thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ NGUỒN
CAO ÁP KIỂU ĐIỆN TỪ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Văn Dũng

Lê Tấn Tài (MSSV: 1111038)
Ngành: Kỹ thuật điện – Khóa: 37

Tháng 4/2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

Cần Thơ, ngày 09 tháng 01 năm 2015

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN
HỌC KỲ 2 NĂM HỌC 2014 - 2015

1. Họ và tên sinh viên: Lê Tấn Tài ......................................................MSSV:1111038
Ngành: Kỹ Thuật Điện ....................................................................Khoá: K37
2. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ
3. Địa điểm thực hiện: (ghi rõ điạ chỉ của cơ sở, số điện thoại nếu có)
4. Họ tên của người hướng dẫn khoa học (NHDKH): Thầy Nguyễn Văn Dũng
5. Mục tiêu của đề tài: Thiết kế bộ nguồn cao áp đúng kỹ thuật
6. Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỆN CAO ÁP KIỂU ĐIỆN TỪ
CHƯƠNG 3. SƠ LƯỢC VỀ LINH KIỆN TRONG MÔ HÌNH
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN
CHƯƠNG 5. MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
7. Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài:
Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: (dự trù chi tiết đính kèm, chỉ cần cho LVTN)

Ý KIẾN CỦA NHDKH

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ
(ký tên và ghi rõ họ tên)

Ý KIẾN CỦA BỘ MÔN

Ý KIẾN CỦA HỘI ĐỒNG LV&TLTN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1.
2.
3.
4.
5.

Cán bộ hướng dẫn: Thầy Nguyễn Văn Dũng
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ
Sinh viên thực hiện: Lê Tấn TàiMSSV: 1111038
Lớp: Kỹ Thuật Điện Khoá: 37
Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

b. Nhận xét về bản vẽ:
................................................................................................................................................

................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

c. Nhận xét về nội dung của luận văn:
 Các công việc đã đạt được:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

 Những vấn đề còn hạn chế:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

d. Kết luận và đề nghị:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

6. Điểm đánh giá:
...............................................................................................................................................

Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Nguyễn Văn Dũng


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1.
2.
3.
4.
5.

Cán bộ phản biện:
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ
Sinh viên thực hiện: Lê Tấn Tài
MSSV: 1111038
Lớp: Kỹ Thuật Điện Khoá: 37
Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

b. Nhận xét về bản vẽ:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

c. Nhận xét về nội dung của luận văn:
 Các công việc đã đạt được:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................

 Những vấn đề còn hạn chế:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

d. Kết luận và đề nghị:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

6. Điểm đánh giá:
...............................................................................................................................................

Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2015
CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1.
2.
3.

4.
5.

Cán bộ phản biện:
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ
Sinh viên thực hiện: Lê Tấn Tài
MSSV: 1111038
Lớp: Kỹ Thuật Điện
Khoá: 37
Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

b. Nhận xét về bản vẽ:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

c. Nhận xét về nội dung của luận văn:
 Các công việc đã đạt được:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

 Những vấn đề còn hạn chế:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................

d. Kết luận và đề nghị:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

6. Điểm đánh giá:
...............................................................................................................................................

Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2015
CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập thì luận văn tốt nghiệp luôn là sự tổng hợp kiến thức
vốn có của mỗi sinh viên trong quá trình học tập, cũng là cơ hội để mỗi sinh viên
kiểm chứng lại kiến thức của mình trước khi bước vào môi trường làm việc. Dưới
sự hướng dẫn của quý thầy trong Bộ môn.
Sau thời gian thực hiện, đến nay luận văn của em cơ bản đã hoàn thành. Em
xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Nguyễn Văn Dũng, người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các quý thầy trong bộ môn Kỹ thuật điện Khoa Công Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện để em hoàn
thành luận văn này.
Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và động
viên em trong suốt quá trình học tập.
Tuy nhiên, do hạn chế về kinh nghiệm thực tế, thời gian thực hiện đề tài, nên
không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong Thầy hướng dẫn cùng các thầy (cô)
trong hội đồng bộ môn góp ý xây dựng để cho đề tài “Luận Văn Tốt Nghiệp” của

em được hoàn thiện hơn.
Chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Lê Tấn Tài


LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay Việt Nam là nước đang phát triển đang trên con đường hội nhập
với các nước trên thế giới. Cùng với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước,
chúng ta đã tiến hành xây dựng nền kinh tế thị trường ngày các sâu rộng. Vì vậy, sự
xuất hiện của những công nghệ hiện đại, những thành tựu khoa học - kỹ thuật mới
đã làm cho nền kinh tế của nước ta phát triển vượt bậc và ngành điện cũng không
nằm ngoài xu hướng hòa nhập đó.
Bên cạnh việc phát triển nhanh chóng của nền kinh tế không thể tránh khỏi
một số tác động xấu đến môi trường xung quanh đặc biệt là ô nhiễm nước. Do đó
nước máy cũng không thể tránh khỏi nguy cơ nhiễm khuẩn cao. Nhưng nhờ sự tiến
bộ của khoa học - công nghệ, các nhà nghiên cứu đã tìm ra rất nhiều giải pháp để xử
lí làm cho nước sạch hơn và không bị nhiễm khuẩn. Trong đó, ứng dụng công nghệ
Plasma lạnh để xử lí nước là công nghệ mới và hứa hẹn nhiều triển vọng trong
tương lai. Với đề tài “thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ” nhằm tạo ra
tia Plasma lạnh phục vụ cho các nghiên cứu. Quyển “luận văn tốt nghiệp” này cơ
bản đã trình bày được cơ sở lý thuyết, cách tính toán và chế tạo bộ nguồn cao áp.
Em hi vọng nó thực sự cần thiết để xử lí nước nhiễm khuẩn. Tất cả vì sự phát triển
vững mạnh và lâu dài của đất nước.
Do hiện đang là sinh viên trình độ còn nhiều hạn chế nên trong quá trình
thực hiện không thể tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót. Rất mong được sự hướng
dẫn và chỉ bảo thêm của quý thầy cô để đề tài luận văn được hoàn chỉnh hơn

Sinh viên thực hiện
Lê Tấn Tài


Mục lục
MỤC LỤC

Trang
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................. 1
1.1. Sơ lược điện cao áp ................................................................................................. 1
1.1.1. Điện cao áp ...................................................................................................... 1
1.1.2. Giới thiệu bộ nguồn cao áp kiểu điện từ .......................................................... 1
1.2. Công nghệ Plasma ................................................................................................... 5
1.2.1. Khái niệm ......................................................................................................... 5
1.2.2. Sự tương tác giữa các hạt trong plasma ........................................................... 9
1.2.3. Phân loại Plasma ............................................................................................ 11
1.3. Ứng dụng............................................................................................................... 12
1.3.1. Công nghệ xử lí nước bằng plasma lạnh........................................................ 13

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỆN CAO ÁP KIỂU ĐIỆN TỪ .................. 15
2.1. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động............................................................................... 15
2.2. Thiết kế mô hình ................................................................................................... 16
2.1.1. Lý thuyết tính toán bộ nguồn ......................................................................... 16
2.1.2. Tính toán các chi tiết bộ nguồn ...................................................................... 27

CHƯƠNG 3. SƠ LƯỢC VỀ LINH KIỆN TRONG MÔ HÌNH .............................. 32
3.1. Biến áp đánh lửa ................................................................................................... 32
3.1.1. Cấu tạobiến áp đánh lửa (bobin) .................................................................... 32
3.1.2. Chọn thông số của bobin ............................................................................... 34

3.2. Nguyên lý hoạt động của IC555 ........................................................................... 35
3.3. Nguyên tắc hoạt động mosfet................................................................................ 38

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN .............................................................. 40

SVTH: Lê Tấn Tài

i


Mục lục
4.1. Giới thiệu phần mềm............................................................................................. 40
4.1.1. Các phần cơ bản ............................................................................................. 41
4.2. Kết quả mô phỏng ................................................................................................. 43
4.2.1. Thiết kế mạch mô phỏng ............................................................................... 43
4.2.2. Chế độ khi phóng điện ................................................................................... 44
4.2.3. Chế độtrước khi bắt đầu phóng điện .............................................................. 48

CHƯƠNG 5. MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM ....................................................... 51
5.1. Mô hình ................................................................................................................. 51
5.1.1. Linh kiện bộ nguồn xung ............................................................................... 51
5.1.2. Chức năng phần tử chính của mạch ............................................................... 52
5.1.3. Chế tạo mạch ................................................................................................. 55
5.2. Kết quả thử nghiệm thực tế ................................................................................... 57
5.2.1. Bộ nguồn DC ................................................................................................. 58
5.2.2. Lý thuyết đo điện áp cao bằng phóng điện điện cực Cầu-Cầu ...................... 61
5.2.3. Quá trình đo điện áp phóng điện được thực hiện theo các bước sau ............. 63

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 67
6.1. Kết luận ................................................................................................................. 67

6.2. Kiến nghị............................................................................................................... 67

SVTH: Lê Tấn Tài

ii


Mục lục hình

MỤC LỤC HÌNH

Trang
Hình 1: Mô hình tạo điện cao áp kiểu điện từ ....................................................................... 2
Hình 2: Sơ đồ mạch tạo xung vuông ..................................................................................... 3
Hình 3: Biến áp đánh lửa(bobin) ........................................................................................... 4
Hình 4:Mạch nguyên lý của biến áp bobin thực tế. ............................................................... 4
Hình 5: Mạch snubber bảo vệ mosfet .................................................................................... 5
Hình 6: Các dạng tồn tại plasma ............................................................................................ 6
Hình 7: Tia Plasma nhiệt độ thấp......................................................................................... 11
Hình 8: Plasma nhiệt độ cao ................................................................................................ 12
Hình 9: Mô hình xử lí nước bằng plasma lạnh .................................................................... 14
Hình 10: Sơ đồ nguyên lý phương pháp tạo xung cao áp .................................................... 15
Hình 11: Mạch nguyên lý của bộ nguồn .............................................................................. 16
Hình 12: Hình dạng và thông số kích thước của lõi thép .................................................... 17
Hình 13: Khối nguồn xung vuông PWM ............................................................................. 20
Hình 14: Sơ đồ mạch tương đương đơn giản ....................................................................... 21
Hình 15: Sơ đồ khi đóng nguồn điện mosfet dẫn ................................................................ 22
Hình 16: Quá trình tăng dòng sơ cấp theo thời gian ............................................................ 23
Hình 17: Sơ đồ khi ngắt nguồn điện qua mosfet ................................................................. 24
Hình 18: Thời gian(toff) dòng giảm khi ngắt mosfet ............................................................ 25

Hình 19: Cấu tạo bobin ........................................................................................................ 32
Hình 21: Qui luật biến đổi dòng sơ cấp và hiệu điện thế thứ cấp U2m................................. 34
Hình 20: Sự phụ thuộc U2m vào thời giang đóng ngắt ......................................................... 34
Hình 22: Sơ đồ trạng thái tạo xung IC NE555 ..................................................................... 35
Hình 23: Đồ thị dạng điều chế xung PWM ......................................................................... 37
Hình 24: Dạng sóng vuông điều chỉnh PWM ...................................................................... 37
Hình 25: Bán dẫn mosfet ..................................................................................................... 38
Hình 26: Giao diện người dùng Multisim............................................................................ 41

