Batterie per dispositivi telefonici, classificazione, differenze

Batterie

Quando si acquista un telefono cellulare, una persona, di regola, pensa meno di tutto al suo tempo di attività. E se ci pensa, lo collega principalmente all'inaffidabilità di microcircuiti, elementi radio e danni meccanici. Gli studi dimostrano che il primo posto in termini di guasti è occupato dalle batterie. Attualmente, nei telefoni cellulari vengono utilizzate batterie al nichel-cadmio (NiCd), al nichel-metallo idruro (NiMH), agli ioni di litio (Li-Ion) e ai polimeri di litio (Li-Polymer). Considera le caratteristiche delle batterie.

Capacità della batteria

La capacità della batteria è la quantità massima di elettricità che può essere ottenuta da una carica completa. È indicato dalla lettera latina C ed è espresso in ampere (Ah) o milliampere (mAh). Quindi, ad esempio, una batteria da 720 mAh è in grado di fornire una corrente di 720 mA al carico per un'ora o 360 mA per due ore. In questo caso, ovviamente, la corrente di scarica non deve superare una certa forza massima per un particolare tipo di batteria, altrimenti le sue piastre si guasteranno rapidamente.

Resistenza interna della batteria

Più è piccolo, maggiore è la corrente che la batteria può fornire al carico. Questa è una caratteristica molto importante. In modalità di ricezione, il telefono cellulare consuma una piccola quantità di corrente. Tuttavia, durante una conversazione, la corrente aumenta notevolmente. In questo caso, batterie con diversa resistenza interna si comportano in modo diverso. Il nichel-cadmio, avendo la resistenza interna più bassa, fornisce facilmente la corrente richiesta. Le batterie al nichel-metallo idruro hanno la massima resistenza, quindi hanno una caduta di tensione che può causare arresti anomali o il telefono segnalerà che la batteria è scarica. Poiché i telefoni cellulari consumano corrente più o meno stabile durante il funzionamento, per alimentarli vengono utilizzate batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio. L'idruro di nichel-metallo viene utilizzato per alimentare dispositivi che consumano una corrente stabile.

Densità di energia di una batteria carica

Si misura in wattora per chilogrammo di massa della batteria (si trova anche in un litro di volume). Qui, le batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio (110 ... 160 W / kg) sono in testa, le batterie 100 ... 130 W / kg sono notevolmente inferiori a loro. Le batterie al nichel-metallo idruro hanno questo indicatore 60 ... 120, nichel-cadmio - 45 ... 80 W x h / kg. Ne consegue che le batterie ai polimeri di litio e agli ioni di litio hanno le dimensioni e il peso più piccoli con la stessa capacità e le batterie al nichel-metallo idruro sono leggermente più grandi. E le batterie ai polimeri di litio possono essere modellate in quasi tutte le forme.

Tempo di carica della batteria

Questa è una caratteristica piuttosto importante, perché durante l'uso intensivo, le batterie cellulari Devo ricaricare quasi ogni giorno. Varia da 1 ora per le batterie al nichel-cadmio (se necessario, possono essere caricate in 15 minuti) e 2 ... 4 ore per le batterie al nichel-metallo idruro, agli ioni di litio e ai polimeri di litio.

Tensione nominale di un elemento

Per le batterie al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro la tensione nominale è di 1,25 V, per le batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio - 3,6 V. Inoltre, per i primi due tipi, la tensione durante il processo di scarica è pressoché stabile, mentre per le batterie agli ioni di litio durante il processo di scarica diminuisce linearmente da 4,2 a 2,8 V.

Autoscarica della batteria

L'autoscarica è una diminuzione della carica di una batteria carica ma non collegata a un consumatore di energia durante l'immagazzinamento. Per le batterie al nichel-cadmio, questo è uno dei punti deboli. La loro perdita di carica raggiunge il 10% il primo giorno dopo la ricarica, quindi il 10% al mese. Approssimativamente la stessa cifra per le batterie al nichel-metallo idruro. Le batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio sono oltre la concorrenza in questo indicatore. La loro autoscarica non supera il 2 - 5% al ​​mese, cosa che avviene principalmente per la presenza di circuiti di controllo all'interno delle batterie. Tuttavia, la "vita" limitata di queste batterie non consente di utilizzare appieno questa qualità positiva.

Tutta la vita

Questo è uno di le caratteristiche più importanti batterie, che per qualche motivo l'utente pensa per ultime. Per batterie con chimica diversa, è definito in modo diverso. Per alcune batterie, il numero totale di cicli di carica-scarica è fondamentale, mentre per altre è critico il tempo totale del loro funzionamento.
Le batterie al nichel-cadmio possono resistere a più di 1500 cicli di carica-scarica e l'esperienza mostra che dopo il recupero possono funzionare la stessa quantità. Con una corretta manutenzione periodica, le batterie al nichel-cadmio durano dai 5 ai 10 o più anni, fino all'usura meccanica della loro custodia e dei contatti interni.
Le batterie al nichel-metallo idruro durano circa 500 cicli di carica-scarica e raramente durano più di due anni, anche con una manutenzione molto attenta.
Le batterie agli ioni di litio possono essere caricate e scaricate da 500 a 1000 volte. Ma è difficile scegliere completamente questo numero di cicli a causa della breve durata di servizio, non superiore a due anni (secondo i produttori). In pratica, le batterie agli ioni di litio perdono le loro prestazioni dopo un anno.
Le batterie ai polimeri di litio hanno da 300 a 500 cicli di carica-scarica e raramente durano più di un anno. Inoltre, la durata dipende anche dal grado di scarica: con scariche parziali è più lunga rispetto a scariche complete.
Le batterie al nichel-cadmio hanno il tempo di carica più breve, consentono la massima corrente di carico e hanno il rapporto costo-vita più basso, ma allo stesso tempo sono le più critiche per il rispetto accurato dei requisiti per un corretto funzionamento.

