Аккумуляторы для телефонов устройство, классификация, отличия

Аккумуляторы

Приобретая мобильный телефон, человек, как правило, меньше всего задумывается над сроком его безотказной работы. А если и задумывается, то связывает его прежде всего с ненадежностью микросхем, радиоэлементов и механическими повреждениями. Исследования показывают, что первое место по отказам занимают элементы питания. В настоящее время в мобильных телефонах используют никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polymer) аккумуляторные батареи. Рассмотрим характеристики аккумуляторов.

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора – максимальное количество электричества, которое можно получить от одной полной зарядки. Обозначается латинской буквой С и выражается в ампер-часах (А-ч) или миллиампер-часах (мА-ч). Так, например, аккумулятор емкостью 720 мА-ч способен отдавать в нагрузку ток 720 мА в течение оного часа или 360 мА в течение двух часов. При этом, конечно, разрядный ток не должен превышать некоторой максимальной силы для конкретного типа аккумулятора, иначе его пластины быстро выйдут из строя.

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Чем оно меньше, тем больший ток способен отдать аккумулятор в нагрузку. Это очень важная характеристика. В режиме приема мобильный телефон потребляет небольшой ток. Однако во время разговора ток резко возрастает. В этом случае аккумуляторы с различным внутренним сопротивлением ведут себя по-разному. Никель-кадмиевые, обладающие наименьшим внутренним сопротивлением, легко отдают требуемый ток. Никель-металл-гидридные обладают самым высоким сопротивлением, поэтому дают просадку напряжения, которая может привести к сбоям либо ваш телефон выдаст сигнал, что аккумулятор разряжен. Так как мобильные телефоны в процессе работы потребляют более или менее стабильный ток, то для их питания применяют литий-ионные либо литий-полимерные аккумуляторы. Никель-металл-гидридные применяют при питании устройств, потребляющих стабильный ток.

Плотность энергии (Energy Density) заряженной батареи

Измеряется в ватт-часах, отнесенных к килограмму массы аккумулятора (встречается и к литру объема). Здесь лидируют литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы (110... 160 Вт/кг), заметно уступают им аккумуляторы 100… 130 Вт/кг. Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют этот показатель 60… 120, никель-кадмиевые - 45… 80 Вт х ч/кг. Из сказанного следует, что наименьшими размерами и весом при одинаковой емкости обладают литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы, несколько большими - никель-металл-гидридные. А литий-полимерным аккумуляторам можно придать практически любую форму.

Время заряда аккумулятора

Это довольно важная характеристика, поскольку при интенсивной эксплуатации аккумуляторы мобильных телефонов приходится заряжать почти ежедневно. Варьируется от 1 часа у никель-кадмиевых (при необходимости их можно зарядить за 15 минут) и 2… 4 часов у никель-металл-гидридных, литий-ионных и литий-полимерных.

Номинальное напряжение одного элемента

У никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов номинальное напряжение составляет 1,25 В, у литий-ионных и литий-полимерных - 3,6 В. Причем у первых двух типов напряжение в процессе разряда практически стабильно, в то время как у литий-ионных аккумуляторов в процессе разряда оно линейно снижается от 4,2 до 2,8 В.

Саморазряд аккумулятора

Саморазряд - уменьшение заряда заряженного, но не подключенного к потребителю энергии аккумулятора в процессе его хранения. Для никель-кадмиевых аккумуляторов это одно из слабых мест. У них потеря заряда достигает 10% в первые сутки после зарядки, а затем по 10% в месяц. Примерно такой же показатель и у никель-металл-гидридных аккумуляторов. Вне конкуренции по этому показателю литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. У них саморазряд не превышает 2 – 5% в месяц, который происходит в основном из-за наличия схем контроля внутри аккумуляторов. Однако ограниченное время «жизни» этих аккумуляторов не дает полностью использовать это положительное качество.