SVTH: Lê Tấn Tài

iii


Mục lục hình
Hình 27: Sơ đồ mô phỏng trước khi phóng điện ................................................................. 44
Hình 28: Đầu ra của IC 555 khi chưa gắn mosfetChannel A .............................................. 45
Hình 29: Dạng sóng IC 555 sau khi gắn mosfetChannel B ................................................. 46
Hình 30: Dạng sóng điện áp cuộn sơ cấpChannel B ........................................................... 46
Hình 31: Dạng sóng điện áp cuộn thứ cấp Channel A......................................................... 47
Hình 32:Sơ đồ mạch mô phỏng có tải không khí ................................................................ 48
Hình 33: Sóng điện áp ngõ ra IC555 có gắn mosfetChannel B ........................................... 49
Hình 34: Dạng sóng điện áp cuộn sơ cấp sau khi gắn tảiChannel B ................................... 49
Hình 35: Sơ đồ chế tạo mạch nguồn .................................................................................... 52
Hình 36: Sơ đồ chế tạo mạch tạo xung ................................................................................ 53
Hình 37: Sơ đồ biến áp đánh lửa, mosfet và mạch snubber ................................................ 53
Hình 38: Sơ đồ lắp đặt hoàn chỉnh....................................................................................... 54
Hình 39: Mô hình mạch thực tế của bộ nguồn xung cao áp ................................................ 55
Hình 40: Biến áp đánh lửa tự quấn ...................................................................................... 56
Hình 41: Phóng điện cao áp biến áp đánh lửa tự quấn ........................................................ 56

Hình 42: Mạch tạo xung- Mạch snubber ............................................................................. 57
Hình 43: Điện cực Cầu - Cầu............................................................................................... 61
Hình 44: Phóng điện thực tế điện cực Cầu - Cầu ................................................................ 62
Hình 45: Đặc tính của phóng điện hình cầu......................................................................... 62
Hình 46:Sơ đồ nguyên lý mạch đo ...................................................................................... 63
Hình 47: Sơ đồ thí nghiệm đo điện áp phóng điện .............................................................. 64

SVTH: Lê Tấn Tài

iv


Mục lục bảng

MỤC LỤC BẢNG

Trang
Bảng 1: Thông số lõi thép kỹ thuật điện ...................................................................17
Bảng 2: Cho phép chọn hệ số K theo mật độ từ thông B ..........................................18
Bảng 3: Cho phép chọn ∆U2% theo công suất biểu kiến .........................................18
Bảng 4: Cho phép chọn mật độ dòng theo công suất máy biến áp ...........................18
Bảng 5: Liệt kê vật liệu bộ nguồn DC ......................................................................19
Bảng 6: Cho phép chọn mật độ dòng theo công suất máy biến áp ...........................29
Bảng 7: Chọn thiết bị quấn biến áp đánh lửa (bobin) ...............................................31
Bảng 8: Chọn thiết bị cho mạch tạo xung theo tính toán như trên ...........................31
Bảng 9: Thông số tính toán bộ nguồn .......................................................................43
Bảng 10: Bảng liệt kê các linh kiện bộ nguồn xung thực tế .....................................51
Bảng 11: Bảng liệt kê các thông số cần khảo sát ......................................................57
Bảng 12: Giá trị khảo sát được..................................................................................65
Bảng 13: Giá trị điện áp phóng điện 1 ......................................................................65

Bảng 14: Giá trị điện áp phóng điện 2 ......................................................................65

SVTH: Lê Tấn Tài

v


Danh sách các cụm từ viết tắt
DANH SÁCH CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

AC: Active Current
DC: Direction Current
PWM: Pulse-Width Modulation

SVTH: Lê Tấn Tài

vi


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Sơ lược điện cao áp
1.1.1. Điện cao áp
Một số tiêu chuẩn ngành công nghiệp không chỉ định điện áp tối thiểu để trên
đó được coi là điện áp cao. Những định nghĩa thường được dựa theo những tính an

