Thiết kế mạch nạp acquy 12v – 1a có chỉ thị báo nạp và tự động ngắt khi sạc đầy

1.1 Các loại acquy phổ biến Trong thực tế, nếu điểm qua các loại acquy thì có lẽ có thể có nhiều cách gọi như:acquy nước, acquy axit, acquy axit kiểu hở, acquy axit kín khí, acquy không

Mục lục

Danh sách hình ảnh 2

Bảng phân chia công việc 2

Chương 1: Giới thiệu chung 3

1.1 Các loại acquy phổ biến 3

1.3 Các thông số cơ bản của acquy 6

1.4 Nguyên tắc nạp acquy 12V 6

Chương 2: Sơ đồ khối và chọn linh kiện 7

2.1 Sơ đồ khối 7

2.2 Sơ đồ thiết kế và lựa chọn linh kiện từng khối 8

2.2.1 Khối biến áp 8

2.2.3 Khối rơ -le 9

2.2.4 Khối điều khiển 11

Chương 3: Sơ đồ nguyên lý và mạch in 16

3.1 Sơ đồ nguyên lý 16

3.2 Sơ đồ mạch in 18

Tài liệu tham khảo 20

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

Đề tài 3:

Thiết kế mạch nạp acquy 12V – 1A có chỉ thị báo nạp

và tự động ngắt khi sạc đầy

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 4

Đào Quang Tiệp Phạm Văn Trường Phạm Xuân Bắc

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Vũ Thắng

Hà Nội, 4 - 2017

Danh sách hình ản

Hình 1: Sơ đồ khối mạch 7

Hình 2: Khối biến áp và chỉnh lưu cầu 7

Hình 3: Biến áp 6 đầu ra 1A 8

Hình 4: Diode cầu KBP206 9

Hình 5: Rơ-le 12V – 10A 9

Hình 6: So đồ chân rơ-le 10

Hình 7: IC NE555 11

Hình 8: Sơ đồ bên trong IC NE555 13

Hình 9: Transistor npn 2N2222 14

Hình 10: IC nguồn LM7812 15

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý 16

Hình 12: Sơ đồ mạch in 2D 18

Hình 13: Sơ đồ mạch in 3D 19

Bảng phân chia công việc

Đào Quang Tiệp Thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, làm mạch, làm báo cáo

Phạm Văn Trường Tìm hiểu lý thuyết, chọn linh kiện, mua linh kiện

Phạm Xuân Bắc Hàn mạch, tính toán chọn linh kiện, tìm hiểu về acquy

Chương 1: Giới thiệu chung

Trước một nền khoa học và kỹ thuật ngày càng phát triển như hiện nay với nhiềulinh kiện và sự sáng tạo mới đã giúp ích rất nhiều cho con người như: Máy tính, xe đạpđiện, ô tô, xe máy… Nhưng chúng ta ít biết rằng không phải là khi chúng ta cắm điện220V vào máy tính có thể chay ngay hay điện có trong xe là dòng điện được cấp trực tiếp

từ điện lưới 220V Mà thực chất thì dòng điện 220V đó đã được biến đổi thành một dòngkhác và dạng khác được nói ở đây chính là dòng điện một chiều và nó được tích trữ trongcác loại acquy, pin, tụ điện…

Tuy bộ phận cấp nguồn một chiều chỉ là một phần rất nhỏ của toàn bộ khối làmviệc chung của mạch Nhưng nó lại giữ vai trò rất quan trong và bếu thiếu nó thì cả khối

đó sẽ không thể làm việc được Cho nên nhóm chúng em đã chọn đề tài nghiên chế tạomạch sạc cho acquy Cụ thể là mạch sạc cho acquy 12V, có chế độ tự ngắt, tự ngắt khibình acquy cần nạp và đầy

1.1 Các loại acquy phổ biến

Trong thực tế, nếu điểm qua các loại acquy thì có lẽ có thể có nhiều cách gọi như:acquy nước, acquy axit, acquy axit kiểu hở, acquy axit kín khí, acquy không cần bảodưỡng, acquy khô, acquy GEL, acquy kiềm… Thực ra thì cách gọi trên là các cách gọikhác của vài loại acquy cơ bản, các cách gọi như vậy bị bao hàm lẫn nhau, nghe qua thì

có vẻ như có rất nhiều loại acquy Nhưng trên thực tế, acquy được phân biệt thành hailoại acquy thông dụng hiện nay là acquy sử dụng điện môi bằng axit (gọi tắt là acquy axithoặc acquy chì-axit) và acquy sử dụng điện môi bằng kiềm (gọi tắt là acquy kiềm) Tuy

có hai loại chính như vậy nhưng acquy kiềm ít gặp hơn nên đa số acquy hay gặp trên thịtrường hiện nay là acquy axit