Срок службы

Это одна из важнейших характеристик аккумуляторов, о которой пользователь задумывается почему-то в последнюю очередь. Для аккумуляторов с различной химией он определяется по-разному. Для одних аккумуляторов критичным является общее число рабочих циклов «заряд - разряд», в то время как для других - общее время их эксплуатации.
Никель-кадмиевые аккумуляторы выдерживают более 1500 циклов «заряд - разряд», и как показывает опыт, после восстановления могут проработать еще столько же. При правильном периодическом обслуживании никель-кадмиевые аккумуляторы служат от 5 до 10 и более лет, вплоть до механического износа их корпуса и внутренних контактов.
Никель-металл-гидридные аккумуляторы выдерживают около 500 циклов «заряд - разряд» и срок их службы редко превышает два года даже при весьма аккуратном их обслуживании.
Литий-ионные аккумуляторы можно заряжать-разряжать от 500 до 1000 раз. Но это число циклов полностью выбрать затруднительно из-за короткого срока службы - не более двух лет (по заявлениям производителей). Практически же литий-ионные аккумуляторы теряют свои эксплуатационные качества уже через год.
У литий-полимерных аккумуляторов число циклов «заряд - разряд» колеблется от 300 до 500, и они также редко служат более года. Кроме того, срок службы зависит и от степени разряда - при частичных разрядах он больше, чем при полных.
Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют наименьшее время заряда, допускают наибольший ток нагрузки и обладают наименьшим соотношением цена - срок службы, но в то же время они наиболее критичны к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации.

Характеристика/тип				Li-Polymer
Внутреннее сопротивление
Число циклов «заряд - разряд» до снижения емкости на 80%/срок службы			500-1000/1,5 года	300-500/1,5 года
Время быстрого заряда, ч
Токи нагрузки относительно емкости (С) - пиковый
Токи нагрузки относительно емкости (С) - наиболее приемлемый
Плотность энергии, Вт/кг
Саморазряд за месяц при комнатной температуре, /%
Обслуживание через
Напряжение на элементе, В
Диапазон рабочих температур, ° С
Год выхода на рынок

Сравнительная характеристика аккумуляторов

Эффект памяти

Это общеизвестная проблема для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов. Эффект памяти состоит в частичной (временной) потере емкости аккумулятора, если он будет поставлен на зарядку до полного разряда. Аккумулятор как бы помнит точку начала очередного цикла подзарядки и при разрядке активно отдает только полученную во время последней подзарядки емкость. Иными словами, не полностью разряженный аккумулятор помнит свою предыдущую емкость и, будучи снова полностью заряженным, при разряде отдает только такой заряд, какой он отдал в предыдущем цикле разряда. Проявляется в том, что напряжение в цепи нагруженного и, казалось бы, нормально заряженного аккумулятора внезапно, раньше времени, падает. Эффект памяти реально проявляется в том, что в повседневной жизни пользователи редко дожидаются полной разрядки аккумуляторов перед тем, как поставить их на зарядку.
Физическая суть эффекта памяти заключается в том, что при неполном разряде аккумулятора происходит укрупнение частиц рабочего вещества аккумулятора, соответственно общая площадь соприкосновения рабочего вещества с электролитом уменьшается. Вследствие этого всего за несколько месяцев емкость никель-кадмиевого или никель-металл-гидридного аккумулятора может сократиться в несколько раз.
Поэтому весьма важными для этих типов батарей являются периодические обслуживания, которые состоят в полной разрядке, а затем в полной зарядке аккумулятора. Этот процесс принято называть тренировкой аккумулятора. Никель-кадмиевые аккумуляторы требуют ежемесячной тренировки, никель-металл-гидридные - раз в два-три месяца.
При заметном уменьшении емкости никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов их подвергают процедуре восстановления. Она заключается в очень глубоком разряде аккумулятора, дробящем крупные частицы рабочего вещества на более мелкие. Для этого имеется специальное оборудование, к примеру, анализатор аккумуляторных батарей С7000 канадской фирмы CADEX. Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы не обладают эффектом памяти.

Устройство

Каждый аккумулятор имеет два электрода - положительный и отрицательный. Между электродами помещается разделительный слой, препятствующий разноименным электродам внутри аккумулятора соприкасаться друг с другом. Пространство между электродами заполнено электролитом (кислотным либо щелочным). Электроды могут быть выполнены как чередующиеся пластины.
Вначале аккумуляторы имели пробки, позволявшие стравливать выделяющиеся при заряде газы и сменять электролит. Позднее разработчики придумали изготавливать разные по размерам электроды, что позволило весь выделяющийся газ поглощать непрореагировавшей частью внутри аккумулятора. А это дало возможность производить аккумуляторы в герметичном корпусе.
В корпусах многих моделей аккумуляторов имеется встроенная электроника, не допускающая глубокого разряда, чрезмерного заряда или высокой температуры.

Заряд аккумуляторов

На сегодняшний день применяют три основных метода заряда аккумуляторов:
- нормальный или медленный заряд;
- быстрый заряд;
- скоростной заряд.

Отключение аккумулятора по окончании заряда производится с использованием:
- контроля температуры;
- контроля напряжения заряда;
- контроля спада напряжения заряда;
- контроля тока в конце заряда;
- таймера.

Нормальный или медленный заряд. Этот метод хотя и редко, но применяют для заряда никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов. Он дешевый, но приводит к кристаллизации элементов аккумулятора, что снижает емкость и срок службы. Для заряда литий-ионных и литий полимерных аккумуляторов данный метод применять нельзя, так как происходят необратимые изменения внутренней структуры аккумуляторов.
Зарядное устройство представляет собой источник постоянного напряжения, в выходную цепь которого последовательно включен задающий ток резистор. Зарядный ток аккумуляторов принято численно выражать в частях емкости аккумулятора С. Ток нормального заряда составляет приблизительно 0,1С. Таким образом при емкости аккумулятора 720 мА/час величина 0,1С будет составлять 72 мА.

Быстрый заряд. Используется только для заряда никель-кадмиевых аккумуляторов током 0,5С. Окончание заряда определяется достижением напряжения на аккумуляторе определенной величины.

Скоростной заряд. Характеризуется зарядным током 1С и включает в себя все способы отключения аккумулятора по окончании заряда.
Для заряда никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов применяют метод контроля окончания заряда по резкому незначительному снижению напряжения на аккумуляторе. Его называют отрицательным дельта V-зарядом. Его величина составляет 10…30 мВ на элемент.
Метод контроля температуры использует то, что в конце заряда проходит более интенсивный нагрев аккумулятора, и окончание заряда можно контролировать по скорости изменения температуры. При заряде никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов окончание заряда определяется в том случае, если изменение температуры достигнет 1°С/мин. Абсолютным порогом перегрева считается 60 °С.
Губительное действие на аккумулятор оказывает перезаряд, особенно если по окончании заряда его принудительно отключают, а затем снова подключают к зарядному устройству. При каждой такой операции инициируется цикл скоростного заряда при его высоком начальном токе. Частые подключения устройств, имеющих никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы, к внешним источникам питания значительно сокращают срок службы аккумуляторов.
Зарядные устройства литий-ионных аккумуляторов умеют определять степень заряда аккумулятора.
Особенностью заряда литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов является ограничение напряжения заряда. В настоящее время эти аккумуляторы можно заряжать до 4,20 В. Допустимое отклонение составляет 0,05 В.
При заряде литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов током 1С время заряда составляет 2-3 часа. В процессе заряда они не нагреваются. Аккумулятор достигает состояния полного заряда, когда напряжение на нем достигает 4,20 В + 0,05 В, а ток при этом значительно снижается и составляет примерно 3% от начального тока заряда.

Иногда приходится заряжать полностью разряженные аккумуляторы. В телефоне такой заряд осуществляется автоматически. А если отсутствует зарядное устройство?

При отсутствии специального зарядного устройства заряд аккумуляторов можно осуществить при помощи источника питания с регулируемым на выходе напряжением и максимальным рабочим током 2А и приборами контроля тока и напряжения следующим образом.

Рассказывам об особенностях устройства батарей в мобильных девайсах.

Миллионы людей во всем мире являются активными пользователями мобильных устройств. Это плоды гигантской, мультимиллиардной индустрии, раз и навсегда изменившей наш образ жизни. Маленькие и не очень, функциональные и простые, дорогие и дешевые мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки объединяет один фактор - все они используют для работы заряд батарей. Без них, все эти девайсы превратились бы в куски пластика, метала и текстолита, неспособные прожить и минуты без розетки.

Батареи внутри вашего мобильного устройства представляют собой чудеса химической инженерии - они способны накапливать огромный заряд энергии, способный поддерживать работоспособность устройств на протяжении часов. Как же они устроены?

Большинство современных мобильных устройств используют литий-ионные (или Li-ion) батареи, состоящие из двух основных частей: пары электродов и электролита между ними. Материалы, из которых сделаны эти электроды, варьируются (литий, графит и даже нанопровода), но все они полагаются на химические процессы в основе которых стоит литий.

