Mạch sạc dự phòng cho Smartphone

Mục tiêu đồ án - Thông qua việc làm bộ mạch sạc dự phòng cho smartphone nhờ những linh kiện cơ bản như điện trở, diode, transistor, diode xung, tụ điện, cuộc dây, IC giúp ta hiểu sâu hơn

Lời nói đầu

Đất nước ta đang trên đà phát triển,do đó khoa học kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.Việc áp dụng khoa học kĩ thuật là làm tăng năng suất lao động,thay thế sức lao động của con người một cách hiệu quả nhất ; không những thế những phát minh ,sự tìm tòi những sản phẩm nho nhỏ giúp chúng ta hoàn thiện bản thân hơn Vì vậy, để tạo nền tảng tốt cho các bước phát triển trong tương lai , chúng ta cần đầu tư thời gian công sức, nghiên cứu, giáo dục phát triển khoa học kĩ thuật một cách nghiêm túc ngay từ trong môi trường đại học

Đồ án môn học Điện tử tương tự là một môn học giúp sinh viên ngành điện của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có những bước đi đầu tiên làm quen với công việc thiết kế mạch điện căn bản mà mỗi người kĩ sư điện sẽ gắn bó cả đời mình vào đó Đồ án này giúp sinh viên chúng ta mường tượng tốt công việc tương lai qua đó có cách nhìn đúng đắn hơn về con đường học tập đồng thời tăng thêm lòng nhiệt huyết ,yêu nghề của mỗi sinh viên Không những thế quá trình thực hiện đồ án cũng sẽ là thử thách đối với những kĩ năng mà mỗi sinh viên chưa từng được tiến hành trong quá trình học lý thuyết trên lớp , sừ dụng các phần mềm như là: Proteus 8 , các phầm mềm tính toán ,làm mạch hơn nữa

là phải áp dụng những kiến thức mà giáo viên đã dạy áp dụng vào trong qúa trình làm đồ án

Trong quá trình làm đồ án, chúng em được sự chỉ dẫn nhiệt tình của của thầy …Sự cổ vũ của thầy là động lực lớn lao cổ vũ tinh thần cho chúng em trên con đường rèn luyện đầy gian lao, vất vả

Do đây là đồ án môn học đầu tiên mà chúng em thực hiện nên chắc chắn

sẽ mắc phải những sai lầm thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý chân thành từ thầy cô và các bạn Em xin chân thành cảm ơn

1

Mục Lục

Chương I: Giới thiệu tổng quan 3

1.1.Mục tiêu đồ án ……… 1.2 Giải quyết vấn đề của đồ án ………

Chương II Phương pháp tiếp cận 3

2.1 Mô tả chung về hệ thống………

Chương III Đối tượng điều khiển 4

Chương IV Thiết kế chi tiết hệ thống 4

4.1.Linh kiện sử dụng……… 4.2 Giới thiệu về IC MC34063 trong mạch……… 4.3.Sơ đồ nguyên lý và tính toán thông số, lựa chọn linh kiện trong mạch…… 4.3a.Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp chung……… 4.3b Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp sử dụng Ic MC34063……… 43.c Sơ đồ nguyên lý mạch sạc cho pin……… Chương V Kết quả và thử nghiệm11

Chương VI Kết luận và hướng phát triển12

Chương VII.Tài liệu tham khảo……….12

Chương I: Giới thiệu tổng quan

1.1 Mục tiêu đồ án

- Thông qua việc làm bộ mạch sạc dự phòng cho smartphone nhờ những linh kiện cơ bản như điện trở, diode, transistor, diode xung, tụ điện, cuộc dây, IC giúp ta hiểu sâu hơn lý thuyết đã học ở trên lớp mà được áp dụng vào thực tế

1.2 Giải quyết vấn đề của đồ án

- Như các bạn đã biết,có những chiếc điện thoại smartphone dung lượng tối đa của pin khá nhỏ,nếu như không có sạc dự phòng khó mà đủ năng lượng để chúng làm việc cho cả ngày hoặc vài ngày ví dụ như ta đang đi

dã ngoại trên núi mà không có nguồn điện trực tiếp ,vv

Chương II Phương pháp tiếp cận

2.1 Mô tả chung về hệ thống

- Giới thiệu sơ lược:

