Đề tài: Thiết kế và thi công máy sạc xung cho ắc quy

Chia sẻ: Khoaj Jdfkdfl | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

191
lượt xem 54
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài: Thiết kế và thi công máy sạc xung cho ắc quy nhằm mục đích tìm ra hướng thiết kế máy sạc ắc quy mới, qua đó sẽ kéo dài tuổi thọ ắc quy mà vẫn đảm bảo sạc nhanh. Mời các bạn tham khảo tài liệu để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Thiết kế và thi công máy sạc xung cho ắc quy

1 LỜI NÓI ĐẦU 1. GIỚI THIỆU Ngày nay, nguồn xung được sử dụng ngày càng rộng rãi. Người ta biết đến nguồn xung như một thiết bị biến đổi điện áp AC sang DC với hiệu suất cao. Đó là lý do mà nguồn xung được 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 một thiếu sót lớn 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 được sử dụng và chiếm vị trí không thể thay thế. Một ứng dụng cụ thể của ắc-quy là sử dụng trong các robot của trường học Lạc Hồng. Trên thực tế, đa phần các máy sạc ắc-quy đang được sử dụng chỉ đơn thuần là một biến áp sắt từ và diode cầu. Các máy sạc này không hề có bộ phận điều khiển nạp cũng như đề phòng sự cố. Nếu người sử dụng không để ý khi sử dụng, họ rất dễ làm hư máy sạc và ắc-quy khi để xảy ra sự cố: ngắn mạch ngõ ra máy sạc hoặc kết nối ngược cực ắc-quy với máy sạc. Do đó, một máy sạc ắc- quy được thiết kế để khắc phục các nhược điểm trên là điều cần thiết. Nhận thấy yêu cầu do thực tế cuộc sống đặt ra như kể trên đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY SẠC XUNG CHO ẮC-QUY” do nhóm thực hiện ra đời từ đó. 2. TẦM QUAN TRỌNG Ở nước ta, thói quen tiêu dùng của người dân đang có những chuyển biến tích cực. Nếu lúc trước, đa số người dân thường chọn những mặt hàng rẻ, vừa với túi tiền là tiêu chí khi tiêu dùng nói chung và khi mua sắm các sản phẩm điện tử nói riêng. Những năm gần đây, vấn đề chất lượng của mặt hàng càng được quan tâm. Người dân sẵn sàng bỏ ra một số tiền cao hơn một chút, nhưng mua được sản phẩm dễ sử dụng, hơn là sản phẩm rẻ tiền và hay hư hỏng. Khi hoàn thành đề tài, nhóm thực hiện sẽ giới thiệu một máy sạc ắc-quy đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng kể trên. Người sử dụng hoàn toàn
2 yên tâm khi sử dụng thiết bị này, bởi nó hoàn toàn dễ sử dụng. Người sử dụng không cần lo lắng khi vô tình thao tác sai, máy đã được thiết kế để đề phòng các sự cố này. Người sử dụng cũng không cần ngồi sát bên máy sạc để chờ ắc-quy đầy như xưa nữa. Khi ắc-quy đầy, nó sẽ sáng đèn để báo và phát ra một đoạn nhạc, ắc-quy cũng được tự động ngắt khỏi nguồn điện sạc. Với máy sạc do nhóm thiết kế, nó được kì vọng sẽ thay thế được các máy sạc kém chất lượng hiện có bởi tính tiện lợi của nó. 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích của đề tài là tìm ra hướng thiết kế máy sạc ắc-quy mới, qua đó sẽ kéo dài tuổi thọ ắc-quy mà vẫn đảm bảo sạc nhanh. Một mục đích không kém phần quan trọng là tạo ra sự thay đổi nhận thức trong việc thiết kế 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 một hành động chứng minh là: không nhất thiết ta phải dùng vi điều khiển trong mọi trường hợp. 4. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Để có thể giải quyết được những vấn đề đã đặt ra như trên, nhóm nghiên cứu đã đặt ra những chỉ tiêu sau cho máy sạc được thiết kế: − Vận hành đơn giản. − Có đèn báo chế độ làm việc. − Có khả năng điều chỉnh vô cấp dòng nạp. Dòng nạp hiển thị qua ampere kế. − Tự động ngắt nguồn nạp khi không sạc ắc-quy. Khi ắc-quy đầy, máy sạc sẽ ngắt nguồn nạp và phát một đoạn nhạc dài 30s. − Có tính năng bảo vệ ngắn mạch ngõ ra. − Phải có cơ chế phòng ngừa và cảnh báo sự cố đấu ngược cực ắc-quy.
3 Dựa trên những chỉ tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã phác thảo sơ đồ khối máy sạc như sau: 220VAC NGUỒN XUNG ẮC-QUY DÒNG NẠP MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP Hình 1: Tổng quan về mạch sạc ắc-quy. Máy sạc ắc-quy do nhóm thực hiện thiết kế sẽ sử dụng một nguồn xung để cung cấp năng lượng nạp cho ắc-quy. Bên cạnh đó, máy còn có mạch điều khiển việc nạp ắc-quy và phòng ngừa sự cố xảy ra. Việc thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY SẠC XUNG CHO ẮC-QUY” có thể chia ra làm ba giai đoạn chính: − Giai đoạn đầu tiên là thiết kế nguồn xung để nạp ắc-quy. Đây là giai đoạn có thể nói là quan trọng nhất trong quá trình thực hiện đề tài. Với việc thiết kế nguồn xung không được giảng dạy trong Khoa Cơ Điện, nhóm sinh viên thực hiện đề tài đã phải đọc tài liệu để tự nghiên cứu. Việc áp dụng lý thuyết vào thực tế cũng đòi hỏi sự linh hoạt trọng việc vận dụng, bất cứ một sai sót nào cũng có thể dẫn đến thất bại. Bên cạnh đó là sự nguy hiểm cho người thiết kế do phải sử dụng trực tiếp nguồn điện 220VAC. − Giai đoạn thứ hai là thiết kế mạch điều khiển nạp ắc-quy. Để có thể dễ 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 hợp thêm các tính năng bảo vệ ngắn mạch, ngược cực ắc-quy. Đây là các tính năng cần thiết nhưng lại không hề có sơ mạch 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 trọng là thiết kế vỏ hộp 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 hộp được thiết kế mới 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. Bước đầu, qua thực tế sử dụng máy đã cho kết quả đạt được như đã đề ra. Đây có thể xem là thành quả rất đáng khích lệ sau những cố gắng không biết mệt mỏi của nhóm sinh viên thực hiện.
5 CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI Máy sạc xung do nhóm thực hiện thiết kế 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 cấp công suất để nạp cho ắc-quy. 1.1.1. Tổng quan về nguồn xung [1] Khi nói đến nguồn xung, người ta có thể kể 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 tiếp (flyback converter). − Mạch biến đổi chuyển mạch (buck converter). − Mạch biến đổi khuếch đại (boost converter). Nguồn xung được lựa chọn để thực hiện đề tài này là: mạch biến đổi đẩy kéo. Mạch biến đổi đẩy kéo có những ưu nhược điểm sau: 1.1.1.1. Ưu điểm − Công suất ngõ ra lớn gấp đôi so với mạch biến đổi thuận với cùng kích thước lõi ferrite (lõi từ dùng để chế tạo biến áp xung được biết với tên lõi ferrite). − Cách ly giữa điện áp ngõ vào và điện áp ngõ ra (trái ngược với mạch biến đổi chuyển mạch hoặc khuếch đại).
