đồ án tương tự : Mạch nạp ăc quy tự động ngắt

đề tài thiết kế mạch nạp ac quy tự động ngắt khi đầy và tiếp tục nạp khi hết, đề tài thiết kế mạch nạp ac quy tự động ngắt khi đầy và tiếp tục nạp khi hết, đề tài thiết kế mạch nạp ac quy tự động ngắt khi đầy và tiếp tục nạp khi hết, đề tài thiết kế mạch nạp ac quy tự động ngắt khi đầy và tiếp tục nạp khi hết,

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Phương pháp nghiên cứu 3

1.1.1 Phạm vi nghiên cứu 3

1.1.2 Đối tượng nghiên cứu 3

1.1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.2 Sơ đồ khối thiết kế 3

1.2.1 Sơ đồ khối 3

1.2.2 Cấu tạo và chức năng của từng khối trong mạch 4

a) Khối biến áp 4

b) Khối mạch chỉnh lưu 6

c) Bộ lọc 8

d) Mạch ổn áp 11

e) Bộ so sánh 16

f) Khối điều khiển 17

g) Rơ lay 19

h) Ắc quy 20

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, LẮP RÁP VÀ KHẢO SÁT MẠCH 21

2.1 Sơ đồ nguyên lý 21

2.2 Thiết kế sơ đồ mạch 23

2.4 Thi công mạch 23

2.5 Khảo sát 26

KẾT LUẬN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay nước ta đang đi trên con đường công nghiệp hóa- hiện đại hóa vàtiến bộ khoa học kỹ thuật đã và đang đổi mới các phần tử, các mạch điều khiểnđược áp dụng rộng rãi vào trong công nghiệp và đời sống, với xu thế phát trểncủa khoa học hiện nay là ứng dụng khoa học kỹ thuật điện tử, kĩ thuật tinhọc….trong công nghiệp Ngoài ra các mạch điều khiển người ta thường dùng kĩthuật số với phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi cấu trúc tham sốhoặc các luật điều khiển Nó làm tăng tốc độ tác động nhanh và có độ chính xáccao cho hệ thống Như vậy nó làm chuẩn hóa các hệ thống truyền động điện vàcác điều khiển tự động hiện đại và có những đặc tính khác nhau Trong nhữngứng dụng đó thì việc áp dụng vào mạch nạp ắc quy tự ngắt đang được sử dụngrộng rãi Bởi ắc quy là nguồn cấp điện một chiều cho các thiết bị trong côngnghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày, cung cấp nguồn điện một chiều chocác nơi chưa có nguồn điện lưới như chiếu sáng, tivi, thông tin liên lạc… điềukhiển đo lường, cung cấp cho các thiết bị trên gian khoan ngoài biển… Chính vìvậy, việc nghiên cứu chế tạo ắc quy và nguồn nạp ắc quy là hết sức cần thiết, nóảnh hưởng rất lớn tới dung lượng và độ bền của ắc quy

Dưới đây nhóm chúng em xin trình bày chi tiết toàn bộ nội dung của đồ ántương tự với đề tài : “mạch nạp ắc quy tự động ”

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của giảng viên

Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đã giúp cho chúng em hoàn thành tốt đồ án này Tuy

nhiên do kiến thức và thời gian có hạn nên đồ án của chúng em không thể tránhkhỏi những sai sót trong quá trình thực hiện và trình bày, vì vậy chúng em rấtmong sự chỉ dạy và giúp đỡ của các thầy cô cùng các bạn để chúng em có thểhoàn thiện tốt hơn

1.1.2 Đối tượng nghiên cứu

b) Thực hành

Sau khi có cơ sở lý thuyết, ta tiến hành mô phỏng mạch theo sơ đồ khối đã

vẽ Kiểm tra kết quả mô phỏng so với tính toán Nếu đúng tiếp tục tiến hành vẽmạch rồi tiến hành thi công mạch Sau khi hoàn thành các bước ta có được sảnphẩm mạch hoàn chỉnh, tiến hành chạy thử thực tế với nguồn điện và ắc quy đểkiểm tra hiệu suất làm việc của mạch so với lý thuyết

1.2 Sơ đồ khối thiết kế

1.2.1 Sơ đồ khối

Mạch chỉnh lưu Bộ lọc

Khối điều khiển ngắt

Khối

so sánh Ăc Quy

Ổn ápBiến áp

Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch nạp ăc quy tự động

1.2.2 Cấu tạo và chức năng của từng khối trong mạch

a) Khối biến áp

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứngđiện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫngiữ nguyên tần số

Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện được gọi là sơ cấp Đầu ra nốivới tải gọi là thứ cấp

Phương trình điện áp vào, ra khỏi máy biến áp có dạng hình sin:

Hình 1.2 Tín hiệu hình sin của phương trình điện áp

- Cấu tạo của máy biến áp gồm 2 bộ phận chính: lõi thép và dây quấn

Lõi thép: dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vậtliệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện Lõi thép gồm 2 bộ phận: trụ vàgông Hai bộ phận này tạo thành mạch từ khép kín Để giảm dòng điện xoáytrong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện(dày 0.35mm đến 0.5mm haimặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau thành lõi thép

Dây quấn: thường được chế tạo bằng dây đồng ( hoặc nhôm), có tiết diệntròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện Dây quấn gồm nhiềuvòng dây và lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cáchđiện với nhau và các dây quấn có cách điện với lõi thép Máy biến áp thường cóhai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấnthấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài Làm như vậy sẽ giảmđược vật liệu cách điện

Hình 1.3 Ký hiệu của máy biến áp.

- Nguyên tắc hoạt động:

Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:

+) Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từtrường)

+) Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điệnthế cảm ứng (cảm ứng điện)

Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối vớihiệu điện thế sơ cấp, và 1 từ trường biến thiên trong lõi sắt Từtrường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệuđiện thế thứ cấp Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổiđược hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường Sự biến đổi này

có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt

- Các đại lượng trong nguyên lý bíên đổi điện áp của máy biến áp

Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và nguyên lýtạo điện áp ra dựa trên công thức:

Trong đó: U1, I1: là điện áp và dòng điện vào cuộn sơ cấp

U2, I2: là điện áp và dòng điện ra ở cuộn thứ cấp

N1, N2: là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

Hình 1.5 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ.

- Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

Sơ đồ của mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ được biểu diễn trên hình 1.5.Biến áp nguồn biến đổi điện áp mạng điện lưới U1 (110 hoặc 220 V) thành haiđiện áp hình sin U21 và U22 đối xứng và ngược pha nhau Ở nửa chu kỳ dương( U21 > 0, U22 < 0) thì D1 mở và D2 tắt, trên Rt có dạng điện áp một chiều (là điện

áp nửa hình sin do D1 mở) Ở nửa chu kỳ âm ( U2 1< 0, U22 > 0) khi đó D2 mở vàD1 tắt, trên Rt có dạng điện áp nửa hình sin do D2 mở

Giá trị điện áp trung bình trên tải: U t= 2√2

- Mạch chỉnh lưu cầu (còn được gọi là mạch chỉnh lưu cả chu kỳ)

Hình 1.6 Mạch chỉnh lưu cầu

Ở nửa chu kỳ dương: D1, D3 mở, D2 và D4 khóa Ở nửa chu kỳ âm: D1 vàD3 còn D2 và D4 thông Do vậy, điện áp ngược cực đại đặt vào diode chỉnh lưulúc khóa bằng một nửa so với mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ:

Khi tải là thuần trở, dòng điện tổng hợp ra tải là:

Có nhiều mạch lọc thường dùng như: lọc bằng tụ điện C, lọc bằng cuộn dây L(cuộn chặn), bộ lọc hình L ngược và hình π, bộ lọc cộng hưởng.

- Lọc bằng tụ điện C

Hình 1.7 là sơ đồ của bộ lọc dùng tụ điện C, tụ điện C được nối song song vớitải Các sóng hài bậc cao dễ qua tụ điện C xuống đất, nên điện áp ra tải ít nhấpnhô hơn Với bộ lọc này hệ số đập mạch được xác định theo biểu thức sau:

- Lọc bằng cuộn dây L (cuộn chặn)

Sơ đồ bộ lọc bằng cuộn cảm được thể hiện trên hình 1.8 Cuộn cảm nối tiếpvới tải nên khi dòng điện It ra tải có biến thiên đập mạch, trong cuộn cảm phátsinh ra suất điện động tự cảm chống lại ( nguyên nhân sinh ra nó), tức là thànhphần hài bậc cao bị chặn lại chỉ cho thành phần dòng một chiều đi qua Với bộlọc này hệ số đập mạch được xác định theo biểu thức sau:

K p= R t

3 ωtL

Từ biểu thức ta thấy chất lượng của bộ lọc càng tốt ( Kp nhỏ) khi giá trị Lcàng lớn và Rt càng nhỏ ( tiêu thụ dòng lớn) Tuy nhiên không nên dùng L quá

lớn vì lúc đó điện trở một chiều của nó tăng lên gây sụt áp một chiều trên nó làmcho hiệu suất bộ chỉnh lưu giảm.

Hình 1.8 Sơ đồ bộ lọc bằng cuộn cảm

- Bộ lọc hình L ngược và hình π

Sơ đồ mạch lọc hình chữ L ( hình 1.9a) và hình π ( hình 1.9b) sử dụng tổnghợp tác dụng của cuộn cảm L và tụ điện C nên dòng điện ( hay điện áp) ra tảicàng ít nhấp nhô

Hình 1.9 Sơ đồ bộ lọc hình chư L ngược a) và hình π b)

Để tăng tác dụng của bộ lọc có thể mắc nối tiếp hai đến ba mắt lọc π, khi đódòng điện và điện áp ra tải gần như bằng phẳng

Để giảm trọng lượng và kích thước trong thiết kế bộ lọc có thể thay thế cuộncảm L bằng điện trở R trong các mắt lọc hình L ngược và hình π, nhưng trên R

bị sụt áp cả thành phần một chiều nên hiệu suất và chất lượng kém hơn cuộn

cảm Trong thiết kế thường chọn giá trị R sao cho sụt áp trên nó bằng ( 10 ÷20)% U0, khoảng vài chục Ω đến vài trăm KΩ.

- Bộ lọc cộng hưởng

Hình 1.10.a) là sơ đồ bộ lọc cộng hưởng trong đó mạch cộng hưởng LKCKmắc nối tiếp với tải, có tác dụng chặn sóng hài có tần số bằng tần số cộnghưởng, ngoài ra tụ C có tác dụng lọc thêm

Hình 1.10 Sơ đồ bộ lọc cộng hưởng a) nối tiếp và b) song song

Hình 1.10.b) là sơ đồ bộ lọc cộng hưởng trong đó mạch cộng hưởng LKCK nốitiếp nên ngắn mạch song hài có tần số bằng tần số cộng hưởng xuống đất Ngoài

ra cuộn cảm L có tác dụng lọc thêm

d) Mạch ổn áp

Nhiệm vụ của mạch ổn áp (còn gọi tắt là ổn áp) là ổn định điện áp ra trên tảikhi điện áp, tham số của lưới điện và tải thay đổi

Các chỉ tiêu cơ bản của ổn áp là:

* Hệ số ổn áp là tỷ số giữa đại lượng biến thiên tương đối của điện áp đầuvào và điện áp đầu ra khi giữ cho điện trở tải ở một giá trị không đổi:

K 0 d=dU v/U v

dU r/U r|R t=const.

* Điện trở ra đặc trưng cho sự thay đổi của điện áp ra Ur khi dòng điện tải Itthay đổi, với điện áp vào được giữ ở một giá trị không đổi:

- Ổn áp tham số dùng diode Zener

Hình 1.11 là sơ đồ của mạch ổn áp tham số dùng diode Zener Diode Zener

là loại diode làm việc ở chế độ phân cực ngược,ở vùng đánh thủng của đặctuyến V-A

Hình1.11 Sơ đồ mạch ổn áp tham số Zener

Khi điện áp vào Uv thay đổi một lượng khá lớn ∆ U v thì điện áp ra thay đổi

một lượng ∆ U z rất nhỏ và dòng qua diode khá lớn toàn bộ lượng biến thiên ∆ U v

đều sụt áp trên Rhc nên điện áp ra gần như không đổi

Trường hợp nếu điện áp vào U v=const và chỉ có dòng It tăng thì sẽ có sựphân phối lại dòng điện tức là khi đó Iz giảm, kết quả là dòng điện Ir hầu nhưkhông đổi và điện áp ra Ur được giữ không đổi

Hệ số ổn định được xác định theo biểu thức : K 0 d=R hc

r i .Trong đó ri là điện trở trong của Dz lúc làm việc (càng nhỏ càng tốt), giớihạn trên của Rhc do dòng điện IDmin của Dz quyết định

Khi cần ổn định điện áp cao quá điện áp ổn định của diode, có thể mắc nốitiếp hai hay nhiều diode ổn áp, khí đó ta nhân được nhiều mức điện áp ổn định

Ưu điểm của bộ ổn áp tham số đó là mạch đơn giản và tiết kiệm Tuy nhiênchất lượng ổn áp thấp và không thay đổi được mức điện áp ra theo yêu cầu

- Ổn áp bù nhiệt

Diode bán dẫn là linh kiện rấ nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, khinhiệt độ thay đổi làm cho các tham số của diode thay đổi làm cho điện áp rakhông ổn định Để bù nhiệt, người ta mắc nối tiếp diode chỉnh lưu ( có hệ sốnhiệt âm) với diode Zener ( có hệ số nhiệt dương) như hình 1.12

Hình 1.12 Mạch ổn áp có bù nhiệt

- Ổn áp bù dùng bộ khuếch đại có điều khiển

Ổn áp bù dùng bộ khuếch đại có điều khiển còn được gọi là ổn áp bù tuyếntính, ổn áp so sánh hay ổn áp có hồi tiếp Tùy theo phương pháp cấu trúc, ổn áp

bù có hai loại cơ bản là kiểu song song và kiểu hồi tiếp

- Ổn áp xung

Nguyên lý chung là trị số trung bình ( một chiều) của điện áp ra Ur đượcđiều chỉnh nhờ việc đóng mở chuyển mạch theo một chu kỳ xác định Thời gianđóng mở có thể điều chỉnh được theo mức độ sai lệch của Ur

Có ba phương pháp thường được sử dụng là thay đổi độ rộng xung, thay đổi

độ trống (rỗng) xung, thay đổi cả độ rộng cả độ trống xung

- IC ổn áp

Để giảm nhỏ kích thước của bộ ổn áp cũng như tính đơn giản trong sử dụng,người ta thường chế tạo bộ ổn áp dưới dạng vi mạch ( IC) Các bộ IC ổn áp trênthực tế bao gồm các phần chính là bộ tạo điện áp chuẩn, bộ khuếch đại tín hiệusai lệch, transistor điều chỉnh, bộ hạn chế dòng

Các IC ổn áp thường đảm bảo dòng ra khoảng 100mA đến 1A điện áp tới50V, công suất tiêu tán 500-800mW

Tùy thuộc vào yêu cầu về tham số kỹ thuật như điện áp ra, dòng ra, hệ số ổn

áp, khả năng điều khiển điện áp ra, dải nhiệt độ làm việc mà người ta chế tạo

ra nhiều loại khác nhau, với ba hoặc bốn chân giúp cho việc sử dụng thuận tiện.Xét về phương diện cấu tạo và tính năng sử dụng, có thể chia IC ổn áp thànhhai nhóm chính là IC ổn áp cố định và IC ổn áp điều chỉnh được

* IC ổn áp điều chỉnh được

Loại IC ổn áp điều chỉnh được ba chân nối loại LM317

Hình 1.13 IC ổn áp điều chỉnh được loại LM317

Điện áp ra điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh giá trị điện trở R1 và R2theo biểu thức:

U r=1.25(1+R2

R1)(V )

Ngoài ra, để tăng dòng tải ở đầu ra người ta có thể mắc thêm transistor điềuchỉnh phối hợp với IC ổn áp ( hình 1.16a) hoặc nâng cao điện áp đầu ra bằngcách nối thêm Dz (hình 1.16b), khi đó điện áp ra: Ur = Uổn + Uz

Hình 1.14 IC ổn áp mắc thêm transistor để nâng dòng a)

và mắc thêm diode Zener để nâng áp b)

* IC ổn áp cố định

IC ổn áp cố định thường là loại ổn áp ba chân nối (hình 1.13), giá trị điện

áp ra được chỉ bằng hai số cuối của kí hiệu ( xx)

Ví dụ: IC ổn áp nguồn dương :7805( ổn áp +5V); 7812( +12V); 78xx

IC ổn áp ngồn âm : 7905 ( -5V), 7912 ( -12V), 79xx

Tụ điện C giữ cho trở kháng ra của mạch đủ nhỏ ở tần số cao

Hình 1.15 IC ổn áp cố định 78xxTrong mạch chúng em sử dụng IC ổn áp 7812 (hình 1.14)

Hình 1.16 Sơ đồ nối IC ổn áp 7812 trong mạch Với mạch ổn áp sử dụng IC có ưu điểm nhỏ gọn, bền và dễ sử dụng Tuynhiên giá thành hơi cao

e) Bộ so sánh

Bộ so sánh dùng để so sánh hai số nhị phân n bit A nvà Bn Kết quả so sánhđược thể hiện bằng các biến logic ở ba đầu ra chỉ sự bằng nhau, lớn hơn và béhơn của hai số nhị phân

Hiện nay các vi mạch so sánh thường có các loại 4, 8, 12, 16 bit Loại thôngdụng nhất hiện nay là loại 74xx85 họ TTL và 4585 họ CMOS

Trong mạch chúng em sử dụng IC LM 311 để so sánh (hình 1.17).

Hình 1.17 Sơ đồ chân của IC so sánh LM 311

Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý của IC LM 311

f) Khối điều khiển

Sử dụng Transistor và relay để điều khiển dòng điện áp nạp cho ắc quy Khi

có tín hiệu báo đầy transistor có nhiệm vụ kéo relay hoạt động như một công tắc

về mức đóng hoặc ngắt, diode dùng để bảo vệ transistor

- Transistor

*Cấu tạo

Gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếughép theo thứ tự PNP thì ta được transistor thuận, ngược lại nếu ghép theo thứ tựNPN ta được Transistor ngược Về phương diện cấu tạo thì transistor tươngđương với hai diode đấu ngược chiều nhau

Ba lớp đó được nối thành ba cực: Lớp giữa gọi là cực gốc kí hiệu là B( Base), còn hai lớp bên ngoài nối thành cực phát E ( Emitter) và cực thu C( Collector) Cực B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp, còn vùng bán dẫn E

và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạpchất khác nhau nên không hoán đổi được

Hình 1.19 Cấu tạo transistor a) npn và b) pnp

* Nguyên tắc hoạt động

Đối với PNP ta xét hoạt động của nó theo hình 1.20

Hình 1.20 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của transistor

Điều kiện làm việc: VE> VB >VC

Trong trường hợp này hai vùng bán dẫn P-N của cực E và B giống nhưdiode được phân cực thuận nên dẫn điện, lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E

sẽ sang vùng bán dẫn N của cực B để tái hợp với eletron Khi vùng bán dẫn Ncủa cực B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương Cực B được lối vào điện áp

âm của nguồn nên sẽ hút một số lỗ trống trong vùng bán dẫn N xuống và tạothành dòng điện IB Cực C được nối vào điện áp âm cao hơn nên hút hầu hết lỗtrống trong vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P của cực C tạo thành dòng điện

IC Cực E được nối vào điện áp dương nên khi vùng bán dẫn P bị mất lỗ trống

sẽ hút lỗ trống từ nguồn dương lên thế chỗ tạo thành dòng điện IE

Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E đều chạy qua cực B và cực C nên dòngđiện IB và IC đều từ cực E chạy qua, ta có: IE =IB +IC

Còn đối với transistor NPN là ngược thì ta làm ngược lại và phải đổi cựctính

Hình 1.21 Một số transistor thường gặp