Аккумуляторы для мобильных устройств

Устройство и основные параметры

Сотовые телефоны и переносные компьютеры, радиостанции и радиотелефоны, источники бесперебойного питания, кинокамеры и фотоаппараты, ручные мощные инструменты, медицинские приборы, разнообразное производственное оборудование — вот далеко не полный перечень устройств, нормальная работоспособность которых напрямую зависит от состояния аккумуляторов. В связи с этим, знание характеристик, особенностей и условий эксплуатации различных типов аккумуляторов приобретает особое значение и является залогом безотказной работы мобильных устройств и портативного оборудования.

Если Вы любопытны и обладаете некоторыми навыками по порче игрушек, приобретенными еще в детстве, то уже наверняка познакомились с внутренним устройством своего бывшего в эксплуатации аккумулятора. Что же там внутри? (Не советую разбирать, это связано с риском получения физических повреждений). Вообще то ничего особенного. Круглые или призматические «батарейки», каких навалом в ближайшем магазине, причем по гораздо более низкой цене. Однако первое впечатление — обманчиво. Перед Вами не просто батарейки, а аккумуляторы. И отличаются они от батареек тем, что допускают (в силу обратимости протекающих в них реакций) многократные циклы разряда — заряда. В этом их преимущество перед батарейками, но с другой стороны и «головная боль», которую они приносят в случае потери работоспособности. И если с первыми все просто: купил, вставил, истощились, выбросил и купил новые, то с аккумуляторами дело обстоит сложнее. Для них последовательность действий иная: купил; подготовил к работе; пользуешься, соблюдая правила эксплуатации; и только когда уже совсем невмоготу — покупаешь новый.

Итак, чтобы не было мучительно больно за бесцельно потраченные деньги, ниже информация для любопытных и любознательных на тему: что нужно знать об аккумуляторах для мобильных телефонов и портативных компьютеров.

Устройство

Любой аккумулятор, как правило, состоит из нескольких единичных элементов, соединенных последовательно для увеличения значения вырабатываемого напряжения и упакованных в общий корпус. С конструкцией единичного элемента аккумулятора, например никель-металлгидридного, с электрохимическими реакциями, проходящими внутри него, и другими полезными сведениями (на английском языке) можно познакомиться на сайте фирмы Panasonic , загрузив файл в формате pdf Overview information on NiMH Batteries in PDF Format — 137KB .

Кроме единичных элементов аккумуляторы на основе никеля содержат внутри тепловой предохранитель и датчик температуры (последний в NiCd аккумуляторах может отсутствовать). Тепловой предохранитель обеспечивает безопасность при больших токах заряда, а выходной сигнал датчика температуры обрабатывается зарядным устройством. В зависимости от значения температуры «грамотное» зарядное устройство обеспечивает различные режимы заряда аккумулятора: быстрый, медленный и переключение от одного к другому.

Литий-ионные аккумуляторы помимо теплового предохранителя и датчика температуры содержат специальную управляющую интегральную схему и управляющие ключи. Все это в совокупности призвано защитить потребителя от физических повреждений в случае нарушения электрических режимов эксплуатации аккумулятора.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АККУМУЛЯТОРОВ

Да будет Вам известно, что аккумулятор, как электрический прибор, характеризуется следующими основными параметрами: типом электрохимической системы, напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы. Причем, в зависимости от сферы применения на первый план выступают то одни параметры, то другие. Например, аккумулятор для сотовых телефонов должен оцениваться по совокупности значений трех его основных характеристик: реальной емкости, внутреннему сопротивлению и току саморазряда, а аккумулятор домашнего радиотелефона с радиусом действия до 100 метров достаточно оценить только по емкости и саморазряду. При недооценке или игнорировании какого-либо параметра или преувеличении важности одного из них (как правило, емкости) можно оказаться в ситуации «у разбитого корыта».

