Đề tài thiết kế và thi công máy sạc xung cho ắc quy

1 LỜI NÓI ĐẦU 1. GIỚI THIỆU Ngày nay, nguồn xung được sử dụng ngày càng rộng rãi. Người ta biết đến nguồn xung như một thiết bị biến đổi điện áp AC sang DC với hiệu suất cao. Đó là lý do mà nguồn xung được sử dụng trong các thiết bị tiết kiệm điện, bóng đèn tiết kiệm điện là một ví dụ cụ thể nhất. Do đó, sẽ là một thiếu sót lớn n ếu ta không sử dụng nguồn xung trong những ứng dụng khác, như dùng để sạc ắc-quy chẳng hạn. Vì nhiều lý do khác nhau, ắc-quy ngày nay vẫn còn được sử dụng và chiếm vị trí không thể thay thế. Một ứng dụng cụ thể của ắc-quy là sử dụng trong các robot của trường học Lạc Hồng. Trên thực tế, đa phần các máy sạc ắc-quy đang được sử dụng chỉ đơn thuần là một biến áp sắt từ và diode cầu. Các máy sạc này không hề có bộ phận điều khiển nạp cũng như đề phòng sự cố. Nếu người sử dụng không để ý khi sử dụng, họ rất dễ làm hư máy sạc và ắc-quy khi để xảy ra sự cố: ngắn mạch ngõ ra máy sạc hoặc kết nối ngược cực ắc-quy với máy sạc. Do đó, m ột máy sạc ắc- quy được thiết kế để khắc phục các nhược điểm trên là điều cần thiết. Nhận thấy yêu cầu do thực tế cuộc sống đặt ra như kể trên đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY SẠC XUNG CHO ẮC-QUY” do nhóm thực hiện ra đời từ đó. 2. TẦM QUAN TRỌNG Ở nước ta, thói quen tiêu dùng của người dân đang có những chuyển biến tích cực. Nếu lúc trước, đa số người dân thường chọn những mặt hàng rẻ, vừa với túi tiền là tiêu chí khi tiêu dùng nói chung và khi mua sắm các sản phẩm điện tử nói riêng. Những năm gần đây, vấn đề chất lượng của mặt hàng càng được quan tâm. Người dân s ẵn sàng bỏ ra một số tiền cao hơn một chút, nhưng mua được sản phẩm dễ sử dụng, hơn là sản phẩm rẻ tiền và hay hư hỏng. Khi hoàn thành đề tài, nhóm thực hiện sẽ giới thiệu một máy sạc ắc-quy đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng kể trên. Người sử dụng hoàn toàn 2 yên tâm khi sử dụng thiết bị này, bởi nó hoàn toàn dễ sử dụng. Người sử dụng không cần lo lắng khi vô tình thao tác sai, máy đã được thiết kế để đề phòng các sự cố này. Người sử dụng cũng không cần ngồi sát bên máy sạc để chờ ắc-quy đầy như xưa nữa. Khi ắc-quy đầy, nó sẽ sáng đèn để báo và phát ra một đoạn nhạc, ắc-quy cũng được tự động ngắt khỏi nguồn điện sạc. Với máy sạc do nhóm thiết kế, nó được kì vọng sẽ thay thế được các máy sạc kém chất lượng hiện có bởi tính tiện lợi của nó. 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích của đề tài là tìm ra hướng thiết kế máy sạc ắc-quy mới, qua đó sẽ kéo dài tuổi thọ ắc-quy mà vẫn đảm bảo sạc nhanh. Một mục đích không kém phần quan trọng là tạo ra sự thay đổi nhận thức trong việc thiết kế mạch điện tử của sinh viên. Lâu nay, khi muốn điều khiển một chu trình một cách tự động thì sinh viên hay sử dụng vi điều khiển. Hoàn thành đề tài này như một hành động chứng minh là: không nhất thiết ta phải dùng vi điều khiển trong mọi trường hợp. 4. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Để có thể giải quyết được những vấn đề đã đặt ra như trên, nhóm nghiên cứu đã đặt ra những chỉ tiêu sau cho máy sạc được thiết kế: − Vận hành đơn giản. − Có đèn báo chế độ làm việc. − Có khả năng điều chỉnh vô cấp dòng nạp. Dòng nạp hiển thị qua ampere kế. − Tự động ngắt nguồn nạp khi không sạc ắ c-quy. Khi ắc-quy đầy, máy sạc sẽ ngắt nguồn nạp và phát một đoạn nhạc dài 30s. − Có tính năng bảo vệ ngắn mạch ngõ ra. − Phải có cơ chế phòng ngừa và cảnh báo sự cố đấu ngược cực ắc-quy. 3 Dựa trên những chỉ tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã phác thảo sơ đồ khối máy sạc như sau: Hình 1: Tổng quan về mạch sạc ắc-quy. Máy sạc ắc-quy do nhóm thực hiện thiết kế sẽ sử dụng một nguồn xung để cung cấp năng lượng nạp cho ắc-quy. Bên cạnh đó, máy còn có mạch điều khiển việc nạp ắc-quy và phòng ngừa sự cố xảy ra. Vi ệc thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY SẠC XUNG CHO ẮC-QUY” có thể chia ra làm ba giai đoạn chính: − Giai đoạn đầu tiên là thiết kế nguồn xung để nạp ắc-quy. Đây là giai đoạn có thể nói là quan trọng nhất trong quá trình thực hiện đề tài. Với việc thiết kế nguồn xung không được giảng dạy trong Khoa Cơ Điện, nhóm sinh viên thực hiện đề tài đã phải đọc tài liệu để tự nghiên cứu. Việc áp dụng lý thuyết vào thực tế cũng đòi hỏi sự linh hoạt trọng việc vận dụng, bất cứ một sai sót nào cũng có thể dẫn đến thất bại. Bên cạnh đó là sự nguy hiểm cho người thiết kế do phải sử dụng trực tiếp nguồn điện 220V AC . − Giai đoạn thứ hai là thiết kế mạch điều khiển nạp ắc-quy. Để có thể dễ dàng chuyển giao công nghệ, nhóm thực hiện đã phải nghiên cứu, tìm hiểu sao cho chỉ dùng các IC thông dụng mà vẫn đảm bảo tính tự động hoá cho mạch. Cộng thêm đó là sự tích hợp thêm các tính năng bảo vệ ngắn mạch, ngược cực ắc-quy. Đây là các tính năng cần thiết như ng lại không hề có sơ mạch ở bất cứ đâu để tham khảo. Do đó, nhóm thực hiện đã phải thể hiện hết sức tính sáng tạo trong việc vận dụng kiến thức đã học vào thực tế. − Giai đoạn cuối cùng cũng không kém phần quan trọng là thiết kế vỏ hộp cho máy sạc. Trong giai đoạn này, nhóm thực hiện phải vận dụng các ki ến thức HỒI TIẾP NGUỒN XUNG DÒNG NẠP 220V AC ẮC-QUY MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4 về gia công trên máy CNC, qua đó vỏ hộp được thiết kế mới có độ chính xác và thẩm mỹ đạt yêu cầu. Hoàn thành ba giai đoạn trên, nhóm thực hiện cũng đã hoàn thành việc thực hiện đề tài ở mức tốt nhất có thể. Bước đầu, qua thực tế sử dụng máy đã cho kết quả đạt được như đã đề ra. Đây có thể xem là thành quả rất đáng khích lệ sau những c ố gắng không biết mệt mỏi của nhóm sinh viên thực hiện. 5 CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI Máy sạc xung do nhóm thực hiện thiết kế gồm có hai bộ phận chính: nguồn xung công suất và mạch điều khiển. 1.1. Nguồn xung công suất Nhiệm vụ của nguồn xung là cung cấp công suất để nạp cho ắc-quy. 1.1.1. Tổng quan về nguồn xung [1] Khi nói đến nguồn xung, người ta có thể kể một số mạch biến đổi thông dụng như: − Mạch biến đổi đẩy kéo (push-pull converter). − Mạch biến đổi cầu toàn phần (full-bridge converter). − Mạch biến đổi cầu bán phần (half-bridge converter). − Mạch biến đổi thuận (forward converter). − Mạch biến đổi hồi tiếp (flyback converter). − Mạch biến đổi chuyển mạch (buck converter). − Mạch biến đổi khuếch đại (boost converter). Nguồn xung được lựa chọn để thực hiện đề tài này là: mạch biến đổi đẩy kéo . Mạch biến đổi đẩy kéo có những ưu nhược điểm sau: 1.1.1.1. Ưu điểm − Công suất ngõ ra lớn gấp đôi so với mạch biến đổi thuận với cùng kích thước lõi ferrite (lõi từ dùng để chế tạo biến áp xung được biết với tên lõi ferrite). − Cách ly giữa điện áp ngõ vào và điện áp ngõ ra (trái ngược với mạch biến đổi chuyển mạch hoặc khuếch đại). 