Đề tài thiết kế, chế tạo mạch nạp acquy tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: “Thiết kế, chế tạo mạch nạp acquy tự động” Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực : Trần Xuân Tiến : Nguyễn Bá Quân Đinh Văn Phú Lớp : 112171A NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………… Hưng Yên, ngày… tháng… năm 2019 Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ACQUY 1.1 ACQUY AXIT 1.1.1 CÁC LOẠI ACQUY AXIT 1.1.2 CẤU TẠO CỦA ACQUY AXIT 1.2 ACQUY KIỀM 12 1.2.1 Cấu tạo acquy kiềm 12 1.2.2 Nguyên lý hoạt động acquy kiềm 13 1.3 Dung lượng acquy 13 1.4 Sự khác ac quy axít ácquy kiềm 15 1.5 Điện trở nội Ắc quy 16 1.6 Kỹ thuật Nạp Ắc quy 17 1.6.2 Các phương pháp nạp Ắc quy 18 1.7 Đặc tính phóng nạp acquy 22 1.7.1 Đặc tính phóng ac quy 22 1.7.2 Đặc tính nạp acquy 23 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP CHỈNH LƯU CĨ ĐIỀU KHIỂN 26 2.1.Chỉnh lưu nửa chu kì có điều khiển 26 2.2.Chỉnh lưu chu kì có điều khiển 26 2.3 Chỉnh lưu cầu điều khiển hoàn toàn .27 2.4.Chỉnh lưu cầu bán điều khiển 28 2.5 Bảo vệ điện áp cho van 30 2.6 Giới thiệu vi mạch TCA 785 .32 2.6.1 Giới thiệu chung 32 2.3.3 Tính tốn phần tử bên ngồi 37 2.3.4 Nguyên lí làm việc TCA 785 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MẠCH 40 3.1 Sơ đồ khối 40 3.1.1 Khối nguồn 40 3.1.2.Khối điều chỉnh điện áp 41 3.1.3.Khối mạch lực 42 3.1.4.Khối đóng cắt 42 3.2 Sơ đồ nguyên lý 44 3.3.Sơ đồ mạch board 44 3.4 Nguyên lý hoạt động toàn mạch .45 3.5 Khảo sát mạch nguồn .46 CHƯƠNG 4: HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỜI KẾT .50 4.1 Ưu điểm: 50 4.2 Nhược điểm: 50 4.3 Hướng phát triển 50 4.4 Lời kết 50 LỜI NĨI ĐẦU Trước mơ ̣t nền khoa học và kỹ thuâ ̣t ngày càng phát triển hiê ̣n với nhiều linh kiê ̣n và sự sáng tạo mới đã giúp ích rất nhiều cho người như: Máy tính, xe đạp điê ̣n, ô tô-xe máy,…Nhưng chúng ta ít biết rằng không phải là chúng ta cắm điê ̣n 220v vào máy tính thì máy có thể chạy hay điê ̣n có xe là dòng điê ̣n cấp trực tiếp từ lưới điê ̣n 220V Mà thực chất thì dòng điê ̣n 220V đó đã được biến đổi thành mô ̣t dạng khác và dạng khác được nói ở chính là dòng điện mô ̣t chiều và nó đã được tích trữ các loại acquy, pin, tụ điê ̣n… Tuy phận cấp nguồn chiều chỉ là mô ̣t phần rất nhỏ của toàn bô ̣ khối làm viê ̣c chung mạch Nhưng nó lại giữ mô ̣t vai trò rất quan trọng và nếu thiếu nó thì cả khối đó sẽ khó có thể làm viêc có hiê ̣u quả được Cho nên nhóm chúng em đã quyết định chọn nghiên cứu, lắp ráp mạch cấp nguồn mô ̣t chiều ứng dụng thực tế dùng để sạc acquy Qua thời gian nghiên cứu với hướng dẫn tâ ̣n tình của thầy Trần Xuân Tiến, chúng em hoàn thành mạch cấp nguồn chiều sạc cho loại acquy 12V Đây là đồ án với kết hợp điện tử công suất – truyền động điện mà chúng em thực vẫn còn mắc phải nhiều thiếu sót, chúng em rất mong được thầy cô hướng dẫn chỉ bảo thêm để chúng em có thể hoàn thiê ̣n tốt đồ án này và những đồ án sau Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ACQUY Acquy dạng nguồn điện hóa học dùng để lưu trữ điện dạng hóa Có dạng acquy acquy axit acquy kiềm 1.1 ACQUY AXIT 1.1.1 CÁC LOẠI ACQUY AXIT 1.1.1.1.Acquy “châm nước”  Có nghĩa phải “châm nước” (bảo dưỡng) thường xuyên ắc quy cạn dung dịch Nếu không châm dung dịch acid kịp thời, ắc quy khả tích điện, phóng điện chí bị phù (trương), hỏng Khi sạc, dung dịch bên ắc quy thường bốc mùi khó chịu gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe Khi đặt sai vị trí (nghiêng, sấp, …), dung dịch ắc quy ngồi Vì điểm yếu mà dịng ắc quy thường dùng mơi trường ngồi trời dùng để khởi động động cơ, máy phát, xe tải, ô tô… 1.1.1.2.Ắcquy miễn bảo dưỡng  Miễn bảo dưỡng không cần phải can thiệp cách châm nước acquy châm nước ) Khi sạc khí ngồi dịng sản phẩm châm nước; để khơng vị trí (nghiêng, sấp, …) dung dịch bên ắc quy ngồi Nó thiết kế hầu hết cho mục đích “khởi động” hay cịn gọi “kích điện” – điều thể hai cực ắc quy (thông thường hai cực thiết kế theo dạng trịn lớn – kích điện, ví dụ cho xe tải, xe tơ, máy phát, … acquy cần phóng lượng điện cực lớn khoảng thời gian ngắn để khởi động động cơ) 1.1.1.3 Acquy Kín khí  Có lẽ thuật ngữ “acquy kín khí” xác để đặt tên cho loại acquy (vì kín khí tức khí khơng thể ngồi; khí khơng dung dịch acquy khơng thể “lọt” tất tư khác nhau) Hai cực dương âm loại acquy thường thiết kế mảnh mai Điều dễ hiểu, ắc quy khơng dùng cho mục đích khởi động mà dùng cho mơi trường cần dịng phóng ổn định trì dịng phóng khoảng thời gian dài Acquy kín khí thiết kế đa dạng cho nhiều mục đích khác 1.1.1.4 Acquy AGM Gel Cũng khơng phải “khơ” Thực ra AGM Gel cũng dịng kín khí Tuy nhiên, cấu tạo khác với acquy kín khí thơng thường chỗ, phần dung dịch acid Sunfuric acquy phủ thêm lớp Gel, có tác dụng làm giảm tiến độ ăn mịn q trình vận hành acquy giúp ngăn chặn hiệu trình bay dung dịch (acquy cạn dịch khơng thể hoạt động được; q trình bay dung dịch chậm tuổi thọ acquy lâu) Do vậy, tuổi thọ acquy tăng lên tương ứng 1.1.1.5 Acquy khô (Gel 100%) Về chất khơng phải ắc quy khô thực mà tồn axit H2SO4 bên thay dạng dung dịch có dạng gel Tuy nhiên, nhiều người có thói quen gọi ắc quy kín khí ắc quy khô để phân biệt với ắc quy nước (dùng dung dịch lỗng) nên ta tạm gọi acquy khơ Ắc quy khơ thường dùng cho USP khó xuất dịng điện lớn tức thời khởi động nên không dùng cho mẫu xe tải Trong đó, ắc quy dùng cho xe tơ điện lại loại khác 1.1.2 CẤU TẠO CỦA ACQUY AXIT 1.1.2.1 Cấu tạo tổng quát acquy axit Hình1.1:Cấu tạo tổng quát acquy axit   - Bình ắc quy axit gồm vỏ bình, bên có ngăn riêng Số ngăn tùy thuộc vào điện áp định mức bình:              + ắc quy 6V thường ngăn (2,1V/1Cell)              + ắc quy 12V thường ngăn (2,1V/1Cell)         - Vỏ bình:             + Chế tạo từ loại nhựa ebonit, axphantopec             + Để tăng độ bền vững khả chịu axit, người ta ép vào bên bình lớp lót chịu axit dày 0,6 mm poluclovinlim > tăng tuổi thọ vỏ bình             + Phía vỏ chia thành vách ngăn riêng biệt, đáy ngăn có sống đỡ khối cực tạo thành khoảng trống > tránh tượng chạm chập sunfat lead tạp xả             + Các ngăn ắc quy được nối tiếp với cầu nối > bình battery        - Điện cực +, - từ Cell đầu Cell cuối battery        - Dung dịch điện phân: H2SO4  + nước 1.1.2.2 Cấu tạo chi tiết acquy axit Bản cực dương Khối cực Bản cực âm Tấm Cực âm Lưới cực âm Tấm ngăn Tấm Cưc dương Lưới cực dương Hình 1.2: Cấu tạo chi tiết acquy axit   - Tấm lưới điện cực: Tạo độ bền cần thiết cho điện cực, mặt khác tập trung dòng điện > giảm điện trở cho điện cực         - Mỗi ngăn (Cell) gồm vài điện cực âm dương, từ chì nguyên chất oxit chì có độ xốp độ bền cao > điện dung ắc quy lớn + tuổi thọ đảm bảo         - Khối cực xen kẽ cách điện với qua qua ngăn có độ xốp cao Các cực loại (+, -) hàn vào vấu cực theo số lượng quy định tạo thành khối cực 1.1.2.3 Cấu tạo cell acquy axit Gồm điện cực (anode + cathode) chất điện phân Hình 1.3: Cấu tạo cell acquy axit - Cực âm: anode (bản cực làm từ chì – lead - Pb) - Cực dương: cathode (Bản cực làm từ oxit chì - lead dioxide- PbO2)  - Thông thường cực dương, âm battery không - Tấm ngăn cách điện điện cực phải có độ thẩm thấu lớn Một mặt phẳng hướng phí cực âm, mặt cịn lại có hình sóng gồ hướng cực dương  - Nước cất + H2SO4 pha chế theo nồng độ quy định phụ thuộc vào điều kiện khí hậu mùa vật liệu làm ngăn Nồng độ ắc quy có thể từ 1,21g/cm3 đến 1,31g/ cm3 Đặc biệt không để:          + Nồng độ cao + khí hậu nóng          + Nồng độ thấp + ôn đới 1.1.2.4 Nguyên lý hoạt động acquy axit * Phóng điện Hình1.4:Ngun lý phóng điện acquy axit Nối hai cực ắc quy nạp điện với phụ tải, ví dụ bong đèn lượng tích trữ ắc quy phóng qua tải, làm cho bóng đèn sáng Dịng điện ắc quy theo chiều: Cực dương ắc quy (đầu cực nối với cực dương nguồn nạp) → Tải (bóng đèn) → Cực âm ắc quy → Dung dịch điện phân → Cực dương ắc quy 10 tP 760 F 3.1 3.4 V 2x10-4 5x10-4 1/K Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn VREF 2.8 Góc điều khiển ứng với αrsef điện áp chuẩn Bảng 2.2: Các thông số TCA 785 2.3.3 Tính tốn phần tử bên ngồi -Xung cưa: Ta có f = 50Hz => T = 1/f = 20ms =>1 chu kì xung cưa : T1 = 10ms Sườn lên : 9.5 ms Sườn xuống : 0.5ms Chọn tụ cưa: C10 Thời điểm phát xung: Dòng nạp tụ: 500pF (min) μ F (max) V 11 R9 C10 V ref K tTr = I10 = V ref K R9 V ref K t Điện áp tụ: V10 = R C 10 TCA 785 hãng SIEMEN chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dịng điện áp xoay chiều Có thể điều chỉnh góc α từ 00 đến 1800 điện Thơng số chủ yếu TCA là: - Điện áp nguồn nuôi: US= 15V - Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA 37 - Dòng điện ra: I= 50mA - Điện áp cưa: URC max= (US- 2) V Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9= (20 Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 500) k Ω (US – 2) V IS = 200 ( μ A) Dòng điện đồng bộ: Tụ điện: ¿ ¿ C10 = 0,5 ( μ F) Tần số xung ra: f = (10 ¿ 500) Hz Chọn giá trị thực tế: C10 = 104, C12= 473 ,R9 = 33kΩ Biến trở VR1= 10kΩ - Điện áp điều khiển chọn VR2= 10kΩ - Khâu đồng pha chọn Rđồng pha = 1MΩ 2.3.4 Nguyên lí làm việc TCA 785 TCA 785 vi mạch phức hợp thực chức mạch điều khiển: “tề đầu” điện áp đồng tạo điện áp cưa đồng bộ, so sánh tạo xung Nguồn ni qua chân 16 Tín hiệu đồng đượclấy qua chân số số Tín hiệu điều khiển tụ C10; Tụ C10 nạp đến điện áp không đổi (quyết định R9) Khi khiển đưa vào chân 11 Một nhận biết điện áp kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái chuyển tín hiệu đến phận đồng Bộ phận đồng điều điện áp V10 đạt đến điện áp V11 tín hiệu đưa vào khâu logic Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V 