Это химически активный метал, что подразумевает его способность вступать в реакцию с другими элементами. Чистый литий настолько активен, что воспламеняется под воздействием воздуха, поэтому большинство батарей используют его более безопасную разновидность, именуемую литий оксид кобальта.

Между двух электродов находится электролит, в роли которого обычно выступает жидкий органический растворитель, способный пропускать ток. Когда литий-ионная батарея заряжена, молекулы литий оксид кобальта удерживают электроны, которые затем высвобождаются, когда ваш телефон работает.

Литий-ионные батареи являются наиболее распространенными, потому что могут накапливать большой заряд при малом размере. Это измеряется по шкале плотности энергии на единицу массы. Для литий-ионной батареи этот показатель равен 0,46–0,72 МДж/кг. Для сравнения, у Никель-металл-гидридного аккумулятора (Ni-MH) он равняется 0,33 МДж/кг. Иными словами, литий-ионные батареи меньше и легче, чем другие типы аккумуляторов, что подразумевает более компактные девайсы с более продолжительной «живучестью» от одного заряда.

Емкость аккумулятора

Емкость батареи измеряется в миллиампер-часах (мАч), что означает какое количество энергии сможет выдать аккумулятор за конкретный промежуток времени. К примеру, если емкость батареи равна 1000 мАч, то она сможет предоставить вам 1000 миллиампер на протяжении 1 часа. Если ваш девас будет потреблять 500 миллиампер в час, то проработает он уже 2 часа.

Однако понятие «живучести батареи» чуть сложнее, вышеописанного принципа, так как потребление энергии варьируется в зависимости от того, какие задачи девайс выполняет. Например, если у него включен экран, работает антенна сотовой связи, а процессор загружен тяжелой работой, то девайс будет потреблять больше энергии, чем когда экран выключен, а процессор и антенна находятся в режиме ожидания.

Именно поэтому не нужно слепо полагаться на заявленные производителем показателям автономности работы - производитель может выдавать эти цифры с учетом основе яркости экрана, без включения некоторых функций, как-то Wi-Fi или GPS. Стоит отметить, что Apple в этом отношении действует более честно, указывая «живучесть» устройства на основании выполнения конкретных задач. Если вам любопытно сколько энергии поглощает в том или ином режиме работы, советуем воспользоваться специальным приложением Battery Life Pro.

Контроль за потоком энергии

Так как у литий-ионных батарей имеется тенденция к возгоранию, они должны быть подвержены тщательному контролю. Производители батарей достигли этого путем включения специального контроллера, который следит за силой тока. В итоге, каждый аккумулятор содержит внутри маленький компьютер, который предотвращает слишком быструю разрядку и потерю заряда до опасно низкого уровня. Этот компонент также регулирует силу тока во время зарядки, понижая его по мере того, как заряд батареи приближается к максимальной отметке, чтобы избежать чрезмерной зарядки.

Именно поэтому, полностью разряженный девайс, поставленный на подзарядку, греется в этом процессе намного сильнее, чем лишь немного разряженный.

Будущее аккумуляторов

Технологии по производству батарей не стоят на месте - множество исследовательских лабораторий по всему миру исследуют новые технологии, способные заменить литий, а также новые походы по созданию литий-ионных батарей. Среди новых технологий, много работы было проделано с супер-конденсаторами, в которых батарея хранит энергию в форме электричества, а затем высвобождает ее подобно вспышке на фотоаппарате.

Супер-конденсаторы заряжаются намного быстрее, так как в этом процессе практически не задействованы химические реакции, но современные представители такого рода накопителей способны отдавать заряд лишь короткими порциями, что является противоположностю тому, что требуется для большинства мобильных устройств.

Топливные элементы на основе водорода, тоже являются альтернативой существующим батареям. Система топливных элементов от Nectar, представленная на недавней CES, использует десятидолларовый картридж, способный питать мобильный телефон до двух недель. Однако топливные элементы все еще слишком велики, чтобы поместится в телефоне - та же система от Nectar просто подзаряжает литий-ионную батарею, а не заменяет ее.

