ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
KHOA TỰ ĐỘNG HÓA


ĐỒ ÁN I
ĐỀ TÀI: MẠCH SẠC VÀ
CÁC HỆ THỐNG SẠC THƠNG MINH
Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Trần Hồi Linh

Sinh viên thực hiện:

Phạm Đăng Thái

MSSV:

20200581

Lớp:

KT ĐK&TĐH 09 – K65

HÀ NỘI, 7/2023


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... 1
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN LI-ION ................................................... 4

1.1. Khái niệm pin Li-ion ....................................................................................... 4
1.2. Cấu tạo pin Li-ion ........................................................................................... 4
1.2.1. Điện cực dương (Cathode) .................................................................... 5
1.2.2. Điện cực âm (Anode) ............................................................................ 5
1.2.3. Bộ phân tách (Separator) ....................................................................... 5
1.2.4. Chất điện phân (Electrolyte).................................................................. 5
1.3. Nguyên lý hoạt động của pin .......................................................................... 5
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ SẠC PIN LI-ION ................................................. 7
2.1. Phương pháp sạc CCCV là gì? ........................................................................ 7
2.2. Nhiệt độ hoạt động .......................................................................................... 9
2.3. Sạc pin nhiều cell ............................................................................................ 9
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN LI-ION ...................................... 11
3.1. Sơ đồ khối của mạch sạc pin Li-ion .............................................................. 11
3.1.1. Máy biến áp ......................................................................................... 11
3.1.2. Mạch chỉnh lưu .................................................................................... 12
3.1.3. Mạch lọc nguồn ................................................................................... 14
3.1.4. Mạch hiển thị trạng thái kết nối của pin .............................................. 15
3.1.5. Mạch ổn áp sử dụng LM317, BC547 .................................................. 16
3.2. Lựa chọn linh kiện ........................................................................................ 20
3.3. Sơ đồ mạch .................................................................................................... 21
CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH VÀ KẾT LUẬN ....................................................... 22
4.1. Mơ hình mạch thật ........................................................................................ 22
4.2. Kết luận ......................................................................................................... 22
4.2.1. Kết quả nghiên cứu .............................................................................. 22
4.2.2. Nhận xét kết quả thực nghiệm ............................................................. 23
4.2.3. Hướng phát triển và cải tiến ................................................................ 23
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 24


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo pin Li-ion [1] ............................................................................ 5
Hình 2.1: 4 giai đoạn cơ bản của cơ chế sạc CCCV [2] ....................................... 7
Hình 2.2: Đồ thị mơ tả quá trình phục hồi điện áp hở mạch [3] ........................... 8
Hình 2.3: Đồ thị mơ tả mối quan hệ giữa vòng đời của pin với nhiệt độ và dòng
sạc [4] ..................................................................................................................... 9
Hình 2.4: (a) Sạc pin nhiều cell mắc nối tiếp, (b) Sạc pin nhiều cell sử dụng hệ
thống giám sát và cân bằng pin để điều chỉnh hướng đi của dịng sạc [5] ......... 10
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch sạc pin Li-ion ........................................................... 11
Hình 3.2: Ký hiệu và hình dạng máy biến áp....................................................... 11
Hình 3.3: Dạng sóng điện áp sau khi đi qua máy biến áp ................................... 12
Hình 3.4: Phân loại mạch chỉnh lưu .................................................................... 12
Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng 4 diode......................................... 13
Hình 3.6: Dạng sóng điện áp trước (trên) và sau (dưới) chỉnh lưu .................... 13
Hình 3.7: Sơ đồ mạch lọc nguồn đơn giản .......................................................... 14
Hình 3.8: Dạng sóng điện áp trước và sau khi có tụ lọc ..................................... 14
Hình 3.9: Transistor BC557 [6] ........................................................................... 15
Hình 3.10: Sơ đồ mạch hiển thị trạng thái kết nối của pin .................................. 16
Hình 3.11: IC ổn áp LM317 [7] ........................................................................... 16
Hình 3.12: Sơ đồ cấu tạo IC ổn áp LM317 [7] .................................................... 17
Hình 3.13: Mạch điều chỉnh điện áp dùng LM317 [7] ........................................ 18
Hình 3.14: Transistor BC547 [8] ......................................................................... 19
Hình 3.15: Mạch ổn dịng, ổn áp dùng LM317 và BC547 [7] ............................. 19
Hình 3.16: Sơ đồ mạch sạc pin sử dụng LM317 .................................................. 21
Hình 4.1: Mơ hình mạch sạc pin Li-ion sử dụng IC LM317................................ 22