Trong cùng loại acquy axit cũng được phân chia thành hai loại chính: acquy axitkiểu hở thông thường và acquy kiểu kín khí Hai loại này đang bị gọi bằng một cáchthông dụng là: acquy nước và acquy khô

1.2 Cấu tạo của acquy

Bình acquy được chia thành nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn Mỗi ngăn acquyđơn cho điện áp là 2V Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộnguồn acquy là 12V

Vỏ acquy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do dod màngười ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạothành các ngăn riêng biệt gọi là một acquy đoen Dưới đáy bình ta làm hai yên đỡ gọi làyên đỡ bán cực Mục đích là để các bản cực tỷ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi trong đáybình có lắng đọng các cặn bẩn

Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xươngdọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bảncực Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trên bản cực là dioxit chì.Nếu bản cực dung làm bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng là chì xốp

Khi acquy hoạt động chất hoạt tính tham gia đồng thời vào các phản ứng hóa họccàng nhiều càng tốt, do đó để tăng bề mặt tiếp xúc của các chất hoạt tính với dung dịchđiện phân, người ta chế tạo chất hoạt tính có độ xốp, đồng thời đem ghép những tấm cựccùng tên song song với nhau thành một chùm cực ở trong mỗi ngăn của acquy đơn

Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng giữa haibản cực khác tên lại được đặt thêm một tấm cách, tấm cách được làm từ chất cách điện đểcách điện giữa hai bản cực như nhựa xốp, thủy tinh hay gỗ

Phần nắp của acquy để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi vàcác chất khác từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phânkhông bị tràn ra ngoài Trên nắp bình có các lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân,các lỗ thông hơi có thể được chế tạo riêng biệt Để đảm bảo về độ kín của bình acquy,xung quanh mép nắp acquy và xung quanh các lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựachuyên dụng dung dịch điện phân dung trong acquy là hỗn hợp axit sunfuric H2SO4 đượcpha chế theo tỷ lệ nhất định với nước cất

1.3 Các thông số cơ bản của acquy

Dung lượng: Là điện lượng của acquy đã được nạp đầy, rồi đem cho phóng điệnliên tục với dòng phóng 1A tới khi điện áp của acquy giảm xuống đến trị số giới hạn quyđịnh ở nhiệt độ quy định Dung lượng của acquy được tính bằng ampe-giờ (Ah)

Điện áp: Tùy thuộc vào nồng độ chất điện phân và nguồn nạp cho acquy mà điện

áp ở mỗi ngăn của acquy khi nó được nạp đầy sẽ đạt 2,6V đến 2,7V (để hở mạch), và khiacquy đã phóng điện hoàn toàn là 1,7V đến 1,8V Điện áp acquy không phụ thuộc vào sốlượng bản cực của acquy nhiều hay ít

Điện trở trong: Là trị số điện trở bên trong của acquy, bao gồm điện trở các bảncực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bảncực Thường thì trị số điện trở trong acquy khi đã nạp đầy điên là (0,001 – 0,0015j)  vàkhi acquy đã phóng điện hoàn toàn là (0,2 – 0,025j) 

1.4 Nguyên tắc nạp acquy 12V

Nạp acquy cần phải căn cứ trên các chi tiết sau:

Điện áp acquy khi đầy: 12,6V đến 13,7V

Chế độ nạp: Có 4 chế độ nạp

Nạp “thả nổi”: dòng nạp nhỏ hơn hoặc bằng 1/15 dung lượng acquy trong 20h

Ví dụ: acquy 4 Ah thì nạp thả nổi với dòng 0,27A

Nạp vừa: dòng nạp bằng 1/7 đến 1/8 dung lượng acquy trong 8h – 10h

Nạp nhanh: dòng nạp bằng ¼ dung lượng acquy trong hơn 4h

Vừa nạp vừa dùng: dòng nạp = ½ dung lượng acquy cho đến khi đầy

Nguồn nạp hải có điện áp cao hơn điện áp đầy của acquy Tốt nhất là nạp bằngnguồn chỉnh lưu, chỉ nắn mà không lọc (sẽ giúp quá trình nạp nhanh hơn)

