1
LỜ I NÓI ĐẦU 1. GIỚ GIỚ I THIỆ THIỆU Ngày nay, nguồn xung đượ c sử dụng ngày càng r ộng rãi. Ngườ i ta biết đến nguồn xung như m ột thiết b ị bi ến đổi điện áp AC sang DC vớ i hi ệu su ất cao. Đó là lý do mà nguồn xung đượ c 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 m ột thiếu sót lớ n nếu 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 đượ c s ử d ụng và chiếm v ị trí không thể thay thế. M ột ứng dụng cụ thể của ắc-quy là sử dụng trong các robot
ườ ng của tr ườ ng h ọc L ạc H ồng. Trên thực t ế, đa ph ần các máy sạc ắc-quy đang đượ c s ử dụng chỉ đơ n thuần là một biến áp sắt từ và diode cầu. Các máy sạc này không hề có bộ phận điều khiển nạ p cũng như đề phòng sự cố. Nếu ngườ i sử dụng không để ý khi sử dụng, họ r ất dễ làm hư máy sạc và ắc-quy khi để xảy ra sự cố: ngắn mạch ngõ ra máy sạc hoặc k ết nối ngượ c cực ắc-quy vớ i máy sạc. Do đó, một máy sạc ắcquy đượ c thiết k ế để khắc phục các nhượ c điểm trên là điều cần thiết. Nhận th t hấy yêu cầu do thực t ế cu ộc s ống đặt ra như k ể trên đề tài “THIẾ THIẾT K Ế
VÀ THI CÔNG MÁY SẠ SẠC XUNG CHO ẮC-QUY” do nhóm thực hiện ra đờ i từ
đó. 2. TẦ TẦM QUAN TR ỌNG
Ở nướ c ta, thói quen tiêu dùng của ngườ i dân đang có những chuyển biến tích cực. Nếu lúc tr ướ c, đa số ngườ i dân thườ ng ng chọn những mặt hàng r ẻ, vừa vớ i túi ướ c, tiền là tiêu chí khi tiêu dùng nói chung và khi mua s ắm các sản phẩm điện tử nói riêng. Những năm gần đây, vấn đề chất lượ ng ng của mặt hàng càng đượ c quan tâm. Ngườ i dân sẵn sàng bỏ ra m ột số tiền cao hơ n một chút, nhưng mua đượ c sản phẩm dễ sử dụng, hơ n là sản phẩm r ẻ tiền và hay hư hỏng. Khi hoàn thành đề tài, nhóm thực hiện sẽ giớ i thiệu một máy sạc ắc-quy đáp
ứng yêu cầu ngày càng cao của ngườ i sử dụng k ể trên. Ngườ i sử dụng hoàn toàn
2
yên tâm khi sử dụng thiết bị này, bở i nó hoàn toàn dễ sử dụng. Ngườ i sử dụng không cần lo lắng khi vô tình thao tác sai, máy đã đượ c thiết k ế để đề phòng các sự cố này. Ngườ i sử dụng cũng không cần ngồi sát bên máy sạc để chờ ắ ờ ắc-quy đầy như xưa n ữa. Khi ắc-quy đầy, nó sẽ sáng đèn để báo và phát ra một đoạn nhạc, ắc-quy cũng đượ c tự động ngắt khỏi nguồn điện sạc. Vớ i máy sạc do nhóm thiết k ế, nó ng hiện có bở i tính tiện lợ i đượ c kì vọng s ẽ thay thế đượ c các máy sạc kém chất lượ ng của nó.
3. MỤ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨ CỨ U Mục đích của đề tài là tìm ra h ướ ng ng thiết k ế máy sạc ắc-quy mớ i,i, qua đó sẽ kéo dài tuổi thọ ắc-quy mà vẫn đảm bảo sạc nhanh. Một mục đích không kém phần quan tr ọng là tạo ra sự thay đổi nhận thức trong việc thiết k ế 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 m ột hành động chứng minh là: không nhất thiết ta phải dùng vi điều khiển trong mọi tr ườ ng hợ p. ườ ng
ĐỀ TÀI 4. GIỚ GIỚ I THIỆ THIỆU TỔ TỔNG QUAN VỀ VỀ ĐỀ TÀI
Để có thể giải quyết đượ c những vấn đề đã đặt ra như trên, nhóm nghiên cứu đã đặt ra những chỉ tiêu sau cho máy sạc đượ c thiết k ế: − Vận hành đơ n giản. − Có đèn báo chế độ làm việc. − Có khả năng điều chỉnh vô cấ p dòng nạ p. Dòng nạ p hiển thị qua ampere k ế. − Tự động ngắt nguồn nạ p khi không sạc ắc-quy. Khi ắc-quy đầy, máy sạc sẽ
ngắt nguồn nạ p và phát một đoạn nhạc dài 30s. − Có tính năng bảo vệ ngắn mạch ngõ ra.
chế phòng ngừa và cảnh báo sự cố đấu ngượ c cực ắc-quy. − Phải có cơ ch
2
yên tâm khi sử dụng thiết bị này, bở i nó hoàn toàn dễ sử dụng. Ngườ i sử dụng không cần lo lắng khi vô tình thao tác sai, máy đã đượ c thiết k ế để đề phòng các sự cố này. Ngườ i sử dụng cũng không cần ngồi sát bên máy sạc để chờ ắ ờ ắc-quy đầy như xưa n ữa. Khi ắc-quy đầy, nó sẽ sáng đèn để báo và phát ra một đoạn nhạc, ắc-quy cũng đượ c tự động ngắt khỏi nguồn điện sạc. Vớ i máy sạc do nhóm thiết k ế, nó ng hiện có bở i tính tiện lợ i đượ c kì vọng s ẽ thay thế đượ c các máy sạc kém chất lượ ng của nó.
3. MỤ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨ CỨ U Mục đích của đề tài là tìm ra h ướ ng ng thiết k ế máy sạc ắc-quy mớ i,i, qua đó sẽ kéo dài tuổi thọ ắc-quy mà vẫn đảm bảo sạc nhanh. Một mục đích không kém phần quan tr ọng là tạo ra sự thay đổi nhận thức trong việc thiết k ế 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 m ột hành động chứng minh là: không nhất thiết ta phải dùng vi điều khiển trong mọi tr ườ ng hợ p. ườ ng
ĐỀ TÀI 4. GIỚ GIỚ I THIỆ THIỆU TỔ TỔNG QUAN VỀ VỀ ĐỀ TÀI
Để có thể giải quyết đượ c những vấn đề đã đặt ra như trên, nhóm nghiên cứu đã đặt ra những chỉ tiêu sau cho máy sạc đượ c thiết k ế: − Vận hành đơ n giản. − Có đèn báo chế độ làm việc. − Có khả năng điều chỉnh vô cấ p dòng nạ p. Dòng nạ p hiển thị qua ampere k ế. − Tự động ngắt nguồn nạ p khi không sạc ắc-quy. Khi ắc-quy đầy, máy sạc sẽ
ngắt nguồn nạ p và phát một đoạn nhạc dài 30s. − Có tính năng bảo vệ ngắn mạch ngõ ra.
chế phòng ngừa và cảnh báo sự cố đấu ngượ c cực ắc-quy. − Phải có cơ ch
3
Dựa trên những chỉ tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã phác thảo sơ đồ ơ đồ khối máy sạc như sau: 220VAC
ẮC-QUY
NGUỒ N XUNG MẠCH ĐIỀU KHIỂ N
DÒNG NẠP HỒI TIẾP
Hình 1: Tổng quan về mạch sạc ắc-quy. Máy sạc ắc-quy do nhóm thực hiện thiết k ế sẽ sử dụng một nguồn xung để cung cấ p năng lượ ng ng nạ p cho ắc-quy. Bên cạnh đó, máy còn có m ạch điều khiển việc nạ p
ắc-quy và phòng ngừa sự cố xảy ra. Việc thực hiện đề tài “THIẾT K Ế VÀ THI CÔNG MÁY SẠC XUNG CHO
ẮC-QUY” có thể chia ra làm ba giai đoạn chính: − Giai đoạn đầu tiên là thiết k ế nguồn xung để nạ p ắc-quy. Đây là giai đoạn có
thể nói là quan tr ọng nhất trong quá trình thực hiện đề tài. Vớ i việc thiết k ế nguồn xung không đượ c giảng dạy trong Khoa Cơ Đ ơ Điện, nhóm sinh viên thực hiện đề tài đã ph ải đọc tài liệu để t ự nghiên cứu. Việc áp dụng lý thuyết vào thực t ế c ũng đòi h ỏi s ự linh hoạt tr ọng việc v ận d ụng, bất c ứ m ột sai sót nào cũng có thể dẫn đến thất bại. Bên cạnh đó là sự nguy hiểm cho ngườ i thiết k ế do phải sử dụng tr ực tiế p nguồn điện 220VAC. − Giai đoạn th ứ hai là thiết k ế m ạch điều khiển n ạ p ắc-quy. Để có thể d ễ 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 hợ p thêm các tính năng bảo vệ ngắn mạch, ngượ c cực ắc-quy. Đây là các tính năng c ần thiết nh ưng l ại không hề có sơ m m ạch 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 tr ọng là thiết k ế v ỏ h ộ p cho
máy sạc. Trong giai đoạn này, nhóm thực hiện phải vận dụng các kiến thức
4
về gia công trên máy CNC, qua đó vỏ hộ p đượ c thiết k ế mớ i 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. Bướ c đầu, qua thực tế sử dụng máy đã cho k ết quả đạt đượ c như đã đề ra. Đây có thể xem là thành quả r ất đáng khích lệ sau những cố gắng không biết mệt mỏi của nhóm sinh viên thực hiện.
5
CHƯƠ NG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI Máy sạc xung do nhóm thực hiện thiết k ế 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 cấ p công suất để nạ p cho ắc-quy.
1.1.1. Tổng quan về nguồn xung [1] Khi nói đến nguồn xung, ngườ i ta có thể k ể 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 tiế p (flyback converter). − Mạch biến đổi chuyển mạch (buck converter). − Mạch biến đổi khuếch đại (boost converter).
Nguồn xung đượ c lựa chọn để thực hiện đề tài này là: mạch biến đổi đẩy
kéo. Mạch biến đổi đẩy kéo có những ưu nhượ c điểm sau: 1.1.1.1. Ư u điểm − Công suất ngõ ra lớ n gấ p đôi so vớ i mạch biến đổi thuận vớ i cùng kích
thướ c lõi ferrite (lõi t ừ dùng để chế tạo biến áp xung đượ c biết v ớ i tên lõi ferrite). − Cách ly giữa điện áp ngõ vào và điện áp ngõ ra (trái ngượ c v ớ i mạch
biến đổi chuyển mạch hoặc khuếch đại).
6
− Tiết diện dây sơ c ấ p nh ỏ h ơ n m ột n ửa so vớ i m ạch biến đổi bán phần
vớ i cùng kích thướ c lõi ferrite và cùng công su ất ngõ ra. − Sơ đồ mạch không quá phức tạ p như mạch toàn phần. − Xung nhọn điện áp ngõ ra nhỏ (trái ngượ c hoàn toàn vớ i mạch biến
đổi hồi tiế p). 1.1.1.2. Nhượ c điểm − Điện áp đặt trên MOSFET công suất gấ p đôi so vớ i mạch biến đổi bán
phần. − Số vòng dây sơ cấ p gấ p đôi so vớ i mạch biến đổi bán phần.
Tuy còn một s ố nh ượ c điểm nêu trên nhưng ngày nay mạch đẩy kéo vẫn
đượ c sử dụng khá nhiều bở i những ưu điểm của nó. 1.1.2. Sơ đồ khối mạch nguồn xung công suất
220VAC
CHỈ NH LƯ U
BIẾ N ÁP XUNG
NGUỒ N DC
NGUỒ N PHỤ
IC ĐIỀU KHIỂ N
HỒI TIẾP
TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂ N Hình 1.1: Sơ đồ khối nguồn xung. Nguồn xung đượ c thiết k ế 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 thấ p hơ n nhưng ổn định ở ngõ ra. Dựa trên nguyên lý và sơ đồ khối nguồn xung trên, ta thấy r ằng: từ điện áp AC của lướ i điện sẽ đượ c n ắn bằng diode cầu, tạo nguồn điện áp DC cao áp. Điện
7
áp DC này sẽ n ạ p cho một t ụ cao áp, mục đích là để tích tr ữ n ăng l ượ ng. Qua việc
đóng ngắt c ủa các MOSFET công suất để t ạo s ự bi ến đổi t ừ 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 đó đượ c chỉnh lưu làm nguồn nuôi cho IC này.
Điện áp ngõ ra muốn thật sự ổn định thì phải cần đến mạch hồi tiế p. Mạch hồi tiế p có nhiệm vụ chuyển các giá tr ị dòng điện, điện áp xem có đạt giá tr ị định mức hay chưa. Cụ thể: − Mạch hồi tiế p điện áp: nhằm giữ điện áp ở một ngưỡ ng đặt tr ướ c. − Mạch hồi tiế p dòng điện: vòng hồi tiế p này chỉ dùng cho chức năng bảo
vệ m ạch. Khi dòng điện ngõ ra lớ n h ơ n công suất thiết k ế thì mạch s ẽ b ị ngắt, bảo vệ mạch tránh khỏi tình tr ạng hư hỏng. Vớ i ý tưở ng thiết k ế: mạch nguồn xung chỉ ho ạt động khi có ắc-quy k ết n ối vào máy, mạch nguồn xung sẽ thiết k ế sao cho khi chỉ có tín hiệu từ mạch điều khiển gở i đến thì nguồn xung mớ i đượ c phép hoạt động.
1.1.3. Sơ đồ nguyên lý của nguồn xung 310V R41 INPUT
5R6/5W
D5 C10 103/1KV
C6 150uF/400V
J2
~
F1 D1
R15 1M
-
L1
+
1
2
3
4
104/1KV C22
2A 1 2
RV1 431K CON2
~
5mH 5A
15VIN
~
3 T2
1
4
2
15VIN C12 104
C15 1000uF
+
-
D14 BIEN AP 9V
~
2A
a) Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào.
