0

Контроллер в аккумуляторе телефона

Способ 1. Старый аккум — новые возможности

Как сделать Повер банк (Power bank) из устаревших телефонных батареек? — просто. Пошаговое описание метода поможет вам не допустить ошибок.

Вам нужно:

  • Батарейка из старого телефона
  • Провода
  • Контроллер
  • USB-вход
  • Изолента, скотч, термоклей.
  1. Берём старый мобильник, достаём из него аккумулятор. Таких батарей нам понадобится 3, 6 или 9. Чем больше, тем на дольше хватит устройства.
  2. Складываем 3 накопителя друг к другу, вдоль фиксируем скотчем, а поперёк обматываем изолентой. При этом клеммы остаются открытыми.
  3. Находим подходящий корпус. Эту роль может выполнить даже простая мыльница, всё зависит от размеров.
  4. С помощью 2 проводков объединяем 3 штуки вместе: один провод — «+», второй провод — «-«. Центральные клеммы АКБ не соединяем. Они служат температурным датчиком и вся их суть в демонстрации остатка заряда для конкретного устройства.
  5. Размечаем местоположение контроллера и делаем отверстие, чтобы вставить вход.
  6. Крепим все детали на термоклей и готово!

Повер банк из устаревших телефонных батареек

Вот так, всего в 6 шагов мы получили портативный аккумулятор.

В принципе манипуляции несложные. Единственное, что может вас остановить — не у всех есть такое количество устаревших аккумов.

Способ 2. Фонарь путь осветит, телефон «накормит»

У вас есть фонарик? Сейчас вы узнаете, как преобразовать фонарь, чтобы он не только путь-дорогу освещал, а ещё помогал оставаться на связи.

Зарядное устройство из фонаря

Нам необходимо:

  • Фонарь с накопителем на 3,7 В
  • Преобразователь напряжения со встроенным USB-выходом
  • Контроллер энергозаряда.
  1. Разбираем фонарик.
  2. Резистор с подпаянным светодиодом необходимо убрать. Это даёт возможность сменить один из режимов свечения на другой режим — зарядку.
  3. На то место, где ранее находилась вилочка с целью зарядки фонарика, ставим преобразователь с выходом.
  4. К контроллеру заряда батареи припаиваем «+» и «-» от батареи. Уже после этого к контактам OUT+/OUT- предоставленного контроллера подпаиваем преобразователь 5 V.

ВАЖНО. Перед этим необходимо высвободить один контакт переключателя и подпаять к нему преобразователь.

  1. Проверяем работоспособность. Если нужно — перепаиваем.
  2. Крепим преобразователь и контроллер. Готово!

Вот такой модерн фонаря даст двойное преимущество в походе. И свет есть, и не страшно остаться без связи в любой момент.

Тут главное, всё сделать правильно, фонарик у вас точно найдётся, а дальше — дело техники.

Способ 4. Внешний энергонакопитель с солнечной батареей

Ещё один интересный вариант. Поскольку световой день начинает увеличиваться, актуально обсудить преимущества энергонакопителей солнечной энергии. Вы увидите, как изготовить переносное зарядное приспособление с возможностью заряда от панелей-накопителей солнечной энергии.

Нам необходимо:

  • Литий-ионный энергонакопитель формата 18650,
  • Футляр от этих же накопителей
  • Модуль повышения напряжения 5 В 1 А.
  • Плата заряда для аккумулятора.
  • Солнечная панелька 5,5 V 160 mA (любого размера)
  • Проводки для соединения
  • 2 диода 1N4007 (можно и другие)
  • Липучка или двусторонний скотч для фиксации
  • Термоклей
  • Резистор 47 Ом
  • Контакты для энергонакопителя (пластинки тонкой стали)
  • Пара тумблеров

ВАЖНО. Рекомендуется применять электронакопитель вместе с платой защиты, чтобы избежать повреждений.

Базисная схема внешнего аккумулятора

  1. Изучим базисную схему внешнего аккума.

На схеме видно 2 соединительных проводка разных цветов. Красный подсоединяется к «+», чёрный к «-«.

