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