Pin năng lượng cho mạch : Pin Li-ion, cell laptop hay đơn giản là viên pin điện thoại

Cổng kết nối sạc : USB

Tương thích : Android, Window phone, IOS các thiết bị hỗ trợ sạc qua cổng USB ( ngoài ra còn có chân kết nối sử dụng nối jack khác như Nokia )

Hiệu suất : trên 85%

Dòng tiêu thụ max : trên 1A ( có thể sạc tốt cho Tablet )

Trái tim mạch : IC MC34063

-Để hiểu rõ hơn, mời thầy cô nhìn vào sơ đồ khối của chúng em dưới đây:

-Sơ đồ hệ thống mạch sạc của chúng em gồm 4 khối trong đó có 3 khối chính là: khối mạch sạc, khối mạch bảo vệ , khối mạch boost

- Nguyên lý hoạt động như sau: Khối mạch sạc làm nhiệm vụ sạc cho cell laptop có điện áp là 3,7V khi mà cell dự phòng hết điện , tuy nhiên điện áp vào

để sạc được cho các máy smartphone thì cần dùng nguồn tối thiểu 5V( như adapter sạc điện thoại của mình) vì vậy cần một mạch boost tăng áp từ 3,7V đến 5V Pin dự phòng ở đây được lựa chọn là cell pin laptop có điện áp danh định 3.7V, dung lượng khoảng trên 2500mAh một cục Có thể dùng một hoặc hai cục, nếu dự phòng đơn giản thì chỉ 1 cục là đủ Hoặc có thể sử dụng 2 cell nối song song Vì cell pin sẽ hư ngay khi quá nạp nên cần phải có mạch bảo vệ cho cell pin, ta cần có mạch bảo vệ tự ngắt khi cell đã được nạp đầy (4.2V), tự ngắt

3

khi chập đầu ra, tự động ngắt tải khi điện áp cell quá thấp xuống mức áp giới hạn (2.5V) bảo vệ tốt cho cell

Chương III Đối tượng điều khiển Chương IV Thiết kế chi tiết hệ thống

1.Linh kiện sử dụng

Mạch sạc của chúng em sử dụng các linh kiện sau:

✔ 180 ; ;

✔ F

✔

✔

✔ IC chính : IC MC34063

2 Giới thiệu về IC trong mạch :

Đặc điểm

+Vận hành trong khoảng nguồn vào từ 3.0 đến 40V

+Hạn chế dòng ngắn mạch

+Dòng điện dự phòng thấp

+Đầu ra chuyển thành dòng 1,5A không cần transistor ngoài

+Điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được

+Khoảng tần số vận hành từ 10kHz đến 100KHz

+ Dùng trong nâng áp, hạ áp hoặc bộ điều khiển chuyển mạch

Mô tả

IC MC34063 là bộ điều chỉnh hệ thống con nguyên khối dùng như bộ chuyển đổi DC thành DC Thiết bị này bao gồm bộ tham chiếu bù nhiệt độ ,

bộ điều khiển chu kỳ công suất dao động điện tử , bộ điều khiển , bộ chuyển mạch đầu ra dòng lớn Nó có thể sử dụng cho hạ áp ,tăng áp, bộ điều khiển chuyển mạch như là ổn áp

Các chân của MC34063 đảm nhận các chức năng khác nhau

+Chân 1 là chân vào bộ chuyển cực thu

+Chân 2 là chân vào bộ chuyển cực phát

+Chân 3 là chân vào tụ định thời

+Chân 4 là điểm nối đất

+Chân 5 là chân vào bộ so sánh chuyển đổi đầu vào

+Chân 6 là nguồn cấp

+Chân 7 là chân vào bộ tạo dao động chính

+Chân 8 là chân vào bộ điều khiển cực thu

MC34063 là IC điều khiển PWM đa năng với dòng ra trực tiếp lên tới 1,5A

Từ cấu trúc của MC34063, người ta có thể thiết kế thành tất cả các dạng nguồn DC-DC không cách ly thông dụng như: nguồn buck (giảm áp), nguồn boost (tăng áp), nguồn inverter (đổi dấu điện áp)

Mạch dạng này rất phổ biến trong các thiết bị điện tử vì cho phép tạo điện áp ra bất kỳ từ điện áp vào bất kỳ, có bảo vệ quá dòng, cấu trúc nhỏ, hiệu suất cao MC34063 cung cấp cho chúng ta những gì cần thiết của 1 bộ nguồn xung:

+1 bộ tạo dao động PWM,

+1 bộ khuếch đại so sánh điện áp

+1 khóa chuyển công suất

+1 mạch bảo vệ quá dòng điện

Các trị số định mức

Điện áp nguồn cấp tối đa 40VDC

Khoảng điện áp đầu vào mạch so sánh -0,3 đến 40 VDC Điện áp bộ chuyển cực thu 40VDC

Điện áp bộ chuyển cực phát 40VDC

Điện áp bộ điều khiển cực phát 40VDC

Dòng vào bộ điều khiển cực phát 100mA

Dòng chuyển 1,5A

Tần số hoạt động 24-42kHz, định mức

33kHz

Trong mạch thiết kế nguồn sạc dự phòng lần này, ta dùng IC MC34063 là trái tim của mạch boost tăng áp, tăng điện áp từ 3,7v lên 5v

3.Sơ đồ nguyên lý và tính toán thông số, lựa chọn linh kiện trong mạch

Trước tiên ta tìm hiểu nguyên lý mạch boost

Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor)

và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai

a) Nguyên lí hoạt động mạch tăng áp chung

7

Khi khóa đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương

Khi khóa mở, dòng điện bị giảm Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm) Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D

Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa

mở Khi khóa mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng Khi khóa được đóng và phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa Khóa phải được mở đủ để chống lại tụ xả điện

Nguyên lý cơ bản của bộ Boost converter :

-Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm

-Trạng thái Off, khóa mở và dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C và tải R Kết quả chuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái On vào tụ

-Bộ boost converter hoạt động ở hai chết độ là liên tục và không liên tục ứng với hai trạng thái của nó

-Với chế độ không liên tục ta có công thức: t=DT với T là chu kì chuyển mạch và ( chu kì năng suất)

-Với chế dộ không liên tục, ta có công thức:

-Như vậy tải được cung cấp năng lượng liên tục trong mach trong chù kì ngắt

b) Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp trực tiếp dùng Icmc34063

Với mạch của chúng em,con TIP41 làm việc như 1 cái khóa S, sử dụng ICMC34063

để đóng mở con transistor

- Đầu tiên, Nguồn pin 3,7V được được đưa vào chân 6(VCC) của IC ,pin của em sử dụng

là pin loại 3.7v dung lượng khoảng 2500mah 1 cục

- Trước khi vào chân 6 ta sử dụng tụ hóa C1 nối xuống mass có tác dụng lọc phẳng điện

áp vào( thật r a ko cần thiết vì nguồn vào là nguồn pin khá phẳng) song nó còn có tác dụng lọc các tín hiệu ko cần thiết từ điểm đó xuống đất để vào chân 6 tối ưu hơn

- Giữa chân 6 và chân 7 dùng con R1 dùng để bảo vệ mạch khi quá dòng, ta có thể bỏ R1 cũng được, mạch vẫn chạy nhưng mất chức năng bảo vệ quá dòng

- Cuộn dây là thành phần quan trọng trong mạch boost để duy trì dòng điện trong chu kì con MC34063 ngắt nguồn.Để chọn giá trị L1 , ta phải chọn sao cho phù hợp với công thức trên tức là chọn sao cho dòng max trên cuộn cảm là 1A, liên quan đến tần số chuyển mạch và điện áp vào, ra

-Con TIP41 làm việc như 1 khóa chuyển mạch là thành phần quan trọng trong mạch boost cùng với cuộn dây L1 được nối với chân số 2 của Ic, ic điều khiển con stransistor , chân số 2 này cần xuất ra 1 điện áp 0,7v đến 0.8v là con TIP41 chạy tốt