8
KHOI CHUYEN DOI CONG SUAT
D16 FR107
T1 12 J6 CON2 1 2
2
D12_2
F2 4A
15V_OUT
L 1
R31 470/1W
R32 4k7
C17 310V
20uH
R37 2
D12 BTTH3003C
0 . 1R / 5W 10 9
R33 8K2/2W 221/1KV
3 4
C11 2200uF/35V
R30 8K2/2W
C16
D12_1
221/1KV 7
D6 OUTPUT
6 FER 33
D15 FR107 10K R28
KHOI NGUON PHU CHO QUAT TAN NHI ET
Q2 K1120
FET A
Q1 K1120
FET B
R29 10K +SENSE
J1
U6 1 2
3
15V_OUT
VOUT DVIN
4
2
3
+IN
N G
C23 220uF QUAT
1
R16 PC817 1 0.1R/2W ISO5
7812
2
b) Khối nguồn phụ cho quạt tản nhiệt.
c) Khối chuyển đổi công suất. 15VIN
VREF U5 R6 3K3
+IN
-IN
2
-IN
C 7 4 72 R7 3K3
1 5
R 4 1 00 7 R3 R 12
5K6
6
4 70
VREF J3
D20
R43 2K2
R5 1K
1 2
8 16
VREF C1 10uF
C8 10uF
10
SHDN
1
-IN CT
2
OUTA
SS VREF SHDN
COMP
D OSC N GSYNC
SG3525A
FET A
11 D 13
DISCHG OUTB RT
4148
4148
R17 33
V +
SHUTDOWN
4
PC817 ISO4
D 11
I +IN C V
D19 SHDN
3 5 1 1
4148 FET B
14 R 19
33
9
4 3
C5 103
2 1
3
d) Khối IC điều khiển MOSFET công suất. 15V_OUT
R11 470
PC817 ISO2
1
4
2
3
Q3 1K
C1815
R20 1K
R14 1K
VREF +IN
GATE R18
15V_OUT
F E R V
Q5 MCR100
4
3K3 1
ISO1
R9 3K3
R10 1K PC817
2K2 R21
3
R34 1K
R26 470
R22
2
R23
R35 C20
R38 1K
1K2 U4
R27 SHUTDOWN
470
KA431
47nF
R24 33
R39 680
e) Khối hồi tiế p dòng điện.
f) Khối hồi tiế p điện áp.
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn xung công suất.
1K
9
Để tạo thuận lợ i cho quá trình phân tích mạch, nhóm thực hiện xin đượ c phép chia mạch nguồn xung ra làm các kh ối nh ỏ h ơ n. Sau đây xin đi vào phân tích từng khối.
1.1.3.1. Khối chỉnh lư u điện áp ngõ vào 310V R41 INPUT
5R6/5W
D5 C10 103/1KV
C6 150uF/400V
J2
~
F1 D1
L1 1
R15 1M
-
+
2
3
104/1KV C22
4
2A 1 2
RV1 431K CON2
~
5mH 5A
15VIN
~
3 T2
1
4
2
15VIN C15 1000uF
C12 104
+
-
D14 BIEN AP 9V
~
2A
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 tượ ng quá dòng (nguyên nhân chủ yếu là do chậ p
mạch), cầu chì F1 sẽ bị đứt, ngắt nguồn cấ p để bảo vệ các linh kiện không bị hư hỏng thêm. − Varistor VR1 đượ c chọn có thể chịu đượ c đến điện áp 240V. Khi
điện áp ngõ vào lớ n h ơ n 240V, nội tr ở c ủa varistor sẽ gi ảm xu ống khá nhanh, tạo hiện tượ ng như là ngắn mạch và làm đứt cầu chì F1, ngắt điện cung cấ p 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 chậ p mạch các xung nhiễu tần số cao.
10
Điện tr ở R41: hạn dòng nạ p ban đầu cho tụ C6, hạn chế việc phóng tia lửa điện khi cắm nguồn cấ p cho máy sạc.
Tụ C6: tích tr ữ năng lượ ng để cấ p cho máy biến áp xung để phục v ụ chuyển hoá năng lượ ng.
LED D5 và điện tr ở R15 dùng để báo nguồn ngõ vào và tạo đườ ng xả cho tụ C6 khi máy sạc ngưng hoạt động.
Tóm lại: Từ điện áp 220VAC, qua các bộ phận bảo vệ (cầu chì, varistor), qua tụ và cuộn dây để lọc xung nhọn cao tần, qua điện tr ở hạn dòng và nạ p cho t ụ để tích tr ữ năng lượ ng.
Điện áp 220VAC cũng cung cấ p cho máy biến áp T2 để tạo điện áp 9 VAC ở ngõ ra biến áp, qua diode D14 và diode cầu D15 tạo ra nguồn phụ cấ p cho IC SG3525.
1.1.3.2. Khối IC điều khiển lái MOSFET công suất 1.1.3.2.1. Giớ i thiệu IC điều khiển nguồn xung SG3525 [6] IC SG3525 là IC chuyên dùng trong nguồn xung, nó có thể đượ c 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 mạch.
So v ớ i nh ững IC có cũng chức n ăng khác như: TL494, SG3524… IC SG3525 có những ưu điểm sau: − Có tích hợ p bộ lái MOSFET hoặc IGBT trên IC. − Tần số hoạt động: 100 Hz đến 400 kHz.
11
− Có tích hợ p chân shutdown trên IC để tắt dao động ngõ ra của IC. − Có tính năng khở i động mềm, còn gọi là soft-start (độ r ộng xung
lái MOSFET tăng từ từ khi khở i động chứ không đột ngột). − Có thể điều chỉnh thờ i gian mà cả 2 MOSFET hoặc IGBT đều
ngưng dẫn (thờ i gian chết). Sơ đồ chân của IC SG3525 đượ c mô tả như hình 1.4 bên dướ i:
Hình 1.4: Sơ đồ chân của IC SG3525.
Chứ c năng các chân của IC SG3525 đượ c mô tả như sau: − Chân 1 và chân 2 dùng để xử lý tín hiệu hồi tiế p về. Khi điện áp
chân 2 lớ n hơ n chân 1 thì xung lái MOSFET có độ r ộng tối đa. Ngượ c lại, ngay khi điện áp chân 1 lớ n hơ n chân 2, độ r ộng xung sẽ bị giớ i hạn ngay thờ i điểm đó. − Chân 3 là chân giao ti ế p, nó can thi ệ p vào tần s ố dao động c ủa IC
SG3525. Chân này có thể không cần k ết nối. − Chân 4 là chân ngõ ra xung đồng hồ trong IC SG3525, ta có th ể
dùng thiết bị đo tần số k ết nối vớ i chân này để biết tần số hoạt
động của SG3525. Chân này có th ể không cần k ết nối.
12
− Để t ạo tần s ố dao động cho IC, ta cần có một m ạch dao động RC.
Do đó, điện tr ở R T của mạch RC cần k ết nối vớ i chân 6. Tụ điện CT của mạch RC sẽ k ết nối vào chân 5. − Để quy định thờ i gian chết, ta cần có điện tr ở R D k ết nối giữa chân
7 và chân 5. Ta có thể điều chỉnh thờ i gian chết của IC qua cách xác định giá tr ị của R D. − Tần số dao hoạt động của SG3525 đượ c cho bở i công thức: o
f =
1 C T .(0,7 RT + 3R D )
− Chân 8 là chân soft-start, còn gọi là chân khở i động mềm. Muốn
sử dụng khả năng khở i động mềm, ta cần có tụ vớ i giá tr ị thích hợ p k ết nối đến chân 8. − Chân 9 là ngõ ra của b ộ so sánh mà hai chân ngõ vào là chân 1 và
chân 2. Chân này dùng để k ết h ợ p s ử d ụng v ớ i chân 1 và 2 để t ạo các kiểu hồi tiế p khác nhau. − Chân 10 là chân shutdown (chân tắt cưỡ ng bức xung ngõ ra, b ất
chấ p tín hiệu tại chân 1 và chân 2). Khi có điện áp 0,8 ÷ 5V đưa
đến chân 10 thì tụ k ết nối vớ i chân soft-start (chân 8) sẽ đượ c xả điện, kéo theo đó là độ r ộng xung ngõ ra sẽ bị giảm theo. Khi tụ soft-start xả hết điện, xung ngõ ra sẽ bị ngắt hoàn toàn. Tín hiệu tại chân 10 sẽ có mức ưu tiên cao hơ n tín hiệu h ồi tiế p v ề và đượ c x ử lý tại chân 1 và 2. − Chân 11 và chân 14 là chân phát xung để điều khiển đóng mở
MOSFET công suất. − Nguồn điện cho việc điều khiển lái MOSFET sẽ đượ c cấ p vào
chân 13, điện áp tối đa là 40V.
13
− Để IC SG3525 có thể hoạt động, ta cần cấ p nguồn cho nó. Chân 12
là chân GND, một điện áp 8 ÷ 40V cần đưa đến chân 15. − IC SG3525 sẽ t ự t ạo ra một điện áp chuẩn V REF=5,1V tại chân 16,
mục đích là để phục vụ cho qua trình xử lý tín hiệu hồi tiế p tại chân 1 và chân 2. Ngoài ra còn có th ể dùng cho một số mục đích khác.
1.1.3.2.2. Hoạt động của khối IC điều khiển lái MOSFET công suất 15VIN
VREF U5 R6 3K3
+IN
-IN
-IN
C 7 4 72 R7 3K3
2 1 5
R 4 1 00 7 R3 R 12
5K6
4 70
VREF J3
D20
R43 2K2
R5 1K
1 2
6
C8 10uF
VREF C1 10uF
8 16 10
SHDN
1
V +
-IN CT
2
4148
R17 33 FET A
11 D 13
SS VREF SHDN
COMP
D OSC N GSYNC
SG3525A 4148
OUTA
DISCHG OUTB RT
SHUTDOWN
4
PC817 ISO4
D 11
I
+IN C V
D19 SHDN
3 5 1 1
4148 FET B
14 R 19
33
9
4 3
C5 103
2 1
3
Hình 1.5: Khối IC điều khiển MOSFET công suất. Nhiệm v ụ c ủa kh ối này không gì khác là để t ạo ra hai xung lệch nhau 180 độ để điều khiển lái MOSFET công suất. Độ r ộng xung ngõ ra tuỳ thuộc vào tín hiệu ngõ vào đượ c xử lý tại ba chân: chân 1, chân 2 và chân 10. − Bình thườ ng, điện áp VREF=5,1V qua điện tr ở R5 và diode D19,
đưa đến chân 10 để tắt xung lái MOSFET, nguồn xung chưa hoạt động. Tụ C8 chưa đượ c nạ p điện. Nếu có điện áp 12V từ mạch điều khiển gở i đến làm kích dẫn opto ISO4, gây mất điện áp trên chân này, chân 10 ở mức không tích cực. Tụ C8 sẽ đượ c nạ p điện. Độ r ộng xung tại chân 11 đến chân 14 sẽ tăng tuyến tính vớ i giá tr ị
điện tích trên tụ C8. Khi tụ C8 nạ p đầy, độ r ộng xung không bị giớ i hạn cưỡ ng bức nữa. Lúc đó, độ r ộng xung sẽ phụ thuộc vào tín hiệu hồi tiế p đượ c x ử lý t ại chân 1 và chân 2. Ngoài ra, chân shutdown
14
còn đượ c điều khiển bở i tín hiệu từ mạch hồi tiế p dòng điện, điều này sẽ đượ c nói tớ i ở mục 1.1.4.3.1. − Chân 2 (chân +IN) s ẽ đượ c phân áp ở mức 3,9V qua hai điện tr ở R9 = 3,3K Ω
và
R14 = 1K Ω
(đượ c thấy ở mạch hồi tiế p điện áp).
Chân -IN sẽ đượ c phân áp ở mức 2,55V qua hai điện tr ở R 6 = 3,3K Ω và R 7 = 3,3K Ω . Vậy bình thườ ng
điện áp chân 2 sẽ lớ n
hơ n điện áp chân 1 (chân –IN), lúc này xung ngõ ra có độ r ộng t ối
đa n ếu không bị gi ớ i h ạn cưỡ ng b ức b ở i chân 10. Khi điện áp ngõ ra đạt mức định tr ướ c, mạch hồi tiế p điện áp sẽ tác động để điện áp tại chân 2 nhỏ hơ n chân 1. Ngay khi điện áp chân 2 lớ n hơ n chân 1,
độ r ộng xung lái MOSFET bị giớ i hạn ngay ở thờ i điểm đó. Chỉ khi nào điện áp chân 2 tiế p tục lớ n hơ n điện áp tại chân 1, xung mức cao mớ i tiế p tục có để lái MOSFET. Mối quan hệ giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra đượ c mô tả như hình 1.6:
Hình 1.6: Mối quan hệ giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra.
15
1.1.3.3. Khối chuyển đổi công suất D16 FR107 T1 12 J6 CON2 1 2
2
D12_2
F2 4A
15V_OUT
L
20uH
1 R31 470/1W
R32 4k7
C17 310V R37
2
D12 BTTH3003C
0.1R/5W 10 9
R33 8K2/2W 221/1KV
3 4
C11 2200uF/35V
R30 8K2/2W
C16
D12_1
221/1KV 7
D6 OUTPUT
6 FER 33
D15 FR107 10K R28
KHOI NGUON PHU CHO QUAT TAN NHI ET
Q2 K1120
FET A
Q1 K1120
FET B
R29 10K +SENSE
J1
U6 1 2
3
VOUT DVIN
1
R16 PC817 1 0.1R/2W ISO5
4
2
3
+IN
N G
C23 220uF QUAT
15V_OUT
7812
2
Hình 1.7: Khối chuyển đổi công suất. Thành phần chính trong mạch là một biến áp xung.
Để ý r ằng kí hiệu bi ến áp xung khác biến áp thườ ng ở các dấu ch ấm pha. Các cuộn dây trong biến áp phải đượ c quấn và đấu nối đúng sơ đồ thì mạch mớ i hoạt động đượ c. Trong cách cuốn biến áp của nhóm thực hiện, điểm có chấm là
điểm đầu của mỗi cuộn dây. Giả sử ban đầu Q1 mở , Q2 đóng (Q1 và Q2 đượ c điều khiển bằng chân IC SG3525), điểm không chấm của cuộn dây sơ cấ p 2-3 dươ ng hơ n so vớ i có chấm.
Điều này làm cho cuộn sơ cấ p còn lại và cả hai cuộn thứ cấ p đều có điểm không chấm d ươ ng h ơ n điểm có chấm. Bên cuộn s ơ c ấ p, ch ỉ có cuộn dây 9-7 có thể cung cấ p điện áp ra ngoài để nạ p cho tụ C11 và cung cấ p cho tải.
Ở n ửa chu kì tiế p theo thì Q2 mở , Q1 đóng, điểm có chấm của cuộn dây 4-6 sẽ d ươ ng hơ n điểm không chấm. T ươ ng t ự nh ư trên, điều này làm cho ba cuộn dây còn lại có điểm có chấm dươ ng hơ n điểm không chấm, chỉ có cuộn thứ cấ p 1210 mớ i có thể cung cấ p công suất ra ngoài. Trong khoảng thờ i gian khi 2 MOSFET đều ng ưng d ẫn, cuộn dây L và tụ C11 sẽ cung cấ p năng lượ ng đến tải.
16
R16 và ISO5 có tác dụng bảo vệ, ngăn cản dòng điện qua Q1 và Q2 quá lớ n mà phá h ỏng nó. ISO5 có điện áp thuận điển hình là 1,2V, điều này tươ ng ứng vớ i dòng điện đỉnh qua R16 là 12A thì ISO5 s ẽ gở i tín hiệu hồi tiế p về SG3525. Trong điều kiện làm việc ổn định bình thườ ng, giá tr ị dòng điện này gần như là không thể đạt tớ i. Tuy nhiên, nếu có sự không cân bằng từ thông thì giá tr ị dòng
điện này hoàn toàn có thể đạt tớ i. ISO5 có tác d ụng làm tăng tính ổn định cho mạch. R31 đóng vai trò như một tải giả. Trong máy sạc đượ c thiết k ế, khi có ắcquy k ết nối vớ i máy, nguồn xung vớ i đượ c phép hoạt động. Nhưng giả sử ta thử nguồn xung mà không k ết n ối v ớ i m ạch điều khiển s ạc, n ếu không có điện tr ở R31 sẽ làm chết MOSFET công suất Q1 và Q2. Nguyên nhân là do nguồn xung hoạt
động ở tần số khá cao nên sức phản kháng của cuộn dây lớ n dẫn đến phá huỷ MOSFET công suất nếu không có tải giả. Trong máy sạc đượ c thiết k ế có s ử dụng quạt tản nhiệt. Do điện áp ngõ ra biến áp xung có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu của ngườ i sử dụng, do đó cần thiết phải có IC ổn áp 7812 để giữ điện áp ổn định cung cấ p cho quạt.
Để hiểu rõ hơ n hoạt động của khối biến đổi công suất, ta hãy quan sát hình 1.8 và hình 1.9: MAX 2V DC
Hình 1.8: Xung điện áp và dòng điện ngõ vào. [1]
17
d c
Hình 1.9: Xung điện áp và dòng điện ngõ ra. [1]
18
1.1.3.4. Các khối hồi tiếp 1.1.3.4.1. Khối hồi tiếp dòng điện. T1 J6 CON2 1 2
12
2
0.1R/5W 10 9
3 4
D12_2
F2 4A
15V_OUT
L
20uH
1 R31 470/1W
R32 4k7
R37 2
D12 BTTH3002C
C11 2200uF/35V
D12_1 7 D6 OUTPUT
6 FER 33
15V_OUT
R11 470
PC817 ISO2
1
VREF
4
GATE R18
2
3
Q3 1K
C1815
Q5 MCR100
2K2 R21 R34 1K
R26 470
R27 SHUTDOWN
470
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa khối hồi tiế p dòng điện và khối chuyển
đổi công suất. Khối hồi tiế p dòng điện có liên quan một chút đến khối chuyển đổi công suất qua điện tr ở R37. Dòng điện qua điện tr ở R37 cũng là dòng điện qua tải. Khi điện áp r ơi trên R37 là 0,6V thì Q4 sẽ d ẫn, kéo theo ISO2 cũng d ẫn. Tiế p theo là SCR Q5 dẫn, Q5 sẽ đượ c duy trì dẫn m ặc cho ISO2 đã ng ưng dẫn do dòng điện
đi qua nó đủ để duy trì tr ạng thái dẫn điện. Điện áp từ cầu phân áp gồm R26 và R27 đưa đến chân shutdown để tắt xung tại hai chân lái MOSFET của SG3525, ngõ ra mất điện.
19
1.1.3.4.2. Khối hồi tiếp điện áp 15VIN
VREF U5 R6 3K3 -IN
C7
472
R7 3K3
R4
+IN
2
-IN
1 5
100 7
R3 R 12
5K6
VREF J3
D20
R43 2K2
R5 1K
1 2
6
4 70
C8 10uF
VREF C1 10uF
8 16 10
3 5 1 1 V +
-IN CT
OUTA
SHDN
1
SS VREF SHDN
SG3525A 4148
2
R20 1K
4148 FET B
14 R 19
33
9 C5 103
4 3
2 1
R22 3K3
1
ISO1
R9 3K3
R10 1K PC817 3
FET A
15V_OUT
R14 1K 4
R17 33 11
3
F E R V
+IN
COMP
D OSC N SYNC G
SHUTDOWN
4
PC817 ISO4
4148
D 13
DISCHG OUTB RT
D19 SHDN
D 11
I
+IN C V
R23
2
R35 R38 1K
C20
1K
1K2 K
U4
47nF
R24 33
KA431
R
R39
A
680
Hình 1.11: Mối quan hệ giữa khối hồi tiế p điện áp và khối IC điều khiển lái MOSFET công suất. Tín hiệu h ồi ti ế p điện áp sẽ đượ c đưa v ề chân 2 của SG3525. Như đã
đượ c nói ở phần 1.1.3.2.2., khi opto ISO1 chưa dẫn, điện áp chân +IN sẽ lớ n hơ n chân –IN ( V + IN = 3,9V , V − IN = 2,55V ).
Điện áp ngõ ra đượ c đi qua cầu phân áp gồm: R22, R38, R35, R24, R39 và đưa đến chân R của KA431, đặc điểm của IC KA431 là nếu điện áp chân R V R ≥ 2,5V thì
nó sẽ cho dòng điện chạy từ chân K sang chân A, qua đó ISO1 sẽ dẫn.
Điều này xảy ra khi điện áp ngõ ra đạt đến giá tr ị đặt tr ướ c, thể hi ện qua việc ch ọn giá tr ị cho: R22, R38, R35, R24, R39. Lúc đó,
V + IN = 0V < V − IN ,
xung lái MOSFET
20
sẽ b ị ng ắt, điện áp ngõ ra ngừng tăng. Khi điện áp ngõ ra thấ p h ơ n giá tr ị đặt tr ướ c, ISO1 ngưng dẫn, tiế p tục sẽ có xung lái MOSFET công su ất. Hoạt động dẫn và ngưng dẫn của ISO1 làm cho điện áp ngõ ra dao động vớ i biên độ r ất nhỏ quanh giá tr ị xác định. Muốn thay đổi điện áp ngõ ra, ta điều chỉnh biến tr ở R35, nếu giá tr ị biến tr ở tăng, điện áp ngõ ra sẽ tăng và ngượ c lại.
1.2. Mạch điều khiển 1.2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển
ÂM BÁO
ĐÈN HIỂ N THỊ NGƯỢC CỰ C
NGUỒ N XUNG
ĐIỀU KHIỂ N & BẢO VỆ
TẠO DAO ĐỘ NG (PHÂN ĐOẠ N)
ACQUY ĐIỆ N ÁP
AMPERE K Ế
Hình 1.12: Sơ đồ khối mạch điều khiển.
Để có thể có cái nhìn khái quát v ề hoạt động của mạch điều khiển, nhóm thực hiện xin đượ c giải thích nguyên lý hoạt động của nó trên sơ đồ khối. Mạch điều khiển có 3 nhiệm vụ chính: − Phân đoạn dòng nạ p vớ i một tần số hợ p lý để cơ cấu kim của
ampere k ế không dao động vớ i biên độ lớ n, tạo thuận lợ i cho quá trình giám sát của ngườ i sử dụng. − Tự động kiểm tra điện áp ắc-quy và ngắt dòng nạ p khi ắc-quy đầy.
Nếu đang sạc, đèn xanh sẽ sáng lên, nếu không có ắc-quy k ết nối vớ i máy hoặc ắc-quy sạc xong: đèn đỏ sẽ sáng lên.
21
− Thực hiện bảo vệ nếu ắc-quy bị k ết nối ngượ c cực vớ i nguồn sạc:
gắn ngượ c cực thì sẽ có âm thanh cảnh báo phát ra, nếu ấn nút start thì quá trình sạc không thể bắt đầu.
1.2.2. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển D28 T2 1
J3 2 1
V_IN
+
-
5
1
C4 470uF
V_IN CON2
12V
U4 1 2
4 2
~
J24
3
220VAC - 12VAC
VI N
C5 104
D VOU T N G
J25
3
1 2 C6 104
C14 220uF
7812 2
~
12V
2A
U6 V_IN
1
VI N
D VOU T N G
3
VREF C8 10uF
7812 2
a) Khối nguồn. 12V
12V 12V
4 1
U5A
4 1
1
U5B
3
U5D
4 1
5 4
2
12V
12 11
10
13 4011
R30 2M4
4011
8
6
7
U5C
4 1
7
9
4011 4011
7
7
C12 12V 470K
R32
C104 R33 R19 4K7
100K
2 1N4148
LS1
4
Q4 C1815
C102 ISO1 PC817 R18
4K7 Q6 C1815
3
D16
1
R34
12V
2
R7 22
D11 1N4148
C13
1
R5 22
2
D9 1
1K2
R20 1K2
4148
15V_OUT
b) Khối âm cảnh báo.
SPEAKER
22
12V 12V D2 R41 470
RA 100K
C20 100uF
C21 100nF
2 U11
U10 2
1
VCC D OUT
1
N G
D3
1uF
3
IN-
R42
1 2
s V -
R44 1R
TDA2030
1000uF 8R/0.5W
3
R44 RB 100K
CB 22uF
R43 4K7
150K
C23 104
D1 1
2
C22 104
1N4001 C25 2.2uF D5
4148 12V
15V_OUT R31 R27 10K
8
10K 5
12V
6
BAO DAY D4
R25 3K3
R48 4K7
4148
U3B
+
7
-
R24 4K7
LM393 12V BAO DAY
4
R49 10K
12V
8
3
R45 10K
2 R 47 Q7 C1815
4 70 K C25 100uF
R50 10K
R46
R50 10K
U3A
+
Q4 IRFZ44
1
-
LM393
R51 10K
R51 10K
4
10K 12V
c) Khối phát âm nhạc. 15V_OUT 12V
12V 12V R9 22k
R11 3K3
3
DUNG CUC
DO
9 DUNG CUC
R12 2K2
R10 22k
8
F E R V
U8C
3
DO
+
14
RESET
7
10K 6
-
RESTART
1
2 1
LM339
R8 2 1
1K R17
10 11
SW3
-
RESTART
J21 12V R16
U8D
RESET
RESET
Q3 2N7000
+
2K2 BAO DAY
1 2 ST ART
R21 100K R28
1 2
3
12V
D23
R36 500K
OUT_DELAY 22K 4148
12V
C1 10uF
d) Khối bảo vệ và điều khiển.
A1013
J5
START 12V
Q5
NAP
LM339 13
J18 1 2
LM339
1 2
10K
J15
12V
U8A
-
R13
2 1
12V
12V
+
J1
C24 4
OUTPUT
2
100K
s V +
IN+
UM66
2V
5
C25
1 1N4001
D19 DAY
DAY R15 R
23
J1
12V
J2 2 1
R14 4K7
12V
IN 12V
R6 U2 8 1M
7 6 C9 470uF
OUT_DELAY R29 4K7
4 T S R
C C V
DSCHG THR
OUT
1
8 4
3
7 R22 4K7
D26
6 2
C T OUT C S V R
DSCHG
C2 22uF
5
THR TRG
J26
D N V G C
NE555 1
C10 104
R3 330/2W
R4 2K2
15V_OUT
Q2 C2383
1 2
RESTART
ACQUY
3
R1 470
4148 2
SBL2040 D18
15V_IN
U1 R2 1K2
12V
NE555 D N V G C TRG
Q1 B688
12V
RESET C7 104
2 1
R26 22K
XUNG
5
C3 104
e) Khối tạo dao động. Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. Mạch điều khiển cũng đượ c chia ra các khối nhỏ để phân tích.
1.2.2.1. Khối nguồn D28 T2 1
J3 2 1
3
+
-
5
220VAC - 12VAC
V_IN C4 470uF
V_IN CON2
12V
U4 1 2
4 2
~
J24
1
VI N DVOU T
J25
3
1 2
N G
C5 104
C6 104
C14 220uF
7812 2
~ 2A
12V
U6 V_IN
1
VI N DVOU T
3
VREF
N G
C8 10uF
7812 2
Hình 1.14: Khối nguồn mạch điều khiển. Khối nguồn gồm m ột biến áp hạ áp từ điện áp 220VAC thành nguồn đôi
điện áp 12VAC. Điều này có ngh ĩ a là điện áp giữa chân 3 và chân 4, gi ữa chân 4 và chân 5 đều là 12VAC. Khi lấy điện áp từ chân 3 và chân 5, ta có 24V AC.
Điện áp 24VAC đi qua diode cầu n ạ p cho tụ C4, từ đó điện áp đi qua hai IC ổn áp 7812 để tạo 12V ở ngõ ra: − Điện áp từ ngõ ra của U4 sẽ dùng để nuôi các IC trong m ạch. − Điện áp ngõ ra của U6 sẽ tạo điện áp chuẩn so sánh. Ta cần tạo điện
áp chuẩn vì: để biết ắc-quy đã đầy hay chưa, ta cần phải so sánh giá tr ị
điện áp của ắc-quy vớ i một giá tr ị ổn định cho tr ướ c nào đó.
24
1.2.2.2. Khối âm cảnh báo 12V
12V 12V
4 1
U5A
4 1
1
U5B
3
U5D
4 1
5 4
2
12V
12 11
10
13 4011
R30 2M4
4011
8
6
7
U5C
4 1
7
9
4011 4011
7
7
C12 12V 470K
R32
C104 R33 R19 4K7
100K
2 1N4148
LS1
4
Q4 C1815
C102 ISO1 PC817 R18
SPEAKER
4K7 Q6 C1815
3
D16
1
R34
12V
2
R7 22
D11 1N4148
C13
1
R5 22
2
D9 1
1K2
R20 1K2
4148
15V_OUT
Hình 1.15: Khối âm cảnh báo. Nếu đấu nối ắc-quy đúng cực v ớ i máy sạc, không có dòng điện chạy từ chân 1 sang chân 2 của ISO1, Q6 ngưng dẫn, không có âm báo đượ c phát ra. Ngượ c lại, Q6 sẽ dẫn và sẽ có âm báo phát ra ở loa LS1. IC 4011 có 4 bộ cổng logic NAND, hai bộ U5C và U5D cùng các linh kiện k ết n ối v ớ i nó có tác dụng tạo ra các âm beep. Hai b ộ c ổng NAND còn lại có tác dụng tạo mạch dao động tần số 2Hz để ngắt quãng tiếng beep, tránh gây ra sự khó chịu cho ngườ i sử dụng.
25
1.2.2.3. Khối phát âm nhạc 12V 12V D2 R41 470
RA 100K
C20 100uF
C21 100nF
2 U11
U10 2
C25
VCC D OUT
1
1
N G
D3
1uF
2
UM66
2V
3
100K
R42
IN+
1 1N4001
5 s V +
OUTPUT IN-
1 2
s V -
R44 1R
TDA2030 R44
J1
C24 4
1000uF 8R/0.5W
3
RB 100K
CB 22uF
R43 4K7
150K
D1 1
2
C22 104
C23 104
1N4001 C25 2.2uF D5
4148 12V
15V_OUT R31 R27 10K
8
10K 5
12V
6
BAO DAY D4 4148
R48 4K7
R25 3K3
R24 4K7
U3B
+
7
-
LM393 12V BAO DAY
4
R49 10K
12V
8
3
R45 10K
2 R 47 Q7 C1815
4 70 K C25 100uF
R50 10K
R46
R51 10K
+
U3A
R50 10K Q4 IRFZ44
1
-
LM393
R51 10K
4
10K 12V
Hình 1.16: Khối phát âm nhạc. Khối phát âm nhạc có nhiệm v ụ phát ra một bản nh ạc trong khoảng 30s sau khi bình ắc-quy đầy. Theo đó, IC U10 có nhiệm vụ phát nhạc. IC này có điện áp hoạt động là 1,5 ÷ 3V nên ta cần thêm zener D3. IC này phát ra âm thanh khá nh ỏ, do
đó ta cần khuếch đại công suất âm thanh bằng U11. Khi máy sạc không sạc ắc-quy, tụ C25 không đượ c nạ p điện, điện áp chân 3 sẽ th ấ p hơ n chân 2 của U3A. Ngõ ra của U3A (chân 1) đưa mức GND đến cực G của Q11, Q11 bị ngưng dẫn, không có âm nhạc phát ra. Khi máy sạc đang sạc ắc-quy đang nạ p thì C25 đượ c nạ p điện đến điện áp 12V. Khi ắc-quy đầy thì Q5 nằm trong khối điều khiển và bảo vệ đượ c kích dẫn, qua đó Q7 cũng đượ c kích dẫn tạo đườ ng xả cho tụ. Bên cạnh đó, Q5 dẫn cũng đưa mức điện áp 12V đến kích dẫn Q4. Ắc-quy đầy thì điện áp chân 5 sẽ l ớ n hơ n chân 6, ngõ ra U8B là tr ở kháng cao, tụ C25 không thể xả vào đó chân 7 của U3. Tụ C25 xả điện làm điện áp trên chân 3 giảm, khi điện áp chân 3 vẫn lớ n hơ n 6V thì ngõ ra
26
U8A vẫn ở mức tr ở kháng cao, Q4 vẫn đượ c kích dẫn và có âm nhạc phát ra. Ngượ c lại, Q4 bị ngưng dẫn và không có âm nhạc phát ra. Thờ i gian tụ xả từ 12V xuống
đến 6V sẽ đượ c tính sao cho kéo dài 30s. Nếu ch ưa đầy 30s ta đã ng ắt k ết n ối gi ữa ắc-quy và máy sạc, điện áp chân 5 sẽ lớ n h ơ n điện áp chân 6 và ngõ ra U8B ở m ức GND. Tụ C25 sẽ đượ c xả r ất nhanh qua chân xuống thấ p hơ n 6V, âm nhạc nhanh chóng bị ngắt.
1.2.2.4. Khối bảo vệ và điểu khiển, khối tạo dao động 15V_OUT 12V
12V 12V R9 22k
R11 3K3 DUNG CUC
DO
9 DUNG CUC
R12 2K2
R10 22k
8
F E R V
U8C
3
+
RESET
14
7
10K 6
-
RESTART
1
RESTART
2 1
LM339
J21 12V
1 2
10K R8 2 1
1K R17
10 11
SW3
R16
U8D
RESET NAP Q3 2N7000
LM339
-
RESET
13
J15
+
12V
R21 100K
START
R28
D23
A1013 D19
J5
DAY
1 2
3
1 2
Q5 2K2
START 12V
J18 1 2
-
LM339
12V
12V
+
R13
2 1
12V
U8A
3
DO
12V
DAY
R15 R
R36 500K
OUT_DELAY 22K
C1 10uF
4148
J1
12V
J2 2 1
R14 4K7
IN
12V
12V
R6 U2 8 1M
7 6 C9 470uF
T S R
C C V
DSCHG THR
OUT
D N V G C TRG
3
7 R22 4K7
D26
C2 22uF
5
C10 104
DSCHG
J26 1 2
6 2
RESTART
THR TRG
D N V G C
NE555 1
R3 330/2W
R4 2K2 3
R1 470
4148 2
8 4 C T OUT C S V R
SBL2040 D18
15V_IN
U1 R2 1K2
12V
NE555
1
OUT_DELAY R29 4K7
4
Q1 B688
12V
RESET C7 104
2 1
Q2 C2383 R26 22K
XUNG
5
C3 104
Hình 1.17: Khối bảo vệ và điều khiển, khối tạo dao động. Sẽ là dễ hiểu hơ n nếu ta phân tích hai khối này cùng một lúc.
ACQUY
15V_OUT
27
Ta nhận thấy, muốn có dòng nạ p cho ắc-quy thì Q1 cần đượ c điều khiển
đóng mở . Muốn Q1 đượ c đóng mở , ngõ ra U2 c ần xuất chuỗi xung đóng mở Q2, qua đó Q1 cũng đượ c đóng mở . Muốn U1 hoạt động tạo ra chuỗi xung thì chân 3 của U2 điều khiển chân 4 (chân reset) c ủa U1 phải ở mức cao. Muốn vậy, ta phải thoả mãn 2 điều kiện:
Điều kiện 1: Phải có xung mức thấ p đưa đến chân 2 của U2. Điều này đượ c quyết định bở i ngõ ra của U8A (chân 1). Biến tr ở R13 sẽ đượ c điều ch ỉnh sao cho điện áp đặt vào chân 6 của U8 sẽ là 6,8V. Khi ắcquy k ết nối vớ i máy sạc, điện áp trên ắc-quy đưa qua cầu phân áp gồm R9 và R10, điện áp trên chân 7 sẽ là 0,5 lần điện áp trên ắc-quy. Khi
điện áp trên ắc-quy nhỏ hơ n 13,6V thì chân 2 của U2 sẽ nhận đượ c xung mức thấ p.
Điều kiện 2: chân 4 (chân reset) c ủa U2 phải ở mức cao. Điều kiện này đượ c quyết định bở i 2 bộ so sánh U8C và U8D, ngõ ra của 2 bộ so sánh này phải ở mức tr ở kháng cao chứ không phải mức GND. − Điện áp 12V đưa qua cầu phân áp gồm R11 và R12 sẽ tạo điện áp
khoảng 4,8V. Khi điện áp chân 9 lớ n hơ n 4,8V (hay điện áp trên
ắc-quy lớ n hơ n 9,6V), máy sạc sẽ nhận biết đang có ắc-quy k ết nối vào máy sạc và k ết n ối đúng cực. Qua đó, ta có thể nh ấn nút start
để bắt đầu sạc ắc-quy. Ngõ ra U8C s ẽ ở mức tr ở kháng cao. Nếu k ết nối ắc-quy ngượ c cực, điện áp đặt vào chân 10 của U8 sẽ có giá tr ị âm. Nếu không có ắc-quy k ết n ối vớ i máy sạc, điện áp chân 10 sẽ là 0V. Cả hai tr ườ ng hợ p trên thì ngõ ra của U8C đều là mức GND. − U8D dùng để b ắt đầu và k ết thúc việc n ạ p. Qua cầu phân áp gồm
R8 và R17, điện áp tại chân 10 là khoảng 1,1V. Khi chưa nhấn nút start, điện áp tại chân 11 là 0V, ngõ ra của U8D sẽ ở mức GND. Khi nhấn nút start, tụ C1 sẽ nạ p điện áp 12V; gần như lậ p tức, điện
28
áp chân 11 sẽ lớ n hơ n chân 10. Tụ C sẽ nhận đượ c dòng nạ p từ ngõ ra của U2 khi ngõ ra này lên m ức cao. Ngõ ra U8D sẽ ở m ức tr ở kháng cao. Khi đã thoả 2 điều kiện trên, quá trình nạ p có thể bắt đầu. Khi nào điện áp ắc-quy vượ t ngưỡ ng 13,6V thì sẽ không còn xung mức thấ p tác động đến chân 2 của U2. U2 hoạt động k ết chu kì khoảng h ơ n 8 phút của mình, k ết thúc chu kì hoạt
động ngõ ra U2 sẽ là mức thấ p. Thờ i gian U2 ở mức th ấ p sẽ là thờ i gian kiểm tra. Tuỳ thuộc vào giá tr ị c ủa điện tr ở c ủa bi ến tr ở R36 mà thờ i gian này có thể kéo dài 2,2 ÷ 13,4 s . Trong thờ i gian này, tụ không còn nhận đượ c dòng nạ p từ ngõ ra của U2
nên điện áp sẽ gi ảm xu ống. Nếu điện áp tụ C1 chưa gi ảm xu ống đến 1,1V mà điện áp ắc-quy sụt áp xuống thấ p h ơ n 13,6V thì sẽ có xung mức th ấ p tác động đến chân 2 của U2, ngõ ra U2 lại ở mức cao. Sau đó hơ n 8 phút, ngõ ra U2 lại xuống mức thấ p theo đúng chu kì hoạt động. Nếu trong thờ i gian kiểm tra mà điện áp bình vẫn lớ n h ơ n 13,6V, không có xung mức th ấ p tác động đến chân 2. Khi t ụ C1 giảm điện áp xuống dướ i 1,1V thì U2 sẽ bị reset. Quá trình nạ p k ết thúc. Q3 và Q5 sẽ đượ c điều khiển bở i tín hiệu điều khiển chân reset của U2
để điều khiển hai đèn báo. Cụ thể, khi Q3 dẫn thì đèn màu xanh sẽ sáng lên báo tr ạng thái đang nạ p, khi Q5 dẫn sẽ có đèn đỏ sáng lên báo máy s ạc không sạc ắcquy. Hoạt động của mạch điều khiển có thể đượ c mô tả như hình 1.18
Hình 1.18: Sơ đồ tr ạng thái hoạt động của mạch điều khiển.
29
1.2.2.4.1. Bảo vệ ngượ c cự c cho ắc-quy
Điện tr ở R11 và R12 tạo ra một cầu phân áp. Tại điểm nối giữa R1 và R2 thì điện áp sẽ là:
2,2 K Ω.12V = 4,8V . 2,2 K Ω + 3,3 K Ω
Điện áp của ắc-quy sẽ đượ c phân áp qua hai điện tr ở R9 và R10, tại điểm nối giữa R9 và R10 s ẽ bằng 0,5 lần điện áp ắc-quy. U8C dùng để bảo vệ ngượ c cực. Nếu ắc-quy k ết nối đúng cực và điện áp ắc-quy ≥ 4,8.2 = 9,6V , m ạch điều khiển sẽ bi ết có ắc-quy cắm đúng cực, điện áp chân 9 lớ n h ơ n chân 8, ngõ ra ở chân 14 sẽ có mức tr ở kháng cao, thay vì là GND GND. Các hoạt động tiế p theo để sạc ắc-quy cho phép đượ c thực hiện. Ngượ c lại, nếu không có ắc-quy k ết nối vớ i máy sạc, điện áp chân 9 là 0V. Nếu k ết nối ngượ c cực, điện áp chân 9 sẽ khác 0V nhưng lại mang giá tr ị âm. Trong cả hai tr ườ ng hợ p này, chân 14 sẽ là m ức GND. IC U2 b ị reset. Ngõ ra U2 là mức thấ p làm ngõ ra U1 ở mức thấ p, Q1 sẽ ngưng dẫn, cơ chế bảo vệ đượ c thiết lậ p.
1.2.2.4.2. Khở i động và k ết thúc việc sạc U8A dùng để phát hiện xem ắc-quy đượ c k ết nối đã đầy chưa. Nếu đã
đầy thì sẽ quá trình sạc không thể bắt đầu. Theo đó, chân 6 sẽ đượ c ghim ở mức 6,8V qua cách chỉnh biến tr ở R13. Điện áp ắc-quy sẽ đượ c phân áp qua cầu phân áp gồm R9 và R10, điện áp đưa vô chân 7 sẽ bằng 0,5 lần điện áp ắc-quy. Điều này có ngh ĩ a là: chỉ khi nào điện áp ắc-quy ở mức ≥ 13,6V thì chân 1 mớ i luôn luôn ở mức tr ở kháng cao, nếu không thì sẽ có thờ i điểm chân 1 là GND để khở i động cho U2
để tạo mức cao ở ngõ ra nếu U2 không bị reset. U8D là một bộ so sánh, có tác d ụng khở i động quá trình sạc. Chân 10 nối vào điểm nối giữa R8 và R17. Điện áp ở chân 10 sẽ là:
1 K Ω.12V ≈ 1,1V . 1 K Ω + 10 K Ω
30
Mớ i kh ở i động máy sạc, điện áp tại chân 11 là
V 11 = 0V ,
điện áp chân
10 sẽ lớ n hơ n điện áp chân 11 ( V 10 = 1,1V ), ngõ ra là điện áp GND chứ không phải là tr ở kháng cao. Nếu nhấn nút SW3, điện đượ c nạ p cho t ụ C1, gần như lậ p tức, điện áp chân 11 sẽ lớ n h ơ n điện áp chân 10, ngõ ra U8D (chân 13) s ẽ ở mức tr ở kháng cao. Nếu ắc-quy đấu nối đúng cực thì U2 không còn bị reset. Cộng thêm vớ i việc ắc-quy chưa đầy (lúc đó chân 2 ở mức thấ p) thì U2 sẽ tạo ra mức cao ở ngõ ra, U1 vì thế cũng đượ c phép hoạt động, quá trình nạ p đượ c b ắt đầu. Ngõ ra U1 sẽ liên tục tạo ra các chuỗi xung để đóng mở Q1 tạo phân đoạn dòng nạ p. Ngoài ra, ngõ ra của U1 còn đượ c n ối đến J3 trong mạch nguồn xung qua J26. Nếu U1 xuất m ức cao ở ngõ ra, nguồn xung cũng đượ c phép hoạt động và ngượ c lại. Điện áp ở chân 3 của U2 cũng đượ c đưa đến nạ p cho tụ C1 qua R28 và D23. Trong quá trình phân đoạn dòng nạ p, khi Q1 ngưng dẫn, nếu ắc-quy chưa đầy thì chân 2 của U1 lại b ị ép xuống m ức th ấ p. Chu trình cứ liên tiế p x ảy ra như vậy cho đến khi ắc-quy gần đầy (quá trình sụt áp ắc-quy diễn ra chậm lại). Lúc
đó, ngõ ra của U2 ở mức cao một thờ i gian sẽ lại chuyển xuống mức thấ p. Trong thờ i gian ở mức thấ p này, nếu điện áp ắc-quy vẫn lớ n hơ n 13,6V thì sau khoảng một thờ i gian vài giây (thờ i gian này tuỳ thu ộc vào biến tr ở R36), tụ C1 sẽ x ả điện làm
điện áp chân 11 thấ p hơ n 1,1V nên U2 bị reset dẫn đến U1 cũng bị reset, Q1 ngưng dẫn hoàn toàn, quá trình sạc k ết thúc. U1 không còn truyền tín hiệu mức cao đến để cho phép nguồn xung hoạt động, nguồn xung cũng bị ngắt. Tín hiệu điều khiển Q3 và Q5 cũng là tín hiệu điều khiển chân reset (chân 4) của U2. − Khi tín hiệu m ức cao đưa đến chân reset của U2 thì cũng kích dẫn
Q3, một đèn có màu xanh k ết n ối v ớ i J21 đượ c kích dẫn, báo hiệu có ắc-quy đang đượ c sạc.
31
− Khi tín hiệu mức thấ p đưa đến chân reset của U2, Q3 ngưng dẫn
và Q5 đượ c kích dẫn. Một đèn màu đỏ đượ c k ết nối vớ i J5, báo hiệu r ằng máy không đang sạc bất kì một ắc-quy nào.
K ết luận:
Để có thể hoàn thành tốt đề tài, nhóm thực hiện cần xác định đượ c hướ ng đi đúng đắn cho một v ấn đề c ụ th ể. Ch ươ ng 1 là nền t ảng lý thuyết, là hướ ng đi trong việc thiết k ế mà nhóm thực hiện đã xác định cho mình. Nó tạo điều kiện để nhóm thực hiện có thể tính toán, lựa chọn các linh kiện ở chươ ng 2. Mục đích cuối cùng là hiện thực hoá ý tưở ng để tạo nên một sản phẩm cụ thể.
32
CHƯƠ NG 2: TÍNH TOÁN, LỰ A CHỌN LINH KIỆN VÀ THI CÔNG 2.1. Yêu cầu của đề tài Mục tiêu của đề tài là thiết k ế và thi công một chiếc máy để sạc ắc-quy, vậy tr ướ c h ết ta hãy chú ý đến các thông số c ủa ắc-quy. Đề tài hướ ng đến việc thiết k ế và thi công máy sạc cho các ắc-quy khô từ 7,2Ah tr ở xuống. Do đó, nhóm thực hiện xin đưa ra thông số của ba loại ắc-quy sau: Bảng 2.1: Thông số một số loại ắc-quy. Loại ắc-quy
Nhà sản xuất
Điện áp sạc
Dòng sạc lớ n nhất
12V – 7,2Ah
Panasonic
13,6V – 14,9V
2,88 A
12V – 5,0Ah
Xinwei
13,6V – 14,9V
1,20 A
12V – 3,2Ah
Panasonic
13,6V – 14,9V
2,10 A
Giả sử ta sạc ắc-quy vớ i điện áp 13,6V thì điện áp ắc-quy khi đầy không thể vượ t quá 13,6V. Vậy, khi ắc-quy đạt 13,6V thì có thể xem là ắc-quy đầy. Để thu ận lợ i cho quá trình tự động hoá, điện áp ắc-quy sẽ đượ c so sánh vớ i một điện áp chuẩn, sao cho khi kiểm tra điện áp ắc-quy, nếu ắc-quy không tụt áp dướ i 13,6V trong vài giây là có thể xác định ắc-quy đã đầy. Qua bảng thông số bảng 2.1, ta thấy dòng sạc cho các ắc-quy không lớ n hơ n 3A.
Để đảm bảo h ệ số an toàn cho quá trình sử dụng, nhóm thực hi ện s ẽ thi ết k ế nguồn xung có thông số ngõ ra 16Volt – 4Ampere. Chọn điện áp ngõ ra là 16V khi thiết k ế vì điện áp từ mạch nguồn phải qua bộ phận phân đoạn dòng nạ p, qua đó sẽ có sự r ớt áp trên bộ phận này.
33
2.2. Tính toán, lự a chọn và thi công cho mạch nguồn xung 2.2.1. Khối chỉnh lư u điện áp ngõ vào 310V R41 INPUT
5R6/5W
D5 C10 103/1KV
C6 150uF/400V
J2
~
F1 D1
L1 1
R15 1M
-
2A
+
2
3
104/1KV C22
4
1 2 RV1 431K CON2
~
5mH 5A
15VIN
~
3 T2
1
4
2
15VIN
+
-
C15 1000uF
C12 104
D14 BIEN AP 9V
~
2A
Hình 2.1: Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào.
Thành phần cần tính toán, lự a chọn ở phần này chính là tụ C6 [7] Vớ i điện áp AC ngõ vào là 85–265 Vrms, ta chọn sơ bộ tụ ngõ vào là 23
F
cho mỗi watt công suất ngõ vào (Pin). Công suất ngõ vào đượ c tính dựa trên
hiệu suất khi thiết k ế và công suất ngõ ra P out . Ta có: P out = I out .U out = 4.16 = 64W
(2.1)
Chọn hiệu suất của mạch nguồn là E ff = 80% , công suất ngõ vào sẽ là: P in =
P in E ff
=
64 = 80W 0,8
Vậy, sơ bộ chọn tụ ngõ vào là 150
(2.2) F /400V
Theo yêu cầu hoạt động của mạch, điện áp ngõ vào chỉ cho phép dao động max trong khoảng điện áp nhất định gọi là ΔV DC , giá tr ị này đượ c cho bở i công thức:
max ΔV DC =
P in (1 − Dch ) min 2V line .2 f L .C DC
Khi chọn tụ
C DC
(2.3)
max phải thoả điều kiện: đạt yêu cầu, giá tr ị ΔV DC
34
max min ΔV DC ≤ (0,1 ÷ 0,15 ). 2V line
(2.4)
max min Chọn: ΔV DC = 0,1. 2V line = 0,1. 2 .195 ≈ 27,6V
Trong công thức trên: − Pin là công suất ngõ vào, P in = 80W . − Dch : là tỉ số giữa thờ i gian lướ i điện cung cấ p năng lượ ng cho tụ
cùng mạch phía sau và th ờ i gian tụ phải một mình cung cấ p điện cho mạch phía sau. Thông thườ ng
Dch = 0,2 ÷ 0,25 .
Ta chọn,
Dch = 0,2 .
Hình 2.2: Cách xác định hệ số Dch. min : điện áp hiệu dụng ngõ vào ở mức thấ p nhất. − V line
Theo tiêu chuẩn về điện áp lướ i điện Việt Nam, điện áp lướ i điện sẽ là: 220V ± 10% , có ngh ĩ a là cho phép điện áp lướ i điện dao động trong khoảng: 198V ÷ 242V . Ta chọn: min V line = 195V
Bên cạnh đó ta cũng chọn:
max V line = 240V
do sử dụng varistor bảo vệ
quá áp khi điện áp hiệu dụng lớ n hơ n 240V. − f L : tần số lướ i điện, ở đây f L = 50 Hz . − C DC : giá tr ị tụ lọc ngõ vào, ta đã chọn sơ bộ: C DC = 150μ F .
35
max Thay các giá tr ị đã có vào công th ức tính ΔV DC , ta có:
80.(1 − 0,2) ≈ 15,5V < 27,6V −6 2.195.2.50.150.10
max ΔV DC =
Vậy: chọn tụ đạt yêu cầu. Ta cũng tính đượ c: − Điện áp DC cực tiểu ngõ vào: min max − ΔV DC = 2 .195 − 15,5 ≈ 260V 2 .V line
min V DC =
(2.5)
− Điện áp DC cực đại ngõ vào: max V DC =
max = 2 .240 ≈ 340V 2.V line
(2.6)
2.2.2. Khối chuyển đổi công suất [1] D16 FR107 T1 12 J6 CON2 1 2
2
D12_2
F2 4A
15V_OUT
L
20uH
1 R31 470/1W
R32 4k7
C17 310V R37
2
D12 BTTH3003C
0.1R/5W 10 9
R33 8K2/2W 221/1KV
3 4
C11 2200uF/35V
R30 8K2/2W
C16
D12_1
221/1KV 7
D6 OUTPUT
6 FER 33
D15 FR107 10K R28
KHOI NGUON PHU CHO QUAT TAN NHI ET
Q2 K1120
FET A
Q1 K1120
FET B
R29 10K +SENSE
J1
U6 1 2
3
1
R16 PC817 1 0.1R/2W ISO5
4
2
3
+IN
N G
C23 220uF QUAT
15V_OUT
VOUT DVIN
7812
2
Hình 2.3: Khối chuyển đổi công suất. Khối chuyển đổi công suất có nhiệm vụ chuyển từ điện áp DC cao áp còn nhiều nhấ p nhô gợ n sóng sang điện áp DC thấ p áp ổn định ở ngõ ra. Trong khối này, ta cần tính toán các thông số của các phần sau: −
Tính thông số cho máy biến áp.
−
Tính toán cho phần mạch snubber.
36
−
Tính các thông số cho MOSFET công suất.
−
Tính thông số của mạch lọc LC ngõ ra.
−
Tính điện tr ở bảo vệ quá dòng cho ngõ ra.
2.2.2.1. Tính thông số cho máy biến áp [1] Các thông số chủ yếu cần phải tính của máy biến áp là số vòng dây sơ cấ p và thứ cấ p, tiết diện dây sơ cấ p và thứ cấ p.
2.2.2.1.1. Tính toán và lự a chọn số vòng sơ cấp Số vòng dây sơ cấ p đượ c suy ra từ định luật Faraday trong vật liệu từ: ⎛ dB ⎞ − 8 ⎟.10 ⎝ dt ⎠
E = N . Ae .⎜
(2.7)
Trong công thức này: − E: là điện áp trên một cuộn cảm hay cuộn dây biến áp (V). − dB: từ thông biến thiên trong lõi (Gauss). − dt: là thờ i gian từ thông biến thiên (s). − N: số vòng cuộn dây (vòng). − Ae: là diện tích mặt cắt nhánh trung tâm lõi từ (cm2).
Áp d ụng định luật này trong tình huống cụ th ể, ta có công thức tính số vòng sơ cấ p: min (V DC − 1).T onmax .108 N P = Ae .dB
(2.8)
Trong đó: min = 260V : Điện áp DC cực ti ểu ngõ vào, đã tính ở trên. Ta tr ừ đi − V DC
1 vôn do r ơi áp trên MOSFET công su ất.
37
− T ommax : thờ i gian mở lớ n nhất của MOSFET công suất, trong điều
kiện điện xấu nh ất là điện áp DC cấ p cho biến áp xung đạt cực tiểu, nó bị ràng buộc không bao giờ lớ n hơ n 80% của nửa chu kì, hay: T onmax =
0,8.T (2.9). Vớ i tần số chuyển mạch f = 50kHz đã đượ c lựa 2
chọn, thờ i gian của chu kì là: 1
1 T = = = 2.10− 5 s f 50000
và
max
T on
0,8.2.10 −5 = = 0,8.10 −5 s 2
− Ae: di ện tích tiết di ện m ặt c ắt nhánh trung tâm của lõi từ, ph ụ thu ộc
vào loại lõi từ đượ c lựa ch ọn. Trong phạm vi đề tài này, nhóm thực hiện ch ọn lõi từ EI33 có Ae = 0,95.1,25 = 1,18cm2 (Lõi từ này đượ c s ử dụng trong bộ nguồn vi tính có công suất 300-500W).
Hình 2.4: Cách xác định tiết diện mặt cắt nhánh trung tâm của lõi ferrite. [7] −
Trên lý thuyết, có thể chọn dB = 3200G vớ i lõi không có khe hở và hoạt động ở tần số chuyển mạch 50KHz. Chọn dB = 2000G do có dùng miếng đệm bằng plastic để cho lõi có khe h ở là 0,05mm ( ≈ 2mil ). Sở d ĩ ph ải t ạo ra khe hở này vì nó sẽ làm nghiêng độ dốc của vòng từ tr ễ, vẫn giữ điểm qua mức zero-Gauss cố định như hình 2.
38
Hình 2.5: Vòng tr ễ từ bị nghiêng vớ i lõi có khe hở .
Chú thích: − H: là lực kháng hay lực kh ử t ừ, là đơ n v ị c ủa c ườ ng độ t ừ tr ườ ng.
1 Oe = 79,58V/m. − B: mật độ từ thông của lõi từ (Gauss).
Tóm lại: khe hở 0,05mm sẽ kéo dài vùng làm việc tuyến tính của lõi từ, ngăn ch ặn t ừ thông không cân bằng làm lõi hoạt động ở vùng bão hoà từ. (Lúc đó dòng điện qua MOSFET sẽ cực lớ n và làm h ỏng nó)
Thay các giá tr ị đã có vào công thức tính NP (công thức 2.8), ta có: (260 − 1).0,8.10 −5.108 N P = ≈ 88vòng 1,18.2000
Chọn:
N P = 90vòng .
39
2.2.2.1.2. Tính toán và lự a chọn đườ ng kính dây sơ cấp − Vớ i dây có chiều dài hơ n 1m, mật độ dòng điện thông dụng là
DP=5A/mm2. [7] − Cuộn dây sơ cấ p có chiều dài trên 1m, để có thể hoạt động đượ c
liên tục mà không tăng nhiệt quá mức, ta chọn m ật độ dòng điện là DP=3A/mm2. Dòng điện hiệu dụng sơ cấ p đượ c tính theo công thức: I rms ( p ) =
0,986 P . out min V DC
Tiết diện dây sơ cấ p:
=
S P =
Đườ ng kính dây sơ cấ p:
0,986.80 ≈ 0,3 A 260
I rms ( p ) D p
d P = 2.
=
(2.10)
0,3 = 0,1mm 2 3
0,1
≈ 0,36mm
π
Chọn: đườ ng kính dây sơ cấ p có 0,4 mm. 2.2.2.1.3. Tính toán và lự a chọn số vòng thứ cấp Số vòng thứ cấ p đượ c cho bở i công thức: ⎛ V s .T ⎞ N P ⎛ 16.2.10 −5 ⎞ 90 N s = ⎜⎜ + 1⎟⎟. min = ⎜⎜ + 1⎟⎟. ≈ 7,3vòng (2.11) −5 T 2 . 260 − 1 V − 1 2 . 0 , 8 . 10 ⎝ ⎠ ⎝ on ⎠ DC
Chọn: số vòng sơ cấ p là 9 vòng. 2.2.2.1.4. Tính toán và lự a chọn đườ ng kính dây thứ cấp − Cuộn dây thứ cấ p có chiều dài dướ i 1m, mật độ dòng điện thông
dụng là: D s = 6 ÷ 10 A / mm2 . [7] − Để mạch có thể hoạt động lâu dài mà không sinh ra quá nhiều
nhiệt, chọn: D s = 6 A / mm2 .
40
Dòng điện hiệu dụng qua mỗi nửa cuộn thứ cấ p: . dc = 0,632.4 ≈ 2,53 A I rms( s ) = 0,632 I
Tiết diện dây thứ cấ p:
S s =
Đườ ng kính dây thứ cấ p:
I rms ( s ) D s
=
d S = 2.
Chọn: đườ ng kính dây thứ cấ p là
(2.12)
2,53 = 0,42mm2 6
0,42
≈ 0,73mm
π
d s = 0,8mm .
2.2.2.1.5. Thi công máy biến áp xung Nếu như biến áp sắt từ có bán sẵn trên thị tr ườ ng thì biến áp xung hoàn toàn ngượ c lại. Muốn cho biến áp xung hoạt động thì cần có mạch điều khiển. M ỗi ngườ i lại có cách thiết k ế riêng, dùng những họ IC điều khiển khác nhau, điện áp ngõ ra lại khác nhau tuỳ theo yêu cầu của mỗi ngườ i. Do đó, không ai quấn biến áp xung để bán sẵn trên thị tr ườ ng (ngoài tr ừ các biến áp xung cao áp trong tivi). Do
đó, việc nhóm thực hiện tự quấn biến áp xung là hoàn toàn cần thiết. Qui trình thi công biến áp xung đượ c mô tả như trong hình 2.6.
A
B
41
C
D
E
G
H
I
K
L
42
M
N
O
P
Q
R Hình 2.6: Cách thi công biến áp xung. Từ một lõi nhựa để quấn dây (còn gọi là nòng), ta băng một lớ p băng
keo chuyên dùng để chống xướ c lớ p dây trong cùng; điều này là cần thiết vì bề mặt lõi nhựa tiế p xúc vớ i dây đồng có thể không thật bằng phẳng, nó có thể gây xướ c lớ p cách điện của dây đồng. (hình 2.6A) Quy định vị trí chân số 1, sau đó cắt hai đoạn dây đồng đườ ng kính 0,4mm đủ để qu ấn 90 vòng sơ c ấ p, m ột dây quấn vào chân 2, dây còn lại qu ấn vào chân 4. Chậ p hai dây vào và quấn song hành 90 vòng. Trong quá trình quấn, cứ
43
quấn đượ c 20 vòng sẽ t ẩm m ột l ớ p keo để c ố định chặt các vòng dây, hạn ch ế vi ệc máy biến áp phát ra tiếng kêu khi làm việc. Keo đượ c dùng là hỗn hợ p của vẹc-ni (cánh kiến) và nhựa thông vớ i tỉ lệ thích hợ p. (hình 2.6B đến hình 2.6E) Sau khi quấn đủ 90 vòng, cuối c ủa dây có đầu qu ấn vào chân 2 sẽ qu ấn vào chân 4, cuối của dây có đầu quấn vào chân 4 sẽ quấn vào chân 6. (Trên sơ đồ nguyên lý, chân 3 và 4 của biến áp xung đượ c nối vớ i nhau, khi thi công ngoài thực tế sẽ chỉ dùng một chân 4, do đó, dây có đầu nối vào chân 2, thay vì cu ối nối vào chân 3 thì nó sẽ nối vào chân 4). Sau đó sẽ băng vài vòng băng keo chuyên dùng cho biến áp xung. (hình 2.6G) Tươ ng tự, ta cắt 2 đoạn dây đồng có đườ ng kính 0,8mm đủ để quấn 9 vòng dây thứ cấ p. Một dây sẽ nối vào chân 7, dây còn l ại nối vào chân 9 (do chân 9 và chân 10 nối chung, do đó, ta có thể n ối đầu dây còn lại vào chân 9, cuối dây có
đầu n ối vào chân 7 sẽ qu ấn vào chân 10, sự hoán đổi này không làm sai nguyên lý hoạt động của biến áp). Quấn đủ 9 vòng, cuối dây có đầu nối vào chân 7 sẽ quấn vào chân 10 như đã nói, cuối dây có đầu nối vào chân 9 sẽ nối vào chân 12. Sau đó sẽ phủ một lớ p keo và quấn vài vòng băng keo. (hình 2.6H đến hình 2.6L) Quét một lớ p keo mỏng lên thành lõi nhựa để cố định lõi từ vào lõi nhựa quấn dây. Cắt một miếng plastic dày khoảng 0,05mm, đặt vào giữa nửa chữ E và nửa chữ I của lõi từ. Quấn b ăng keo để cố định hai nửa chữ E và chữ I, c ắt băng keo thừa là quá trình qu ấn biến áp hoàn tất (hình 2.6M đến hình 2.6R). Ta cần phơ i nắng 2-3 ngày cho keo dán biến áp khô, sau đó ta có thể dùng biến áp đượ c.
2.2.2.2. Tính các thông số cho MOSFET công suất Hai thông số quan tr ọng nhất là dòng điện có thể dẫn của MOSFET và
điện áp chịu đựng đượ c của MOSFET. 2.2.2.2.1. Điện áp chịu đự ng đượ c của MOSFET Có thể th ấy đượ c qua những điểm ch ấm c ủa bi ến áp, khi một trong hai MOSFET mở , cực D của MOSFET đối diện chịu ít nhất gấ p hai lần điện áp cung
44
cấ p DC vì c ả hai nửa cuộn sơ cấ p có số vòng tươ ng đươ ng, ngoài ra còn có sự đóng góp thêm của những xung nhọn điện cảm rò. Trong thực tế thiết k ế, giả sử r ằng xung điện cảm có thể bằng 30% của gấ p hai l ần điện áp ngõ vào DC cực đại. Để an toàn, điện áp chịu đựng của MOSFET đượ c cho bở i công thức: max V ms = 1,3.(2.V dc ) = 1,3.( 2.340) = 884V
(2.13)
2.2.2.2.2. Khả năng dẫn dòng điện của MOSFET Dòng điện cần đượ c dẫn bở i MOSFET công suất chính là dòng đỉnh sơ cấ p, nó đượ c tính theo công thức: ⎛ P out ⎞ ⎛ 64 ⎞ ⎟ = 1 , 56 . ⎜ ⎟ = 0,38 A min ⎟ V 260 ⎝ ⎠ ⎝ dc ⎠
I pft ( p ) = 1,56⎜⎜
(2.14)
Để an toàn, ch ọn MOSFET K1120 có: − Dòng điện dẫn đượ c: I D = 8 A . − Điện áp lớ n nhất có thể chịu: V DSS = 1000V .
2.2.2.3. Tính toán, lự a chọn linh kiện cho phần mạch snubber D16 FR107 T1 12
2 C17 310V
R33 8K2/2W 221/1KV
10 9
3 4 R30 8K2/2W
C16 221/1KV 7
6 FER 33
D15 FR107 10K R28 Q2 K2717
FET A
Q1 K2717
FET B
R29 10K +SENSE R16 PC817 1 0.1R/2W ISO5
4
2
3
+IN
Hình 2.7: Các linh kiện trong mạch snubber. − Mạch snubber của transistor Q1 gồm: D16, C17, R33.
45
− Mạch snubber của transistor Q1 gồm: D15, C16, R30.
Mạch snubber nói chung dùng để giảm tổn hao chuyển mạch thể hiện dướ i dạng nhiệt năng tích tụ trên transistor. Khi transistor nóng lên, khả năng dẫn dòng kém đi, đòi h ỏi diện tích nhôm tản nhiệt lớ n lên nếu không muốn transistor bị
đánh thủng vì nhiệt. Vớ i việc dùng MOSFET, chức năng chính của snubber không còn là giảm tổn hao chuyển mạch. MOSFET chạy nhanh hơ n r ất nhiều so vớ i transistor lượ ng cực, do đó tổn hao chuyển mạch là không lớ n. Khi dùng MOSFET, chức năng chính của mạch snubber là giảm biên độ của xung điện áp điện cảm rò. Vì các xung nhọn điện áp điện cảm rò tỉ lệ thuận vớ i di/dt, do đó một MOSFET có thờ i gian tắt dòng điện nhanh hơ n r ất nhiều so vớ i một transistor lượ ng cực sẽ có xung rò
điện áp lớ n hơ n r ất nhiều. 2.2.2.3.1. Tính giá trị tụ trong mạch snubber Giá tr ị tụ điện C đượ c cho bở i công thức: I pft ( p ) C =
2 .T off max
(2.15)
V dc
Trong đó: − I pft ( p ) là dòng đỉnh sơ cấ p, I pft ( p ) = 0,38 A .(công thức 2.14) −
T off :
thờ i gian tắt của transistor công suất, vớ i Transistor K1120, -7
T off = 100ns = 10
s. [5]
Thay những giá tr ị đã có vào công thức (2.15), ta có: 0,38 .10−7 2 ≈ 6,2.10−11 F = 56 pF C = 340
Như vậy, ta có thể chọn tụ nào có giá tr ị lớ n hơ n hoặc bằng 56 pF là
đượ c.
46
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm thực hiện chỉ có thể tìm đượ c trên thị tr ườ ng tụ cao áp có giá tr ị nhỏ nhất 220pF, do đó chọn:
C16 = C17 = 220pF 2.2.2.3.2. Tính giá trị điện trở trong mạch snubber [1] Giá tr ị điện tr ở R30 và R33 trong mạch snubber đượ c chọn theo công thức: 3 R.C = t onmin
Vớ i
max t on =
(2.16)
0,8T = 0,8.10− 5 s (công thức 2.9) là thờ i gian mở l ớ n nhất c ủa 2
MOSFET công suất, ứng vớ i thờ i điểm điện áp DC ngõ vào là V dcmin = 260V . Vớ i
min t on là
thờ i gian mở nhỏ nh ất c ủa MOSFET công suất, ứng v ớ i th ờ i
điểm điện áp DC ngõ vào là V dcmax = 340V . Vậy:
max
t on
260.0,8.10 −5 = = 0,61.10 −5 s 340
Từ công thức (2.13) và các giá tr ị đã có, ta tính đượ c giá tr ị của R30 và R33: 3 R.220.10 −12 = 0,61.10 −5
Suy ra: 3 R.220.10
−12
0,61.10 −5 = ≈ 9242Ω 3.220.10 −12
Để đảm b ảo t ụ x ả h ết điện áp trong thờ i gian, chọn giá tr ị điện tr ở nh ỏ hơ n giá tr ị đã tính. Chọn: R30 = R33 = 8200Ω . Công suất toả nhiệt trên mỗi điện tr ở R30 và R33 đượ c tính theo công thức: PD R =
0,5.C .(V dcmax ) 2 T
0,5.220.10−12.3402 = ≈ 0,6W 2.10− 5
(2.17)
47
Ta phải chọn công suất danh định của điện tr ở lớ n hơ n hoặc bằng hai lần công suất toả nhiệt của nó [3], do đó chọn R30 và R33 là điện tr ở 2W.
2.2.2.4. Tính thông số của mạch lọc LC ngõ ra 2.2.2.4.1. Chọn giá trị tụ lọc Giá tr ị tụ lọc ngõ ra đượ c cho bở i công thức: C = 65.10− 6.
0,2. I rms ( s ) V or
(2.18)
Vớ i Vor là điện áp gợ n sóng đỉnh đỉnh ngõ ra, chọn: V or = 0,025V Vậy:
C = 65.10− 6.
Chọn: tụ
0,2.4 = 2,08.10− 3 F 0,025
C = 2200 F / 25V .
2.2.2.4.2. Tính giá trị cuộn cảm Giá tr ị cuộn cảm ngõ ra đượ c cho bở i công thức: 0,5.V out .T 0,5.16.2.10−5 L = = = 4.10−5 H I rms ( s ) 4
(2.19)
Từ giá tr ị tính đượ c, ứng dụng vào thực tế thì nhóm thực hiện thấy r ằng cuộn dây có giá tr ị L = 20 H sẽ tốt hơ n cho mạch nên giá tr ị này đượ c chọn.
48
2.2.2.5. Tính điện trở bảo vệ quá dòng cho ngõ ra T1 J6 CON2 1 2
12
2
0.1R/5W 10 9
3 4
D12_2
F2 4A
15V_OUT
L
20uH
1 R31 470/1W
R32 4k7
R37 2
D12 BTTH3002C
C11 2200uF/35V
D12_1 7 D6 OUTPUT
6 FER 33
15V_OUT
R11 470
PC817 ISO2
1
VREF
4
GATE R18
2
3
Q3 1K
Q5 MCR100
2K2 R21
C1815
R34 1K
R26 470
R27 SHUTDOWN
470
Hình 2.8: Mối quan hệ giữa khối chuyển đổi công suất và khối hồi tiế p dòng điện.
Điện áp r ơi trên R37 cũng là điện áp VBE của Q3. Khi điện áp này bằng 0,6V, điện áp ngõ ra sẽ bị ngắt. Trên lý thuyết, phải chọn điện tr ở R37 sao cho dòng điện trên tải là 4A thì
điện áp r ớt trên điện tr ở này là 0,6V, điện tr ở của R37 là: Rt đ =
0,6 = 0,15Ω 4
Tuy nhiên, trên thực tế phải chọn R37 có giá tr ị lớ n hơ n. Do có phân đoạn dòng nạ p, khi transistor phân đoạn chuyển từ ngưng dẫn sang dẫn, dòng ban đầu này có thể gây ngắt điện ngõ ra do tưở ng nhầm quá tải dù dòng điện trung bình trên tải chưa đến 4A. Bên cạnh đó, khi hoạt động thì R37 sẽ bị nóng lên, điện tr ở của nó vì thế cũng sẽ tăng lên. Thực tế chọn điện tr ở R37 = 0,1Ω , công suất 5W.
49
2.2.3. Tính toán, lự l ự a chọ chọn thông số số cho cầ cầu chì Khi thực hiện đề tài này, nhóm thực hiện đã quyết định làm cầu chì cho ngõ vào và ngõ ra mạch nguồn xung chính từ đườ ng ng in, kiểu thiết k ế này hay đượ c sử dụng trong các thiết bị điện tử trong công nghiệ p. Theo đó kích thướ c đườ ng ng mạch làm c ầu chì sẽ đượ c tính phù hợ p vớ i khả năng dẫn dòng của nó. Về cách tính, nhóm thực hiện đã sử dụng bảng tra của hãng P&M Services [R] Ltd.
50
Hình 2.9: Giao diện phần mềm đượ c sử dụng. Vớ i các board đồng đượ c s ử d ụng t ại Vi ệt Nam, chiều dày lớ p đồng phần lớ n là 1oz/ft, khả năng toả nhiệt ra môi tr ườ ng nên chọn là 100C. ườ ng
51
Vớ i công nghệ gia công mạch hiện có, đườ ng ng mạch in nhỏ nhất có thể gia công là 0,2mm, nh ưng khi gia công sẽ r ất dễ b ị đứt m ạch. Kích thướ c mạch thườ ng ng phải từ 0,25mm tr ở lên. ở lên.
2.2.3.1. Thiế Thiết k ế đườ ng ng mạ mạch in làm cầ c ầu chì ngõ vào Ta chọn cầu chì 1Ampere cho ngõ vào. Tra b ảng, ta có s ố liệu như sau:
Hình 2.10: Số liệu về kích thướ c đườ ng ng mạch in ứng vớ i dòng điện cần dẫn là 1Ampere. Theo số liệu ở bảng tra trên, dòng điện 1Ampere chỉ cần đườ ng ng mạch in r ộng 0,09mm. Tuy nhiên, để đảm b ảo tính vững chắc cho đườ ng ng mạch, nhóm thiết k ế đã quyết định chọn đườ ng ng mạch có kích thướ c 0,4mm làm cầu chì ngõ vào.
2.2.3.2. Thiế Thiết k ế đườ ng ng mạ mạch in làm cầ c ầu chì ngõ ra Vớ i cầu chì ngõ ra là 4Ampere, nhóm thực hiện đã chọn đườ ng ng mạch in là 1,2mm theo đúng cách tính từ phần mềm.
Hình 2.11: Số liệu về kích thướ c đườ ng ng mạch in ứng vớ i dòng điện cần dẫn là 4Ampere. Sau khi hoàn tất việc tính toán, lựa chọn thông số cho các linh kiện, nhóm nghiên cứu đã tiến hành vẽ mạch in trên phần mềm ORCAD. Board mạch sau khi đượ c gia công có hình dạng như sau:
52
Hình 2.12: Mặt tr ướ c và mặt sau của board mạch nguồn xung. Sau đây là hình ảnh board mạch sau khi hoàn tất:
Hình 2.13. Board mạch nguồn xung sau khi hoàn tất.
53
2.3. Tính toán, lự a chọn linh kiện và thi công cho mạch điều khiển 2.3.1. Khối bảo vệ và điều khiển 15V_OUT 12V
12V 12V R9 2K2
R11 3K3
3
DUNG CUC
DO
9 DUNG CUC
R12 2K2
R10 2K2
8
F E R V
U8C
3
DO
+
14
RESET
7
10K 6
-
+
RESTART
1
J18 1 2
-
R13
2 1
12V
U8A
2 1
LM339
RESTART LM339
J21 12V 10K R8
12V
12V
1 2 2 1
1K R17
10 11
SW3
-
U8D
+
RESET
LM339 13
R16
RESET
NAP Q3 2N7000
12V
12V
1 2
R21 100K
START
R28
1 2
3
D23
4148
DAY
DAY
R15 R
R36 500K
OUT_DELAY 22K
12V
A1013 D19
J5
START J15
Q5 2K2
C1 10uF
Hình 2.14: Khối bảo vệ và điều khiển. Qua thực nghiệm, ta thấy r ằng giá tr ị tụ C1, R21 và R36 như vậy là đạt yêu cầu, yêu cầu của phần tính toán là tính cho đượ c thờ i gian mà ngõ ra U8D chuyển tr ạng thái khi điện áp chân 10 lớ n hơ n điện áp chân 11 (do tụ C1 xả năng lượ ng qua R21 và R36, cộng thêm là tụ C1 không đượ c c ấ p điện từ nút nhấn hoặc từ U2 qua R28 và D23). Nhấn nút SW3, tụ C1 nạ p vớ i mức điện áp 12V. Nếu các điều kiện thoả mãn thì ngay sau nhấn nút SW3, ngõ ra của U3 có mức cao đưa đến nạ p cho tụ. Tuy nhiên, ngõ ra (chân 3) của U2 có mức cao khoảng 11V vớ i nguồn cung cấ p cho U3 là 12V, điện áp này cũng r ớt áp trên D23 là 0,7V. Do đó, chỉ khi nào tụ C1 xả điện còn thấ p hơ n 10,3V thì D23 mớ i phân cực thuận và duy trì dòng nạ p cho tụ. Như đã nói ở phần 1.2.2.4.2., điện áp chân 10 vào khoảng 1,1V. Vậy, khi tụ C1 xả từ điện áp 10,3V vừa xuống dướ i 1,1V thì ngõ ra đảo tr ạng thái. Thờ i gian này đượ c tính như sau:
54
− t
v (t ) = V 0 .e
RC
[2]
⎛ v ( t ) ⎞ ⎜⎜ = ln => ⎟⎟ R .C V ⎝ 0 ⎠ − t
⎛ v(t ) ⎞ ⎟⎟ V ⎝ 0 ⎠
=> t = − R.C . ln⎜⎜
(2.20)
Trong đó: − V(t): điện áp tụ tại thờ i điểm t, đơ n vị là V. − V0: điện áp tụ tại thờ i điểm ban đầu, đơ n vị là V. − R1 và R2 đơ n vị là Ω . − C2 đơ n vị là F.
Tr ườ ng hợ p R36 ≈ 0Ω (qua cách điều chỉnh biến tr ở mà ta có giá tr ị này), ta có: ⎛ 1,1 ⎞ ⎟ ≈ 2,2 s ⎝ 10,3 ⎠
t 1 = −105.10− 5. ln⎜
Tr ườ ng hợ p R36 = 500 K Ω , ta có: ⎛ 1,1 ⎞ ⎟ ≈ 13,4 s 10 , 3 ⎝ ⎠
t 2 = −(10 5 + 5.10 5 ).10 −5. ln⎜
Vậy thờ i gian kiểm tra ắc-quy đầy là nằm trong khoảng 2,2 ÷ 13,4 s , tùy thuộc vào cách chỉnh biến tr ở R36.
55
2.3.2. Khối tạo dao động J1
12V
J2 2 1
R14 4K7
12V
IN 12V
R6 U2 8 1M
7 6 C9 470uF
OUT_DELAY R29 4K7
4 T S R
C C V
DSCHG THR
3
1
D26
2
DSCHG
C2 22uF
THR TRG
J26
D N V G C
NE555 1
C10 104
R3 330/2W
2K2
ACQUY
15V_OUT
3
1 2 6 2
RESTART
5
R4 OUT
SBL2040 D18
15V_IN
4
C T C S V R
R1 470
4148 TRG
8
7 R22 4K7
NE555 D N V G C
U1 R2 1K2
12V
OUT
Q1 B688
12V
RESET C7 104
2 1
Q2 C2383 R26 22K
XUNG
5
C3 104
Hình 2.15: Khối tạo dao động.
2.3.2.1. Tính toán thờ i gian cho IC U1 Qua thực nghiệm, ta thấy r ằng vớ i tần số phân đoạn dòng nạ p trên 35Hz thì kim đồng hồ ampere k ế dao động vớ i biên độ khá nhỏ, thuận lợ i cho quá trình giám sát dòng nạ p. Chu kì dao động của U1 cho bở i công thức: T =
1 f
= 0,693.( R1 + R 2).C 2 [4]
(2.21)
Trong đó: − T đơ n vị là s − R1 và R2 đơ n vị là Ω − C2 đơ n vị là F
Chọn tr ướ c: C 2 = 22 F , tổng tr ở của R 1+R 2 sẽ là: R1 + R 2 =
1 1 = ≈ 1874Ω f .0,693.C 2 35.0,693.22.10 −6
Để thờ i gian nạ p lớ n gấ p đôi thờ i gian ngưng nạ p trong vi ệc phân dòng nạ p, chọn: R1 = 1,2 K Ω
R 2 = 470Ω .
56
2.3.2.2. Tính toán thờ i gian cho IC U2 Khi ắc-quy gần đầy, thờ i gian ngưng dẫn của Q1 khi phân đoạn dòng nạ p không đủ để ắc-quy giảm điện áp đủ th ấ p để chân 2 bị ép xuống m ức th ấ p. Do
đó, U2 sẽ hoạt động hết chu kì của mình. Trong thiết k ế, ta muốn thờ i gian ở mức cao này là khoảng 10 phút khi chân 2 đã hoàn toàn không bị ép xuống mức thấ p nữa. Để đạt yêu cầu trên, ta sẽ phải tính giá tr ị cho R6 và C9. Th ờ i gian ngõ ra U2 ở mức cao đượ c tính theo công thức: t H (U 2) = 1,1 R . 6.C 9
[4]
(2.22)
Trong đó: − t H (U 2) đơ n vị là s − R6 đơ n vị là Ω − C9 đơ n vị là F
Chọn tr ướ c: C 9 = 470μ F = 470.10 −6 F Giá tr ị điện tr ở R6 sẽ là: R 6 =
600 ≈ 1,16.106 Ω = 1,16M Ω −6 1,1.C 9 1,1.470.10 t H (U 2)
=
Vì thờ i gian ngõ ra U2 ở mức cao không cần thật chính xác.
Chọn: R6 = 1M Ω .
57
2.3.3. Tính toán thờ i gian cho khối âm cảnh báo 12V
12V 12V U5A
4 1
4 1
1
U5B
3
U5D
4 1
5 4
2
12V
12 11
10
13 4011
R30 2M4
4011
8
6
7
U5C
4 1
7
9
4011 4011
7
7
C12 12V 470K
R32
C104 R33 1 R19 4K7
100K
2 1N4148
LS1 1
R34
12V 4
Q4 C1815
C102 ISO1 PC817 R18
2
R7 22
D11 1N4148
C13
1
R5 22
2
D9
4K7 Q6 C1815
3
D16
SPEAKER
1K2
R20 1K2
4148
15V_OUT
Hình 2.16: Khối âm cảnh báo. Như đã trình bày ở trên, U5C và U5D là khối tạo ra âm báo chuẩn. Các giá tr ị điện tr ở , tụ… là sự k ế thừa của ngườ i đi tr ướ c. Để tạo ra âm beep ng ắt quãng vớ i tần số thích hợ p do đề tài đặt ra là khoảng 2Hz, ta sẽ phải tính giá tr ị R30 và C12. Tần số này đượ c cho bở i công thức: f =
1 [4] 2,2 R.C
(2.23)
− R chính là giá tr ị điện tr ở của R30 (Ω) . − C chính là giá tr ị của tụ C12 ( F ) .
Chọn tr ướ c t ụ C12 có giá tr ị 0,1μ F (tức là tụ 104), giá tr ị điện tr ở R sẽ là: R =
1 1 = ≈ 2,28.106 Ω = 2,28M Ω −6 2,2 f .C 2,2.2.0,1.10
Trên thực tế, chọn R30 có giá tr ị là 2,4 M Ω .
58
2.3.4. Tính toán thờ i gian cho khối phát âm nhạc 12V 12V D2 R41 470
RA 100K
C20 100uF
C21 100nF
2 U11
U10 2
C25
VCC D OUT
1
1
N G
D3
1uF
2
UM66
2V
3
100K
R42
IN+
1 1N4001
5 s V +
OUTPUT IN-
J1
C24 4
1 2
s V -
R44 1R
TDA2030
1000uF 8R/0.5W
3
R44 RB 100K
CB 22uF
R43 4K7
150K
D1 1
2
C22 104
C23 104
1N4001 C25 2.2uF D5
4148 12V
15V_OUT R31 R27 10K
8
10K 5
12V
6
BAO DAY D4 4148
R48 4K7
R25 3K3
U3B
+
7
-
R24 4K7
LM393 12V BAO DAY
4
R49 10K
12V
8
3
R45 10K
2 R 47 Q7 C1815
4 70 K C25 100uF
R50 10K
R46
R51 10K
+
U3A
R50 10K Q4 IRFZ44
1
-
LM393
R51 10K
4
10K 12V
Hình 2.17: Khối phát âm nhạc. Ta c ần tính giá tr ị c ủa t ụ C25 và điện tr ở R47 sao cho thờ i gian tụ C25 xả điện từ 12V xuống 6V là 30s. S ử dụng lại công thức 2.20: ⎛ v(t ) ⎞ ⎟⎟ V ⎝ 0 ⎠
t = − R.C . ln⎜⎜
Chọn tr ướ c C25 là 100 F , giá điện tr ở R47 đượ c xác định như sau: R =
t
⎛ V (t ) ⎞ ⎟⎟ − C . ln⎜⎜ V ⎝ 0 ⎠
=
30 ⎛ 6 ⎞ − 100.10 −6 . ln⎜ ⎟ ⎝ 12 ⎠
Chọn: điện tr ở R47 là 470 K Ω .
≈ 0,43.10 6 Ω
59
2.3.5. Tính toán, lự a chọn thông số cho cầu chì Dòng điện ở ngõ vào mạch sơ cấ p là nhỏ hơ n 1Ampere. Do đó, thừa hưở ng k ết quả của phần 2.2.3.1, ta chọn đườ ng mạch in r ộng 0,4mm. Do nguồn điện từ biến áp đi ra phải qua IC ổn áp 7812 để nuôi cho các IC mạch điều khiển. IC 7812 có tính năng bảo vệ ngắn mạch nên không cần cầu chì
ở ngõ ra của biến áp ở mạch điều khiển. Lựa chọn xong linh kiện, nhóm hiện đã thực hiện vẽ mạch trên phần mềm ORCAD, sau đây là các hình ảnh về board mạch:
Hình 2.18: Mặt tr ướ c và mặt sau của board mạch điều khiển sạc ắc-quy.
60
Hình 2.19: Board mạch điều khiển sạc ắc-quy sau khi thi công.
Hình 2.20: Khối phát âm nhạc đượ c thiết k ế dướ i dạng mô-đun mở r ộng.
61
2.4. Một số hình ảnh tổng quan về máy sạc xung đượ c thiết k ế 1
2
3
4
6
5
Hình 2.21: Giao diện của máy sạc vớ i ngườ i dùng.
Chú thích: 1: Ampere k ế. 2: Đèn đỏ báo máy không thực hiện chu trình sạc. 3: Cầu chì ở ngõ vào của máy sạc. 4: Đèn xanh báo máy đang thực hiện chu trình sạc. 5: Nút nhấn khở i động chu trình sạc. 6: Núm vặn điều chỉnh dòng sạc cho ắc-quy, nếu vặn về điểm tận cùng bên trái thì dòng sạc sẽ nhỏ nhất. Nếu điều chỉnh về điểm tận cùng bên phải, dòng sạc lớ n nhất.
62
Hình 2.22: Đèn xanh sáng lên khi máy đang sạc ắc-quy.
Hình 2.23: Khi không thực hiện chu trình sạc và có nguồn cung cấ p,
đèn đỏ sáng lên.
Công tắc điện ngõ vào
Dây nguồn vào Quạt tản nhiệt
Dây nguồn ra
Hình 2.24: Mặt sau máy sạc có quạt tản nhiệt.
63
Lỗ thông gió
Lỗ thông gió
Hình 2.25: Mặt bên máy sạc vớ i những lỗ thông gió.
K ết luận: Chươ ng 2 là sự tổng hợ p lại tất cả những cách tính, những biện pháp để nhóm thực hiện cụ thể hoá, hiện thực hoá vấn đề đượ c đặt ra. Mặc dù đượ c trình bày không dài, như đó chính là những nét tinh tuý nhất mà nhóm thực hiện có đượ c sau một thờ i gian nghiên cứu. Có thể nói, chươ ng 2 chính là sự mô tả chi tiết nhất con
đườ ng dẫn đến thành công của đề tài.
64
K ẾT QUẢ K ể từ ngày làm thử nghiệm và mạch chạy đúng yêu cầu, không bằng lòng vớ i những cái đã có, trong vòng 3 tháng tiế p sau đó nhóm thực hiện đã liên tục c ải ti ến mạch. Sau r ất nhiều l ần ch ế thử và cho chạy th ử, cho đến ngày hôm nay, có thể nói là mạch đã đáp ứng đượ c hoàn toàn các yêu c ầu đượ c đặt ra tr ướ c đó. Trong quá trình thực hiện đề tài, bên cạnh việc tham khảo thông tin trên mạng internet, nhóm thực hiện cũng đưa ra những ý tưở ng táo bạo, mớ i mẻ trong thiết k ế. Do đó, sơ đồ mạch do nhóm thiết k ế hoàn toàn không giống như bất kì sơ đồ m ạch nào hiện có trên các phươ ng tiện thông tin đại chúng. Vớ i việc không đưa vi điều khiển vào mạch điều khiển sẽ tạo thuận lợ i về giá thành cho quá trình chuyển giao công nghệ sau này, điều này cũng tạo thuận lợ i cho việc sửa chữa bảo trì sau này. Tính thực tiễn của đề tài cũng đượ c tăng lên. Thiết k ế nguồn xung là một công việc khá khó khăn và không phải ai, sinh viên nào cũng có thể làm đượ c. Việc nhóm đọc tài liệu lý thuyết và làm mạch thực tế thành công đã thể hiện đượ c khả năng tự học khá tốt của sinh viên Khoa Cơ Điện nói riêng, Đại học Lạc Hồng nói chung. Trong thờ i gian thực hiện đề tài, nhóm đã tiến hành sử dụng máy sạc xung để sạc cho một số ắc-quy vớ i dung lượ ng 3,5Ah, 5Ah, 7,2Ah. K ết quả đạt đượ c như sau; cần chú ý: ắc-quy đượ c xả hết điện, thờ i gian kiểm tra ắc-quy đầy khoảng 2s.
65
1. Đối vớ i ắc-quy 3,5Ah của hãng Panasonic. • Máy sạc đượ c chỉnh ở chế độ sạc nhanh nhất (dòng sạc lớ n nhất):
Thờ i gian
8g00’ (bắt đầu sạc)
8g30’
9g00’
9g10’ (máy ngắt sạc)
Dòng sạc
1,95A
1,00A
Điện áp trên ắc-quy
10,50V
13,40V 13,55V
0,70A
0,60A 13,60V
Thờ i gian sạc đầy: 1 giờ 10 phút • Máy sạc đượ c chỉnh ở chế độ sạc chậm nhất (dòng sạc nhỏ nhất):
Thờ i gian
8g00’ (bắt đầu sạc) 8g30’
9g00’
9g30’ (máy ngắt sạc)
Dòng sạc
0,80A
0,25A
0,20A
0,60A
Điện áp trên 10,50V
12,60V 13,26V 13,60V
ắc-quy Thờ i gian sạc đầy: 1 giờ 30 phút Ghi chú: đây là ắc-quy đã sử dụng đượ c một năm.
2. Đối vớ i ắc-quy 5Ah của hãng Xinwei. • Máy sạc đượ c chỉnh ở chế độ sạc nhanh nhất (dòng sạc lớ n nhất):
Thờ i gian
10g00’ (bắt đầu sạc)
10g30’
11g00’ 11g30’ (máy ngắt sạc)
Dòng sạc
2,90A
2,60A
2,00A
Điện áp trên 10,80V
1,50A
12,55V 13,40V 13,60V
ắc-quy Thờ i gian sạc đầy: 1 giờ 30 phút
66
• Máy đượ c chỉnh ở chế độ sạc chậm nhất (dòng sạc nhỏ nhất):
Thờ i gian
10g00’ (bắt đầu sạc)
10g30’
11g00’ 11g30’
Dòng sạc
1,60A
1,32A
1,25A
12,40V
12,86V 13,10V
Điện áp trên ắc- 10,80V
0,95A
quy
Thờ i gian
12g00’
12g30’
13g00’
13g20’ (máy ngắt sạc)
Dòng sạc
0,75A
0,60A
0,50A
0,40A
Điện áp trên ắc- 13,30V
13,44V 13,56V 13,60V
quy Thờ i gian sạc đầy: 3 giờ 20 phút Ghi chú: đây là ắc-quy mớ i sử dụng đượ c hai tháng.
3. Đối vớ i ắc-quy 7,2Ah của hãng Panasonic. • Máy đượ c chỉnh ở chế độ sạc nhanh nhất (dòng sạc lớ n nhất):
Thờ i gian
15g (bắt đầu sạc)
15g30’ 16g00’ 16g30’ 17g 00’
Dòng sạc
3,10A
2,70A
Điện áp trên ắc-quy 11,20V
2,50A
1,90A
0,90A
12,34V 12,90V 13,40V 13,45V
Thờ i gian
17g 30’
17g55’ (máy ngắt sạc)
Dòng sạc
0,50A
0,40A
Điện áp trên ắc-quy
13,55V
10,60V
Thờ i gian sạc đầy: 2 giờ 55 phút
67
• Máy đượ c chỉnh ở chế độ sạc chậm nhất (dòng sạc nhỏ nhất):
Thờ i gian
15g00’ (bắt đầu sạc)
Dòng sạc
Điện áp trên ắc-quy
15g30’ 16g00’ 16g30’
17g00’
1,90A
1,70A
1,00A
11,20V
12,50V 12,75V 13,05V
1,40A
1,20A
13,25V
Thờ i gian
17g30’
18g00’
18g30’
19g00’ 19g15’ (máy ngắt sạc)
Dòng sạc
0,80A
0,50A
0,30A
0,30A
0,30A
13,40V
13,45V
13,50V
13,55V
13,60V
Điện áp trên ắc-quy
Thờ i gian sạc đầy: 4 giờ 15 phút Ghi chú: đây là ắc-quy sử dụng đượ c tám tháng.
Tóm lại: Sau khi đượ c thiết k ế và thi công, máy sạc xung có những tính năng sau: − Khở i động quá trình sạc b ằng nút start, chu trình sạc và kiểm tra điện áp ắc-
quy sẽ diễn ra tự động. Khi ắc-quy đầy, máy sẽ tự tắt nguồn sạc và phát ra một đoạn nhạc trong 30s. − Có khả năng điều chỉnh vô cấ p dòng sạc cho ắc-quy, dòng sạc cũng đượ c hiển
thị qua ampere k ế, thuận tiện cho việc giám sát của ngườ i sử dụng. − Có đèn báo chế độ ho ạt động của máy sạc: đang sạc ắc-quy (đèn xanh) hoặc
ngưng sạc (đèn đỏ). − Bảo vệ ngượ c cực khi k ết nối ắc-quy vớ i nguồn sạc. Theo đó sẽ không làm
hỏng máy sạc và ắc-quy.
68
− Có khả năng bảo vệ ngắn mạch ngõ ra của máy sạc, tránh hư hỏng cho máy. − Có tính năng nhận biết khi ắc-quy bị mất k ết nối vớ i máy sạc và ngừng chu
trình sạc. Vớ i những tính năng này, có thể nói để tài đã hoàn thành các mục tiêu đượ c đề ra khi thiết k ế.
69
KIẾN NGHỊ Mặc dù đã làm thành công mạch nguồn xung, tuy nhiên, nhóm thực hiện chỉ dựa vào những tài liệu hiện có và rút kinh nghiệm từ thực tế để hoàn thành đề tài. Nhóm thực hiện không có đượ c những máy chuyên dùng để thẩm định chất lượ ng lõi ferrite. Khi đưa vào sản xuất thực tế, việc dùng những máy chuyên dùng để kiểm tra chất lượ ng lõi ferrite cần đượ c quan tâm đúng mức, qua đó, có thể phát huy tốt nhất công suất lõi ferrite đượ c sử dụng. Về mặt kích thướ c, máy sạc ắc-quy do nhóm chế tạo có kích thướ c lớ n hơ n so vớ i máy sạc có cùng công suất hiện có trên thị tr ườ ng. Do đó, tối ưu kích thướ c mạch cũng là điều đáng lưu tâm khi máy sạc đượ c đưa vào sản xuất phục v ụ cuộc sống. Khi thiết k ế đườ ng mạch in, vớ i những đườ ng mạch cung cấ p điện áp DC ra ngoài, ngoài việc tính toán kích thướ c theo dòng điện có khả năng tải của đườ ng mạch, cần chú ý đến việc sụt áp trên đườ ng mạch, tránh gây sụt áp quá nhiều trên
đườ ng mạch do kích thướ c đườ ng mạch quá nhỏ. Điều này sẽ ảnh hưở ng không nhỏ đến tính chính xác điện áp ngõ ra. Hỗn h ợ p keo để cố định các vòng dây cần đượ c chú tr ọng h ơ n n ữa, đảm b ảo khi biến áp xung hoạt động thì hoàn toàn không phát ra tiếng kêu dù là nhỏ nhất. Nếu nhóm thực hi ện đượ c h ỗ tr ợ v ề m ặt k ỹ thuật và kinh phí để có thể s ản xuất sản ph ẩm theo quy mô công nghiệ p, giá thành của sản phẩm sẽ ở mức thấ p nhất, có thể cạnh tranh vớ i các sản phẩn hiện có trên thị tr ườ ng.
70
HƯỚ NG PHÁT TRIỂN Ngày nay, máy sạc có thể điều chỉnh vô cấ p của một số hãng như hãng Robot chỉ giớ i h ạn ở dòng ngõ ra là 30A [8]. Dựa trên nền t ảng công nghệ c ủa chiếc máy sạc này, việc thiết k ế những máy sạc có dòng điện ngõ ra lớ n hơ n 30A mà vẫn có thể chỉnh vô cấ p dòng sạc là hoàn toàn có thể. Bên cạnh đó, nếu phát triển máy sạc hiện có để sạc những ắc-quy dung lượ ng lớ n hơ n thì công suất tổn hao cho mạch điều khiển g ần như là không thay đổi. Do đó, chế t ạo những máy sạc công suất l ớ n h ơ n sẽ làm tăng hiệu suất của máy sạc lên khá nhiều. Khi nói đến nguồn xung, ngườ i ta luôn ngh ĩ đến kh ả n ăng ổn áp ở ngõ ra, vớ i sự thay đổi điện áp ở ngõ vào trong một phạm vi r ộng. Việc sử dụng nguồn phụ nuôi cho SG3525 là biến áp sắt từ đã hạn chế khả năng ổn áp này. Do đó, trong những nghiên cứu tiế p theo thì nên dùng nguồn phụ cũng là biến áp xung công suất nhỏ. Việc phát triển để có thể sạc cho nhiều loại quy: 6V, 12V, 24V trên cùng một máy sạc là hoàn toàn có thể đượ c. Việc nâng cấ p này cũng không quá phức tạ p.