toàn hoặc điện áp. Điện áp trên 1000V dựa theo tính an toàn điện thì được xem là
điện áp cao.
Trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và vật lý ứng dụng, điện áp cao như (dc, ac,
và xung) là bắt buộc đối với một số ứng dụng. Điện áp công nghệ cao được ứng
dụng trong điện, công nghiệp và phòng thí nghiệm nghiên cứu. Điện áp xung cao
được yêu cầu cho mục đích thử nghiệm để mô phỏng như điện áp xảy ra trong hệ
thống điện do sét đánh hoặc chuyển đổi cao áp. Đối với ngành điện, mối quan tâm
chính của điện áp cao là để thử nghiệm cách điện của các thành phần khác nhau
trong hệ thống điện cho các cấp khác nhau của điện áp, tần số cụ thể là điện xoay
chiều, tần số cao, chuyển đổi hoặc xung sét.
1.1.2. Giới thiệu bộ nguồn cao áp kiểu điện từ
Trước đây các nhà nghiên cứu đã làm nhiều thử nghiệm chế tạo bộ nguồn
cao áp dạng điện dung và điện từ nhưng chủ yếu đa phần là về điện dung. Bộ nguồn
điện dung trước đây khá phổ biến vì đơn giản, dễ thực hiện và yêu cầu không cao.
Ngày nay với yêu cầu cao hơn về mặt chính xác, trong chu kỳ phóng điện cao áp và
an toàn. Nên kiểu điện từ được ưu tiên hơn nhờ điều khiển được chu kỳ tạo tia
lửa.Với đề tài là thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ nhằm mục đích tạo
plasma lạnh. Bộ nguồn bao gồm mạch tạo xung vuông, mạch bảo vệ (snubber)
mosfet và biến áp đánh lửa ôtô.
Bộ nguồn kiểu điện từ thiết kế cực kỳ đơn giản nhưng có độ tin cậy cao nhờ
vào việc điều khiển chính xác thời gian đóng – ngắt cuộn dây. Hoạt động dựa trên
hiện tượng cảm ứng điện từ để tạo ra điện áp cao.

SVTH: Lê Tấn Tài

1


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

Hình 1: Mô hình tạo điện cao áp kiểu điện từ
a) Mạch tạo xung
Mạch tạo xung ở đây được dùng để tạo dao động, điện áp khác không và
điện áp bằng không nhằm mục đích điều khiển mosfet cho dòng điện qua cuộn cảm
(điện áp khác không) và sau đó ngắt(điện áp bằng không) để xuất hiện một sức phản
điện lên cuộn cảm.
Mạch dao động là mạch sử dụng các linh kiện đơn giản để phát ra tín hiệu
xung dao động cụ thể để điều khiển thiết bị. Có nhiều dạng tín hiệu xung được phát
ra từ mạch dao động như xung sine, xung vuông, xung tam giác.

SVTH: Lê Tấn Tài

2


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

Có nhiều cách thiết kế mạch để tạo xung vuông như thiết kế mạch dùng
Transistor, thiết kế mạch dùng Opam, thiết kế dùng IC.Ở đây, chọn thiết kế mạch

dao động tạo xung vuông dùng IC NE555 vì linh kiện dễ mua, giá thành tốt. Để
IC555 tạo ra xung thì ta có sơ đồ tạo xung cơ bản như hình 2.

Hình 2: Sơ đồ mạch tạo xung vuông

b) Biến áp đánh lửa(bobin)

SVTH: Lê Tấn Tài

3


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

Hình 3: Biến áp đánh lửa(bobin)
Biến áp đánh lửa ô tô có nhiệm vụ biến điện áp 12VDC thành xung điện áp
cao AC, khoảng vài chục kilovolt.
Theo như sơ đồ hình 4 thì khi công tắc được bật(đóng) dòng điện chạy qua
cuộn dây sơ cấp.Khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp thì xung quanh
nó xuất hiện từ trường. Nếu có một sự gián đoạn dòng điện và ngắt dòng điện qua
cuộn sơ cấp (ở đây là mở khóa K) làm từ trường sụp đổ trên cuộn sơ cấp,do cuộn
dây có độ tự cảm L sinh ra sức phản điện chóng lại sự thay đổi đột ngột của từ
trường.Điều này làm cho điện áp cuộn dây tăng lên hàng trăm volt. Điều này dẫn
đến điện áp bên thứ cấp tăng lên hàng kilovolt do hiện tượng cảm ứng điện từ(vì
cuộn thứ cấp bao gồm rất nhiều vòng dây).

(a)

Hình 4:Mạch nguyên lý của biến áp bobin thực tế.
SVTH: Lê Tấn Tài

4

Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

c) Mạch bảo vệ (snubber)
Snubber được áp dụng để kiểm soát điện áp. Điện trở-Tụ điện-Diode (RCD)
snubber này hoạt động như một “cái kẹp điện áp”. Nhằm bảo vệ mosfet tránh điện
áp ngược từ biến áp đánh lửa tăng cao khi ngắt dòng điện qua cuộn sơ cấp biến áp.