1


LỜI MỞ ĐẦU
Các thiết bị chạy bằng pin đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc

sống hiện đại. Trong các thiết bị này, để tránh phải thay pin thường xuyên và tiết
kiệm chi phí, các loại pin sạc đã được phát triển và dần thay thế các loại pin dùng
một lần. Do đó, các bộ sạc pin cũng đóng một vai trị quan trọng trong việc quản
lý năng lượng của các thiết bị trên.
Với mong muốn khám phá, tìm hiểu về lĩnh vực quản lý năng lượng và cụ
thể hơn là sạc pin, đồ án này đã trình bày về đề tài “Mạch sạc và các hệ thống sạc
thông minh”. Bên cạnh việc thiết kế mạch sạc pin, đề tài còn đưa ra những hiểu
biết cơ bản về pin Li-ion và các nguyên lý sạc pin phổ biến hiện nay.
Mục đích của đề tài: Thiết kế mạch sạc pin Li-ion theo phương pháp sạc
dịng điện khơng đổi điện áp không đổi (CCCV) sử dụng IC ổn áp LM317.
Đối tượng nghiên cứu
• Pin Li-ion.
• Nguyên lý sạc CCCV.
• IC ổn áp LM317.
Phạm vi nghiên cứu: Mạch sạc ứng dụng cho pin Li-ion 18650 sử dụng IC
ổn áp LM317.
Phương pháp nghiên cứu
• Tìm hiểu đặc tính của pin Li-ion và ngun lý sạc CCCV.
• Tìm hiểu về IC ổn áp LM317 ứng dụng trong sạc pin từ đó đưa ra sơ đồ
nguyên lý mạch sạc.
• Sử dụng các kiến thức cơ bản về lý thuyết mạch, điện tử công suất để
tính tốn các thơng số cần thiết.
• Sử dụng phần mềm Proteus và PSIM làm công cụ để mô phỏng kiểm
chứng kết quả.
• Lắp ráp các linh kiện để tạo ra mạch thật và so sánh với kết quả mô
phỏng để đưa ra nhận xét.
Ý nghĩa của đề tài: Đưa ra cấu tạo bộ sạc pin 18650 đơn giản, an tồn,
khơng ảnh hướng nhiều đến tuổi thọ pin.
Nội dung đề tài được trình bày trong 4 chương:
•

•
•
•

Chương 1: Tổng quan về pin Li-ion.
Chương 2: Nguyên lý sạc pin Li-ion.
Chương 3: Thiết kế mạch sạc pin Li-ion.
Chương 4: Mơ hình và kết luận.

2


Trong quá trình nghiên cứu đề tài, bản thân em đã cố gắng trau dồi học hỏi
để cải thiện kiến thức và kỹ năng, tuy nhiên do kinh nghiệm còn chưa nhiều nên
khó tránh khỏi sai sót. Vậy em rất mong nhận được những lời đánh giá, góp ý của
thầy để nghiên cứu được hoàn thiện hơn.
Qua đây em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Trần Hoài Linh đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo trong quá trình em thực hiện đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … 2023
Sinh viên thực hiện

