TỔNG QUAN
Lí do chọn đề tài
Hầu hết các phương tiện giao thông hiện nay sử dụng động cơ đốt trong với nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến hiệu suất thấp và thải ra gần một phần ba lượng khí gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu 6 tháng đầu năm 2017, phương tiện giao thông đóng góp 55% khí NOx, 56% khí CO và 6% khí SO2 Điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu phát triển xe sử dụng năng lượng mới, trong đó xe điện (EV - Electric Vehicle) nổi bật như một giải pháp hiệu quả để giảm ô nhiễm môi trường và giải quyết vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch.
Xe máy điện hoạt động bằng điện thay vì xăng dầu, do đó hoàn toàn không phát thải khí thải ra môi trường Việc sử dụng xe điện đang trở thành xu hướng phổ biến tại các quốc gia phát triển, góp phần bảo vệ môi trường.
Với sự phát triển của ngành điện tử và công nghệ thông tin, việc sử dụng xe điện ngày càng trở nên phổ biến, thay thế cho các dòng xe truyền thống Các nhà sản xuất lớn như Tesla, Toyota, Yamaha, Honda và VinFast đã áp dụng pin Lithium-Ion cho xe điện của họ nhờ vào nhiều ưu điểm như giảm trọng lượng xe, tuổi thọ cao, quãng đường di chuyển xa và thời gian sạc ngắn Để tận dụng tối đa những lợi ích này, các nhà sản xuất cần nghiên cứu và phát triển hệ thống kiểm soát quá trình nạp và xả pin một cách cẩn thận nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả cho người dùng.
Mục đích đề tài
Nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết của pin lithium-ion 18650
Tính toán, thiết kế và xây dựng mạch quản lí năng lượng cho xe máy điện được sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 220V-1.5kWh
Tính toán, thiết kế và chế tạo hộp chứa các pin lithium-ion 18650
Thực hiện thử nghiệm nhằm đánh giá tính ổn định, an toàn và khả thi của hệ thống mạch Qua đó, thu thập số liệu và phân tích tính kinh tế, tạo nền tảng cho các nghiên cứu và cải tiến trong tương lai.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phần mềm CodeVisionAVR, Proteus, Inventor
Tìm hiểu về nguyên lí, đặc tính sạc và xả của pin lithium-ion 18650
Sử dụng vi điều khiển để kiểm soát các quá trình quá sạc và quá xả cho bộ pin lithium-ion gồm 60 cells mắc nối tiếp
Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế và chế tạo hộp chứa 60 cells pin lithium- ion mắc nối tiếp.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu, thu thập các thông tin liên quan đến đề tài, học hỏi kiến thức và kinh nghiệm từ Thầy (Cô), bạn bè
Phương pháp tính toán, phân tích và so sánh các kết quả đạt được.
Các kết quả nghiên cứu
Bài báo “Nghiên cứu tối ưu tính năng làm việc của pin Lithium-ion sử dụng cho xe gắn máy tích hợp truyền động lai” của nhóm tác giả Nguyễn Văn Trạng, Phạm Tuấn Anh, và Nguyễn Duy Tấn, được công bố trên tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K6 – 2017, đã trình bày kết quả tính toán, thử nghiệm và chế tạo mạch quản lý các chế độ hoạt động của pin lithium-ion Những kết quả này đóng góp quan trọng vào việc nâng cao hiệu suất và tính năng của pin trong ứng dụng xe gắn máy lai.
Để tính toán và lựa chọn bộ nguồn pin Li-ion 48V-33Ah phù hợp cho xe gắn máy Honda Lead 110cc, cần tích hợp truyền động lai bằng cách kết nối 04 bộ pin 12,6V-33Ah.
Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mạch BMS cho bộ pin Li-ion
Dựa trên các kết quả đáng tin cậy từ mô phỏng và thực nghiệm, việc lắp đặt và thử nghiệm bộ pin Li-ion trong thực tế là cần thiết để đánh giá tổng thể hiệu suất và chi phí vận hành của xe lai sau khi cải tạo.
Các công ty sản xuất xe điện hàng đầu thế giới như Tesla, Nissan và Honda đang nghiên cứu và cải tiến hệ thống năng lượng cho sản phẩm của họ thông qua việc sử dụng pin Lithium-ion, nhờ vào nhiều ưu điểm mà loại pin này mang lại Ngoài ra, nhiều trường đại học cũng đang tiến hành nghiên cứu về ứng dụng pin Lithium-ion trong xe điện Một nghiên cứu mang tên “Batteries and Battery Management Systems for Electric Vehicles” của M Brandl và H Gall đã tập trung vào hệ thống quản lý năng lượng cho xe điện, ứng dụng vi điều khiển để kiểm soát điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin.
