mạch sạc ắc quy tự động

mạch sạc ắc quy tự động được thiết kế dùng bộ ổn dòngHiện nay, trong các thiết bị, động cơ điện luôn có một bộ phận quan trọng và cần thiết là ắc quy tích điện. Để cho động cơ hoạt động tốt đòi hỏi cần có một ắc quy ổn định,lâu bền trong thời gian sử dụng . Mặt khác ,ắc quy được làm từ các chất liệu độc hại, gây ô nhiễm với môi trường như chì, axit…và giá để sản xuất một chiếc ác quy còn cao và trong quá trình vận hành ắc quy cung cấp năng lượng cho thiết bị, để tránh việc cần phải thay thế bằng ắc quy mới ta có thể tái sử dụng bằng việc cấp lại phần năng lượng đó ta cần sạc điện cho ắc quy. Câu hỏi đặt ra là làm sao để cho việc sạc ắc quy hiệu quả nhất, an toàn nhất tránh việc ác quy nhanh hỏng, bị chai để ác quy có tuổi thọ được kéo dài. Để giải quyết vấn đề này nhóm em tìm ra giải pháp thiết kế mạch sạc ắc quy tự ngắt khi đầy và hiển thị dung lượng pin qua đèn LED với mục đích bảo vệ ắc quy trong thời gian sử dụng. Dựa trên ý tưởng trên nhóm em đã tìm tòi nghiên cứu với kiến thức cơ bản về các linh kiện: IC, điôt, điện trở, máy biến áp, tranzitor…kết hợp với kiến thức môn học điện tử tương tự và điện tử số cùng sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Công Nam để hoàn thiện đề tài. Nhưng bên cạnh đó không thể tránh được những thiếu sót, nhóm em mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn. Dưới đây là nội dung chính báo cáo đồ án điện tử của nhóm em.

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH SẠC TỰ ĐỘNG HIỂN THỊ

ĐIỆN ÁP RA LED 7 THANH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : NGUYỄN CÔNG NAM

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN:

VŨ TIẾN DƯƠNG NGUYỄN THỊ LƯƠNG

HÀ NỘI -2017

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, trong các thiết bị, động cơ điện luôn có một bộ phận quan trọng vàcần thiết là ắc quy tích điện Để cho động cơ hoạt động tốt đòi hỏi cần có một ắcquy ổn định,lâu bền trong thời gian sử dụng Mặt khác ,ắc quy được làm từ cácchất liệu độc hại, gây ô nhiễm với môi trường như chì, axit…và giá để sản xuấtmột chiếc ác quy còn cao và trong quá trình vận hành ắc quy cung cấp năng lượngcho thiết bị, để tránh việc cần phải thay thế bằng ắc quy mới ta có thể tái sử dụngbằng việc cấp lại phần năng lượng đó ta cần sạc điện cho ắc quy Câu hỏi đặt ra làlàm sao để cho việc sạc ắc quy hiệu quả nhất, an toàn nhất tránh việc ác quy nhanhhỏng, bị chai để ác quy có tuổi thọ được kéo dài

Để giải quyết vấn đề này nhóm em tìm ra giải pháp thiết kế mạch sạc ắc quy

tự ngắt khi đầy và hiển thị dung lượng pin qua đèn LED với mục đích bảo vệ ắc quytrong thời gian sử dụng Dựa trên ý tưởng trên nhóm em đã tìm tòi nghiên cứu vớikiến thức cơ bản về các linh kiện: IC, điôt, điện trở, máy biến áp, tranzitor…kết hợpvới kiến thức môn học điện tử tương tự và điện tử số cùng sự hướng dẫn của thầyNguyễn Công Nam để hoàn thiện đề tài Nhưng bên cạnh đó không thể tránh đượcnhững thiếu sót, nhóm em mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô vàcác bạn Dưới đây là nội dung chính báo cáo đồ án điện tử của nhóm em

MỤC LỤC

Lời mở đầu ………

Chương 1:TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề……….4

1.2 Mục tiêu và nội dung………4

Chương 2:CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Một số linh kiện được sử dụng trong mạch……… 5

2.1.1 Điện trở……… 6

2.1.2 Biến trở……… 7

2.1.3 Diode ………8

2.1.4 Transistor……… 9

2.1.5 Tụ điện………10

2.1.6 Relay……… 11

2.2 Nguyên lí làm việc của mạch………12

2.2.1 Sơ đồ tổng quan về mạch……… 12

2.2.2 Mạch sạc tự động………13

2.2.3 Mạch hiển thị điện áp ắc quy ra led 7 thanh……… 14

2.3 Tính toán……… 15

Chương 3 : MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Mạch ạc ắc quy tự động……… 17

3.2 Mạch hiển thị điện áp ắc quy ra led 7 thanh………19

3.3 Mạch thật………20

Chương 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO………

DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA

Hình 2.1.1 bảng giá trị điện trở……….6

Hình 2.1.2 Biến trở………7

Hình 2.1.3.1 Cấu tạo diode……….8

Hình 2.1.3.2 Diode………8

Hình 2.1.4.1 nguyên lí hoạt động của NPN……… 10

Hình 2.1.4.2 Transistor……… 10

Hình 2.1.5 Tụ điện………11

Hình 2.1.6 Relay………12

Hình 2.1.7 IC7660……….12

Hình 2.1.8 IC7107……….12

Hình 2.1.9 Led 7 thanh……….13

Hình 2.2.1.1.3 Sơ đồ mạch lọc……… 14

Hình 2.3.1 Thông số kĩ thuật của Diode zenner 12v ………16

Hình 2.3.2 Relay 12v……… 17

Hình 3.1.1 Mạch mô phỏng nguyên lí sạc tự động………19

Hình 3.1.2 Mạch in sạc tự động……… 19

Hình3.2 Mạch mô phỏng hiển thị điện áp ra led 7 thanh……… 20

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, trong các thiết bị, động cơ điện luôn có một bộ phận quan trọng vàcần thiết là ắc quy tích điện Để cho động cơ hoạt động tốt đòi hỏi cần có một ắcquy ổn định,lâu bền trong thời gian sử dụng Mặt khác ,ắc quy được làm từ cácchất liệu độc hại, gây ô nhiễm với môi trường như chì, axit…và giá để sản xuấtmột chiếc ác quy còn cao và trong quá trình vận hành ắc quy cung cấp năng lượngcho thiết bị, để tránh việc cần phải thay thế bằng ác quy mới ta có thể tái sử dụngbằng việc cấp lại phần năng lượng đó ta cần sạc điện cho ắc quy Câu hỏi đặt ra làlàm sao để cho việc sạc ắc quy hiệu quả nhất, an toàn nhất tránh việc ác quy nhanhhỏng, bị chai để ắc quy có tuổi thọ được kéo dài

1.2 Mục tiêu và nội dung

1.2.1 Mục tiêu

Hiện nay các loại ác quy thường không tích hợp thiết bị bảo vệ ắc quy nên khi

ắc quy được sạc đầy ta không ngắt mạch mà vẫn cứ tiếp tục sạc sẽ dễ gây hiệntượng chai ắc quy giảm khả năng tích điện của ắc quy, sau một thời gian ắc quy sẽ

bị hỏng hoàn toàn

1.2.2 Nội dung

1.2.2.1 Đối tượng

Ắc quy tích điện 12v-100Ah trở xuống

1.2.2.2 Phương pháp giải quyết:

Tạo mạch nạp đơn giản tích hợp một mạch sạc tự ngắt khi ắc quy đầy

Mạch sạc sử dụng relay để ngắt kết hợp dùng tổ hợp Diode

Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Một số linh kiện được sử dụng trong mạch

2.1.1 Điện trở

Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốtthì điện trở nhỏ,vật dẫn điện kém thì điện trở lớn,vật cách điện thì điện trở là vôcùng lớn

Hình 2.1.1 bảng giá trị điện trở

2.1.2 Biến trở

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn.Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạchđiện

Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dâydẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sánghoặc bức xạ điện từ,

Cấu tạo của biến trở gồm 2 thành phần chính là con chạy và cuộn dây đượclàm bằng hợp kim có điện trở suất lớn

Biến trở thường ráp trong máy phục vụ cho quá trình sửa chữa, cân chỉnh của

Hình 2.1.3.1 Cấu tạo diode

Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều từ anot sang catot Theo nguyên lý dòng điệnchảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điện qua điốttheo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở anot mộtđiện thế cao hơn ở catot Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc

mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK >UTX Khi đó một phần của điện ápUAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại dùng đểtạo dòng điện thuận qua điốt

Khi UAK > 0, ta nói điốt phân cực thuận và dòng điện qua điốt lúc đó gọi làdòng điện thuận Dòng điện thuận có chiều từ anot sang catot.

Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì điốt trở nên dẫn điện rất tốt,tức là điện trở của điốt lúc đó rất thấp (tầm khoảng vài chục Ω) Do vậy phần điện

áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cânbằng với Utiếp xúc Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với Utiếp xúc cầnkhoảng 0.6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòngthuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampe Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòngqua điốt khoảng 0.6V đến 1.1V Ngưỡng 0.6V là ngưỡng điốt bắt đầu dẫn và khi

UAK = 0.7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA

Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược catot sang anot.Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu điốt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn.Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường không cần quan tâm trongcác ứng dụng công nghiệp Mọi điốt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiềungược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thìđiốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng nhanh và đốt cháy điốt

Ba lớp bán dẫn nối ra thành 3 cực ,lớp giữa cưc gốc kí hiệu B(Base) có nồng

độ tạp chất thấp và rất mỏng,hai lớp bên ngoài được nối ra cực phát là Emiter kíhiệu là E,cực góp Colector kí hiệu C

Nguyên tắc hoạt đông

Trasistor NPN

Ta cấp nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+)

Nguồn vào cực C và (-) vào cực E

Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B vàcực E ,trong đó cực (+) vào chân B,cực (-) vào chân E

Khi công tắc mở mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng không

có dòng điện chạy qua mối CE (lúc này IC=0)

Khi công tắc đóng mối P-N phân cực thuận ,do đó dòng điện chạy từ (+)nguồn BE qua công tắc  qua R hạn dòng qua BE về cực (-) tạo thành dòng IBNgay khi có IB xuất hiện lập tức cũng có dòng IC chạy qua CE làm bóng đènphát sáng và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC phụ thuộc hoàn toàn vào dòng IB theo công thứcIC=β.IB

Trong đó: IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua BE

β là hệ số khuyếch đại của transistor

Hình 2.1.4.1 nguyên lí hoạt động của NPNXét sự hoạt động của transistor PNP

Tương tự NPN nhưng cực tính của các nguồn UCE và UBE ngược lại Dòng

IC từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B

Hình 2.1.4.2 Transistor

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện đượcngăn cách bởi điện môi

Cấu tạo của tụ điện:

Tụ điện được cấu tạo bởi hai bản cực kim loại đặt song song, có tính chất cáchđiện một chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp

Đặc điểm cơ bản của tụ điện:

- Điện áp không thay đổi một cách độ ngột mà biến thiên theo thời gian, nênkhi ta cắm tụ vào nguồn hay xả tụ thường gây ra tia lửa điện kèm theo tiếng nổ dohiện tượng dòng điện tăng vọt Sinh công suất tức thời lớn

- Không tổn hao năng lượng

Các loại tụ điện chính: Tụ giấy, tụ gốm và tụ hóa

Hình 2.1.5 Tụ điện

2.1.6 Relay

-Rơ le (relay) là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện gồm hai trạngthái ON và OFF Rơ le ở trang thái On hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạyqua rơ le hay không

-Nguyên lý hoạt động:

Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bêntrong và tạo ra một từ trường hút Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bêntrong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng tháicủa rơ le Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết kế.

Rơ le có 2 mạch độc lập nhau họạt động Một mạch là để điều khiển cuộn dâycủa rơ le: Cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, hay có nghĩa là điều khiển rơ le

ở trạng thái ON hay OFF Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có quađược rơ le hay không dựa vào trạng thái ON hay OFF của rơ le

Dòng chạy qua cuộn dây để điều khiển rơ-le ON hay OFF thường vào khoảng30mA với điện áp 12V hoặc có thể lên tới 100mA Do hầu hết các con chip đềukhông thể cung cấp dòng này, nên ta cần có một BJT để khuếch đại dòng nhỏ ở ngõ

ra Ic thành dòng lớn hơn phục vụ cho rơ-le

Trên rơ le có 3 + COM (common): là chân chung, nó luôn được kết nối với 1trong 2 chân còn lại Còn việc nó kết nối chung với chân nào thì phụ thuộc vàotrạng thái hoạt động của rơ le

+ NC (Normally Closed): Nghĩa là bình thường nó đóng Nghĩa là khi rơ le ởtrạng thái OFF, chân COM sẽ nối với chân này

+ NO (Normally Open): Khi rơ le ở trạng thái ON (có dòng chạy qua cuộndây) thì chân COM sẽ được nối với chân này

=> Kết nối COM và NC khi bạn muốn có dòng điện cần điều khiển khi rơ le ởtrạng thái OFF Và khi rơ le ON thì dòng này bị ngắt

=> Ngược lại thì nối COM và NO

chọn rơ le phù hợp:

Mục đích cung cấp điện áp để sạc acquy 12v nên ta chọn loại rơ-le có điện ápđiều khiển cuộn dây của rơ-le 12V số tiếp điểm là 5 chân.kí hiệu là: NO, NC vàCOM

Hình 2.1.6 Relay 2.1.7 IC 7660

- 8 led đơn trên led 7 thanh có Anode (cực +) hoặc Cathode (cực -) được nối chung

còn lại trên mỗi led đơn của led 7 đoạn và 1 cực trên led đơn ở góc dưới, bên phảicủa led 7 đoạn được đưa thành 8 chân riêng để điều khiển cho led sáng tắt theo ýmuốn.

- Nếu led 7 đoạn có Anode (cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc,các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sángkhi

tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0

- Nếu led 7 đoạn có Cathode (cực -) chung, đầu chung này được nối xuốngGround (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của cácled đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

2.2 Nguyên lí làm việc của mạch

Trong đề tài này,để dễ thực hiện cho quá trình làm mạch nhóm đã mạch thành 2 khối mạch chính Đó là mạch sạc ắc quy tự động và mạch hiện thị điện áp ra led 7 thanh.Dựa vào nguyên lí làm việc của 2 khối mạch nhóm đã kết hợp chúng với nhau để thực hiện đề tài.

2.2.1 Sơ đồ khối tổng quan về mạch

sơ đồ khối của mạch

2.2.1.1 Cấu tạo,chức năng và nhiệm vụ của từng khối

Hoạt động :dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

Nguyên lí tạo điện áp dựa trên ct:

CHỈNH LƯU

BỘ HIỆN THỊ

ẮC QUY KHỐI ĐIỀU

KHIỂN ĐÓNG NGẮT

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

U2,I2 điện áp và dòng điện vào cuộn thứ cấp

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

Trong mạch này sử dụng biến áp nguồn có đầu vào 220VAC và đầu ra 15VAChoặc 12VAC

2.2.1.1.2 Mạch chỉnh lưu

Nguyên lý hoạt động: dòng điện vào 220 V qua biến áp tự ngẫu hạ xuống xoaychiều 12V Qua 2 điot chỉnh lưu dòng xoay chiều sang dòng một chiều 12v dùngdiode chỉnh lưu 1N4007 mắc song song với tụ C 10 µf để san phẳng

2.2.1.1.3 Mạch lọc

Dựa vào tính phóng nạp của tụ điện nên mạch lọc gồm các tụ mắc song songvới tải ,tác dụng để làm phẳng điện áp đầu vào còn mấp mô

Hình 2.2.1.1.3 Sơ đồ mạch lọc2.2.1.1.4 Mạch ổn áp

Mạch ốn áp giúp ổn định điện áp cung cấp cho tải tiêu thụ trong khi điện ápđầu vào có thể thay đổi

Có một số cấu trúc hóa học thường được sử dụng như Chì, nickel và Lithium.Mỗi loại cấu trúc hóa học thì đòi hỏi một phương pháp sạc riêng Ắc-quy có nhữngcấu trúc hóa học khác nhau thì không thể sử dụng chung một phương pháp sạc.

Năng lượng riêng và mật độ năng lượng

Năng lượng riêng hoặc mật độ năng lượng định nghĩa cho dung lượng ắc-quytrên khối lượng (Wh/kg);Mật độ năng lượng hoặc thể tích mật độ năng lượng địnhnghĩa cho dung lượng của ắc-quy trong kích thước (Wh/l) Một ắc-quy có thể cónăng lượng riêng cao nhưng công suất lại thấp (tải điện dung), giống như trườnghợp của ắc-quy Kiềm

Nếu có tín hiệu vào R3, transistor dẫn Lúc này sẽ có dòng chạy qua rơ le , rơ

le hoạt động, làm đóng tiếp điểm thường mở của rơ le, dòng điện cần điều khiển sẽchạy qua được rơ le Vì thế ta dùng transistor để khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ cungcấp cho rơ le

2.3.3 Mạch hiện thị điện áp ắc quy ra led 7 thanh

Nguồn điện đo được chuyển đổi từ nguồn đơn sang nguồn đôi qua ic 7660 tạođiện áp -5V.

Nguồn vào đi vào khối vi xử lí được con ic DL7107 nhận điện áp và chuyểnđổi tín hiệu điện áp lên led 7 thanh.Diode zenner cấp dòng và cấp nguồn lên choled 7 thanh

2.3 Tính toán

Mạch sạc ắc quy 12v-100Ah trở xuống nguồn điện nạp được đi qua một biến

áp có nguồn vào là 220VAC và điện áp ra là 12VAC để phù hợp với các linh kiện

sử dụng trong mạch

Trong mạch này sử dụng điện trở thường 1kΩ và 100Ω và tụ hóa 10uf.

Sử dụng biến trở 10kΩ để thay đổi mức điện trở phù hợp với mức nạp củatừng dung ượng ắc quy khác nhau

Transistor TIP 41 như một khóa điện tử điều khiển trạng thái đóng ngắt củarelay

Hình 2.3.1 Thông số kĩ thuật của Diode zenner 12v

Diode Zener 1N4742A được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược, khi phâncực thuận Diode zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode zener sẽgim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên diode

Diode 1N4742A có điện áp ngược là 12V Điốt Zener 1N4742A công suất 1Wđược dùng để cấp điện áp mốc (ổn áp) hoặc hạn chế mức điện áp cho mạch điện.Điốt Zener công suất lớn được dùng trong mạch ổn áp kiểu song song, tuy nhiên vìtổn hao điện và mức nhiệt phát ra nhiều trên điốt và điện trở chặn, nên mạch này ítđược sử dụng

Relay 12V

Hình 2.3.2 Relay 12vMạch sử dụng với mục đích cung cấp điện áp để sạc acquy 12v nên ta chọnloại rơ-le có điện áp điều khiển cuộn dây của rơ-le 12V số tiếp điểm là 5 chân.kíhiệu là: NO, NC và COM

Diode chỉnh lưu 1N4007

Thông số kĩ thuật

Model plastic , DO-41Điện áp làm việc :50-100VDòng điện giới hạn: I 1A

Diode 1N4007 là một diode silic chỉnh lưu phổ tín hiệu 1A thường được sửdụng trong các AC cho các thiết bị điện thông thường, chịu được điện áp tối đa lênđến 1000V Dòng điện cực đại đi qua mỗi diode 1N4007 là 1A, nếu dòng cao hơn sẽgây nóng và cháy diode.

Tuy nhiên ,diode 1N4007 là diode có tốc độ chỉnh lưu thấp ,hiệu điện thế đầu

ra nấp nhô Để giảm sự nhấp nhô của hiệu điện thế đầu ra thì nên gắn thêm tụ songsong với tải

Diode 1N4007 có thể dùng chạy motor DC,đèn dây tóc,nạp ắc quy……

Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Mạch sạc tự động

Hình 3.1.1 Mạch mô phỏng nguyên lí sạc tự động