Kiến thức toàn tập về điện tử cho người mới bắt đầu – (Phần 1)

0
642

Nếu có niềm đam mê đèn đóm và muốn tìm hiểu, độ chế, sửa chữa hoặc tự làm đèn pin cho bản thân thì bạn phải trang nhiều kiến thức về điện tử. Mình tin chắc rằng rất nhiều người không biết bắt đầu từ đâu nên loạt bài viết gồm 11 phần này sẽ là con đường ngắn nhất dành cho các bạn.

1. Giới thiệu về điện áp, dòng điện, điện trở

Đây là những điều rất cơ bản của thiết bị điện tử. Mỗi loại vật chất được tạo từ các nguyên tử và một nguyên tử có ba loại hạt. Electron là một loại hạt trong số đó và được tích điện âm. Điện tích là một khái niệm thuộc về electron và proton. Proton mang điện tích dương. Điện tích của một electron được gọi là đơn vị điện tích. Trong một vật liệu dẫn điện (bạc, đồng, vàng, nhôm, v.v…) có rất nhiều các electron tự do chuyển động ngẫu nhiên. Điện áp là một lực ép buộc các electron di chuyển theo một hướng cụ thể. Khi điện áp được đặt vào một vật dẫn điện, các điện tử bắt đầu di chuyển theo một hướng cố định và lưu lượng của các electron trong một hướng cụ thể này được gọi là dòng điện. Khi các electron di chuyển trong một dây dẫn thì sẽ phát sinh ra lực ma sát. Lực ma sát này được gọi là trở kháng. Trở kháng chống lại sự di chuyển tự do của các electron. Vì vậy, chúng ta có thể nói trở kháng làm giảm (cản trở) dòng điện.

Điện áp: Điện áp là lực ép buộc các electron chạy theo một hướng cụ thể trong một dây dẫn. Đơn vị của điện áp là Volt và ký hiệu là V. Pin là một nguồn của điện áp. Các mức điện áp 3V, 3.3V, 3.7V và 5V, 12V là phổ biến nhất được dùng trong các mạch điện tử và các thiết bị.

Dòng điện: Dòng điện là dòng dịch chuyển của các electron theo một hướng cụ thể. Chính xác hơn, dòng điện là tỉ lệ thay đổi của electron theo một hướng cụ thể. Đơn vị dòng điện là Ampe và ký hiệu là I. Dòng điện trong các mạch điện tử thường dùng đơn vị là milliampere (1 Ampe = 1000 milliampere). Ví dụ, dòng điện đặc trưng cho một đèn LED là 20mA.

Điện áp là nguyên nhân và dòng điện là kết quả.

Trở kháng: Trở kháng là cản trở sự dịch chuyển của dòng điện tích hay electron. Đơn vị SI của điện trở là ohm (Ω).

Có một mối quan hệ quan trọng giữa ba đại lượng – điện áp, dòng điện, điện trở:

V = IR hoặc I = V/R hoặc R = V/I

Mối quan hệ này được gọi là định luật Ohm. Vôn kế, ampe kế và đồng hồ đo ohm được sử dụng để đo điện áp, dòng điện, điện trở tương ứng.

2. Nguồn cấp điện

Pin là 1 nguồn cấp điện di động hay chính xác hơn là nguồn năng lượng điện. Pin (ắc quy) cung cấp năng lượng điện bằng phản ứng hóa học bên trong. Pin là một thiết bị có hai cực. Một cực là cực dương (+V) và một là cực âm (-V) hoặc đất (GND). Thông thường pin có hai loại.

  • Pin sơ cấp
  • Pin thứ cấp

Pin sơ cấp được sử dụng một lần và bỏ đi. Pin thứ cấp có thể được sử dụng và sạc lại nhiều lần. Pin có nhiều hình dạng và kích cỡ. Một số loại pin phổ biến sử dụng trong robot và dự án công nghệ cao. Hai thông số đặc trưng của Pin là điện áp và dòng điện.

>>Kiến thức quan trọng khi sử dụng đèn pin<<

– Pin 1.5V

Loại pin này có rất nhiều kích thước, phổ biến nhất là AAA, AA, C, D. Chúng thường dùng cho các thiết bị điện tử công suất thấp như đèn pin cầm tay cỡ nhỏ, điều khiển, đồ chơi,…

– Pin Lithium cúc áo 3V

Loại này cũng có nhiều cỡ lắm, nhưng đặc điểm chung của chúng là có dạng dẹt, mỏng và điện áp 3V. Tùy kích cỡ mà dung lượng của chúng giao động từ 50-300mAh. Loại pin này được dùng trong các thiết bị gọn nhẹ như điều khiển cửa cuốn, smartkey của xe máy,…

– Pin Alkaline

Image result for duracell

Hay còn gọi là pin kiềm, điện áp thường 1.5vol thôi và kích cỡ phổ biến là AAA, AA, C, D,… Loại pin này đắt tiền hơn pin con thỏ (pin kẽm rẻ tiển), chất lượng khá tốt nhưng cũng chỉ dùng 1 lần là vứt. 1 điều lưu ý là mấy loại pin dùng 1 lần này rất dễ bị chảy acid gây hỏng thiết bị.

Pin sạc NiMH

//cdn.nhanh.vn/cdn/store/7475/psCT/20150819/1887355/Pin_Eneloop_AA_Panasonic__Phien_ban_noi_dia_Nhat_Ban___Mau_trang____Ma_BK_3MCC___2000_mAh___2100_lan_sac___Dien_ap_1_2v___1_5v__01_vien__(pin_sac_panasonic_eneloop_aa_noi_dia_04).jpg//cdn.nhanh.vn/cdn/store/7475/psCT/20150819/1887355/Pin_Eneloop_AA_Panasonic__Phien_ban_noi_dia_Nhat_Ban___Mau_trang____Ma_BK_3MCC___2000_mAh___2100_lan_sac___Dien_ap_1_2v___1_5v__01_vien__(pin_sac_panasonic_eneloop_aa_noi_dia_06).jpg

Đây là sự thay thế hoàn hảo cho các loại pin dùng 1 lần truyền thống. Chúng có điện áp 1.2v và lên tới gần 1.5v nếu được sạc đầy.

Pin sạc Ni-mh có gì nổi trội:

  • Cực kì ổn định, dung lượng cao ( max 2500mAh với pin AA, 950mAh với pin AAA), dòng xả cao dùng tốt cho đèn pin, đèn Flash máy ảnh,…
  • Không bị hiệu ứng “nhớ” làm chai pin, sạc pin lúc nào cũng được.
  • Số lần sạc lại cao, pin thường của Eneloop có số lần sạc lại tới 2100 lần mà vẫn giữ được 80% dung lượng pin. Đặc biệt dòng pin Lite của hãng này còn có thể sạc lại tới 5000 lần. Theo lí thuyết thì 1 viên pin có thể dùng ổn định trung bình khoảng 10 năm.
  • Thời gian bảo quản lâu, như pin của Eneloop thì có thể để trong vỉ tới 5-10 năm mà vẫn giữ được 70% dung lượng. Có nghĩa là lắp pin trong 1 thiết bị và để quên mất, vài năm sau nhớ ra lôi ra thì vẫn dùng được luôn, không hề phải sạc lại
  • Hầu như không bao giờ chảy Acid, rất an toàn cho thiết bị.
  • Rất kinh tế và bảo vệ môi trường. 1 viên pin eneloop có giá trung bình 80-100.000đ và sạc lại được hơn 2000 lần. Theo lí thuyết thì bạn đã tiết kiệm được tiền mua 2000 viên pin dùng 1 lần.

– Pin sạc Lithium Li-on

Đây là tương lai của pin sạc, chúng có điện áp 3.7vol, sạc lại được cả nghìn lần, dung lượng cao và rất bền bỉ. Hiện nay pin sạc Lithium Li-on được dùng trong các thiết bị quanh ta như xe điện, điện thoại, máy tính bảng, laptop, đèn pin,…. Nói chung là bất cứ thiết bị gì sử dụng pin sạc.

– Pin 9V

Pin 9 volt có hình dạng hình chữ nhật với các cạnh tròn và một jack nối 2 phân cực dạng chụp ở đầu. Kích thước: chiều cao 48,5 mm, chiều dài 26,5 mm, rộng 17,5 mm (hoặc 1,9 “x1.0” x0.68 “). Cả hai cực nằm ở một đầu. Dung lượng khoảng 600 mAh.

Pin này dùng trong 1 số thiết bị chuyên dụng, các loại micro đời cũ,…

– Pin (acquy) acid chì

Ắc quy axit chì là dạng pin phổ biến của ngành công nghiệp. Chúng cực kỳ rẻ, có thể sạc lại, và dễ dàng có sẵn. Pin axít chì được sử dụng trong máy móc, UPS (uninterruptable power supply), robot, và các hệ thống khác, những thiết bị mà cần cung cấp rất nhiều năng lượng, còn kích thước và trọng lượng Pin là không quan trọng. Pin axit chì có đặc trưng tế bào (cell) 2V, nghĩa là bạn có thể có một pin với bội số của 2 volt. Các điện áp phổ biến nhất là 2V, 6V, 12V và 24V.

Dãy chuỗi Pin nối tiếp hoặc song song
Pin có thể được kết nối dạng nối tiếp hoặc song song. Khi chúng được mắc nối tiếp với nhau, thì điện áp cung cấp ở hai đầu của dãy pin tăng lên, khi kết nối song song thì dòng điện tăng lên.

Hai điều quan trọng của pin:

Dung lượng pin: Dung lượng pin là một chỉ số (thường là Ampe/giờ) của điện tích được lưu trữ trong pin, và được xác định bằng khối vật liệu hóa học hoạt động có trong pin. Dung lượng pin đại diện cho năng lượng tối đa có thể được xuất ra từ pin trong điều kiện quy định nhất định. Tuy nhiên, khả năng lưu trữ năng lượng thực tế của pin có thể thay đổi đáng kể so với năng lượng đánh giá “danh nghĩa”, như dung lượng pin phụ thuộc nhiều vào tuổi pin và cách sử dụng pin, sạc pin, chế độ xả của pin và nhiệt độ.

Dung lượng pin được đo bằng một trong hai đơn vị là watt-giờ (Wh), kilowatt-giờ (kWh) hoặc ampe-giờ (Ahr), milliampere giờ (mAh). Một Watt/giờ là điện áp (V) mà pin cung cấp nhân với dòng điện (Amps) mà pin có thể cung cấp trong một khoảng thời gian (thường tính bằng giờ).

Điện áp * Amps * giờ = Wh.

Kể từ khi điện áp được ấn định cho từng loại pin tùy thuộc vào chất hóa học phân cực có trong nó (kiềm, lithium, chì axit, v.v…), thì thường chỉ có các thông số về  Amps*giờ được in trên bề mặt pin, thể hiện bằng các đơn vị Ah hay mAh (1000mAh = 1Ah). Để có được công suất Wh, nhân dung lượng Ah với điện áp danh định. Ví dụ, chúng ta có một pin cho phép giá trị danh nghĩa 3V với công suất 1amp/giờ, do đó nó có công suất 3 Wh. Pin sẽ tốt hơn khi dòng điện chạy trong nó càng thấp. Để xác định tuổi thọ pin, ta chia công suất cho độ lớn của dòng điện sử dụng thực tế từ pin để có được số giờ tuổi thọ của pin. Ví dụ một mạch mà tiêu hao dòng 10 mA được cung cấp bởi một pin 9 volt hình chữ nhật sẽ hoạt động khoảng 50 giờ: 500 mAh/10 mA = 50 giờ.