Bài báo nghiên cứu “A Novel Electric Bicycle Battery Monitoring System Based on Android Client” của các tác giả Chuanxue Song, Yulong Shao, Shixin Song, Silun Peng và FengXiao từ trường đại học Jilin, Trung Quốc, được thực hiện vào năm 2017, đã đạt được nhiều kết quả khả thi Hệ thống giám sát pin dựa trên máy khách Android và bộ vi điều khiển ARM cho xe điện không chỉ đáp ứng các yêu cầu giám sát pin thông thường mà còn cho phép theo dõi trạng thái pin một cách dễ dàng Hệ thống này đã được áp dụng thành công trong xe đạp điện, với các phương án thử nghiệm được chứng minh là khả thi và có thể nhân rộng.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Hệ thống quản lý năng lượng đóng vai trò quan trọng nhất trong phương tiện giao thông sử dụng năng lượng điện Do đó, việc nghiên cứu và phát triển hệ thống này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các phương tiện.
Bốn thống này đóng vai trò quan trọng không chỉ trong học tập và nghiên cứu mà còn là bước cần thiết để hiện thực hóa chiếc xe điện.
Kết quả dự kiến đạt được
Kiểm soát điện áp của bộ pin lithium-ion 60 cells nối tiếp là rất quan trọng để bảo vệ pin khỏi tình trạng quá nạp và quá xả.
Bố cục của đề tài
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương 3 Tính toán, thiết kế hệ thống
Chương 4 Thử nghiệm mô hình
Chương 5 Kết luận và kiến nghị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Pin Lithium-Ion
Pin lithium-ion (Li-ion hay LIB) là loại pin sạc, trong đó ion Liti di chuyển từ cực dương sang cực âm trong quá trình sạc và ngược lại trong quá trình xả LIB thường sử dụng điện cực với cấu trúc tinh thể dạng lớp, cho phép ion Liti xâm nhập vào các khoảng trống giữa các lớp này, tạo ra phản ứng hóa học Các vật liệu điện cực phổ biến cho cực dương bao gồm các hợp chất oxit kim loại chuyển tiếp và Liti như LiCoO2 và LiMnO2, trong khi cực âm thường sử dụng graphite Dung dịch điện ly của pin có khả năng dẫn ion Liti giữa các cực nhưng không được dẫn điện.
Khi xả, pin phóng điện qua mạch ngoài với electron di chuyển từ anode (cực âm) sang cathode (cực dương) và ion liti cũng di chuyển từ cực âm sang cực dương Trong quá trình sạc, dưới điện áp sạc, electron di chuyển đến anode (trở thành cực dương), trong khi ion liti di chuyển từ cathode (trở thành cực âm) sang anode để cân bằng điện trong pin.
Pin lithium-ion (LIB) được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị điện di động, đặc biệt là pin sạc cho thiết bị điện tử cầm tay nhờ vào mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ thấp và ít bị tự xả Tại các nước phát triển, LIB đang được chú trọng trong quân đội và ứng dụng cho phương tiện di chuyển điện và kỹ thuật hàng không, với kỳ vọng thay thế ắc-quy chì trong ô tô và xe máy, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường nhờ hạn chế sử dụng dung dịch điện ly chứa axit và giảm phát thải kim loại nặng Các yếu tố như thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn quyết định sự đa dạng của các loại LIB Hiện nay, hầu hết các thiết bị điện cầm tay sử dụng lithium coban oxit (LiCoO2) làm cực dương, mặc dù nó có mật độ năng lượng cao nhưng lại kém an toàn và tiềm ẩn nguy cơ khi pin bị rò rỉ.
Sắt phosphate (LiFePO4, LFP), lithium mangan oxit (LiMn2O4, LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2, NMC) là những vật liệu dương cực phổ biến, mặc dù có mật độ năng lượng thấp hơn lithium coban oxit (LCO), nhưng lại có vòng đời dài hơn và an toàn hơn Các pin sử dụng những vật liệu này thường được áp dụng trong thiết bị điện y tế, trong khi NMC đang trở thành lựa chọn hàng đầu cho pin xe điện Ngoài ra, liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2, NCA) và liti titanat (Li4Ti5O12, LTO) được sử dụng cho các mục đích đặc biệt Pin liti-lưu huỳnh, một loại pin mới phát triển, hứa hẹn mang lại hiệu suất cao và khối lượng nhẹ.
Pin lithium-ion chứa dung dịch điện ly dễ cháy và được nén dưới áp suất cao, tạo ra nguy cơ cháy nổ khi sạc quá nhanh, dẫn đến đoản mạch Do đó, các quy chuẩn kiểm tra cho pin lithium-ion (LIB) nghiêm ngặt hơn nhiều so với pin dung dịch điện ly axit Một ví dụ điển hình về sự cố pin là vụ nổ pin của Samsung Galaxy Note 7 vào năm 2016, gây ra thiệt hại nghiêm trọng.