А вот сера вполне может занять место внутри литий-ионных батарей. Ученые из Стэндфордского Университета недавно представили нанотехнологию по включению серы в химический состав батареи, что увеличило ее емкость в пять раз, а также увеличило срок службы. В то же время, эта технология находится пока на ранней стадии развития и не выйдет на рынок в ближайшие несколько лет.

P.S. Аккумуляторы в мобильных устройствах, равно как и обычные батарейки, требуют определенной утилизации - просто так выбрасывать их в мусорный бак нельзя. Поэтому рады напомнить вам, что iLand готов взять на себя утилизацию отживших свое элементов питания. Просто принесите их к нам в офис, а об остальном мы позаботимся!

if (window.ab == true) { document.write("
Вы мо­же­те при­об­рес­ти на­род­ный ри­дер DIGMA всего за 4290 рублей. "); }

Вот как выглядит плата контроллера заряда, извлеченная из аккумулятора NOKIA BL-6Q и ее электрическая схема.

Давайте разберемся как это работает. Аккумулятор подключается к двум контактным площадкам, расположенным по бокам контроллера (B- и B+). На печатной плате расположены две микросхемы - TPCS8210 и HY2110CB.

Задачей контроллера является поддержание напряжения на аккумуляторной батарее в пределах 4,3 - 2,4 вольт для ее защиты от перезаряда и переразряда. В режиме нормального разряда (или заряда) микросхема HY2110CB выдает на выводы OD и OS напряжение высокого уровня, которое немного меньше напряжения на батарее.

Это напряжение держит постоянно открытыми полевые транзисторы микросхемы TPCS8210, через которые батарея подсоединяется к нагрузке (Вашему устройству).

При разряде аккумулятора, как только напряжение на аккумуляторе станет меньше 2,4 вольта, сработает детектор переразряда микросхемы HY2110CB и на выход OD перестанет выдаваться напряжение. Верхний (по схеме) транзистор микросхемы TPCS8210 закроется и таким образом батарея отключится от нагрузки.

При зарядке аккумулятора, как только напряжение на аккумуляторе достигнет 4,3 вольта, сработает детектор перезаряда микросхемы HY2110CB и на выход OС перестанет выдаваться напряжение. Нижний (по схеме) транзистор микросхемы TPCS8210 закроется и батарея также отключится от нагрузки.

Альтернативный способ замены

Как видно из схемы ни у одной из микросхем нет никакого вывода для передачи информации о состоянии батареи в Ваше устройство. Выход контроллера "К" просто подсоединен через резистор определенного номинала к отрицательному выводу батареи. Следовательно никакой "секретной" информации от контроллера батареи не поступает. В некоторых моделях контроллеров вместо постоянного резистора устанавливают терморезистор для контроля температуры батареи.

По номиналу этого резистора Ваше устройство может определить тип аккумулятора, или выключиться при несоответствии этого номинала нужным значениям.

Значит для замены такого аккумулятора на аккумулятор другого производителя не обязательно менять контроллер заряда, достаточно просто замерить резистор, стоящий между выводами "-" и "К" и подключить вывод "К" устройства к минусу батареи через внешний резистор того же номинала.

Документацию на используемую в контроллере микросхему HY2110CB можно скачать , а на микросхему TPCS8210 - .

Рассмотрим, на примере электронной книги LBOOK V5, как наиболее точно сделать аналог батареи с использованием знаний об устройстве контроллера заряда. Все работы проводим в следующей последовательности:

• Находим аккумулятор от сотового телефона, ближайший к родному по габаритам и емкости. В нашем случае это NOKIA BL-4U. (Справа на рисунке)
• Откусываем провод от родного аккумулятора с таким расчетом, чтобы оставшейся части на разъеме хватило для припайки нового аккумулятора, а оставшейся части на старой батарее хватило для зачистки проводников и измерения тестером.
• Берем любой цифровой тестер и устанавливаем на нем режим измерения сопротивления, предел измерения - 200 Ком. Подключаем его к отрицательному выводу и выводу контроллера родной батареи. Измеряем сопротивление.
• Отключаем прибор. Ищем ближайший по номиналу резистор. В нашем случае - это 62 Ком.
• Припаиваем резистор между отрицательным выводом новой батареи и проводом выхода контроллера на разъеме. (Желтый провод на рисунке).
• Припаиваем выводы разъема "+" и "-" соответственно к плюсовому и минусовому выводу новой батареи. (Красный и черный провода на рисунке).

if (window.ab == true) { document.write("

Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора

Если расковырять любой аккумулятор от сотового телефона, то можно обнаружить, что к выводам ячейки аккумулятора припаяна небольшая печатная плата. Это так называемая схема защиты, или Protection IC . Из-за своих особенностей литиевые аккумуляторы требуют постоянного контроля. Давайте разберёмся более детально, как устроена схема защиты, и из каких элементов она состоит.

Рядовая схема контроллера заряда литиевого аккумулятора представляет собой небольшую плату, на которой смонтирована электронная схема из SMD компонентов. Схема контроллера 1 ячейки ("банки") на 3,7V, как правило, состоит из двух микросхем. Одна микросхема управляющая, а другая исполнительная - сборка двух MOSFET-транзисторов.

На фото показана плата контроллера заряда от аккумулятора на 3,7V.

Микросхема с маркировкой DW01-P в небольшом корпусе - это по сути "мозг" контроллера. Вот типовая схема включения данной микросхемы. На схеме G1 - ячейка литий-ионного или полимерного аккумулятора. FET1, FET2 - это MOSFET-транзисторы.

Цоколёвка, внешний вид и назначение выводов микросхемы DW01-P.

Транзисторы MOSFET не входят в состав микросхемы DW01-P и выполнены в виде отдельной микросхемы-сборки из 2 MOSFET транзисторов N-типа. Обычно используется сборка с маркировкой 8205, а корпус может быть как 6-ти выводной (SOT-23-6), так и 8-ми выводной (TSSOP-8). Сборка может маркироваться как TXY8205A, SSF8205, S8205A и т.д. Также можно встретить сборки с маркировкой 8814 и аналогичные.

Вот цоколёвка и состав микросхемы S8205A в корпусе TSSOP-8.

Два полевых транзистора используются для того, чтобы раздельно контролировать разряд и заряд ячейки аккумулятора. Для удобства их изготавливают в одном корпусе.

Тот транзистор (FET1), что подключен к выводу OD (Overdischarge ) микросхемы DW01-P, контролирует разряд аккумулятора - подключает/отключает нагрузку. А тот (FET2), что подключен к выводу OC (Overcharge ) - подключает/отключает источник питания (зарядное устройство). Таким образом, открывая или закрывая соответствующий транзистор, можно, например, отключать нагрузку (потребитель) или останавливать зарядку ячейки аккумулятора.

Давайте разберёмся в логике работы микросхемы управления и всей схемы защиты в целом.

Защита от перезаряда (Overcharge Protection).

Как известно, перезаряд литиевого аккумулятора свыше 4,2 - 4,3V чреват перегревом и даже взрывом.

Если напряжение на ячейке достигнет 4,2 - 4,3V (Overcharge Protection Voltage - V OCP ), то микросхема управления закрывает транзистор FET2, тем самым препятствуя дальнейшему заряду аккумулятора. Аккумулятор будет отключен от источника питания до тех пор, пока напряжение на элементе не снизится ниже 4 - 4,1V (Overcharge Release Voltage - V OCR ) из-за саморазряда. Это только в том случае, если к аккумулятору не подключена нагрузка, например он вынут из сотового телефона.

Если же аккумулятор подключен к нагрузке, то транзистор FET2 вновь открывается, когда напряжение на ячейке упадёт ниже 4,2V.

Защита от перезаряда (Overdischarge Protection).

Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 2,3 - 2,5V (Overdischarge Protection Voltage - V ODP ), то контроллер выключает MOSFET-транзистор разряда FET1 - он подключен к выводу DO.

Тут есть весьма интересное условие . Пока напряжение на ячейке аккумулятора не превысить 2,9 - 3,1V (Overdischarge Release Voltage - V ODR ), нагрузка будет полностью отключена. На клеммах контроллера будет 0V. Те, кто мало знаком с логикой работы защитной схемы могут принять такое положение дел за "смерть" аккумулятора. Вот лишь маленький пример.

Миниатюрный Li-polymer аккумулятор 3,7V от MP3-плеера. Состав: управляющий контроллер - G2NK (серия S-8261 ), сборка полевых транзисторов - KC3J1 .

Аккумулятор разрядился ниже 2,5V. Схема контроля отключила его от нагрузки. На выходе контроллера 0V.

При этом если замерить напряжение на ячейке аккумулятора, то после отключения нагрузки оно чуть подросло и достигло уровня 2,7V.

Чтобы контроллер вновь подключил аккумулятор к "внешнему миру", то есть к нагрузке, напряжение на ячейке аккумулятора должно быть 2,9 - 3,1V (V ODR ).

Тут возникает весьма резонный вопрос.

По схеме видно, что выводы Стока (Drain) транзисторов FET1, FET2 соединены вместе и никуда не подключаются. Как же течёт ток по такой цепи, когда срабатывает защита от перезаряда? Как нам снова подзарядить "банку" аккумулятора, чтобы контроллер опять включил транзистор разряда - FET1?

Если порыться в даташитах на микросхемы защиты Li-ion/polymer (в том числе DW01-P ,G2NK ), то можно узнать, что после срабатывания защиты от глубокого разряда, действует схема обнаружения заряда - Charger Detection . То есть при подключении зарядного устройства схема определит, что зарядное устройство подключено и разрешит процесс заряда.

Зарядка до уровня 3,1V после глубокого разряда литиевой ячейки может занять весьма длительное время - несколько часов.

Чтобы восстановить литий-ионный/полимерный аккумулятор можно использовать специальные приборы, например, универсальное зарядное устройство Turnigy Accucell 6 . О том, как это сделать, можно узнать .

Именно этим методом мне удалось восстановить Li-polymer 3,7V аккумулятор от MP3-плеера. Зарядка от 2,7V до 4,2V заняла 554 минуты и 52 секунды, а это более 9 часов ! Вот столько может длиться "восстановительная" зарядка.

Кроме всего прочего, в функционал микросхем защиты литиевых аккумуляторов входит защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection ) и короткого замыкания. Защита от токовой перегрузки срабатывает в случае резкого падения напряжения на определённую величину. После этого микросхема ограничивает ток нагрузки. При коротком замыкании (КЗ) в нагрузке контроллер полностью отключает её до тех пор, пока замыкание не будет устранено.

Полевой транзистор с изолированным затвором

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n - переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые). Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов - МОП (металл - окисел - полупроводник) обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO 2). Еще одно, довольно распространенное название - МДП (металл - диэлектрик - полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET , мосфет , MOS-транзистор . Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET - это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл - окисел - полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET - это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction - переход). Транзисторы J-FET также являются полевыми транзисторами, но управление таким транзистором осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. Эти транзисторы в отличие от MOSFET имеют немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку МДП-транзисторы бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Основу МДП-транзистора составляет:

Подложка из кремния . Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

Области полупроводника n+ . Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому "+"), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

Диэлектрик . Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO 2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора - управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+ ) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал - область проводимости . На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n - это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется - перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа - в нём канал «обогащается» электронами. В транзисторе обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому транзистор пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET транзисторов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами - диэлектрик из оксида кремния (SiO 2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора .

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET-транзисторы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET ” или похожую. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому - напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологий изготовления полевых транзисторов удалось избавиться от этой проблемы. Современные полевые транзисторы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор - IGBT-транзистор , который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора.

IGBT транзистор

Биполярный транзистор с изолированным затвором

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ. БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.

IGBT транзистор - это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что этот тип транзистора унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.

Суть работы IGBT транзистора заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным транзистором. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой управляющей мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Внутренняя структура БТИЗ - это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.

Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n - канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p , что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.

История появления БТИЗ.

Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого транзистора с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.

Несколько позже, в 1985 году был представлен биполярный транзистор с изолированным затвором, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.

Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобные недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.

Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (I кэ max ), а рабочее напряжение (U кэ max ) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку IGBT транзистор имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор - З (управляющий электрод), эмиттер (Э ) и коллектор (К ). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G , вывод эмиттера - E , а вывод коллектора - C .

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Транзистор также может изображаться со встроенным быстродействующим диодом. Также IGBT транзистор может изображаться следующим образом:

Особенности и сферы применения БТИЗ.

Отличительные качества транзисторов IGBT:

Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);

Имеют низкие потери в открытом состоянии;

Могут работать при температуре более 100 0 C;

Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.

Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока, в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.

Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. IGBT транзисторы можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.

Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных - транзисторам IGBT.

Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах.