Đang tải... (xem toàn văn)
tài liệu hướng dẫn chế tạo mạch sạc pin lithium ion sử dụng nguồn 220VAC. Trong tài liệu có giới thiệu tổng quan về pin lithium ion, các đặc tính của pin, cách sạc pin và thiết kế một mạch sạc pin có khả năng tự động ngắt khi sạc đầy. Các bạn có nhu lầu làm mạch thật có thể liên hệ với mình qua email nhé.
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Sĩ Hồng Lớp: Điểm: 9,5 Hà Nội, năm 2023 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT I Tổng quan pin Li-Ion II Cấu tạo pin Lithium ion III Nguyên lý hoạt động pin Lithium ion IV Tổng quan trình sạc pin Lithium-ion V Pin 18650 Thông số kỹ thuật Pin 18650 10 CHƯƠNG II THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN TỰ ĐỘNG 12 I Sơ đồ khối mạch 12 Máy biến áp (khối 1) 12 Mạch chỉnh lưu (khối 2) 13 Mạch lọc (khối 3) .14 Mạch ổn áp (khối 4) 15 Bộ điều chỉnh tự động đóng ngắt mạch sạc pin (khối 5) 16 II GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỰA CHỌN CÁC LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TRONG MẠCH 16 Điện trở .16 Biến trở .16 Tụ điện 17 Diode 17 LED .19 IC LM7805 19 IC TP4056 20 Sơ đồ mạch sạc pin 3.7 V tự ngắt .25 Cách hoạt động mạch 25 III Mạch thật .27 KẾT LUẬN .28 TÀI LIỆU THAM KHẢO .29 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo pin lithium-ion Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động pin Lithium-ion Hình 1.3 Quy trình sạc pin li-ion Hình 1.4 Pin cell 18650 3000mAh Hình 1.5 Tổng quan Pin 18650 Hình 2.1 Tín hiệu hình sin Hình 2.2 Kí hiệu máy biến áp Hình 2.3 Các loại biến áp Hình 2.4 Mạch chỉnh lưu chu kỳ Hình 2.5 Mạch lọc Hình 2.6 Mạch ổn áp dùng IC LM7805 Hình 2.7 Ký hiệu hình dạng điện trở Hình 2.8 Ký hiệu hình dạng biến trở Hình 2.9 Biến trở Hình 2.10 Ký hiệu hình dạng tụ điện Hình2.11 Cấu tạo diode Hình 2.12 Hình dạng diode thực tế Hình 2.13 Kí hiệu diode mạch ngun lí Hình2.14 Đèn LED Hình 2.15 Sơ đồ chân IC LM7805 Hình 2.16 Sơ đồ chân IC TP4056 Hình 2.17 Sơ đồ mạch hiển thị liên kết pin với IC TP4056 Hình 2.18 Sơ đồ mạch báo liên kết đèn LED với TP4056 LỜI MỞ ĐẦU Đất nước ta bước đường cơng nghiệp hố đại hóa đất nước Nước ta nước phát triển dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật đại Ngày công nghiệp, mạch điều khiển người ta thường dùng kỹ thuật số với chương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số luật điều khiển Nó làm tăng tốc độ tác động nhanh có độ xác cao cho hệ thống Như làm chuẩn hố hệ thống truyền động điện điều khiển tự động đại có đặc tính làm việc khác Trong ứng dụng việc áp dụng vào mạch sạc pin tự động sử dụng rộng rãi có đặc tính ưu việt, ảnh hưởng lớn tới dung lượng độ bền ắc quy Trên sở kiến thức học hướng dẫn thầy Hoàng Sĩ Hồng, em xin trình bày đồ án II với đề tài: “Thiết kế mạch sạc pin chuột không dây” Do số hạn chế nên này, em làm phần mạch sạc cho pin Em xin chân thành cảm ơn GVHD TS Hoàng Sĩ Hồng tận tình hướng dẫn để em hồn thiện đồ án CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT I Tổng quan pin Li-Ion Ra mắt thị trường lần đầu vào năm 1991, Li-Ion (Lithium-Ion) loại pin dùng phổ biến thiết bị điện tử (như laptop, smartphone, tablet, sạc dự phòng ), y tế, xe điện, hàng khơng, qn đội, Là loại pin sạc sạc lại nhiều lần, Li-Ion phổ biến nhờ ưu điểm mật độ lượng lớn (dung lượng lớn kích thước pin nhỏ), bị tự xả (giữ lượng lâu), thân thiện môi trường, công nghệ cũ Li-Ion hoạt động nguyên tắc trao đổi ion Li điện cực để sạc, xả điện sử dụng dung dịch điện ly làm môi trường Việc nhà sản xuất pin sử dụng chất liệu cho đầu cực (Niken, Graphite, Silicon, ) dung dịch điện ly có ảnh hưởng đến hiệu năng, số lần sạc, độ an tồn, kích thước pin, chi phí, II Cấu tạo pin Lithium ion Cấu tạo pin lithium ion bao gồm: cực dương, cực âm, phân tách, chất điện phân hai thu dịng điện Hình 1.1 Cấu tạo pin lithium-ion - Điện cực dương (Cathode): Vật liệu dùng làm điện cực dương LicoO2 LiMnO4 Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium Khi có dịng điện chạy qua, ngun tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+ - Điện cực âm (Anode): Cực âm cấu tạo từ Than chì (graphene) vật liệu Cacbon khác có chức lưu giữ ion Lithium L+ tinh thể - Bộ phân tách: Bộ phân tách hay gọi màng ngăn cách điện làm nhựa PE PP Bộ phận nằm cực dương cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức ngăn cách cực dương cực âm Tuy nhiên, ion Li+ qua - Chất điện phân: Chất điện phân chất lỏng lấp đầy hai cực màng ngăn Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 dung mơi hữu Dung dịch có chức vật dẫn ion Li+ từ. Chất điện phân môi trường truyền ion lithium điện cực trình sạc xả pin Nguyên tắc dung dịch điện ly cho pin li-on có độ dẫn ion tốt Cụ thể độ dẫn ion liti mức 1-2 S/cm nhiệt độ phòng Tăng 30-40% nhiệt độ lên 40 độ giảm nhẹ nhiệt độ xuống độ C III Nguyên lý hoạt động pin Lithium ion Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động pin Lithium-ion Trong chế hoạt động pin lithium ion, cực âm, cực dương đóng vai trị ngun liệu phản ứng điện hóa Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển điện cực âm dương Dịng điện chạy mạch ngồi pin di chuyển Quá trình thể quy trình sạc, xả Cụ thể sau: - Quy trình xả: Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương dương cực có phản ứng với ion liti Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương pin mạch ngồi, lại tiếp tục có electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm Điều tạo cân điện tích cực - Quy trình sạc: Quá trình sạc diễn ngược lại trình xả Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở điện cực âm pin (ở quy trình đóng vai trị cực dương) Trong q trình sạc xả pin đảo chiều. Trong chu kỳ phóng điện, nguyên tử liti cực dương bị ion hóa tách khỏi điện tử chúng Các ion liti di chuyển từ cực dương qua chất điện phân chúng đến cực âm Tại chúng tái kết hợp với điện tử trung hòa điện IV Tổng quan trình sạc pin Lithium-ion - Sạc ổn dịng: Trong q trình sạc ổn dịng, dịng điện giữ khơng đổi, thơng thường C/2-C (trong đó, C dung lượng [Ah] ắc quy) Dòng điện sạc lớn, q trình sạc ổn dịng ngắn trình sạc ổn áp dài; vậy, tổng thời gian sạc giai đoạn thường không 3h Đồng thời, dòng điện lớn làm tăng nhiệt độ pin Trong trình sạc cần theo dõi nhiệt độ sát nhiệt độ cao làm cho ắc quy bốc cháy phát nổ Hình 1.3 Quy trình sạc pin li-ion - Sạc ổn áp: Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường giữ không đổi 4,2V/cell Do dung lượng pin phục hồi dần, sức điện động tăng lên làm cho dịng điện giảm dần Khi dòng điện giảm nhỏ 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc Lúc này, dung lượng pin đạt khoảng 99% Trong q trình sạc ổn dịng, điện áp đầu cực ắc quy tăng dần Khi điện áp đạt sức điện động pin lúc đầy, sạc kết thúc trình sạc ổn dịng chuyển sạc chế độ sạc ổn áp Tồn thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng lại ban đầu pin) Kết thúc trình sạc ổn dòng, dung lượng pin phục hồi khoảng 70% V Pin 18650 Pin 18650 loại pin lithium-ion sạc lại, chuyên sử dụng cho thiết bị cầm tay Kích thước loại pin 18x65mm Hiện có nhiều thương hiệu lớn sản xuất loại pin đánh giá cao Đồng thời pin 18650 trở thành loại pin tiêu chuẩn cho dịng pin thay sạc lại Hình 1.4 Pin cell 18650 3000mAh Dung lượng loại pin dao động từ 1800 – 3500mAh Pin 18650 sử dụng phổ bến thiết bị cầm tay như: Pin sạc dự phòng, máy khoan, máy cắt, quạt cầm tay, đèn pin, pin laptop, pin xem đạp điện xe máy điện, … Chúng có ưu điểm nhỏ gọn, thời gian sử dụng lâu dài, ghép thành điện áp cao, quan trọng an tồn với người dùng Hình 1.5 Tổng quan Pin 18650 Thông số kỹ thuật Pin 18650 - Điện áp Pin 10 Hình 2.5 Mạch lọc mạch ổn áp Mạch ổn áp (khối 4) Mạch ổn áp giúp ổn định điện áp cung cấp cho tải tiêu thụ điện áp đầu vào thay đổi Sử dụng IC LM7805 để chuyển điện áp đầu vào 15V thành điện áp có mức 5V Tụ C3 có chức lọc nhiễu tần số cao Hình 2.6 Mạch ổn áp dùng IC LM7805 15 Bộ điều chỉnh tự động đóng ngắt mạch sạc pin (khối 