-Trong 1 số trường hợp sau khi làm mạch xong mà điện áp đầu ra không đủ 5v ta phải dùng 1 biến trở nối đất ở chân 2 trước khi cho áp vào chân B của TIP41 sao cho đủ 0,7 đến 0.8v

-Chân 4 của Ic là chân nối đất

- TỤ C2 được nối với chân 3 ( timing capacitor): chân vào tụ định thời , dùng để xác định tần số xung PWM, với ICMC34063, chọn tụ có giá trị tần số trong khoảng 20kHZ đến 50kHZ.Tụ càng cao thì giá trị tụ càng nhỏ ở đây ta chọn giá trị tụ là 102pF Khi ta tháo

tụ 102pF mạch vẫn chạy nhưng ở trạng thái ko ổn định

9

- diode zener 1N4733A có tác dụng ghim điện áp , làm cho mạch ổn định điện áp hơn , ở đây do đầu ra là 5V lên ta chọn loại có giá trị 5,1V và 1W

- Chân 5 được đưa ra cùng với hai con điện trở R4(22k) và R5(6.8k) làm nhiệm vụ chia

áp với tỉ lệ 1:3 để hạn chế dòng từ chân 5 ra tải

- C4 dùng để làm phẳng điện áp đầu ra vì mạch boost chỉ mở hoạt động 1 thời gian trong

1 chu kì nên điện áp ra sẽ nhấp nhô ko liên tục nên phải dùng tụ làm chậm biến đổi điện

áp, lọc nguồn

c) Mạch sạc cho pin khi pin dự phòng hết điện.

Sơ đồ nguyên lý

TL431 là con diode ổn áp,có khả năng truyền 1 năng lượng lớn hơn transistor,

có thể duy trì dòng điện với đầu vào không liên tục

Đầu tiên nguồn điện được đi vào và được phân áp trước khi đến cực điều khiển

G của thuysitor bởi mạch này hoạt động với điện áp thấp tần số thấp

Dòng điện đi từ chân Anot(chân 3) đi xuống chân catot( chân 2) làm bóng đèn sáng, con R3=470 Ôm bảo vệ con Led

Diode D1 ổn định điện áp, chỉnh lưu cho dòng sạc về pin ổn định hơn,đồng thời chống sốc cho pin, bảo vệ pin

Dòng điện thuận cực đại:

Công thức trên được dùng để tính dòng điện thuận khi Thyristor dẫn điện

VAK khoảng 0,7V

Đây là trị số lớn nhất khi cho dòng điện qua Thyristor mà nó có thể chịu đựng liên tục, có nghĩa là khi quá trị số này Thyristor sẽ bị hư

Sau khi đã thiết kế xong các khối, lắp ráp các khối vào với nhau ta được bộ sạc

dự phòng hoàn chỉnh

Chương V Kết quả và thử nghiệm

Mạch chạy tốt với hiệu suất trên 85%, dòng ra khoảng 1A, điện áp đầu ra là 5.1V ,hiện đã thử nghiệm thành công và ứng dụng

Sau đây là ảnh sau khi làm mạch xong :

11

Chương VI Kết luận và hướng phát triển

Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, thiết kế , em đã hoàn thành đồ án thiết kế bộ sạc dự phòng cho smartphone Kết quả thiết kế đã được lắp ráp thành mạch điện và kết quả thực nghiệm đạt được yêu cầu thiết kế

Qua đề tài này có thể giúp em áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế đồng thời nâng cao khả năng tự tìm hiểu và thiết kế các mạch điện tử tương tự Từ những kiến thức đã thu được trong quá trình thực hiện đò án này giúp em có thêm kinh nghiệm để thực hiện mạch điện mới phức tạp hơn

Chương VII.Tài liệu tham khảo

Tài liệu tham khảo:

Nguyên lý mạch boost tăng áp trực tiếp

DATASHEET của ICMC34063, DATASHEET của TL431 ,TIP41