp. Điện trở shunt có điện kháng nhỏ mắc nối
tiếp với lò phản ứng được sử dụng để đo dịng điện qua
mạch. Các tín hiêu dịng áp sẽ được thu thập và quan sát
bằng Oscilloscope.

Bảng 3.1: Đặc tính của nguồn điện áp

Điện áp vào AC: 220 V (50 – 60 Hz)
Điện áp ra 6 KV~ -20 KV
Dòng điện ra 0-15 mA
Công suất ra 300W

Hình 3.3: Thiết bị nguồn sử dụng trong mạch mơ hình thí
nghiệm DBD

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của mạch phóng điện DBD trong
khơng khí

3 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

phản ứng DBD.

Điện trở nạp tụ có giá trị 10 MΩ (hình 3.8) mục đ) mục đích để
hạn chế dòng nạp cho tụ điện trong mạch nhằm tránh hiện
tượng quá dòng để nguồn điện làm việc trong giới hạn
dòng điện cho phép.

Hình 3.4: Chuỗi SIDAC trong mạch thí nghiệm Tụ đệm (hình 3.9) sử dụng trong mạch tạo xung này là tụ
sứ có C = 1nF. Mục đích sử dụng tụ trong mạch là lọc
nguồn, tụ có tác dụng lọc cho điện áp để cung cấp cho tải
tiêu thụ, ta thấy nếu khơng có tụ thì áp DC sau diode là
điên áp nhấp nhô, khi có tụ điện áp này được lọc tương
đối phẳng, tụ điện càng lớn thì điện áp DC này càng
phẳng, tuy nhiên giá trị tụ càng lớn thì thời gian nạp càng

lâu

Hình 3.5: Lị phản ứng DBD trong mơ hình thí nghiệm Hình 3.7: Điện trở Shunt trong mạch tạo xung
Hình 3.8: Điện trở nạp cho tụ trong mạch tạo xung
Lị phản ứng DBD (hình 3.5) được ghép từ 2 tấm kính
cường lực mỏng có độ dày 0,5mm làm màn chắn điện mơi
và trên bản cực đó dán 2 bản cực bằng đồng mỏng. Ba
cạnh xung quanh dùng keo nến để bịt các cạnh và chỉ
chừa một cạnh bên phải như trên hình tạo ra một khe hở
rộng 1mm để thốt khí, phía đối diện dán một ống dẫn khí
Heli (màu cam) làm mơi trường cho phóng điện Plasma
DBD. Đầu bản cực nối với đầu ra của SIDAC và đầu kia
(phía mặt dưới lị phản ứng DBD) nối với điện trở Shunt.

Hình 3.6: Điện trở tải trong mạch tạo xung (R =20MΩ)

Điện trở tải (hình 3.6) gồm 2 điện trở mắc nối tiếp có R = Hình 3.9: Tụ dùng trong mạch tạo xung
20MΩ. Điện trở tải được nối từ chuỗi SIDAC đến đầu nối 4. Kết quả thí nghiệm
đất. Điện trở tải có vai trị là để xả các điện tích tích lũy
trên bề mặt lớp điện mơi của lị phản ứng DBD trong
mạch.

Điện trở Shunt có giá trị 100 Ω có hình ảnh như mơ tả ở
hình 3.7 với điện kháng rất nhỏ được sử dụng cho việc đo
dòng điện qua mạch, điện trở này được nối nối tiếp với lò

4 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

Khi cấp nguồn vào mạch nhân là VIn =230 V AC, áp đầu
ra được chọn ở mức VOut = 14 kV DC nhằm tránh hiện

tượng q dịng cho nguồn.

Như hình 3.10 ta thấy Plasma DBD được tạo ra có màu
tím đặc trưng khi dùng khí Heli làm mơi trường thí
nghiệm. Như vậy, mơ hình thí nghiệm mà nhóm thực hiện
đề tài đã thành công trong việc tạo xung cao áp để thực
hiện phóng điện Plasma DBD. Dạng sóng điện áp và dịng
điện thu được từ phóng điện Plasma DBD đã được hiển
thị trên màn hình oscilloscope như hình 3.11, kết quả
được thu thập và tính tốn trên phần mềm máy tính cho ra
hình ảnh dạng sóng thể hiện hình 3.12

Khi SIDAC chuyển mạch sẽ tạo ra sự chênh lệch điện áp V [kV ] Hình 3.12: Dạng sóng và dữ liệu Excel thu được từ
lên đến 4 kV đặt vào lò phản ứng DBD. Sự chuyển mạch Oscilloscope của thí nghiệm phóng điện Plasma DBD
của điện áp làm xuất hiện dòng điện điện dung tỉ lệ thuận
15.0
với mức tăng điện áp ( dv ¿, tương ứng với xung dòng 14.5
dt 14.0
13.5
thứ nhất như quan sát được trên hình 3.12, xung điện áp 13.0
cao sau đó tạo ra phóng điện DBD, sự phóng điện tạo ra 12.5
xung dịng thứ 2 với dịng điện phóng điện đạt mức 3 A. 12.0
Quá trình tạo xung xảy ra liên tục như kết qua thu thập 11.5
được ở hình 3.13 với tần số tạo xung ở mức khoảng 8) mục đ0 11.0
Hz.

10.5

10.0

9.5

9.0

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Time [ms]

Hình 3.12 Dạng sóng điện áp đặt lên lị phản ứng DBD

Hình 3.10: Hình ảnh q trình thí nghiệm mạch tạo Plasma 5. Kết luận
DBD
Kết nối nối tiếp các Diode ( SIDAC) đã tạo ra các
Hình 3.12: Dạng sóng của điện áp và dịng điện trên màn hình xung điện áp cao liên tục.
oscilloscope
Việc thử nghiệm thành công nguồn xung điện áp cao
đã tạo ra plasma DBD trong khí Heli.

Thiết kề này là một giải pháp cho nguồn xung điện áp
cao cho sự vận hành DBD trong điều kiện Việt Nam với
chi phí thấp.

Tài liệu tham khảo

[1] A. Fridman and L. A. Kennedy, Plasma Physics and
Engineering, Boca Raton: CRC Press, 2011.

[2] U. Kogelschatz, "Dielectric-barrier Discharges: Their
History,Discharge Physics, and Industrial Applications," Plasma
Chemistry and Plasma Processing, vol. 23, no. 1, pp. 1-46, 2003.

[3] A. A. Abdelaziz, T. Ishijima, T. Seto, N. Osawa, H. Wedaa
and Y. Otani, "Characterization of surface dielectric barrier discharge
influenced by intermediate frequency for ozone production," Plasma
Sources Science and Technology, vol. 25, no. 3, p. 035012, 2016.

[4] X.-J. Shao, G.-J. Zhang, J.-Y. Zhan and G.-M. Xu, "Research
on Surface Modification of Polytetrafluoroethylene Coupled With
Argon Dielectric Barrier Discharge Plasma Jet Characteristics," IEEE
Transactions on Plasma Science, vol. 39, no. 11, p. 3095, 2011.

[5] Q. Li, J. Liu, Y. Dai, W. Xiang, M. Zhang, H. Wang and L.
Wen, "Fabrication of SiNx Thin Film of Micro Dielectric Barrier
Discharge Reactor for Maskless Nanoscale Etching," Micromachines,
vol. 7, no. 12, p. 232, 2016.