Chương 2: Sơ đồ khối và chọn linh kiện

Trong đề tài này nhóm thực hiện làm mạch sạc acquy 12 V – 1A, acuy được sửdụng là acquy GS- GTZ5S 12V-3,5Ah

Mạch có chế độ hiển thị báo sạc và không sạc, tự động ngắt sạc khi đầy bình vàcho phép nạp lại khi bình kiệt

Hình 2: Khối biến áp và chỉnh lưu cầu

Điện áp hiệu dụng sau khi qua bộ chỉnh lưu cầu:

12 2 (0,7 2) 15.57( )

out

V     V

Sau khi chỉnh lưu, điện áp không lọc được đưa thẳng vào rơ-le và sạc cho acquy

Bộ điều khiển điều khiển đóng ngắt rơ-le dựa vào điện áp đo được ở 2 cực acquykhi đang trong qua trình đấu nối để sạc

Điện áp 2 đầu cực acquy lớn hơn 13,4V sẽ dừng sạc

Điện áp 2 đầu cực acquy nhỏ hơn 12V sẽ cho phép sạc

2.2 Sơ đồ thiết kế và lựa chọn linh kiện từng khối

Hình 3: Biến áp 6 đầu ra 1A

2.2.2 Khối chỉnh lưu cầu

Khối chỉnh lưu cầu có chức năng chỉnh lưu cả chu kì điện áp sau khi qua qua bộbiến áp, tạo điện áp dương

Diode cầu được sử dụng là diode KBP206 600V – 2A

Hình 4: Diode cầu KBP206

2.2.3 Khối rơ -le

Khối rơ -le có tác dụng như 1 van đóng ngắt dòng điện sạc cho acquy và có thểđiều khiển được

Rơ-le được sử dụng là rơ-le 12V- 10A

Nguyên lý làm việc:

Rơ-le thực chất là một nam châm điện có gắn hệ thống tiếp điểm Namchân điện gồm cuộn dây, lõi thép tĩnh và lõi thép động

Hình 6: So đồ chân rơ-le

o Chân 4 và chân 5 là cuộn dây

o Chân 2 và chân 3 là hai lỗi thép tĩnh

o Chân 1 là lõi thép động

Trong trạng thái để hở, không mắc vào mạch, cũng như không có dong điện chạyqua cuộn dây, thì lõi thép động ở chân 1 sẽ ở vị trí chân 2 như hình trên Khi có dòngđiện chạy qua cuộn dây, khi đó từ trường sẽ được tạo ra và hút lõi thép động ở chân 1 về

vị trí chân 3

Dựa vào tính chất đó, rơ-le có thể được dùng để đóng ngắt cho phép sạc haykhông trong mạch

2.2.4 Khối điều khiển

Khối điều khiển có chức năng điều khiển toàn bộ mạch, cho phép sạc acquy haykhông, có đèn chỉ thị khi sạc và khi ngắt

IC được sử dụng là IC NE555

IC có tác dụng nhận biết điện áp của ac quy cần sạc hay cần ngắt, sau đó đưa ratín hiệu điều khiển đóng ngắt sạc Có chức năng reset trạng thái nhận biết kết nối mới khiacquy được cắm vào sạc

Hình 7: IC NE555

Thông số kỹ thuật và chức năng các chân:

 Thông số kỹ thuật:

o Điện áp đầu vào: 2V – 18V

o Dòng tiêu thụ: 6mA – 15mA

o Điện áp logic mức cao: 0,5V – 15V

o Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so

sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn

là 2/3Vcc

o Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra

logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ởđây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%)

và mức 0 tương đương với 0V

o Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4

nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp caothì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng màtrong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

o Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp

chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điệntrở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng đượcnhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuốngGND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu vàgiữ cho điện áp chuẩn được ổn định

o Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so

sánh điện áp khác, tương tự chân số 2 nó cũng là 1 chân chốt, chỉkhác là so sánh điện áp lớn hơn

o Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện

tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức ápthấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xảđiện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

o Chân số 8 (Vcc): Chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động.

Không có chân này coi như IC không hoạt động Nó được cấp điện

áp từ 2V đến 18V

Dựa vào các tính chất và chức năng từng chân của IC NE555, ta thiết kế được bộ điềukhiển đóng ngắt rơ-le, điều khiển bộ nạp acquy.