Phạm Đăng Thái

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN LI-ION

1.1. Khái niệm pin Li-ion

Pin Lithium, hay còn gọi là pin Li-on, hoặc pin Lithi-on, viết tắt là LIB,
thuộc loại pin sạc, là một tổ hợp bao gồm nhiều tế bào. Pin sử dụng kim loại
Lithium hoặc hợp kim Lithium làm vật liệu điện cực âm và sử dụng dung dịch điện
giải khơng dính.
Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, hiện
tại dạy cho Đại học Binghamton, nghiên cứu ra khi ông làm việc cho Exxon vào
những năm 1970. Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfide và kim loại lithi làm
điện cực. Qua q trình thí nghiệm, pin có điện cực lithium kim loại đã cho thấy
các vấn đề về an tồn, lithium là một chất phản ứng mạnh, nó cháy trong điều kiện
khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong khơng khí. Do vậy việc nghiên cứu
đã chuyển qua phát triển pin không sử dụng kim loại lithi, mà sử dụng các hợp chất
hóa học của lithium, với khả năng chấp nhận và giải phóng các ion lithium.
Pin Lithium có thể được chia thành hai loại: pin Lithium kim loại và pin
Lithium-Ion (pin Li-ion). Pin Lithium-Ion không chứa Lithium kim loại và có thể
sạc lại được.
Pin có 4 hình dạng là: Hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình phẳng (dạng túi) và
hình lăng trụ với các loại pin lithium-ion là:
• Lithium-Cobalt Oxide (LiCoO2): dùng cho các thiết bị cầm tay như điện
thoại di động, laptop).
• Lithium-Titanate (Li4Ti5O12): dùng cho một vài mục đích đặc biệt.
• Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2): dùng trong xe
điện.
• Lithium-Iron Phosphate (LiFePO4), Lithium-Mangan Oxit (LiMn2O4,
Li2MnO3) và Lithium-Mangan Oxit (LiMn2O4, Li2MnO3): dùng trong
các thiết bị điện y tế.
1.2. Cấu tạo pin Li-ion
Cấu tạo pin Li-ion bao gồm: điện cực dương, điện cực âm, bộ phân tách,
chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.

4



Hình 1.1: Cấu tạo pin Li-ion [1]

1.2.1. Điện cực dương (Cathode)
Điện cực dương thường được làm từ LiCoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử
bao gồm phân tử Oxide Coban (hoặc Oxide Mangan) liên kết với ngun tử
Lithium. Khi có dịng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi
điện cực tạo thành ion dương Lithium, Li+.
1.2.2. Điện cực âm (Anode)
Điện cực âm được cấu tạo từ graphite và một số vật liệu cacbon khác có cấu
trúc cho phép ion Li+ xen ké vào giữa các lớp trong mạng cacbon.
1.2.3. Bộ phân tách (Separator)
Bộ phân tách thường được làm từ nhựa PE hoặc PP, đóng vai trị như một
hàng rào vật lý ngăn cách cực âm và cực dương của pin nhưng vẫn có những lỗ
nhỏ cho phép ion Li+ đi qua.
1.2.4. Chất điện phân (Electrolyte)
Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn của pin, đóng
vai trị như mơi trường truyền ion Li+ giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả
pin. Dung dịch điện phân dùng trong pin Li-ion chứa muối lithi, như LiPF6,
LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat,
và dietyl cacbonat.
1.3. Nguyên lý hoạt động của pin
Trong cơ chế hoạt động pin lithium ion, cực âm, cực dương đóng vai trị là
ngun liệu trong phản ứng điện hóa. Dung dịch điện phân tạo mơi trường dẫn cho
ion Lithi di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương. Dịng điện chạy ở mạch ngồi
khi pin hoạt động. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả.
5



Khi xả, ion Lithi mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite)
qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion Lithi.
Để đảm bảo cân bằng điện tích, với mỗi ion Lithi dịch chuyển từ cực âm sang cực
dương trong pin thì ở mạch ngồi, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm
sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Khi sạc, quá trình diễn ra ngược lại quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron
bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (giờ trở thành cực âm), ion Lithi tách khỏi
cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trị cực
dương). Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều, do vậy tên gọi các cực của pin
không chỉ dựa trên cấu tạo mà còn dựa trên trạng thái sạc/xả.
Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử Lithi ở cực dương bị ion
hóa và tách khỏi các điện cực của chúng. Các ion Lithi di chuyển từ cực dương và
đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây chúng tái kết
hợp với các điện tử và trung hòa về điện.
Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được
viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
LiCoO2 ⇋ CoO2 + Li+ + e−

(1.1)

Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều
thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
C6 + Li+ + e− ⇋ LiC6

(1.2)

Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
C6 + LiCoO2 ⇋ LiC6 + CoO2

(1.3)


Như vậy khi sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxy hóa thành Co4+,
và ngược lại khi xả.
Về cơ bản các phản ứng ln có giới hạn. Nếu như xả q mức (nhét thừa
ion lithi) một lithi coban oxide đã bão hịa sẽ dẫn đến hình thành lithi oxide, theo
phản ứng một chiều sau:
LiCoO2 + Li+ + e− → Li2 O + CoO

(1.4)

Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV
oxide, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ
tia X.
LiCoO2 → Li+ + e− + CoO2

6

(1.5)


CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ SẠC PIN LI-ION
Theo sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật trong vài thập niên vừa
qua, các loại bộ sạc cho pin Li-ion ngày càng đa dạng về ngun lý như: sạc dịng
điện khơng đổi nhiều giai đoạn (Multi-step Constant Current), sạc xung (Pulse
Charging), sạc dịng điện khơng đổi – điện áp khơng đổi,… và mang lại nhiều đột
phá trên các khía cạnh khác nhau như rút ngắn thời gian sạc, tăng tuổi thọ pin,
giảm chi phí chế tạo,… Đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu về một trong những
phương pháp sạc phổ biến nhất hiện nay: Phương pháp Dịng điện khơng đổi –
Điện áp không đổi (CCCV).
2.1. Phương pháp sạc CCCV là gì?

Phương pháp sạc Dịng điện khơng đổi – Điện áp không đổi (Constant
Current Constant Voltage - CCCV) là một trong những phương pháp sạc pin Liion phổ biến nhất hiện nay, phương pháp sạc này bao gồm bốn giai đoạn chính như
trên Hình 2.1.

Hình 2.1: 4 giai đoạn cơ bản của cơ chế sạc CCCV [2]

Giai đoạn đầu tiên là sạc nhỏ giọt (Trickle Charge – TC), chỉ diễn ra khi pin
xả quá mức, tức là khi điện áp pin nhỏ hơn 3.0V. Sạc nhỏ giọt cịn có thể được áp
dụng để xác định xem pin còn hoạt động tốt hay đã hư hỏng. Dòng điện sạc trong
giai đoạn này (𝐼𝑡𝑐 ) được duy trì ở mức khơng đổi bằng khoảng 1/10 dòng sạc đầy
pin để tránh nhiệt độ pin quá cao. Sau khi xác định rằng pin vẫn hoạt động bình
thường và tăng điện áp pin lên mức 3.0V, quá trình sạc sẽ chuyển sang giai đoạn
tiếp theo.
Giai đoạn thứ hai là sạc dịng điện khơng đổi (Constant Current – CC).
Trong giai đoạn này, dòng điện sạc được giữ khơng đổi (thường có giá trị bằng
7


C/2-C với C là dung lượng [Ah] của ắc quy), cho đến khi điện áp đạt tới điện áp
ngưỡng tối đa (khoảng 4.2 V), lúc này, dung lượng pin đã đạt khoảng 70%. Để pin
đầy, việc tiếp tục sạc bằng chế độ CC sẽ làm điện áp pin vượt quá điện áp cực đại
định mức, dẫn tới nhiệt độ pin tăng quá cao, làm hỏng cấu trúc các chất hóa học
cấu tạo nên thành phần cua pin (như đã thảo luận trong mục 1.3). Do đó, giai đoạn
CC phải dừng lại để chuyển sang giai đoạn tiếp theo.
Giai đoạn thứ ba là sạc điện áp không đổi (Constant Voltage – CV). Trong
giai đoạn này, bộ sạc sẽ đặt lên pin một điện áp không đổi (bằng với giá trị điện áp
cực đại định mức của pin). Đồng thời, dòng điện sạc sẽ giảm dần đến ngưỡng nhất
định 𝐼𝑒𝑜𝑐 – thường là khoảng 2% dòng sạc tối đa.
Giai đoạn thứ tư là kết thúc sạc (End of Charge – EOC). Sau khi dòng điện
sạc trong giai đoạn CV đạt giá trị 𝐼𝑒𝑜𝑐 , bộ sạc sẽ ngừng cấp điện cho pin. Lúc này

