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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Mục lục

BÁO CÁO
Đề tài 3:

Thiết kế mạch nạp acquy 12V – 1A có chỉ thị báo nạp
và tự động ngắt khi sạc đầy
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 4
Đào Quang Tiệp
Phạm Văn Trường
Phạm Xuân Bắc

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Vũ Thắng

Hà Nội, 4 - 2017


Danh sách hình ảnh
Bảng phân chia công việc
Đào Quang Tiệp
Phạm Văn Trường
Phạm Xuân Bắc

Thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, làm mạch, làm báo cáo.
Tìm hiểu lý thuyết, chọn linh kiện, mua linh kiện.
Hàn mạch, tính toán chọn linh kiện, tìm hiểu về acquy.

2


Chương 1: Giới thiệu chung
Trước một nền khoa học và kỹ thuật ngày càng phát triển như hiện nay với nhiều
linh kiện và sự sáng tạo mới đã giúp ích rất nhiều cho con người như: Máy tính, xe đạp
điện, ô tô, xe máy… Nhưng chúng ta ít biết rằng không phải là khi chúng ta cắm điện
220V vào máy tính có thể chay ngay hay điện có trong xe là dòng điện được cấp trực tiếp
từ điện lưới 220V. Mà thực chất thì dòng điện 220V đó đã được biến đổi thành một dòng
khác và dạng khác được nói ở đây chính là dòng điện một chiều và nó được tích trữ trong
các loại acquy, pin, tụ điện…
Tuy bộ phận cấp nguồn một chiều chỉ là một phần rất nhỏ của toàn bộ khối làm
việc chung của mạch . Nhưng nó lại giữ vai trò rất quan trong và bếu thiếu nó thì cả khối
đó sẽ không thể làm việc được. Cho nên nhóm chúng em đã chọn đề tài nghiên chế tạo
mạch sạc cho acquy. Cụ thể là mạch sạc cho acquy 12V, có chế độ tự ngắt, tự ngắt khi
bình acquy cần nạp và đầy.
1.1 Các loại acquy phổ biến
Trong thực tế, nếu điểm qua các loại acquy thì có lẽ có thể có nhiều cách gọi như:
acquy nước, acquy axit, acquy axit kiểu hở, acquy axit kín khí, acquy không cần bảo
dưỡng, acquy khô, acquy GEL, acquy kiềm… Thực ra thì cách gọi trên là các cách gọi
khác của vài loại acquy cơ bản, các cách gọi như vậy bị bao hàm lẫn nhau, nghe qua thì
có vẻ như có rất nhiều loại acquy. Nhưng trên thực tế, acquy được phân biệt thành hai
loại acquy thông dụng hiện nay là acquy sử dụng điện môi bằng axit (gọi tắt là acquy axit
hoặc acquy chì-axit) và acquy sử dụng điện môi bằng kiềm (gọi tắt là acquy kiềm). Tuy
có hai loại chính như vậy nhưng acquy kiềm ít gặp hơn nên đa số acquy hay gặp trên thị
trường hiện nay là acquy axit.

3

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

4


1.2 Cấu tạo của acquy
Bình acquy được chia thành nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn. Mỗi ngăn acquy
đơn cho điện áp là 2V. Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộ
nguồn acquy là 12V.
Vỏ acquy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do dod mà
người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite. Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạo
thành các ngăn riêng biệt gọi là một acquy đoen. Dưới đáy bình ta làm hai yên đỡ gọi là
yên đỡ bán cực. Mục đích là để các bản cực tỷ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi trong đáy
bình có lắng đọng các cặn bẩn.
Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương
dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản
cực. Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trên bản cực là dioxit chì.
Nếu bản cực dung làm bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng là chì xốp.
Khi acquy hoạt động chất hoạt tính tham gia đồng thời vào các phản ứng hóa học
càng nhiều càng tốt, do đó để tăng bề mặt tiếp xúc của các chất hoạt tính với dung dịch
điện phân, người ta chế tạo chất hoạt tính có độ xốp, đồng thời đem ghép những tấm cực
cùng tên song song với nhau thành một chùm cực ở trong mỗi ngăn của acquy đơn.
Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng giữa hai
bản cực khác tên lại được đặt thêm một tấm cách, tấm cách được làm từ chất cách điện để
cách điện giữa hai bản cực như nhựa xốp, thủy tinh hay gỗ.
Phần nắp của acquy để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và
các chất khác từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân

không bị tràn ra ngoài. Trên nắp bình có các lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân,
các lỗ thông hơi có thể được chế tạo riêng biệt. Để đảm bảo về độ kín của bình acquy,
xung quanh mép nắp acquy và xung quanh các lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa
chuyên dụng. dung dịch điện phân dung trong acquy là hỗn hợp axit sunfuric H 2SO4 được
pha chế theo tỷ lệ nhất định với nước cất.
5


1.3 Các thông số cơ bản của acquy
Dung lượng: Là điện lượng của acquy đã được nạp đầy, rồi đem cho phóng điện
liên tục với dòng phóng 1A tới khi điện áp của acquy giảm xuống đến trị số giới hạn quy
định ở nhiệt độ quy định. Dung lượng của acquy được tính bằng ampe-giờ (Ah).
Điện áp: Tùy thuộc vào nồng độ chất điện phân và nguồn nạp cho acquy mà điện
áp ở mỗi ngăn của acquy khi nó được nạp đầy sẽ đạt 2,6V đến 2,7V (để hở mạch), và khi
acquy đã phóng điện hoàn toàn là 1,7V đến 1,8V. Điện áp acquy không phụ thuộc vào số
lượng bản cực của acquy nhiều hay ít.
Điện trở trong: Là trị số điện trở bên trong của acquy, bao gồm điện trở các bản
cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản
cực. Thường thì trị số điện trở trong acquy khi đã nạp đầy điên là (0,001 – 0,0015j)
khi acquy đã phóng điện hoàn toàn là (0,2 – 0,025j)

Ω

Ω

và

.

1.4 Nguyên tắc nạp acquy 12V

Nạp acquy cần phải căn cứ trên các chi tiết sau:
Điện áp acquy khi đầy: 12,6V đến 13,7V.
Chế độ nạp: Có 4 chế độ nạp.
Nạp “thả nổi”: dòng nạp nhỏ hơn hoặc bằng 1/15 dung lượng acquy trong 20h.
Ví dụ: acquy 4 Ah thì nạp thả nổi với dòng 0,27A.
Nạp vừa: dòng nạp bằng 1/7 đến 1/8 dung lượng acquy trong 8h – 10h.
Nạp nhanh: dòng nạp bằng ¼ dung lượng acquy trong hơn 4h.
Vừa nạp vừa dùng: dòng nạp = ½ dung lượng acquy cho đến khi đầy.
Nguồn nạp hải có điện áp cao hơn điện áp đầy của acquy. Tốt nhất là nạp bằng
nguồn chỉnh lưu, chỉ nắn mà không lọc (sẽ giúp quá trình nạp nhanh hơn).

6


Chương 2: Sơ đồ khối và chọn linh kiện
Trong đề tài này nhóm thực hiện làm mạch sạc acquy 12 V – 1A, acuy được sử
dụng là acquy GS- GTZ5S 12V-3,5Ah.
Mạch có chế độ hiển thị báo sạc và không sạc, tự động ngắt sạc khi đầy bình và
cho phép nạp lại khi bình kiệt.
2.1 Sơ đồ khối

Hình : Sơ đồ khối mạch

Từ điện áp lưới 220V-50Hz, ta hạ áp qua bộ biến áp 12V-1A, sau đó cho qua bộ
chỉnh lưu cầu.
Điện áp đưa vào acquy có dạng:

7

Hình : Khối biến áp và chỉnh lưu cầu

Điện áp hiệu dụng sau khi qua bộ chỉnh lưu cầu:
Vout = 12 2 − (0, 7 × 2) = 15.57(V )

Sau khi chỉnh lưu, điện áp không lọc được đưa thẳng vào rơ-le và sạc cho acquy.
Bộ điều khiển điều khiển đóng ngắt rơ-le dựa vào điện áp đo được ở 2 cực acquy
khi đang trong qua trình đấu nối để sạc.
Điện áp 2 đầu cực acquy lớn hơn 13,4V sẽ dừng sạc.
Điện áp 2 đầu cực acquy nhỏ hơn 12V sẽ cho phép sạc.
2.2 Sơ đồ thiết kế và lựa chọn linh kiện từng khối
2.2.1 Khối biến áp

Khối biến áp có chức năng hạ điện áp 220V-50Hz xuống điện áp có giá trị hiệu
dụng

12 2

V.

Biến áp được sử dụng là loại biến áp 6 đầu ra – 1A.

8


Hình : Biến áp 6 đầu ra 1A

9

2.2.2 Khối chỉnh lưu cầu

Khối chỉnh lưu cầu có chức năng chỉnh lưu cả chu kì điện áp sau khi qua qua bộ
biến áp, tạo điện áp dương.
Diode cầu được sử dụng là diode KBP206 600V – 2A.

Hình : Diode cầu KBP206

2.2.3 Khối rơ -le

Khối rơ -le có tác dụng như 1 van đóng ngắt dòng điện sạc cho acquy và có thể
điều khiển được.
Rơ-le được sử dụng là rơ-le 12V- 10A.

Hình : Rơ-le 12V – 10A

10


11


Nguyên lý làm việc:
Rơ-le thực chất là một nam châm điện có gắn hệ thống tiếp điểm. Nam
chân điện gồm cuộn dây, lõi thép tĩnh và lõi thép động.

Hình : So đồ chân rơ-le

o
o

o

Chân 4 và chân 5 là cuộn dây.
Chân 2 và chân 3 là hai lỗi thép tĩnh.
Chân 1 là lõi thép động.

Trong trạng thái để hở, không mắc vào mạch, cũng như không có dong điện chạy
qua cuộn dây, thì lõi thép động ở chân 1 sẽ ở vị trí chân 2 như hình trên. Khi có dòng điện
chạy qua cuộn dây, khi đó từ trường sẽ được tạo ra và hút lõi thép động ở chân 1 về vị trí
chân 3.
Dựa vào tính chất đó, rơ-le có thể được dùng để đóng ngắt cho phép sạc hay
không trong mạch.

12


2.2.4 Khối điều khiển

Khối điều khiển có chức năng điều khiển toàn bộ mạch, cho phép sạc acquy hay
không, có đèn chỉ thị khi sạc và khi ngắt.
IC được sử dụng là IC NE555.
IC có tác dụng nhận biết điện áp của ac quy cần sạc hay cần ngắt, sau đó đưa ra
tín hiệu điều khiển đóng ngắt sạc. Có chức năng reset trạng thái nhận biết kết nối mới khi
acquy được cắm vào sạc.

Hình : IC NE555

Thông số kỹ thuật và chức năng các chân:
Thông số kỹ thuật:
o Điện áp đầu vào: 2V – 18V.

o Dòng tiêu thụ: 6mA – 15mA.
o Điện áp logic mức cao: 0,5V – 15V.
o Điện áp logic mức thấp: 0,03V – 0,06V.
o Công suất tiêu thụ (max): 600mW.
• Chức năng từng chân:
o Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân
•

còn gọi là chân chung.
o Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so
sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.
Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn
là 2/3Vcc.
13


o

Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra
logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở
đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%)

và mức 0 tương đương với 0V.
o Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4
nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao
thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà
trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC.
o Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp
chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện
trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng được

nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống
GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và
giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
o Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so
sánh điện áp khác, tương tự chân số 2 nó cũng là 1 chân chốt, chỉ
khác là so sánh điện áp lớn hơn.
o Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện
tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp
thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả
o

điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động .
Chân số 8 (Vcc): Chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động.
Không có chân này coi như IC không hoạt động . Nó được cấp điện
áp từ 2V đến 18V.

14


Dựa vào các tính chất và chức năng từng chân của IC NE555, ta thiết kế được bộ điều
khiển đóng ngắt rơ-le, điều khiển bộ nạp acquy.
Ta cấp nguồn 12V cho IC NE555, dựa vào tích chất và chức năng của chân 2 và
chân 6, ta có thể điều chỉnh giá trị điện áp cần nạp và cần ngắt sạc cho acquy.

Hình : Sơ đồ bên trong IC NE555

Chân 2 và chân 6 sẽ được nối với acquy ,qua bộ phân áp bằng điện trở, biến trở để
thay đổi giá trị điện áp cần so sánh.
Như hình trên, Chân 8 được nối với VCC = 12V, qua phân áp bằng 3 điện trở có
giá trị bằng nhau thì điện áp so sáng ở chân 6 sẽ bằng 8V, điện áp so sánh ở chân 2 là 4V.

Chân 4 là chân reset, chân này cũng được nối với acquy qua bộ phân áp bằng điện
trở, mục đích là để ngắt sạc, ngắt rơ-le khi không có acquy được kết nối vào đầu sạc,
chân này sẽ nối thông mới đất, ở mức thấp nên đầu ra IC NE555 sẽ luôn ở mức thấp 0V,
rơ-le sẽ bị ngắt. Khi có acquy được kết nối vào chân này sẽ chuyển từ mức thấp lên mức
cao, cho phép IC NE555 hoạt động bình thường.
Chân 3 là chân đầu ra của IC NE555, đầu ra ở mức cao có điện áp bằng điện áp
VCC cấp cho IC NE555 là 12V và được đưa vào một Transistor npn.

15


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

Hình : Transistor npn 2N2222

Thông số kỹ thuật:
Model: NPN – TO92
Điện áp cực đại: VCBO = 60V.
VCEO = 30V.
VEBO = 5V.
Dòng điện cực đại: Ic = 600mA.
Hệ số khuếch đại: hFE

≈

100.

Nhiệt độ làm việc: -55oC đến 150oC.
Công suất tiêu thụ 500mW.

16


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

Hình : IC nguồn LM7812

Thông số:
Điện áp đầu vào: 12,5V đến 35V.
Công suất tiêu thụ: 15W.
Dòng ra max: 1.2A.
Điện áp đầu ra: 12V.

17


18


Chương 3: Sơ đồ nguyên lý và mạch in
3.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình : Sơ đồ nguyên lý

Điện áp vào được lấy trực tiếp từ nguồn điện lưới xoay chiều 220V – 50Hz.
Sau đó đưa qua biến áp 12V rồi qua chỉnh lưu cầu, và đưa vào rơ-le.
Khi không có acquy hoặc acquy hoặc acquy đã đầy chân 6 của IC NE555 sẽ được
phân áp lớn hơn 8V, đầu ra ở chân 3 sẽ mức thấp, chân 7 cũng ở mức thấp và đèn đèn
LED 1 sẽ sáng đỏ.
Khi acquy được sạc điện, đầu ra ở chân 3 của IC NE555 ở mức cao đèn LED2 sẽ

sáng xanh. Transistor Q1 và Q2 có tác dụng đóng ngắt rơ-le. Khi đầu ra ở chân 3 IC
19


NE555 ở mức thấp Q2 sẽ ngắt làm cho rơ-le ngắt suy ra ngắt sạc. Ngược lại khi đầu ra ở
chân 3 mức cao, Q2 sẽ đóng, nối thông chân 4 của rơ-le với đất, tạo ra dòng điện chạy
trong cuộn dây của rơ-le làm rơ-le hoạt động cho phép sạc acquy.
Transistor Q1 có tác dụng khi điện lưới hay điện áp vào mất đi mà acquy vẫn còn
đang kết nối để sạc, sẽ dừng tất cả hoạt động của mạch, cách ly acquy với các phần tử
trong mạch.
Diode được nắp song song với rơ-le có tác dụng chống dòng ngược khi rơ-le đóng,
bảo vệ transistor.
Khi acquy được kết nối với bộ sạc, chân 4 của IC NE555 sẽ được kéo lên mức
cao, giúp IC NE555 hoạt động trở lại.

20


3.2 Sơ đồ mạch in

Hình : Sơ đồ mạch in 2D

21


Hình : Sơ đồ mạch in 3D

22

Tài liệu tham khảo
1 - />2 - />3 - />
23