SẠC điện THOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN - BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ ĐỀ TÀI: SẠC ĐIỆN THOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Quang Ý tưởng đề tài Như thầy cô bạn biết ngày điện sử dụng phổ biến xã hội, tất thiết bị điện dân dụng, đồ chơi điện tử, điện thoại,… cần sử dụng nguồn lượng Để cho thuận tiện cho việc sử dụng, thiết bị điện ngày trang bị pin, nguồn điện dự phòng thuận tiện cho việc sử dụng Chẳng hạn điện thoại, radio, flycam,….Điều dẫn đến việc cần phải có thiết bị cung cấp lượng Song hầu hết cục sạc Việt Nam sử dụng lưới điện 220V cấp từ nhà máy nhiệt điện thủy điện, khó sạc chúng xa nơi dân cư Cứ giả sử chuyến dã ngoại, vui chơi vui vẻ điện thoại, máy quay hết pin ( Và bạn lại quên đem sạc dự phong ?) Lúc thật khó chịu … Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, nhóm em với hướng dẫn thầy Nguyễn Cảnh Quang – Giảng viên Điện tử tương tự tìm tịi triển khai xây dựng mạch điện sạc điện thoại lượng mặt trời Trong nhóm em hướng tới loại điện thoại địi hỏi dòng điện sạc vào nhỏ, dựa thiết kế sạc đơn giản dễ làm… Tuy đề tài không xã hội xét nhiều khía cạnh phù hợp với mức độ hiểu biết nhóm sinh viên Bách Khoa năm bọn em Đồng thời thông qua đề tài chúng em phần gửi thông điệp bảo vệ môi trường đến toan sinh viên khác học tập mái trường này, ngày nóng 1.2 Nguồn lượng mặt trời Năng lượng mặt trời, xạ ánh sáng nhiệt từ Mặt trời, khai thác người từ thời cổ đại cách sử dụng loạt công nghệ phát triển hết Bức xạ mặt trời, với tài nguyên thứ cấp lượng mặt trời sức gió sức sóng, sức nước sinh khối, làm thành hầu hết lượng tái tạo có sẵn Trái Đất Chỉ có phần nhỏ lượng mặt trời có sẵn sử dụng Điện mặt trời nghĩa phát điện dựa động nhiệt pin quang điện Sử dụng lượng mặt trời bị giới hạn khéo léo người Một phần danh sách ứng dụng lượng mặt trời sưởi ấm không gian làm mát thông qua kiến trúc lượng mặt trời, qua chưng cất nước uống khử trùng, chiếu sáng ánh sáng ban ngày, nước nóng lượng mặt trời, nấu ăn lượng mặt trời, trình nhiệt độ cao nhiệt cho công nghiệp purposes Để thu lượng mặt trời, cách phổ biến sử dụng lượng mặt trời Công nghệ lượng mặt trời mô tả rộng rãi lượng mặt trời thụ động lượng mặt trời chủ độngtùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi phân phối lượng mặt trời Kỹ thuật lượng mặt trời hoạt động bao gồm việc sử dụng quang điện lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác lượng Kỹ thuật lượng mặt trời thụ động bao gồm định hướng tịa nhà phía Mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi tài sản ánh sáng phân tán, thiết kế không gian lưu thơng khơng khí tự nhiên 1.3 Ứng dụng thực tiễn đề tài Sử dụng nguồn lượng mặt trời giúp tiết kiệm lượng nhiên liệu hóa thạch lớn tự nhiên mà nhà máy nhiệt điện sử dụng Đồng thời việc tạo mạch sạc lượng mặt trời nhỏ gọn tích hợp vào đồ chơi trẻ em như: ô tô điều khiển, máy bay điều khiển,… tạo cho trẻ em an toan nhiều so với loại sạc nguồn điện thông thường cách dạy trẻ ý thức bảo vệ mơi trường Đề tài chúng em phát triển quy mô giá trị vật chất nhỏ song nhóm em tin triển khai dự án lượng mặt trời quy mô lớn đem lại lợi ích to lớn cho