Hình 5: Mạch snubber bảo vệ mosfet
Trong chế độ snubber là kẹp điện áp đóng tại cực Drain(cực máng) của
mosfet. Mạch RC (điện trở Rsn-Tụ điện Csn) song song nối đến cực âm(-) hoặc vào
cực dương(+) của bobin vì điều này sẽ làm giảm tiêu hao năng lượng trên các điện
trở. Mosfet sẽ chuyển sự duy trì tiêu hao năng lượng đỉnh qua chế độ ngắt. Các giá
trị của tụ điện và điện trở dựa trên năng lượng được lưu trữ trong điện cảm ký sinh
nhưng năng lượng này phải được thải vào các mạng RC trong mỗi chu kỳ. Điện áp
trên tụ điện và điện trở có đặt điện áp giới hạn.

1.2. Công nghệ Plasma
1.2.1. Khái niệm
Từ "PLASMA" lần đầu tiên được áp dụng cho chất khí bị ion hóa bởi Tiến sĩ
Irving Langmuir, một nhà hóa học và vật lý học người Mỹ vào năm 1929. Plasma là
SVTH: Lê Tấn Tài

5


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) trong đó các chất
khí bị ion hóa mạnh. Các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân.
Plasma được tìm thấy trong các hệ năng lượng mặt trời, môi trường giữa các sao và
giữa các thiên hà.

Hình 6: Các dạng tồn tại plasma

 Để phản ánh bản chất của plasma người ta đưa ra khái niệm bậc ion hóa:



ne,i
n0

β: bậc ion hóa
ne,I: nồng độ các hạt mang điện
n0: nồng độ các hạt khí trong môi trường
 Nhờ vào bậc ion hóa người ta chia plasma ra làm hai loại là: ion hóa hoàn
toàn và ion hóa một phần.
 Trường hợp ion hóa hoàn toàn thường xảy ra ở plasma nhiệt độ cao. Lúc này
tính chất của plasma được xác định bởi tính chất của điện tử và ion chứa trong nó.
SVTH: Lê Tấn Tài

6


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng



Trường hợp plasma nhiệt độ thấp thường xảy ra trong phóng điện hồ quang



Để plasma có tính ion hóa mạnh thì:



 eo
 ei

 Để plasma có tính ion hóa yếu thì:



 eo
 ei

ei:tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với ion.
eo:tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với hạt trung
hòa.
 Theo quan điểm nhiệt động học có hai loại là plasma cân bằng và plasma
không cân bằng:
 Plasma cân bằng (hoặc plasma đẳng nhiệt) là trong đó các hạt có cùng nhiệt
độ,trung hòa về điện vì các hạt mang điện mất đi luôn được bù lại do quá
trình ion hóa, nó tồn tại mà không cần lấy năng lượng từ bên ngoài.
 Plasma không cân bằng (hoặc plasma bất đẳng nhiệt): không trung hòa về

điện, nhưng sự phá vỡ trung hòa đó không phải là lớn, nó tồn tại cần có năng
lượng từ bên ngoài, nếu không nhận được năng lượng từ bên ngoài thì
plasma sẽ tự mất đi.
-Vậy điều kiện gần trung hòa là một trong những điều kiện cơ bản của plasma ta có
thể định nghĩa “plasma là một tập hợp các ion, điện tử và các hạt trung hòa tương
tác với nhau và với trường bức xạ”. Tuy nhiên định nghĩa này chưa nói lên được
những tính chất cơ bản của plasma, ta cần tìm hiểu thêm về màn tĩnh điện.
-Nếu bỏ qua lực tương tác phân tử ta có:

