Mạch Sạc Pin Axit-chì 12V - Blog OLP Tiếng Anh

Mạch sạc Pin axit-chì 12V : Pin axit-chì có thể được sạc theo nhiều cách hoặc chế độ khác nhau. Trong hướng dẫn này, bộ sạc điện áp không đổi sẽ được thiết kế để sạc pin axit-chì. Pin cần được cung cấp dòng điện giới hạn bão hòa sau khi đạt được điện áp cực đại trong quá trình sạc. Tùy thuộc vào điện áp trên mỗi cell của pin 12V, điện áp định mức tối đa của pin thay đổi từ 13,5 V đến 14,6 V.

Trong hướng dẫn này, mạch sạc được thiết kế để sạc pin axit chì có điện áp cực đại là 14,4 V. Vì vậy, mạch sạc này sạc pin với điện áp không đổi là 14,4 V và cung cấp dòng điện tối đa là 1,25 A.

Bạn có thể tham khảo các mạch sau :

Linh kiện cần có 

Hình 1:  Danh sách các linh kiện cần thiết cho Bộ sạc dòng điện giới hạn điện áp không đổi 12V Chì-Axit cho UPS

Sơ đồ khối

Hình 2: Sơ đồ khối của bộ sạc pin axit chì dựa trên LM317

Kết nối mạch

Bộ sạc này dễ thiết kế và có các khối mạch sau, mỗi khối phục vụ một mục đích cụ thể –

1. Chuyển đổi AC sang AC

Điện áp của Nguồn cung cấp chính (Điện được cấp bởi máy biến áp trung gian sau khi cắt điện áp đường dây từ trạm phát điện xuống) xấp xỉ 220-230V AC. Điện áp này cần được giảm xuống bằng cách sử dụng máy biến áp hạ bậc xuống mức điện áp yêu cầu. Một máy biến áp hạ áp có định mức 18V-0-18V / 2A được sử dụng trong mạch. Nó có khả năng cung cấp dòng điện 2A, rất phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu dòng điện là 1,25 A. Máy biến áp này giảm điện áp đường dây chính xuống 18V AC.

Hình 3: Sơ đồ mạch để giảm nguồn cung cấp

Điều quan trọng là định mức dòng điện của máy biến áp giảm áp và diode chỉnh lưu cầu phải lớn hơn hoặc bằng dòng điện yêu cầu ở đầu ra. Nếu không, nó sẽ không thể cung cấp dòng điện cần thiết ở đầu ra. Định mức điện áp của máy biến áp giảm áp phải lớn hơn điện áp đầu ra yêu cầu tối đa. Điều này là do thực tế là, IC LM317 được sử dụng trong mạch có điện áp giảm khoảng 2V. Trong mạch này, hai IC LM317 được sử dụng nên điện áp đầu vào từ máy biến áp phải lớn hơn điện áp đầu ra tối đa yêu cầu từ 4 đến 5V và phải nằm trong giới hạn của điện áp đầu vào của LM317.

Hình 4: Hình ảnh của biến áp giảm áp 18-0-18V

2. Chuyển đổi AC sang DC hoặc Chỉnh lưu Mạch sạc Pin axit-chì 12V

Điện áp xoay chiều giảm áp cần được chuyển đổi thành điện áp một chiều thông qua chỉnh lưu. Chỉnh lưu là quá trình biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Có hai cách để chuyển đổi tín hiệu AC sang DC. Một là chỉnh lưu nửa sóng và một là chỉnh lưu toàn sóng. Trong mạch này, một bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng được sử dụng để chuyển đổi 18V AC thành 18V DC. Chỉnh lưu toàn sóng hiệu quả hơn chỉnh lưu nửa sóng vì nó cung cấp việc sử dụng hoàn toàn cả mặt âm và dương của tín hiệu AC.

Trong cấu hình chỉnh lưu cầu toàn sóng, bốn điốt được kết nối theo cách mà dòng điện chạy qua chúng chỉ theo một hướng dẫn đến tín hiệu DC ở đầu ra. Trong quá trình chỉnh lưu toàn sóng, tại một thời điểm hai điốt trở nên phân cực thuận và hai điốt khác bị phân cực ngược.