6 − Tiết diện dây sơ cấp nhỏ hơn một nửa so với mạch biến đổi bán phần với cùng kích thước lõi ferrite và cùng công suất ngõ ra. − Sơ đồ mạch không quá phức tạp như mạch toàn phần. − Xung nhọn điện áp ngõ ra nhỏ (trái ngược hoàn toàn với mạch biến đổi hồi tiếp). 1.1.1.2. Nhược điểm − Điện áp đặt trên MOSFET công suất gấp đôi so với mạch biến đổi bán phần. − Số vòng dây sơ cấp gấp đôi so với mạch biến đổi bán phần. Tuy còn một số nhược điểm nêu trên nhưng ngày nay mạch đẩy kéo vẫn được sử dụng khá nhiều bởi những ưu điểm của nó. 1.1.2. Sơ đồ khối mạch nguồn xung công suất 220VAC CHỈNH LƯU BIẾN ÁP NGUỒN DC XUNG NGUỒN IC ĐIỀU HỒI TIẾP PHỤ KHIỂN TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN Hình 1.1: Sơ đồ khối nguồn xung. Nguồn xung được thiết kế 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 thấp hơn nhưng ổn định ở ngõ ra. Dựa trên nguyên lý và sơ đồ khối nguồn xung trên, ta thấy rằng: từ điện áp AC của lưới điện sẽ được nắn bằng diode cầu, tạo nguồn điện áp DC cao áp. Điện
7 áp DC này sẽ nạp cho một tụ cao áp, mục đích là để tích trữ năng lượng. Qua việc đóng ngắt của các MOSFET công suất để tạo sự biến đổi từ 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 được chỉnh lưu làm nguồn nuôi cho IC này. Điện áp ngõ ra muốn thật sự ổn định thì phải cần đến mạch hồi tiếp. Mạch hồi tiếp có nhiệm vụ chuyển các giá trị dòng điện, điện áp xem có đạt giá trị định mức hay chưa. Cụ thể: − Mạch hồi tiếp điện áp: nhằm giữ điện áp ở một ngưỡng đặt trước. − Mạch hồi tiếp dòng điện: vòng hồi tiếp này chỉ dùng cho chức năng bảo vệ mạch. Khi dòng điện ngõ ra lớn hơn công suất thiết kế thì mạch sẽ bị ngắt, bảo vệ mạch tránh khỏi tình trạng hư hỏng. Với ý tưởng thiết kế: mạch nguồn xung chỉ hoạt động khi có ắc-quy kết nối vào máy, mạch nguồn xung sẽ thiết kế sao cho khi chỉ có tín hiệu từ mạch điều khiển gởi đến thì nguồn xung mới được phép hoạt động. 1.1.3. Sơ đồ nguyên lý của nguồn xung 310V R41 5R6/5W INPUT D5 C10 C6 J2 ~ 103/1KV 150uF/400V F1 2A D1 L1 1 1 2 104/1KV 2 R15 C22 RV1 1M - + 3 4 431K CON2 5mH 5A ~ 15VIN ~ 3 T2 1 15VIN C15 - + C12 1000uF 4 2 104 D14 BIEN AP 9V ~ 2A a) Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào.
8 D16 KHOI CHUYEN DOI CONG SUAT FR107 T1 12 2 F2 D12_2 C17 R33 J6 CON2 4A 15V_OUT 310V 8K2/2W 1 L 20uH R37 0.1R/5W 221/1KV 2 1 2 D12 10 3 R31 R32 BTTH3003C 9 4 470/1W 4k7 C11 R30 2200uF/35V C16 8K2/2W D12_1 221/1KV 7 6 D6 OUTPUT FER 33 D15 FR107 10K R28 Q2 Q1 KHOI NGUON PHU CHO QUAT FET A K1120 FET B K1120 TAN NHIET R29 10K +SENSE J1 U6 15V_OUT R16 PC817 +IN 1 4 1 3 1 0.1R/2W ISO5 GND 2 VOUT VIN C23 220uF QUAT 7812 2 2 3 b) Khối nguồn phụ cho quạt tản nhiệt. c) Khối chuyển đổi công suất. 15VIN VREF U5 13 15 R6 D11 4148 3K3 +IN 2 VC +VI +IN R17 33 -IN C7 472 -IN 1 11 FET A 5 -IN OUTA R7 R4 100 CT D13 4148 3K3 7 DISCHG 14 FET B R3 5K6 6 OUTB R12 470 RT R19 33 VREF 8 J3 VREF 16 SS 9 D20 R43 2K2 R5 C8 C1 VREF COMP 1 1K 10uF 10uF 10 C5 2 SHDN 4 103 GND D19 OSC 3 SHDN SHUTDOWN SY NC 1 4 SHDN SG3525A 12 PC817 ISO4 4148 2 3 d) Khối IC điều khiển MOSFET công suất. 15V_OUT VREF 15V_OUT R11 R20 470 R14 1K R22 1K VREF 3K3 1 4 PC817 +IN 4 1 ISO2 ISO1 Q5 R9 R10 R35 GATE MCR100 3K3 1K R38 R18 PC817 1K 1K 2 3 Q3 2K2 R21 R23 C20 3 2 1K C1815 R34 1K R26 1K2 470 U4 47nF R24 R27 SHUTDOWN KA431 33 470 R39 680 e) Khối hồi tiếp dòng điện. f) Khối hồi tiếp điện áp. Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn xung công suất.
9 Để tạo thuận lợi cho quá trình phân tích mạch, nhóm thực hiện xin được phép chia mạch nguồn xung ra làm các khối nhỏ hơn. Sau đây xin đi vào phân tích từng khối. 1.1.3.1. Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào 310V R41 5R6/5W INPUT D5 C10 C6 ~ J2 103/1KV 150uF/400V F1 2A D1 L1 1 1 2 104/1KV 2 R15 C22 RV1 1M - + 3 4 431K CON2 5mH 5A ~ 15VIN ~ 3 T2 1 15VIN C15 - + C12 1000uF 4 2 104 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 tượng quá dòng (nguyên nhân chủ yếu là do chập mạch), cầu chì F1 sẽ bị đứt, ngắt nguồn cấp để bảo vệ các linh kiện không bị hư hỏng thêm. − Varistor VR1 được chọn có thể chịu được đến điện áp 240V. Khi điện áp ngõ vào lớn hơn 240V, nội trở của varistor sẽ giảm xuống khá nhanh, tạo hiện tượng như là ngắn mạch và làm đứt cầu chì F1, ngắt điện cung cấp 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 chập mạch các xung nhiễu tần số cao.
10 Điện trở R41: hạn dòng nạp ban đầu cho tụ C6, hạn chế việc phóng tia lửa điện khi cắm nguồn cấp cho máy sạc. Tụ C6: tích trữ năng lượng để cấp cho máy biến áp xung để phục vụ chuyển hoá năng lượng. LED D5 và điện trở R15 dùng để báo nguồn ngõ vào và tạo đường 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 trở hạn dòng và nạp cho tụ để tích trữ năng lượng. Điện áp 220VAC cũng cung cấp 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 cấp cho IC SG3525. 1.1.3.2. Khối IC điều khiển lái MOSFET công suất 1.1.3.2.1. Giới thiệu IC điều khiển nguồn xung SG3525 [6] IC SG3525 là IC chuyên dùng trong nguồn xung, nó có thể được 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 với những IC có cũng chức năng khác như: TL494, SG3524… IC SG3525 có những ưu điểm sau: − Có tích hợp bộ lái MOSFET hoặc IGBT trên IC. − Tần số hoạt động: 100 Hz đến 400 kHz.
11 − Có tích hợp chân shutdown trên IC để tắt dao động ngõ ra của IC. − Có tính năng khởi động mềm, còn gọi là soft-start (độ rộng xung lái MOSFET tăng từ từ khi khởi động chứ không đột ngột). − Có thể điều chỉnh thời gian mà cả 2 MOSFET hoặc IGBT đều ngưng dẫn (thời gian chết). Sơ đồ chân của IC SG3525 được mô tả như hình 1.4 bên dưới: Hình 1.4: Sơ đồ chân của IC SG3525. Chức năng các chân của IC SG3525 được mô tả như sau: − Chân 1 và chân 2 dùng để xử lý tín hiệu hồi tiếp về. Khi điện áp chân 2 lớn hơn chân 1 thì xung lái MOSFET có độ rộng tối đa. Ngược lại, ngay khi điện áp chân 1 lớn hơn chân 2, độ rộng xung sẽ bị giới hạn ngay thời điểm đó. − Chân 3 là chân giao tiếp, nó can thiệp vào tần số dao động của IC SG3525. Chân này có thể không cần kết nối. − Chân 4 là chân ngõ ra xung đồng hồ trong IC SG3525, ta có thể dùng thiết bị đo tần số kết nối với chân này để biết tần số hoạt động của SG3525. Chân này có thể không cần kết nối.
12 − Để tạo tần số dao động cho IC, ta cần có một mạch dao động RC. Do đó, điện trở RT của mạch RC cần kết nối với chân 6. Tụ điện CT của mạch RC sẽ kết nối vào chân 5. − Để quy định thời gian chết, ta cần có điện trở RD kết nối giữa chân 7 và chân 5. Ta có thể điều chỉnh thời gian chết của IC qua cách xác định giá trị của RD. − Tần số dao hoạt động của SG3525 được cho bởi công thức: 1 o f = CT .(0,7 RT + 3RD ) − Chân 8 là chân soft-start, còn gọi là chân khởi động mềm. Muốn sử dụng khả năng khởi động mềm, ta cần có tụ với giá trị thích hợp kết nối đến chân 8. − Chân 9 là ngõ ra của bộ so sánh mà hai chân ngõ vào là chân 1 và chân 2. Chân này dùng để kết hợp sử dụng với chân 1 và 2 để tạo các kiểu hồi tiếp khác nhau. − Chân 10 là chân shutdown (chân tắt cưỡng bức xung ngõ ra, bất chấp tín hiệu tại chân 1 và chân 2). Khi có điện áp 0,8 ÷ 5V đưa đến chân 10 thì tụ kết nối với chân soft-start (chân 8) sẽ được xả điện, kéo theo đó là độ rộng 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 hơn tín hiệu hồi tiếp về và được xử 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 được cấp vào chân 13, điện áp tối đa là 40V.
13 − Để IC SG3525 có thể hoạt động, ta cần cấp nguồn cho nó. Chân 12 là chân GND, một điện áp 8 ÷ 40V cần đưa đến chân 15. − IC SG3525 sẽ tự tạo ra một điện áp chuẩn VREF=5,1V tại chân 16, mục đích là để phục vụ cho qua trình xử lý tín hiệu hồi tiếp tại chân 1 và chân 2. Ngoài ra còn có thể 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 13 15 R6 D11 4148 3K3 +IN 2 VC +VI +IN R17 33 -IN C7 472 -IN 1 11 FET A 5 -IN OUTA R7 R4 100 CT D13 4148 3K3 7 DISCHG 14 FET B R3 5K6 6 OUTB R12 470 RT R19 33 VREF 8 J3 VREF 16 SS 9 D20 R43 2K2 R5 C8 C1 VREF COMP 1 1K 10uF 10uF 10 C5 2 SHDN 4 103 GND D19 OSC 3 SHDN SHUTDOWN SY NC 1 4 SHDN SG3525A 12 PC817 ISO4 4148 2 3 Hình 1.5: Khối IC điều khiển MOSFET công suất. Nhiệm vụ của khối này không gì khác là để tạo ra hai xung lệch nhau 180 độ để điều khiển lái MOSFET công suất. Độ rộng xung ngõ ra tuỳ thuộc vào tín hiệu ngõ vào được xử lý tại ba chân: chân 1, chân 2 và chân 10. − Bình thường, điện áp VREF=5,1V qua điện trở R5 và diode D19, đưa đến chân 10 để tắt xung lái MOSFET, nguồn xung chưa hoạt động. Tụ C8 chưa được nạp điện. Nếu có điện áp 12V từ mạch điều khiển gởi đến làm kích dẫn opto ISO4, gây mất điện áp trên chân này, chân 10 ở mức không tích cực. Tụ C8 sẽ được nạp điện. Độ rộng xung tại chân 11 đến chân 14 sẽ tăng tuyến tính với giá trị điện tích trên tụ C8. Khi tụ C8 nạp đầy, độ rộng xung không bị giới hạn cưỡng bức nữa. Lúc đó, độ rộng xung sẽ phụ thuộc vào tín hiệu hồi tiếp được xử lý tại chân 1 và chân 2. Ngoài ra, chân shutdown
14 còn được điều khiển bởi tín hiệu từ mạch hồi tiếp dòng điện, điều này sẽ được nói tới ở mục 1.1.4.3.1. − Chân 2 (chân +IN) sẽ được phân áp ở mức 3,9V qua hai điện trở R9 = 3,3KΩ và R14 = 1KΩ (được thấy ở mạch hồi tiếp điện áp). Chân -IN sẽ được phân áp ở mức 2,55V qua hai điện trở R6 = 3,3KΩ và R 7 = 3,3KΩ . Vậy bình thường điện áp chân 2 sẽ lớn hơn điện áp chân 1 (chân –IN), lúc này xung ngõ ra có độ rộng tối đa nếu không bị giới hạn cưỡng bức bởi chân 10. Khi điện áp ngõ ra đạt mức định trước, mạch hồi tiếp điện áp sẽ tác động để điện áp tại chân 2 nhỏ hơn chân 1. Ngay khi điện áp chân 2 lớn hơn chân 1, độ rộng xung lái MOSFET bị giới hạn ngay ở thời điểm đó. Chỉ khi nào điện áp chân 2 tiếp tục lớn hơn điện áp tại chân 1, xung mức cao mới tiếp tục có để lái MOSFET. Mối quan hệ giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra được 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 2 F2 D12_2 C17 R33 J6 CON2 4A 15V_OUT 310V 8K2/2W 1 L 20uH R37 0.1R/5W 221/1KV 2 1 2 D12 10 3 R31 R32 BTTH3003C 9 4 470/1W 4k7 C11 R30 2200uF/35V C16 8K2/2W D12_1 221/1KV 7 6 D6 OUTPUT FER 33 D15 FR107 10K R28 Q2 Q1 KHOI NGUON PHU CHO QUAT FET A K1120 FET B K1120 TAN NHIET R29 10K +SENSE J1 U6 15V_OUT R16 PC817 +IN 1 4 1 3 1 0.1R/2W ISO5 GND 2 VOUT VIN C23 220uF QUAT 7812 2 2 3 Hình 1.7: Khối chuyển đổi công suất. Thành phần chính trong mạch là một biến áp xung. Để ý rằng kí hiệu biến áp xung khác biến áp thường ở các dấu chấm pha. Các cuộn dây trong biến áp phải được quấn và đấu nối đúng sơ đồ thì mạch mới hoạt động được. 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 được điều khiển bằng chân IC SG3525), điểm không chấm của cuộn dây sơ cấp 2-3 dương hơn so với có chấm. Điều này làm cho cuộn sơ cấp còn lại và cả hai cuộn thứ cấp đều có điểm không chấm dương hơn điểm có chấm. Bên cuộn sơ cấp, chỉ có cuộn dây 9-7 có thể cung cấp điện áp ra ngoài để nạp cho tụ C11 và cung cấp cho tải. Ở nửa chu kì tiếp theo thì Q2 mở, Q1 đóng, điểm có chấm của cuộn dây 4-6 sẽ dương hơn điểm không chấm. Tương tự như trên, điều này làm cho ba cuộn dây còn lại có điểm có chấm dương hơn điểm không chấm, chỉ có cuộn thứ cấp 12- 10 mới có thể cung cấp công suất ra ngoài. Trong khoảng thời gian khi 2 MOSFET đều ngưng dẫn, cuộn dây L và tụ C11 sẽ cung cấp năng lượng đến tải.
16 R16 và ISO5 có tác dụng bảo vệ, ngăn cản dòng điện qua Q1 và Q2 quá lớn mà phá hỏng nó. ISO5 có điện áp thuận điển hình là 1,2V, điều này tương ứng với dòng điện đỉnh qua R16 là 12A thì ISO5 sẽ gởi tín hiệu hồi tiếp về SG3525. Trong điều kiện làm việc ổn định bình thường, giá trị dòng điện này gần như là không thể đạt tới. Tuy nhiên, nếu có sự không cân bằng từ thông thì giá trị dòng điện này hoàn toàn có thể đạt tới. ISO5 có tác dụng làm tăng tính ổn định cho mạch. R31 đóng vai trò như một tải giả. Trong máy sạc được thiết kế, khi có ắc- quy kết nối với máy, nguồn xung với được phép hoạt động. Nhưng giả sử ta thử nguồn xung mà không kết nối với mạch điều khiển sạc, nếu không có điện trở 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 lớn dẫn đến phá huỷ MOSFET công suất nếu không có tải giả. Trong máy sạc được thiết kế có sử dụng quạt tản nhiệt. Do điện áp ngõ ra biến áp xung có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng, do đó cần thiết phải có IC ổn áp 7812 để giữ điện áp ổn định cung cấp cho quạt. Để hiểu rõ hơn hoạt động của khối biến đổi công suất, ta hãy quan sát hình 1.8 và hình 1.9: MAX 2VDC Hình 1.8: Xung điện áp và dòng điện ngõ vào. [1]
17 dc 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 12 2 F2 D12_2 J6 CON2 4A 15V_OUT 1 L 20uH R37 0.1R/5W 2 1 2 D12 10 3 R31 R32 BTTH3002C 9 4 470/1W 4k7 C11 2200uF/35V D12_1 7 6 D6 OUTPUT FER 33 15V_OUT R11 470 VREF 1 4 PC817 ISO2 Q5 GATE MCR100 R18 2 3 Q3 2K2 R21 1K C1815 R34 1K R26 470 R27 SHUTDOWN 470 Hình 1.10: Mối quan hệ giữa khối hồi tiếp dòng điện và khối chuyển đổi công suất. Khối hồi tiếp dòng điện có liên quan một chút đến khối chuyển đổi công suất qua điện trở R37. Dòng điện qua điện trở R37 cũng là dòng điện qua tải. Khi điện áp rơi trên R37 là 0,6V thì Q4 sẽ dẫn, kéo theo ISO2 cũng dẫn. Tiếp theo là SCR Q5 dẫn, Q5 sẽ được duy trì dẫn mặc cho ISO2 đã ngưng dẫn do dòng điện đi qua nó đủ để duy trì trạng 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 13 15 R6 D11 4148 3K3 +IN 2 VC +VI +IN R17 33 -IN C7 472 -IN 1 11 FET A 5 -IN OUTA R7 R4 100 CT D13 4148 3K3 7 DISCHG 14 FET B R3 5K6 6 OUTB R12 470 RT R19 33 VREF 8 J3 VREF 16 SS 9 D20 R43 2K2 R5 C8 C1 VREF COMP 1 1K 10uF 10uF 10 C5 2 SHDN 4 103 GND D19 OSC 3 SHDN SHUTDOWN SY NC 1 4 SHDN SG3525A 12 PC817 ISO4 4148 2 3 15V_OUT VREF R20 R14 1K R22 1K 3K3 +IN 4 1 ISO1 R9 R10 R35 3K3 1K R38 PC817 1K 1K R23 C20 3 2 1K2 U4 K 47nF R24 33 KA431 R A R39 680 Hình 1.11: Mối quan hệ giữa khối hồi tiếp điện áp và khối IC điều khiển lái MOSFET công suất. Tín hiệu hồi tiếp điện áp sẽ được đưa về chân 2 của SG3525. Như đã được nói ở phần 1.1.3.2.2., khi opto ISO1 chưa dẫn, điện áp chân +IN sẽ lớn hơn chân –IN ( V+ IN = 3,9V , V− IN = 2,55V ). Điện áp ngõ ra được 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 VR ≥ 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 trị đặt trước, thể hiện qua việc chọn giá trị cho: R22, R38, R35, R24, R39. Lúc đó, V+ IN = 0V < V− IN , xung lái MOSFET
20 sẽ bị ngắt, điện áp ngõ ra ngừng tăng. Khi điện áp ngõ ra thấp hơn giá trị đặt trước, ISO1 ngưng dẫn, tiếp tục sẽ có xung lái MOSFET công suất. Hoạt động dẫn và ngưng dẫn của ISO1 làm cho điện áp ngõ ra dao động với biên độ rất nhỏ quanh giá trị xác định. Muốn thay đổi điện áp ngõ ra, ta điều chỉnh biến trở R35, nếu giá trị biến trở tăng, điện áp ngõ ra sẽ tăng và ngược lại. 1.2. Mạch điều khiển 1.2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển ÂM BÁO ĐÈN HIỂN THỊ NGƯỢC CỰC NGUỒN ĐIỀU KHIỂN ACQUY XUNG & BẢO VỆ ĐIỆN ÁP TẠO DAO ĐỘNG AMPERE KẾ (PHÂN ĐOẠN) Hình 1.12: Sơ đồ khối mạch điều khiển. Để có thể có cái nhìn khái quát về hoạt động của mạch điều khiển, nhóm thực hiện xin được giải thích nguyên lý hoạt động của nó trên sơ đồ khối. Mạch điều khiển có 3 nhiệm vụ chính: − Phân đoạn dòng nạp với một tần số hợp lý để cơ cấu kim của ampere kế không dao động với biên độ lớn, tạo thuận lợi cho quá trình giám sát của người sử dụng. − Tự động kiểm tra điện áp ắc-quy và ngắt dòng nạp khi ắc-quy đầy. Nếu đang sạc, đèn xanh sẽ sáng lên, nếu không có ắc-quy kết nối với máy hoặc ắc-quy sạc xong: đèn đỏ sẽ sáng lên.