  1. Контакты к литий-ионной батарее паять не рекомендуется, поэтому поставим в корпусе клеммы и зафиксируем их с помощью термоклея.
  2. Следующая задача — разместить модуль увеличения напряжения и плату зарядки для аккумулятора. Для этого делаем отверстия для USB-входа и USB-выхода 5 В 1 А, тумблера и проводков к солнечной панели.
  3. Резистор (сопротивление 47 Ом) впаиваем к USB-выходу, с оборотной стороны модуля, увеличивающего напряжения. Это имеет смысл для зарядки IPhone. Резистор решит проблему с тем самым управляющим сигналом, который запускает процесс зарядки.
  4. Чтобы панели было удобно переносить, можно осуществить прикрепление контактов панели с помощью 2 маленьких контактов типа «мама-папа». Как вариант, можно соединить основной корпус и панельки с помощью липучек.
  5. Ставим диод между 1 контактом панели и платой заряда энергонакопителя. Диод стоит ставить стрелкой в сторону платы заряда. Это предотвратит разряжение накопительной батареи через солнечную панель.

ВАЖНО. Диод ставится в направлении ОТ солнечной панели ДО платы заряда.

На сколько зарядов хватит такого Повер банка? Всё зависит от ёмкости вашего аккумулятора и ёмкости гаджета. Помните, что разряжать литиевые накопителей ниже 2,7 В крайне нежелательно.

Что касается заряда самого устройства. В нашем случае мы использовали солнечные панели с общей ёмкостью в 160 mAh, а ёмкость аккумулятора — 2600 mAh. Следовательно, при условии прямых лучей батарея зарядится за 16,3 часа. При обычных условиях — около 20–25 часов. Но пусть эти числа вас не пугают. Через миниUSB зарядится за 2–3 часа. Скорей всего, солнечной панелью вы будете пользоваться в условиях путешествий, походов, дальних поездок.

Контроллер заряда аккумулятора

В состав портативных устройств в обязательном порядке входит аккумулятор, обычно для этих целей используется литиево-ионная батарея. Несмотря на то, что функциональные особенности современной электроники постоянно совершенствуются, сам аккумулятор практически остается неизменным.

Контроллеры для заряда аккумулятора

Емкость и функциональные особенности АКБ значительно выросли, но общий принцип работы остался тем же. Аккумулятор может значительно перегреваться при зарядке и выходить из строя. При переразряде напряжение может опуститься ниже критического уровня, что приведет к деградации элемента, и новая дозарядка станет невозможной. Потому для управления над процессом зарядки батареи используются электронные схемы, получившие название контроллеров.

Это оборудование используется в схемах мобильных телефонов, ноутбуков и другого переносного электронного оборудования. Контроллер аккумулятора необходим для солнечных и ветряных батарей. Его включают в состав источников бесперебойного питания и другой техники.

Алгоритм процесса заряда аккумулятора

Для того чтобы понять, как происходит заряд батареи, рассмотрим схему, в состав которой входят только резистор и сам аккумулятор.

Как проконтролировать заряд АКБ с помощью резистора

В нашем случае используется аккумулятор 18650, емкость которого составляет 2400 мА/ч, с пороговыми значениями напряжения 2,8-4,3 В, и блок питания на 5 вольт и максимальный ток в 1 А. Рассчитаем параметры необходимого резистора. При этом будем считать, что аккумулятор находится в нормальном состоянии, а не полностью разряжен. Проведем зарядку батареи. Сначала, когда напряжение на АКБ минимально, ток будет максимален, а Ur – падение напряжение на резисторе, должно составить 2,2 Вольта (это разница между Uип – напряжением блока питания 5 В и начальными показателями батареи).

Исходя из этих данных, рассчитываем R — начальное сопротивление на резисторе и Pr — мощность рассеивания:

R= Ur/I = 2.2/1 = 2.2 Ом, где I – это максимальный ток блока питания.

Pr=I2R =1х1х2.2 = 2.2 Вт.

Когда напряжение в аккумуляторе дойдет до 4,2 В, Iзар – ток заряда, составит:

Iзар=(Uи -4.2)/R=(5-4.2)/2.2 = 0.3 А.

Получается, что для зарядки нам понадобится резистор, который работает при данных показателях. Но в этой схеме все время придется проверять напряжение на аккумуляторе, чтобы не пропустить момент, когда оно достигнет максимального значения в 4,2 В.

Важно! Теоретически зарядить аккумулятор без отдельной схемы защиты возможно, но проследить при этом за напряжением и зарядным током не получится. Да, 1-2 раза такой вариант может быть использован, но гарантировать, что батарея при этом не выйдет из строя, нельзя.

Основные функции контроллеров

Существуют три главные задачи, которые выполняют контроллеры заряда:

  • оптимизация системы питания;
  • сохранение ресурсов;
  • избежание фатальных поломок.