( Z ie e) 2
r

 kT

r : khoảng cách trung bình giữa các hạt

r

1
1

N3

SVTH: Lê Tấn Tài

7


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

N: nồng độ của plasma
N=ne+ ni
T: nhiệt độ
k: hệ số nhiệt độ
e: điện tích electron
Zie: độ dày của lớp tiếp xúc
-Xét một hạt bất kì: sẽ có một lớp điện tích hình cầu sinh ra xung quanh hạt, độ dày
của lớp này phụ thuộc vào nhiệt và nồng độ hạt. Độ dày của lớp tiếp xúc phải giúp
nó chứa đủ số hạt khác dấu, có khả năng làm màn chắn trường cho hạt. Bán kính
của hình cầu đó được gọi là bán kính Debye.
Thế Coulomb:  0 
Thế Debye:  

Z ie e
r

Z ie e
 r
exp   
r
 D

D: là bán kính Debye
Khi

r =D

Thì

0
e


 0 là năng lượng coulomb

r là bán kính hình cầu
-Vậy trường của lớp điện tích bao quanh hạt đã làm màn chắn trường của hạt đó
trên khoảng cách xác định.
Trong trường hợp tổng quát thì bán kính Debye được tính bằng công thức:
D

 D 
ie

1
2  2

1


2
KTie
Die  

2
 4 ( Z ie ) nie 

Die là bán kính Debye của các thành phần cấu tạo plasma.

Nồng độ hạt: N 

SVTH: Lê Tấn Tài

1
4 3
D
3

8


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

-Công thức này cho thấy rằng để tồn tại màn chắn thì số hạt trái dấu trong hình cầu
bán kính Debye phải đủ lớn.Nhưng nếu bán kính Debye quá lớn đến không còn khả
năng làm màn chắn thì lúc này nó không còn gọi là plasma. Vậy plasma phải thỏa
mãn điều kiện sau:
-Thỏa mãn điều kiện gần trung hòa
-Bán kính Debye phải nhỏ hơn nhiều lần so với kích thước của miền chứa tập hợp
đó D<1.2.2. Sự tương tác giữa các hạt trong plasma
a) Tiết diện hiệu dụng
Khái niệm về tiết diện hiệu dụng trong va chạm là rất quan trọng. Nó đặc
trưng cho quá trình va chạm trong chất khí. Để đơn giản vạch ra ý nghĩa hình học
của tiết diện hiệu dụng. Sự va chạm giữa hai hạt khi gặp nhau sẽ xảy ra nếu khoảng
cách giữa hai tâm nhỏ hơn hoặc bằng một khoảng cách cực tiểu nào đó. Khoảng

cách cực tiểu này là bán kính hiệu dụng của sự va chạm. Nếu các hạt có dạng như
quả cầu đàn hồi có bán kính là r1, r2, sự va chạm sẽ xảy ra khi các hạt cách nhau một
khoảng nhỏ hơn r1+r2.
Khi đó:  = (r1+r2)2
: Tiết diện hiệu dụng
b) Khoảng đường tự do trung bình
Khoảng đường tự do trung bình của hạt được xác định như tổng số khoảng
cách của hạt giữa hai va chạm chia cho tất cả số hạt đó. Tiết diện hiệu dụng càng
lớn thì sự va chạm xảy ra càng nhiều, sự va chạm của các hạt xảy ra càng nhiều thì
khoảng đường tự do trung bình càng nhỏ. Như vậy khoảng đường tự do trung bình (
 )phải phụ thuộc vào tiết diện hiệu dụng () và mật độ của các hạt (N):


SVTH: Lê Tấn Tài

1
N

9


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

c) Tần số va chạm
Tần số va chạm là số va chạm trong một đơn vị thời gian. Nếu hạt chuyển động với
vận tốc v, thì tần số va chạm  sẽ bằng:
  vN 

