Baterie do telefonów komórkowych, klasyfikacja, różnice

Baterie

Kupując telefon komórkowy, osoba z reguły najmniej myśli o jego czasie pracy. A jeśli już o tym myśli, kojarzy mu się to przede wszystkim z zawodnością mikroukładów, elementów radiowych i uszkodzeniami mechanicznymi. Badania pokazują, że w awariach pierwsze miejsce zajmują akumulatory. Obecnie w telefonach komórkowych stosowane są baterie niklowo-kadmowe (NiCd), niklowo-wodorkowe (NiMH), litowo-jonowe (Li-Ion) i litowo-polimerowe (Li-Polymer). Spójrzmy na charakterystykę baterii.

Pojemność baterii

Pojemność baterii – maksymalna ilość energię elektryczną, jaką można uzyskać po jednym pełnym naładowaniu. Jest on oznaczony łacińską literą C i wyrażany w amperogodzinach (Ah) lub miliamperogodzinach (mAh). Na przykład akumulator o pojemności 720 mAh jest w stanie dostarczyć do obciążenia prąd o natężeniu 720 mA przez jedną godzinę lub 360 mA przez dwie godziny. W takim przypadku prąd rozładowania nie powinien oczywiście przekraczać pewnej maksymalnej siły dla określonego typu akumulatora, w przeciwnym razie jego płytki szybko ulegną uszkodzeniu.

Rezystancja wewnętrzna akumulatora

Im jest on mniejszy, tym większy prąd akumulator może dostarczyć do obciążenia. Jest to bardzo ważna cecha. W trybie odbioru telefon komórkowy zużywa niewielki prąd. Jednak podczas rozmowy prąd gwałtownie wzrasta. W tym przypadku akumulatory o różnej rezystancji wewnętrznej zachowują się inaczej. Niklowo-kadmowy, który ma najniższy opór wewnętrzny, z łatwością dostarcza wymagany prąd. Baterie niklowo-metalowo-wodorkowe mają największą rezystancję, dlatego powodują spadek napięcia, co może prowadzić do awarii lub telefon zasygnalizuje niski poziom naładowania baterii. Ponieważ telefony komórkowe zużywają mniej więcej stabilny prąd podczas pracy, do ich zasilania stosuje się baterie litowo-jonowe lub litowo-polimerowe. Niklowo-wodorek służy do zasilania urządzeń pobierających stabilny prąd.

Gęstość energii naładowanego akumulatora

Mierzy się go w watogodzinach na kilogram masy akumulatora (wyliczany również na litr objętości). Tu prym wiodą akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe (110...160 W/kg), zauważalnie ustępują im akumulatory 100...130 W/kg. Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe mają ten wskaźnik 60... 120, akumulatory niklowo-kadmowe - 45... 80 W x h/kg. Z powyższego wynika, że ​​najmniejsze wymiary i wagę mają akumulatory litowo-polimerowe i litowo-jonowe przy tej samej pojemności, natomiast akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe mają nieco większe. A akumulatorom litowo-polimerowym można nadać niemal dowolny kształt.

Czas ładowania baterii

Jest to dość ważna cecha, ponieważ podczas intensywnego użytkowania akumulatory telefony komórkowe Muszę go ładować prawie codziennie. Waha się od 1 godziny dla niklu i kadmu (w razie potrzeby można je naładować w 15 minut) i 2 ... 4 godzin dla niklu i wodorku metalu, litowo-jonowego i litowo-polimerowego.

Napięcie znamionowe jednego elementu

Dla akumulatorów niklowo-kadmowych i niklowo-metalowo-wodorkowych napięcie nominalne wynosi 1,25 V, dla akumulatorów litowo-jonowych i litowo-polimerowych - 3,6 V. Ponadto w przypadku dwóch pierwszych typów napięcie podczas procesu rozładowywania jest prawie stabilne, natomiast dla W przypadku akumulatorów litowo-jonowych podczas procesu rozładowywania zmniejsza się liniowo od 4,2 do 2,8 V.

Samorozładowanie akumulatora

Samorozładowanie to spadek naładowania akumulatora, który jest naładowany, ale nie jest podłączony do odbiornika energii podczas przechowywania. W przypadku akumulatorów niklowo-kadmowych jest to jeden ze słabych punktów. Utrata ich ładunku sięga 10% w pierwszym dniu po naładowaniu, a następnie 10% miesięcznie. Liczba ta jest w przybliżeniu taka sama dla akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych. Pod tym względem bezkonkurencyjne są akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe. Ich samorozładowanie nie przekracza 2 – 5% miesięcznie, co następuje głównie na skutek obecności obwodów sterujących wewnątrz akumulatorów. Jednak ograniczona „żywotność” tych akumulatorów nie pozwala na pełne wykorzystanie tej pozytywnej jakości.

Żywotność

To jest jeden z najważniejsze cechy akumulatory, co z jakiegoś powodu jest ostatnią rzeczą, o której myśli użytkownik. Definiuje się go inaczej dla akumulatorów o różnym składzie chemicznym. W przypadku niektórych akumulatorów krytyczna jest całkowita liczba cykli ładowania-rozładowania, podczas gdy w przypadku innych krytyczny jest całkowity czas ich pracy.
Akumulatory niklowo-kadmowe wytrzymują ponad 1500 cykli ładowania i rozładowania, a doświadczenie pokazuje, że po renowacji mogą wytrzymać tyle samo. Przy odpowiedniej okresowej konserwacji akumulatory niklowo-kadmowe wytrzymują od 5 do 10 lub więcej lat, aż do mechanicznego zużycia ich obudowy i wewnętrznych styków.
Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe wytrzymują około 500 cykli ładowania i rozładowania, a ich żywotność rzadko przekracza dwa lata, nawet przy bardzo starannej konserwacji.
Baterie litowo-jonowe można ładować i rozładowywać od 500 do 1000 razy. Trudno jednak całkowicie wybrać tę liczbę cykli ze względu na krótki okres użytkowania - nie więcej niż dwa lata (zgodnie z oświadczeniami producentów). W praktyce akumulatory litowo-jonowe tracą swoją wydajność w ciągu roku.
Baterie litowo-polimerowe mają żywotność cykli ładowania i rozładowania od 300 do 500 i rzadko wytrzymują dłużej niż rok. Ponadto żywotność zależy również od stopnia rozładowania - przy wyładowaniach niezupełnych jest dłuższa niż przy wyładowaniach pełnych.
Akumulatory niklowo-kadmowe charakteryzują się najkrótszym czasem ładowania, pozwalają na najwyższy prąd obciążenia i mają najniższy stosunek ceny do trwałości, ale jednocześnie są najważniejsze dla ścisłego spełnienia wymagań dotyczących prawidłowej pracy.

