Pin - Năng lượng cho mọi dự án Arduino

Giới thiệu

Pin là gì? Một dự án Arduino cần phải tính toán năng lượng như thế nào? Các loại pin nào phù hợp với các dự án Arduino? ... Những câu hỏi này có vẻ như rất gần gũi và dễ dàng trả lời nhưng để có được một phương án năng lượng tối ưu, bạn cần phải đọc qua bài này để nắm được những điều cần thiết cho một dự án Arduino!

Pin là gì

Mình không cần phải nói thì bạn cũng biết "Pin là gì?". Nhưng pin có rất nhiều loại pin và có nhiều cách phân loại pin, và những điều này rất quan trọng trong các dự án Arduino. Theo mình, có 2 vấn đề bạn cần phân biệt trong mục này, đó là: Pin được phân loại như thế nào?, và Pin có những loại cơ bản gì?.

Pin được phân loại như thế nào?

Pin được phân thành 2 loại:

1. Pin không sạc được
2. Pin sạc được

Bạn hãy xem mỗi viên pin là một can nước, loại pin không sạc được là khi sử dụng xong pin bạn sẽ không thể dùng tiếp được, nghĩa là, can nước không thể được tiếp nước (bạn cứ tưởng tượng nó giống như thùng nước 20 lít). Còn loại sạc được gần giống như là loại can nước / chai nước có thể được tiếp nước!

Tại sao mình lại dùng thùng nước để miêu tả pin? và dùng nước để miêu tả năng lượng mà pin chứa đựng? Đừng lo lắng, cứ đọc hết bài này và tự rút ra kết luận của riêng mình và sẽ hiểu được tại sao mình lại dùng những sự vật ấy!

Pin không sạc được

Pin sạc được

Pin có những loại cơ bản gì?

Mỗi loại pin đều có những thông số cơ bản sau:

• Hiệu điện thế định mức (chu vi nắp can nước)
• Dung lượng pin (dung tích can nước)
• Kích thước pin (kích thước can nước)
• Cường độ dòng điện định mức (tốc độ xả nước của can)

Ngoài ra, mỗi loại pin sẽ có những thông số khác mà mình sẽ chia sẻ ở từng loại pin.

Theo mình, có những loại pin sau, và tùy theo dự án của bạn, bạn sẽ chọn các loại pin phù hợp.

• Pin than kẽm (Zn-C)
  • Đây là loại pin có cường độ dòng điện định mức nhỏ và hiệu điện thế cũng không cao chỉ 1.5V, dung lượng pin cũng thấp, kích thước pin cũng có nhiều loại (tiểu, trung, đại)
  • Bạn có thể mua được loại pin này ở tất cả các cửa hàng tạp hóa.
  • Loại pin này là loại pin cổ, xưa nhất, đây là loại pin rắn đầu tiên tiên thế giới.
  • Loại này không sạc lại đươc.
  • Ở Việt Nam, có rất nhiều hãng sản xuất loại pin này và các sản phẩm thường thấy là: pin con Ó, pin con Thỏ
  • Giá loại này rất rất rẻ: chỉ từ 1000 - 1500 đồng / viên.

• Pin kiềm (Alkaline)
  • Cũng như pin than kẽm, pin kiềm cũng có hiệu điện thế và kích thước như trên, tuy nhiên, pin kiềm có dung lượng pin lớn hơn và mức xả dòng điện (cường độ dòng điện định mức) cao hơn nhiều.
  • Loại pin này có thể tìm được ở những cửa hàng tạp hóa với giá cao hơn, khoảng 5 đến 45 nghìn đồng / viên.
  • Loại này không sạc lại được và Việt Nam chưa sản xuất được. Mình dùng loại này cho các mạch siêu tiết kiệm điện vì cái giá rẻ của nó và có thể dùng pin tiểu thế vô được khi hết pin!

• Pin NiCD (pin Nickel Cadimi)
  • Loại này có hiệu điện thế 1.2V, thực ra là khi sạc đầy nó cao hơn và gần hết/hết nó giảm xuống chứ không cố định ở mức 1.2V.
  • Loại này sạc được, và có thể sạc lại đến 1000 lần, các loại xe đồ chơi Trung Quốc hay sử dụng loại pin này vì vậy đừng hỏi mình vì sao chơi lâu nó chai pin nhé, hehe
  • Điểm yếu của loại này là giảm áp rất nhanh khi gần hết pin, vì vậy, khi chơi xe đồ chơi, lúc đầu xe chạy rất là nhanh nhưng sau đó lếch không nổi! Qua đó bạn có thể thấy khả năng xả của nó rồi chứ, xả nhanh, mạnh và xả cực yếu khi hết pin!
  • Loại này nhỏ hơn pin tiểu một tí và thường được bán theo từng packet (nhiều viên mắc nối tiếp)
  • Giá dao động trong khoảng từ 30k - 250k (tùy loại).
  • Bạn dùng loại sạc chuyên dụng để sạc, loại này càng sạc càng chai nhanh nên rất thích hợp làm các sản phẩm giá rẻ chơi được từ 1 - 3 tháng (Sau đó mua sản phẩm khác)
  • Việt Nam không sản xuất loại pin này.
  • Bạn vào các cửa hàng bán đồ điện tử là có thể mua được.

• Pin NiMH (pin Nickel Metal Hidride)
  • Về kích thước, hiệu điện thế và các dạng thì nó giống hết pin NiCD
  • Tuy nhiên, dòng xả của loại này yếu hơn nhưng dùng được lâu hơn. Với lại pin này bạn có thể sạc bất cứ khi nào bạn muốn, chứ không như loại NiCD, khi nào chơi hết mới được sạc.
  • Pin vẫn có thể bị chai nếu bạn sử dụng liên tục (sau đó lại sạc rồi lại dùng,..). Theo mình nghĩ sử dụng liên tục chắc hiếm lắm vì thường mình sử dụng được 30 phút là bắt đầu "buồn ngủ" rồi!
  • Với loại pin này, nếu bạn sạc lâu thì có thể bị hỏng và nổ. Vì vậy, khác với loại NiCD (sạc càng lâu càng nóng), NiMH cần một bộ sạc riêng (thường bán kèm) để khi tự đầy nó sẽ ngắt nguồn!
  • Việt Nam không sản xuất loại pin này.
  • Bạn vào các cửa hàng bán đồ điện tử là có thể mua được.

• Pin oxit bạc (silver oxide)
  • Loại này có thể được xem là "promini", vì nó khá là mạnh, và rất nhỏ. Nó mạnh ở chỗ hiệu điện thế, và dung lượng pin, rất phù hợp với các dự án cực kì nhỏ như đồng hồ, remote điều khiển hồng ngoại. Hiệu điện thế loại này rất đa dạng, có loại thì 1.5V, 3V, ngoài ra còn có loại 6V và 12V.
  • Đặc trưng của loại này là nhỏ vì vậy nếu bạn thấy người ta bán pin bạc giống hình cục pin tiểu với hiệu điện thế cao (12 - 36V) là do họ mắc nối tiếp nhiều cục pin đấy!
  • Giá của loại khá cao từ 6 - 50 nghìn đồng, và loại này không sạc được.
  • Bạn vào các cửa hàng bán đồ điện tử là có thể mua được.

• Acquy
  • Acquy có 2 loại: lỏng và rắn. Thường thì các dự án của mình ban đầu đều sử dụng loại này vì công suất cao, năng lượng cao, dung tích cao, hầu hết mọi thứ đều cao! Có điều nhược điểm đặc trưng của loại này đó là "cân nặng" và kích thước.
  • Loại này sạc được, và dễ sạc nhất là loại acquy rắn. Rắn hay lỏng là do chất điện phân bên trong acquy, nói chung cái này cũng hơi phức tạp nên mình sẽ không nói ở đây.
  • Loại này Việt Nam sản xuất nhiều lắm, chất lượng tốt, mình sử dụng 2 năm nay mà vẫn bền.
  • Acquy rắn cũng được cấu tạo từ nhiều viên (cell), mỗi cell có điện áp 2V vì vậy nếu bạn mua các loại acquy rắn có dung lượng và hiệu điện thế lớn thì kích thước của khối acquy ấy tăng theo cấp số cộng!
  • Bạn vào các cửa hàng xe máy hoặc chợ điện tử là mua được ngay.

• Pin Li-ion (Lithium-lon)
  • Mình thích sử dụng loại này vì giá cũng không quá chát, dùng được lâu, sạc lại được và điện áp của mỗi viên khá cao: 3.7V.
  • Loại này có hạn sử dụng giống như thực phẩm vậy. Với thực phẩm, dù bạn không ăn thì khi hết hạn nó hư, và khi bạn ăn thì nó sẽ vơi đi đến khi nào hết. Với pin Li-ion cũng vậy, tuy bạn không dùng nó một thời gian dài thì nó sẽ hư, và khi bạn sử dụng liên tục thì nó cũng sẽ hư (đương nhiên). Hư ở đây là khả năng dùng pin của bạn, hãy suy nghĩ đến chiếc laptop và khả năng dùng không sạc của nó, vì laptop dùng pin Li-ion mà.
  • Loại pin này dòng xả khá cao và ít bị hao tổn (tự xả) theo thời gian.
  • Pin này có 2 loại: sạc đươc và không sạc đươc. Loại sạc được có dung lượng pin thấp cỡ 5Ah trở xuống, còn loại không sạc được có thể lên đến 100Ah. Loại sạc được rẻ hơn và bạn có thể dễ dàng mua được ở các cửa hàng điện tử, còn loại không sạc được rất nguy hiểm và mình nghĩ bạn khó đủ tiền để mua nó, và hiện nay loại Li-ion không sạc được đã bị cấm vận chuyển bằng đường hàng không, vì vậy nó rất hiếm và đắt. Bạn có biết vì sao nó bị cấm không? Hãy tưởng tượng cục Acquy của bạn phát nổ, thì bạn lấy bình xịt cầm tay xịt xịt vài phát là nó tắt, còn Li-ion thì.... có lấy cát, nước 'ập' lên 1 lần thì nó vẫn cứ cháy to...!
  • Loại này bạn có thể mua tại các cửa hàng xe / máy bay mô hình!
  • Loại này Việt Nam không sản xuất.
  • Pin Li-ion thường được bán dưới dạng các package nhiều viên. Ví dụ một package 7.4V là do 2 viên Li-ion mắc nối tiếp.

• Pin Li-po (Lithium-Polymer)
  • Loại này giống y hệt pin Li-ion về mọi mặc. Nhưng có khả năng dùng lâu hơn, khắc phục hầu hết các nhược điểm của pin Li-ion sạc được. Tuy nhiên, giá khá chát và nguy hiểm tương tự pin Li-ion không sạc được!
  • Với loại này, dòng xả cực kỳ mạnh. Tùy vào dung lượng pin và khả năng xả của nó ta tính ra được cường độ dòng điện tối đa khi pin Li-Po xả. Ví dụ ta có cục pin LiPo có dung lượng 3000mAh với khả năng xả 20C. Thì bạn sẽ được 3000*20 mA = 3*20 A = 60 A!!! Vì vậy nếu bạn có lỡ tay mắc nối tiếp cực dương và cực âm của pin bằng 1 sợi dây breadboard thì cũng đừng lo lắng, nó đứt ngay ấy mà. Nhưng cũng đừng chủ quan, vì có thể bạn sẽ lỡ tay làm nhiều thứ phức tạp hơn và khi nó cháy sẽ rất nguy hiểm đấy. Bạn hãy thử lên youtube và tìm cảnh cháy của nó thử xem, bạn sẽ cảm thấy những gì tớ nói là không thừa.
  • Loại này bạn có thể mua tại các cửa hàng xe / máy bay mô hình!

Bảo quản và khắc phục hiện tượng phù pin LiPo

Tất cả ai ai cũng đều biết pin LiPo bị phù với nhiều lý do khác nhau. Khi bị phù rồi thì bước kế tiếp là sẽ tuột điện áp không có cách gì để xạc pin trở lại 4.2V/cell. Còn một vấn đề nữa là khi pin mới mua về xạc vài lần đầu thì pin còn lên được 4.2V/cell, nhưng trở về sau thì xạc chỉ lên được 4.15-4.18V/cell thôi.

Trên thị trường chỉ có một vài nhà sản xuất pin loại mắc tiền có chỉ dẫn cách bảo quản này, nhưng chỉ qua loa và không nhấn mạnh tầm quan trọng nên người tiêu dùng không để ý. Điều đó dẫn tới việc pin dễ bị phù mà phần đông là không biết tại sao? 

