Thiết kế và thi công máy sạc xung cho ắc-quy

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.

3. Đề xuất và giải pháp

Sau khi quan sát thực tế, nghiên cứu những tài liệu có được. Nhóm thực hiện đã phác thảo sơ đồ khối của máy sạc.

Hình 3.1 : Sơ đồ khối của máy 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.

 Bên cạnh đó, nhóm thực hiện đã đưa ra các yêu cầu thi 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 xung khi không sạc ắc-quy.
• 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.

4. Kết quả đạt được

4.1. Thiết kế và thi công nguồn xung.

Mạch nguồn xung do nhóm thiết kế là một dạng của biến đổi điện áp một chiều cao áp, không ổn định thành điện áp một chiều thấp áp, ổn định ở ngõ ra.

Hình 4.1 : Sơ đồ khối mạch 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 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.

Hình 4.2: Board mạch nguồn xung sau khi thi công.

4.2. Thiết kế và thi công mạch điều khiển sạc ắc-quy.

Hình 4.3 : Sơ đồ khối mạch điều khiển sạc ắc-quy.

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 quan 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.

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.

Hình 4.4: Board mạch điều khiển sạc ắc-quy sau khi thi công.

4.3 Hoàn chỉnh máy sạc ắc-quy.

Sau khi thiết kế và thi công mạch nguồn xung và mạch điều khiển. Nhóm thực hiện tiến hành gia công phần vỏ hộp cho máy sạc.  Sau khi hoàn chỉnh các công đoạn, máy sạc sẽ có hình dạng như hình ----:

a) Mặt trước máy sạc khi không sạc ắc-quy.

b) Mặt trước máy sạc khi đang sạc ắc-quy.

c) Mặt sau của máy sạc ắc-quy.

d) Mặt bên của máy sạc ắc-quy.

Hình 4.5 : hình ảnh máy sạc sau khi thi công xong

Tóm lại, với những tiêu chí đã đặt ra, nhóm thực hiện đã thiết kế được một máy sạc có tính năng như 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.

     - 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.

     - 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.

5. Những hạn chế trong quá trình thực hiện.

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.

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.

6. Kết luận

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, 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.