Напряжение . Напряжение аккумулятора определяется тем устройством, для питания которого он предназначен. Если требуемое значение напряжения не обеспечивается одним элементом, то аккумулятор собирается из нескольких элементов, соединенных последовательно. Например, в сотовых телефонах различных моделей используются аккумуляторы напряжением 3,6 В (1 Li-ion элемент или 3 NiCd, или 3 NiMH элемента), 4,8 В (только 3 NiCd или 3 NiMH элемента), 6 В (только 5 NiCd или 5 NiMH элементов), 7,2 В (2 Li-ion элемента). Таким образом, если в телефоне используются 4 NiMH аккумулятора общим напряжением 4,8 В (как, например, в некоторых последних моделях фирмы Ericsson), то использование в нем Li-ion аккумуляторов невозможно. Напряжение аккумулятора в процессе работы не постоянно. Оно максимально сразу после окончания заряда, а затем в процессе работы или хранения уменьшается. В конце концов, оно уменьшается до такой величины, что сотовый телефон не включается или автоматически выключается. При оценке состояния аккумулятора измерение его напряжения необходимо производить под нагрузкой, на которую он рассчитан.

Электрическая емкость . Номинальная электрическая емкость — это то количество энергии, которым аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии. Данный параметр аналогичен емкости какого-либо сосуда, например, стакана. Так в стандартный граненый стакан можно налить 200 мл воды (по ободок), в конкретный аккумулятор можно закачать также лишь вполне определенное количество энергии. Но определяется это количество энергии (емкость) не в момент закачивания (заливания), а при обратном процессе — разряде (выливании энергии) аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения заданного порогового напряжения. Измеряется емкость соответственно в ампер-часах (А·час) или миллиампер-часах (мА·час) и обозначается буквой «С». Значение емкости указывается на этикетке аккумулятора или зашифровано в обозначении его типа. Реальное значение емкости нового аккумулятора на момент ввода его в эксплуатацию колеблется от 80 до 110% от номинального значения и зависит: от фирмы-изготовителя, условий и срока хранения и технологии ввода в эксплуатацию. Теоретически аккумулятор, например, номинальной емкостью 1000 мА*час может отдавать ток 1000 мА в течение одного часа, 100 мА в течение 10 часов, или 10 мА в течение 100 часов. Практически же, при высоком значении тока разряда номинальная емкость не достигается, а при низком токе — превышается.

В процессе эксплуатации емкость аккумулятора уменьшается. Скорость уменьшения зависит от типа электрохимической системы, технологии обслуживания в процессе работы, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации. Используя ту же аналогию со стаканом, можно сказать, что количество наливаемой в стакан воды будет уменьшаться, если будете наливать воду с большим количеством механических примесей, а сливать — отстоявшуюся. Тогда в стакане постепенно будет накапливаться осадок, уменьшающий его полезную емкость. В аккумуляторе подобный «осадок» образуется в процессе циклов заряда / разряда.

Внутреннее сопротивление . Внутреннее сопротивление аккумулятора (сопротивление источника тока) определяет его способность отдавать в нагрузку большой ток. Эта зависимость подчиняется закону Ома (вспомните курс школьной физики). При низком значении внутреннего сопротивления, аккумулятор способен отдать в нагрузку больший пиковый ток (без существенного уменьшения напряжения на его выводах), а значит и большую пиковую мощность. В то время как высокое значение сопротивления приводит к резкому уменьшению напряжения на выводах аккумулятора при резком увеличении тока нагрузки. Такой коллапс (уменьшение) напряжения характеризует «слабость» внешне хорошего аккумулятора, потому что запасенная энергия не может быть полностью выдана в нагрузку.

Другими словами, все вышесказанное о внутреннем сопротивлении аккумулятора может быть проиллюстрировано следующим образом. Представим себе, что Вам необходимо за час полить садовый участок из бака (аккумулятор), который Вы ранее заполнили водой. При нормальном положении вещей Вы подключаете к сливному крану шланг, полностью открываете кран и поливаете участок в течение часа до тех пор, пока вода в баке не закончится. А теперь предположим, что сливной кран у вашего бака заклинило, открыть его можно только чуть-чуть и вода сочится из него лишь тоненькой струйкой. Вроде бы и вода в баке есть (аккумулятор заряжен), а нормально поливать невозможно. Кран в данном случае играет роль внутреннего сопротивления для бака. Если струя из крана большая, то внутреннее сопротивление бака мало, если — маленькая — внутреннее сопротивление бака большое.

