Đề tài Thiết kế và thi công máy sạc xung cho ắc-Quy

(PHÂN ĐOẠN) 21 − Thực hiện bảo vệ nếu ắc-quy bị kết nối ngược cực với nguồn sạc: gắn ngược 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 V_IN J25 12V 1 2 U4 7812 1 3 2 VIN VOUT G N D C5 104 12V +- ~ ~ D28 2A C14 220uF U6 7812 1 3 2 VIN VOUT G N D T2 220VAC - 12VAC 1 3 4 2 5 C4 470uF VREF V_IN J24 V_IN 1 2 C8 10uF C6 104 J3 CON2 1 2 a) Khối nguồn. D16 4148 U5B 4011 5 6 4 14 7 R33 100K R7 22 R18 1K2 C13 C102 ISO1 PC817 1 2 4 3 C12 C104 12V U5A 4011 1 2 3 14 7 12V Q6 C1815 U5D 4011 12 13 11 14 7 D11 1N4148 1 2 LS1 SPEAKER R5 22 R34 4K7 12V 15V_OUT D9 1N4148 1 2 R20 1K2 12V R19 4K7 12V R30 2M4 Q4 C1815 12V R32470K U5C 40118 9 10 14 7 b) Khối âm cảnh báo. 22 12V R43 4K7 - + U3B LM393 5 6 7 8 4 12V BAO DAY R44 1R 15V_OUT C25 2.2uF R45 10K Q4 IRFZ44 R31 10K D2 1N4001 12 D3 2V C25 100uF J1 8R/0.5W 1 2 R48 4K7 D1 1N4001 1 2 R50 10K RA 100K 12V - + U3A LM393 3 2 1 8 4 R42100K 12V R50 10K 12V D5 4148 D4 4148 R41 470 U10 UM66 1 3 2 OUT G N DVCC 12V C20 100uF C24 1000uF C21 100nF C25 1uF R24 4K7 CB 22uF R49 10K 12V R51 10K RB 100K C22 104 R25 3K3 R44 150K Q7 C1815 R46 10K U11 TDA2030 1 2 3 4 5 IN+ IN- -V s OUTPUT +V s R51 10K R47 470K C23 104 BAO DAY R27 10K c) Khối phát âm nhạc. 15V_OUT 12V 12V Q5 A1013 12V R12 2K2 J21 NAP 1 2 R8 10K 12V J15 START 1 2 RESET Q3 2N7000 OUT_DELAY R13 10K DUNG CUC R36 500K DUNG CUC R9 22k BAO DAY 12V RESTART - + U8C LM339 9 8 14 3 12 - + U8A LM339 7 6 1 3 12 12V 12V 12V R21 100K R16 2K2R17 1K RESET VR EF R15 R SW3 START 12V J5 DAY 1 2 D23 4148 DO D19 DAY J18 RESTART 1 2 C1 10uF DO R11 3K3 RESET R28 22K R10 22k - + U8D LM339 11 10 13 3 12 12V d) Khối bảo vệ và điều khiển. 23 C3 104 15V_IN R1 470 Q1 B688 RESTART C9 470uF R26 22K R29 4K7 J1 IN 1 2 C2 22uF R14 4K7 J26 XUNG 1 2 12V 15V_OUT R3 330/2WR4 2K2 U2 NE555 3 48 1 5 2 6 7 OUT R ST VC C G N D C V TRG THR DSCHG R6 1M 12V 12V OUT_DELAY R22 4K7 D18 SBL2040 Q2 C2383 U1 NE555 3 48 1 5 2 6 7 OUT R ST VC C G N D C V TRG THR DSCHG R2 1K2 D26 4148 RESET C7 104 12V 12V J2 ACQUY 1 2 C10 104 e) Khối tạo dao động. Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. Mạch điều khiển cũng được chia ra các khối nhỏ để phân tích. 1.2.2.1. Khối nguồn V_IN J25 12V 1 2 U4 7812 1 3 2 VIN VOUT G N D C5 104 12V +- ~ ~ D28 2A C14 220uF U6 7812 1 3 2 VIN VOUT G N D T2 220VAC - 12VAC 1 3 4 2 5 C4 470uF VREF V_IN J24 V_IN 1 2 C8 10uF C6 104 J3 CON2 1 2 Hình 1.14: Khối nguồn mạch điều khiển. Khối nguồn gồm một biến áp hạ áp từ điện áp 220VAC thành nguồn đôi điện áp 12VAC. Điều này có nghĩa là điện áp giữa chân 3 và chân 4, giữa chân 4 và chân 5 đều là 12VAC. Khi lấy điện áp từ chân 3 và chân 5, ta có 24VAC. Điện áp 24VAC đi qua diode cầu nạp 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 mạch. − 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 trị điện áp của ắc-quy với một giá trị ổn định cho trước nào đó. 24 1.2.2.2. Khối âm cảnh báo D16 4148 U5B 4011 5 6 4 14 7 R33 100K R7 22 R18 1K2 C13 C102 ISO1 PC817 1 2 4 3 C12 C104 12V U5A 4011 1 2 3 14 7 12V Q6 C1815 U5D 4011 12 13 11 14 7 D11 1N4148 1 2 LS1 SPEAKER R5 22 R34 4K7 12V 15V_OUT D9 1N4148 1 2 R20 1K2 12V R19 4K7 12V R30 2M4 Q4 C1815 12V R32470K U5C 40118 9 10 14 7 Hình 1.15: Khối âm cảnh báo. Nếu đấu nối ắc-quy đúng cực với máy sạc, không có dòng điện chạy từ chân 1 sang chân 2 của ISO1, Q6 ngưng dẫn, không có âm báo được phát ra. Ngược 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 kết nối với nó có tác dụng tạo ra các âm beep. Hai bộ cổng 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 người sử dụng. 25 1.2.2.3. Khối phát âm nhạc 12V R43 4K7 - + U3B LM393 5 6 7 8 4 12V BAO DAY R44 1R 15V_OUT C25 2.2uF R45 10K Q4 IRFZ44 R31 10K D2 1N4001 12 D3 2V C25 100uF J1 8R/0.5W 1 2 R48 4K7 D1 1N4001 1 2 R50 10K RA 100K 12V - + U3A LM393 3 2 1 8 4 R42100K 12V R50 10K 12V D5 4148 D4 4148 R41 470 U10 UM66 1 3 2 OUT G N DVCC 12V C20 100uF C24 1000uF C21 100nF C25 1uF R24 4K7 CB 22uF R49 10K 12V R51 10K RB 100K C22 104 R25 3K3 R44 150K Q7 C1815 R46 10K U11 TDA2030 1 2 3 4 5 IN+ IN- -V s OUTPUT +V s R51 10K R47 470K C23 104 BAO DAY R27 10K Hình 1.16: Khối phát âm nhạc. Khối phát âm nhạc có nhiệm vụ phát ra một bản nhạc 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 V35,1 ÷ nên ta cần thêm zener D3. IC này phát ra âm thanh khá nhỏ, do đó ta cần khuếch đại công suất âm thanh bằng U11. Khi máy sạc không sạc ắc-quy, tụ C25 không được nạp điện, điện áp chân 3 sẽ thấp hơn 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 nạp thì C25 được nạp điện đến điện áp 12V. Khi ắc-quy đầy thì Q5 nằm trong khối điều khiển và bảo vệ được kích dẫn, qua đó Q7 cũng được kích dẫn tạo đường 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 lớn hơn chân 6, ngõ ra U8B là trở 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 lớn hơn 6V thì ngõ ra 26 U8A vẫn ở mức trở kháng cao, Q4 vẫn được kích dẫn và có âm nhạc phát ra. Ngược lại, Q4 bị ngưng dẫn và không có âm nhạc phát ra. Thời gian tụ xả từ 12V xuống đến 6V sẽ được tính sao cho kéo dài 30s. Nếu chưa đầy 30s ta đã ngắt kết nối giữa ắc-quy và máy sạc, điện áp chân 5 sẽ lớn hơn điện áp chân 6 và ngõ ra U8B ở mức GND. Tụ C25 sẽ được xả rất nhanh qua chân xuống thấp hơn 6V, âm nhạc nhanh chóng bị ngắt. 1.2.2.4. Khối bảo vệ và điểu khiển, khối tạo dao động 12V Q5 A1013 D19 DAY C1 10uF 12V 12V J5 DAY 1 2 R12 2K2 12V D23 4148 RESET R10 22k R8 10K R16 2K2 12V R17 1K - + U8C LM339 9 8 14 3 12 DUNG CUC RESET 12V - + U8D LM339 11 10 13 3 12 J21 NAP 1 2 DO R9 22k SW3 START 12V - + U8A LM339 7 6 1 3 12 V R EFR11 3K3 R15 R R28 22K 12V J18 RESTART 1 2 R13 10K J15 START 1 2 R21 100K Q3 2N7000 R36 500K 15V_OUT DO DUNG CUC RESTART 12V 12V RESET OUT_DELAY C3 104 15V_IN R1 470 Q1 B688 RESTART C9 470uF R26 22K R29 4K7 J1 IN 1 2 C2 22uF R14 4K7 J26 XUNG 1 2 12V 15V_OUT R3 330/2WR4 2K2 U2 NE555 3 48 1 5 2 6 7 OUT R ST VC C G N D C V TRG THR DSCHG R6 1M 12V 12V OUT_DELAY R22 4K7 D18 SBL2040 Q2 C2383 U1 NE555 3 48 1 5 2 6 7 OUT R ST VC C G N D C V TRG THR DSCHG R2 1K2 D26 4148 RESET C7 104 12V 12V J2 ACQUY 1 2 C10 104 Hình 1.17: Khối bảo vệ và điều khiển, khối tạo dao động. Sẽ là dễ hiểu hơn nếu ta phân tích hai khối này cùng một lúc. 27 Ta nhận thấy, muốn có dòng nạp cho ắc-quy thì Q1 cần được điều khiển đóng mở. Muốn Q1 được đóng mở, ngõ ra U2 cần xuất chuỗi xung đóng mở Q2, qua đó Q1 cũng được đóng mở. Muốn U1 hoạt động tạo ra chuỗi xung thì chân 3 của U2 điều khiển chân 4 (chân reset) của U1 phải ở mức cao. Muốn vậy, ta phải thoả mãn 2 điều kiện: ™ Điều kiện 1: Phải có xung mức thấp đưa đến chân 2 của U2. Điều này được quyết định bởi ngõ ra của U8A (chân 1). Biến trở R13 sẽ được điều chỉnh sao cho điện áp đặt vào chân 6 của U8 sẽ là 6,8V. Khi ắc- quy kết nối với 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 hơn 13,6V thì chân 2 của U2 sẽ nhận được xung mức thấp. ™ Điều kiện 2: chân 4 (chân reset) của U2 phải ở mức cao. Điều kiện này được quyết định bởi 2 bộ so sánh U8C và U8D, ngõ ra của 2 bộ so sánh này phải ở mức trở 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 lớn hơn 4,8V (hay điện áp trên ắc-quy lớn hơn 9,6V), máy sạc sẽ nhận biết đang có ắc-quy kết nối vào máy sạc và kết nối đúng cực. Qua đó, ta có thể nhấn nút start để bắt đầu sạc ắc-quy. Ngõ ra U8C sẽ ở mức trở kháng cao. Nếu kết nối ắc-quy ngược cực, điện áp đặt vào chân 10 của U8 sẽ có giá trị âm. Nếu không có ắc-quy kết nối với máy sạc, điện áp chân 10 sẽ là 0V. Cả hai trường hợp trên thì ngõ ra của U8C đều là mức GND. − U8D dùng để bắt đầu và kết thúc việc nạp. 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 nạp điện áp 12V; gần như lập tức, điện 28 áp chân 11 sẽ lớn hơn chân 10. Tụ C sẽ nhận được dòng nạp từ ngõ ra của U2 khi ngõ ra này lên mức cao. Ngõ ra U8D sẽ ở mức trở kháng cao. Khi đã thoả 2 điều kiện trên, quá trình nạp có thể bắt đầu. Khi nào điện áp ắc-quy vượt ngưỡng 13,6V thì sẽ không còn xung mức thấp tác động đến chân 2 của U2. U2 hoạt động kết chu kì khoảng hơn 8 phút của mình, kết thúc chu kì hoạt động ngõ ra U2 sẽ là mức thấp. Thời gian U2 ở mức thấp sẽ là thời gian kiểm tra. Tuỳ thuộc vào giá trị của điện trở của biến trở R36 mà thời gian này có thể kéo dài s4,132,2 ÷ . Trong thời gian này, tụ không còn nhận được dòng nạp từ ngõ ra của U2 nên điện áp sẽ giảm xuống. Nếu điện áp tụ C1 chưa giảm xuống đến 1,1V mà điện áp ắc-quy sụt áp xuống thấp hơn 13,6V thì sẽ có xung mức thấp tác động đến chân 2 của U2, ngõ ra U2 lại ở mức cao. Sau đó hơn 8 phút, ngõ ra U2 lại xuống mức thấp theo đúng chu kì hoạt động. Nếu trong thời gian kiểm tra mà điện áp bình vẫn lớn hơn 13,6V, không có xung mức thấp tác động đến chân 2. Khi tụ C1 giảm điện áp xuống dưới 1,1V thì U2 sẽ bị reset. Quá trình nạp kết thúc. Q3 và Q5 sẽ được điều khiển bởi 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 trạng thái đang nạp, khi Q5 dẫn sẽ có đèn đỏ sáng lên báo máy sạc không sạc ắc- quy. Hoạt động của mạch điều khiển có thể được mô tả như hình 1.18 Hình 1.18: Sơ đồ trạng thái hoạt động của mạch điều khiển. 29 1.2.2.4.1. Bảo vệ ngược cực cho ắc-quy Điện trở R11 và R12 tạo ra một cầu phân áp. Tại điểm nối giữa R1 và R2 thì điện áp sẽ là: V KK VK 8,4 3,32,2 12.2,2 =Ω+Ω Ω . Điện áp của ắc-quy sẽ được phân áp qua hai điện trở R9 và R10, tại điểm nối giữa R9 và R10 sẽ bằng 0,5 lần điện áp ắc-quy. U8C dùng để bảo vệ ngược cực. Nếu ắc-quy kết nối đúng cực và điện áp ắc-quy V6,92.8,4 =≥ , mạch điều khiển sẽ biết có ắc-quy cắm đúng cực, điện áp chân 9 lớn hơn chân 8, ngõ ra ở chân 14 sẽ có mức trở kháng cao, thay vì là GND GND. Các hoạt động tiếp theo để sạc ắc-quy cho phép được thực hiện. Ngược lại, nếu không có ắc-quy kết nối với máy sạc, điện áp chân 9 là 0V. Nếu kết nối ngược cực, điện áp chân 9 sẽ khác 0V nhưng lại mang giá trị âm. Trong cả hai trường hợp này, chân 14 sẽ là mức GND. IC U2 bị reset. Ngõ ra U2 là mức thấp làm ngõ ra U1 ở mức thấp, Q1 sẽ ngưng dẫn, cơ chế bảo vệ được thiết lập. 1.2.2.4.2. Khởi động và kết thúc việc sạc U8A dùng để phát hiện xem ắc-quy được kết nối đã đầy chưa. Nếu đã đầy thì sẽ quá trình sạc không thể bắt đầu. Theo đó, chân 6 sẽ được ghim ở mức 6,8V qua cách chỉnh biến trở R13. Điện áp ắc-quy sẽ được 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 nghĩa là: chỉ khi nào điện áp ắc-quy ở mức V6,13≥ thì chân 1 mới luôn luôn ở mức trở kháng cao, nếu không thì sẽ có thời điểm chân 1 là GND để khởi động cho U2 để tạo mức cao ở ngõ ra nếu U2 không bị reset. U8D là một bộ so sánh, có tác dụng khởi động quá trình sạc. Chân 10 nối vào điểm nối giữa R8 và R17. Điện áp ở chân 10 sẽ là: V KK VK 1,1 101 12.1 ≈Ω+Ω Ω . 30 Mới khởi động máy sạc, điện áp tại chân 11 là VV 011 = , điện áp chân 10 sẽ lớn hơn điện áp chân 11 ( VV 1,110 = ), ngõ ra là điện áp GND chứ không phải là trở kháng cao. Nếu nhấn nút SW3, điện được nạp cho tụ C1, gần như lập tức, điện áp chân 11 sẽ lớn hơn điện áp chân 10, ngõ ra U8D (chân 13) sẽ ở mức trở kháng cao. Nếu ắc-quy đấu nối đúng cực thì U2 không còn bị reset. Cộng thêm với việc ắc-quy chưa đầy (lúc đó chân 2 ở mức thấp) thì U2 sẽ tạo ra mức cao ở ngõ ra, U1 vì thế cũng được phép hoạt động, quá trình nạp được bắt đầu. Ngõ ra U1 sẽ liên tục tạo ra các chuỗi xung để đóng mở Q1 tạo phân đoạn dòng nạp. Ngoài ra, ngõ ra của U1 còn được nối đến J3 trong mạch nguồn xung qua J26. Nếu U1 xuất mức cao ở ngõ ra, nguồn xung cũng được phép hoạt động và ngược lại. Điện áp ở chân 3 của U2 cũng được đưa đến nạp cho tụ C1 qua R28 và D23. Trong quá trình phân đoạn dòng nạp, khi Q1 ngưng dẫn, nếu ắc-quy chưa đầy thì chân 2 của U1 lại bị ép xuống mức thấp. Chu trình cứ liên tiếp xảy 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 thời gian sẽ lại chuyển xuống mức thấp. Trong thời gian ở mức thấp này, nếu điện áp ắc-quy vẫn lớn hơn 13,6V thì sau khoảng một thời gian vài giây (thời gian này tuỳ thuộc vào biến trở R36), tụ C1 sẽ xả điện làm điện áp chân 11 thấp hơn 1,1V nên U2 bị reset dẫn đến U1 cũng bị reset, Q1 ngưng dẫn hoàn toàn, quá trình sạc kết 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 mức cao đưa đến chân reset của U2 thì cũng kích dẫn Q3, một đèn có màu xanh kết nối với J21 được kích dẫn, báo hiệu có ắc-quy đang được sạc. 31 − Khi tín hiệu mức thấp đưa đến chân reset của U2, Q3 ngưng dẫn và Q5 được kích dẫn. Một đèn màu đỏ được kết nối với J5, báo hiệu rằng máy không đang sạc bất kì một ắc-quy nào. Kết luận: Để có thể hoàn thành tốt đề tài, nhóm thực hiện cần xác định được hướng đi đúng đắn cho một vấn đề cụ thể. Chương 1 là nền tảng lý thuyết, là hướng đi trong việc thiết kế 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 chương 2. Mục đích cuối cùng là hiện thực hoá ý tưởng để tạo nên một sản phẩm cụ thể. 32 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN LINH KIỆN VÀ THI CÔNG 2.1. Yêu cầu của đề tài Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công một chiếc máy để sạc ắc-quy, vậy trước hết ta hãy chú ý đến các thông số của ắc-quy. Đề tài hướng đến việc thiết kế và thi công máy sạc cho các ắc-quy khô từ 7,2Ah trở 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 lớn 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 với điện áp 13,6V thì điện áp ắc-quy khi đầy không thể vượt quá 13,6V. Vậy, khi ắc-quy đạt 13,6V thì có thể xem là ắc-quy đầy. Để thuận lợi cho quá trình tự động hoá, điện áp ắc-quy sẽ được so sánh với một điện áp chuẩn, sao cho khi kiểm tra điện áp ắc-quy, nếu ắc-quy không tụt áp dưới 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 lớn hơn 3A. Để đảm bảo hệ số an toàn cho quá trình sử dụng, nhóm thực hiện sẽ thiết kế nguồn xung có thông số ngõ ra 16Volt – 4Ampere. Chọn điện áp ngõ ra là 16V khi thiết kế vì điện áp từ mạch nguồn phải qua bộ phận phân đoạn dòng nạp, qua đó sẽ có sự rớt áp trên bộ phận này. 33 2.2. Tính toán, lựa chọn và thi công cho mạch nguồn xung 2.2.1. Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào L1 5mH 1 3 2 4 C10 103/1KV F1 2A 15VIN R15 1M C15 1000uF T2 BIEN AP 9V 13 24 D5INPUT J2 CON2 1 2 R41 5R6/5W 15VIN +- ~ ~ D14 2A C12 104 + - ~ ~ D1 5A RV1 431K C6 150uF/400V 310V C22 104/1KV Hình 2.1: Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào. Thành phần cần tính toán, lựa chọn ở phần này chính là tụ C6 [7] Với điện áp AC ngõ vào là 85–265 Vrms, ta chọn sơ bộ tụ ngõ vào là 2- 3 Fμ cho mỗi watt công suất ngõ vào (Pin). Công suất ngõ vào được tính dựa trên hiệu suất khi thiết kế và công suất ngõ ra outP . Ta có: WUIP outoutout 6416.4. === (2.1) Chọn hiệu suất của mạch nguồn là %80=ffE , công suất ngõ vào sẽ là: W E PP ff in in 808,0 64 === (2.2) Vậy, sơ bộ chọn tụ ngõ vào là 150 Fμ /400V Theo yêu cầu hoạt động của mạch, điện áp ngõ vào chỉ cho phép dao động trong khoảng điện áp nhất định gọi là maxDCVΔ , giá trị này được cho bởi công thức: DCLline chin DC CfV DPV .2.2 )1( min max −=Δ (2.3) Khi chọn tụ DCC đạt yêu cầu, giá trị maxDCVΔ phải thoả điều kiện: 34 minmax 2).15,01,0( lineDC VV ÷≤Δ (2.4) Chọn: VVV lineDC 6,27195.2.1,02.1,0 minmax ≈==Δ Trong công thức trên: − Pin là công suất ngõ vào, WPin 80= . − chD : là tỉ số giữa thời gian lưới điện cung cấp năng lượng cho tụ cùng mạch phía sau và thời gian tụ phải một mình cung cấp điện cho mạch phía sau. Thông thường 25,02,0 ÷=chD . Ta chọn, 2,0=chD . Hình 2.2: Cách xác định hệ số Dch. − minlineV : điện áp hiệu dụng ngõ vào ở mức thấp nhất. Theo tiêu chuẩn về điện áp lưới điện Việt Nam, điện áp lưới điện sẽ là: %10220 ±V , có nghĩa là cho phép điện áp lưới điện dao động trong khoảng: VV 242198 ÷ . Ta chọn: VVline 195 min = Bên cạnh đó ta cũng chọn: VVline 240max = do sử dụng varistor bảo vệ quá áp khi điện áp hiệu dụng lớn hơn 240V. − Lf : tần số lưới điện, ở đây HzfL 50= . − DCC : giá trị tụ lọc ngõ vào, ta đã chọn sơ bộ: FCDC μ150= . 35 Thay các giá trị đã có vào công thức tính maxDCVΔ , ta có: VVVDC 6,275,1510.150.50.2.195.2 )2,01.(80 6 max <≈−=Δ − Vậy: chọn tụ đạt yêu cầu. Ta cũng tính được: − Điện áp DC cực tiểu ngõ vào: VVVV DClineDC 2605,15195.2.2 maxminmin ≈−=Δ−= (2.5) − Điện áp DC cực đại ngõ vào: VVV lineDC 340240.2.2 maxmax ≈== (2.6) 2.2.2. Khối chuyển đổi công suất [1] U6 7812 13 2 VINVOUT G N D R28 10K C23 220uF D12_1 D15 FR107 D12 BTTH3003C R37 0.1R/5W D16 FR107 J1 QUAT 1 2 D6 OUTPUT KHOI NGUON PHU CHO QUAT TAN NHIET FET A R16 0.1R/2W Q1 K1120 C17 221/1KV Q2 K1120 15V_OUT FET B +IN R31 470/1W R32 4k7 ISO5 PC8171 2 4 3 F2 4A C16 221/1KV J6 CON2 1 2 R30 8K2/2W +SENSE T1 FER 33 12 7 9 10 2 3 4 6 15V_OUT L 20uH 1 2 C11 2200uF/35V D12_2 R33 8K2/2W R29 10K 310V 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 nhấp nhô gợn sóng sang điện áp DC thấp 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 trở 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 cấp và thứ cấp, tiết diện dây sơ cấp và thứ cấp. 2.2.2.1.1. Tính toán và lựa chọn số vòng sơ cấp Số vòng dây sơ cấp được suy ra từ định luật Faraday trong vật liệu từ: 810... −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= dt dBANE e (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 thời 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 dụng định luật này trong tình huống cụ thể, ta có công thức tính số vòng sơ cấp: dBA TVN e onDC P . 10.).1( 8maxmin −= (2.8) Trong đó: − VVDC 260min = : Điện áp DC cực tiểu ngõ vào, đã tính ở trên. Ta trừ đi 1 vôn do rơi áp trên MOSFET công suất. 37 − maxomT : thời gian mở lớn nhất của MOSFET công suất, trong điều kiện điện xấu nhất là điện áp DC cấp cho biến áp xung đạt cực tiểu, nó bị ràng buộc không bao giờ lớn hơn 80% của nửa chu kì, hay: 2 .8,0max TTon = (2.9). Với tần số chuyển mạch f = 50kHz đã được lựa chọn, thời gian của chu kì là: s f T 510.2 50000 11 −=== và sTon 5 5 max 10.8,0 2 10.2.8,0 −− == − Ae: diện tích tiết diện mặt cắt nhánh trung tâm của lõi từ, phụ thuộc vào loại lõi từ được lựa chọn. Trong phạm vi đề tài này, nhóm thực hiện chọn lõi từ EI33 có 218,125,1.95,0 cmAe == (Lõi từ này được sử 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 với 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 hở là 0,05mm ( mil2≈ ). Sở dĩ phải tạo ra khe hở này vì nó sẽ làm nghiêng độ dốc của vòng từ trễ, vẫn giữ điểm qua mức zero-Gauss cố định như hình 2. 38 Hình 2.5: Vòng trễ từ bị nghiêng với lõi có khe hở. Chú thích: − H: là lực kháng hay lực khử từ, là đơn vị của cường độ từ trường. 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 chặn từ thông không cân bằng làm lõi hoạt động ở vùng bão hoà từ. (Lúc đó dòng điện qua MOSFET sẽ cực lớn và làm hỏng nó) ¾ Thay các giá trị đã có vào công thức tính NP (công thức 2.8), ta có: vòngNP 882000.18,1 10.10.8,0).1260( 85 ≈−= − Chọn: vòngNP 90= . 39 2.2.2.1.2. Tính toán và lựa chọn đường kính dây sơ cấp − Với dây có chiều dài hơn 1m, mật độ dòng điện thông dụng là DP=5A/mm2. [7] − Cuộn dây sơ cấp có chiều dài trên 1m, để có thể hoạt động được liên tục mà không tăng nhiệt quá mức, ta chọn mật độ dòng điện là DP=3A/mm2. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp được tính theo công thức: A V PI DC out prms 3,0260 80.986,0.986,0 min)( ≈== (2.10) Tiết diện dây sơ cấp: 2)( 1,0 3 3,0 mm D I S p prms P === Đường kính dây sơ cấp: mmd P 36,0 1,0.2 ≈= π Chọn: đường kính dây sơ cấp có 0,4 mm. 2.2.2.1.3. Tính toán và lựa chọn số vòng thứ cấp Số vòng thứ cấp được cho bởi công thức: vòng V N T TVN DC P on s s 3,71260 90.1 10.8,0.2 10.2.16 1 .1 .2 . 5 5 min ≈−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += − − (2.11) Chọn: số vòng sơ cấp là 9 vòng. 2.2.2.1.4. Tính toán và lựa chọn đường kính dây thứ cấp − Cuộn dây thứ cấp có chiều dài dưới 1m, mật độ dòng điện thông dụng là: 2/106 mmADs ÷= . [7] − Để mạch có thể hoạt động lâu dài mà không sinh ra quá nhiều nhiệt, chọn: 2/6 mmADs = . 40 Dòng điện hiệu dụng qua mỗi nửa cuộn thứ cấp: AII dcsrms 53,24.632,0.632,0)( ≈== (2.12) Tiết diện dây thứ cấp: 2)( 42,0 6 53,2 mm D I S s srms s === Đường kính dây thứ cấp: mmdS 73,0 42,0.2 ≈= π Chọn: đường kính dây thứ cấp là mmds 8,0= . 2.2.2.1.5. Thi công máy biến áp xung Nếu như biến áp sắt từ có bán sẵn trên thị trường thì biến áp xung hoàn toàn ngược lại. Muốn cho biến áp xung hoạt động thì cần có mạch điều khiển. Mỗi người lại có cách thiết kế riêng, dùng những họ IC điều khiển khác nhau, điện áp ngõ ra lại khác nhau tuỳ theo yêu cầu của mỗi người. Do đó, không ai quấn biến áp xung để bán sẵn trên thị trường (ngoài trừ 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 được mô tả như trong hình 2.6. A B 41 C D E G H I K L 42 Hình 2.6: Cách thi công biến áp xung. Từ một lõi nhựa để quấn dây (còn gọi là nòng), ta băng một lớp băng keo chuyên dùng để chống xước lớp dây trong cùng; điều này là cần thiết vì bề mặt lõi nhựa tiếp xúc với dây đồng có thể không thật bằng phẳng, nó có thể gây xước lớp cách điện của dây đồng. (hình 2.6A) Quy định vị trí chân số 1, sau đó cắt hai đoạn dây đồng đường kính 0,4mm đủ để quấn 90 vòng sơ cấp, một dây quấn vào chân 2, dây còn lại quấn vào chân 4. Chập hai dây vào và quấn song hành 90 vòng. Trong quá trình quấn, cứ M N O P Q R 43 quấn được 20 vòng sẽ tẩm một lớp keo để cố định chặt các vòng dây, hạn chế việc máy biến áp phát ra tiếng kêu khi làm việc. Keo được dùng là hỗn hợp của vẹc-ni (cánh kiến) và nhựa thông với tỉ lệ thích hợp. (hình 2.6B đến hình 2.6E) Sau khi quấn đủ 90 vòng, cuối của dây có đầu quấn vào chân 2 sẽ quấn 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 được nối với nhau, khi thi công ngoài thực tế sẽ chỉ dùng một chân 4, do đó, dây có đầu nối vào chân 2, thay vì cuối 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) Tương tự, ta cắt 2 đoạn dây đồng có đường kính 0,8mm đủ để quấn 9 vòng dây thứ cấp. Một dây sẽ nối vào chân 7, dây còn lại nối vào chân 9 (do chân 9 và chân 10 nối chung, do đó, ta có thể nối đầu dây còn lại vào chân 9, cuối dây có đầu nối vào chân 7 sẽ quấn 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 lớp keo và quấn vài vòng băng keo. (hình 2.6H đến hình 2.6L) Quét một lớp 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 băng keo để cố định hai nửa chữ E và chữ I, cắt băng keo thừa là quá trình quấn biến áp hoàn tất (hình 2.6M đến hình 2.6R). Ta cần phơi nắng 2-3 ngày cho keo dán biến áp khô, sau đó ta có thể dùng biến áp được. 2.2.2.2. Tính các thông số cho MOSFET công suất Hai thông số quan trọng nhất là dòng điện có thể dẫn của MOSFET và điện áp chịu đựng được của MOSFET. 2.2.2.2.1. Điện áp chịu đựng được của MOSFET Có thể thấy được qua những điểm chấm của biến áp, khi một trong hai MOSFET mở, cực D của MOSFET đối diện chịu ít nhất gấp hai lần điện áp cung 44 cấp DC vì cả hai nửa cuộn sơ cấp có số vòng tương đương, ngoài ra còn có sự đóng góp thêm của những xung nhọn điện cảm rò. Trong thực tế thiết kế, giả sử rằng xung điện cảm có thể bằng 30% của gấp hai lần điện áp ngõ vào DC cực đại. Để an toàn, điện áp chịu đựng của MOSFET được cho bởi công thức: VVV dcms 884)340.2.(3,1).2.(3,1 max === (2.13) 2.2.2.2.2. Khả năng dẫn dòng điện của MOSFET Dòng điện cần được dẫn bởi MOSFET công suất chính là dòng đỉnh sơ cấp, nó được tính theo công thức: A V PI dc out ppft 38,0260 64.56,156,1 min)( =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= (2.14) Để an toàn, chọn MOSFET K1120 có: − Dòng điện dẫn được: AID 8= . − Điện áp lớn nhất có thể chịu: VVDSS 1000= . 2.2.2.3. Tính toán, lựa chọn linh kiện cho phần mạch snubber C16 221/1KV ISO5 PC8171 2 4 3 D15 FR107 Q2 K2717 T1 FER 33 12 7 9 10 2 3 4 6 R16 0.1R/2W C17 221/1KV R28 10K FET A D16 FR107 +IN Q1 K2717 R29 10K R33 8K2/2W FET B 310V +SENSE R30 8K2/2W 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 dưới dạng nhiệt năng tích tụ trên transistor. Khi transistor nóng lên, khả năng dẫn dòng kém đi, đòi hỏi diện tích nhôm tản nhiệt lớn lên nếu không muốn transistor bị đánh thủng vì nhiệt. Với việc dùng MOSFET, chức năng chính của snubber không còn là giảm tổn hao chuyển mạch. MOSFET chạy nhanh hơn rất nhiều so với transistor lượng cực, do đó tổn hao chuyển mạch là không lớn. 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 với di/dt, do đó một MOSFET có thời gian tắt dòng điện nhanh hơn rất nhiều so với một transistor lượng cực sẽ có xung rò điện áp lớn hơn rất nhiều. 2.2.2.3.1. Tính giá trị tụ trong mạch snubber Giá trị tụ điện C được cho bởi công thức: max )( .2 dc off ppft V TI C = (2.15) Trong đó: − )( ppftI là dòng đỉnh sơ cấp, AI ppft 38,0)( = .(công thức 2.14) − offT : thời gian tắt của transistor công suất, với Transistor K1120, offT = 100ns = 10 -7s. [5] Thay những giá trị đã có vào công thức (2.15), ta có: pFFC 5610.2,6 340 10.2 38,0 11 7 =≈= − − Như vậy, ta có thể chọn tụ nào có giá trị lớn hơn hoặc bằng 56 pF là được. 46 Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm thực hiện chỉ có thể tìm được trên thị trường tụ cao áp có giá trị nhỏ nhất 220pF, do đó chọn: C16 = C17 = 220pF 2.2.2.3.2. Tính giá trị điện trở trong mạch snubber [1] Giá trị điện trở R30 và R33 trong mạch snubber được chọn theo công thức: min.3 ontCR = (2.16) Với sTton 5max 10.8,02 8,0 −== (công thức 2.9) là thời gian mở lớn nhất của MOSFET công suất, ứng với thời điểm điện áp DC ngõ vào là VVdc 260min = . Với minont là thời gian mở nhỏ nhất của MOSFET công suất, ứng với thời điểm điện áp DC ngõ vào là VVdc 340max = . Vậy: ston 5 5 max 10.61,0 340 10.8,0.260 −− == Từ công thức (2.13) và các giá trị đã có, ta tính được giá trị của R30 và R33: 512 10.61,010.220.3 −− =R Suy ra: Ω≈= − − − 9242 10.220.3 10.61,010.220.3 12 5 12R Để đảm bảo tụ xả hết điện áp trong thời gian, chọn giá trị điện trở nhỏ hơn giá trị đã tính. Chọn: Ω== 82003330 RR . Công suất toả nhiệt trên mỗi điện trở R30 và R33 được tính theo công thức: W T VCPD dcR 6,010.2 340.10.220.5,0).(.5,0 5 2122max ≈== − − (2.17) 47 Ta phải chọn công suất danh định của điện trở lớn hơn hoặc bằng hai lần công suất toả nhiệt của nó [3], do đó chọn R30 và R33 là điện trở 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 trị tụ lọc ngõ ra được cho bởi công thức: or srms V I C )(6 .2,0 .10.65 −= (2.18) Với Vor là điện áp gợn sóng đỉnh đỉnh ngõ ra, chọn: VVor 025,0= Vậy: FC 36 10.08,2 025,0 4.2,0.10.65 −− == Chọn: tụ VFC 25/2200μ= . 2.2.2.4.2. Tính giá trị cuộn cảm Giá trị cuộn cảm ngõ ra được cho bởi công thức: H I TVL srms out 5 5 )( 10.4 4 10.2.16.5,0..5,0 −− === (2.19) Từ giá trị tính được, ứng dụng vào thực tế thì nhóm thực hiện thấy rằng cuộn dây có giá trị HL μ20= sẽ tốt hơn cho mạch nên giá trị này được chọn. 48 2.2.2.5. Tính điện trở bảo vệ quá dòng cho ngõ ra D12_1 R212K2 L 20uH 1 2 R27 470 15V_OUT R34 1K R32 4k7 D6 OUTPUT T1 FER 33 12 7 9 10 2 3 4 6 F2 4A C11 2200uF/35V R37 0.1R/5W Q5 MCR100 R31 470/1W VREF R11 470 J6 CON2 1 2 R18 1K R26 470 D12 BTTH3002C Q3 C1815 ISO2 PC817 1 2 4 3 D12_2 SHUTDOWN GATE 15V_OUT Hình 2.8: Mối quan hệ giữa khối chuyển đổi công suất và khối hồi tiếp dòng điện. Điện áp rơi 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 trở R37 sao cho dòng điện trên tải là 4A thì điện áp rớt trên điện trở này là 0,6V, điện trở của R37 là: Ω== 15,0 4 6,0 tđR Tuy nhiên, trên thực tế phải chọn R37 có giá trị lớn hơn. Do có phân đoạn dòng nạp, khi transistor phân đoạn chuyển từ ngưng dẫn sang dẫn, dòng ban đầu này có thể gây ngắt điện ngõ ra do tưởng 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 trở của nó vì thế cũng sẽ tăng lên. Thực tế chọn điện trở Ω= 1,037R , công suất 5W. 49 2.2.3. Tính toán, lựa chọn thông số cho 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 đường in, kiểu thiết kế này hay được sử dụng trong các thiết bị điện tử trong công nghiệp. Theo đó kích thước đường mạch làm cầu chì sẽ được tính phù hợp với 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 được sử dụng. Với các board đồng được sử dụng tại Việt Nam, chiều dày lớp đồng phần lớn là 1oz/ft, khả năng toả nhiệt ra môi trường nên chọn là 100C. 51 Với công nghệ gia công mạch hiện có, đường mạch in nhỏ nhất có thể gia công là 0,2mm, nhưng khi gia công sẽ rất dễ bị đứt mạch. Kích thước mạch thường phải từ 0,25mm trở lên. 2.2.3.1. Thiết kế đường mạch in làm cầu chì ngõ vào Ta chọn cầu chì 1Ampere cho ngõ vào. Tra bảng, ta có số liệu như sau: Hình 2.10: Số liệu về kích thước đường mạch in ứng với dòng điện cần dẫn là 1Ampere. Theo số liệu ở bảng tra trên, dòng điện 1Ampere chỉ cần đường mạch in rộng 0,09mm. Tuy nhiên, để đảm bảo tính vững chắc cho đường mạch, nhóm thiết kế đã quyết định chọn đường mạch có kích thước 0,4mm làm cầu chì ngõ vào. 2.2.3.2. Thiết kế đường mạch in làm cầu chì ngõ ra Với cầu chì ngõ ra là 4Ampere, nhóm thực hiện đã chọn đường mạch in là 1,2mm theo đúng cách tính từ phần mềm. Hình 2.11: Số liệu về kích thước đường mạch in ứng với 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 được gia công có hình dạng như sau: 52 Hình 2.12: Mặt trước 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, lựa chọn linh kiện và thi công cho mạch điều khiển 2.3.1. Khối bảo vệ và điều khiển 12V 12V 12V C1 10uF D19 DAY 12V OUT_DELAY - + U8C LM339 9 8 14 3 12 R13 10K R15 R DO J18 RESTART 1 2 - + U8A LM339 7 6 1 3 12 15V_OUT Q3 2N7000 - + U8D LM339 11 10 13 3 12 J15 START 1 2 D23 4148 12V RESET 12V R9 2K2 R28 22K J5 DAY 1 212V R10 2K2 12V R11 3K3 J21 NAP 1 2 Q5 A1013 DUNG CUC 12V DO 12V R8 10K RESET R17 1K R12 2K2 V R E F RESET SW3 START R21 100K R36 500K DUNG CUC RESTART R16 2K2 Hình 2.14: Khối bảo vệ và điều khiển. Qua thực nghiệm, ta thấy rằng giá trị tụ C1, R21 và R36 như vậy là đạt yêu cầu, yêu cầu của phần tính toán là tính cho được thời gian mà ngõ ra U8D chuyển trạng thái khi điện áp chân 10 lớn hơn điện áp chân 11 (do tụ C1 xả năng lượng qua R21 và R36, cộng thêm là tụ C1 không được cấp điện từ nút nhấn hoặc từ U2 qua R28 và D23). Nhấn nút SW3, tụ C1 nạp với 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 nạp cho tụ. Tuy nhiên, ngõ ra (chân 3) của U2 có mức cao khoảng 11V với nguồn cung cấp cho U3 là 12V, điện áp này cũng rớt áp trên D23 là 0,7V. Do đó, chỉ khi nào tụ C1 xả điện còn thấp hơn 10,3V thì D23 mới phân cực thuận và duy trì dòng nạp 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 dưới 1,1V thì ngõ ra đảo trạng thái. Thời gian này được tính như sau: 54 RC t eVtv − = .)( 0 [2] => ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=− 0 )(ln . V tv CR t => ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−= 0 )(ln.. V tvCRt (2.20) Trong đó: − V(t): điện áp tụ tại thời điểm t, đơn vị là V. − V0: điện áp tụ tại thời điểm ban đầu, đơn vị là V. − R1 và R2 đơn vị là Ω . − C2 đơn vị là F. ¾ Trường hợp Ω≈ 036R (qua cách điều chỉnh biến trở mà ta có giá trị này), ta có: st 2,2 3,10 1,1ln.10.10 551 ≈⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= − ¾ Trường hợp Ω= KR 50036 , ta có: st 4,13 3,10 1,1ln.10).10.510( 5552 ≈⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+−= − Vậy thời gian kiểm tra ắc-quy đầy là nằm trong khoảng s4,132,2 ÷ , tùy thuộc vào cách chỉnh biến trở R36. 55 2.3.2. Khối tạo dao động R22 4K7 D18 SBL204012V R3 330/2W C3 104 D26 4148 R2 1K2 C7 104 RESTART R26 22K R6 1M R1 470 C9 470uF 12V J2 ACQUY 1 2 R29 4K7 Q1 B688 C2 22uF 12V J1 IN 1 2 C10 104 J26 XUNG 1 2 R14 4K7 U1 NE555 3 48 1 5 2 6 7 OUT R ST VC C G N D C V TRG THR DSCHG 15V_INOUT_DELAY Q2 C2383 R4 2K2 U2 NE555 3 48 1 5 2 6 7 OUT R ST VC C G N D C V TRG THR DSCHG 12V 12V RESET 15V_OUT Hình 2.15: Khối tạo dao động. 2.3.2.1. Tính toán thời gian cho IC U1 Qua thực nghiệm, ta thấy rằng với tần số phân đoạn dòng nạp trên 35Hz thì kim đồng hồ ampere kế dao động với biên độ khá nhỏ, thuận lợi cho quá trình giám sát dòng nạp. Chu kì dao động của U1 cho bởi công thức: 2).21.(693,01 CRR f T +== [4] (2.21) Trong đó: − T đơn vị là s − R1 và R2 đơn vị là Ω − C2 đơn vị là F Chọn trước: FC μ222 = , tổng trở của R1+R2 sẽ là: Ω≈==+ − 187410.22.693,0.35 1 2.693,0. 121 6Cf RR Để thời gian nạp lớn gấp đôi thời gian ngưng nạp trong việc phân dòng nạp, chọn: Ω= KR 2,11 Ω= 4702R . 56 2.3.2.2. Tính toán thời gian cho IC U2 Khi ắc-quy gần đầy, thời gian ngưng dẫn của Q1 khi phân đoạn dòng nạp không đủ để ắc-quy giảm điện áp đủ thấp để chân 2 bị ép xuống mức thấp. Do đó, U2 sẽ hoạt động hết chu kì của mình. Trong thiết kế, ta muốn thời gian ở mức cao này là khoảng 10 phút khi chân 2 đã hoàn toàn không bị ép xuống mức thấp nữa. Để đạt yêu cầu trên, ta sẽ phải tính giá trị cho R6 và C9. Thời gian ngõ ra U2 ở mức cao được tính theo công thức: 9.6.1,1)2( CRt UH = [4] (2.22) Trong đó: − )2(UHt đơn vị là s − R6 đơn vị là Ω − C9 đơn vị là F Chọn trước: FFC 610.4704709 −== μ Giá trị điện trở R6 sẽ là: Ω=Ω≈== − MC t R UH 16,110.16,1 10.470.1,1 600 9.1,1 6 66 )2( Vì thời gian ngõ ra U2 ở mức cao không cần thật chính xác. Chọn: Ω= MR 16 . 57 2.3.3. Tính toán thời gian cho khối âm cảnh báo D16 4148 U5B 4011 5 6 4 14 7 R33 100K R7 22 R18 1K2 C13 C102 ISO1 PC817 1 2 4 3 C12 C104 12V U5A 4011 1 2 3 14 7 12V Q6 C1815 U5D 4011 12 13 11 14 7 D11 1N4148 1 2 LS1 SPEAKER R5 22 R34 4K7 12V 15V_OUT D9 1N4148 1 2 R20 1K2 12V R19 4K7 12V R30 2M4 Q4 C1815 12V R32470K U5C 40118 9 10 14 7 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 trị điện trở, tụ là sự kế thừa của người đi trước. Để tạo ra âm beep ngắt quãng với tần số thích hợp do đề tài đặt ra là khoảng 2Hz, ta sẽ phải tính giá trị R30 và C12. Tần số này được cho bởi công thức: CR f .2,2 1= [4] (2.23) − R chính là giá trị điện trở của R30 )(Ω . − C chính là giá trị của tụ C12 )(F . Chọn trước tụ C12 có giá trị Fμ1,0 (tức là tụ 104), giá trị điện trở R sẽ là: Ω=Ω≈== − MCfR 28,210.28,210.1,0.2.2,2 1 .2,2 1 6 6 Trên thực tế, chọn R30 có giá trị là ΩM4,2 . 58 2.3.4. Tính toán thời gian cho khối phát âm nhạc 12V R43 4K7 - + U3B LM393 5 6 7 8 4 12V BAO DAY R44 1R 15V_OUT C25 2.2uF R45 10K Q4 IRFZ44 R31 10K D2 1N4001 12 D3 2V C25 100uF J1 8R/0.5W 1 2 R48 4K7 D1 1N4001 1 2 R50 10K RA 100K 12V - + U3A LM393 3 2 1 8 4 R42100K 12V R50 10K 12V D5 4148 D4 4148 R41 470 U10 UM66 1 3 2 OUT G N DVCC 12V C20 100uF C24 1000uF C21 100nF C25 1uF R24 4K7 CB 22uF R49 10K 12V R51 10K RB 100K C22 104 R25 3K3 R44 150K Q7 C1815 R46 10K U11 TDA2030 1 2 3 4 5 IN+ IN- -V s OUTPUT +V s R51 10K R47 470K C23 104 BAO DAY R27 10K Hình 2.17: Khối phát âm nhạc. Ta cần tính giá trị của tụ C25 và điện trở R47 sao cho thời gian tụ C25 xả điện từ 12V xuống 6V là 30s. Sử dụng lại công thức 2.20: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−= 0 )(ln.. V tvCRt Chọn trước C25 là Fμ100 , giá điện trở R47 được xác định như sau: Ω≈ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛− = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛− = − 6 6 0 10.43,0 12 6ln.10.100 30 )(ln. V tVC tR Chọn: điện trở R47 là ΩK470 . 59 2.3.5. Tính toán, lựa chọn thông số cho cầu chì Dòng điện ở ngõ vào mạch sơ cấp là nhỏ hơn 1Ampere. Do đó, thừa hưởng kết quả của phần 2.2.3.1, ta chọn đường mạch in rộng 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 trước 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 được thiết kế dưới dạng mô-đun mở rộng. 61 2.4. Một số hình ảnh tổng quan về máy sạc xung được thiết kế Hình 2.21: Giao diện của máy sạc với người dùng. Chú thích: 1: Ampere kế. 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 khởi 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 lớn nhất. 1 2 3 4 56 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 cấp, đèn đỏ sáng lên. Hình 2.24: Mặt sau máy sạc có quạt tản nhiệt. Công tắc điện ngõ vào Dây nguồn vào Dây nguồn ra Quạt tản nhiệt 63 Hình 2.25: Mặt bên máy sạc với những lỗ thông gió. Kết luận: Chương 2 là sự tổng hợp lại tất cả những cách tính, những biện pháp để nhóm thực hiện cụ thể hoá, hiện thực hoá vấn đề được đặt ra. Mặc dù được trình bày không dài, như đó chính là những nét tinh tuý nhất mà nhóm thực hiện có được sau một thời gian nghiên cứu. Có thể nói, chương 2 chính là sự mô tả chi tiết nhất con đường dẫn đến thành công của đề tài. Lỗ thông gió Lỗ thông gió 64 KẾT QUẢ Kể từ ngày làm thử nghiệm và mạch chạy đúng yêu cầu, không bằng lòng với những cái đã có, trong vòng 3 tháng tiếp sau đó nhóm thực hiện đã liên tục cải tiến mạch. Sau rất nhiều lần chế thử và cho chạy thử, cho đến ngày hôm nay, có thể nói là mạch đã đáp ứng được hoàn toàn các yêu cầu được đặt ra trước 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 tưởng táo bạo, mới mẻ trong thiết kế. Do đó, sơ đồ mạch do nhóm thiết kế hoàn toàn không giống như bất kì sơ đồ mạch nào hiện có trên các phương tiện thông tin đại chúng. Với việc không đưa vi điều khiển vào mạch điều khiển sẽ tạo thuận lợi về giá thành cho quá trình chuyển giao công nghệ sau này, điều này cũng tạo thuận lợi cho việc sửa chữa bảo trì sau này. Tính thực tiễn của đề tài cũng được tăng lên. Thiết kế nguồn xung là một công việc khá khó khăn và không phải ai, sinh viên nào cũng có thể làm được. Việc nhóm đọc tài liệu lý thuyết và làm mạch thực tế thành công đã thể hiện được khả năng tự học khá tốt của sinh viên Khoa Cơ Điện nói riêng, Đại học Lạc Hồng nói chung. Trong thời gian thực hiện đề tài, nhóm đã tiến hành sử dụng máy sạc xung để sạc cho một số ắc-quy với dung lượng 3,5Ah, 5Ah, 7,2Ah. Kết quả đạt được như sau; cần chú ý: ắc-quy được xả hết điện, thời gian kiểm tra ắc-quy đầy khoảng 2s. 65 1. Đối với ắc-quy 3,5Ah của hãng Panasonic. • Máy sạc được chỉnh ở chế độ sạc nhanh nhất (dòng sạc lớn nhất): Thời gian 8g00’ (bắt đầu sạc) 8g30’ 9g00’ 9g10’ (máy ngắt sạc) Dòng sạc 1,95A 1,00A 0,70A 0,60A Điện áp trên ắc-quy 10,50V 13,40V 13,55V 13,60V Thời gian sạc đầy: 1 giờ 10 phút • Máy sạc được chỉnh ở chế độ sạc chậm nhất (dòng sạc nhỏ nhất): Thời gian 8g00’ (bắt đầu sạc) 8g30’ 9g00’ 9g30’ (máy ngắt sạc) Dòng sạc 0,80A 0,60A 0,25A 0,20A Điện áp trên ắc-quy 10,50V 12,60V 13,26V 13,60V Thời gian sạc đầy: 1 giờ 30 phút Ghi chú: đây là ắc-quy đã sử dụng được một năm. 2. Đối với ắc-quy 5Ah của hãng Xinwei. • Máy sạc được chỉnh ở chế độ sạc nhanh nhất (dòng sạc lớn nhất): Thời gian 10g00’ (bắt đầu sạc) 10g30’ 11g00’ 11g30’ (máy ngắt sạc) Dòng sạc 2,90A 2,60A 2,00A 1,50A Điện áp trên ắc-quy 10,80V 12,55V 13,40V 13,60V Thời gian sạc đầy: 1 giờ 30 phút 66 • Máy được chỉnh ở chế độ sạc chậm nhất (dòng sạc nhỏ nhất): Thời gian 10g00’ (bắt đầu sạc) 10g30’ 11g00’ 11g30’ Dòng sạc 1,60A 1,32A 1,25A 0,95A Điện áp trên ắc- quy 10,80V 12,40V 12,86V 13,10V Thời gian 12g00’ 12g30’ 13g00’ 13g20’ (máy ngắt sạc) Dòng sạc 0,75A 0,60A 0,50A 0,40A Điện áp trên ắc- quy 13,30V 13,44V 13,56V 13,60V Thời gian sạc đầy: 3 giờ 20 phút Ghi chú: đây là ắc-quy mới sử dụng được hai tháng. 3. Đối với ắc-quy 7,2Ah của hãng Panasonic. • Máy được chỉnh ở chế độ sạc nhanh nhất (dòng sạc lớn nhất): Thời gian 15g (bắt đầu sạc) 15g30’ 16g00’ 16g30’ 17g 00’ Dòng sạc 3,10A 2,70A 2,50A 1,90A 0,90A Điện áp trên ắc-quy 11,20V 12,34V 12,90V 13,40V 13,45V Thời gian 17g 30’ 17g55’ (máy ngắt sạc) Dòng sạc 0,50A 0,40A Điện áp trên ắc-quy 13,55V 10,60V Thời gian sạc đầy: 2 giờ 55 phút 67 • Máy được chỉnh ở chế độ sạc chậm nhất (dòng sạc nhỏ nhất): Thời gian 15g00’ (bắt đầu sạc) 15g30’ 16g00’ 16g30’ 17g00’ Dòng sạc 1,90A 1,70A 1,40A 1,20A 1,00A Điện áp trên ắc-quy 11,20V 12,50V 12,75V 13,05V 13,25V Thời gian 17g30’ 18g00’ 18g30’ 19g00’ 19g15’ (máy ngắt sạc) Dòng sạc 0,80A 0,50A 0,30A 0,30A 0,30A Điện áp trên ắc-quy 13,40V 13,45V 13,50V 13,55V 13,60V Thời gian sạc đầy: 4 giờ 15 phút Ghi chú: đây là ắc-quy sử dụng được tám tháng. Tóm lại: Sau khi được thiết kế và thi công, máy sạc xung có những tính năng sau: − Khởi động quá trình sạc bằng 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 cấp dòng sạc cho ắc-quy, dòng sạc cũng được hiển thị qua ampere kế, thuận tiện cho việc giám sát của người sử dụng. − Có đèn báo chế độ hoạt động của máy sạc: đang sạc ắc-quy (đèn xanh) hoặc ngưng sạc (đèn đỏ). − Bảo vệ ngược cực khi kết nối ắc-quy với 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 kết nối với máy sạc và ngừng chu trình sạc. Với những tính năng này, có thể nói để tài đã hoàn thành các mục tiêu được đề ra khi thiết kế. 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 được những máy chuyên dùng để thẩm định chất lượng lõi ferrite. Khi đưa vào sản xuất thực tế, việc dùng những máy chuyên dùng để kiểm tra chất lượng lõi ferrite cần được quan tâm đúng mức, qua đó, có thể phát huy tốt nhất công suất lõi ferrite được sử dụng. Về mặt kích thước, máy sạc ắc-quy do nhóm chế tạo có kích thước lớn hơn so với máy sạc có cùng công suất hiện có trên thị trường. Do đó, tối ưu kích thước mạch cũng là điều đáng lưu tâm khi máy sạc được đưa vào sản xuất phục vụ cuộc sống. Khi thiết kế đường mạch in, với những đường mạch cung cấp điện áp DC ra ngoài, ngoài việc tính toán kích thước theo dòng điện có khả năng tải của đường mạch, cần chú ý đến việc sụt áp trên đường mạch, tránh gây sụt áp quá nhiều trên đường mạch do kích thước đường mạch quá nhỏ. Điều này sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến tính chính xác điện áp ngõ ra. Hỗn hợp keo để cố định các vòng dây cần được chú trọng hơn nữa, đảm bảo khi biến áp xung hoạt động thì hoàn toàn không phát ra tiếng kêu dù là nhỏ nhất. Nếu nhóm thực hiện được hỗ trợ về mặt kỹ thuật và kinh phí để có thể sản xuất sản phẩm theo quy mô công nghiệp, giá thành của sản phẩm sẽ ở mức thấp nhất, có thể cạnh tranh với các sản phẩn hiện có trên thị trường. 70 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Ngày nay, máy sạc có thể điều chỉnh vô cấp của một số hãng như hãng Robot chỉ giới hạn ở dòng ngõ ra là 30A [8]. Dựa trên nền tảng công nghệ của chiếc máy sạc này, việc thiết kế những máy sạc có dòng điện ngõ ra lớn hơn 30A mà vẫn có thể chỉnh vô cấp dòng sạc là hoàn toàn có thể. Bên cạnh đó, nếu phát triển máy sạc hiện có để sạc những ắc-quy dung lượng lớn hơn thì công suất tổn hao cho mạch điều khiển gần như là không thay đổi. Do đó, chế tạo những máy sạc công suất lớn hơn sẽ làm tăng hiệu suất của máy sạc lên khá nhiều. Khi nói đến nguồn xung, người ta luôn nghĩ đến khả năng ổn áp ở ngõ ra, với sự thay đổi điện áp ở ngõ vào trong một phạm vi rộng. 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 tiếp 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 được. Việc nâng cấp này cũng không quá phức tạp. 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tài liệu tiếng Việt [1]. Đỗ thanh Hải, Trương Trọng Tuấn (2001), Phân tích & thiết kế nguồn ổn định chuyển mạch, Nxb Giáo Dục. [2]. Nguyễn Trung Lập, Lý thuyết mạch, tải xuống theo đường dẫn: [3]. Ngô Đình Thiếu Giao, Linh kiện điện tử, Tài liệu lưu hành nội bộ trong trường Đại học Lạc Hồng. [4]. PGS.TS Nguyễn Hữu Phương (2001), Mạch số, Nxb Thống Kê. 2. Tài liệu tiếng Anh [5]. Datasheet của MOSFET K1120. [6]. Datasheet của IC SG3525. [7]. Hang-Seok Choi, Design guidelines for off-line forward converters using fairchild power switch, tải xuống với tên AN-4134 tại www.fairchildsemi.com. [8]. www.robot.com.vn.