Các lĩnh vực nghiên cứu về LIB bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin
2.1.2 Lịch sử và sự phát triển của pin lithium-ion
Pin Lithium được phát triển bởi nhà hóa học M Stanley Whittingham, hiện đang giảng dạy tại Đại học Binghamton, trong những năm 1970 khi ông làm việc cho Exxon Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại liti làm điện cực, nhưng pin sạc này không bao giờ được đưa vào thực tế do titan disulfua cần điều kiện tổng hợp chân không tốn kém và phản ứng với không khí tạo ra hợp chất hydro sulfua khó chịu Exxon đã ngưng sản xuất pin này vì lý do an toàn, khi lithium là một chất phản ứng mạnh và có nguy cơ cháy trong điều kiện khí quyển bình thường Do đó, nghiên cứu đã chuyển hướng sang phát triển pin không sử dụng kim loại lithi, mà thay vào đó là các hợp chất hóa học của lithium.
7 chấp nhận và giải phóng các ion lithium Pin Li-ion lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991 [4]
Ngày nay, LIB đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới
Trong phản ứng điện hóa ở pin lithium-ion (LIB), các chất phản ứng bao gồm nguyên liệu điện cực âm và dương, cùng với dung dịch điện ly tạo môi trường cho ion liti di chuyển giữa hai điện cực Khi pin hoạt động, dòng điện chạy qua mạch ngoài, trong khi ion liti di chuyển trong cả hai điện cực Hiện nay, hầu hết các nguyên liệu điện cực đều là vật liệu cho phép ion liti xâm nhập vào mạng tinh thể mà không gây xáo trộn đáng kể vị trí của các nguyên tử khác trong quá trình này.
Khi ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode) thường là graphite, C6 qua dung dịch điện ly sang cực dương, vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti Để cân bằng điện tích giữa hai cực, mỗi ion liti di chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) thì một electron sẽ chuyển động từ cực âm sang cực dương ở mạch ngoài, tạo ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Trong quá trình sạc pin, electron di chuyển từ cực dương (nay trở thành cực âm) về cực âm (nay trở thành cực dương), trong khi ion Liti tách khỏi cực dương và trở về cực âm Do đó, pin thay đổi cực trong quá trình sạc và xả Tên gọi của điện cực dương và âm được xác định dựa trên bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra Trong bài viết này, cũng như trong nhiều nghiên cứu khoa học khác, cực âm (anode) và cực dương (cathode) được định danh theo trạng thái xả của pin.
Hình 2.1 Quá trình xả và sạc của pin li-ion [5]
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):
Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
(anode) bị khử thành C 6 1- , Co 3+ bị oxi hóa thành Co 4+ , và ngược lại khi xả
Các phản ứng hóa học thường có giới hạn, và khi vượt quá mức cho phép, chẳng hạn như việc bổ sung quá nhiều ion liti vào liti coban oxit đã bão hòa, sẽ dẫn đến sự hình thành liti oxit.
2.1.4 Cấu tạo pin lithium-ion Điện cực dương (cathode)
Vật liệu điện cực dương thường sử dụng LiCoO2 và LiMnO4, với LiCoO2 có cấu trúc pseudo-tetrahedral cho phép ion liti khuếch tán hai chiều, mang lại công suất riêng và thể tích lớn, điện thế cao và vòng đời dài, nhưng giá thành cao do chứa coban, một kim loại hiếm Trong khi đó, LiMnO4 có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion liti khuếch tán ba chiều, được ưa chuộng hơn vì mangan rẻ và phổ biến hơn coban, cùng với hiệu năng và vòng đời cao hơn, mặc dù vẫn cần khắc phục một số hạn chế như khả năng hòa tan trong dung dịch điện ly Mặc dù vật liệu chứa coban là phổ biến nhất, các nghiên cứu đang được thực hiện để phát triển vật liệu khác nhằm giảm giá thành và tăng công suất pin Đến năm 2017, LiFePO4 được kỳ vọng sẽ có ứng dụng cao cho pin lớn như pin xe điện nhờ giá rẻ và công suất cao, mặc dù có nhược điểm là kém dẫn điện và cần chất phụ gia dẫn điện carbon.
Vật liệu âm cực phổ biến trong pin lithium-ion thường là graphite và các vật liệu cacbon khác, nhờ vào giá thành rẻ, độ dẫn điện tốt và khả năng cho phép ion liti xen kẽ giữa các lớp trong cấu trúc cacbon, giúp dự trữ năng lượng hiệu quả với khả năng phình ra lên đến 10% Ngoài ra, silicon cũng được sử dụng làm vật liệu âm cực vì khả năng chứa ion liti vượt trội, tuy nhiên, khi hấp thụ ion liti, silicon có thể phình ra tới hơn 400% thể tích ban đầu, dẫn đến nguy cơ phá vỡ cấu trúc của pin.