Что имеем практически? Сотовый телефон в режиме ожидания потребляет от аккумулятора небольшой ток и пропускной способности крана его аккумулятора вполне хватает для питания телефона. Как только поступает входящий звонок или Вы начинаете делать исходящий, телефону требуется в десятки раз больше энергии для нормальной работы в режиме передачи, поэтому требуется увеличить пропускную способность крана. Если кран — нормальный, то он пропустит через себя этот увеличенный поток энергии, если его — заклинило, то — нет, и телефон отключается. Это особенно характерно для сотовых телефонов стандартов NMT, AMPS, транковых и обычных радиостанций, портативных компьютеров.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от типа его электрохимической системы, емкости, числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно, и возрастает к концу срока эксплуатации.

Саморазряд . Явление саморазряда в большей или меньшей степени характерно для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены. Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу. Так, например, для исправных NiCd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH — немного больше, а для Li-ion пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается.

Саморазряд аккумуляторов зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора. Он резко возрастает при повышении окружающей температуры, повреждении внутреннего сепаратора аккумулятора из-за неправильного обслуживания и вследствие процесса старения.

Срок службы (срок эксплуатации) аккумулятора . Его принято оценивать по количеству циклов заряда / разряда, которое аккумулятор выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Срок службы зависит от многих факторов: методов заряда, глубины разряда, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и электрохимической природы аккумулятора. Кроме того, он определяется временем, прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости ниже 80% от номинального значения.

Для более подробного и профессионального ознакомления с аккумуляторами можно порекомендовать сайт фирмы Panasonic , где приведены подробнейшие справочные данные и аналитические материалы о NiCd, NiMH, Li-ion аккумуляторах, производимых этой фирмой (на английском языке). К сожалению, фирма не дала разрешения на перевод и публикацию этой информации на русском языке, сославшись на отсутствие ее представительства в России в этой области и невозможности оценки переведенных материалов. Но размещенные там сведения представляют определенный интерес как для разработчиков аппаратуры с питанием от аккумуляторов, так и для пользователей, поэтому ниже приведен краткий перечень освещаемых там вопросов:

• внешний вид;
• внутреннее устройство;
• электрохимические реакции, происходящие внутри аккумулятора;
• особенности;
• пять основных характеристик: зарядные, разрядные, число циклов заряда / разряда, хранение (саморазряд), безопасность с графиками и пояснениями;
• методы заряда;
• упаковка элементов в аккумуляторы;
• предосторожности при разработке устройств с аккумуляторами.

При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой Канадской компании Cadex Electronics Inc. .

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в

ССЫЛКИ

1. Cadex Electronics Inc. , Vancouver, BC , Canada — разработчик и производитель зарядных устройств, анализаторов и систем обслуживания аккумуляторов (на английском языке).
2. Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров . Анализаторы аккумуляторов (на русском языке).
3. , производимых фирмой Panasonic (на английском языке).

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!

Статьи и Лайфхаки

Содержание :

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Год от года аккумуляторы в смартфонах становятся всё более совершенными: увеличивается их емкость, уменьшаются вес и габариты, исчезают недостатки.

Не стоит забывать и про экологическую безопасность, ведь эта деталь считается наиболее «грязной» в современных гаджетах.

Посмотрим, какие же «батарейки» можно встретить сегодня в мобильных устройствах.

Основные виды аккумуляторов

На протяжении истории развития сотовых телефонов в них использовалось четыре вида батарей :

• никель-кадмиевые;
• никель-металлогибридные;
• литий-ионные;
• литий-полимерные.

К настоящему времени в арсенале разработчиков остались два последних типа как наиболее технологичные, эффективные и «чистые». Именно эти виды аккумуляторов можно встретить в описаниях большинства смартфонов.

Этот тип источников питания пришел еще из домобильной эры. Первые образцы известны с конца XIX века. До конца минувшего столетия промышленники предпринимали многочисленные попытки избавиться от присущих им недостатков, и в какой-то мере им это удалось.

Так или иначе, особого выбора у разработчиков первых мобильных устройств просто не было. Основные претензии заключались в следующем :

• использование в конструкции вредных для здоровья человека токсичных металлов;
• недостаточная емкость батареи;
• ограниченное число циклов заряда/разряда;
• низкая технологичность в производстве, приводящая к повышению себестоимости;
• так называемый «эффект памяти».