thiên nhiên, người xã hội CHƯƠNG 2: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN SỬ DỤNG 2.1 Giới thiệu pin Li-ion nguyên lí sạc pin: 2.1.1 Giới thiệu Pin Li-ion hay pin lithi-ion, có viết tắt LIB, loại pin sạc Trong trình sạc, ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, ngược lại trình xả (quá trình sử dụng) LIB thường sử dụng điện cực hợp chất mà cấu trúc tinh thể chúng có dạng lớp (layered structure compounds), trình sạc xả, ion Li xâm nhập điền đầy khoảng trống lớp này, nhờ phản ứng hóa học xảy Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp Li, LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực âm graphite Dung dịch điện ly pin cho phép ion Li chuyển dịch từ cực sang cực nghĩa có khả dẫn ion Li, nhiên, yêu cầu dung dịch khơng dẫn điện Hình Pin Li-ion Nokia 3310 LIB thường dùng cho thiết bị điện di động, phổ biến pin sạc cho thiết bị điện tử cầm tay sạc điện thoại sạc pin Li-ion 2.1.2 Nguyên lý sạc pin Đối với hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, cần giai đoạn – Giai đoạn 1: Chế độ dịng điện khơng đổi: constant current (CC) – Giai đoạn 2: Cân – Giai đoạn 3: Chế độ điện không đổi: constant voltage (C) Ở chế độ dịng điện khơng đổi, sạc áp dịng điện khơng đổi lên pin thơng qua điện ổn định tăng dần đạt đến điện tới hạn pin Ở chế độ cân bằng, sạc giảm dần dòng điện sạc lên pin, điều tiết bật tắt dòng điện sạc để trạng thái sạc cho tế bào pin đạt trạng thái cân mạch, tất tế bào mạch cân Một số thiết bị sạc điều tiết cân bằng cách sạc tế bào pin, nhiên điều kéo dài thời gian sạc, việc tạo thuật toán tối ưu hóa q trình cân tăng hiệu tối ưu hóa thời gian sạc pin Ở chế độ điện cân bằng, sạc áp điện với điện tới hạn tế bào nhân với số tế bào lắp nối tiếp lên tồn pin, q trình xả, dịng điện giảm 0, đến dòng điện ngưỡng 3% giá trị ban đầu dịng điện sạc, pin ngừng hoạt động Nếu sạc/xả vượt ngưỡng dòng điện cho phép, dẫn đến nổ pin 2.2 Mạch chỉnh lưu dùng diode (nửa sóng) Một ứng dụng phổ biến diode chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành chiều Vì, diode dẫn dịng chiều, tín hiệu đầu vào âm, khơng có dịng điện Đây gọi chỉnh lưu nửa sóng Hình cho thấy mạch diode chỉnh lưu nửa sóng Nếu ta thay điện trở hình tụ điện, giả sử ban đầu tụ điện khơng có điện áp, áp vào tiến hành sạc cho tụ đến đạt điện áp cực đại (chính biên độ điện áp vào) sau điện áp tiếp tục trì diode khơng cho tụ xả ngược trở lại Đây gọi tụ điện san phẳng (smoothing capacitor) Thực tế đăng sau với tụ điện tải (Rl) điện áp đầu tụ cực đại thời điểm Cứ sau chu kì đạt điện áp cao nhất, tụ lại xả cho RL ít, dẫn đến dạng điện áp hai đầu tụ có dạng trên, độ chênh lệch điện áp sau lần xả gọi “ripple” 2.3 Diode Zener ứng dụng ổn áp Diode Zener Diode hay “Breakdown diode” (như chúng gọi), giống diode tiếp giáp PN tiêu chuẩn chúng thiết kế đặc biệt để có điện áp Đập ngược thấp định, tận dụng điện áp ngược áp dụng với Các diode Zener hoạt động giống diode thường bao gồm tiếp giáp P-N phân cực thuận, điện áp Anode dương so với Cathode, hoạt động giống diode bình thường cho qua dịng điện định mức Tuy nhiên, khơng giống diode thơng thường chặn dịng điện qua bị phân cực ngược, Cathode