v



d) Sự truyền điện tích của hạt
Sự chuyển điện tích của hạt là sự truyền điện tích từ ion chuyển động nhanh
cho các nguyên tử chuyển động chậm. Kết quả là ion có năng lượng cao có thể biến
thành nguyên tử trung hòa, ion mới được hình thành trong plasma có năng lượng
thấp. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong plasma phản ứng nhiệt hạch
An++ ->A(n-1)+ + M+
Từ khảo sát chúng ta kết luận rằng cùng với sự tăng lên của vận tốc proton,
lúc đầu tiết diện trao đổi điện tích được tăng nhanh khi vận tốc proton đạt đến một
giá trị nào đó thì tiết diện đạt giá trị cực đại và sau đó bắt đầu giảm xuống nhanh.
Vận tốc proton tại đó tiết diện hiệu dụng lớn nhất được gọi là vận tốc tối ưu.
* Sự kích thích
e + A -> A+ + e + e
e + A -> A* + e
A+ + A-> A+ + A+ + e
A + A -> A+ + A + e
Khi va chạm với một hạt nặng, electron sẽ gây ra sự kích thích hạt đó, nhờ
vậy hạt có năng lượng cao hơn trước khi va chạm.
Nguyên tử hay ion được kích thích thích có thể chuyển về mức năng lượng không
kích thích nhỏ hơn, nhờ đó năng lượng ánh sáng được phát xạ.
* Sự ion hóa
Quá trình ion hóa là sự tách electron khỏi nguyên tử hoặc phân tử khí, nó
đóng một vai trò đặc biệt, thiếu quá trình ion hóa thì không thể có plasma.
+Plasma đậm đặc: Sự ion hóa chất khí sinh ra do tác dụng va chạm giữa các nguyên
tử hoặc nguyên tử trung hòa với các electron.
+Plasma quá loãng: Tác dụng bức xạ cực ngắn là nguyên nhân gây ra sự ion hóa.
SVTH: Lê Tấn Tài

10


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

1.2.3. Phân loại Plasma
Có hai plasma là plasma nhiệt độ thấp (plasma lạnh) và plasma nhiệt độ cao
(plasma nhiệt):
+ Phạm vi nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức
xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma lạnh. Thí dụ như đối với hiện tượng phóng
điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung
hòa. Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục
làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số
đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa và chất khí chuyển sang trạng thái
plasma. Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm,
electron và các phân tử trung hòa.Thường được sử dụng trong đèn huỳnh quang,
ống phóng điện tử, tivi plasma.

Hình 7: Tia Plasma nhiệt độ thấp

+Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử
ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nhiệt. Khi nhiệt độ tăng dần, các
electron bị tách ra khỏi nguyên tử và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị
ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa mạnh, chỉ còn các hạt nhân và
các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.

SVTH: Lê Tấn Tài

11


Chương 1: Tổng quan về đề tài

CBHD: Nguyễn Văn Dũng

Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Để đơn
giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các
khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối
vẫn đứng yên. Plasma nhiệt độ cao có nhiệt độ lớn hơn 105 độ K, thường gặp các
máy cắt plasma, ở mặt trời và các ngôi sao, trong phản ứng nhiệt hạch....

Hình 8: Plasma nhiệt độ cao

1.3. Ứng dụng
Plasma lạnh:
Plasma được tạo ra trực tiếp trong môi trường nước nên quá trình xử lý
nhanh và hiệu quả. Plasma lạnh được sử dụng cho việc khử trùng nước nhằm tiêu
diệt các vi khuẩn (E. coli, S. aureus, Pseudomonas aeruginosa, Streptococcus
mutans, nấm men (Candida albicans), nấm (Aspergillus niger) và tảo xanh. Một
nghiên cứu plasma đã chứng minh rằng với các tia plasma sử dụng để diệt khuẩn thì
nồng độ E. coli trong nước giảm nhanh chóng. Đồng thời, nước được xử lý bằng
plasma có một “sức đề kháng” kéo dài với E. coli thậm chí vài giờ sau khi có tác
dụng plasma. Các tác dụng tiệt trùng của plasma lạnh có khả năng hoạt động trên cả
điện áp xoay chiều AC và một chiều DC.
Plasma lạnh còn được ứng dụng trong y học như một dạng "thuốc plasma"
cho các thiết bị phẫu thuật, giúp vết thương nhanh lành, khử trùng các bề mặt bệnh
và qua trình khử trùng được tiến hành ở áp suất khí quyển. Xử lý bằng plasma lạnh

SVTH: Lê Tấn Tài

12