6 − Tiết diện dây sơ cấp nhỏ hơn một nửa so với mạch biến đổi bán phần với cùng kích thước lõi ferrite và cùng công suất ngõ ra. − Sơ đồ mạch không quá phức tạp như mạch toàn phần. − Xung nhọn điện áp ngõ ra nhỏ (trái ngược hoàn toàn với mạch biến đổi hồi tiếp). 1.1.1.2. Nhược điểm − Điện áp đặt trên MOSFET công suất gấp đôi so v ới mạch biến đổi bán phần. − Số vòng dây sơ cấp gấp đôi so với mạch biến đổi bán phần. Tuy còn một số nhược điểm nêu trên nhưng ngày nay mạch đẩy kéo vẫn được sử dụng khá nhiều bởi những ưu điểm của nó. 1.1.2. Sơ đồ khối mạch nguồn xung công suất Hình 1.1: Sơ đồ khối nguồn xung. Nguồn xung được thi ết kế và thi công là dạng biến đổi điện áp DC cao áp và chưa ổn định ở ngõ vào thành điện áp điện áp DC điện áp thấp hơn nhưng ổn định ở ngõ ra. Dựa trên nguyên lý và sơ đồ khối nguồn xung trên, ta thấy rằng: từ điện áp AC của lưới điện sẽ được nắn bằng diode cầu, tạo nguồn điện áp DC cao áp. Điện CHỈNH LƯU HỒI TIẾP 220V AC BIẾN ÁP XUNG NGUỒN DC IC ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PH Ụ TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN 7 áp DC này sẽ nạp cho một tụ cao áp, mục đích là để tích trữ năng lượng. Qua việc đóng ngắt của các MOSFET công suất để tạo sự biến đổi từ thông trong lõi ferrite, tạo điện áp ở ngõ ra. Để điều khiển quá trình đóng ngắt này, ta cần có IC chuyên dùng. Muốn IC này hoạt động, ta phải có nguồn nuôi cho nó. Do đó, từ điện áp AC phải có một biến áp công suất nhỏ để hạ áp, sau đ ó được chỉnh lưu làm nguồn nuôi cho IC này. Điện áp ngõ ra muốn thật sự ổn định thì phải cần đến mạch hồi tiếp. Mạch hồi tiếp có nhiệm vụ chuyển các giá trị dòng điện, điện áp xem có đạt giá trị định mức hay chưa. Cụ thể: − Mạch hồi tiếp điện áp: nhằm giữ điện áp ở một ngưỡng đặ t trước. − Mạch hồi tiếp dòng điện: vòng hồi tiếp này chỉ dùng cho chức năng bảo vệ mạch. Khi dòng điện ngõ ra lớn hơn công suất thiết kế thì mạch sẽ bị ngắt, bảo vệ mạch tránh khỏi tình trạng hư hỏng. Với ý tưởng thiết kế: mạch nguồn xung chỉ hoạt động khi có ắc-quy kết nối vào máy, mạch nguồn xung sẽ thiết kế sao cho khi chỉ có tín hiệu từ mạch điều khiển gởi đến thì nguồn xung mới được phép hoạt động. 1.1.3. Sơ đồ nguyên lý của nguồn xung L1 5mH 1 3 2 4 C10 103/1KV F1 2A 15VIN R15 1M C15 1000uF T2 BIEN AP 9V 13 24 D5INPUT J2 CON2 1 2 R41 5R6/5W 15VIN + - ~ ~ D14 2A C12 104 + - ~ ~ D1 5A RV1 431K C6 150uF/400V 310V C22 104/1KV a) Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào. 8 b) Khối nguồn phụ cho quạt tản nhiệt. c) Khối chuyển đổi công suất. J3 SHDN 1 2 VREF R3 5K6 C5 103 C7 472 D20 SHDN R6 3K3 R12 470 C1 10uF U5 SG3525A 3 9 10 4 11 14 12 2 1 13 15 5 8 7 6 16 SYNC COMP SHDN OSC OUTA OUTB GND +IN -IN VC +VI CT SS DISCHG RT VREF R19 33 R17 33 R43 2K2 D13 4148 +IN -IN SHUTDOWN VREF 15VIN R5 1K R4 100 -IN D19 4148 VREF FET B R7 3K3 C8 10uF D11 4148 ISO4 PC817 12 43 FET A d) Khối IC điều khiển MOSFET công suất. SHUTDOWN Q3 C1815 ISO2 PC817 12 43 15V_OUT R22 3K3 R38 1K R18 1K R20 1K VREF R35 1K 15V_OUT R26 470 R212K2 R10 1K R23 1K2 R11 470 R14 1K Q5 MCR100 C20 47nF U4 KA431 ISO1 PC817 12 43 GATE R9 3K3 R27 470 R34 1K R24 33 VREF R39 680 +IN e) Khối hồi tiếp dòng điện. f) Khối hồi tiếp điện áp. Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn xung công suất. R28 10K KHOI CHUYEN DOI CONG SUAT 310V F2 4A D12 BTTH3003C R30 8K2/2W FET A +IN R37 0.1R/5W D16 FR107 D6 OUTPUT Q2 K1120 C17 221/1KV J1 QUAT 1 2 C11 2200uF/35V R32 4k7 ISO5 PC817 12 43 15V_OUT J6 CON2 1 2 R31 470/1W D12_2 D12_1 T1 FER 33 12 7 9 10 2 3 4 6 Q1 K1120 D15 FR107 R16 0.1R/2W FET B 15V_OUT C16 221/1KV C23 220uF +SENSE R29 10K R33 8K2/2W U6 7812 13 2 VINVOUT GND L 20uH 1 2 KHOI NGUON PHU CHO QUAT TAN NHIET 9 Để tạo thuận lợi cho quá trình phân tích mạch, nhóm thực hiện xin được phép chia mạch nguồn xung ra làm các khối nhỏ hơn. Sau đây xin đi vào phân tích từng khối. 1.1.3.1. Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào L1 5mH 1 3 2 4 C10 103/1KV F1 2A 15VIN R15 1M C15 1000uF T2 BIEN AP 9V 13 24 D5INPUT J2 CON2 1 2 R41 5R6/5W 15VIN + - ~ ~ D14 2A C12 104 + - ~ ~ D1 5A RV1 431K C6 150uF/400V 310V C22 104/1KV Hình 1.3: Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào. Chức năng các linh kiện trong khối này:  Cầu chì F1 và varistor RV1 tạo thành một hệ thống bảo vệ quá dòng và quá áp: − Khi có hiện tượng quá dòng (nguyên nhân chủ yếu là do chập mạch), cầu chì F1 sẽ bị đứt, ngắt nguồn cấp để bảo vệ các linh kiện không bị hư hỏng thêm. − Varistor VR1 được chọn có thể chịu được đến điện áp 240V. Khi điện áp ngõ vào lớn hơn 240V, nội trở của varistor sẽ giảm xuống khá nhanh, tạo hiện tượng như là ngắn mạch và làm đứt cầu chì F1, ngắt điện cung cấp cho nguồn.  Cuộn cảm L1: ngăn chặn xung nhiễu tần số cao không cho lọt vào nguồn.  Tụ C10 và C22: Tụ lọc đầu vào, làm chập mạch các xung nhiễu tần số cao. 10  Điện trở R41: hạn dòng nạp ban đầu cho tụ C6, hạn chế việc phóng tia lửa điện khi cắm nguồn cấp cho máy sạc.  Tụ C6: tích trữ năng lượng để cấp cho máy biến áp xung để phục vụ chuyển hoá năng lượng.  LED D5 và điện trở R15 dùng để báo nguồn ngõ vào và tạo đường xả cho tụ C6 khi máy sạc ngưng hoạt động. Tóm lại: T ừ điện áp 220V AC , qua các bộ phận bảo vệ (cầu chì, varistor), qua tụ và cuộn dây để lọc xung nhọn cao tần, qua điện trở hạn dòng và nạp cho tụ để tích trữ năng lượng. Điện áp 220V AC cũng cung cấp cho máy biến áp T2 để tạo điện áp 9 V AC ở ngõ ra biến áp, qua diode D14 và diode cầu D15 tạo ra nguồn phụ cấp cho IC SG3525. 1.1.3.2. Khối IC điều khiển lái MOSFET công suất 1.1.3.2.1. Giới thiệu IC điều khiển nguồn xung SG3525 [6] IC SG3525 là IC chuyên dùng trong nguồn xung, nó có thể được sử dụng trong các mạch nguồn sau: − Mạch biến đổi đẩy kéo. − Mạch biến đổi bán phần. − Mạch biến đổi toàn phần. − Mạch biến đổi chuyển mạ ch. So với những IC có cũng chức năng khác như: TL494, SG3524… IC SG3525 có những ưu điểm sau: − Có tích hợp bộ lái MOSFET hoặc IGBT trên IC. − Tần số hoạt động: 100 Hz đến 400 kHz.