11, góc mở α thay đổi từ đến 180o Với nửa chu kì song xung dương xuất Q 1, Q2 Độ rộng khoảng 30-80μs Độ rộng xung kéo dài đến 180o thông qua tụ C12 Nếu chân 12 nối đất có xung khoảng α đến 1800 Ngun lí hoạt động khâu tạo xung điều khiển Thyristor: 38 Hình 2.10: Ngun lí hoạt động TCA 785 Điện áp lưới sau qua máy biến áp hạ xuống 12V AC đưa vào chân số chân số qua điện trở R Tín hiệu điều khiển Vdk đưa vào chân 11 so sánh với điện áp cưa tạo tụ C10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần đầu chân 14 15 Khi xảy ngắn mạch chân 16 nhận tín hiệu cấm, chân 14 15 khơng cịn tín hiệu đầu =>Từ yêu cầu thực tiễn ta chọn IC TCA 785 hãng SIMEN sản xuất linh kiện kèm sau: C10= 104, C12= 473, R9= 33kΩ ,R5= 1MΩ,VR1= VR2= 10kΩ 39 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MẠCH 3.1 Sơ đồ khối KHỐI ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP KHỐI NGUỒN KHỐI NGUỒN KHỐI MẠCH LỰC KHỐI ĐÓNG CẮT ACQUY 3.1.1 Khối nguồn Điện áp 220V-AC qua biến áp hạ áp xuống 15V-AC sau dịng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 1A làm biến đổi từ dòng xoay chiều thành dòng chiều Sau khối chỉnh lưu cầu điện áp 15V cho qua tụ 1000µF để san phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 mắc song với tụ gốm để loại bỏ thành phần sóng hài điện áp xoay chiều Tiếp dịng điện qua IC ổn áp 7815 để ổn định điện áp 15V – DC qua tụ 470uf để 40 san phẳng điện áp ra, mắc song song với tụ gốm để loại bỏ xung nhọn mạch độ đưa điện áp cung cấp cho mạch 3.1.2.Khối điều chỉnh điện áp - IC TCA 785 (có tích hợp khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung, khuếch đại) tạo xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor BT151 ( T1 T2) - Chân 11 TCA chân nhận điện đáp điều khiển ( từ đến 11V) để thay dổi góc kích mở Thyristor từ đến 180 độ - Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển Giả sử ta đạt điện áp diều khiển thay đổi từ đến 11V vào chân 11 IC TCA785, chân 14 15 IC TCA785 xuất chuỗi xung thay đổi từ 0o đến 1800 41 3.1.3.Khối mạch lực 3.1.4.Khối đóng cắt 42 a Khối tự ngắt Khi điện trở R5 thấp, điện áp từ dương nguồn qua R7 âm nhiều, đồng nghĩa với việc điện áp chân B T2 bị gảm theo , ngưỡng áp ngắt tăng cao, tăng đến áp chân B đến 0,6V mạch chịu hoạt động tiếp Khi điện trở R5 lớn điện áp từ dương nguồn qua R7 âm bị cản lại nhiều điện áp chân B T2 lớn, ngưỡng ngắt lại thấp b Khối tự nạp Khối hoạt động khối ngắt hoạt động, hoạt động tương tự khối ngắt làm công việc ngược lại Điện trở R3 mắc nối tiếp với tiếp điểm thường mở relay, khối ngắt đầy tiếp điểm thưởng mở đóng lại có nguồn cấp cho R3, đủ điều kiện hoạt động Khi điện trở R6 thấp, điện áp từ dương nguồn qua R3 âm nhiều, đồng nghĩa với việc điện áp chân B T2 bị gảm theo , ngưỡng áp 43 ngắt tăng cao, tăng đến áp chân B đến 0,6V mạch chịu hoạt động tiếp Khi điện trở R6 lớn điện áp từ dương nguồn qua R3 âm bị cản lại nhiều điện áp chân B T2 lớn, ngưỡng nạp lại tụt sâu 3.2 Sơ đồ nguyên lý 3.3.Sơ đồ mạch board 44 3.4 Nguyên lý hoạt động toàn mạch Cấp nguồn cho mạch điều khiển qua khối chỉnh lưu điện áp 15V - DC vào chân 13,6,16 TCA785, chân mạch nối với điện áp xoay chiều 15V - AC để tạo điện áp