Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu năng lượng siêu cao tần 2.45 GHz dùng cho hệ thống thu năng lượng ở khoảng cách gần

Tuy nhiên từ đó cho đến nay kết quả lý thuyết và thực nghiệm về truyền tải công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết và công

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

BỘ CHỈNH LƯU NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN

2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG

LƯỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

BỘ CHỈNH LƯU NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG

LƯỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

HÀ NỘI - 2015

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Bạch Gia Dương đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp cho em có những kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian được học tập và nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông, Đại Học Công Nghệ

Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã rất nhiệt tình giảng dạy và cho em những lời khuyên hữu ích trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện khóa luận có hạn, vốn kiến thức nắm được chưa nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế Em rất mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm2015

Học viên thực hiện

TÓM TẮT NỘI DUNG

Năng lượng không dây ngày càng trở nên phổ biến trong thế giới hiện đại, trong khi nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, các nguồn năng lượng khai thác truyền thống ngày càng giảm đi thì việc sử dụng năng lượng vũ trụ có thể trở thành cần thiết trong thời gian không xa Khi khai thác năng lượng vũ trụ đặt ra nhu cầu truyền năng lượng không dây về trái đất Hiện nay để truyền năng lượng không dây, thế giới đang tập trung vào hướng truyền năng lượng trên dải sóng siêu cao tần

Công nghệ thu năng lượng không dây sử dụng một thiết bị gọi là Rectenna, Rectenna bao gồmantenna thu, bộ phối hợp trở kháng giữa antennavà rectifier (bộ chỉnh lưu năng lượng siêu cao tần sang điện một chiều DC trong đó tín hiệu siêu cao tầnđược thu từ antenna)

Nguyên lý của hệ thống truyền năng lượng vũ trụ là năng lượng mặt trời qua hệ thống Solar Power Satellite sau đó truyền về trái đất bằng sóng siêu cao tần Tại nơi nhận, một antenna thu được đặt sau đó năng lượng siêu cao tần này được chuyển đổi thành điện năng để sử dụng

Hệ thống truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần có nhiều ứng dụng trong thực tế để truyền năng lượng điểm- điểm trong không gian, truyền năng lượng từ mặt đất lên không gian, truyền năng lượng giữa điểm phát và điểm thu trên mặt đất Khoảng cách truyền năng lượng trong các ứng dụng này được sử dụng sóng siêu cao tần, tần số 2.45 GHz Đối với truyền năng lượng không dây ở dải sóng siêu cao tần, có thể sử dụng tần số 5.3 GHzđể thu nhỏ kích thước của antenna nhưng hiệu suất truyền năng lượng thấp hơn khi sử dụng tần số 2.45 GHz

Hệ thống truyền năng lượng không dây theo nguyên lý nói trên có thể được áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ năng lượngmặt trời, cấp điện không dây cho các thiết bị dùng trong gia đình, sử dụng cho tivi, laptop, sạc không dây cho điện thoại, máy tính bảng v v.Ngoài ratruyền năng lượng không dây có thể ứng dụng cho đặc thù sử dụng năng lượng không dây, cấp điện không dây cho các thiết bịhoạt động trong các khu vực phức tạp không có khả năng cấp điện trực tiếp mà phải cấp điện không dây từ xa

Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền năng lượng không dây, luận văn tập trung nghiên cứu về công nghệ chỉnh lưu siêu cao tần với hiệu suất cao và nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu năng lượng

siêu cao tần hoạt động ở tần số 2.45 GHz sử dụng cho việc truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG

DÂY 7

1.1 Lịch sử phát triển 7

1.2 Truyền năng lượng không dây dùng sóng 2.45 GHz 11

1.3 Một số ưu điểm, nhược điểm 14

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CHỈNH LƯU VÀ HỆ THỐNG RECTENNA 16