Trong nhiều loại pin, năng lượng đầy đủ được lưu trữ trong pin không thể xuất ra (nói cách khác, pin có thể không được xả hoàn toàn) mà không gây ra thiệt hại pin, và thường không thể bù đắp cho pin. Depth of Discharge (DOD) (mức khả năng xả) của một pin xác định phần của năng lượng có thể được xả ra từ pin. Ví dụ, nếu DOD của pin được đưa ra bởi các nhà sản xuất tới 25%, thì nghĩa là chỉ cho phép 25% dung lượng pin có thể được sử dụng bởi tải/1 lần sạc đầy.

Tỷ lệ sạc/xả ảnh hưởng đến đánh giá dung lượng pin. Nếu pin đã được xả ra rất nhanh chóng (ví dụ, việc xả dòng là cao), thì sau đó số lượng năng lượng có thể được cung cấp từ ​​pin giảm và dung lượng pin sẽ bị thấp xuống. Nói cách khác, nếu pin đã được xả ra với tốc độ rất chậm bằng một dòng điện thấp, thì năng lượng có thể được cung cấp từ ​​pin và dung lượng pin cao hơn. Ví dụ, một pin dạng đồng xu có thông số 1 Ah không thể thực sự cung cấp 1 Amp của dòng điện cho một giờ, trong thực tế, nó thậm chí không thể cung cấp 0,1 Amp khi đã tới ngưỡng thấp quá hạn cho phép. Nó giống như nói rằng một con người có khả năng để đi lên đến 30 dặm: tất nhiên chạy 30 dặm là rất nhiều khác biệt so với đi bộ! Tương tự như vậy, một pin dạng tiền xu 1Ah không gặp vấn đề gì khi cung cấp một 1mA cho 1000 giờ, nhưng nếu bạn cố gắng ép nó cấp cho tải 100mA, nó sẽ chỉ đáp ứng ít hơn rất nhiều so với 10 giờ.

Nhiệt độ của pin cũng sẽ ảnh hưởng đến năng lượng có thể được xuất ra từ ​​nó. Ở nhiệt độ cao, dung lượng pin thường cao hơn ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, cố ý nâng cao nhiệt độ pin không phải là một phương pháp hiệu quả để tăng dung lượng pin, vì như thế sẽ làm giảm tuổi thọ pin.

C-rate: Các thông số sạc và xả dòng điện của pin được đo bằng tỉ lệ C (C-rate). Hầu hết pin cầm tay, trừ ắc quy axit chì, được đánh giá ở 1C. Việc xả 1C xuất ra một dòng điện bằng với công suất định mức. Ví dụ, một pin được đánh giá ở 1000mAh cung cấp 1000mA một giờ nếu xả tại tỷ lệ 1C. Cùng một bộ pin xả tại 0.5C cung cấp 500mA trong hai giờ. Tại 2C, cùng một bộ pin trên sẽ cung cấp 2000mA cho 30 phút. 1C thường được gọi là sự phóng điện (xả) một giờ; 0.5C sẽ là xả hai giờ, và 0.1C là xả 10 giờ.

Phẩm chất của một pin thường được đo bằng một máy phân tích pin. Phân tích khả năng của pin được hiển thị theo tỷ lệ phần trăm của các thông số  danh nghĩa, thông số 100 phần trăm được hiển thị nếu 1000mA có thể được xuất ra trong một giờ từ một pin được đánh giá có dung lượng 1000mAh. Nếu pin chỉ kéo dài trong 30 phút trước khi ngắt, 50 phần trăm được chỉ định. Một pin mới đôi khi cung cấp dung lượng hơn 100 phần trăm. Trong một trường hợp như vậy, pin được đánh giá kỹ thêm và có thể chịu đựng một thời gian xả dài hơn quy định bởi nhà sản xuất.

Mức sạc thường được ký hiệu là C hoặc tỉ lệ-C và biểu thị việc sạc hoặc xả tỷ lệ tương đương với công suất của pin trong một giờ.

Một bộ sạc pin có thể được quy định trong điều khoản của dung lượng pin hoặc tỷ lệ C; một bộ sạc ghi C/10 sẽ trả lại dung lượng pin trong 10 giờ, một bộ sạc tỉ lệ 4C sẽ sạc pin trong 15 phút. Nếu 1 bộ sạc có tỉ lệ quá nhanh, trong 1 giờ hoặc ít hơn, thường phải theo dõi một cách cẩn thận các thông số như điện áp đầu cuối và nhiệt độ để ngăn ngừa sự quá mức và gây hại cho các tế bào pin.