Charakterystyka/typ				Li-polimer
Opór wewnętrzny
Liczba cykli ładowania i rozładowania do momentu zmniejszenia pojemności o 80%/żywotność			500-1000/1,5 roku	300-500/1,5 roku
Szybki czas ładowania, godz
Prądy obciążenia w stosunku do pojemności (C) - szczyt
Prądy obciążenia w stosunku do pojemności (C) - jak najbardziej akceptowalne
Gęstość energii, W/kg
Samorozładowanie miesięcznie o godz temperatura pokojowa, /%
Obsługa przez
Napięcie na elemencie, V
Zakres temperatury roboczej, ° C
Rok wejścia na rynek

Charakterystyka porównawcza akumulatorów

Efekt pamięci

Jest to dobrze znany problem akumulatorów niklowo-kadmowych i niklowo-metalowo-wodorkowych. Efekt pamięci polega na częściowej (tymczasowej) utracie pojemności akumulatora, jeśli jest on ładowany aż do całkowitego rozładowania. Akumulator zdaje się pamiętać moment rozpoczęcia kolejnego cyklu ładowania i podczas rozładowywania aktywnie oddaje tylko pojemność uzyskaną podczas ostatniego ładowania. Innymi słowy, akumulator, który nie jest całkowicie rozładowany, pamięta swoją poprzednią pojemność i po ponownym pełnym naładowaniu, po rozładowaniu, daje tylko taki sam ładunek, jaki dawał w poprzednim cyklu rozładowania. Przejawia się to tym, że napięcie w obwodzie obciążonego i pozornie normalnie naładowanego akumulatora nagle, przedwcześnie spada. Efekt pamięci tak naprawdę przejawia się w tym, że na co dzień użytkownicy rzadko czekają, aż akumulatory całkowicie się rozładują, zanim je naładują.
Fizyczna istota efektu pamięci polega na tym, że gdy akumulator nie jest całkowicie rozładowany, cząstki substancji roboczej akumulatora stają się odpowiednio większe powierzchnia całkowita kontakt substancji roboczej z elektrolitem jest zmniejszony. Dzięki temu w ciągu zaledwie kilku miesięcy pojemność akumulatora niklowo-kadmowego lub niklowo-wodorkowego może zostać zmniejszona kilkukrotnie.
Dlatego w przypadku tego typu akumulatorów bardzo ważna jest okresowa konserwacja, która polega na całkowitym rozładowaniu, a następnie pełnym naładowaniu akumulatora. Proces ten jest powszechnie nazywany treningiem baterii. Akumulatory niklowo-kadmowe wymagają comiesięcznego szkolenia, akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe - raz na dwa do trzech miesięcy.
W przypadku zauważalnego spadku pojemności akumulatorów niklowo-kadmowych i niklowo-metalowo-wodorkowych poddawane są one procedurze odzysku. Polega na bardzo głębokim rozładowaniu akumulatora, rozdrobnieniu dużych cząstek substancji roboczej na mniejsze. Jest do tego specjalny sprzęt, na przykład analizator akumulatorów C7000 kanadyjskiej firmy CADEX. Baterie litowo-jonowe i litowo-polimerowe nie mają efektu pamięci.

Urządzenie

Każda bateria ma dwie elektrody - dodatnią i ujemną. Pomiędzy elektrodami umieszczona jest warstwa oddzielająca, aby zapobiec zetknięciu się ze sobą różnych elektrod wewnątrz akumulatora. Przestrzeń pomiędzy elektrodami wypełniona jest elektrolitem (kwasowym lub zasadowym). Elektrody mogą być wykonane jako płytki naprzemienne.
Początkowo akumulatory posiadały wtyczki, które umożliwiały uwolnienie gazów wydzielających się podczas ładowania i wymianę elektrolitu. Później twórcy wpadli na pomysł wykonania elektrod o różnych rozmiarach, co pozwoliło na wchłonięcie całego uwolnionego gazu przez nieprzereagowaną część wewnątrz akumulatora. Umożliwiło to produkcję akumulatorów w szczelnej obudowie.
Wiele modeli akumulatorów ma wbudowaną elektronikę, która zapobiega głębokiemu rozładowaniu, przeładowaniu lub wysokim temperaturom.

Ładowanie baterii

Obecnie stosuje się trzy główne metody ładowania akumulatorów:
- ładowanie normalne lub wolne;
- szybkie ładowanie;
- szybkie ładowanie.

Akumulator odłącza się po zakończeniu ładowania za pomocą:
- kontrola temperatury;
- kontrola napięcia ładowania;
- kontrola spadku napięcia ładowania;
- kontrola prądu na koniec ładowania;
- minutnik.

Ładowanie normalne lub wolne. Metoda ta, choć rzadka, stosowana jest do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych i niklowo-metalowo-wodorkowych. Jest tani, ale powoduje krystalizację ogniw akumulatora, co zmniejsza pojemność i żywotność. Metodą tą nie można ładować akumulatorów litowo-jonowych i litowo-polimerowych, gdyż w wewnętrznej strukturze akumulatorów zachodzą nieodwracalne zmiany.
Ładowarka jest źródłem napięcia stałego, w obwodzie wyjściowym którego włączony jest szeregowo rezystor ustalający prąd. Prąd ładowania akumulatorów jest zwykle wyrażany liczbowo w częściach pojemności akumulatora C. Normalny prąd ładowania wynosi około 0,1 C. Zatem przy pojemności akumulatora 720 mA/h wartość 0,1C będzie wynosić 72 mA.

Szybkie ładowanie. Służy wyłącznie do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych prądem 0,5C. Zakończenie ładowania określa się, gdy napięcie akumulatora osiągnie określoną wartość.

Opłata za prędkość. Charakteryzuje się prądem ładowania 1C i obejmuje wszystkie metody odłączenia akumulatora po zakończeniu ładowania.
Do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych i niklowo-wodorkowych stosuje się metodę kontrolowania końca ładowania poprzez gwałtowny, niewielki spadek napięcia na akumulatorze. Nazywa się to ujemnym ładunkiem delta V. Jego wartość wynosi 10...30 mV na element.
Metoda kontroli temperatury wykorzystuje fakt, że pod koniec ładowania akumulator nagrzewa się intensywniej, a koniec ładowania można kontrolować szybkością zmiany temperatury. Podczas ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych i niklowo-metalowo-wodorkowych koniec ładowania określa się, gdy zmiana temperatury osiągnie 1°C/min. Za bezwzględny próg przegrzania uznaje się 60°C.
Przeładowanie ma szkodliwy wpływ na akumulator, zwłaszcza jeśli pod koniec ładowania zostanie on na siłę wyłączony, a następnie ponownie podłączony do ładowarki. Każda taka operacja inicjuje cykl ładowania z dużą prędkością przy wysokim prądzie początkowym. Częste podłączanie urządzeń zawierających akumulatory niklowo-kadmowe i niklowo-metalowo-wodorkowe do zewnętrznych źródeł zasilania znacznie skraca żywotność baterii.
Ładowarki do akumulatorów litowo-jonowych potrafią wykryć stan naładowania akumulatora.
Cechą ładowania akumulatorów litowo-jonowych i litowo-polimerowych jest ograniczenie napięcia ładowania. Obecnie akumulatory te można ładować napięciem do 4,20 V. Tolerancja wynosi 0,05 V.
Podczas ładowania akumulatorów litowo-jonowych i litowo-polimerowych prądem 1C czas ładowania wynosi 2-3 godziny. Nie nagrzewają się podczas ładowania. Akumulator osiąga stan pełnego naładowania, gdy napięcie na nim osiągnie wartość 4,20 V + 0,05 V, a prąd znacznie maleje i wynosi około 3% początkowego prądu ładowania.

Czasami trzeba naładować całkowicie rozładowane akumulatory. W telefonie ładowanie to odbywa się automatycznie. A co jeśli nie ma ładowarki?

W przypadku braku specjalnej ładowarki akumulatory można ładować za pomocą źródła prądu o regulowanym napięciu wyjściowym i maksymalnym prądzie roboczym 2A oraz urządzeń monitorujących prąd i napięcie w następujący sposób.

Mówimy o funkcjach baterii w urządzeniach mobilnych.

Miliony ludzi na całym świecie aktywnie korzystają z urządzeń mobilnych. To owoce gigantycznego, wielomiliardowego przemysłu, który raz na zawsze zmienił nasz sposób życia. Małe i nie takie, funkcjonalne i proste, drogie i tanie telefony komórkowe, tablety i laptopy łączy jeden czynnik – wszystkie do działania wykorzystują energię baterii. Bez nich wszystkie te urządzenia zamieniłyby się w kawałki plastiku, metalu i tekstolitu, nie mogąc przeżyć ani minuty bez gniazdka.

Baterie znajdujące się w Twoim urządzeniu mobilnym to cuda inżynierii chemicznej — zdolne do magazynowania ogromnych ilości energii, dzięki której Twoje urządzenia mogą działać przez wiele godzin. Jak są ułożone?

Większość nowoczesnych urządzeń mobilnych wykorzystuje akumulatory litowo-jonowe (lub litowo-jonowe), które składają się z dwóch głównych części: pary elektrod i elektrolitu pomiędzy nimi. Materiały, z których wykonane są te elektrody, są różne (lit, grafit, a nawet nanodruty), ale wszystkie opierają się na chemii na bazie litu.

Jest metalem reaktywnym, co oznacza, że ​​ma zdolność reagowania z innymi pierwiastkami. Czysty lit jest tak reaktywny, że zapala się pod wpływem powietrza, dlatego w większości akumulatorów stosuje się bezpieczniejszą formę zwaną tlenkiem litu i kobaltu.

Pomiędzy dwiema elektrodami znajduje się elektrolit, którym jest zwykle ciekły rozpuszczalnik organiczny zdolny do przepuszczania prądu. Podczas ładowania baterii litowo-jonowej cząsteczki tlenku litu i kobaltu zatrzymują elektrony, które są następnie uwalniane podczas korzystania z telefonu.

Najpopularniejsze są akumulatory litowo-jonowe, ponieważ mogą przechowywać dużą ilość ładunku w małych rozmiarach. Mierzy się ją w skali gęstości energii na jednostkę masy. W przypadku akumulatora litowo-jonowego liczba ta wynosi 0,46–0,72 MJ/kg. Dla porównania dla akumulatora niklowo-metalowo-wodorkowego (Ni-MH) jest to 0,33 MJ/kg. Innymi słowy, akumulatory litowo-jonowe są mniejsze i lżejsze niż inne typy akumulatorów, co oznacza bardziej kompaktowe urządzenia o dłuższej żywotności na jednym ładowaniu.

Pojemność baterii

Pojemność baterii mierzy się w miliamperogodzinach (mAh), co oznacza, ile energii bateria może wytworzyć w określonym czasie. Na przykład, jeśli pojemność baterii wynosi 1000 mAh, może zapewnić 1000 miliamperów przez 1 godzinę. Jeśli Twoje urządzenie zużywa 500 miliamperów na godzinę, będzie działać przez 2 godziny.