Контроллер для батареи

Контроллеры обладают разными функциями. Они корректирует подачу тока, следя за тем, чтобы показатели были меньше максимального заряда, но при этом превышали ток саморазряда. Устройства следят за прохождением всех этапов разряда-заряда аккумулятора, исходя из строения и химического состава АКБ.

Если речь идет о батареи для ноутбука, то контроллер дополнительно компенсирует энергетические потоки, которые возникают при одновременной зарядке и работе ПК. Иногда устройства оборудуются термодатчиками для аварийного отключения при перегреве или на холоде.

Если в системе используются сразу несколько аккумуляторов, контроллер обеспечивает заряд только для тех банок, которые еще не зарядились.

Для исключения утечек газа и взрыва в некоторых моделях контроллеров заряда аккумулятора используются датчики давления.

Обратите внимание! Работа любого контроллера должна обеспечивать правильное соотношение постоянный ток/постоянное напряжение (CC/CV ). Если при заряде количество поставляемой энергии избыточно, то эта лишняя часть выделяется на контроллере в виде тепла. Поэтому сам контроллер никогда не встраивается в батарею, он включается в общую схему, но всегда располагается отдельно. Но как сделать устройство своими руками?

Простые схемы

Одним из самых распространенных контроллеров является вариант на микросхеме на DW01. Его используют в большинстве мобильных устройств. По виду этот элемент представляет собой электронную плату, на которую монтируются все необходимые компоненты.

DW01 имеет 6 выходов, а полевые транзисторы смонтированы в одном корпусе с 8 выходами – это микросхема 8205А.

Контроллер с DW01

Вывод 1 защищает аккумулятор от разряда FET1 с пороговым значением напряжения в 2,4 В, а 2 – от переразряда FET2 с напряжением 4,25 В. Выход 2 идет на датчик, который фиксирует параметры напряжения на полевых транзисторах. Таким образом, происходит контроль над аккумулятором, и не возникает перегрузки по току. Порог срабатывания может меняться, в зависимости от значения переходного сопротивления транзисторов, которое является измерительным шунтом в схеме. Дополнительные паразитарные диоды в полевых транзисторах необходимы, для того чтобы зарядить аккумулятор, даже если сработала защита от глубокого разряда. Через эти же паразитарные диоды поступает ток разряда, когда транзистор FET2 перезаряжается или закрыт.

В данной схеме задача контроллера заряда отключить АКБ либо при полном разряде, либо при полной зарядке, то есть достижении значения в 4,25 В. Вместо DW01 можно использовать NE57600, G2J, G3J, S8261, S8210, K091, JW01, JW11 и другие аналогичные микросхемы.

Контроллер на микросхеме с интегрированными транзисторами

В микросхему LC05111CMT уже входят полевые транзисторы, здесь дополнительно используются только конденсатор и резисторы. В схеме используются встроенные транзисторы с переходным сопротивлением в 0,011 Ом. Это простая схема для создания аккумулятора своими руками. Между выводами S1 и S2 максимальное сопротивление составляет 24 В, а максимальные ток заряда/разряда – 10А.

Все сделанные самостоятельно устройства должны отвечать заданным параметрам, иначе обеспечить правильную работу аккумулятора не получится.

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

Оригинал статьи . 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.

Типовая схема включения микросхемы DW01-P

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 — VOCP), 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 – VOCR) 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- VODP), то контроллер выключает MOSFET-транзистор разряда FET1 – он подключен к выводу DO.

Далее микросхема управления DW01-P перейдёт в режим сна (Power Down) и потребляет ток всего 0,1 мкА. (при напряжении питания 2V).

Тут есть весьма интересное условие. Пока напряжение на ячейке аккумулятора не превысить 2,9 – 3,1V (Overdischarge Release Voltage — VODR), 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 (VODR).

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?

Дело в том, что внутри полевых транзисторов есть так называемые паразитные диоды – они являются результатом технологического процесса изготовления MOSFET-транзисторов. Вот именно через такой паразитный (внутренний) диод транзистора FET1 и будет течь ток заряда, так как он будет включен в прямом направлении.

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

MOSFET транзистор

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 (SiO2). 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.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

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.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

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 (SiO2). 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 (SiO2). 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.

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.

Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

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 (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ 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.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

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 1000C;

  • 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.

Внутренний контроллер аккумулятора

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

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

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

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

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

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

Альтернативный способ замены

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

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

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

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

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

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

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *