SẠC điện THOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

Chẳng hạn như điện thoại, radio, flycam,….Điều đó dẫn đến việc cần phải có các thiết bị cung cấp năng lượng Song hầu hết các cục sạc hiện tại ở Việt Nam hiện nay đều sử dụng lưới điện 2

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 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Quang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Ý tưởng đề tài

Như thầy cô và các bạn đã biết ngày nay điện năng được

sử dụng rất phổ biến trong xã hội, hầu như tất cả các thiết bị

điện dân dụng, đồ chơi điện tử, điện thoại,… đều cần sử

dụng nguồn năng lượng này Để cho thuận tiện cho việc sử

dụng, các thiết bị điện ngày nay đã được trang bị pin, nguồn

điện dự phòng rất thuận tiện cho việc sử dụng Chẳng hạn

như điện thoại, radio, flycam,….Điều đó dẫn đến việc cần

phải có các thiết bị cung cấp năng lượng

Song hầu hết các cục sạc hiện tại ở Việt Nam hiện nay đều

sử dụng lưới điện 220V được cấp từ các nhà máy nhiệt điện và thủy điện, và cũng rất khó sạc khi chúng ra đi xa nơi dân cư Cứ giả sử chúng ta đang đi một chuyến dã ngoại, đang vui chơi vui vẻ thì bỗng chiếc điện thoại, máy quay hết pin ( Và bạn lại quên đem chiếc sạc dự phong ?) Lúc đó thật là khó chịu …

Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn đó, nhóm em với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Cảnh Quang – Giảng viên Điện tử tương tự đã tìm tòi cũng như triển khai xây dựng 1 mạch điện sạc điện thoại bằng năng lượng mặt trời

Trong đó nhóm em hướng tới các loại điện thoại đòi hỏi

dòng điện sạc vào nhỏ, dựa trên thiết kế bộ sạc đơn giản và

dễ làm…

Tuy đây là 1 đề tài không quá mới trong xã hội hiện nay

nhưng xét trên nhiều khía cạnh nó phù hợp với mức độ hiểu

biết của nhóm sinh viên Bách Khoa năm 2 bọn em Đồng

thời thông qua đề tài này chúng em cũng một phần nào đó

gửi thông điệp bảo vệ môi trường đến toan bộ các sinh viên khác đang học tập trong mái trường này, nhất là trong những ngày nóng bức hiện tại

1.2 Nguồn năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi con người từ thời cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơn bao giờ hết Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn trên Trái Đất Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng

Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện Sử dụng

năng lượng mặt trời chỉ bị giới hạn bởi sự khéo léo của con người Một phần danh sách các ứng dụng năng lượng mặt trời sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời, và quá trình nhiệt

độ cao nhiệt cho công nghiệp purposes Để thu năng lượng mặt trời, cách phổ biến nhất là

sử dụng tấm năng lượng mặt trời

Công nghệ năng lượng mặt trời được mô tả rộng rãi như là hoặc năng lượng mặt trời

thụ động hoặc năng lượng mặt trời chủ độngtùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối năng lượng mặt trời Kỹ thuật năng lượng mặt trời hoạt động bao gồm việc sử dụng các tấm quang điện và năng lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lượng Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm các định hướng một tòa nhà về phía Mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc tài sản ánh sáng phân tán, và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên

Sử dụng nguồn năng lượng mặt trời sẽ giúp tiết

kiệm một lượng nhiên liệu hóa thạch lớn trong tự

nhiên mà các nhà máy nhiệt điện đang sử dụng

Đồng thời việc tạo ra các mạch sạc năng lượng mặt

trời nhỏ gọn tích hợp vào đồ chơi của trẻ em như: ô

tô điều khiển, máy bay điều khiển,… sẽ tạo cho trẻ

em những sự an toan rất nhiều so với các loại sạc

bằng nguồn điện thông thường cũng như bằng 1

cách nào đó dạy trẻ ý thức bảo vệ môi trường

Đề tài của chúng em được phát triển ở quy mô cũng như giá trị về vật chất rất nhỏ song nhóm em tin rằng nếu triển khai các dự án bằng năng lượng mặt trời ở quy mô lớn sẽ đem lại lợi ích rất to lớn cho thiên nhiên, con người và xã hội

CHƯƠNG 2: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN SỬ DỤNG

2.1 Giới thiệu về pin Li-ion và nguyên lí sạc pin:

2.1.1 Giới thiệu

Pin Li-ion hay pin lithi-ion, có khi viết tắt

là LIB, là một loại pin sạc Trong quá trình sạc,

các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực

âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử

dụng)

LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất

mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp

(layered structure compounds), khi đó trong quá

trình sạc và xả, các ion Li sẽ xâm nhập và điền

đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản

ứng hóa học xảy ra Các vật liệu điện cực có cấu

trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực

dương là các hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp

và Li, như LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực âm là graphite Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Li, tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện

LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, phổ biến nhất là pin sạc cho các thiết bị điện tử cầm tay ở đây chúng ta sạc điện thoại là sạc pin Li-ion

2.1.2 Nguyên lý sạc pin

Đối với một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, cần 3 giai đoạn

– Giai đoạn 1: Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC)

– Giai đoạn 2: Cân bằng

– Giai đoạn 3: Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (C)

Hình 1 Pin Li-ion của Nokia 3310

Ở chế độ dòng điện không đổi, bộ sạc sẽ áp một dòng điện không đổi lên pin thông qua

một điện thế ổn định tăng dần cho đến khi đạt đến điện thế tới hạn của pin Ở chế độ cân bằng, bộ sạc giảm dần dòng điện sạc lên pin, hoặc điều tiết bật tắt dòng điện sạc để trạng thái sạc cho từng tế bào pin đạt trạng thái cân bằng trong cả mạch, cho đến khi tất cả các tế bào trong mạch đều cân bằng

Một số thiết bị sạc điều tiết cân bằng bằng cách sạc lần lượt từng tế bào pin, tuy nhiên điều này kéo dài thời gian sạc, việc tạo thuật toán tối ưu hóa quá trình cân bằng này có thể tăng hiệu năng và tối ưu hóa thời gian sạc pin Ở chế độ điện thế cân bằng, bộ sạc áp một điện thế bằng với điện thế tới hạn của mỗi tế bào nhân với số tế bào lắp nối tiếp lên toàn bộ pin, đây chính là quá trình xả, vì thế dòng điện sẽ giảm về 0, đến khi dòng điện dưới ngưỡng 3% giá trị ban đầu của dòng điện sạc, thì pin ngừng hoạt động Nếu như sạc/xả vượt ngưỡng thế năng và dòng điện cho phép, có thể dẫn đến nổ pin

2.2 Mạch chỉnh lưu dùng diode (nửa sóng)

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của diode là chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành một chiều Vì, một diode chỉ có thể dẫn dòng một chiều, khi tín hiệu đầu vào âm, sẽ không có dòng điện Đây được gọi là bộ chỉnh lưu nửa sóng Hình dưới đây cho thấy mạch diode chỉnh lưu nửa sóng

Nếu ta thay điện trở trong hình trên bằng một tụ điện, giả sử ban đầu tụ điện không có điện áp, áp vào sẽ tiến hành sạc cho tụ trong đến khi đạt điện áp cực đại (chính là biên độ của điện áp vào) sau đó điện áp này tiếp tục duy trì vì diode không cho tụ xả ngược trở lại Đây gọi là tụ điện san phẳng (smoothing capacitor)

Thực tế đăng sau với tụ điện là các tải (Rl) cho nên điện áp 2 đầu tụ không phải là cực đại tại mọi thời điểm Cứ sau mỗi chu kì đạt được điện áp cao nhất, tụ lại xả cho RL một

ít, dẫn đến dạng điện áp hai đầu tụ có dạng như trên, độ chênh lệch điện áp sau mỗi lần xả được gọi là “ripple”

2.3 Diode Zener và ứng dụng ổn áp

Diode Zener Diode hay “Breakdown diode” (như đôi khi chúng cũng được gọi), về cơ bản giống như diode tiếp giáp PN tiêu chuẩn nhưng chúng được thiết kế đặc biệt để

có điện áp Đập ngược thấp và được chỉ định, tận dụng mọi điện áp ngược được áp dụng với nó

Các diode Zener có thể hoạt động giống như một diode thường bao gồm một tiếp giáp P-N và phân cực thuận, khi điện áp Anode là dương hơn so với Cathode, nó hoạt động giống như một diode bình thường cho đi qua các dòng điện định mức

Tuy nhiên, không giống như một diode thông thường là chặn bất kỳ dòng điện nào đi qua chính nó khi bị phân cực ngược, đó là Cathode trở nên dương so với Anode, ngay khi điện áp ngược đạt đến giá trị được xác định trước diode zener bắt đầu cho dòng điện theo hướng ngược lại

Điều này là do khi điện áp ngược được áp dụng trên diode zener vượt quá điện áp định mức của thiết bị, một quá trình gọi là Sự cố Avalanche xảy ra trong lớp suy giảm chất bán dẫn và một dòng điện bắt đầu chạy qua diode để hạn chế sự tăng điện áp này

Dòng điện chạy qua diode zener tăng đáng kể đến giá trị mạch cực đại (thường bị giới hạn bởi điện trở nối tiếp) và một khi đạt được, dòng bão hòa ngược này vẫn duy trì khá ổn định trong một dải điện áp ngược Điểm điện áp tại đó điện áp trên diode zener trở nên ổn

định được gọi là điện áp zener điện tử, (Vz) và đối với điốt zener, điện áp này có thể dao động từ dưới một volt đến vài trăm volt

Điểm tại đó điện áp zener cho phép dòng điện chạy qua diode có thể được điều khiển rất chính xác (dung sai dưới 1%) trong giai đoạn pha tạp của cấu trúc bán dẫn cho ta một “điện áp đánh thủng zener” cụ thể, (Vz) cho ví dụ: 4.3V hoặc 7.5V Điện áp đánh thủng zener trên đường đặc tính I/V gần như là một đường thẳng đứng

Đặc tính của Diode Zener

Trong mạch mà bọn em sử dụng, chúng em sẽ dùng

diode zener nhằm mục đích ổn áp, chúng ta tìm hiểu về

mạch ổn áp sử dụng diode Zener:

Điện trở, R S được kết nối nối tiếp với diode zener để

hạn chế dòng điện qua diode với nguồn điện

áp, V S được kết nối với nguồn áp Điện áp đầu ra ổn

định V ra được lấy ở hai đầu diode zener Cathode của

diode zener được kết nối cực sao cho để nó bị phân cực

ngược và sẽ hoạt động trong điều kiện ổn áp Điện

trở R S được chọn để hạn chế dòng điện chạy trong 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 còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong

absn dẫn để tạo ra dòng điện 1 chiều.Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là sử dụng loại Silic tinh thể

Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic

- Một tinh thể hay đơn tinh thê module

- Đa tinh thể

- Dải Silic làm từ các miếng phim mỏng từ Silic

Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn

- Giai đoạn 2: Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

- Giai đoạn 3: Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo

xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước

Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Theo như các tính toán thực nghiệm của nhóm cho thấy để có được điện áp ra ≈ 4,7V, cũng như dòng điện ≈ 0,75A (trong giới hạn chịu đựng của diode chỉnh lưu) thì chúng em cần một nguồn năng lượng mặt trời có công suất khoảng 4,5W Phạm vi điện áp ra khi pin hoạt động: 4 – 10V Thực tế bọn em sử dung 2 pin mặt trời 6V-2W, 1 pin 6V-0.5W mắc song song

Đồng thời bọn em thiết kế them 1 chiếc đèn led để báo hiệu pin mặt trời có đang được nạp điện hay không, chất lượng điện áp thế nào Ở đây cường độ sáng của đèn led phụ thuộc vào điện thế ra của pin mặt trời

3.1.2 Chỉnh lưu

Ở đây cường độ điện áp thực tế là rất mất ổn định vì vậy chúng ta cần một bộ chỉnh lưu với tụ san phẳng nhằm làm cho điện áp ra gần giống với điện áp mong muốn nhất

3.1.3 Ổn áp

Với điện áp sau khối chỉnh lưu khoảng tầm 5.3 V, ta cần chỉnh lưu để được tầm 5V cho điện áp ra

3.1.4 Lọc nhiễu bằng tụ

Tụ điện có thể được sử dụng trong các bộ lọc điện tử tương tự Lý do cho điều này là trở kháng của tụ điện là một hàm của tần số, như được giải thích trong bài viết về trở kháng và phản ứng Điều này có nghĩa là ảnh hưởng của tụ điện đến tín hiệu phụ thuộc vào tần số, một thuộc tính được sử dụng rộng rãi trong thiết kế bộ lọc Với nhiễu, tần số rất cao nên tụ

sẽ có thể xem như ngắn mạch cho áp ra bằng 0V, với điện áp vào từ zener, có thể xem gần đúng là một chiều nên tụ sẽ hở mạch, và truyền đạt đầy đủ điện áp này

3.1.5 Khóa điện tử dùng BJT

Như đã đề cập, điện áp ở pin li-ion sẽ tăng dần cho đến khi sạc đầy, chúng ta sẽ cần 1 khóa điện tử có chức năng ngắt mạch khi áp vào đạt được quy định (tầm 5V) Ở đay khóa điện tử sử dụng BJT, lợi dụng tính chất giống như hở mạch ở miền Cut-off của BJT Đồng thời khóa còn có khả năng giảm dần dòng điện khi điện áp của pin tăng lên ( thực chất là mối quan hệ giữa Ube và Ie), hoàn toàn phù hợp với nguyên lí sạc pin

CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU KHÁI VỀ MẠCH SẠC ĐIỆN THOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

3.1 Yêu cầu, mục tiêu mà đề tài hướng tới

3.1.1 Yêu cầu

Do các thiết bị mà nhóm em nghiên cứu là các điện thoại phổ biến hiện nay như các dòng máy android: Samsung, xiami,…Nên các yêu cầu về điện áp ra của mạch sạc phải đáp ứng các thông số điện áp, dòng điện và các thông số kỹ thuật khác mà nhà sản xuất quy định

Ở đề tài này, khi nhóm bắt đầu vào triển khai công việc đã đề ra các yêu cầu kiên quyết như: điện áp ra của mạch là ≈ 4,7-5 V

Đồng thời cần phải có nguyên lý tự ngắt khi máy đã sạc đầy

3.1.2 Mục tiêu

Trước hết mạch sạc bằng năng lượng mặt trời cần đáp ứng được là về cơ bản sạc cho

điện thoại một cách ổn định, thân thiện với máy

Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản song vẫn đáp ứng được những yêu cầu đề ra

Chi phí sản xuất thấp phù hợp với nhiều người dùng

3.2 Các đối tượng đề tài nghiên cứu

Bao gồm các máy điện thoại thông dụng hiện nay, trong thời gian thảo luận cũng như triển khai nhóm có dùng điện thoại Samsung J3 để text mạch

3.3 Sơ đồ và nguyên lí mạch:

Mạch được lên ý tưởng như sau

Nguyên lí hoạt động:

Pin mặt trời với điện áp tối đa là 6V không ổn định, sau khi đi qua khối chỉnh lưu trở

thành điện áp một chiều 6Vđược làm mịn Tụ lọc nhiễu và ổn áp được mắc song song Tín hiệu sau khi ra hai khối này là một điện áp tầm 4,7 V

Khi điện áp của pin LI-ion ngày cảng tăng lên, điện áp đầu Emitter của BJT cũng tăng lên theo Trong khi đó điện áp đầu B bằng V zener không đổi, do đó làm V BE của transistor giảm dần Khi pin sạc đến 4,7 V transistor đi vào vùng cut-off, quá trình sạc bị ngắt (Khóa điện tử) Việc sử dụng khóa điện tử là rất cần thiết, nó giúp ngắt sạc khi đầy, và ngăn tình trạng bị sạc ngược

3.4 Sơ lược về các linh kiện được sử dụng

3.4.1 Pin mặt trời

Ở đề tài này nhóm chúng em sử dụng các pin mặt trời ZW 136X110-3 với các thông số

- Điện áp ra pin: 6V

- Công suất: 2 pin 2W

- Kích thước: 100 x 120 mm

- Pin cấu tạo bằng tế bào quang điện đa tinh thể

3.4.2 Diode chỉnh lưu

Có nhiều loại điốt bán dẫn, như điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại

N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode

Ở đề tài này nhóm em sử dụng Diode 1N4007 1A (DIP)

Thông 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 là một diode silic chỉnh lưu phổ biến 1A thường được sử dụng trong các adapter AC cho các thiết bị gia dụng thông thường Diode 1N4007 chịu được điện áp tối

đa lên đến 1000V Dòng điện cực đại qua mỗi diode 1N4007 là 1A, nếu dòng cao hơn sẽ

gây nóng và cháy diode, chính vì vậy giới hạn khả năng chọn lựa công suất của tấm pin mặt trời

4.3.3 Đèn Led

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

Ở đề tài này nhóm em sử dụng “Led ĐỎ”

V DÒNG KHOẢNG 10 mA

4.3.4 Diode Zener

Điốt Zener (Zener diode) còn gọi là điốt ổn áp,

là một loại Điốt bán dẫn làm việc ở chế độ phân

cực ngược trên vùng điện áp đánh

thủng (breakdown) Điện áp này còn gọi là điện áp

Zener hay thác lở (avalanche) Khi đó giá trị điện

áp ít thay đổi

Ở đề tài này nhóm em đinh sử dụng “Diode

Zener 1/2W 4.7V DIP 1N5230B” với thông số như

trong hình Tuy nhiên sau khi tiến hành thử nghiệm,