Jednak koncepcja „żywotności baterii” jest nieco bardziej skomplikowana niż zasada opisana powyżej, ponieważ zużycie energii różni się w zależności od zadań wykonywanych przez urządzenie. Na przykład, jeśli jego ekran jest włączony, antena działa komunikacja komórkowa, a procesor jest obciążony dużą pracą, urządzenie będzie zużywać więcej energii niż wtedy, gdy ekran jest wyłączony, a procesor i antena znajdują się w trybie czuwania.

Dlatego nie trzeba ślepo polegać na deklarowanych przez producenta wskaźnikach żywotności baterii – producent może podawać te liczby na podstawie jasności ekranu, bez uwzględnienia niektórych funkcji, takich jak Wi-Fi czy GPS. Warto zaznaczyć, że Apple jest w tym względzie bardziej uczciwy, wskazując „przeżywalność” urządzenia na podstawie wykonania określonych zadań. Jeśli ciekawi Cię, ile energii pochłania dany tryb pracy, polecamy skorzystać ze specjalnej aplikacji Battery Life Pro.

Kontrola przepływu energii

Ponieważ akumulatory litowo-jonowe mają tendencję do zapalania się, należy je uważnie monitorować. Producenci akumulatorów osiągają to poprzez dodanie specjalnego kontrolera monitorującego przepływ prądu. Ostatecznie w każdej baterii znajduje się mały komputer, który zapobiega jej zbyt szybkiemu rozładowaniu i utracie ładunku do niebezpiecznie niskiego poziomu. Element ten reguluje również prąd podczas ładowania, obniżając go, gdy akumulator zbliża się do maksymalnego poziomu naładowania, aby uniknąć przeładowania.

Dlatego całkowicie rozładowane urządzenie postawione na ładowanie nagrzewa się podczas tego procesu znacznie bardziej niż lekko rozładowane.

Przyszłość akumulatorów

Technologie produkcji akumulatorów nie stoją w miejscu – wiele laboratoriów badawczych na całym świecie bada nowe technologie, które mogą zastąpić lit, a także nowe podejścia do tworzenia akumulatorów litowo-jonowych. Wśród nowych technologii wiele pracy włożono w superkondensatory, w których bateria magazynuje energię w postaci prądu elektrycznego, a następnie ją uwalnia, podobnie jak lampa błyskowa w aparacie.

Superkondensatory ładują się znacznie szybciej, ponieważ w procesie tym praktycznie nie zachodzą żadne reakcje chemiczne, ale dzisiejsze superkondensatory mogą rozładowywać ładunek jedynie w krótkich seriach, co jest przeciwieństwem wymagań większości urządzeń mobilnych.

Alternatywą dla istniejących akumulatorów są także wodorowe ogniwa paliwowe. System ogniw paliwowych firmy Nectar, zaprezentowany na niedawnych targach CES, wykorzystuje wkład za dziesięć dolarów, który może zasilać telefon komórkowy nawet przez dwa tygodnie. Jednak ogniwa paliwowe są nadal zbyt duże, aby zmieścić się w telefonie – ten sam system firmy Nectar po prostu ładuje akumulator litowo-jonowy, zamiast go wymieniać.

Ale siarka może równie dobrze zająć jej miejsce w akumulatorach litowo-jonowych. Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda wprowadzili niedawno nanotechnologię polegającą na włączaniu siarki do produktów skład chemiczny akumulatorów, co pięciokrotnie zwiększyło jego pojemność, a także wydłużyło żywotność. Jednocześnie technologia ta jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju i nie trafi na rynek w ciągu najbliższych kilku lat.

P.S. Baterie włożone urządzenia mobilne podobnie jak zwykłe baterie wymagają odpowiedniej utylizacji – nie można ich po prostu wyrzucić do kosza. Dlatego miło nam przypomnieć, że iLand jest gotowy podjąć się utylizacji przestarzałych baterii. Po prostu przynieś je do naszego biura, a my zajmiemy się resztą!

if (window.ab == true) ( ​​document.write("
Popularny czytnik DIGMA można kupić już za jedyne 4290 rubli. "); }

Tak wygląda płytka kontrolera ładowania wyjęta z akumulatora NOKIA BL-6Q i jego obwodu elektrycznego.

Zastanówmy się, jak to działa. Bateria podłączona jest do dwóch styków znajdujących się po bokach sterownika (B- i B+). Na płytce drukowanej znajdują się dwa chipy - TPCS8210 i HY2110CB.

Zadaniem sterownika jest utrzymywanie napięcia akumulatora w granicach 4,3 – 2,4 V, aby zabezpieczyć go przed przeładowaniem i nadmiernym rozładowaniem. W normalnym trybie rozładowania (lub ładowania) mikroukład HY2110CB wysyła na piny OD i OS napięcie o wysokim poziomie, które jest nieco niższe niż napięcie na akumulatorze.

Napięcie to utrzymuje tranzystory polowe układu TPCS8210 stale otwarte, przez co akumulator jest podłączony do obciążenia (twojego urządzenia).

Gdy akumulator zostanie rozładowany, gdy tylko napięcie na akumulatorze spadnie poniżej 2,4 V, zadziała detektor nadmiernego rozładowania mikroukładu HY2110CB i napięcie nie będzie już podawane na wyjście OD. Górny (wg schematu) tranzystor układu TPCS8210 zamknie się i tym samym akumulator zostanie odłączony od obciążenia.

Podczas ładowania akumulatora, gdy tylko napięcie na akumulatorze osiągnie 4,3 V, zadziała detektor przeładowania układu HY2110CB i napięcie nie będzie już podawane na wyjście systemu operacyjnego. Dolny (wg schematu) tranzystor układu TPCS8210 zamknie się i akumulator również zostanie odłączony od obciążenia.

Alternatywna metoda wymiany

Jak widać na schemacie, żaden z mikroukładów nie ma wyjścia umożliwiającego przesyłanie informacji o stanie baterii do Twojego urządzenia. Wyjście sterownika „K” jest po prostu podłączone przez rezystor o określonej wartości do ujemnego bieguna akumulatora. Dlatego też od kontrolera baterii nie są otrzymywane żadne „tajne” informacje. W niektórych modelach kontrolerów zamiast rezystor stały zainstaluj termistor, aby kontrolować temperaturę akumulatora.