đồng với mạch lực Để tạo xung cưa sau tham khảo sơ đồ chân datasheet chúng em nối chân 12 với tụ không phân cực 104 để tạo độ rộng xung tụ 683 vào chân 10 để tạo biên độ cho mạch điều khiển, để điều khiển thyristor dùng biến trở 2k 100k vào chân 11 chân để điều khiển độ rộng xung qua điều chỉnh góc mở cho thyristor từ nhận giá trị điện áp tương ứng tải (các chân lại không dùng chúng em chọn giải pháp để trống không nối mát) Xung từ chân điều khiển 15 để điều chỉnh góc mở phần điện áp dương, chân 14 để phát xung điều khiển mở phần điện áp âm để mở cho thyristor ta nhận giá trị điện áp tương ứng đặt cho tải từ điều chỉnh tốc độ quay quạt theo ý muốn Để an toàn cho mạch điều khiển không bị điện áp ngược từ mạch lực sử dụng diode chống ngược dòng qua mạch cách ly quang sử dụng MOC 3020 Mạch lực bảo vệ cầu chì 2A Để điều khiển điện áp mạch sạc, người điều khiển cần vặn biến trở R12 để nhận giá trị điện áp tương ứng góc mở nhỏ điện áp đặt tải lớn ngược lại Biến trở R11 để điều chỉnh độ mịn cho góc mở nhờ điều chỉnh biên độ xung cưa 45 3.5 Khảo sát mạch nguồn a Dạng sóng sau chỉnh lưu với α=00 46 b, Dạng sóng sau chỉnh lưu với α=450 47 c,Dạng sóng sau chỉnh lưu với α=900 48 d,Dạng sóng sau chỉnh lưu với α=1350 49 CHƯƠNG 4: HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỜI KẾT 4.1 Ưu điểm: Dễ sử dụng, giá thành phải mà đáp ứng nhu cầu người sử dụng Có thể điều chỉnh điện áp 4.2 Nhược điểm: Do chế tạo thủ cơng nên mạch cịn cồng kềnh to mạch bán ngồi thị trường, độ xác mạch chưa tuyệt đối 4.3 Hướng phát triển Hiện thiết bị ăc quy, pin sử dụng rộng rãi sinh hoạt sản xuất, tích trữ lượng điện chiều dễ sử dụng Hầu hết thiết bị hồi lại lượng ta cấp thêm lượng bị hao hụt chúng cách “sạc “ Vì chúng em muốn phát triển đề tài “mạch cấp nguồn chiều 12V dùng để sạc ắc quy” lên mức cao tạo sạc có cơng suất lớn có độ nhạy sác cao điều chỉnh để sạc lọai pin ắc quy có cơng suất lớn đồng thời sạc đươc cho loại pin ắc quy có cơng suất nhỏ 4.4 Lời kết Sau thời gian nghiên cứu chế tạo mạch cấp nguồn chiều cho pin chúng em thu nhiều kiến thức môn học linh kiện điện tử Đặc biệt qua đồ án môn học với bảo tận tình giáo viên hướng dẫn thầy Trần Xuân Tiến với thầy cô khoa Điện - Điện Tử giúp chúng em hoàn thành xong đồ án tiến độ 50 Qua đồ án chúng em rút nhiều kinh nghiệm biết phối hợp lý thuyết với thực hành biết cách làm việc theo nhóm Tuy có nhiều cố gắng chúng em cịn mắc phải nhiều thiếu sót Chúng em mong quan tâm, bảo thầy để chúng em hồn thành đồ án cách tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn! 51 ... CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ACQUY Acquy dạng nguồn điện hóa học dùng để lưu trữ điện dạng hóa Có dạng acquy acquy axit acquy kiềm 1.1 ACQUY AXIT 1.1.1 CÁC LOẠI ACQUY AXIT 1.1.1.1 .Acquy “châm nước”  Có... CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ACQUY 1.1 ACQUY AXIT 1.1.1 CÁC LOẠI ACQUY AXIT 1.1.2 CẤU TẠO CỦA ACQUY AXIT 1.2 ACQUY KIỀM 12 1.2.1 Cấu tạo acquy kiềm ... tô, máy phát, … acquy cần phóng lượng điện cực lớn khoảng thời gian ngắn để khởi động động cơ) 1.1.1.3 Acquy Kín khí  Có lẽ thuật ngữ ? ?acquy kín khí” xác để đặt tên cho loại acquy (vì kín khí