Caratteristica/tipo				Li-polimero
Resistenza interna
Numero di cicli di carica-scarica prima che la capacità diminuisca dell'80%/vita di servizio			500-1000/1,5 anni	300-500/1,5 anni
Tempo di ricarica rapido, h
Correnti di carico relative alla capacità (C) - picco
Correnti di carico relative alla capacità (C) - le più accettabili
Densità energetica, W/kg
Autoscarica mensile a temperatura ambiente, /%
Servizio tramite
Tensione dell'elemento, V
Intervallo di temperatura di esercizio, ° С
Anno di ingresso nel mercato

Caratteristiche comparative delle batterie

effetto memoria

Questo è un problema ben noto con le batterie al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro. L'effetto memoria consiste in una perdita parziale (temporanea) della capacità della batteria se questa viene caricata fino alla completa scarica. La batteria, per così dire, ricorda il punto di inizio del ciclo di ricarica successivo e, quando si scarica, cede attivamente solo la capacità ricevuta durante l'ultima ricarica. In altre parole, una batteria non completamente scarica ricorda la sua capacità precedente e, essendo di nuovo completamente carica, una volta scaricata fornisce solo la carica che ha dato nel ciclo di scarica precedente. Si manifesta nel fatto che la tensione nel circuito di una batteria carica e apparentemente normalmente carica diminuisce improvvisamente, prima del tempo. L'effetto memoria è davvero evidente nel fatto che nella vita di tutti i giorni, gli utenti raramente aspettano che le batterie siano completamente scariche prima di metterle in carica.
L'essenza fisica dell'effetto memoria è che quando la batteria non è completamente scarica, le particelle della sostanza attiva della batteria vengono rispettivamente ingrandite. area totale il contatto della sostanza di lavoro con l'elettrolita è ridotto. Di conseguenza, in pochi mesi, la capacità di una batteria al nichel-cadmio o al nichel-metallo idruro può essere ridotta più volte.
Pertanto, la manutenzione periodica è molto importante per questi tipi di batterie, che consiste nello scaricare completamente e quindi caricare completamente la batteria. Questo processo è chiamato addestramento della batteria. Le batterie al nichel-cadmio richiedono un allenamento mensile, nichel-metallo idruro, una volta ogni due o tre mesi.
Con una notevole diminuzione della capacità delle batterie al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro, vengono sottoposte a una procedura di recupero. Consiste in una scarica molto profonda della batteria, frantumando grandi particelle della sostanza di lavoro in particelle più piccole. Per questo, sono disponibili apparecchiature speciali, ad esempio l'analizzatore di batterie C7000 dell'azienda canadese CADEX. Le batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio non hanno un effetto memoria.

Dispositivo

Ogni batteria ha due elettrodi: positivo e negativo. Uno strato separatore è posto tra gli elettrodi, che impedisce agli elettrodi opposti all'interno della batteria di toccarsi. Lo spazio tra gli elettrodi è riempito con un elettrolita (acido o alcalino). Gli elettrodi possono essere realizzati come piastre alternate.
All'inizio le batterie erano dotate di tappi che consentivano di spurgare i gas rilasciati durante la carica e di cambiare l'elettrolito. Successivamente, gli sviluppatori hanno avuto l'idea di realizzare elettrodi di diverse dimensioni, che consentissero di assorbire tutto il gas rilasciato dalla parte non reagita all'interno della batteria. E questo ha permesso di produrre batterie in una custodia sigillata.
Molte custodie per batterie hanno un'elettronica integrata che impedisce la scarica profonda, il sovraccarico o le alte temperature.

Carica batterie

Ad oggi, ci sono tre metodi principali per caricare le batterie:
- carica normale o lenta;
- ricarica rapida;
- carica di velocità.

Lo scollegamento della batteria al termine della carica si effettua utilizzando:
- controllo della temperatura;
- controllo della tensione di carica;
- controllo della caduta di tensione di carica;
- controllo corrente a fine carica;
- Timer.

Carica normale o lenta. Questo metodo, sebbene raro, viene utilizzato per caricare batterie al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro. È economico, ma porta alla cristallizzazione delle celle della batteria, che riduce la capacità e la durata. Questo metodo non può essere utilizzato per caricare batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio, poiché si verificano cambiamenti irreversibili nella struttura interna delle batterie.
Il caricabatterie è una sorgente di tensione costante, nel circuito di uscita di cui è collegato in serie un resistore di regolazione della corrente. La corrente di carica delle batterie è solitamente espressa numericamente in parti della capacità della batteria C. La corrente di carica normale è di circa 0,1°C. Pertanto, con una capacità della batteria di 720 mA / h, il valore di 0,1 C sarà di 72 mA.

Ricarica veloce. Viene utilizzato solo per caricare batterie al nichel-cadmio con una corrente di 0,5°C. La fine della carica è determinata dal raggiungimento di una tensione sulla batteria di un certo valore.