Na podstawie wartości tego rezystora urządzenie może określić rodzaj akumulatora lub wyłączyć się, jeśli wartość ta nie spełnia wymaganych wartości.

Oznacza to, że aby wymienić taki akumulator na akumulator innego producenta, nie jest konieczna zmiana regulatora ładowania, wystarczy po prostu zmierzyć rezystor znajdujący się pomiędzy zaciskami „-” i „K” i podłączyć „K”. zacisk urządzenia do minusa akumulatora poprzez zewnętrzny rezystor o tej samej wartości.

Można pobrać dokumentację dla zastosowanego w sterowniku układu HY2110CB, a dla układu TPCS8210.

Spójrzmy na przykład e-book LBOOK V5, jak najdokładniej wykonać baterię analogową wykorzystując wiedzę na temat konstrukcji kontrolera ładowania. Wszystkie prace wykonujemy w następującej kolejności:

• Znajdujemy baterię z telefon komórkowy, najbliższy oryginałowi pod względem rozmiaru i pojemności. W naszym przypadku jest to NOKIA BL-4U. (tuż na zdjęciu)
• Odgryzamy przewód z oryginalnego akumulatora w taki sposób, aby pozostała część na złączu wystarczyła do przylutowania nowego akumulatora, a pozostała część na starym akumulatorze wystarczyła na odizolowanie przewodów i zmierzenie testerem.
• Bierzemy dowolny tester cyfrowy i ustawiamy go w tryb pomiaru rezystancji, granica pomiaru wynosi 200 Kom. Podłączamy go do zacisku ujemnego i zacisku sterownika oryginalnego akumulatora. Mierzymy rezystancję.
• Wyłącz urządzenie. Szukamy rezystora o najbliższej wartości nominalnej. W naszym przypadku jest to 62 Kom.
• Przylutuj rezystor między zaciskiem ujemnym nowy akumulator oraz przewód wyjściowy sterownika na złączu. (Żółty przewód na zdjęciu).
• Przylutuj odpowiednio zaciski złączy „+” i „-” do dodatnich i ujemnych zacisków nowego akumulatora. (Na zdjęciu przewody czerwony i czarny).

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

Budowa i zasada działania sterownika zabezpieczającego baterię litowo-jonowo-polimerową

Jeśli rozbierzesz baterię telefonu komórkowego, zobaczysz, że mała płytka drukowana jest przylutowana do zacisków ogniwa baterii. Jest to tak zwany obwód ochronny lubUkład scalony ochrony. Ze względu na swoje właściwościbaterie litowewymagają stałego monitorowania. Przyjrzyjmy się bliżej budowie obwodu zabezpieczającego i z jakich elementów się składa.

Zwykły obwód kontrolera ładowania baterii litowej to niewielka płytka, na której zamontowany jest obwód elektroniczny wykonany z elementów SMD. Obwód kontrolera 1 ogniwa („bank”) przy napięciu 3,7 V składa się z reguły z dwóch mikroukładów. Jeden układ sterujący, drugi wykonawczy - zespół dwóch tranzystorów MOSFET.

Na zdjęciu płytka kontrolera ładowania z akumulatora 3,7 V.

Mikroukład oznaczony jako DW01-P w małej obudowie jest w istocie „mózgiem” sterownika. Oto typowy schemat podłączenia tego mikroukładu. Na schemacie G1 oznacza ogniwo akumulatora litowo-jonowego lub polimerowego. FET1, FET2 to tranzystory MOSFET.

Tsokolewka, wygląd i przypisanie pinów układu DW01-P.

Tranzystory MOSFET nie wchodzą w skład mikroukładu DW01-P i są wykonane w postaci oddzielnego zespołu mikroukładu składającego się z 2 tranzystorów MOSFET typu N. Zwykle używany jest zespół oznaczony jako 8205, a obudowa może być 6-pinowa (SOT-23-6) lub 8-pinowa (TSSOP-8). Zespół może być oznaczony jako TXY8205A, SSF8205, S8205A itp. Można znaleźć również zespoły oznaczone numerem 8814 i podobne.

Oto układ pinów i skład układu S8205A w pakiecie TSSOP-8.

Do oddzielnej kontroli rozładowywania i ładowania ogniwa akumulatora służą dwa tranzystory polowe. Dla wygody są produkowane w jednym opakowaniu.

Tranzystor (FET1) podłączony do styku OD ( Nadmierne rozładowanie) Mikroukład DW01-P, monitoruje rozładowanie akumulatora - załącza/odłącza obciążenie. I ten (FET2) który jest podłączony do pinu OC ( Przeciążenie) - podłącza/odłącza źródło zasilania (ładowarkę). W ten sposób otwierając lub zamykając odpowiedni tranzystor, można na przykład wyłączyć obciążenie (odbiornik) lub przerwać ładowanie ogniwa akumulatora.

Przyjrzyjmy się logice układu sterującego i całego obwodu zabezpieczającego jako całości.

Ochrona przed przeładowaniem.

Jak wiadomo, przeładowanie akumulatora litowego powyżej 4,2 - 4,3 V jest obarczone przegrzaniem, a nawet eksplozją.

Jeśli napięcie ogniwa osiągnie 4,2 - 4,3 V ( Napięcie zabezpieczające przed przeładowaniem - VOCP), wówczas układ sterujący zamyka tranzystor FET2, uniemożliwiając w ten sposób dalsze ładowanie akumulatora. Akumulator zostanie odłączony od źródła zasilania do czasu, aż napięcie na ogniwie spadnie poniżej 4 - 4,1 V ( Napięcie zwolnienia przeładowania - V OCR) z powodu samorozładowania. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy do akumulatora nie jest podłączone żadne obciążenie, na przykład jest ono odłączone od telefonu komórkowego.