5) Sử dụng IC TP4056 IC cung cấp đủ dòng điện điện áp sạc cho pin Li-ion 3.7 V, tự động cắt dịng sạc pin sạc đầy II GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỰA CHỌN CÁC LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TRONG MẠCH Điện trở Điện trở linh kiện thụ động thiếu mạch điện điện tử, chúng có tác dụng cản trở dịng điện , tạo sụt áp để thực chức theo ý muốn Điện trở dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, tiết diện độ dài dây dẫn Hình dáng ký hiệu: Trong thực tế điện trở loại linh kiện điện tử không phân cực, linh kiện quan trọng mạch điện tử, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại pha theo tỷ lệ mà tạo điện trở có trị số khác Hình 2.7 Ký hiệu hình dạng điện trở Biến trở Biến trở dạng đặc biệt điện trở có cơng dụng tương tự điện trở thong thường Nhưng thay đổi gía trị điện trở, qua thay đổi điện áp dịng điện biến trở Hình 2.8 Ký hiệu hình dạng biến trở Biến trở cịn gọi triết áp cấu tạo gồm điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung góc quay 270 độ Có trục xoay nối với trượt làm than cho biến trở dây quấn (hay làm kim loại cho biến trở than) Con trượt ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở quay trục 16 Hình 2.9 Biến trở Tụ điện Tụ điện linh kiện thụ động sử dụng rộng rãi mạch điện tử, sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu mạch truyền phát tín hiệu, mạch dao động… Tụ điện linh kiện dùng để cản trở dịng điện xoay chiều ngăn khơng cho dịng điện chiều qua , tụ điện cịn có khả phóng nạp cần thiết Hình 2.10 Ký hiệu hình dạng tụ điện Diode Được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn tiếp xúc Diode có hai cực Anot (A) Katot (K) Nó cho dịng chiều từ A sang K coi van chiều mạch điện ứng dụng rộng rãi máy thu thu hình, mạch chỉnh lưu, ổn định điện áp 17 Hình2.11 Cấu tạo diode Hình 2.12 Hình dạng diode thực tế Hình 2.13 Kí hiệu diode mạch nguyên lí Nguyên tắc hoạt động diode: cho dòng chiều từ A đến K khơng cho dịng chạy ngược lại 18 LED LED viết tắt Light Emitting Diode (điốt phát quang), diode có khả phát ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống điốt, LED cấu tạo từ khối bán dẫn loại P ghép với khối bán dẫn loại N Tính chất: Tùy theo mức lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát khác (tức màu sắc LED khác nhau) Mức lượng (và màu sắc LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc lượng nguyên tử chất bán dẫn LED thường có điện phân cực thuận cao điốt thông thường, khoảng 1,5V đến 3V Nhưng điện phân cực nghịch LED khơng cao Do đó, LED dễ bị hư hỏng điện ngược gây Chúng có tác dụng hiển thị điện áp DC hoac AC (tức báo có dịng ra) Hình2.14 Đèn LED Bảng 2.1 Các loại đèn LED Loại LED Đỏ Vàng Xanh Điện phân cực 1,4 – 1.8V – 2,5 V – 2,8V IC LM7805 IC 7805 loại IC điều chế điện áp DC dương ngõ IC ln có mức điện áp dương so với mức điện áp nối mass (GND) LM7805 thiết kế bao gồm chân: - Chân thứ để cấp điện áp DC đầu vào 19 - Chân thứ chân để đấu với mass (chân GND) Chân thứ chân ngõ điện áp 5V (với điều kiện điện áp đầu vào lớn 5V) Hình2.15 Sơ đồ chân IC LM7805 IC TP4056 TP4056 vi mạch thiết kế đặc biệt để sạc pin Li-ion 3,7 V Đây điều khiển sạc pin tuyến tính với dịng điện khơng đổi điện áp không đổi Bằng cách thêm điện trở để điều chỉnh, IC hồn tồn sử dụng để sạc pin Li-ion 3.7 V Điện áp sạc cố định mức 4,2 V dịng điện sạc thiết lập cách thêm số điện trở tụ điện theo pin cần sạc IC hồn tồn cung cấp dòng sạc tối đa 1A IC cung cấp khả bảo vệ nhiệt, hạn chế dòng điện dịng điện tích âm Khi pin sạc đầy sạc TP4056 cắt dịng điện Vì có khả dịng điện chạy từ pin đến IC TP4056 pin mức điện áp cao Do đó, khơng cần thêm điốt zener Khi pin sạc đầy, IC ngắt dòng điện sạc để giúp pin khơng bị hư hỏng IC TP4056 có kiểu SOP, lý tưởng để sử dụng thiết bị di động Nó u cầu linh phụ kiện bên ngồi hơn, khơng có khác ngồi vài điện trở tụ điện IC cần điện áp tối thiểu V đến V để hoạt động IC có chân với thông số kỹ thuật chân sau: 20