3. Làm thế nào để lựa chọn pin 

Kích thước
Có các kích thước tiêu chuẩn, chẳng hạn như AA và 9V. Lựa chọn tùy theo vị trí kích thước hốc chứa nguồn pin của thiết bị.

Khối lượng và mật độ năng lượng
Đây là một vấn đề hiệu suất: Pin có chất lượng cao hơn (và đắt tiền hơn) sẽ có mật độ năng lượng cao hơn. Nếu trọng lượng là một phần quan trọng của dự án của bạn, như bạn muốn dùng một pin nhẹ hơn nhưng pin cần có mật độ cao. Điều này được thể hiện trong bảng thông số Watts-giờ trên mỗi Kilôgam.

Vôn
Điện áp của một tế bào pin được xác định bởi các chất hóa học được sử dụng bên trong. Ví dụ, tất cả các tế bào Alkaline là 1.5V, tất cả các cell của ắc quy axit chì là 2V, và lithiums là 3V. Pin có thể được làm từ nhiều tế bào (khối), ví dụ như, bạn hiếm khi thấy một ắc quy chì-axit 2V. Thông thường chúng được kết nối với nhau bên trong để thành một pin 6V, 12V hoặc 24V. Tương tự như vậy, hầu hết các thiết bị điện tử sử dụng nhiều bình điện kiềm để tạo ra điện áp cần thiết để chạy. Đừng quên rằng điện áp là một thước đo “danh nghĩa”, một “1.5V” pin AA thực sự bắt đầu ra tại 1.6V và sau đó nhanh chóng giảm xuống đến 1,5 và sau đó từ từ trôi xuống 1.0V lúc này pin được coi là ‘chết’.

Khả năng tái sử dụng (sạc)
Một số pin thường có thể sạc được 100 lần.

Dùng pin nào là hoàn hảo cho dự án của bạn?
Bạn thấy có rất nhiều loại pin và nhiều loại chất hóa học dùng trong pin, vì vậy nó không phải dễ dàng để quyết định chọn giải pháp tốt nhất cho dự án của bạn. Nếu dự án của bạn là rất cần nguồn lớn như hệ thống âm thanh lớn, và các dự án cơ giới, bạn có thể chọn ắc quy axít chì. Nếu bạn muốn xây dựng dự án yêu cầu năng lượng nhỏ, bạn có thể chọn Pin lithium. Đối với bất kỳ dự án có trọng lượng nhẹ xách tay mà cần năng lượng vừa phải, bạn có thể chọn pin lithium-ion. Bạn cũng có thể lựa chọn rẻ hơn như Nickel-Metal Hydride (NIMH), có trọng lượng nặng hơn một ít so với li-ion. Nếu bạn muốn thực hiện cần nguồn mạnh, như RC quad-copter, có lẽ Lithium Ion Polymer (LiPo) sẽ là lựa chọn tốt nhất cho bạn, bởi vì các pin có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ so với các loại pin, có thể được sạc lại rất nhanh chóng, và có một dòng đầu ra cao.

Nếu pin của bạn cần dùng một lần, thì bạn nên chọn loại AA, AAA hoặc pin 9V. Nếu bạn cần pin 5V thì bạn có thể sử dụng 3 pin AAA hoặc AA sẽ có giá trị 1.5V x3 (4.5V) hoặc 4 pin  NiMH thành 1.2V x4 (4.8V). Hãy chắc chắn rằng thiết bị của bạn sẽ chạy ở cấp điện áp thấp hơn một chút.

Muốn pin sạc của bạn sử dụng được một thời gian dài?
Hãy sử dụng một bộ sạc chất lượng cao tính năng tự ngắt, tự chọn dòng sạc thích hợp cho pin. Một bộ sạc giá rẻ sẽ giết chết các tế bào pin của bạn