dung lượng pin đã đạt mức tối đa và điện áp pin ổn định tại giá trị 4.2V.
Sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của pin sẽ giảm dần về mức ổn định
3.6 – 3.9V. Hiện tượng này còn gọi là phục hồi điện áp hở mạch (Open Circuit
Voltage Relaxation – VR), được mơ tả như trên Hình 2.2. Đây là một q trình
điện hóa diễn ra trong cấu tạo của pin xảy ra sau khi dòng điện chạy qua pin bị
gián đoạn, dẫn tới hiện tượng giảm điện áp do nội trở pin (Internal Resistance –
IR) không có dịng điện đi qua. Điện áp pin lúc này giảm xuống mức điện áp hở
mạch ổn định (Steady State Open Circuit Voltage – SS OCV). Quá trình này xả ra
do có một lượng ion Lithi đi khỏi điện cực dương làm giảm mức năng lượng của
pin. Mà điện áp pin lại được xác định bởi nồng độ các ion Lithi trên bề mặt của
điện cực nên hiện tượng các ion Lithi phân tán theo thời gian sẽ làm giảm dần điện
áp ở các cực của pin.

Hình 2.2: Đồ thị mơ tả q trình phục hồi điện áp hở mạch [3]

8


Nhờ khả năng kiểm sốt chính xác mức dịng điện sạc và điện áp sạc nên
phương pháp sạc CCCV đã trở thành lựa chọn hàng đầu đối cho các loại pin nhạy
cảm với điện áp và dòng điện như pin Li-ion.
2.2. Nhiệt độ hoạt động
Pin Lithium là một loại pin nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ tăng lên quá
cao sẽ làm đặc tính lý, hóa của pin bị thay đổi, từ đó làm giảm tuổi thọ của pin và
có thể gây mất an tồn khi sạc.

Hình 2.3: Đồ thị mơ tả mối quan hệ giữa vịng đời của pin với nhiệt độ và dòng sạc [4]

Qua những nghiên cứu về việc thay đổi cường độ dòng điện sạc, các nhà
khoa học nhận ra rằng, dòng sạc cao hơn sẽ mang lại tốc độ sạc nhanh hơn nhưng

cũng đồng thời làm giảm tuổi thọ pin nhiều hơn. Hiện tượng này thể hiện rõ ràng
qua Hình 2.3. Khi nhiệt độ tăng lên trên 45oC pin sẽ bị chai nhanh chóng. Nhưng
khi sạc ở nhiệt độ quá thấp, điện trở trong của pin lại tăng, làm giảm tốc độ và tăng
thời gian sạc.
2.3. Sạc pin nhiều cell
Nhiều thiết bị đòi hỏi mức điện áp cao hơn 1 viên pin có thể cung cấp, trong
trường hợp này, việc sử dụng một tổ hợp nhiều cell pin mắc nối tiếp là cần thiết,
với mỗi cell pin là một viên pin thông thường. Tuy nhiên, quá trình sạc cho bộ pin
nhiều cell mắc nối tiếp phức tạp hơn khá nhiều so với việc chỉ sạc riêng một cell
pin. Nguyên nhân của hiện tượng này được thể hiện trong Hình 2.4 (a), trong đó
các pin được mắc nối tiếp và đang sạc tại chế độ CC. Theo sự thay đổi của thời
gian sạc, mỗi cell pin có phản ứng khác nhau với dịng điện sạc, do đó, thời gian
các pin được sạc đầy cũng khác nhau. Khi một pin được sạc đầy mà không ngắt ra
khỏi mạch, nhiệt độ pin sẽ tăng cao gây hư hỏng, nhưng nếu ngắt mạch sạc thì bộ
pin nhiều cell này sẽ không được sạc đầy. Để giải quyết vấn đề này, cần có một hệ
thống giám sát và cân bằng các cell pin như Hình 2.4 (b). Trong bộ sạc này, điện
áp của từng cell pin được giám sát độc lập, và khi một cell bất kỳ sạc đầy, dòng
điện sẽ được dẫn đi vịng qua nó bằng cách sử dụng một bộ điều hướng dòng điện
9


cấu tạo từ điện trở và transistor. Bằng phương pháp này, q trình sạc có thể tiếp
tục đến khi tất cả cell pin được sạc đầy mà không làm tổn hại chúng.

Hình 2.4: (a) Sạc pin nhiều cell mắc nối tiếp, (b) Sạc pin nhiều cell sử dụng hệ thống giám sát và cân
bằng pin để điều chỉnh hướng đi của dòng sạc [5]

10



CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN LI-ION

3.1. Sơ đồ khối của mạch sạc pin Li-ion
Mạch sạc pin được nghiên cứu trong đồ án này sử dụng phương pháp sạc
CCCV và có sơ đồ khối như Hình 3.1 dưới đây.