Mình đã thử nghiệm trong 1 tháng vừa qua trên các loại pin LiPo, từ loại rẻ tiền nhất đến loại mắc tiền nhất, từ loại có dòng xả 5C cho đến 150C. Nói chung cách này áp dụng cho tất cả pin LiPo đều đạt được kết quả rất khả quan.    

Cách bảo quản

Pin để đó ít dùng tới, lúc nào cũng phải xạc pin ở chế độ (Store Charge) cất giữ, những loại xạc hiện có trên thị trường đều có chế độ này. Mỗi tháng cắm vô xạc cho đầy pin rồi đổi qua chế độ Store Charge xong thì có thể cất. Một tháng phải làm một lần như vậy. 

Với pin thường dùng, hãy xạc đầy vào buổi tối trước khi dùng hoặc tiếp tục xạc ngay khi dùng hết pin. Khi về nhà phải cắm pin vô xạc ở chế độ Store Charge. Cho dù pin còn đầy hay đã dùng rồi cũng đều phải đều cho pin trở lại chế độ cất giữ như đã nêu. Tuy hơi mất công nhưng đến khi xạc lần tới thì pin vẫn lên 4.2V/cell như hồi mới mua và sẽ không có trường hợp chạy không phù nhưng về nhà để đó qua vài hôm thì bị phù căng cứng. 

Tuỳ theo loại pin, dung lượng và dòng xả, khi đã qua 1 chu kỳ Store Charge thì mỗi loại pin có điện áp dao động từ 3.81V đến 3.93V mỗi cell và điện áp của mỗi cell sẽ đều nhau. Nếu dung lượng pin còn nhiều thì Store Charge sẽ xả bớt và ngược lại. Hãy nhớ điều chỉnh chế độ xạc cho phù hợp với dung lượng của pin.

Cứu vãn khi pin đã bị phù rồi

Mình cũng không khác gì các anh em đam mê R/C. Khi nhìn thấy cục pin mới mua dung chưa được bao nhiêu thì phù lên to gấp đôi căng cứng vừa chán lại vừa sợ. Muốn quăng đi nhưng không đành, để lại xài thì không dám, muốn lấy đồ chích cho nó xì ra bớt thì sợ mang hoạ vào thân, xạc lên trở lại thì có cell 3.9V, có cell 4.15V không đều nhau. Vì vậy mà niềm đam mê bị xoái mòn theo túi tiền. 

Pin phù cắm vô xạc, chỉnh qua chế độ Store Charge, dung lượng xạc và điện áp phải phù hợp với cục pin. Xạc xong đem cất và cứ vài ngày đem ra xạc đầy rồi xả pin ở chế độ Store Charge. Chỉ vài lần như vậy thì sẽ thấy bụng của em nó từ từ xẹp xuống.

Đến khi cầm cục pin lên bóp thấy không còn căng cứng nữa và phập phồng như như bong bóng xì hơi khi đó dùng băng keo loại tốt (không giãn nở) quấn nhiều vòng bao bọc cục pin (quấn thật chặt). Khi đó thì có thể tiếp tục xài trở lại như bình thường và bảo dưởng như đã nói ở trên.

Bạn sẽ phải ngạc nhiên khi thấy pin xạc lên được 4.2V/cell, còn tệ quá thì cũng được 4.18volt, nhưng được cái là tất cả các cell đều với nhau.    Những điều ở trên là do mình học hỏi kinh nghiệm trong 1 thời gian dài đau đầu và khô cổ họng cự cãi với tụi MAXAMPS. Và tại sao các nhà sản xuất không khuyến cáo và chỉ dẫn cho người tiêu dùng những diều như trên ? Không cần giải thích các bạn cũng tự hiểu được mà!  Anh em làm ơn đừng hỏi vô chi tiết tại sao và tại sao, mình không phải là nhà hoá học nên mình không biết đâu! 

Goodluck to all. 

Qua những phần phân tích trên, tớ hi vọng bạn sẽ rút ra được những trải nghiệm thú vị và lựa chọn được những loại pin thích hợp với dự án của mình, đúng không nào? Bây giờ chúng ta sẽ tìm cách kết nối các nguồn năng lượng để nó phù hợp với Arduino, bạn nhé.