Carica di velocità.È caratterizzato da una corrente di carica di 1C e include tutti i modi per spegnere la batteria al termine della carica.
Per caricare le batterie al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro, viene utilizzato un metodo per controllare la fine della carica mediante una forte e lieve diminuzione della tensione della batteria. Si chiama carica delta V negativa. Il suo valore è 10 ... 30 mV per elemento.
Il metodo di controllo della temperatura sfrutta il fatto che alla fine della carica, la batteria viene riscaldata più intensamente e la fine della carica può essere controllata dalla velocità di variazione della temperatura. Quando si caricano batterie al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro, la fine della carica viene determinata se la variazione di temperatura raggiunge 1°C/min. La soglia assoluta di surriscaldamento è considerata pari a 60 °C.
Il sovraccarico ha un effetto disastroso sulla batteria, soprattutto se, al termine della carica, viene forzatamente scollegata e poi ricollegata al caricabatteria. Con ciascuna di queste operazioni, viene avviato un ciclo di carica ad alta velocità alla sua corrente iniziale elevata. Il collegamento frequente di dispositivi con batterie al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro a fonti di alimentazione esterne riduce notevolmente la durata delle batterie.
I caricabatteria agli ioni di litio sono in grado di rilevare lo stato di carica della batteria.
Una caratteristica della carica delle batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio è la limitazione della tensione di carica. Queste batterie possono attualmente essere caricate fino a 4,20 V. La tolleranza è 0,05 V.
Quando si caricano batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio con una corrente di 1C, il tempo di ricarica è di 2-3 ore. Durante il processo di ricarica, non si riscaldano. La batteria raggiunge uno stato di piena carica quando la tensione su di essa raggiunge 4,20 V + 0,05 V e la corrente diminuisce in modo significativo ed è circa il 3% della corrente di carica iniziale.

A volte è necessario caricare batterie completamente scariche. Nel telefono, tale addebito viene eseguito automaticamente. E se non c'è il caricabatterie?

In assenza di un caricatore speciale, le batterie possono essere caricate utilizzando un alimentatore con tensione di uscita regolabile e una corrente massima di funzionamento di 2A e dispositivi di controllo di corrente e tensione come segue.

Raccontare le caratteristiche del dispositivo a batteria nei dispositivi mobili.

Milioni di persone in tutto il mondo sono utenti attivi di dispositivi mobili. Questi sono i frutti di una gigantesca industria multimiliardaria che ha cambiato il modo in cui viviamo una volta per tutte. Telefoni cellulari, tablet e laptop piccoli e non così, funzionali e semplici, costosi ed economici sono uniti da un fattore: tutti utilizzano la batteria per funzionare. Senza di loro, tutti questi dispositivi si trasformerebbero in pezzi di plastica, metallo e textolite, incapaci di vivere anche pochi minuti senza una presa.

Le batterie all'interno del tuo dispositivo mobile sono meraviglie dell'ingegneria chimica: sono in grado di immagazzinare un'enorme quantità di energia che può mantenere i dispositivi in ​​funzione per ore. Come sono disposti?

La maggior parte dei dispositivi mobili moderni utilizza batterie agli ioni di litio (o agli ioni di litio), che consistono in due parti principali: una coppia di elettrodi e un elettrolita tra di loro. I materiali di cui sono fatti questi elettrodi variano (litio, grafite e persino nanofili), ma si basano tutti su processi chimici a base di litio.

È un metallo reattivo, il che implica la sua capacità di reagire con altri elementi. Il litio puro è così reattivo che si accende se esposto all'aria, quindi la maggior parte delle batterie utilizza una varietà più sicura chiamata ossido di cobalto di litio.

Tra i due elettrodi c'è un elettrolita, che di solito è un solvente organico liquido in grado di far passare corrente. Quando una batteria agli ioni di litio viene caricata, le molecole di ossido di cobalto di litio trattengono gli elettroni, che vengono quindi rilasciati quando il telefono è in funzione.

Le batterie agli ioni di litio sono le più comuni perché possono immagazzinare molta carica in dimensioni ridotte. Questo è misurato su una scala di densità di energia per unità di massa. Per una batteria agli ioni di litio, questa cifra è 0,46-0,72 MJ / kg. Per fare un confronto, una batteria al nichel-metallo idruro (Ni-MH) è di 0,33 MJ/kg. In altre parole, le batterie agli ioni di litio sono più piccole e leggere rispetto ad altri tipi di batterie, il che significa dispositivi più compatti con una maggiore durata della batteria.

Capacità della batteria

La capacità della batteria è misurata in milliampere-ora (mAh), il che significa quanta energia può fornire una batteria in un determinato periodo di tempo. Ad esempio, se la capacità della batteria è di 1000 mAh, sarà in grado di fornire 1000 milliampere per 1 ora. Se i tuoi deva consumeranno 500 milliampere all'ora, funzioneranno per 2 ore.

Tuttavia, il concetto di "sopravvivenza della batteria" è un po' più complicato del principio sopra descritto, poiché il consumo di energia varia a seconda delle attività svolte dal dispositivo. Ad esempio, se il suo schermo è acceso, l'antenna funziona comunicazione cellulare e il processore è sottoposto a un duro lavoro, il dispositivo consumerà più energia rispetto a quando lo schermo è spento e il processore e l'antenna sono in modalità standby.

Ecco perché non dovresti fare affidamento ciecamente sugli indicatori di durata della batteria dichiarati dal produttore: il produttore può emettere questi numeri in base alla luminosità dello schermo, senza attivare alcune funzioni, come Wi-Fi o GPS. Vale la pena notare che Apple è più onesta al riguardo, indicando la "sopravvivenza" del dispositivo in base allo svolgimento di compiti specifici. Se sei curioso di sapere quanta energia assorbe in una particolare modalità di funzionamento, ti consigliamo di utilizzare l'apposita applicazione Battery Life Pro.

Controllo del flusso di energia

Poiché le batterie agli ioni di litio hanno la tendenza ad accendersi, devono essere controllate attentamente. I produttori di batterie hanno raggiunto questo obiettivo includendo uno speciale controller che monitora la quantità di corrente. Di conseguenza, ogni batteria contiene un piccolo computer all'interno che impedisce che si scarichi troppo rapidamente e perda la carica a un livello pericolosamente basso. Questo componente regola anche l'amperaggio durante la carica, abbassandolo quando la batteria si avvicina alla capacità massima per evitare il sovraccarico.

Ecco perché un dispositivo completamente scarico, messo in ricarica, si riscalda in questo processo molto più di uno leggermente scarico.

Il futuro delle batterie

La tecnologia delle batterie sta avanzando: molti laboratori di ricerca in tutto il mondo stanno esplorando nuove tecnologie in grado di sostituire il litio, nonché nuovi approcci alla creazione di batterie agli ioni di litio. Tra le nuove tecnologie, molto lavoro è stato fatto con i supercondensatori, in cui una batteria immagazzina energia sotto forma di elettricità e poi la rilascia come un flash su una fotocamera.

I supercondensatori si caricano molto più velocemente poiché c'è poca o nessuna reazione chimica coinvolta nel processo, ma i moderni supercondensatori sono in grado di fornire carica solo in brevi raffiche, che è l'opposto di ciò che richiede la maggior parte dei dispositivi mobili.

Le celle a combustibile a base di idrogeno sono anche un'alternativa alle batterie esistenti. Il sistema di celle a combustibile di Nectar, presentato al CES di recente, utilizza una cartuccia da $ 10 che può alimentare un telefono cellulare per un massimo di due settimane. Tuttavia, le celle a combustibile sono ancora troppo grandi per stare in un telefono: lo stesso sistema di Nectar ricarica semplicemente la batteria agli ioni di litio, non la sostituisce.

Ma lo zolfo potrebbe benissimo prendere posto all'interno delle batterie agli ioni di litio. Gli scienziati della Stanford University hanno recentemente presentato una nanotecnologia per incorporare lo zolfo Composizione chimica batteria, che ha aumentato la sua capacità di cinque volte e ha anche aumentato la durata. Allo stesso tempo, questa tecnologia è ancora in una fase iniziale di sviluppo e non entrerà nel mercato nei prossimi anni.

PS Batterie dentro dispositivi mobili, così come le batterie convenzionali, richiedono un certo smaltimento: non puoi semplicemente gettarle nella spazzatura. Pertanto, siamo lieti di ricordarvi che iLand è pronta ad affrontare lo smaltimento delle batterie obsolete. Basta portarli nel nostro ufficio e al resto pensiamo noi!

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Ecco come appare la scheda del controller di carica, rimossa dalla batteria del NOKIA BL-6Q e dal suo circuito elettrico.

Vediamo come funziona. La batteria è collegata a due pad situati ai lati del controller (B- e B+). Sul circuito stampato sono presenti due microcircuiti: TPCS8210 e HY2110CB.

Il compito del controller è mantenere la tensione sulla batteria entro 4,3 - 2,4 volt per proteggerla da sovraccarico e scarica eccessiva. Nella modalità di scarica (o carica) normale, il chip HY2110CB emette una tensione di alto livello ai pin OD e OS, che è leggermente inferiore alla tensione della batteria.

Questa tensione mantiene costantemente aperti i FET del chip TPCS8210, attraverso i quali la batteria è collegata al carico (il tuo dispositivo).

Quando la batteria è scarica, non appena la tensione sulla batteria scende al di sotto di 2,4 volt, il rilevatore di sovrascarica del chip HY2110CB funzionerà e la tensione non verrà più emessa all'uscita OD. Il transistor superiore (secondo lo schema) del chip TPCS8210 si chiuderà e quindi la batteria verrà scollegata dal carico.

Quando si carica la batteria, non appena la tensione sulla batteria raggiunge 4,3 volt, il rilevatore di sovraccarico del chip HY2110CB funzionerà e la tensione non verrà più emessa all'uscita OC. Il transistor inferiore (secondo lo schema) del chip TPCS8210 si chiuderà e anche la batteria verrà scollegata dal carico.

Metodo di sostituzione alternativo

Come puoi vedere dal diagramma, nessuno dei microcircuiti ha un'uscita per trasmettere informazioni sullo stato della batteria al tuo dispositivo. L'uscita del controller "K" è semplicemente collegata tramite un resistore di un certo valore al polo negativo della batteria. Pertanto, dal controller della batteria non vengono ricevute informazioni "segrete". In alcuni modelli di controller, invece di un resistore fisso, è installato un termistore per controllare la temperatura della batteria.

In base al valore di questo resistore, il dispositivo può determinare il tipo di batteria o spegnersi se questo valore non corrisponde ai valori desiderati.

Ciò significa che per sostituire una tale batteria con una di un altro produttore non è necessario cambiare il regolatore di carica, basta misurare la resistenza tra i terminali "-" e "K" e collegare il terminale "K" del dispositivo a il negativo della batteria attraverso un resistore esterno della stessa potenza.

È possibile scaricare la documentazione per il chip HY2110CB utilizzato nel controller e per il chip TPCS8210 -.

Facciamo un esempio e-libro LBOOK V5, come realizzare un analogo di una batteria nel modo più accurato utilizzando la conoscenza del dispositivo di controllo della carica. Tutti i lavori vengono eseguiti nella seguente sequenza:

• Trovare una batteria cellulare, più vicino al nativo per dimensioni e capacità. Nel nostro caso, questo è NOKIA BL-4U. (Destra nella foto)
• Mordiamo il filo della batteria nativa in modo tale che la parte rimanente sul connettore sia sufficiente per saldare una nuova batteria e la parte rimanente della vecchia batteria sia sufficiente per spellare i conduttori e misurare con un tester.
• Prendiamo un qualsiasi tester digitale e impostiamo su di esso la modalità di misurazione della resistenza, il limite di misurazione è 200 Kom. Lo colleghiamo al terminale negativo e all'uscita del controller della batteria nativa. Misuriamo la resistenza.
• Spegniamo il dispositivo. Stiamo cercando il valore del resistore più vicino. Nel nostro caso, questo è 62 Kom.
• Saldare un resistore tra il terminale negativo nuova batteria e il cavo di uscita del controller sul connettore. (Filo giallo nella foto).
• Saldare i terminali dei connettori "+" e "-", rispettivamente, ai terminali positivo e negativo della nuova batteria. (Fili rossi e neri nella foto).

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Il dispositivo e il principio di funzionamento del controller di protezione agli ioni di litio/batteria ai polimeri

Se apri una batteria del telefono cellulare, scoprirai che un piccolo circuito stampato è saldato ai terminali della cella della batteria. Questo è il cosiddetto regime di protezione, oProtezione IC. Per le sue caratteristichebatterie al litiorichiedono un monitoraggio costante. Diamo un'occhiata più da vicino a come è organizzato lo schema di protezione e in quali elementi è composto.

Un normale circuito di controllo della carica della batteria al litio è una piccola scheda su cui è montato un circuito elettronico di componenti SMD. Il circuito del controller di 1 cella ("banco") a 3,7 V, di norma, è costituito da due microcircuiti. Un microcircuito è di controllo e l'altro è esecutivo: un insieme di due transistor MOSFET.

La foto mostra una scheda del controller di carica della batteria da 3,7 V.

Un chip contrassegnato DW01-P in un piccolo pacchetto è essenzialmente il "cervello" del controller. Ecco uno schema elettrico tipico per questo chip. Nel diagramma, G1 è una cella di una batteria agli ioni di litio o ai polimeri. FET1, FET2 sono transistor MOSFET.

Sokolevka, aspetto esteriore e l'assegnazione dei pin del chip DW01-P.

I transistor MOSFET non sono inclusi nel chip DW01-P e sono realizzati come un chip di assemblaggio separato di 2 transistor MOSFET di tipo N. Di solito viene utilizzato l'assieme contrassegnato con 8205 e il pacchetto può essere a 6 pin (SOT-23-6) o a 8 pin (TSSOP-8). L'assieme può essere etichettato come TXY8205A, SSF8205, S8205A, ecc. Puoi anche trovare assiemi contrassegnati 8814 e simili.

Ecco la piedinatura e la composizione del chip S8205A nel pacchetto TSSOP-8.

Due FET vengono utilizzati per controllare separatamente la scarica e la carica della cella della batteria. Per comodità, sono realizzati in un caso.

Il transistor (FET1) collegato al pin OD ( Scarico eccessivo) Chip DW01-P, controlla la scarica della batteria - collega / scollega il carico. E quello (FET2) che è collegato al pin OC ( in eccesso) - collega/scollega l'alimentazione (caricabatterie). Pertanto, aprendo o chiudendo il transistor corrispondente, è possibile, ad esempio, spegnere il carico (consumatore) o interrompere la carica della cella della batteria.

Diamo un'occhiata alla logica del chip di controllo e dell'intero circuito di protezione nel suo insieme.

Protezione da sovraccarico.

Come sapete, sovraccaricare una batteria al litio oltre 4,2 - 4,3 V è irto di surriscaldamento e persino di un'esplosione.

Se la tensione della cella raggiunge 4,2 - 4,3 V ( Tensione di protezione da sovraccarico - VOCCP), quindi il chip di controllo chiude il transistor FET2, impedendo così un'ulteriore carica della batteria. La batteria verrà scollegata dalla fonte di alimentazione fino a quando la tensione della cella non scende al di sotto di 4 - 4,1 V ( Sovraccarico di tensione di rilascio - VOCR) per autoscarica. Questo è solo se non è collegato alcun carico alla batteria, ad esempio viene rimossa da un telefono cellulare.

Se la batteria è collegata al carico, il transistor FET2 si riapre quando la tensione della cella scende al di sotto di 4,2 V.

Protezione da sovraccarico.

Se la tensione della batteria scende al di sotto di 2,3 - 2,5 V ( Tensione di protezione da sovraccarico- VODP), quindi il controller spegne il MOSFET FET1 - è collegato al pin DO.

Ci sono molto condizione interessante . Fino a quando la tensione sulla cella della batteria non supera 2,9 - 3,1 V ( Tensione di rilascio sovrascarica - VODR), il carico sarà completamente disconnesso. I terminali del controller saranno 0V. Chi non ha familiarità con la logica del circuito di protezione può prendere questo stato di cose per la "morte" della batteria. Ecco solo un piccolo esempio.

Batteria ai polimeri di litio in miniatura da 3,7 V da un lettore MP3. Composizione: controller di controllo - G2NK (serie S-8261), assemblaggio di transistor ad effetto di campo - KC3J1.

La batteria è scarica al di sotto di 2,5 V. Il circuito di controllo lo ha scollegato dal carico. All'uscita del controller 0V.

Allo stesso tempo, se si misura la tensione sulla cella della batteria, dopo che il carico è stato spento, è leggermente cresciuto e ha raggiunto il livello di 2,7 V.

Affinché il controller possa ricollegare la batteria al "mondo esterno", ovvero al carico, la tensione sulla cella della batteria deve essere 2,9 - 3,1 V ( VODR).

Ciò solleva una domanda molto ragionevole.

Il diagramma mostra che i terminali di drain (Drain) dei transistor FET1, FET2 sono collegati tra loro e non sono collegati da nessuna parte. In che modo la corrente scorre attraverso un tale circuito quando viene attivata la protezione da sovraccarico? Come possiamo ricaricare nuovamente il "banco" della batteria in modo che il controller accenda nuovamente il transistor di scarica - FET1?

Se sfogli le schede tecniche per i chip di protezione agli ioni di litio/polimeri (incluso DW01-P,G2NK), quindi puoi scoprire che dopo l'attivazione della protezione da scarica profonda, il circuito di rilevamento della carica è attivo - Rilevamento del caricatore. Cioè, quando il caricabatterie è collegato, il circuito determinerà che il caricabatterie è collegato e consentirà il processo di ricarica.

La ricarica a 3,1 V dopo una scarica profonda di una cella al litio può richiedere parecchio a lungo- poche ore.

Per ripristinare una batteria agli ioni di litio/polimeri, è possibile utilizzare strumenti speciali, come il caricatore universale Turnigy Accucell 6. Puoi scoprire come farlo.

È stato con questo metodo che sono riuscito a ripristinare una batteria ai polimeri di litio da 3,7 V da un lettore MP3. La ricarica da 2,7 V a 4,2 V ha richiesto 554 minuti e 52 secondi, ovvero più di 9 ore ! Ecco quanto può durare una carica di "recupero".

Tra le altre cose, la funzionalità dei circuiti di protezione della batteria al litio include la protezione da sovracorrente ( Protezione da sovracorrente) e cortocircuito. La protezione da sovracorrente si attiva in caso di un forte calo di tensione di una certa quantità. Successivamente, il microcircuito limita la corrente di carico. In caso di cortocircuito (cortocircuito) nel carico, il controller lo spegne completamente fino all'eliminazione del cortocircuito.

Transistor ad effetto di campo con gate isolato

Oggi, tra un numero sufficiente di varietà di transistor, si distinguono due classi: pag- transistor a giunzione (bipolare) e transistor con gate a semiconduttore isolato (campo). Un altro nome che si può trovare quando si descrivono i transistor ad effetto di campo - MOS (metal - ossido - semiconduttore) è dovuto al fatto che l'ossido di silicio (SiO 2) viene utilizzato principalmente come materiale dielettrico. Un altro nome abbastanza comune è MIS (metallo - dielettrico - semiconduttore).

Alcune spiegazioni. Senti spesso i termini MOSFET, mosfet, Transistor MOS. Questo termine a volte è fuorviante per i principianti in elettronica.

Cos'è un MOSFET?

MOSFET è l'abbreviazione di due frasi inglesi: Metal-Oxide-Semiconductor (metallo - ossido - semiconduttore) e Field-Effect-Transistors (transistor controllato da un campo elettrico). Pertanto, un MOSFET non è altro che un normale MOSFET.

Penso che ora sia chiaro che i termini mosfet, MOSFET, MOS, MIS, MOS significano la stessa cosa, vale a dire un transistor ad effetto di campo con gate isolato.

Vale la pena ricordare che insieme all'abbreviazione MOSFET viene utilizzata l'abbreviazione J-FET (Junction - transition). I transistor J-FET sono anche transistor ad effetto di campo, ma un tale transistor viene controllato utilizzando manager p-n transizione. Questi transistor, a differenza dei MOSFET, hanno una struttura leggermente diversa.

Il principio di funzionamento del transistor ad effetto di campo.

L'essenza del funzionamento di un transistor ad effetto di campo è la capacità di controllare la corrente che lo attraversa utilizzando un campo elettrico (tensione). Ciò si confronta favorevolmente con i transistor di tipo bipolare, in cui una grande corrente di uscita viene controllata utilizzando una piccola corrente di ingresso.

Diamo un'occhiata a un modello semplificato di un transistor a effetto di campo con gate isolato (vedi figura). Poiché i transistor MOS sono disponibili in diversi tipi di conducibilità (n o p), la figura mostra un transistor ad effetto di campo con una porta isolata e un canale di tipo n.

La base del transistor MIS è:

substrato di silicio . Il substrato può essere semiconduttore di tipo p o di tipo n. Se il substrato è di tipo p, il semiconduttore contiene atomi più carichi positivamente nei siti del reticolo cristallino di silicio. Se il substrato è di tipo n, il semiconduttore contiene più atomi caricati negativamente ed elettroni liberi. In entrambi i casi, la formazione di un semiconduttore di tipo p o n si ottiene introducendo impurità.

Regioni a semiconduttore n+ . Queste regioni sono altamente arricchite in elettroni liberi (quindi "+"), che si ottiene introducendo un'impurità nel semiconduttore. Gli elettrodi di sorgente e di drenaggio sono collegati a queste aree.

Dielettrico . Isola l'elettrodo di gate dal substrato di silicio. Il dielettrico stesso è costituito da ossido di silicio (SiO 2). Un elettrodo di gate, l'elettrodo di controllo, è collegato alla superficie del dielettrico.

Ora descriviamo brevemente come funziona il tutto.

Se viene applicata una tensione positiva tra il gate e la sorgente ( + ) al terminale di gate, si forma quindi un campo elettrico trasversale tra il terminale di gate metallico e il substrato. A sua volta, inizia ad attrarre elettroni liberi carichi negativamente allo strato vicino alla superficie del dielettrico, che sono dispersi in una piccola quantità nel substrato di silicio.

Di conseguenza, abbastanza un gran numero di elettroni e si forma un cosiddetto canale - regione di conduzione. Il canale è mostrato in blu nella figura. Il fatto che il canale sia di tipo n significa che è composto da elettroni. Come puoi vedere, si forma una sorta di "ponte" tra i terminali di source e drain, e in effetti, le loro n + regioni, che conducono corrente elettrica.

Flussi di corrente tra sorgente e scarico. Pertanto, a causa della tensione di controllo esterna, viene controllata la conduttività del transistor ad effetto di campo. Se la tensione di controllo viene rimossa dal gate, il canale conduttivo nello strato vicino alla superficie scomparirà e il transistor si chiuderà - smetterà di far passare la corrente. Va notato che la figura del modello semplificato mostra un transistor ad effetto di campo con un canale di tipo n. Esistono anche transistor ad effetto di campo con un canale di tipo p.

Il modello mostrato è molto semplificato. In realtà, il dispositivo di un moderno transistor MOS è molto più complicato. Ma, nonostante ciò, il modello semplificato mostra chiaramente e semplicemente l'idea che era incorporata nel dispositivo del transistor ad effetto di campo con gate isolato.

Tra le altre cose, i transistor ad effetto di campo con gate isolato sono esauriti e arricchiti. La figura mostra solo un transistor ad effetto di campo di tipo arricchito: in esso il canale è "arricchito" con elettroni. In un transistor di tipo impoverito, gli elettroni sono già presenti nella regione del canale, quindi il transistor fa passare corrente senza una tensione di controllo sul gate. Le caratteristiche di corrente-tensione dei transistor ad effetto di campo di tipo impoverito e arricchito differiscono in modo significativo.

Puoi leggere la differenza tra transistor MOSFET di tipo ricco e impoverito qui. Viene mostrato anche lì come vengono designati i MOSFET sugli schemi.

È facile vedere che l'elettrodo di gate e il substrato, insieme al dielettrico che si trova tra di loro, forma una specie di condensatore elettrico. Le piastre sono l'uscita metallica del gate e l'area del substrato e l'isolante tra questi elettrodi è un dielettrico di ossido di silicio (SiO 2). Pertanto, il transistor ad effetto di campo ha un parametro essenziale, che viene chiamato capacità del cancello.

I transistor ad effetto di campo, a differenza di quelli bipolari, hanno un rumore intrinseco inferiore alle basse frequenze. Pertanto, sono attivamente utilizzati nella tecnologia di amplificazione del suono. Quindi, ad esempio, i moderni microcircuiti dell'amplificatore di potenza a bassa frequenza per lettori CD / MP3 per auto contengono transistor MOSFET. Sul cruscotto del ricevitore dell'auto è presente la scritta " MOSFET di potenza" o simili. Quindi il produttore si vanta, chiarendo che gli importa non solo della potenza, ma anche della qualità del suono.

Il transistor ad effetto di campo, rispetto ai transistor di tipo bipolare, ha una resistenza di ingresso maggiore, che può raggiungere da 10 a 9a potenza di ohm o più. Questa caratteristica ci permette di considerare questi dispositivi come controllati dal potenziale o, in altre parole, dalla tensione. Per oggi esso il modo migliore creando circuiti con un consumo energetico sufficientemente basso in modalità di riposo statico. Questa condizione è particolarmente rilevante per i circuiti di memoria statica con un numero elevato di celle di memoria.

Se parliamo della modalità operativa chiave dei transistor, in questo caso quelli bipolari mostrano le migliori prestazioni, poiché la caduta di tensione nelle opzioni di campo è molto significativa, il che riduce l'efficienza complessiva dell'intero circuito. Nonostante ciò, grazie allo sviluppo delle tecnologie di produzione di transistor ad effetto di campo, è stato possibile eliminare questo problema. I moderni FET hanno una bassa resistenza del canale e funzionano benissimo alle alte frequenze.

Come risultato delle ricerche per migliorare le caratteristiche dei potenti transistor ad effetto di campo, è stato inventato un dispositivo elettronico ibrido - Transistor IGBT, che è un ibrido tra un campo e un transistor bipolare.

Transistor IGBT

Transistor bipolare a gate isolato

Nella moderna elettronica di potenza, i cosiddetti transistor IGBT sono ampiamente utilizzati. Questa abbreviazione è presa in prestito da una terminologia straniera e sta per Insulated Gate Bipolar Transistor, e alla maniera russa suona come un Insulated Gate Bipolar Transistor. Pertanto, i transistor IGBT sono anche chiamati IGBT. L'IGBT è un dispositivo di alimentazione elettronico che viene utilizzato come una potente chiave elettronica installata in alimentatori a commutazione, inverter e sistemi di controllo dell'azionamento elettrico.

Il transistor IGBT è un dispositivo piuttosto ingegnoso, che è un ibrido tra un transistor ad effetto di campo e un transistor bipolare. Questa combinazione ha portato al fatto che questo tipo di transistor ereditato tratti positivi, sia un transistor ad effetto di campo che un bipolare.

L'essenza del funzionamento del transistor IGBT è che il transistor ad effetto di campo controlla un potente transistor bipolare. Di conseguenza, la commutazione di un carico potente diventa possibile a bassa potenza di controllo, poiché il segnale di controllo viene inviato al gate del transistor ad effetto di campo.

La struttura interna dell'IGBT è un collegamento in cascata di due interruttori di ingresso elettronici che controllano il terminale positivo. La figura seguente mostra un circuito equivalente semplificato di un IGBT.

L'intero processo di funzionamento dell'IGBT può essere rappresentato in due fasi: non appena viene applicata una tensione positiva, si apre un transistor ad effetto di campo tra il gate e la sorgente, ovvero si forma un canale n tra la sorgente e il pozzo. In questo caso, inizia il movimento delle cariche dalla regione n alla regione P, che comporta l'apertura di un transistor bipolare, a seguito del quale una corrente scorre dall'emettitore al collettore.

La storia dell'emergere di IGBT.

Per la prima volta nel 1973 apparvero potenti transistor ad effetto di campo e già nel 1979 fu proposto un circuito a transistor composito, dotato di un transistor bipolare controllato che utilizzava un transistor ad effetto di campo con gate isolato. Durante i test, è stato riscontrato che quando si utilizza un transistor bipolare come chiave, non c'è saturazione sul transistor principale e ciò riduce notevolmente il ritardo in caso di spegnimento di una chiave.

Poco dopo, nel 1985, fu introdotto un transistor bipolare a gate isolato, caratteristica distintiva che aveva una struttura piatta, la gamma di tensione operativa è diventata più ampia. Quindi, ad alte tensioni e correnti elevate, le perdite nello stato attivo sono molto piccole. In questo caso, il dispositivo ha caratteristiche di commutazione e conduzione simili a quelle di un transistor bipolare e il controllo viene effettuato tramite tensione.

La prima generazione di dispositivi presentava alcuni inconvenienti: la commutazione era lenta e non differivano in termini di affidabilità. La seconda generazione è stata rilasciata negli anni '90 e la terza generazione è ancora in produzione: hanno eliminato tali carenze, hanno un'elevata resistenza di ingresso, la potenza controllata è bassa e nello stato acceso anche la tensione residua è bassa.

Già ora, i transistor IGBT sono disponibili nei negozi di componenti elettronici, che possono commutare correnti nell'intervallo da diverse decine a centinaia di ampere ( io ke max ), e la tensione di esercizio ( Uke max ) può variare da poche centinaia a mille o più volt.

Simbolo IGBT (IGBT) sugli schemi elettrici.

Poiché il transistor IGBT ha una struttura combinata di un transistor a effetto di campo e bipolare, le sue uscite sono anche chiamate gate - w(elettrodo di controllo), emettitore ( e) e collezionista ( A). In modo estraneo, l'uscita della tapparella è indicata dalla lettera G, uscita emettitore - e, e l'uscita del collettore - C.

La figura mostra il simbolo grafico simbolico di un transistor bipolare a gate isolato. Il transistor può anche essere mostrato con un diodo veloce incorporato. Inoltre, il transistor IGBT può essere rappresentato come segue:

Caratteristiche e portata di IGBT.

Qualità distintive dei transistor IGBT:

Controllato in tensione (come qualsiasi transistor ad effetto di campo);

Avere basse perdite nello stato;

Può funzionare a temperature superiori a 100 0 C;

In grado di lavorare con tensioni superiori a 1000 volt e potenze superiori a 5 kilowatt.

Le qualità elencate hanno permesso di utilizzare transistor IGBT in inverter, azionamenti a controllo di frequenza e regolatori di corrente a commutazione. Inoltre, sono spesso utilizzati nelle sorgenti di corrente di saldatura, nei sistemi di controllo per potenti azionamenti elettrici, che vengono installati, ad esempio, su veicoli elettrici: locomotive elettriche, tram, filobus. Questa soluzione aumenta notevolmente l'efficienza e garantisce un'elevata scorrevolezza.

Inoltre, questi dispositivi sono installati in gruppi di continuità e in reti con alta tensione. I transistor IGBT si trovano nei circuiti elettronici di lavaggio, cucito e lavastoviglie, condizionatori inverter, pompe, sistemi di accensione elettronica per auto, sistemi di alimentazione per server e apparecchiature per telecomunicazioni. Come puoi vedere, l'ambito di IGBT è piuttosto ampio.

Vale la pena notare che IGBT e MOSFET sono intercambiabili in alcuni casi, ma i MOSFET sono preferiti per gli stadi a bassa tensione ad alta frequenza e gli IGBT per gli stadi ad alta tensione ad alta potenza.

Quindi, ad esempio, i transistor IGBT svolgono perfettamente le loro funzioni a frequenze operative fino a 20-50 kilohertz. A frequenze più alte, questo tipo di transistor aumenta le perdite. Inoltre, le capacità dei transistor IGBT si manifestano in modo più completo a una tensione operativa superiore a 300-400 volt. Pertanto, i transistor bipolari con gate isolato si trovano più facilmente negli apparecchi elettrici ad alta tensione e potenti.