Hình 5: Hình ảnh của Bộ chỉnh lưu toàn cầu KBPC3510

Trong mạch này, KBPC-3510 được sử dụng như bộ chỉnh lưu cầu. Nó là một bộ chỉnh lưu cầu một pha có điện áp ngược cực đại là 1000 V và dòng điện đầu ra chỉnh lưu trung bình là 35 A. Vì vậy, nó có thể dễ dàng chặn 18 V phân cực ngược và cho phép dòng điện 1,25 A trong tình huống phân cực thuận. Thay vì sử dụng trực tiếp KBPC-3510, bốn điốt SR560 cũng có thể được sử dụng để tạo thành bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng cho phép dòng điện tối đa 1,5 A và phân cực ngược sẽ có khả năng chặn nguồn cung cấp 18V.

Hình 6: Sơ đồ mạch của chỉnh lưu toàn cầu

3. Làm mịn sóng đầu ra Mạch sạc Pin axit-chì 12V

Làm mịn là quá trình lọc tín hiệu DC bằng cách sử dụng một tụ điện. Đầu ra từ bộ chỉnh lưu toàn sóng không phải là điện áp một chiều ổn định. Đầu ra từ bộ chỉnh lưu có tần số gấp đôi nguồn cung cấp chính nhưng vẫn chứa các gợn sóng. Do đó, nó cần được làm mịn bằng cách kết nối một tụ điện song song với đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng. Tụ điện sạc và phóng điện trong một chu kỳ tạo ra điện áp một chiều ổn định làm đầu ra. Vì vậy, một tụ điện (được hiển thị như C1 trong sơ đồ mạch) được kết nối ở đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu đầy đủ.

Một tụ điện gốm (được hiển thị như C2 trong sơ đồ mạch) được kết nối song song với tụ điện này để giảm trở kháng đầu ra tương đương hoặc ESR. Ở đầu ra của mạch sạc, nên có một tụ điện để hấp thụ bất kỳ gợn sóng không mong muốn nào. Nhưng trong mạch này, pin được kết nối ở đầu ra, hoạt động giống như một tụ điện. Vì vậy không cần kết nối bất kỳ tụ điện nào ở đầu ra của mạch sạc.

Hình 7: Sơ đồ mạch làm trơn tụ điện

Tụ điện được sử dụng trong mạch phải có định mức điện áp cao hơn điện áp cung cấp đầu vào. Nếu không, tụ điện sẽ bắt đầu rò rỉ dòng điện do điện áp dư thừa tại các bản của nó và sẽ bùng phát. Cần đảm bảo rằng tụ lọc phải được xả trước khi làm việc với nguồn điện một chiều. Đối với điều này, tụ điện phải có một người vặn vít đeo găng tay cách điện.

Hình 8: Hình ảnh của Tụ làm mịn

4. Quy định điện áp sử dụng LM317

Để thiết kế bộ sạc điện áp không đổi cho ắc quy axit-chì 12V, cần phải có nguồn điện áp không đổi và bộ hạn chế dòng điện. Nguồn điện áp phải cung cấp một điện áp không đổi bằng định mức điện áp lớn nhất của pin. Xem xét dòng điện nạp của pin axit chì, nó phải bằng một nửa hoặc nhỏ hơn định mức dòng điện tối đa của pin. Trong mạch này, IC LM317 được sử dụng làm nguồn điện áp không đổi 14,4 V vì pin 12V được sử dụng trong mạch có điện áp đầu cuối cực đại là 14,4 V. Đối với dòng sạc, một IC LM317 khác được sử dụng làm nguồn dòng điện không đổi. Nguồn dòng này sẽ giới hạn dòng sạc là 1,25A nên pin không bao giờ tạo ra dòng điện lớn hơn giá trị này.

LM317 được sử dụng để điều chỉnh điện áp. LM317 là IC điều chỉnh điện áp dương nguyên khối. Là nguyên khối, tất cả các thành phần được xây dựng trên cùng một chip bán dẫn làm cho vi mạch có kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng ít hơn và giá thành rẻ. IC có ba chân – 1) Chân đầu vào nơi có thể cung cấp tối đa 40 V DC, 2) Chân đầu ra cung cấp điện áp đầu ra trong phạm vi từ 1,25 V đến 37 V và 3) Chân điều chỉnh được sử dụng để thay đổi điện áp đầu ra tương ứng đến điện áp đầu vào được áp dụng. Đối với đầu vào lên đến 40 V, đầu ra có thể thay đổi từ 1,25 V đến 37 V.

Để sử dụng IC làm nguồn điện áp không đổi, mạch phân áp điện trở được sử dụng giữa chân đầu ra và đất. Mạch phân áp có một điện trở lập trình (Rp) và một điện trở khác là điện trở đặt đầu ra (Rs). Bằng cách lấy một tỷ lệ hoàn hảo của điện trở lập trình và điện trở đầu ra, có thể rút ra điện áp đầu ra mong muốn. Điện áp đầu ra của IC Vout được cho bởi phương trình sau:

V out = 1,25 * (1 + (Rs / Rp) (từ biểu dữ liệu của LM317)

Giá trị điển hình của điện trở lập trình (Rp) có thể từ 220E đến 240E cho sự ổn định của mạch điều chỉnh. Trong mạch này, giá trị của Điện trở lập trình (Rp) được lấy 220E. Vì điện áp đầu ra phải là 14,4 V, nên giá trị của điện trở bộ đầu ra (Rs) có thể được xác định như sau:

Điện áp đầu ra mong muốn, Vout = 14,4 V

Điện trở bộ đầu ra, Rp = 220E

Đưa các giá trị của Vout và Rp vào phương trình trên,

14,4 = 1,25 * (1+ (Rs / 220)

Vì vậy, giá trị của điện trở bộ đầu ra là –

Rs = 2.3K (ước chừng)

Hình 9: Sơ đồ mạch của nguồn điện áp không đổi bằng IC LM317

Để thiết kế mạch giới hạn dòng, cần thiết kế nguồn dòng không đổi. Trong mạch một LM317 khác được sử dụng như một nguồn dòng điện không đổi. Đối với điều này, một điện trở (R c ) được kết nối với IC từ đầu ra đến chân điều chỉnh. Một tụ điện gốm (được hiển thị như C3 trong sơ đồ mạch) được kết nối ở đầu ra của IC này để tránh bất kỳ tăng đột biến điện áp và nhiễu không mong muốn.

Ở trạng thái bình thường khi có nhu cầu không đổi về dòng điện ở đầu ra thì 317 sẽ duy trì điện áp 1,25V ở đầu nối điều chỉnh của nó. Do đó, hiệu điện thế trên biến trở R c cũng là 1,25V. Khi nhu cầu hiện tại thay đổi ở đầu ra, nó cũng sẽ thay đổi điện áp rơi trên điện trở Rc nhưng LM317 sẽ điều chỉnh điện áp đầu ra để bù lại mức giảm 1,25V không đổi trên điện trở R c .

Do đó, điện áp trên R c luôn là 1,25V. Do đó một dòng điện không đổi chạy qua điện trở này. Đầu ra dòng điện không đổi của IC có thể được tính theo công thức sau:

I = 1,25 / R c (từ biểu dữ liệu của LM317)

Ở đây tôi là dòng điện không đổi ở đầu ra

Có thể thay đổi giá trị của dòng điện không đổi bằng cách thay đổi giá trị của điện trở R c . Vì LM317 có thể cung cấp dòng điện tối đa là 1,5 A nên giá trị của R c không thể nhỏ hơn 0,83E.

Phải thiết kế mạch sạc cho dòng sạc tối đa là 1,25 A. Vì vậy, bằng cách sử dụng phương trình nêu trên, giá trị của điện trở Rc đối với dòng điện 1,25A có thể được tính như sau:

I = 1,25 / R c

Bằng cách đặt I = 1,25A,

R c = 1E

Trong việc lựa chọn bất kỳ điện trở nào, có hai tham số cần được xem xét – một là điện trở của nó và một là công suất của nó. Công suất phụ thuộc vào dòng điện tối đa chạy qua điện trở. Nếu một điện trở watt thấp được sử dụng thì dòng điện cao sẽ làm nóng điện trở và gây hư hỏng cho nó. Trong mạch này, cường độ dòng điện cực đại chạy từ điện trở Rc là 1,25 A. Vậy công suất của điện trở có thể được tính như sau:

Công suất = (điện áp rơi trên R c ) * (dòng điện cực đại trên R c )

Công suất = 1,25 * 1,25

Công suất = 1,6W (ước chừng)

Do đó, công suất cực đại do biến trở Rc tiêu tán là 1,6W. Đó là lý do tại sao, một điện trở có định mức 2W được sử dụng trong mạch. Trong đoạn mạch này, điện trở Rc được nối với điện trở R1.

Hình 10: Sơ đồ mạch của nguồn dòng không đổi dựa trên IC LM317

Trong mạch này, LM317 sẽ được sử dụng làm bộ giới hạn dòng điện. IC LM317 đầu tiên trong mạch hoạt động như nguồn dòng điện không đổi, cung cấp điện áp đầu vào cho IC LM317 tiếp theo hoạt động như một nguồn điện áp không đổi. Vì vậy dòng ra hoặc dòng sạc được điều khiển bởi IC LM317 đầu tiên. Vì vậy, pin tạo ra dòng điện lên đến 1,25 A. Do đó, nguồn dòng điện không đổi hoạt động như một bộ hạn chế dòng điện trong mạch này.

Hình 11: Sơ đồ mạch của IC LM317 dựa trên Nguồn dòng điện áp không đổi

Ban đầu, nhu cầu hiện tại của pin nhiều hơn kể từ khi pin được xả hết. Do dòng điện cao, IC LM317 bắt đầu nóng lên và IC giảm nhiều hơn trên nó làm giảm điện áp đầu ra. Vì vậy, nên sử dụng tản nhiệt để hỗ trợ làm mát cho vi mạch và tăng hiệu suất của nó. Cùng với tản nhiệt, cũng nên sử dụng bột trét nhiệt để tăng thêm khả năng làm mát cho vi mạch bằng cách trét bột trét lên cả hai mặt của vi mạch. Một quạt làm mát cũng có thể được sử dụng để tản nhiệt có thể thổi bớt nhiệt thừa từ vi mạch. Keo tản nhiệt cũng là một vật dẫn điện nên không bao giờ được ngắn chân IC với tản nhiệt vì có thể làm hỏng IC.

5. Diode bảo vệ

Một diode D1 được sử dụng ở đầu ra để chặn bất kỳ dòng điện ngược nào từ pin khi mạch ở trạng thái tắt. Điều này giúp tiết kiệm IC LM317 khỏi bất kỳ dòng điện trở nào.

Hình 12: Sơ đồ mạch của Diode bảo vệ

Mạch sạc hoạt động như một nguồn có hiệu điện thế không đổi 14,4 V có dòng điện giới hạn là 1,25 A.

Hoạt động của Mạch sạc Pin axit-chì 12V

Pin Axit Chì là một trong những loại pin được sử dụng phổ biến. Loại pin này được sử dụng trong các ứng dụng có nhu cầu hiện tại cao và được ưa chuộng do tỷ lệ công suất trên trọng lượng hợp lý. Những loại pin giá rẻ này rất dễ thiết kế và sản xuất. Những loại pin này có thể được sạc thông qua ba phương pháp sau:

1 . Phương pháp dòng điện không đổi trong Mạch sạc Pin axit-chì 12V: – Trong kiểu sạc này, một dòng điện không đổi được cung cấp cho pin bằng cách điều chỉnh điện áp. Phương pháp này yêu cầu một mạch cảm biến điện áp thông minh để nó cảm nhận điện áp và dừng sạc pin khi điện áp pin đạt đến điện áp định mức tối đa.

2. Phương pháp điện áp không đổi trong Mạch sạc Pin axit-chì 12V : – Trong phương pháp này, một điện áp không đổi được cung cấp cho acquy bằng cách hạn chế dòng nạp của acquy. Khi pin được sạc đầy thì dòng điện sẽ rất ít (khoảng 1-3% đánh giá dòng điện của pin), điều này cho thấy rằng pin đã được sạc đầy.

3. Phương pháp dòng điện không đổi – Phương pháp điện áp không đổi  : – Đây là phương pháp kết hợp cả hai phương pháp trên. Ban đầu, người ta cung cấp một dòng điện không đổi cho đến khi ắc quy đạt hiệu điện thế định mức lớn nhất. Sau đó, dòng sạc giảm và mạch sạc chuyển sang chế độ điện áp không đổi. Ở chế độ này, mạch sạc chỉ cung cấp dòng điện cần thiết để duy trì điện áp tối đa của pin.

Kết quả là, dòng điện bắt đầu giảm dần khi thời gian trôi qua và đạt đến giá trị bão hòa. Do đó, loại mạch sạc này yêu cầu một số mạch điện thông minh có thể giám sát dòng điện sạc cũng như điện áp đầu cuối của pin. Vì vậy, mạch điện thông minh này có thể chuyển mạch sạc từ chế độ dòng điện không đổi sang chế độ điện áp không đổi. Khi dòng điện sạc bằng khoảng 1 đến 3% dòng điện định mức của pin, thì mạch điện sẽ ngừng sạc bằng cách cảm nhận dòng điện.

Các phương pháp tính phí này có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp điện áp không đổi là một phương pháp sạc rẻ và hiệu quả trong khi phương pháp điện áp không đổi dòng điện không đổi là phương pháp hiệu quả nhất nhưng yêu cầu mạch phức tạp một chút và phát sinh thêm chi phí. So sánh giữa các phương pháp tính phí này được tóm tắt trong bảng sau:

Hình 13: Bảng liệt kê ưu và nhược điểm của sạc điện áp không đổi, điện áp không đổi và dòng điện không đổi

Xem xét so sánh các phương pháp sạc, bộ sạc điện áp không đổi là lựa chọn hợp lý nhất giúp sạc nhanh mà không cần mạch điện phức tạp. Trong mạch này, một bộ sạc liên tục điện áp liên tục hiện nay được thiết kế sử dụng LM317 IC như là nguồn điện áp không đổi cũng như hiện tại giới hạn hằng số nguồn hiện tại.

Thử nghiệm Mạch sạc Pin axit-chì 12V

Sau khi mạch được lắp ráp, điện áp đầu ra và dòng điện của nó phải được đo để kiểm tra hiệu suất và độ ổn định của mạch. Các quan sát sau đây được thực hiện trong quá trình thử nghiệm mạch:

Điện áp đặt đầu ra thực tế, Vout = 14,37 V (khi pin không được kết nối với đầu ra)

Để kiểm tra mạch sạc, pin axit chì 12V / 6A được sử dụng để sạc. Ban đầu, điện áp của pin là 13 V và sau khi sạc khoảng 7 đến 8 giờ, pin được sạc đến 13,5 V. Các quan sát sau đây đã được ghi nhận trong quá trình sạc pin:

Hình 14: Bảng liệt kê các ký tự đầu ra của bộ sạc pin chì-axit điện áp không đổi

Từ những nhận xét trên, rõ ràng là điện áp đặt đầu ra nhỏ hơn 14,37 V. Sự sụt giảm điện áp này là do sự sụt giảm điện áp trên diode D1 được mắc nối tiếp ở đầu ra. Khi dòng điện chạy qua diode D1 giảm, diode sẽ giảm điện áp xuống trên nó, có thể thấy từ bảng trên. Điện áp giảm tối thiểu trên diode D1 (SR560) là 0,15 V theo biểu dữ liệu, do đó, điện áp đặt đầu ra có thể tăng lên đến 14,25 V khi dòng điện do pin rút ra không đáng kể (dưới 60 mA)

Trong thời gian sạc pin khoảng 7 đến 8 giờ, trong 1 và 2 giờ sạc cuối cùng, pin được sạc từ dòng điện không đổi khoảng 67 mA, tức là khoảng. 1% định mức dòng điện tối đa của pin (6 A). Khi dòng điện của pin giảm xuống dưới 67 mA thì pin đã được sạc đầy.

Hình 15: Nguyên mẫu của bộ sạc dòng điện giới hạn điện áp không đổi 12V ắc quy axit chì được thiết kế cho UPS

Mạch sạc này chỉ có thể sạc acquy axit chì 12V với dòng điện lớn hơn hoặc bằng 2000 mA. Mạch có những ưu điểm sau:

• Dòng  sạc có thể điều chỉnh – 

Mạch sạc này cung cấp dòng sạc tối đa là 1,25 A nhưng dòng sạc có thể được điều chỉnh từ 10mA đến 1500 mA bằng cách thay đổi giá trị của điện trở R1 (như được giải thích khi sử dụng LM317 làm nguồn dòng không đổi)

• Điện  áp đặt đầu ra có thể điều chỉnh-

Điện áp đặt đầu ra của mạch sạc này là 14,4 V và nó có thể thay đổi từ 1,25V đến 37V bằng cách thay đổi giá trị của điện trở R3 (như được giải thích khi sử dụng LM317 làm nguồn điện áp không đổi)

Đây là mạch sạc cơ bản chỉ sử dụng hai IC LM317. Mạch này chỉ nên được sử dụng để sạc pin axit chì có dòng điện từ 2000 mA trở lên. Cần chú ý rằng không được để đầu ra bị đoản mạch vì nó sẽ làm ngắn các cực của pin dẫn đến nổ pin và gây ra tai nạn cháy nổ. Có thể có các kết nối lỏng lẻo dẫn đến không có điện áp hoặc điện áp đột ngột ở đầu ra. Mạch đã được lắp ráp trên một breadboard thủ công tương tự như bất kỳ breadboard thông thường nào nhưng được thiết kế cho các ứng dụng công suất cao.

Sơ đồ Mạch sạc Pin axit-chì 12V