Jeśli akumulator jest podłączony do obciążenia, tranzystor FET2 otwiera się ponownie, gdy napięcie na ogniwie spadnie poniżej 4,2 V.

Ochrona przed nadmiernym rozładowaniem.

Jeśli napięcie akumulatora spadnie poniżej 2,3 - 2,5 V ( Napięcie zabezpieczające przed nadmiernym rozładowaniem- VODP), wówczas sterownik wyłącza tranzystor MOSFET rozładowania FET1 - podłączamy go do pinu DO.

Jest całkiem ciekawy stan . Dopóki napięcie na ogniwie akumulatora nie przekroczy 2,9 - 3,1 V ( Napięcie zwolnienia nadmiernego rozładowania - V ODR), obciążenie zostanie całkowicie odłączone. Na zaciskach sterownika będzie 0 V. Ci, którzy nie są zaznajomieni z logiką obwodu ochronnego, mogą pomylić ten stan rzeczy z „śmiercią” akumulatora. Oto tylko mały przykład.

Miniaturowa bateria litowo-polimerowa 3,7V z odtwarzacza MP3. Skład: sterownik sterujący - G2NK (seria S-8261), montaż tranzystorów polowych - KC3J1.

Akumulator rozładował się poniżej 2,5 V. Obwód sterujący odłączył go od obciążenia. Wyjście sterownika wynosi 0 V.

Co więcej, jeśli zmierzysz napięcie na ogniwie akumulatora, to po odłączeniu obciążenia nieznacznie wzrosło i osiągnęło poziom 2,7V.

Aby sterownik mógł ponownie podłączyć akumulator do „świata zewnętrznego”, czyli do obciążenia, napięcie na ogniwie akumulatora musi wynosić 2,9 - 3,1 V ( V ODR).

Powstaje tutaj bardzo rozsądne pytanie.

Ze schematu wynika, że ​​zaciski drenu tranzystorów FET1, FET2 są ze sobą połączone i nie są nigdzie połączone. Jak przepływa prąd przez taki obwód, gdy zadziała zabezpieczenie przed przeładowaniem? Jak ponownie naładować „słoik” akumulatora, aby sterownik ponownie załączył tranzystor rozładowujący - FET1?

Jeśli przeszukasz arkusze danych dotyczące chipów ochronnych Li-ion/polimerów (w tym DW01-P,G2NK), to można dowiedzieć się, że po zadziałaniu zabezpieczenia przed głębokim rozładowaniem działa obwód detekcji ładunku - Wykrywanie ładowarki. Oznacza to, że po podłączeniu ładowarki obwód wykryje, że ładowarka jest podłączona i umożliwi proces ładowania.

Ładowanie do 3,1 V po głębokim rozładowaniu ogniwa litowego może zająć sporo czasu długo- kilka godzin.

Do regeneracji akumulatora litowo-jonowo-polimerowego można wykorzystać specjalne urządzenia, np. uniwersalną ładowarkę Turnigy Accucell 6. Możesz dowiedzieć się, jak to zrobić.

Tą metodą udało mi się przywrócić akumulator litowo-polimerowy 3,7V z odtwarzacza MP3. Ładowanie z 2,7 V do 4,2 V trwało czyli 554 minuty i 52 sekundy ponad 9 godzin ! Tyle może trwać ładowanie „regeneracyjne”.

Funkcjonalność mikroukładów zabezpieczających baterię litową obejmuje między innymi zabezpieczenie nadprądowe ( Zabezpieczenie nadprądowe) i zwarcie. Zabezpieczenie nadprądowe uruchamia się w przypadku nagłego spadku napięcia o określoną wartość. Następnie mikroukład ogranicza prąd obciążenia. Jeżeli w obciążeniu nastąpi zwarcie (zwarcie), sterownik całkowicie je wyłączy do czasu usunięcia zwarcia.

Izolowany tranzystor polowy bramki

Obecnie wśród wystarczającej liczby odmian tranzystorów wyróżnia się dwie klasy: p-n- tranzystory przejściowe (bipolarne) i tranzystory z izolowaną bramką półprzewodnikową (efekt pola). Inną nazwą, którą można spotkać przy opisie tranzystorów polowych, jest MOS (metal-tlenek-półprzewodnik), ze względu na fakt, że jako materiał dielektryczny stosowany jest głównie tlenek krzemu (SiO2). Inną dość popularną nazwą jest MIS (metal – dielektryk – półprzewodnik).

Kilka wyjaśnień. Często można usłyszeć te terminy MOSFET, mosfet, Tranzystor MOS. Termin ten jest czasami mylący dla początkujących w elektronice.

Co to jest MOSFET?

MOSFET to skrót od dwóch angielskich wyrażeń: Metal-Oxide-Semiconductor (metal - tlenek - półprzewodnik) i Field-Effect-Transistors (tranzystor sterowany polem elektrycznym). Dlatego MOSFET to nic innego jak zwykły tranzystor MOS.

Myślę, że teraz jest jasne, że terminy mosfet, MOSFET, MOS, MOS, MOS oznaczają to samo, a mianowicie tranzystor polowy z izolowaną bramką.

Warto pamiętać, że wraz ze skrótem MOSFET używany jest skrót J-FET (Junction). Tranzystory J-FET są również tranzystorami polowymi, ale taki tranzystor jest sterowany za pomocą kierownik p-n przemiana. Tranzystory te w odróżnieniu od MOSFET-ów mają nieco inną budowę.

Zasada działania tranzystora polowego.

Istotą działania tranzystora polowego jest możliwość sterowania przepływającym przez niego prądem za pomocą pola elektrycznego (napięcia). Wypada to korzystnie w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi, w których duży prąd wyjściowy jest kontrolowany przy użyciu małego prądu wejściowego.

Przyjrzyjmy się uproszczonemu modelowi tranzystora polowego z izolowaną bramką (patrz rysunek). Ponieważ tranzystory MOS są dostarczane z różne typy przewodność (n lub p), wówczas rysunek przedstawia tranzystor polowy z izolowaną bramką i kanałem typu n.

Podstawą tranzystora MOS jest:

Podłoże silikonowe . Podłoże może być półprzewodnikiem typu p lub n. Jeżeli podłoże jest typu p, wówczas półprzewodnik zawiera w węzłach więcej dodatnio naładowanych atomów sieć krystaliczna krzem Jeśli podłoże jest typu n, wówczas półprzewodnik zawiera więcej ujemnie naładowanych atomów i wolnych elektronów. W obu przypadkach utworzenie półprzewodnika typu p lub n uzyskuje się poprzez wprowadzenie zanieczyszczeń.

Półprzewodniki n+ regionów . Regiony te są silnie wzbogacone w wolne elektrony (stąd „+”), co osiąga się poprzez wprowadzenie do półprzewodnika zanieczyszczeń. Elektrody źródłowe i drenowe są podłączone do tych obszarów.

Dielektryk . Izoluje elektrodę bramkową od podłoża krzemowego. Sam dielektryk wykonany jest z tlenku krzemu (SiO2). Elektroda bramkowa, elektroda sterująca, jest połączona z powierzchnią dielektryka.

Teraz opiszemy pokrótce jak to wszystko działa.

Jeśli między bramką a źródłem zostanie przyłożone napięcie dodatnie ( + ) do końcówki bramki, wówczas pomiędzy metalową końcówką bramki a podłożem powstaje poprzeczne pole elektryczne. To z kolei zaczyna przyciągać do powierzchniowej warstwy dielektryka ujemnie naładowane wolne elektrony, które są rozproszone w małych ilościach w podłożu krzemowym.

W rezultacie wystarczy duża liczba elektronów i powstaje tzw. kanał - obszar przewodzenia. Na rysunku kanał jest pokazany na niebiesko. Fakt, że kanał jest typu n oznacza, że ​​składa się on z elektronów. Jak widać, pomiędzy zaciskami źródła i drenu, a właściwie ich obszarami n+, powstaje swego rodzaju „most”, który przewodzi prąd elektryczny.

Prąd zaczyna płynąć pomiędzy źródłem a drenem. Zatem ze względu na zewnętrzne napięcie sterujące kontrolowana jest przewodność tranzystora polowego. Jeśli usuniesz napięcie sterujące z bramki, kanał przewodzący w warstwie przypowierzchniowej zniknie, a tranzystor zamknie się i przestanie przepuszczać prąd. Należy zauważyć, że uproszczony rysunek modelu przedstawia tranzystor polowy z kanałem typu n. Istnieją również tranzystory polowe z kanałem typu p.

Przedstawiony model jest mocno uproszczony. W rzeczywistości konstrukcja nowoczesnego tranzystora MOS jest znacznie bardziej złożona. Ale mimo to uproszczony model wyraźnie i prosto pokazuje pomysł, który został włożony w urządzenie tranzystora polowego z izolowaną bramką.

Między innymi tranzystory polowe z izolowaną bramką są typu zubożonego i wzbogaconego. Rysunek pokazuje tylko wzbogacony tranzystor polowy - w nim kanał jest „wzbogacony” elektronami. W tranzystorze typu wyczerpanego elektrony są już obecne w obszarze kanału, więc tranzystor przepuszcza prąd bez napięcia sterującego na bramce. Charakterystyki prądowo-napięciowe zubożonych i wzbogaconych tranzystorów polowych znacznie się różnią.

O różnicy między wzbogaconymi i zubożonymi tranzystorami MOSFET przeczytasz tutaj. Tam też jest to pokazane Jak oznacza się tranzystory MOSFET? na schematach.

Łatwo zauważyć, że elektroda bramkowa i podłoże wraz z dielektrykiem znajdującym się pomiędzy nimi tworzą rodzaj kondensatora elektrycznego. Płytki stanowią końcówkę metalowej bramki i powierzchnię podłoża, a izolatorem pomiędzy tymi elektrodami jest dielektryk z tlenku krzemu (SiO2). Dlatego tranzystor polowy ma istotny parametr zwany pojemność bramki.

Tranzystory polowe, w przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych, charakteryzują się niższym szumem wewnętrznym przy niskich częstotliwościach. Dlatego są aktywnie wykorzystywane w technologii nagłośnienia. Na przykład nowoczesne mikroukłady wzmacniacza mocy niskiej częstotliwości do samochodowych odtwarzaczy CD/MP3 zawierają tranzystory MOSFET. Na desce rozdzielczej odbiornika samochodowego można znaleźć napis „ MOSFET mocy”lub podobne. Tak przechwala się producent, dając jasno do zrozumienia, że ​​zależy mu nie tylko na mocy, ale i na jakości dźwięku.

Tranzystor polowy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi ma wyższą rezystancję wejściową, która może osiągnąć od 10 do 9 potęgi Ohma lub więcej. Ta cecha pozwala nam uważać te urządzenia za sterowane potencjałem lub, innymi słowy, sterowane napięciem. Na dzisiaj tak najlepsza opcja tworzenie obwodów o odpowiednio niskim poborze mocy w trybie spoczynku statycznego. Warunek ten jest szczególnie istotny w przypadku statycznych obwodów pamięci z dużą liczbą komórek pamięci.

Jeśli mówimy o kluczowym trybie działania tranzystorów, to w tym przypadku bipolarne wykazują lepszą wydajność, ponieważ spadek napięcia na opcjach pola jest bardzo znaczący, co zmniejsza ogólną wydajność całego obwodu. Mimo to, w wyniku rozwoju technologii wytwarzania tranzystorów polowych, udało się pozbyć tego problemu. Nowoczesne tranzystory polowe mają niską rezystancję kanału i dobrze pracują przy wysokich częstotliwościach.

W wyniku poszukiwań poprawy właściwości tranzystorów polowych dużej mocy wynaleziono hybrydowe urządzenie elektroniczne - Tranzystor IGBT, który jest hybrydą tranzystora polowego i bipolarnego.