trở nên dương so với Anode, điện áp ngược đạt đến giá trị xác định trước diode zener bắt đầu cho dòng điện theo hướng ngược lại Điều điện áp ngược áp dụng diode zener vượt điện áp định mức thiết bị, trình gọi Sự cố Avalanche xảy lớp suy giảm chất bán dẫn dòng điện bắt đầu chạy qua diode để hạn chế tăng điện áp Dòng điện chạy qua diode zener tăng đáng kể đến giá trị mạch cực đại (thường bị giới hạn điện trở nối tiếp) đạt được, dòng bão hịa ngược trì ổn định dải điện áp ngược Điểm điện áp điện áp diode zener trở nên ổn định gọi điện áp zener điện tử, (Vz) điốt zener, điện áp dao động từ volt đến vài trăm volt Điểm điện áp zener cho phép dịng điện chạy qua diode điều khiển xác (dung sai 1%) giai đoạn pha tạp cấu trúc bán dẫn cho ta “điện áp đánh thủng zener” cụ thể, (Vz) cho ví dụ: 4.3V 7.5V Điện áp đánh thủng zener đường đặc tính I/V gần đường thẳng đứng Đặc tính Diode Zener Trong mạch mà bọn em sử dụng, chúng em dùng diode zener nhằm mục đích ổn áp, tìm hiểu mạch ổn áp sử dụng diode Zener: Điện trở, R S kết nối nối tiếp với diode zener để hạn chế dòng điện qua diode với nguồn điện áp, V S kết nối với nguồn áp Điện áp đầu ổn định V lấy hai đầu diode zener Cathode diode zener kết nối cực cho để bị phân cực ngược hoạt động điều kiện ổn áp Điện trở R S chọn để hạn chế dòng điện chạy mạch CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 3.1 Phương pháp nguyên lý điều khiển 3.1.1 Về nguồn vào Pin mặt trời gọi pin quang điện thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện absn dẫn để tạo dòng điện chiều.Loại pin mặt trời thông dụng sử dụng loại Silic tinh thể Có loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic - Một tinh thể hay đơn tinh thê module Đa tinh thể Dải Silic làm từ miếng phim mỏng từ Silic Hoạt động pin mặt trời chia làm ba giai đoạn: - Giai đoạn 1: Đầu tiên lượng từ photon ánh sáng hấp thụ hình thành cặp electron-hole chất bán dẫn - Giai đoạn 2: Các cặp electron-hole sau bị phân chia ngăn cách tạo loại chất bán dẫn khác (p-n junction) Hiệu ứng tạo nên hiệu điện pin mặt trời - Giai đoạn 3: Pin mặt trời sau nối trực tiếp vào mạch ngồi tạo nên dịng điện Các pin lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng thực tế Do giá thành đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho vùng mà điện lưới khó vươn tới núi cao, ngồi đảo xa, phục vụ hoạt động không gian; cụ thể vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Đặc tính làm việc pin mặt trời Theo tính tốn thực nghiệm nhóm cho thấy để có điện áp ≈ 4,7V, dòng điện ≈ 0,75A (trong giới hạn chịu đựng diode chỉnh lưu) chúng em cần nguồn lượng mặt trời có cơng suất khoảng 4,5W Phạm vi điện áp pin hoạt động: – 10V Thực tế bọn em sử dung pin mặt trời 6V-2W, pin 6V-0.5W mắc song song Đồng thời bọn em thiết kế them đèn led để báo hiệu pin mặt trời có nạp điện hay không, chất lượng điện áp Ở cường độ sáng đèn led phụ thuộc vào điện pin mặt trời 3.1.2 Chỉnh lưu Ở cường độ điện áp thực tế ổn định cần chỉnh lưu với tụ san phẳng nhằm làm cho điện áp gần giống với điện áp mong muốn 3.1.3 Ổn áp Với điện áp sau khối chỉnh lưu khoảng tầm 5.3 V, ta cần chỉnh lưu để tầm 5V cho điện áp 3.1.4 Lọc nhiễu tụ Tụ điện sử dụng lọc điện tử tương tự Lý cho điều trở kháng tụ điện hàm tần số, giải thích viết trở kháng phản ứng Điều có nghĩa ảnh hưởng tụ điện đến tín hiệu phụ thuộc vào tần số, thuộc tính sử dụng rộng rãi thiết kế lọc Với nhiễu, tần số cao nên tụ xem ngắn mạch cho áp 0V, với điện áp vào từ zener, xem gần chiều nên tụ hở mạch, truyền đạt đầy đủ điện áp 3.1.5 Khóa điện tử dùng BJT Như đề cập, điện áp pin li-ion tăng dần sạc đầy, cần khóa điện tử có chức ngắt mạch áp vào đạt quy định (tầm 5V) Ở đay khóa điện tử sử dụng BJT, lợi dụng tính chất giống hở mạch miền Cut-off BJT Đồng thời khóa cịn có khả giảm dần dịng điện điện áp pin tăng lên ( thực chất mối quan hệ Ube Ie), hoàn tồn phù hợp với ngun lí sạc pin CHƯƠNG : GIỚI THIỆU KHÁI VỀ MẠCH SẠC ĐIỆN THOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10 3.1 Yêu cầu, mục tiêu mà đề tài hướng tới 3.1.1 Yêu cầu Do thiết bị mà nhóm em nghiên cứu điện thoại phổ biến dòng máy android: Samsung, xiami,…Nên yêu cầu điện áp mạch sạc phải đáp ứng thông số điện áp, dịng điện thơng số kỹ thuật khác mà nhà sản xuất quy định Ở đề tài này, nhóm bắt đầu vào triển khai cơng việc đề yêu cầu kiên như: điện áp mạch ≈ 4,7-5 V Đồng thời cần phải có nguyên lý tự ngắt máy sạc đầy 3.1.2 Mục tiêu Trước hết mạch sạc lượng mặt trời cần đáp ứng sạc cho điện thoại cách ổn định, thân thiện với máy Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản song đáp ứng yêu cầu đề Chi phí sản xuất thấp phù hợp với nhiều người dùng 3.2 Các đối tượng đề tài nghiên cứu Bao gồm máy điện thoại thông dụng nay, thời gian thảo luận triển khai nhóm có dùng điện thoại Samsung J3 để text mạch 3.3 Sơ đồ nguyên lí mạch: Mạch lên ý tưởng sau 11 Nguyên lí hoạt động: Pin mặt trời với điện áp tối đa 6V không ổn định, sau qua khối chỉnh lưu trở thành điện áp chiều 6Vđược làm mịn Tụ lọc nhiễu ổn áp mắc song song Tín hiệu sau hai khối điện áp tầm 4,7 V Khi điện áp pin LI-ion ngày cảng tăng lên, điện áp đầu Emitter BJT tăng lên theo Trong điện áp đầu B khơng đổi, làm transistor giảm dần Khi pin sạc đến 4,7 V transistor vào vùng cut-off, trình sạc bị ngắt (Khóa điện tử) Việc sử dụng khóa điện tử cần thiết, giúp ngắt sạc đầy, ngăn tình trạng bị sạc ngược 3.4 Sơ lược linh kiện sử dụng 3.4.1 Pin mặt trời Ở đề tài nhóm chúng em sử dụng pin mặt trời ZW 136X110-3 với thông số - Điện áp pin: 6V - Công suất: pin 2W - Kích thước: 100 x 120 mm - Pin cấu tạo tế bào quang điện đa tinh thể 3.4.2 Diode chỉnh lưu 12 Có nhiều loại điốt bán dẫn, điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED Chúng có nguyên lý cấu tạo chung khối bán dẫn loại P ghép với khối bán dẫn loại N nối với chân anode cathode Ở đề tài nhóm em sử dụng Diode 1N4007 1A (DIP) Thơng số kỹ thuật: - Model: plastic, DO-41 Điện áp làm việc: 50 –1000V Dòng điện giới hạn: Imax= 1A Nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 150oC Diode 1N4007 diode silic chỉnh lưu phổ biến 1A thường sử dụng adapter AC cho thiết bị gia dụng thông thường Diode 1N4007 chịu điện áp tối đa lên đến 1000V Dòng điện cực đại qua diode 1N4007 1A, dịng cao gây nóng cháy diode, giới hạn khả chọn lựa công suất pin mặt trời 4.3.3 Đèn Led LED (viết tắt Light