Последний состоял в том, что при зарядке не до конца разряженной батареи ее емкость уменьшалась на определенную величину. Как следствие, перед первым использованием аккумулятор приходилось несколько раз прогонять через цикл полного заряда-разряда.

Имелись у таких источников питания и плюсы – широкий диапазон рабочих температур. Тем не менее, минусов было существенно больше, и при попытке справиться с ними был создан следующий тип батареи.

В них отсутствовал токсичный кадмий, при одном упоминании о котором с особо впечатлительными защитниками природы случается истерика. Кроме того, эффект памяти был выражен значительно слабее.

Также повысилась и емкость, а себестоимость, напротив, немного снизилась. Но были по сравнению с NiCd аккумуляторами и серьезные недостатки :

• необходимость использования сложного зарядного устройства;
• уменьшение числа циклов заряда/разряда.

Оба вида батарей были подвержены достаточно высокой степени саморазряда, что серьезно ограничивало автономность мобильных устройств на их основе. И когда на горизонте появилось следующее поколение, конструкторы с радостным визгом вышвырнули их на свалку истории.

Этот тип батарей вызвал настоящую революцию в мире гаджетов.

Отныне длительность их работы в режиме ожидания возросла в разы. Исчез и набивший оскомину эффект памяти, хотя некоторые особо продвинутые пользователи по старой памяти продолжают «тренировать» аккумуляторы своих девайсов.

Большинство представленных сегодня на рынке моделей смартфонов оснащено именно этим типом аккумулятора.

Но есть у них и недостатки, причем достаточно неприятные :

1. Узкий диапазон рабочих температур.
2. Потенциальная опасность разрушения батареи при глубоком разряде или перезарядке.
3. Быстрое «старение», спустя 2-3 года выводящее аккумулятор из строя.
4. Довольно высокая себестоимость.

Следует сказать, что со времен первого появления в магазинах этого типа источника питания недостатки были существенно нивелированы. Но производителям хотелось большего.

Прежде всего, их не устраивала достаточно высокая себестоимость, поэтому был создан очередной тип батареи.

В них взрывоопасный электролит уступил место полимерной массе. Цена таких источников питания снизилась незначительно, главным образом – из-за необходимости использования более сложных защитных схем. Мощность тоже не слишком увеличилась.

Но зато твердый полимер хорош тем, что развязал руки дизайнерам, позволив по своему усмотрению выбирать форму и размер элемента. Приблизительно в это время появилось множество сверхтонких моделей смартфонов с несъемными аккумуляторами.

Оба типа литиевых батарей имеют общий недостаток: вне зависимости от интенсивности использования и числа циклов заряда/разряда их емкость постепенно снижается. И уже спустя пару лет гаджет со спокойной совестью можно выбрасывать. Или, скажем, повесить на стену в качестве экзотического украшения.

Считается, что литий-полимерный тип чуть менее «живучий», но эта информация – из разряда мифов, встречаются примеры, как подтверждающие, так и опровергающие это утверждение. Так что наверняка отличить правду от вымысла не представляется возможным.

Технология быстрой зарядки

Нередко от продавцов, предлагающих купить смартфон, можно услышать о некоем аккумуляторе с функцией быстрой зарядки. Особо продвинутые пугают покупателей еще и внушительно звучащим Qualcomm Quick Charge, а самые матерые добавляют еще и версию – 2.0 или 3.0. Что же это за чудо-батареи такие?

В действительности никакого отношения к типу источника питания эта технология не имеет. Она всего лишь позволяет использовать увеличенную силу тока, благодаря чему время зарядки существенно сокращается.

А чтобы не возник губительный перезаряд и зарядка осуществлялась правильно – следит чипсет, в котором, собственно, эта технология и реализована. На сегодняшний день она отлично отработана, и угрозы гаджету при ее использовании не возникает.

Подводя итоги, можно сказать : основными типами аккумуляторов в смартфонах сегодня являются литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol). В моделях мобильных устройств можно встретить как те, так и другие, и какой-то альтернативы им в обозримом будущем не просматривается.

Но зато массовое внедрение таких батарей превратило литий в стратегически значимый элемент, а страны, располагающие залежами минералов, его содержащих – в объекты коммерческого (и не только) интереса транснационального капитала.