Ta cấp nguồn 12V cho IC NE555, dựa vào tích chất và chức năng của chân 2 vàchân 6, ta có thể điều chỉnh giá trị điện áp cần nạp và cần ngắt sạc cho acquy

Hình 8: Sơ đồ bên trong IC NE555

Chân 2 và chân 6 sẽ được nối với acquy ,qua bộ phân áp bằng điện trở, biến trở đểthay đổi giá trị điện áp cần so sánh

Như hình trên, Chân 8 được nối với VCC = 12V, qua phân áp bằng 3 điện trở cógiá trị bằng nhau thì điện áp so sáng ở chân 6 sẽ bằng 8V, điện áp so sánh ở chân 2 là 4V

Chân 4 là chân reset, chân này cũng được nối với acquy qua bộ phân áp bằng điệntrở, mục đích là để ngắt sạc, ngắt rơ-le khi không có acquy được kết nối vào đầu sạc,chân này sẽ nối thông mới đất, ở mức thấp nên đầu ra IC NE555 sẽ luôn ở mức thấp 0V,rơ-le sẽ bị ngắt Khi có acquy được kết nối vào chân này sẽ chuyển từ mức thấp lên mứccao, cho phép IC NE555 hoạt động bình thường

Chân 3 là chân đầu ra của IC NE555, đầu ra ở mức cao có điện áp bằng điện ápVCC cấp cho IC NE555 là 12V và được đưa vào một Transistor npn

Transistor được sử dụng là transistor npn 2N2222 40V – 600mA.

Dòng điện cực đại: Ic = 600mA

Hệ số khuếch đại: hFE  100

Nhiệt độ làm việc: -55oC đến 150oC

Công suất tiêu thụ 500mW

IC ổn áp được dùng là IC LM7812 tạo ra nguồn DC 12V cho IC NE555.

Hình 10: IC nguồn LM7812

Thông số:

Điện áp đầu vào: 12,5V đến 35V

Công suất tiêu thụ: 15W

Dòng ra max: 1.2A

Điện áp đầu ra: 12V

Chương 3: Sơ đồ nguyên lý và mạch in

3.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý

Điện áp vào được lấy trực tiếp từ nguồn điện lưới xoay chiều 220V – 50Hz

Sau đó đưa qua biến áp 12V rồi qua chỉnh lưu cầu, và đưa vào rơ-le

Khi không có acquy hoặc acquy hoặc acquy đã đầy chân 6 của IC NE555 sẽ đượcphân áp lớn hơn 8V, đầu ra ở chân 3 sẽ mức thấp, chân 7 cũng ở mức thấp và đèn đènLED 1 sẽ sáng đỏ

Khi acquy được sạc điện, đầu ra ở chân 3 của IC NE555 ở mức cao đèn LED2 sẽsáng xanh Transistor Q1 và Q2 có tác dụng đóng ngắt rơ-le Khi đầu ra ở chân 3 ICNE555 ở mức thấp Q2 sẽ ngắt làm cho rơ-le ngắt suy ra ngắt sạc Ngược lại khi đầu ra ở

chân 3 mức cao, Q2 sẽ đóng, nối thông chân 4 của rơ-le với đất, tạo ra dòng điện chạytrong cuộn dây của rơ-le làm rơ-le hoạt động cho phép sạc acquy.

Transistor Q1 có tác dụng khi điện lưới hay điện áp vào mất đi mà acquy vẫn cònđang kết nối để sạc, sẽ dừng tất cả hoạt động của mạch, cách ly acquy với các phần tửtrong mạch

Diode được nắp song song với rơ-le có tác dụng chống dòng ngược khi rơ-le đóng,bảo vệ transistor

Khi acquy được kết nối với bộ sạc, chân 4 của IC NE555 sẽ được kéo lên mứccao, giúp IC NE555 hoạt động trở lại

3.2 Sơ đồ mạch in

Hình 12: Sơ đồ mạch in 2D

Hình 13: Sơ đồ mạch in 3D

Tài liệu tham khảo

1 - http://www.onsemi.com/pub/Collateral/P2N2222A-D.PDF

2 - http://hqdt.vn/baiviet/555-nguyen-tac-va-ung-dung.html

3 - http://www.songle.com/pdf/2008961512231004.pdf