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch sạc pin Li-ion

3.1.1. Máy biến áp

Hình 3.2: Ký hiệu và hình dạng máy biến áp

Máy biến áp hay máy biến thế (Transformer) là thiết bị điện từ tĩnh, làm
việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống điện áp, với
tần số không đổi.
Cấu tạo chung của mọi máy biến áp gồm 3 thành phần chính: Lõi thép, dây
quấn và vỏ máy.
• Lõi thép dùng để dẫn từ thơng, được chế tạo từ các vật liệu dẫn từ
tốt.
• Dây quấn có hai loại: Dây quấn nhận năng lượng từ lưới gọi là dây
quấn sơ cấp. Dây quấn cung cấp năng lượng cho phụ tải gọi là dây
quấn thứ cấp.
Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên hai hiện tượng vật lý:
•

Dịng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường.
• Sự biến thiên từ thơng trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng
(hiện tượng cảm ứng điện từ).
11



Cơng thức liên hệ giữa số vịng dây, điện áp, dòng điện của máy biến áp:
𝑈𝑃 𝑁𝑃 𝐼𝑆
=
=
𝑈𝑆 𝑁𝑆 𝐼𝑃

(3.1)

trong đó:
• 𝑈𝑃 , 𝐼𝑃 : là điện áp và dịng điện vào cuộn sơ cấp.
• 𝑈𝑆 , 𝐼𝑆 : là điện áp và dịng điện ra ở cuộn thứ cấp.
• 𝑁𝑃 , 𝑁𝑆 : là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
Trong nghiên cứu này, khả năng chịu tải điện áp và dòng điện và điện áp
của pin và các linh kiện điện tử có hạn nên cần sử dụng một máy biến áp hạ áp,
giảm điện áp từ 220VAC xuống cịn 15VAC.

Hình 3.3: Dạng sóng điện áp sau khi đi qua máy biến áp

3.1.2. Mạch chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu (Rectifier) là một mạch điện điện tử sử dụng các van bán
dẫn để biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Dựa
vào số pha, sơ đồ van, có điều khiển hay khơng điều khiển mà mạch chỉnh lưu có
thể phân loại như Hình 3.5.

Hình 3.4: Phân loại mạch chỉnh lưu

Với yêu cầu thiết kế mạch sạc pin, không cần thiết sử dụng các loại chỉnh
lưu có điều khiển nên trong nghiên cứu này, chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng diode
được lựa chọn làm phần chỉnh lưu cho mạch.


12


Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng 4 diode

Sơ đồ phần mạch chỉnh lưu được bố trí như Hình 3.5. Trong nửa chu kỳ
dương của điện áp đầu vào AC, D1 và D2 phân cực thuận, D3 và D4 phân cực
ngược. Khi điện áp vào tăng đến điện áp ngưỡng của D1 và D2, dòng điện sẽ đi
theo đường màu đỏ từ nguồn qua tải và trở về theo đường màu xanh như Hình 3.5
(a). Trong nửa chu kỳ âm của điện áp đầu vào AC, D3 và D4 phân cực thuận, D1
và D2 phân cực ngược. Dòng điện sẽ đi theo đường màu đỏ từ nguồn qua tải và
trở về theo đường màu xanh như Hình 3.5 (b).
Dạng sóng điện áp trước và sau khi chỉnh lưu được mơ tả trong đồ thị Hình
3.6 dưới đây.

Hình 3.6: Dạng sóng điện áp trước (trên) và sau (dưới) chỉnh lưu

13


3.1.3. Mạch lọc nguồn
Mạch lọc nguồn (Capacitance Multiplier) là một loại mạch điện tử được
thiết kế để loại bỏ nhiễu và biến động điện áp không mong muốn trong nguồn điện,
giúp san bằng độ gợn sóng của điện áp. Mạch lọc nguồn thường được áp dụng sau
giai đoạn chỉnh lưu và trước giai đoạn ổn áp của các thiết bị điện.
Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu mặc dù đã trở thành điện áp một chiều
nhưng vẫn không phù hợp để cấp cho các thiết bị điện do không ổn định và nhấp
nhơ theo dạng sóng. Do đó, trong cấu tạo của những thiết bị này cần có bộ phận
làm điện áp cung cấp mượt và ổn định hơn, bộ phận này gọi là mạch lọc nguồn.

Hình 3.7 trình bày dạng đơn giản nhất của mạch lọc nguồn tạo từ một tụ hóa (một
loại tụ phân cực).

Hình 3.7: Sơ đồ mạch lọc nguồn đơn giản

Trong nửa chu kỳ đầu khi điện áp được cấp từ mạch chỉnh lưu đang tăng,
tụ điện sẽ được nạp điện. Trong nửa chu kỳ sau, khi điện áp giảm, tụ điện sẽ phóng
điện. Lúc này tụ đóng vai trị như một nguồn cấp thứ hai mắc song song với nguồn
ban đầu và cấp điện cho tải, khoảng trống giữa 2 gợn sóng điện áp liên tiếp. Q
trình này được mơ tả trong Hình 3.8.

Hình 3.8: Dạng sóng điện áp trước và sau khi có tụ lọc

Tụ điện trong mạch lọc hoạt động như một bình chứa, tích trữ điện năng khi
dư thừa và phóng điện cung cấp cho tải khi thiếu, nên chúng cũng có tên gọi khác
là tụ điện dự trữ.
Để có được giá trị điện áp ra đẹp và ổn định, nên sử dụng hai tụ mắc song
song với giá trị từ vài trăm đến vài ngàn µF. Mạch sạc được thiết kế trong nghiên
14


cứu này sử dụng một tụ hóa với giá trị 470µF mắc song song với một tụ gốm có
giá trị 100nF.
3.1.4. Mạch hiển thị trạng thái kết nối của pin
Để thuận tiện cho việc theo dõi quá trình sạc, một mạch điện tử dùng để xác
định xem pin đã được kết nối chưa đã được tích hợp thêm vào bộ sạc. Mạch này
dựa trên nguyên lý hoạt động của transistor BC557 để làm sáng đèn LED nếu mạch
đang ở trạng thái sạc. Khi đầu ra không được kết nối với pin, đèn sẽ tắt.

Hình 3.9: Transistor BC557 [6]


BC557 là transistor lưỡng cực PNP, do đó collector và emitter sẽ đóng
(Phân cực thuận) khi chân base được nối đất và sẽ mở (Phân cực ngược) khi có tín
hiệu cấp vào chân Base. Nó thường được sử dụng như một bộ khuếch đại hoặc làm
cơng tắc đóng cắt trong các mạch điện tử.
Khi transistor được phân cực hồn tồn thì cho phép dòng tối đa 100mA
chạy qua chân collector và emitter. Giai đoạn hoạt động này gọi là Vùng bão hòa
(Saturation Region) và điện áp cho phép trên Collector-Emitter (𝑉𝐶𝐸 ) và BaseEmitter (𝑉𝐵𝐸 ) tương ứng là 200mV và 900 mV. Khi dịng điện base bị ngắt,
transistor sẽ tắt hồn tồn, giai đoạn này gọi là Vùng cắt (Cut-off Region) và điện
áp Base-Emitter (𝑉𝐵𝐸 ) có thể vào khoảng 660 mV.
Để phân cực transistor, cần cấp dòng điện vào chân base và dòng điện 𝐼𝐵
nên được giới hạn ở 5mA. Khi dịng điện lớn hơn 5mA transistor sẽ hỏng, do đó
cần một điện trở mắc nối tiếp với chân base giá trị điện trở được tính bằng cơng
thức dưới đây:
𝑅𝐵 =

𝑉𝐵𝐸
𝐼𝐵

15

(3.2)


Trong đó giá trị của 𝑉𝐵𝐸 phải là 5V đối với BC557 và 𝐼𝐵 khơng vượt q
5mA, vậy ta có thể tính được giá trị 𝑅𝐵 như sau:
𝑅𝐵 =

5
= 1000 (Ω)

5 × 10−3

(3.3)

Mạch hiển thị trạng thái kết nối của pin sử dụng transistor được bố trí như
Hình 3.10 dưới đây. Trong mạch có thêm một đèn LED, khi pin chưa được nối vào
mạch, dòng điện sẽ đi qua diode. Khi pin được kết nối, dòng điện qua điện trở R2
và cấp điện cho chân Base của transistor, làm chân Collector và Emitter mở, cho
dịng đi qua làm LED sáng.

Hình 3.10: Sơ đồ mạch hiển thị trạng thái kết nối của pin

3.1.5. Mạch ổn áp sử dụng LM317, BC547
a. IC ổn áp LM317

Hình 3.11: IC ổn áp LM317 [7]

16


Sau khi điện áp được chỉnh lưu qua bộ chỉnh lưu cầu và lọc qua tụ lọc, mặc
dù hiện tại đã khá bằng phẳng nhưng khi nguồn đầu vào thay đổi do các yếu tố môi
trường, do nhiễu… mức điện áp này vẫn có thể biến thiên, từ đó dễ làm hư hỏng
các thiết bị điện. Để giải quyết hiện tượng trên, biện pháp thường thấy nhất là thêm
một mạch ổn áp với chức năng giữ điện áp đầu ra ổn định kể cả khi điện áp đầu
vào thay đổi. Mạch ổn áp trong nghiên cứu này sẽ sử dụng IC LM317.

Hình 3.12: Sơ đồ cấu tạo IC ổn áp LM317 [7]

LM317 là IC ổn áp có 3 chân với cấu tạo như Hình 3.12 với các thành phần

chính sau:
• Cặp Transistor Darlington NPN (khối số 1): được cấu tạo bởi 2
transistor bằng cách cho chân E của transistor thứ nhất kết nối với
chân B của transistor thứ 2. Cách mắc này giúp cho khả năng khuếch
đại dòng điện tốt hơn. Để đảm bảo dòng điện lớn nhất đi qua IC mà
không làm nhiệt độ tăng quá cao, nên duy trì mức chênh lệch điện
áp giữa đầu vào và đầu ra (𝑉𝐼 − 𝑉𝑂 ) lớn hơn 3V.
• Khối quá tải (khối số 2): có chức năng ngắt mạch để bảo vệ IC khi
bị q dịng hoặc q nhiệt.
• Khối điều chỉnh điện áp/dòng điện đầu ra (khối số 3): sử dụng
khuếch đại thuật toán với điện áp bù đầu vào 1.25V (tạo ra bằng
diode zener), cung cấp khả năng điều chinh dòng điện hoặc điện áp
đầu ra của mạch.
Đây là một IC ổn áp tuyến tính khá phổ biến trong những thiết bị điện tử
với ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp đầu ra. Khi sử dụng IC này cần phải chú
17


ý điện áp vào là 𝑉𝑖𝑛 < 40𝑉 và dòng tải tiêu thụ tối đa là 1.5A. Nếu muốn thay đổi
điện áp đầu ra thì cần mắc thêm các điện trở ngồi tạo thành bộ phân điện áp như
Hình 3.13.

Hình 3.13: Mạch điều chỉnh điện áp dùng LM317 [7]

Vì IC LM317 có khả năng duy trì điện áp giữa chân OUTPUT và chân
ADJUST là 1.25V nên ta có:
𝐼𝑅2 = 𝐼𝑅1 + 𝐼𝑎𝑑𝑗
=

(3.4)


1.25
+ 𝐼𝑎𝑑𝑗
𝑅1

trong đó 𝐼𝑎𝑑𝑗 là dịng điện đi ra khỏi chân ADJUST của LM317.
Do đó, điện áp ta 𝑉𝑜 sẽ được tính theo cơng thức sau:
(3.5)

𝑉𝑜 = 𝑉𝑅1 + 𝑉𝑅2
1.25
= 1.25 + (
+ 𝐼𝑎𝑑𝑗 ) × 𝑅2
𝑅1
= 1.25 (1 +

𝑅2
) + 𝐼𝑎𝑑𝑗 × 𝑅2
𝑅1

Vì 𝐼𝑎𝑑𝑗 có giá trị khá nhỏ, khoảng 50𝜇𝐴 nên khi tính tốn có thể bỏ qua.
Trong mạch sạc được nghiên cứu ở đồ án này, chọn 𝑅1 = 220 Ω, 𝑅2 là biến
trở 5𝑘Ω để thuận tiện trong việc điều chỉnh điện áp sạc.

18