Сегодня редко встретишь устройство, работающее от механической энергии, – подавляющее большинство гаджетов питается электричеством. Аккумуляторы стали неотъемлемой частью электронных девайсов. Как устроена батарейка? Попробуем разобраться.

Существует много разновидностей аккумуляторов, но в бытовой электронике чаще всего применяются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMh) и литий-ионные (Li-Ion) батареи.

Дольше всего используются NiCd-аккумуляторы благодаря своей простоте в изготовлении, эксплуатации и хранении. До сих пор NiCd-аккумуляторы остаются наиболее популярными для питания радиостанций, медицинского оборудования, профессиональных видеокамер и мощных инструментов.

NiMH-аккумулятор, по сравнению с NiCd, выделяет значительно большее количество тепла во время заряда. Ему также требуется более сложный алгоритм определения момента полного заряда. Поэтому большинство NiMH-аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком. Кроме того, NiMH-аккумулятор не может заряжаться быстро – время заряда обычно вдвое больше, чем у NiCd. Но зато их емкость больше, чем у NiCd.

Характеристики Li-Ion-аккумуляторов вдвое превышают показатели NiCd- аккумуляторов в пересчете на один килограмм веса. Именно поэтому Li-Ion-батареи используются во всех ноутбуках и телефонах, где важен вес и время автономной работы.

Как работает аккумулятор?

Аккумуляторы и батарейки работают благодаря разности напряжения между двумя металлическими пластинами, погруженными в раствор электролита. Впервые источник тока, работающий по такому принципу, был создан в XIX веке. Одна пластина в нем была медной, вторая – цинковой, которая очень быстро растворялась.

Разность напряжений можно объяснить на примере аналогии с двумя емкостями с жидкостью, которые соединены трубкой. Чтобы вода в трубке начала двигаться, нужно создать разность уровней, например, поднять одну емкость выше другой. Постепенно вода перетечет из левой бутылки в правую. Когда уровни сравняются, ток воды прекращается. Для аккумулятора это значит полный разряд.

Чтобы его перезарядить, надо вернуть воду в первоначальную емкость. Например, с помощью черпачка или чашки. Если вычерпывать воду из правой бутылки и выливать ее в левую, аккумулятор будет заряжаться. Конечно, вычерпывать нужно с такой же скоростью, с какой вода вытекает по шлангу. Иначе опять аккумулятор разрядится.

Конструктивно же сам аккумулятор – предельно простое устройство. Это два длинных листка из графита и из оксида лития с кобальтом. Они смазываются электролитом и сворачиваются в рулон. Литий-ионный аккумулятор готов.

Мифы об аккумуляторах

Распространено мнение, что сразу после покупки Li-Ion-аккумулятор нужно «раскачать» – провести несколько циклов полного заряда-разряда. Обычно – от трех до пяти. Этот миф не очень вредный для аккумуляторов, но, тем не менее, тратит его циклы работы.

Свойство Li-Ion-аккумуляторов заключается в том, что они не имеют эффекта памяти, как это было с NiCd-батареями. Этот эффект заключался в том, что если зарядить не до конца разряженный NiCd-аккумулятор, его емкость падала. Li-Ion такой особенности не имеет. Более того, производитель гарантирует, что емкость аккумулятора не снизится за 300 циклов разряда-заряда.

Еще раз: плеер, телефон, рацию, кпк, планшет, часы или любой другой мобильный девайс с Li-Ion «тренировать» бесполезно.

Аккумуляторы Li-Ion вообще не любят слишком большого заряда и разряда. Производитель гарантирует 300 циклов, но это не значит, что на 301 цикл батарею можно выбрасывать. Все будет зависеть от условий эксплуатации. «Тепличными» условиями для Li-Ion является максимальный заряд до 80%, а минимальный разряд – до 40%. Некоторые модели ноутбуков позволяют выставить эти параметры в сервисном ПО, продлевая «жизнь» батарее. Также аккумуляторы безвозвратно теряют емкость при температуре ниже нуля градусов и при нагреве выше +40 градусов. Поэтому гаджеты лучше беречь от мороза и высокого нагрева.

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.