2.1 Các kiến thức cơ bản 16

2.1.1 Chất bán dẫn 16

2.1.2 Diode bán dẫn 20

2.1.3 Các kỹ thuật chỉnh lưu 29

2.2 Cấu trúc của Rectenna 33

2.3 Phối hợp trở kháng trong Rectenna 34

2.3.1 Khái niệm chung 34

2.3.2 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng 35

2.4 Mạch lọc trong rectenna 35

2.4.1 Mạch lọc sau antenna 35

2.4.2 Mạch lọc sau khối chỉnh lưu 39

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƯU 2.45 GHZ 42

3.1 Yêu cầu thiết kế 42

3.2 Thiết kế bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng diode loại HSMS2820 43

3.2.1 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng mạch dải bằng phần mềm ADS 43 3.2.2 Thiết kế mạch chỉnh lưu bằng phần mềm ADS 44

3.2.3 Kết quả mô phỏng và đo kiểm 44

3.3 Thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp dùng diode loại HSMS2820 45

3.4 Thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp dùng Transistor siêu cao tần SGA9189z 47

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

Hình 2.11: Cấutạocủa Diode Schottky

Hình 2.12: Đặctrưng Volt Ampere của Diode Schottky

Hình 2.13: Đặctrưng Volt Ampere của Diode Zener

Hình 2.14: Đặctuyếnđiện dung theođiệnthếcủa diode biến dung

Hình 2.15: Đặctrưng Volt Ampere của diode hầm

Hình 3.7: Mạchchỉnhlưusaukhiđokiểm, tạohiệuứngsángđèn Led

Hình 3.8: Mạchđiệnthiếtkếdùng 2 diode vớibộlọc SAW

Hình 3.9: Kếtquảmôphỏngbộchỉnhlưubộiápvớibộlọc SAW

Hình 3.10: Sơđồthiếtkếbộchỉnhlưubộiápsửdụng SGA9189z

Hình 3.11: Kếtquảmôphỏngbộchỉnhlưubộiápsửdụng SGA9189z

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG

KHÔNG DÂY 1.1 Lịch sử phát triển

Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như Radio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông tin được biến điệu truyền đi mọi hướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì công suất và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, năng lượng chỉ truyền định hướng

Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên

lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tia công suất (powerbeam) ở dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến

cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất

Hình 1.1: Truyền năng lượng không dây từ vệ tinh đến Trái Đất

Về mặt lịch sử truyền năng lượng không dây được nghiên cứu triển khai rất sớm, cách đây khoảng 150 năm, bắt đầu từ các khái niệm và ý tưởng về truyền năng lượng

mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do Nicola Tesla khởi xướng Tuy nhiên

từ đó cho đến nay kết quả lý thuyết và thực nghiệm về truyền tải công suất không dây

đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết

và công nghệ mới phù hợp.Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lượng không dây qua các tháp cao ở New York, làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách

26 hải lý (cỡ 40 km), N.Tesla đã thu được một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực truyền thông không dây Một số nhà nghiên cứu đó đã truyển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm về truyền năng lượng không dây trường gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị như máy điện,ô tô, xe điện, máy tính, điện thoại di động …Doanh thu cho nạp điện không dây lên tới 1 tỷ USD Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, sau các nghiên cứu lý thuyết tường minh hơn, và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư và đạt được rất nhiều kết quả ấn tượng

Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm mạnh

từ những năm 1973, sau patent của Glasser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt đất

Từ đó đến nay đã có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật, Châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt

Theo suốt lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh đã thử áp dụng nhiều phương pháp truyền tín hiệu không dây, bao gồm cả phương pháp cảm ứng điện từ và truyền tín hiệu qua mặt đất Khởi đầu với điện từ học, trong quá trình nghiên cứu về lĩnh vực truyền tín hiệu không dây, hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành kể từ đầu thế kỷ

19 nhằm nghiên cứu sự liên quan giữa điện và từ tính dựa vào những dự đoán trước

đó Tiêu biểu là vào năm 1800, Alessandro Volta đã phát triển những phương pháp để tạo ra dòng điện Tiếp theo là Gian Domenico Romagnosi với nghiên cứu về sự liên quan giữa dòng điện và từ tính nhưng nghiên cứu của ông chưa được công nhận

Mãi đến năm 1829, Hans Christian Orsted đã đưa ra một thí nghiệm để chứng minh thuộc tính từ của dòng điện, đó là dòng điện chạy trong một cuộn dây làm chệch hướng của kim la bàn đặt gần Chính thí nghiệm của Orsted đã khơi mào cho André-Marie Ampère phát triển lý thuyết về điện từ và kế đó là Francesco Zantedeschi với

nghiên cứu về sự liên quan giữa ánh sáng, điện và từ trường

Năm 1831, Michael Faraday đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để chứng minh

sự tồn tại của hiện tượng cảm ứng điện từ Mối quan hệ này đã được ông xây dựng thành một mô hình toán học của định luật Faraday Theo đó, lực điện từ có thể lan toả

ra vùng không gian xung quanh các dây dẫn

Dựa trên các nghiên cứu trước đó, Joseph Henry đã thực hiện một thí nghiệm chứng minh được lực từ có thể tác động từ độ cao 61 m vào năm 1832 Ông cũng chính là người đầu tiên tạo ra dòng điện xoay chiều dao động với tần số cao Trong thí nghiệm, ông nhận ra rằng dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một lực dao động với tần số giảm dần cho đến khi nó trở về trạng thái cân bằng

Đến thuyết sóng điện từ, từ năm 1861 đến năm 1865, dựa trên những nghiên cứu của Faraday và các nhà khoa học khác, James Clerk Maxwell đã phát triển một học thuyết mang tên thuyết sóng điện từ được đăng tải trên tạp chí khoa học hoàng gia với tựa đề "thuyết động lực của điện trường" Ông chính là người thống nhất các khái niệm quan trọng của vật lý hiện đại là điện, từ trường và ánh sáng bằng 4 phương trình Maxwell nổi tiếng Sự ra đời của truyền sóng điện từ chính là nền tảng cho việc truyền thông tin không dây sau này đó chính là sóng radio

Quá trình phát triển liên quan tới truyền năng lượng không dây: Nikola Tesla là người phát minh ra radio, ông được coi là cha đẻ của truyền dẫn không dây Ông là một trong những người đầu tiên đưa ra ý tưởng truyền năng lượng không dây và ông

đã chứng minh cũng như rất tin tưởng vào việc truyền năng lượng điện không dây từ rất sớm vào năm 1891 Năm 1893 Nikola Tesla đã biểu diễn sự thắp sáng không dây cho các bóng đèn huỳnh quang tại triển lãm Chicago Tháp Wardenclyffe được ông thiết kế chủ yếu cho việc truyền năng lượng điện không dây hơn là truyền điện tín được trình bày trên hình 1.2 bên dưới

Năm 1904 một khinh khí cầu dạng mô tô bay đã được truyền năng lượng không dây với công suất khoảng 0,1 mã lực (75W) với khoảng cách truyền là 100 feet (30m) Năm 1961, Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lượng bằng sóng vi ba và năm 1964 ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lượng

từ chùm tia vi ba để bay ở tần số 2,45GHz trong dải tần dành cho các ứng dụng về công nghiệp, nghiên cứu khoa học và y tế, chúng ta gọi là băng tần ISM (Industry, Science, and Medical)

Việc thử nghiệm truyền không dây với công suất vài chục kW đã được thực hiện năm 1975 tại Goldstone ở California và năm 1997 ở Grand Bassin trên đảo Reunion Năm 2001, công ty Splashpower ở Anh đã sử dụng các cuộn dây cộng hưởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm cả đèn chiếu sáng, điện thoại di động, PDA, iPod, v.v

Năm 2004 phương thức truyền công suất cảm ứng đã được sử dụng khá rộng rãi cho nhiều công đoạn khác nhau, doanh thu đạt khoảng 1 tỷ USD đối với các lĩnh vực bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình plasma

Năm 2007 một nhóm nghiên cứu do giáo sư Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng lượng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% với khoảng cách 2m, sử dụng hai cuộn dây có đường kính 60cm, nhóm đã phát triển lý thuyết truyền năng lượng không dây tường minh hơn

Năm 2008 Intel đã lặp lại các thí nghiệm của Tesla trong năm 1894 và của giáo

sư John Boys trong năm 1988 bằng cách cấp điện không dây cho một bóng đèn ở cự ly gần với hiệu suất đạt 75%

Năm 2009 một tổ hợp mang tên tổ hợp công suất không dây tuyên bố họ đang hoàn thiện việc thiết lập chuẩn công nghiệp mới đối với quá trình nạp điện không dây bằng công nghệ cảm ứng với công suất thấp Cũng trong năm này một mô hình điện phân tích đơn giản về hệ thống truyền năng lượng cộng hưởng đã được đề nghị và áp dụng cho quá trình truyền năng lượng không dây cho một số loại thiết bị điện

Năm 2010 tập đoàn Haier biểu diễn TV với màn hình LCD hoàn toàn không dây đầu tiên trên thế giới tại hội chợ CES 2010 trên cơ sở các nghiên cứu của nhóm của giáo sư Marin Soljacic ở MIT về WPT và giao diện số không dây trong nhà

Việc triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm truyền năng lượng trên dải sóng 2.45 GHz có ý nghĩa rất cơ bản để mở ra hướng khai thác năng lượng vũ trụ truyền về trái đất

1.2 Truyền năng lƣợng không dây dùng sóng 2.45GHz

Trong những năm gần đây, trên thế giới đã có nhiều kết quả nghiên cứu và ứng công nghệ truyền năng lượng không dây trong khai thác năng lượng vũ trụ, truyền về trái đất Vấn đề đang được tập trung nghiên cứu là sử dụng sóng siêu cao tần để truyền năng lượng thay cho sử dụng chùm tia laser truyền năng lượng vì truyền năng lượng dùng sóng siêu cao cho hiệu suất cao hơn khi sử dụng chùm tia laser

 Truyền năng lượng cộng hưởng hoặc liên kết cảm ứng cộng hưởng

Là sự truyền năng lượng không dây trường gần giữa hai cuộn dây, chúng có tính cộng hưởng cao tại một tần số Biến thế cộng hưởng là thiết bị thường được dùng để thực hiện việc này Trong số nhiều biến thế cộng hưởng thì loại biến thế cộng hưởng này có hệ số phẩm chất Q cao và thường không dùng lõi sắt để loại trừ sự suy hao do lõi sắt gây ra Các cuộn dây trong biến thế cộng hưởng có thể nằm chung trong một khối cạnh nhau hoặc các cuộn dây nằm tách biệt ở hai khối thiết bị khác nhau

Truyền năng lượng cộng hưởng bằng cách cấp dòng điện cho một cuộn dây, dòng điện này tạo ra từ trường dao động, nếu chỉ có một cuộn dây thì năng lượng dao động sẽ phát ra không gian xung quanh và mất dần năng lượng sau một số chu kỳ dao động Thế nhưng nếu có một hoặc các cuộn dây khác ở gần hoặc cách xa một khoảng cách nào đó từ cuộn dây sơ cấp thì tại tần số cộng hưởng, các cuộn dây thứ cấp có thể lấy phần lớn năng lượng từ cuộn dây sơ cấp trước khi chúng bị suy hao Các trường xuất hiện nổi trội ở đây là trường gần không phát xạ với các sóng tắt dần

Năng lượng dao động sẽ truyền qua – lại giữa từ trường trong cuộn dây và điện trường qua tụ điện tại tần số cộng hưởng Theo lý thuyết trường gần, dao động có điện này sẽ tắt dần với một tốc độ xác định phụ thuộc vào hệ số phẩm chất Q Sự mất năng lượng chủ yếu do thế rơi trên điện trở và do phát xạ vào không gian, tuy nhiên nếu có một hay một số cuộn dây thứ cấp cắt ngang đường sức từ trường thì các cuộn này có khả năng hấp thụ phần năng lượng lớn hơn nhiều so với phần mất mát trong mỗi chu

kì

 Truyền năng lượng không dây dùng chùm tia vi ba

Là hệ thống bao gồm máy phát công suất đưa tới antenna có định hướng tốt, phát

năng lượng ra không gian Phía thu bao gồm antenna thu, bộ lọc, chỉnh lưu, lọc thông

thấp và đưa ra tải một chiều

Mô hình thunăng lượng ở khoảng cách gần được trình bày như hình.1.3, trong đó

trạm thu sử dụng thiết bị rectenna

Hình 1.3: Rectenna của trạm thu

Rectenna nhiều chấn tử antenna có thể có hai kiểu khác nhau trong đó, có thể thu

tín hiệu cao tần từ nhiều antenna khác nhau sau đó đưa tới một bộ chỉnh lưu và đưa ra

tải một chiều.Cách hai là tín hiệu thu trên các chấn tử antenna đưa đến các bộ chỉnh

lưu tương ứng và tổng hợp một chiều trên tải

Hình 1.4: Các kiểu chỉnh lưu siêu cao tần

Cấu trúc của bộ chỉnh lưu điển hình được trình bày như hình.1.5

Độ được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt

Một số khối thiết bị của vệ tinh năng lượng mặt trời:

- Khối thiết bị thu năng lượng mặt trời: Bao gồm hệ thống gương để hội tụ năng lượng mặt trời, và các panel pin mặt trời để cung cấp điện cho ma trận linh kiện vi

Không gian truyền dẫn năng lượng không dây (bầu không gian vũ trụ từ quỹ đạo

về mặt đất): Tần số (bước sóng) đối với công nghệ chùm tia vi ba là 2.45 GHz, hoặc

tần số 5.8 GHz

Hệ thống thiết bị anten thu:

Hệ thống thu chùm tia vi ba trên mặt đất là ma trận antenna thu tín hiệu vi ba và

bộ chỉnh lưu kết hợp với nhau, gọi là rectenna Tín hiệu vi ba được thu rồi chỉnh lưu bằng mạch chỉnh lưu dùng photodiodeSchottky Vì năng lượng phát ra từ quỹ đạo GEO thường có dạng hình nón, nên ở mặt đất cần có rectenna kích thước thích hợp mới thu nhận được hết năng lượng Thông thường năng lượng tập trung chủ yếu ở trung tâm ra phía ngoài, tại rìa antenna năng lượng bằng không

Về độ an toàn: Hệ SPS chùm tia vi ba có độ an toàn cao, mật độ công suất thấp

so với mức tác hại

Về mức độ phát triển và kết quả đạt được: Hệ SPS dùng chùm tia vi ba đang

được phát triển mạnh, dùng để truyền năng lượng từ GEO về và đã đạt được nhiều kết quả truyền được năng lượng cỡ KW trở lên Hệ này đang được đầu tư hàng tỷ USD trong rất nhiều dự án lớn, và trong thời gian tới sẽ nghiên cứu để tiến tới truyền từ GW- TW

1.3 Một số ƣu điểm, nhƣợc điểm

Năng lượng mặt trời vũ trụ có thể giải quyết vấn đề an ninh năng lượng toàn cầu bởi vì không giống như năng lượng mặt trời trên trái đất và năng lượng gió, năng lượng mặt trời vũ trụ có liên tục hàng ngày 24/24 giờ, với trữ lượng vô cùng lớn, nó có hiệu ứng bơm liên tục Hơn nữa, nó có thể cấp năng lượng cho bất cứ một khu vực nào trên mặt đất, cả vùng sâu vùng xa, không phụ thuộc các nguồn nước sạch để hoạt động, chỉ cần hướng antenna phát về vị trí đặt antenna thu ở nơi mong muốn sử dụng

Vì vậy năng lượng mặt trời vũ trụ là nguồn ổn định lâu dài, cung cấp trực tiếp cho mọi dân tộc, không phụ thuộc sở hữu của quốc gia nào

Đồng thời, năng lượng mặt trời vũ trụ không gây ra các khí có hiệu ứng nhà kính, không ảnh hưởng nhiều đến biến đổi khí hậu và không tạo ra phế thải độc hại cần phải chôn cất (như năng lượng hạt nhân), vì vậy nó không thể là mục tiêu cho bọn khủng

bố Ngoài ra, hệ thống SPS yêu cầu diện tích nhỏ hơn khoảng 1/5 lần so với hệ thống năng lượng mặt trời trên mặt đất khi cho cùng công suất

Tuy nhiên, kích thước và trọng lượng vệ tinh SPS hiện nay còn rất lớn nên giá thành phóng tên lửa đưa vệ tinh lên quỹ đạo khá cao Giá thành để đưa lên quỹ đạo LEO cần giảm vào khoảng 400 - 500 USD/kg

Mặc dù có những khó khăn, thách thức rất lớn cả về kỹ thuật, tài chính, song để đảm bảo an ninh năng lượng, chính phủ các nước, các tập đoàn lớn trên thế giới (như NASA (Mỹ), BOEING (Mỹ), NASDA (Nhật Bản), Châu Âu ) vẫn có những đầu tư hàng chục tỷ USD cho các dự án nghiên cứu, thí điểm và đưa ra những chiến lược có tính dài hạn

Các nhà khoa học cũng đặt mục tiêu trước mắt là nghiên cứu và phát triển những công nghệ mới về khoa học vũ trụ có thể chế tạo được SPS, hệ thống rectenna và đưa được SPS lên quỹ đạo, duy trì hoạt động của chúng trong vài chục năm, và phấn đấu đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ thành điện năng trên 50%

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CHỈNH LƯU VÀ HỆ

THỐNG RECTENNA 2.1 Các kiến thức cơ bản

 Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể

Trong mạng tinh thể của chất rắn, tùy theo các mức năng lượng mà các điện tử có thể chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt ba vùng năng lượng khácnhau:

Vùng hóa trị (vùng đầy): Tất cả các mức năng lượng đều đã bị điện tử chiếm chỗ,

không có mức năng lượng tự do

Vùng dẫn (vùng trống): Các mức năng lượng đều còn trống hoặc có thể bị chiếm

chỗ một phần

Vùng cấm: Trong đó không tồn tại mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm

chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0

Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 vùng, xét theo tính chất dẫn điện của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 00K) thể hiện trên hình sau:

Hình 2.1: Phân loại vật rắn theocấu trúcvùng năng lượng

Trong đó: a) Chất cách điện Eg >2eV

b) Chất bán dẫn điện 0 < Eg ≤ 2eV c) Chất dẫn điện

Để tạo dòng điện trong chất rắn cần phải thực hiện 2 quá trình: Quá trình tạo hạt dẫn tự do nhờ năng lượng kích thích và Quá trình chuyển động có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường

 Chất bán dẫn thuần

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Ge và Si có năng lượng vùng cấm: Eg(Ge)=0,72eV và Eg(Si)=1,12eV, thuộc nhóm IV trong hệ thống tuần hoàn Trong mạng tinh thể, các nguyên tử Ge (Si) liên kết với nhau theo kiểu cộng hóa trị (các nguyên tử đưa ra các electron hóa trị liên kết với các nguyên tử xung quanh)

Chất bán dẫn thuần thực chất không phải là một chất cách điện tốt và cũng không phải là một chất dẫn điện tốt Tại nhiệt độ phòng, độ dẫn điện của Si bằng khoảng 10 lần độ dẫn điện của một vật dẫn kim loại và bằng khoảng 1014 lần so với một chất cách điện tốt Tuy nhiên có thể tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần bằng cách đốt nóng hoặc chiếu sáng tinh thể bán dẫn để tăng số lượng hạt dẫn

Khi được một nguồn năng lượng bên ngoài kích thích, xảy ra hiện tượng ion hóa các nguyên tử nút mạng và sinh ra từng cặp hạt dẫn tự do: điện tử và lỗ trống Điều này tương đương với sự dịch chuyển của một điện tử từ 1 mức năng lượng trong vùng hóa trị lên 1 mức năng lượng trong vùng dẫn và đồng thời để lại 1 mức năng lượng tự

do trong vùng hóa trị được gọi là lỗ trống Các hạt dẫn tự do này dưới tác dụng của điện trường ngoài hoặc do sự chênh lệch về nồng độ có khả năng dịch chuyển có hướng trong mạng tinh thể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn

Một đặc điểm quan trọng trong chất bán dẫn đó là điện tử không phải là hạt mang điện duy nhất mà lỗ trống cũng được coi là hạt mang điện nên dòng điện trong chất bán dẫn luôn gồm hai thành phần do sự chuyển dời có hướng của điện tử và lỗ trống Trong chất bán dẫn thuần, mật độ của điện tử và lỗ trống là bằng nhau

Hình 2.2: Cơ chế phát sinh cặp hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần

 Chất bán dẫn pha tạp

Loại n: Tiến hành pha các nguyên tử thuộc nhóm 5 trong bảng tuần hoàn

(Antimony hoặc Phosphorus) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần nhờ công nghệ

với các nguyên tử chất bán dẫn thuần trong mạng tinh thể sẽ thừa một điện tử hóa trị, liên kết yếu với hạt nhân và dễ dàng bị ion hóa nhờ 1 nguồn năng lượng yếu, tách khỏi hạt nhân và trở thành electron tự do và tạo nên ion dương tạp chất bất động

Hình 2.3: Chất bán dẫn pha tạp loại n

Loại p:Tiến hành pha tạp chất thuộc nhóm 3 trong bảng tuần hoàn (Boron hoặc

Aluminum) vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuần với nồng độ cao Nguyên tử tạp chất khi liên kết với các nguyên tử chất bán dẫn thuần trong mạng tinh thể sẽ thiếu một điện tử hóa trị nên 1 liên kết bị khuyết và được gọi là lỗ trống dễ dàng nhận điện tử, và khi đó nguyên tử tạp chất bị ion hóa tạo nên ion âm tạp chất bất động đồng thời phát sinh lỗ trống tự do Mức năng lượng tạp chất loại p hay loại nhận điện tử (acceptor) nằm trong vùng cấm sát đỉnh vùng hóa trị

Hình 2.4: Chất bán dẫn pha tạp loại p

 Tiếp giáp Jp-n khi có điện trường ngoài

Phân cực thuận:

Điện trường ngoài Eng tập trung chủ yếu trong miền điện tích không gian có chiều ngược chiều với Etx (cực dương → p và cực âm → n) Theo nguyên lý xếp chồng, điện trường tổng theo vector Et = Etx + Eng hay về giá trị Et = Etx - Eng Vậy cường độ điện trường tổng Et< Etx, độ rộng miền nghèo giảm, làm tăng chuyển động khuếch tán của hạt dẫn đa số, hay cường độ dòng điện Ikt tăng, cường độ dòng điện trôi Itrôi giảm Người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt dẫn đa số qua tiếp giáp Jp-n và trường hợp này

được gọi là phân cực thuận cho chuyển tiếp p-n (Thường điện áp phân cực thuận nhỏ

hơn điện áp tiếp xúc hay hàng rào thế)

Hình 2.5: Phân cực thuận cho J p-n

Hình 2.6: Phân cực ngược cho J p-n

 Khái niệm

Diode bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện

đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các

chất bán dẫn

Hình2.7: Cấutạocủa diode

 Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến Volt Ampere

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm)

từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó), điện áp tiếp xúc hình thành

Sự tích điện âm bên khối p và dương bên khối n hình thành một điện áp gọi là điện

áp tiếp xúc (UTX) Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối p nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc Lúc này ta nói tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với

diode làm bằng bán dẫn Ge Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thườngxảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài Đây là cốt lõi hoạt động của diode.Điệp áp ngoài cùng chiều điện

áp tiếp xúc ngăn dòng điện

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử

và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử

và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do Nói cách khác diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định

Hình 2.8: Đặc tuyến Volt Ampere của diode bán dẫn

 Phân cực của diode

Phân cực thuận:(UAK>0)

Ban đầu, khi điện áp UAKvẫn còn nhỏ dòng IDtăng theo hàm số mũ của điệnáp,

Is(T) là dòng ngược bão hòa, phụ thuộc vào nồng độ của hạt dẫn thiểu số tại trạng thái cân bằng, phụ thuộc vào bản chất cấu tạo của chất bán dẫn pha tạp và do đó phụ thuộc vào nhiệt độ

UT: Thế nhiệt (Thermal Voltage) ~ 26 mV

m: hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế

Nếu UAK>0,1V, hàm quan hệ giữa IDvàUAK:

Tuy nhiên với giá trị UAKđủ lớn thì quan hệ giữa dòng IDvà điện áp UAKkhông theo phương trình trên Khi UAKđạt giá trị bằng điện áp ngưỡng Uthdiode dẫn mạnh,

dòng I Dtăng mạnh, tiếp giáp p-n được coi là điện trở thuần có giá trị rấtnhỏ

Phân cực ngược:(UAK< 0)

Khi điện áp phân cực ngược, UAKcòn nhỏ, dòng ID quan hệ với điện áp UAK theo phương trình (3)

Khi UAK> 0,1V có thể biểu diễn

Vậy trong trường hợp phân cực thuận dòng I Dcó giá trị lớn do sự phun hạt dẫn đa

số qua tiếp giáp p-n, ngược lại trong trường hợp phân cực ngược

dòngquadiodechỉlàdòngngượcbãohòaI scógiátrịrấtnhỏ.Điềunày thể hiện tính chất van một chiều củadiode

Hình 2.9: Phân cực ngược cho diode

Vùng đánh thủng:(UAK< 0 và UAK đủ lớn)

Khi điện áp phân cực ngược đủ lớn đạt được giá trị điện áp đánh thủng (UBR), dòng ID tăng đột ngột nhưng điện áp UAK không tăng Khi đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng và diode mất tính chất van Có hai hiện tượng đánh thủng chính: Đánh thủng vì nhiệt và đánh thủng vì điện

Đánh thủng vì nhiệt: Do các hạt dẫn thiểu số được gia tốc trong điện trường mạnh

nên va chạm với các nguyên tử nút mạng làm cho nhiệt độ tại miền tiếp xúc tăng, làm phát sinh cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống Số hạt dẫn mới được phát sinh tiếp tục va chạm với các nguyên tử nút mạng, càng làm nhiệt độ tăng và số lượng hạt dẫn tăng một cách đột ngột, cường độ dòng ngược tăng đột biến và làm phá hỏng tiếp giáp p-n

Đánh thủng vì điện: Theo hai cơ chế là cơ chế thác lũ và cơ chế xuyên hầm

(Tunnel hay Zener)

Cơ chế đánh thủng thác lũ: Do các hạt thiểu số được gia tốc trong điện trường

mạnh va chạm với các nguyên tử nút mạng, cung cấp năng lượng cho các electron hóa trị có thể bứt ra khỏi hạt nhân trở thành electron tự do, hiện tượng ion hóa nguyên tử này được gọi là hiện tượng ion hóa do va chạm, làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống tự do Và các hạt dẫn mới được phát sinh tiếp tục được gia tốc trong điện trường mạnh và ion hóa các nguyên tử khác khi đó số hạt dẫn trong miền điện tích không gian tăng lên đột ngột như “thác lũ” làm cho điện trở suất giảm và cường độ dòng ngược tăng đột biến, chuyển tiếp p-n bị đánh thủng Trong hầu hết các chuyển tiếp p-n, đánh thủng theo cơ chế thác lũ luôn chiếm ưu thế

Cơ chế đánh thủng xuyên hầm: Cường độ điện trường mạnh cũng cung cấp năng

lượng cho các electron hóa trị của nguyên tử chất bán dẫn thuần để có thể bứt ra khỏi hạt nhân trở thành electron tự do Hiện tượng ion hóa này được gọi là ion hóa do điện trường Nếu cường độ điện trường ngược đủ lớn làm số lượng các hạt dẫn tăng lên một cách đáng kể hay cường độ dòng điện ngược tăng đột ngột và tiếp giáp p-n bị đánh thủng Có thể hình dung trong cơ chế đánh thủng xuyên hầm các electron tự do từ vùng hóa trị của miền p dịch chuyển xuyên qua độ rộng đường hầm sang vùng dẫn của miền

n

 Một số diode thông dụng

Diode chỉnh lưu

Là diode thông dụng nhất, dùng để đổi điện xoay chiều – thường là điện thế 50Hz đến 60Hz sang điện thế một chiều Diode này tùy loại có thể chịu đựng được dòng từ vài trăm mA đến loại công suất cao có thể chịu được đến vài trăm A Diode chỉnh lưu chủ yếu là loại Si Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của diode chỉnh lưu là dòng thuận tối

đa và điện áp ngược tối đa (điện áp sụp đổ) Hai đặc tính này do nhà sản xuất cho biết

Hình 2.11: Cấu tạo của Diode Schottky

Ta thấy trong diode Schottky, thường người ta dùng nhôm để thay thế chất bán dẫn loại p và chất bán dẫn loại n là Si Do nhôm là một kim loại nên rào điện thế trong diode Schottky giảm nhỏ nên điện thế ngưỡng của diode Schottky khoảng 0,2V đến 0,3V Để ý là diode Schottky có điện thế bão hoà ngược lớn hơn diode Si và điện thế sụp đổ cũngnhỏ hơn diodeSi