Emitting Diode, có nghĩa điốt phát quang) điốt 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 Ở đề tài nhóm em sử dụng “Led ĐỎ” VỚI ĐIỆN ÁP YẾU CẦU KHOẢNG 1,5 V ĐẾN V DÒNG KHOẢNG 10 mA 4.3.4 Diode Zener Điố t Zener (Zener diode) gọi điốt ổn áp, loại Điốt bán dẫn làm việc chế độ phân cực ngược vùng điện áp đánh thủng (breakdown) Điện áp gọi điện áp Zener hay thác lở (avalanche) Khi giá trị điện áp thay đổi Ở đề tài nhóm em đinh sử dụng “Diode Zener 1/2W 4.7V DIP 1N5230B” với thơng số hình Tuy nhiên sau tiến hành thử nghiệm, tính tốn đến lượng áp bị sụt, chúng em thay diode Diode Zener 1/2W 5.6V DIP 1N5232B 13 4.3.5 Transistor Transistor hay tranzito loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường sử dụng phần tử khuếch đại khóa điện tử Ở đề tài nhóm em định sử dụng “2N2222TO92 TRANS NPN 0.6A 40V (DIP)” Tuy nhiên thức tế transisto nóng dòng điện 0,3 A nên thay transistor khác D882 TO126 TRANS NPN 3A 30V (DIP) + tản nhiệt Bảng thông số 4.3.6 Điện trở, tụ điện, PCB, điện thoại linh kiện khác - Điện trở led: R1 = 450 Ohm 14 - Điện trở mạch ổn áp R2 Theo ta chọn R2 = 560 Ohm Ngoài ta chọn lựa tụ điện C dựa nhu cầu ripple điện áp sau chỉnh lưu san phẳng, ta chọn C= 100 4.4 Thử nghiệm thực tế đánh giá Ngay sau hoàn thành mạch thật bọn em tiến hành đánh giá thử nghiệm với ánh sáng đèn bàn, kết quả: đèn led sáng sạc dự phịng hay điện thoại có báo vào Tuy nhiên đèn báo sạc bị nhấp nháy nhiều, bên cạnh phải điều chỉnh vị trí đèn bàn góc phù hợp báo sạc 2.4.2Đánh giá: Ưu điểm: + Đơn giản, dễ làm +Sử dụng lượng mặt trời Nhược điểm: +Sạc không ổn định + Pin mặt trời có hiệu suất thấp giá thành cao +Dịng điện nhỏ (~ 0,7 A) so với dòng tiêu chuẩn điện thoại (1-2 A) 2.4.3 Định hướng cải tiến phát triển mạch: + Tìm cách để tối ưu hóa góc quay pin mặt trời nhiều tốt (có thể liên hệ với đồ án pin mặt trời tự xoay nhóm lớp học ĐTTT TC304) 15 +Tìm cách để tăng dịng điện lên cao mà khơng tổn hại đến linh kiện (như mạch cũ dịng q 1A mức cho phép diode chỉnh lưu) +Sử dụng transistor trường để làm khóa điện tử +Có thể thực ổn áp IC họ LA78 Việc thực đề tài có ý nghĩa lớn với bạn sinh viên, giúp bạn sinh viên làm việc với mạch thật, bắt tay vào tính tốn linh kiện thiết bị, tập làm quen vơi thay đổi linh kiện thử nghiệm thất bại, phẩm chất hoàn toàn cần thiết cho người kĩ sư ngành điện tương lai Sau cùng, chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Cảnh Quang tâm huyết việc giảng dạy, với tạo điều kiện thuận lợi chúng em có thời gian hồn thành đồ án hợp lí Chúng em cảm ơn thầy 16 ... nóng lượng mặt trời, nấu ăn lượng mặt trời, trình nhiệt độ cao nhiệt cho công nghiệp purposes Để thu lượng mặt trời, cách phổ biến sử dụng lượng mặt trời Công nghệ lượng mặt trời mô tả rộng rãi lượng. .. lượng mặt trời thụ động lượng mặt trời chủ độngtùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi phân phối lượng mặt trời Kỹ thuật lượng mặt trời hoạt động bao gồm việc sử dụng quang điện lượng mặt trời. .. Nguồn lượng mặt trời Năng lượng mặt trời, xạ ánh sáng nhiệt từ Mặt trời, khai thác người từ thời cổ đại cách sử dụng loạt công nghệ phát triển hết Bức xạ mặt trời, với tài nguyên thứ cấp lượng mặt