Silicon có thể được sử dụng làm điện âm cực, nhưng phản ứng với liti có thể dẫn đến nứt gãy vật liệu Những vết nứt này cho phép các lớp silicon bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly, gây ra sự phân hủy và hình thành lớp điện ly rắn giao pha (SEI) trên bề mặt silicon mới Lớp SEI này có thể dày lên, ngăn chặn quá trình khuếch tán của ion liti (Li+) và làm giảm dung lượng, công suất của pin, cũng như độ bền của điện cực Do đó, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để giảm thiểu sự biến đổi cấu trúc này.
10 nứt gãy của Si, như tổng hợp Si dưới dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạt nano, các cấu trúc xốp nano
Dung dịch điện ly (electrolyte)
Dung dịch điện ly là môi trường truyền ion Liti giữa các điện cực trong pin Li-ion, yêu cầu độ dẫn ion liti tối thiểu 10 −2 S/cm ở nhiệt độ phòng Độ dẫn này tăng 30-40% khi nhiệt độ đạt 40 o C và giảm khi xuống 0 o C Trong quá trình sạc và xả, ion liti di chuyển tạo ra chênh lệch điện thế, sinh ra dòng điện khi electron di chuyển từ cực âm sang dương Để đảm bảo hiệu suất và ngăn ngừa đoản mạch, dung dịch điện ly cần có độ dẫn electron tối đa 10 −8 S/cm Dung dịch điện ly lỏng thường chứa muối liti như LiPF 6, LiBF 4 hay LiClO 4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat Trong lần sạc đầu tiên, lớp điện ly rắn giao pha (SEI) hình thành ở cực âm có thể làm giảm độ dẫn, nhưng cũng giúp ngăn chặn sự phân hủy dung dịch điện ly Dung dịch điện ly composit dựa trên polymer hữu cơ POE có thể tạo lớp giao diện bền, bảo vệ bề mặt điện cực trong pin Li-polyme và pin Li-ion thông thường Để tăng tính an toàn và giảm nguy cơ cháy nổ, việc phát triển dung môi gel, polymer, và các chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được chú trọng.
Sử dụng chất điện ly dạng rắn trong pin lithium-ion giúp loại bỏ lớp màng ngăn, đơn giản hóa quy trình lắp ráp và nâng cao tính an toàn cho pin.
2.1.5 Ưu và nhược điểm của pin lithium-ion Ưu điểm
Chi phí sản xuất thấp vì vậy pin lithium-ion đang rất được ưu chuộng
Lưu trữ được nhiều năng lượng hơn các dòng pin thế hệ trước (Ni – Cd và Ni – MH)
Chu kỳ sạc xả 400-500 lần theo qui định chuẩn nhưng có thể hơn tùy theo quy chuẩn hóa của các hãng và người sử dụng
Suy giảm chất lượng dù bạn có sử dụng hay không
Giới thiệu về vi điều khiển Atmega 328P
Atmega 328P là vi điều khiển 8-bit thuộc họ megaAVR của Atmel, nổi bật với lõi xử lý RISC và kiến trúc Harvard Với giá thành hợp lý, hiệu suất cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp, Atmega 328P đã trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng Sự thành công của vi điều khiển này không thể không được nhắc đến.
Atmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini và rất nhiều sản phẩm nhúng khác
Atmega 328 là bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC, với 32KB ISP flash có khả năng ghi xóa nhiều lần, 1KB EEPROM và 2KB SRAM Nó cung cấp 23 chân I/O, 32 thanh ghi, và 3 bộ timer/counter lập trình được Bộ vi điều khiển này hỗ trợ các ngắt nội và ngoại, giao thức truyền thông USART, SPI, I2C, và có bộ chuyển đổi số sang tương tự 10 bit (ADC/DAC) với tối đa 8 kênh Atmega 328 cũng cho phép lập trình watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, và hỗ trợ 6 kênh PWM, cùng với tính năng bootloader.
Hình 2.3 Atmega 328P Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của vi điều khiển Atmega 328P
Xung nhịp lớn nhất 20 MHz
Bộ nhớ chương trình (Flash) 32 KB
Bộ nhớ EEPROM 1 KB Điện áp hoạt động 1,5 – 5V
Bộ đọc ADC 8 kênh với độ phân giải 10-bit
Số Timer 3 ( 2 Timer 8-bit và 1 Timer 16-bit)
Số kênh xung PWM 6 kênh ( 1 Timer 2 kênh)
Số lượng kênh cảm ứng 16
2.2.2 Cấu trúc chung của vi điều khiển Atmega 328P
Sơ đồ khối (block diagram)
Hình 2.4 Sơ đồ khối vi điều khiển Atmega 328P [6]
ATmega328P là vi điều khiển mạnh mẽ, cung cấp giải pháp linh hoạt và tiết kiệm chi phí cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng Nó được hỗ trợ bởi bộ công cụ phát triển toàn diện, bao gồm trình biên dịch C, trình biên dịch macro, trình gỡ lỗi và mô phỏng chương trình, cũng như trình giả lập trong mạch và bộ đánh giá.
Chức năng các chân trên Atmega 328P
Hình 2.5 Các chân trên Atmega 328P [6]
VCC: Điện áp cung cấp cho vi điều khiển (5V)
AVCC: Chân chọn điện áp tham chiếu ADC
AREF: Chân chọn điện áp tham chiếu ADC
Cổng B: Bao gồm các chân từ PB0 đến PB7 Cổng này là cổng hai chiều 8 bit có điện trở kéo lên bên trong
Cổng C bao gồm các chân từ PC0 đến PC7, hoạt động như đầu vào tương tự cho chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) Khi không sử dụng bộ chuyển đổi này, cổng C có thể hoạt động như một cổng đầu vào/đầu ra hai chiều 8 bit.
Cổng D: Bao gồm các chân từ PD0 đến PD7 Nó cũng là một cổng đầu vào / đầu ra 8 bit có điện trở kéo lên bên trong
OCXA – OCXB (X2:0): Là các chân phục vụ cho chức năng tạo xung PWM của bộ định thời, đếm (timer/counter) trên vi điều khiển Atmega 328P
2.2.3 Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) bằng Timer/Counter0 trên VĐK Atmega 328P
PWM, hay Điều chế độ rộng xung, là tín hiệu có chu kỳ cố định, trong khi thời gian tín hiệu ở mức cao (duty cycle) có thể điều chỉnh để kiểm soát điện áp đầu ra.
Hình 2.6 Đồ thị dạng xung điều chế PWM [7]
PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp tạo ra tín hiệu xung có thể điều chỉnh duty cycle và thời gian chu kỳ, được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của PWM là trong việc điều khiển động cơ, giúp điều chỉnh tốc độ và ổn định hoạt động của động cơ Ngoài ra, PWM còn được sử dụng trong việc điều chế các mạch nguồn như Boost, Buck, và nghịch lưu một pha và ba pha, góp phần quan trọng trong các hệ thống điện.
Timer/Counter0 trên Atmega328P là một chức năng lý tưởng để tạo ra các tín hiệu PWM theo mong muốn
Bộ Timer/Counter0 (bộ định thời/bộ đếm 0) trên Atmega 328P
Sơ đồ khối Timer/Counter0
Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ timer/counter0 trên Atmega 328P [6]
Các định nghĩa của Timer/Counter0
BOTTOM: Bộ đếm đạt tới giá trị BOTTOM khi nó có giá trị 0x00
MAX: Bộ đếm đạt tới giá trị MAX khi nó bằng 0xFF (hệ thập phân 255)
Bộ đếm đạt giá trị TOP khi bằng giá trị cao nhất trong chuỗi đếm, không nhất thiết phải là 0xFF mà có thể là bất kỳ giá trị nào được quy định trong thanh ghi OCRn (n=0,2), tùy thuộc vào chế độ thực thi.
Bộ định thời 0 sở hữu những đặc điểm nổi bật như bộ đếm đơn kênh, khả năng xóa bộ định thời khi có sự kiện so sánh khớp (compare match) và tự nạp lại Nó cũng có thể đếm từ bộ dao động 32 KHz bên ngoài và hỗ trợ chế độ PWM hiệu chỉnh pha.
Chức năng Compare Match trong bộ định thời cho phép so sánh liên tục giá trị của thanh ghi TCNTn với thanh ghi OCRn Khi hai giá trị này bằng nhau, sẽ xảy ra sự thay đổi mức logic ở chân OCn, từ đó tạo ra xung PWM tại ngõ ra OCn của vi điều khiển Bộ định thời Timer/Counter0 bao gồm 7 thanh ghi 8-bit: TCCR0A, TCCR0B, TCNT0, OCR0A, OCR0B, TIMSK0 và TIFR0, chứa các bit cần thiết để thiết lập chế độ hoạt động của bộ Timer/Counter0.
Có 4 chế độ hoạt động trên bộ Timer/Counter0 bao gồm: Normal mode (chế độ thường), Clear Timer on Time Compare Match (CTC) mode (chế độ Xóa Timer khi xảy ra Compare Match), Fast PWM mode (chế độ PWM tần số cao) và Phase Correct PWM mode (chế độ PWM với pha chính xác)
Fast PWM mode (chế độ PWM tần số cao)
Chế độ Fast PWM tạo ra sóng xung tần số cao, với 1 chu kỳ được tính từ BOTTOM lên TOP (single-slope), cho phép tần số hoạt động nhanh gấp 2 lần so với Phase Correct PWM (dual-slope) Tần số cao này làm cho Fast PWM lý tưởng cho việc điều chỉnh công suất, chỉnh lưu và ứng dụng DAC, đồng thời cho phép sử dụng các thành phần bên ngoài nhỏ hơn như cuộn dây và tụ điện, từ đó giảm tổng chi phí hệ thống Giá trị TOP, quy định thời gian chu kỳ, có thể là 0xFF hoặc giá trị được đặt trên thanh ghi OCR0A, tùy thuộc vào cách cài đặt các bit WGM (Waveform Generation Modulation), trong khi giá trị Duty cycle được xác định bởi giá trị trên thanh ghi OCR0A (khi TOP là 0xFF) hoặc OCR0B (khi TOP là OCR0A).
Hình 2.8 Chế độ Fast PWM [6]
2.2.4 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC – Analog to Digital Converter) trên Atmega 328P
ADC, hay mạch chuyển đổi tương tự ra số, là linh kiện bán dẫn chuyển đổi đại lượng vật lý tương tự (thường là điện áp) thành giá trị số, biểu thị độ lớn của đại lượng đó.
Bộ ADC của Atmega 328P có độ phân giải 10 bit và sai số tuyệt đối ± 2 LSB, với dải tín hiệu ngõ vào từ 0V đến VCC Nó hỗ trợ 8 ngõ vào đa hợp đơn hướng và 7 ngõ vào vi sai ADC này hoạt động theo nguyên lý xấp xỉ liên tiếp với hai chế độ: chuyển đổi liên tục và chuyển đổi từng bước Cần cấp nguồn điện áp riêng cho chân AVCC, và giá trị điện áp này không được khác VCC quá 0.3V, do đó có thể sử dụng điện áp từ chân VCC để cấp cho AVCC Điện áp tham chiếu (V REF) dùng để so sánh với tín hiệu tương tự tại ngõ vào ADC có thể được tạo ra từ 3 nguồn: điện áp tham chiếu nội 2.56V, điện áp AVCC hoặc điện áp ngoài trên chân VREF Khi sử dụng điện áp ngoài, cần chú ý đến việc lọc noise để đảm bảo độ chính xác.
25 dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc AVCC thì chân VREF cần được nối với một tụ điện
Tần số clock ADC là tần số cung cấp cho bộ biến đổi ADC, có thể thay đổi từ vài KHz đến vài MHz Tần số lý tưởng cho độ phân giải 10 bit nằm trong khoảng từ 50KHz đến 200KHz, và có thể vượt quá 200KHz khi độ phân giải thấp hơn.
Atmega 328P cung cấp hai lựa chọn ngõ vào tương tự, bao gồm 10 ngõ vào đơn hướng (single ended): ADC0:7, AGND và bandgap reference Thông thường, người dùng chỉ sử dụng 8 ngõ vào ADC0:7, cho phép đưa vào 8 tín hiệu tương tự khác nhau Khi lựa chọn ngõ vào kiểu single ended, kết quả chuyển đổi được tính theo một phương pháp cụ thể.
ADC VALUE = (V IN *1023)/V REF Để sử dụng bộ ADC ta thực hiện các bước sau:
1 Cấu hình cho bộ ADC: Chọn điện thế tham chiếu, kiểu ngõ vào bằng cách cấu hình cho thanh ghi ADMUX
2 Cho phép ADC hoạt động: Chọn chế độ hoạt động, các ngắt, tần số Clock ADC bằng cách cấu hình cho thanh ghi ADCSRA
Ví dụ: Dùng ADC 10bit, tốc độ 500.000 kHz, chạy từng bước
#include //Khai báo là đang dùng ATmega128
// hàm đọc kết quả ADC, tên hàm là tùy ý, theo chuẩn C unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) {
ADMUXc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);
// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10);
// Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0);
Unsigned int adc_temp ; // khai báo biến để lưu kết quả ADC
// Khởi tạo cho bộ ADC ở đây
// Tần số biến đổi: 500.000 kHz
//Chân làm điện thế so sánh cho bộ ADC là AVCC
//Điện thế của AVCC là cố định (bằng VCC cấp cho AVR)
ADCSRA=0x84; // xong phần khởi tạo
// adc_temp = read_adc (0) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC0 adc_temp = read_adc (1) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC1
// adc_temp = read_adc (7) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC7
//phải disable chức năng jtag
Một số linh kiện bán dẫn khác
2.3.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực, được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp ưu điểm của MOSFET trong việc đóng ngắt nhanh và khả năng chịu tải lớn của transistor thông thường Bên cạnh đó, IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, giúp giảm thiểu công suất điều khiển cần thiết.
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động
IGBT có cấu trúc bán dẫn tương tự như MOSFET, nhưng khác biệt ở chỗ có thêm lớp nối với collector, hình thành cấu trúc P-N-P giữa emitter (giống cực gốc) và collector (giống cực máng), thay vì cấu trúc N-N như ở MOSFET Do đó, IGBT có thể được xem như một transistor P-N-P, với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.
Hình 2.9 Cấu tạo của IGBT kênh N [8]
Dưới áp điều khiển U GE >0, kênh dẫn điện tử được hình thành tương tự như trong cấu trúc MOSFET Các điện tử này di chuyển về phía collector, vượt qua lớp tiếp giáp N-P, tương tự như cấu trúc giữa base và collector trong transistor thông thường, từ đó tạo ra dòng collector Điều này thể hiện đặc tính đóng ngắt của IGBT.
Cấu trúc N-P-N của IGBT cho phép điện áp thuận giữa C và E thấp hơn đáng kể so với Mosfet Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến thời gian đóng ngắt của IGBT chậm hơn, đặc biệt khi khóa lại Hình 2.9 minh họa cấu trúc tương đương của IGBT với Mosfet và một transistor P-N-P Dòng qua IGBT bao gồm hai thành phần: i1 từ Mosfet và i2 từ transistor Phần Mosfet trong IGBT có thể khóa nhanh nếu điện tích giữa G và E được xả hết, dẫn đến i1 = 0 Tuy nhiên, i2 không giảm nhanh do điện tích tích lũy trong cấu trúc P-N-P chỉ có thể mất đi qua quá trình tự trung hòa, gây ra hiện tượng kéo dài dòng điện khi khóa IGBT.
Vấn đề bảo vệ IGBT
IGBT thường được sử dụng trong các mạch đóng ngắt tần số cao từ 2 đến hàng chục kHz Ở tần số này, sự cố có thể nhanh chóng phá hủy phần tử và gây hư hỏng toàn bộ thiết bị Nguyên nhân thường gặp của sự cố là quá dòng do ngắn mạch từ tải hoặc do lỗi trong quá trình sản xuất hoặc lắp ráp Để ngắt dòng IGBT, có thể đưa điện áp điều khiển về giá trị âm Tuy nhiên, quá tải dòng điện có thể khiến IGBT ra khỏi chế độ bão hòa, dẫn đến sự gia tăng đột ngột công suất phát nhiệt.
Khi IGBT bị khóa trong thời gian ngắn với dòng điện lớn, có thể gây quá áp trên collector và emitter, dẫn đến hỏng hóc Trong trường hợp quá dòng, việc điều khiển IGBT bằng các xung ngắn không còn hiệu quả, và việc ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện cũng không đơn giản Để giảm thiểu hậu quả do tắt dòng đột ngột, có thể sử dụng mạch dập RC (snubber circuit) mắc song song với các phần tử, nhưng điều này có thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị Giải pháp tối ưu là áp dụng phương pháp khóa mềm (soft turn-off) để làm chậm quá trình khóa IGBT khi phát hiện sự cố dòng tăng quá mức cho phép.
Photocoupler, còn được gọi là phần tử cách ly quang (opto-isolator) hay optocoupler, là một linh kiện bán dẫn có chức năng truyền tín hiệu giữa hai mạch điện cách ly bằng cách sử dụng ánh sáng.
Nguyên lý hoạt động của photocoupler rất đơn giản, bao gồm một diode phát quang LED chiếu sáng vào cửa sổ của một diode quang hoặc phototransistor, tất cả được bọc trong vỏ kín ánh sáng Khi LED phát sáng, ánh sáng được tiếp nhận bởi vùng base của phototransistor, làm giảm điện trở thuần của nó, dẫn đến việc tăng dòng điện qua transistor Có hai mức độ chính trong quá trình này.
Khi cường độ sáng đủ mạnh, transistor cảm quang sẽ đạt trạng thái bão hòa Photocoupler chủ yếu được sử dụng để truyền tín hiệu logic trong thực tế.
Nếu cường độ sáng quá yếu, transistor cảm quang sẽ không đạt trạng thái bão hòa Photocoupler có khả năng truyền tín hiệu analog, nhưng chế độ này ít được sử dụng do đường đặc tính quan hệ vào-ra có đoạn tuyến tính hẹp, không đảm bảo độ trung thực của tín hiệu truyền.
Hình 2.10 Nguyên lí hoạt động của Opto quang [10] Ứng dụng
Photocoupler là linh kiện quan trọng trong các thiết bị số, giúp cách ly điện giữa các phần mạch để ngăn ngừa sốc điện và nhiễu tín hiệu Trong các thiết bị đo đạc thí nghiệm, photocoupler hỗ trợ số hóa dữ liệu và truyền tải thông tin đến máy tính nhúng từ các nguồn điện khác nhau Ngoài ra, photocoupler còn được tích hợp vào các linh kiện như transistor, MOSFET, IGBT và TRIAC công suất lớn để điều khiển dòng điện, tạo thành các rơ le bán dẫn hiệu quả.
Điện trở (Resistor) là linh kiện điện tử thụ động với hai tiếp điểm kết nối, được sử dụng chủ yếu để hạn chế cường độ dòng điện, điều chỉnh tín hiệu và chia điện áp trong mạch điện Nó cũng có vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor và là thành phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng khác Điện trở công suất có khả năng tiêu tán điện năng lớn thành nhiệt, thường được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ và hệ thống phân phối điện Hầu hết các điện trở có trở kháng cố định, ổn định trước nhiệt độ và điện áp Trong khi đó, biến trở cho phép thay đổi trở kháng, tương tự như núm vặn điều chỉnh âm lượng Ngoài ra, các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và lực tác động cũng sử dụng điện trở biến thiên để hoạt động.
Cách đọc giá trị điện trở
Để đọc giá trị của một điện trở, ngoài việc tham khảo trị số in trên linh kiện, người dùng còn áp dụng quy ước chung để xác định trị số và các tham số liên quan Giá trị điện trở được tính bằng đơn vị Ohm, và có thể được chuyển đổi sang ký lô hay mega để thuận tiện hơn.
Bảng 2.2 Giá trị điện trở theo vòng màu
Tính giá trị điện trở
Đối với điện trở 4 vạch màu:
Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở
Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở
Vạch màu thứ ba trên điện trở chỉ hệ số nhân kết hợp với giá trị số mũ của 10, dùng để tính toán giá trị điện trở Vạch màu thứ tư thể hiện giá trị sai số của điện trở, giúp người dùng hiểu rõ hơn về độ chính xác của thiết bị.
Đối với điện trở 5 vạch màu:
Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở
Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở
Vạch màu thứ ba: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở
Vạch màu thứ 4 trên điện trở chỉ ra hệ số nhân với giá trị số mũ của 10, được sử dụng để tính toán giá trị điện trở Trong khi đó, vạch màu thứ 5 thể hiện giá trị sai số của điện trở, giúp người dùng hiểu rõ hơn về độ chính xác của thiết bị.
Ví dụ: Điện trở màu vàng, cam, đỏ, ứng với chữ số là: 4,3,2 Hai chữ số đầu tiên tạo số
43 Chữ số thứ 3 (2) là lũy thừa của 10 Cách tính như sau:
Ví dụ: Một điện trở có các vạch màu xanh dương, vàng, đỏ, nâu, nâu, ứng với các chữ số là 6,4,2,1,1 Giá trị được tính như sau:
Diode và mạch chỉnh lưu
Diode bán dẫn là thiết bị điện cho phép dòng điện di chuyển theo một hướng duy nhất, ngăn cản dòng điện chạy ngược lại Đây là loại diode phổ biến nhất trong thiết kế mạch hiện đại, mặc dù vẫn có nhiều công nghệ diode khác.
Hình 2.11 Cấu tạo diode bán dẫn [11]
Diode Zener, hay còn gọi là diode ổn áp, là một loại diode bán dẫn hoạt động ở chế độ phân cực ngược trong vùng điện áp đánh thủng (breakdown) Điện áp này, được gọi là điện áp Zener hoặc thác lở (avalanche), có giá trị ổn định và ít thay đổi Diode Zener được thiết kế để duy trì một mức điện áp gần như cố định, tương ứng với giá trị ghi trên diode, giúp ổn định điện áp cho mạch điện.
Hình 2.12 Cấu tạo diode zenner [12]
Mạch chỉnh lưu là một mạch điện sử dụng linh kiện điện – điện tử để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Nó thường được áp dụng trong các bộ nguồn cung cấp điện một chiều và trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến trong thiết bị vô tuyến Các thành phần chính trong mạch chỉnh lưu bao gồm diode bán dẫn, đèn chỉnh lưu thủy ngân và các linh kiện khác.
Mạch chỉnh lưu nửa sóng cho phép dòng điện chỉ đi qua trong nửa chu kỳ dương hoặc âm, phụ thuộc vào chiều lắp đặt của diode, trong khi nửa còn lại bị khóa Do chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, hiệu suất truyền công suất của mạch này rất thấp Mạch chỉnh lưu nửa sóng thường sử dụng một diode bán dẫn và thường được áp dụng trong các mạch nguồn một pha.
Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu nửa sóng [12]
Mạch chỉnh lưu toàn sóng
Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều Do đó nó có hiệu suất cao hơn
Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu toàn sóng [12]
Mạch chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi cả hai nửa chu kỳ của dòng điện xoay chiều thành một điện áp đầu ra có chiều duy nhất, dương hoặc âm Quá trình này diễn ra bằng cách chuyển hướng dòng điện từ nửa chu kỳ âm sang dương, tạo ra một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh khi kết hợp cả hai nửa.