Tranzystor IGBT

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką

We współczesnej energoelektronice szeroko stosowane są tzw. tranzystory IGBT. Ten skrót zapożyczony z obcej terminologii i oznacza tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, a po rosyjsku brzmi jak tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Dlatego tranzystory IGBT nazywane są również IGBT. IGBT to elektroniczne urządzenie zasilające, które służy jako mocny klucz elektroniczny źródła impulsowe zasilacze, falowniki i systemy sterowania napędami elektrycznymi.

Tranzystor IGBT to dość pomysłowe urządzenie, będące hybrydą tranzystora polowego i bipolarnego. Ta kombinacja doprowadziła do tego, że ten typ tranzystora jest dziedziczony pozytywne cechy, zarówno tranzystorowe, jak i bipolarne.

Istota działania tranzystora IGBT polega na tym, że tranzystor polowy steruje mocnym tranzystorem bipolarnym. W rezultacie możliwe jest przełączanie dużego obciążenia przy niskiej mocy sterującej, ponieważ sygnał sterujący jest dostarczany do bramki tranzystora polowego.

Wewnętrzna struktura IGBT to kaskadowe połączenie dwóch elektronicznych przełączników wejściowych, które sterują zaciskiem plus. Poniższy rysunek przedstawia uproszczony obwód zastępczy tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką.

Cały proces działania IGBT można przedstawić w dwóch etapach: po przyłożeniu napięcia dodatniego między bramką a źródłem otwiera się tranzystor polowy, to znaczy między źródłem a drenem powstaje kanał n. W tym przypadku zaczyna następować ruch ładunków z regionu N do regionu P, co pociąga za sobą otwarcie tranzystora bipolarnego, w wyniku czego prąd przepływa od emitera do kolektora.

Historia pojawienia się IGBT.

Tranzystory polowe mocy pojawiły się po raz pierwszy w 1973 roku, a już w 1979 roku zaproponowano kompozytowy obwód tranzystorowy, wyposażony w sterowany tranzystor bipolarny za pomocą tranzystora polowego z izolowaną bramką. Podczas testów stwierdzono, że przy zastosowaniu tranzystora bipolarnego jako przełącznika na głównym tranzystorze nie występuje nasycenie, co znacznie zmniejsza opóźnienie po wyłączeniu przełącznika.

Nieco później, w 1985 roku, wprowadzono tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, osobliwość który miał płaską konstrukcję, zakres napięć roboczych stał się większy. Zatem przy wysokich napięciach i dużych prądach straty w stanie włączenia są bardzo małe. W tym przypadku urządzenie ma podobną charakterystykę przełączania i przewodności jak tranzystor bipolarny, a sterowanie odbywa się za pomocą napięcia.

Urządzenia pierwszej generacji miały pewne wady: przełączanie było powolne i nie były zbyt niezawodne. Druga generacja została wypuszczona w latach 90-tych, a trzecia generacja jest nadal produkowana: eliminują takie niedociągnięcia, mają wysoką rezystancję wejściową, kontrolowaną moc jest małą, a w stanie włączenia napięcie resztkowe również jest niskie.

Już teraz w sklepach z częściami elektronicznymi dostępne są tranzystory IGBT, które potrafią przełączać prądy w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset amperów ( Zależy mi na maks ) i napięcie robocze ( U ciebie max ) może wahać się od kilkuset do tysiąca lub więcej woltów.

Symbol IGBT (IGBT) na schematach obwodów.

Ponieważ tranzystor IGBT ma połączoną strukturę tranzystora polowego i tranzystora bipolarnego, jego zaciski nazywane są bramką - Z(elektroda sterująca), emiter ( mi) i kolekcjoner ( DO). W obcym stylu wyjście migawki jest oznaczone literą G, wyjście emitera - mi, a wyjście kolektora wynosi C.

Rysunek przedstawia konwencjonalny symbol graficzny tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką. Tranzystor można również przedstawić z wbudowaną szybką diodą. Tranzystor IGBT można również przedstawić w następujący sposób:

Cechy i zakres zastosowania tranzystorów IGBT.

Charakterystyczne cechy tranzystorów IGBT:

Sterowane napięciem (jak każdy tranzystor polowy);

Mają niskie straty w stanie włączenia;

Może pracować w temperaturach powyżej 100 0 C;

Może pracować z napięciami powyżej 1000 woltów i mocami powyżej 5 kilowatów.

Wymienione cechy umożliwiły zastosowanie tranzystorów IGBT w falownikach, napędach o zmiennej częstotliwości i regulatorach prądu przełączającego. Ponadto często znajdują zastosowanie w spawalniczych źródłach prądu, w układach sterowania potężnych napędów elektrycznych, które montowane są np. w pojazdach elektrycznych: lokomotywach elektrycznych, tramwajach, trolejbusach. Rozwiązanie to znacznie zwiększa wydajność i zapewnia wysoką płynność.

Ponadto urządzenia te instalowane są w zasilaczach bezprzerwowych oraz w sieciach Wysokie napięcie. W składzie można znaleźć tranzystory IGBT obwody elektroniczne pranie, szycie i zmywarki, klimatyzatory inwerterowe, pompy, elektroniczne układy zapłonowe do samochodów, układy zasilania sprzętu serwerowego i telekomunikacyjnego. Jak widać zakres zastosowań IGBT jest dość duży.

Warto zauważyć, że IGBT i MOSFET są w niektórych przypadkach wymienne, ale w przypadku stopni niskiego napięcia o wysokiej częstotliwości preferowane są tranzystory MOSFET, a w przypadku stopni wysokiego napięcia o dużej mocy preferowane są tranzystory IGBT.

Na przykład tranzystory IGBT doskonale spełniają swoje funkcje przy częstotliwościach roboczych do 20-50 kiloherców. Przy wyższych częstotliwościach ten typ tranzystora zwiększa straty. Ponadto pełne możliwości tranzystorów IGBT przejawiają się przy napięciu roboczym większym niż 300-400 woltów. Dlatego tranzystory bipolarne Izolowany typ bramki jest najłatwiejszy do wykrycia w urządzeniach elektrycznych wysokiego napięcia i dużej mocy.