Đồ án Thiết kế chế tạo mạch nạp ắc quy 12V

TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN. KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.  ĐỒ ÁN MÔN HỌC.   Khóa học : 2009 – 2013 Ngành học :Kỹ thuật điện - điện tử. Lớp: :Đ-ĐT K7.4 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH NẠP ẮC QUY 12V Giáo viên hướng dẫn: HOÀNG HẢI HƯNG Sinh viên thực hiện : NGUYỄN NHƯ TUÂN PHÓ ĐỨC TRƯỜNG NGUYỄN MINH PHỤNG Hưng Yên , ngày tháng 11 năm 2010 TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH NẠP ẮC QUY 12V I-Số liệu cho trước: Dòng xoay chiều với các thông số: U=220V; I=12A; f=50Hz Xây dựng sơ đồ mạch và chạy thử trên eagle. Sử dụng IC ổn định điện áp LM7812 và IC so sánh điện áp LM358 và các linh kiện điện tử thông thường như điện trở, tụ điện, diod, …. II-Nội dung cần hoàn thành: - Một sản phẩm hoàn chỉnh. - Một bản báo cáo thuyết minh về đề tài. Sinh viên thực hiện: 1: Nguyễn Như Tuân 2: Phó Đức trường 3: Nguyễn Minh Phụng  Ngày giao đề tài: ………….. Ngày hoàn thành: …………. -------------------   MỤC LỤC Nhận xét của GV hướng dẫn. Lời nói đầu. Kế hoạch tiến độ từng tuần thực hiện đề tài Phần 1: Cơ sở lý thuyết chung 1.1: Nguồn điện một chiều 1.2: Sơ đồ khối, cấu tạo , chức năng và nhiệm vụ của từng khối. Phần 2: Giới thiệu chung và lựa chọn các loại linh kiện điện tử trong mạch 2.1: Điện trở và biến trở 2.2: Tụ điện 2.3: Diode , led và transitor 2.4: IC so sánh điện áp LM 358 2.5: IC ổn áp LM 78xx Phần 3: Sơ đồ mạch và nguyên lý làm viêc của mạch điện 3.1: Sơ đồ mạch 3.2: Nguyên lý làm việc của mạch điện Phần 4: Phương hướng phát triển của đề tài và lời kết NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… LỜI NÓI ĐẦU 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 thì máy có thể chạy ngay hay điện có trong xe là dòng điện được cấp trực tiếp từ lưới điện 220V.Mà thực chất thì dòng điện 220V đó đã được biến đổi thành một dạng khác và dạng khác được nói ở đây chính là dòng điện một chiều và nó đã được tích trữ trong các loại ắc qui, 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 một vai trò rất quan trọng và nếu thiếu nó thì cả khối đó sẽ khó có thể làm viêc có hiệu quả được . Cho nên nhóm chúng em đã quyết định chọn nghiên cứu , lắp ráp mạch cấp nguồn một chiều và một trong những ứng dụng thực tế là dùng để sạc ắc quy. Qua một thời gian nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Hải Hưng , chúng em đã hoàn thành mạch cấp nguồn một chiều sạc cho loại ăc quy 12V. Đây là đồ án đầu tiên mà chúng em thực hiện cho nên vẫn còn mắc phải nhiều thiếu sót , chúng em rất mong được các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử hướng dẫn chỉ bảo thêm để chúng em có thể hoàn thiện tốt đồ án này và những đồ án về sau . Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Hưng Yên. ngày tháng 11 năm 2010 PHẦN 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG 1.1: Nguồn điện một chiều 1.1.1: Cấu trúc nguyên tử Nguyên tử gồm hai phần: một hạt nhân gồm proton mang điện tích dương và nortron không mang điện; phần vỏ là các electron mang điện tích âm chuyển động hỗn loạn xung quanh hạt nhân. Ở trạng thái bình thường thì nguyên tử trung hoà về điện, khi bị kích thích nguyên tử có thể mất đi một vài electron trở thành ion dương hoặc nguyên tử có thể nhận thêm một vài electron để trở thành ion âm. 1.1.2: Bản chất dòng điện một chiều Là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện khi có điện trường ngoài kích thích vào (hạt mang điện tích dương chuyển động cùng hướng với điện trường ngoài và các hạt điện tích âm chuyển động ngược hướng điện trường ngoài) và qui ước chiều dòng điện là chiều chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích dương. 1.1.3: Các đại lượng đặc trưng a. Cường độ dòng điện: Là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện hay đặc trưng cho số lượng các điện tử đi qua tiết diện của một vật dẫn trong đơn vị thời gian Ký hiệu: I Công thức: I = q.t Đơn vị: A (ampe), 1A=1000mA ; 1kA=1000A ; … b.Hiệu điện thế: Là sự chênh lệch điện áp (V) giữa hai điểm thì gọi là hiệu điện thế: Điện áp tại điểm A: Va Điện áp tại điểm B: Vb Hiệu điện thế giữa hai điểm A , B là: Uab = Va-Vb Đơn vị: V (vol) ; 1V=1000mV ; 1kV=1000V ; … c. Định luật Ôm: Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp ở hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó. Công thức: I = U/R Trong đó: I là cường độ dòng điện, đơn vị A U là điện áp hai đầu đoạn mạch, đơn vị V R là điện trở của đoạn mạch, đơn vị Ω (ôm) d. Điện năng và công suất. * Điện năng: Khi dòng điện chạy qua các thiết bị như bóng đèn thì bóng đèn sẽ sáng,chạy qua động cơ làm dộng cơ quay. Như vậy dòng điện đã sinh ra công, công của dòng điện gọi là điện năng, ký hiệu là W, Wh, kWh. Công thức: W = U x I x t Trong đó: W là điện năng tính bằng J (Jun) U là điện áp tính bằng V (vol) I là cường độ dòng điện tính bằng A (ampe) t là thời gian đo bằng s (giây) * Công suất: Công suất của dòng điện là điện năng tiêu năng tiêu thụ trong một giây và được tính bằng công thức: P = W/t = U.I Đơn vị: W (oat) ; 1kW = 1000W ; 1MW = 1000000W; … e. Cách mắc nguồn điện: Ghép nối tiếp các nguồn điện cho ta một nguồn điện mới có điện áp bằng tổng các điện áp thành phần:
Ghép song song các nguồn điện (có cùng điện áp) sẽ cho ta một nguồn điện mới có điện áp bằng điện áp thành phần.
Hình 1.1.Cách mắc nguồn điện 1.2: Sơ đồ khối, cấu tạo từng khối và chức năng từng khối 1.2.1: Sơ đồ khối
 Hình 1.2.1.Sơ đồ khối của mạch 1.2.2: Cấu tạo ,chức năng và nhiệm vụ của từng khối 1.2.2.1: Máy biến áp (khối 1) Máy biến áp có tác dụng thay đổi điện áp xoay chiều vào thành các mức điện áp xoay chiều khác nhau ở đầu ra của biến áp (chỉ thay đổi biên độ) mà không làm thay đổi tần số và pha ban đầu. Phương trình điện áp vào, ra khỏi máy biến áp có dạng hình sin:
Cấu tạo máy biến áp gồm: Một cuộn dây sơ cấp (để đưa điện áp ngoài vào) và cuộn dây thứ cấp gồm một hay nhiều cuộn dây (để đưa điện áp ra) cùng quấn trên cùng một lõi . Lõi này có thể là cuộn giấy (lõi không khí) hoặc là lõi bằng thép , sắt từ ( ferit).
* Các đại lượng trong nguyên lý bíên đổi điện áp của máy biến áp: Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và nguyên lý tạo điện áp ra dựa trên công thức: U1/U2 = N1/N2 = I2/I1 Trong đó: U1, I1: là điện áp và dòng điện vào cuộn sơ cấp U2, I2: là điện áp và dòng điện ra ở cuộn thứ cấp N1, N2: là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp * Các loại biến áp có trên thị trường:

Hình 1.2.2.Các loại biến áp. Trong mạch này chúng em đã sử dụng máy biến áp nguồn lõi bằng lá thép có đầu vào 220V AC và đầu ra 15V AC 1.2.2.2: Mạch chỉnh lưu (khối 2) Mạch chỉnh lưu dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều tương ứng nhưng vẫn còn mấp mô . Sau đây là hai mạch chỉnh lưu cơ bản: Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ:
Hình 1.2.3.Mạch chỉnh lưu nửa chu kì Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ gồm một diode mắc nối tiếp với tải tiêu thụ. Ở bán kỳ dương (nửa chu kỳ đầu) diode được phân cực thuận , diode thông nên có dòng chảy trong mạch . Ở bán kỳ âm (nửa chu kỳ ngay sau) diode được phân cực ngược nên không có dòng chảy trong mạch. * Ưu điểm: rẻ, dễ lắp ráp * Nhược điểm: cho dòng ra không liên tục và diode phải gánh một điện áp ngược rất lớn nên tuổi thọ của diode không cao. b. Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ (cầu chỉnh lưu).
Hình 1.2.4.Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ. * Ở nửa chu kỳ dương: D1, D4 thông dẫn dòng qua D1 => qua tải R => D4 dẫn tiếp dòng về cực âm * Ở nửa chu kỳ âm: D2, D3 thông dẫn dòng chảy qua tải R. Như vậy mạch chỉnh lưu hình cầu thì đảm bảo trong một chu kỳ thì mạch luôn có dòng điện . Và cũng chính ưu điểm này , cho nên chúng em đã sử dụng mạch chỉnh lưu hình cầu vào mạch của mình , trong mạch ta sử dụng cầu chỉnh lưu tròn 1A ( Vì nó có kích thước nhỏ gọn dễ sử dụng ) thay cho mạch chỉnh lưu cả chu kỳ ( sử dụng diode) . 1.2.2.3: Mạch lọc (khối 3) Dựa vào đặc tính phóng nạp của tụ điện nên mạch lọc (gồm các tụ điện mắc song song với tải) dùng để là phẳng điện áp đầu vào còn mấp mô.
Hình 1.2.5.mạch lọc 1.2.2.4: Mạch ổn áp ( khối 4) Mạch ổn áp giúp ổn định điện áp ra cung cấp cho tải tiêu thụ trong khi điện áp đầu vào có thể thay đổi. Sau đây là một số mạch ổn áp thông dụng: a. Mạch ổn áp dùng diode Zenner
Hình 1.2.6.Mạch ổn áp dùng diode zenner * Ưu điểm: rẻ, dễ lắp ráp * Nhược điểm: Cồng kềnh và tốn nhiều diện tích trong mạch. b.Mạch ổn áp dùng IC LM 78xx
Hình 1.2.7.mạch ổn áp dùng ICLM 78xx * Ưu điểm: nhỏ gọn, bền và dễ sử dụng . * Nhược điểm: giá thành cao. 1.2.2.5: Bộ điều chỉnh tự động đóng ngắt mạch khi sạc pin (khối 5). Khối này có chức năng đóng mạch khi ắc quy sạc chưa đầy và ngắt mạch khi ắc quy đã sạc đầy . trong mạch sử dụng IC LM 358 và transistor BC337 để điều chỉnh quá trình đóng ngắt khi sạc . Ngoài ra ta cũng có thể sử dụng IC so sánh khác như: LM 211 , U 741 ,… để điều khiển transitor đóng mở mạch sạc. Phần 2:Giới thiệu chung và lựa chọn các loại linh kiện điện tử trong mạch. 2.1: Điện trở và biến trở 2.1.1: Điện trở a) Khái niệm. Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điện tử, chúng có tác dụng cản trở dòng điện , tạo sự sụt áp để thực hiện chức năng theo ý muốn . Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu , tiết diện và độ dài của dây dẫn được tính theo công thức: R =
.
Trong đó: R là điện trở. Đơn vị là Ω ρ là điện trở suất. l là chiều dài dây dẫn. S là tiết diện của dây. b) Điện trở trong thực tế và trong các mạch điện tử. * Hình dáng và ký hiệu: Trong thực tế điện trở là một loại linh kiện điện tử không phân cực, nó là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử, chúng được làm từ hợp chất của cacbon và kim loại và được pha theo tỷ lệ mà tạo ra các con điện trở có trị số khác nhau.

  Hình 2.1.Hình dạng điện trở Hình dạng điện trở trong các sơ đồ mạch điện tử.
Đơn vị đo bằng Ω, KΩ, MΩ. 1MΩ = 1000 KΩ = 1000000Ω 2.1.2. Biến trở: a .khái niêm: Biến trở là dạng đặc biệt của điện trở có công dụng tương tự như điện trở thong thường . Nhưng nó có thể thay đổi được gía trị điện trở, qua đó thay đổi điện áp hoặc dòng điện ra trên biến trở.
Hình 2.2.Biến trở b.Ký hiệu:
  Hình 2.3.Ký hiệu của biến trở. c.Cấu tạo:

Hình 2.4.Cấu tạo và hình dạng của biến trở. Biến trở còn gọi là triết áp được cấu tạo gồm một điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung góc quay 270 độ . Có một trục xoay ở giữa nối với một con trượt làm bằng than cho biến trở dây quấn (hay làm bằng kim loại cho biến trở than) . Con trượt sẽ ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở khi quay trục.
Hình 2.5.biến trở 2.2: Tụ điện Tụ điện là một linh kiện thụ động và được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu trong mạch truyền phát tín hiệu, mạch dao động… a. Khái niệm và các đại lượng đặc trưng: * Khái niệm : Tụ điện là linh kiện dùng để cản trở dòng điện xoay chiều và ngăn không cho dòng điện một chiều đi qua , tụ điện còn có khả năng phóng nạp khi cần thiết . * Các đại lượng đặc trưng: Điện dung là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện ,điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức C = ξ . S / d Trong đó: C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F) ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện. d : là chiều dày của lớp cách điện. S : là diện tích bản cực của tụ điện. Dung kháng là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện xoay chiều , đơn vị Ω
. b.Ký hiệu và cấu tạo: * Ký hiệu của tụ điện trong sơ đồ nguyên lý :
Tụ không phân cực là tụ có hai cực như nhau và giá trị thường nhỏ (pF). Tụ phân cực là tụ có hai cực tính âm và dương không thể dũng lẫn lộn nhau được. Có giá trị lớn hơn so với tụ không phân cực * Cấu tạo của tụ điện: gồm hai bản cực song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi như tụ hóa, tụ gốm, tụ giấy…
Cấu tạo tụ gốm 
Cấu tạo tụ hóa  
Tụ lá 
Tụ xoay   Hình 2.6. Hình dạng tụ trong thực tế. Để cho tụ làm việc ổn định chúng em đã lưu chọn tụ có điện áp lớn hơn điện áp điện áp đầu vào của tụ. 2.3: Diode , Led và Transistor 2.3.1: Diode: a.Cấu tạo , hình dạng và ký hiệu Được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau. Diode có hai cực là Anot (A) và Katot (K). Nó chỉ cho dòng một chiều từ A sang K và nó được coi như van một chiều trong mạch điện và được ứng dụng rộng rãi trong các máy thu thanh thu hình, các mạch chỉnh lưu, ổn định điện áp.
Hình 2.7.Hình dạng diode trong thực tế.
Hình 2.8.Kí hiệu diode trong các mạch nguyên lý.
b.Phân cực cho diod: Phân cực thuận cho diode: Anode(A) được lối vào cực dương và Katot (K) được nối vào cực âm của nguồn (UAK>0) thì diode sẽ cho dòng điện chạy qua.
Phân cực thuận cho Diode Phân cực ngược: UAK<0 thì diode sẽ không cho dòng điện chạy qua.
Phân cực ngược cho Diode Vậy nguyên tắc hoạt động của diode: chỉ cho dòng một chiều từ A đến K chứ không cho dòng chạy ngược lại. 3.3.2: LED. LED là viết tắt của Light Emitting Diode , (có nghĩa là điốt phát quang) là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N *Tính chất. Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) . Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3 V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó, LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra. Chúng có tác dụng hiển thị điện áp DC hoac AC(tức là báo có dòng ra) *Hình dáng , cấu tạo và ký hiệu:

  Hình 2.8.Đèn led. Loại led  Điện thế phân cực   Đỏ  1,4 – 1,8 V   Vàng  2 – 2,5 V   Xanh lá cây  2 – 2,8 V   2.3.3: Transistor a. Cấu tạo: Gồm ba phiến bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N. Nếu ghép theo thứ tự PNP thì ta có transistor thuận. Ngược lại nếu ghép theo thứ tự NPN ta có transistor nghịch. Về phương diện cấu tạo thì transistor tương đương với hai diode có dấu ngược chiều nhau. 3 lớp đó được nối thành 3 cực: Lớp giữa gọi là cực gốc kí hiệu là B (Base), còn hai lớp bên ngoài nối thành cực phát E (Emitter) và cực thu C (Collector). Cực B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp, còn vùng bán dẫn E và C có bán dẫn cùng loại (N hay P) nhưng có nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán đổi được.
b.Nguyên tắc hoạt động của Transistor: Đối với PNP ta xét hoạt động của nó theo hình vẽ sau.
Hình 2.9.nguyên tắc hoạt động của transistor. Điều kiện làm việc: VE > VB>VC Trong trường hợp này hai vùng bán dẫn P-N của cực E và B giống như điode được phân cực thuận nên dẫn điện,lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ sang vùng bán dẫn N của cực B để tái hợp với eletron. Khi vùng bán dẫn N của cực B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương. Cực B được lối vào điện áp âm của nguồn nên sẽ hút một số lỗ trống trong vùng bán dẫn N xuống và tạo thành dòng điện IB. Cực C được nối vào điện áp âm cao hơn nên hút hầu hết lỗ trống trong vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E được nối vào điện áp dương nên khi vùng bán dẫn P bị mất lỗ trống sẽ hút lỗ trống từ nguồn dương lên thế chỗ tạo thành dòng điện IE. Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E đều chạy qua cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều từ cực E chạy qua: Ta có: IE =IB +IC Còn đối với transistor NPN là ngược thì ta làm ngược lại và phải đổi cực tính. *Hình ảnh thực tế các loại transistor:
Hình 2.10.transistor 2.4.IC LM 358 a.Hình dạng và cấu tạo. -hình dạng.
Hình 2.11.hình dạng thực tế của LM 358 -Cấu tạo.
Trong đó : +Chân số 1: đầu ra A. +Chân 2: đầu vào nghịch đảo A. +Chân 3:đầu vào không nghịch đảo A. + Chân số 4(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung. +Chân 5: đầu vào không nghịch đảo B +Chân 6: đầu vào nghịch đảo B. +Chân 7: đầu ra B. +Chân 8: chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động.
b.Đặc điểm. Đánh giá  Ký hiệu   Đơn vị   Nguồn điện áp cung cấp Nguồn duy nhất Nguồn phân chia  VCC VCC,VEE  32
 Vdc   Điện áp đầu vào vi sai  VIDR 
 Vdc   Điện áp đầu vào phổ biến  VICR  -0,3 to 32  Vdc   Thời gian điện áp đầu ra ngắn mạch  tSC  liên tục    Nhiệt độ đường giao nhau  TJ  150 
  Nhiệt độ lưu trữ  Tstg  -55 to +125 
  Hoạt động trong môi trường xung quanh  TA  0 to 70 
  2.5. IC ổn áp LM 78xx Là loại IC ổn áp nguồn dương , hai số “xx” biểu thị điện áp ổn định đầu ra của IC. Ví Dụ: 7805: ổn áp đầu ra là + 5V 7808: ônr áp đầu ra là + 8V 7812: ổn áp đầu ra là + 12V 7824: ổn áp đầu ra là + 24V a.Ký hiệu:
Trong đó: Chân 1: ngõ vào Chân 2: nối mát Chân 3: ngõ ra