Một dự án Arduino cần phải tính toán năng lượng như thế nào?

Không cần phải giải thích nhiều bạn cũng biết rằng, Arduino hoạt động ở mức 5V hoặc 3.3V. Ngoài ra bạn có thể cấp một nguồn 'to hơn' vào cổng VIN, nguồn này dao động từ 6 - 20V. Và được khuyên dùng trong mức 7 - 12V (tùy mạch). Nếu đọc qua phần trên, bạn sẽ thấy các loại pin có hiệu điện thế khác nhau, lúc đầu thì hiệu điện thế cao và sau đó giảm dần và tụt ngủn. Vì thế chúng ta cần phải có giải pháp dùng năng lượng cho hợp lý, và điều đầu tiên cần phải làm là tính toán năng lượng cho toàn mạch.

Nói là tính toán nhưng thực chất ta không tính toán gì nhiều và phức tạp cả. Chỉ đơn giản là xem thử có linh kiện nào tốn nhiều điện năng không và nó tốn bao nhiêu, ngoài ra nó hoạt động ổn định ở mức nào. Chẳng hạn như mạch RaspberryPi yêu cầu cần dòng 700mA hoạt động, một webcam Logitech yêu cầu 500mA để hoạt động. Vì vậy, trường hợp xấu nhất là cả 2 cái cùng hoạt động ta sẽ cần dòng điện khoảng 1200mA, nên ta cần chuẩn bị một bộ nguồn có khả năng cho dòng điện cao như thế, ví dụ như là Acquy, Li-ion, Lipo. Còn các mạch siêu tiết kiệm điện thì ta có thể dùng pin cúc áo, pin tiểu, pin Li-ion, các loại pin giá rẻ,...

Thông thường, với các dự án cần công suất lớn, ta sẽ dùng các loại pin có hiệu điện thế tổng cao hơn rồi hạ áp xuống. Việc lựa chọn mạch hạ áp (ổn áp) rất quan trọng vì mỗi mạch có một khả năng cho dòng điện ra khác nhau, tùy thuộc vào dự án của mình mà bạn lựa chọn các mạch giảm áp phù hợp. Ví dụ, như trường hợp ở trên, mình sẽ dùng một package LiPo 14.8 hoặc 11.1 V rồi hạ áp xuống 5V bằng một mạch hạ áp có dòng ra lên đến 1.5A hoặc 2A,...

Các loại mạch hạ áp thông dụng

Còn đối với những mạch tiết kiệm điện, mạch này yêu cầu dòng không quá lớn thì bạn nên dùng 1-2 cục pin than hoặc 1 cục Li-Ion sạc được (hoặc tương tự) rồi nâng áp lên 5V bằng mạch hạ áp.

Các mạch tăng áp thông dụng

Các loại pin nào phù hợp với các dự án Arduino?

Về cơ bản tất cả các loại pin đều phù hợp với mọi dự án Arduino, tuy nhiên, dựa vào thực tế triển khai dự án và khả năng kinh tế của bạn mà đưa ra phương án mua pin hợp lý. Với kinh nghiệm của tớ, bạn không nên mua ngay LiPo hoặc Li-ion mà không có cục sạc I-Max chính hãng (690k hay sao á). Vì nếu không, pin bạn sẽ "hoại tử" rất nhanh và phồng lên một cách kinh ngạc.

Về các dự án không đặt yêu cầu cao về kích thước thì các loại Acquy to luôn là một nguồn năng lượng dồi dào và dễ dàng sạc lại.

Nói chung, mỗi dự án thực tế đều cần có một cách bố trí pin khác nhau, vì vậy, bạn có thắc mắc về pin xin hãy đặt câu hỏi ở dưới, chúng ta sẽ cùng nhàu tìm ra phương án tốt nhất.

Lời kết

Pin không phức tạp đâu, mà nó chỉ đa dạng thôi, hãy cứ nghiên cứu và bạn sẽ có được những kinh nghiệm vui và đáng nhớ, và đừng quên chia sẻ và viết lại những kinh nghiệm ấy nhé!

Chúc các bạn thành công!