Меню
ГлавнаяТопливная система 

Схема аккумуляторной батареи телефона. Как устроен аккумулятор телефона и принцип его работы. Принципы устройства аккумулятора

Ушли в прошлое времена, когда аккумуляторные батареи для сотовых телефонов собирали аналогично автомобильным, только в миниатюре. Лишь 20 лет назад аккумулятор сотового телефона был устроен из частей как бы повторяющих весь комплекс устройств большего собрата. На рисунке показан разрез одного из таких элементов.

Наука и практика совместными усилиями продвигает технический прогресс. В 1991 году появились литий-ионные аккумуляторы, в которых катодный материал электродов наносится на алюминиевую фольгу, анодный - на медную.

Ионы лития, под воздействием электрического тока, внедряются в кристаллическую решетку графита и образуют с молекулами углерода химические связи. При разрыве этих связей высвобождается энергия, превращающаяся на полюсах батареи в электрический ток.

В последние годы появились литий-полимерные аккумуляторы.

На схеме видно как просто устроен такой аккумулятор для сотового телефона.

Банки аккумулятора телефона

Банки аккумулятора – это мягкие пластиковые пакеты, заполненные раствором лития в полимере, по консистенции похожим на сметану. Для контроля за состоянием батареи к банкам подключен контроллер. Он устроен в виде электронной платы и может ограничивать подключение зарядного устройства, не соответствующего по параметрам, и аккумулятор сотового телефона заряжаться не будет, как бы мы ни старались. Вместо обычных 2 контактов для соединения с платой сотового телефона в устройстве аккумулятора применяется коннектор – многополюсное соединение.

Как устроен аккумулятор телефона и принцип его работы

Процесс накапливания и отдачи энергии таких источников постоянного тока аналогичен литий-ионным аккумуляторам, но их производство гораздо дешевле, хотя по некоторым характеристикам они проигрывают своим предшественникам.

Основные предосторожности, которые нужно соблюдать при использовании малогабаритных телефонных аккумуляторов, ничем не отличаются от эксплуатационных мер безопасности кислотных или щелочных источников постоянного тока, устанавливаемых на автомобилях. Заряд повышенным напряжением, приводящим к перегреву или короткое замыкание банок аккумулятора может привести к пожару. А от маленькой искры, как известно, разгорается большое пламя.

Именно поэтому на каждом аккумуляторе установлен контроллер батареи, отключающий зарядку при достижении определенного значения и выключающий телефон, когда разрядка доходит до критической черты.

Аккумулятор - неотъемлемая часть мобильного телефона, которая обеспечивает ему автономную работу. От правильности эксплуатации аккумулятора, а также от возможностей вашего телефона будет зависеть то, как часто вам придется использовать зарядное устройство.

Виды аккумуляторов

Существует три основных вида аккумуляторов, используемых в мобильных телефонах: никель-кадмиевые, литий-ионные и литий-полимерные. На самом деле их больше, но остальные виды не получили массового распространения, поэтому мы оставим их за рамками этой статьи.

Никель-кадмиевые аккумуляторы когда-то были очень популярными, но сегодня от них почти отказались из-за пагубного влияния на экологию и ряда других недостатков. В современных мобильных телефонах их не используют, разве что вы найдете такой аккумулятор в какой-нибудь очень старой модели. В свое время их массовое распространение было обусловлено низкой стоимостью, в остальном же они обладали целым рядом отрицательных качеств: быстрая саморазрядка, низкое соотношение емкости и физических размеров, сильное разогревание в процессе эксплуатации. Никель-кадмиевые аккумуляторы обладают так называемым «эффектом памяти», из-за которого их приходится регулярно по несколько циклов подряд заряжать и разряжать полностью. Этот эффект проявляется тогда, когда начинают подзаряжать еще не севший полностью аккумулятор. При этом остается заряд, который не может быть использован, а в результате снижается время автономной работы устройства. Для никель-кадмиевых аккумуляторов в среднем характерно свыше 1000 циклов зарядки-разрядки.

Самое большое распространение в современных мобильных устройствах получили литий-ионные аккумуляторы. Они более долговечные и менее вредные для окружающей среды, чем никель-кадмиевые, и при этом обладают гораздо большей энергетической плотностью: при скромных физических размерах имеют относительно высокую емкость. У них отсутствует «эффект памяти», им свойственна низкая скорость саморазрядки. К недостаткам этого вида аккумуляторов можно отнести старение (даже если они не используются по прямому назначению), поэтому покупать их впрок не рекомендуется. А еще лучше обращать внимание на дату производства при покупке нового литий-ионного аккумулятора. Этот вид аккумуляторов не требует какого-либо особого обслуживания, но при правильном хранении (в заряженном состоянии) и эксплуатации с соблюдением температурного режима он прослужит гораздо дольше. Для литий-ионных аккумуляторов в среднем характерно от 500 до 1000 циклов зарядки-разрядки.


Литий-полимерные аккумуляторы представляют собой усовершенствованную модель литий-ионных аккумуляторов, но при этом стоят дешевле. Они отличаются высокой энергетической плотностью, медленной саморазрядкой, а также они еще более безопасны для окружающей среды. Как и литий-ионным аккумуляторам, им свойственно постепенное старение. Для литий-полимерных аккумуляторов в среднем характерно от 500 до 600 циклов зарядки-разрядки.

Особенности эксплуатации аккумуляторов

Сократить срок службы большинства аккумуляторов или полностью привести их в негодность могут следующие причины:

  • несоблюдение правил эксплуатации (переохлаждение, перегрев, попадание влаги);
  • физические повреждения контактной группы;
  • самостоятельное вскрытие аккумулятора в домашних условиях;
  • частые падения и удары;
  • подзарядка аккумулятора с включенным телефоном;
  • замена аккумулятора с включенным телефоном;
  • регулярные длительные подзарядки (больше суток во включенном состоянии);
  • длительное хранение без эксплуатации.

Любой из трех рассмотренных видов аккумуляторов со временем теряет свою емкость и через 2-3 года постоянной эксплуатации подлежит замене. Это нормальный процесс - не стоит ругать производителей за некачественный продукт, который часто служит гораздо меньше, чем сам мобильный телефон. Если возникла необходимость замены, следует выбирать более дорогие фирменные аккумуляторы, а не дешевые подделки, так как экономия в этом случае может получиться очень сомнительной.

Также следует знать, что на длительность автономной работы вашего устройства может значительно повлиять расположение базовых станций мобильного оператора. Чем дальше станция, тем больше энергии требуется для получения сигнала и тем быстрее потребуется повторная подзарядка аккумулятора.

Выбор телефона в зависимости от емкости аккумулятора

Сегодня в продаже можно встретить телефоны, которые укомплектованы аккумуляторами емкостью от 800 до 1500 мА·ч. Есть модели телефонов с емкостью аккумулятора вне этого диапазона, но они скорее являются исключением из правил.

При покупке телефона и предварительном расчете времени его автономной работы следует правильно оценивать возможности мобильного устройства в целом. Дело в том, что далеко не каждый телефон или смартфон с аккумулятором емкостью 1300-1500 мА·ч будет работать неделями напролет, все может быть как раз наоборот. Производитель обычно указывает в спецификациях устройства не только емкость аккумулятора, но и время автономной работы в режиме непрерывного разговора по телефону и в режиме ожидания. В первом случае это обычно 5-8 часов, во втором - около двух недель. Но это сухие цифры для крайних случаев - на самом деле мы понимаем, что разговаривать часами или просто смотреть на телефон сутки напролет никто не будет. Поэтому реальное время работы телефона будет зависеть от его технических характеристик и емкости аккумулятора, а не от одного какого-либо фактора.


Обычно чем телефон проще, тем дольше он сможет проработать без подзарядки. Основная часть «долгоиграющих» телефонов - это типичные моноблоки, которые имеют самый обычный экран диагональю до 2 дюймов и не подразумевают постоянное использование беспроводных коммуникаций (модулей Bluetooth, Wi-Fi, GPS и т. п.). Емкость аккумуляторов для большинства этих устройств невелика (до 1000 мА·ч), но отсутствие энергоемких функций и модулей при умеренной нагрузке позволяет подзаряжать его примерно раз в 5-7 дней. Под умеренной нагрузкой мы понимаем ежедневные звонки в течение 30-50 минут, 2-3 отправленных/принятых сообщения, 1-2 сделанных фотокамерой снимка, около получаса работы с дополнительными приложениями (браузером, органайзером, аудиопроигрывателем).

Сегодня очень популярными являются мобильные телефоны и смартфоны с сенсорными экранами . Они современные и удобные, но не могут долго работать без подзарядки. Крупные сенсорные экраны (а чаще всего они имеют 3-4 дюйма по диагонали) являются очень энергоемкими, к тому же значительную нагрузку дает аппаратная платформа (если речь идет о смартфоне). Кроме того, тачфоны чаще других используют для проверки электронной почты, прокладки маршрута, передачи данных, просмотра мультимедийного контента - все эти возможности дополнительно «съедают» изрядную долю емкости аккумулятора. За редким исключением, график работы смартфонов с сенсорными экранами следующий: работа днем, подзарядка вечером.

Сотовые телефоны очень быстро устаревают (наверное даже быстрее, чем компьютеры), и часто оказывается, что заменить старую батарейку в телефоне проблематично. Их просто не выпускают, и качественных батареек поэтому нет в продаже (китайские поделки в самопальных полиэтиленовых пакетиках не в счет — их покупать нет смысла, обычно они не держат долго заряд). Обидно выбрасывать совершенно исправный телефон, к которому очень привык.

Если умеете немного держать в руках паяльник, то можно просто решить эту проблему. Это возможно, поскольку носитель энергии во всех аккумуляторах для мобильников по технологии одинаков – почти всегда это Li-Ion (литий-ионный) или Li-Polymer (литий-полимер) элемент с напряжением в 3.6 — 3.7 вольта. Отличие только в габаритах аккумулятора, расположении и количестве контактов на нем. Покупаете любой (подчеркиваю — ЛЮБОЙ) аккумулятор от другого современного телефона, примерно подходящий по габаритам, и далее нужно просто вытащить оттуда носитель энергии и перенести в корпус старого аккумулятора. Далее для простоты я буду называть сборку из корпуса, контроллера и электрического элемента «аккумулятором» или «батарейкой», а электрический элемент внутри аккумулятора – «энергоносителем», или «элементом», или «банкой». Замена аккумулятора производилась для телефона Siemens ME45.

Итак, процесс восстановления старого аккумулятора состоит из нескольких простых шагов:

Шаг 1 . Раскрываете телефон, достаете старый аккумулятор, определяте его тип и емкость. Для моего Siemens ME45 это был аккумулятор типа Li-Ion, емкостью 840 ма/час, напряжением в 3.7 вольта, см. фото.

Самое главное – определить тип аккумулятора (Li-Ion или Li-Polymer). Дело в том, что от этого зависит режим заряда и устройство контроллера аккумулятора (специальная электронная схема, обеспечивающая правильный заряд). Аккумуляторы Li-Polymer боятся перезаряда, поэтому менять в старом аккумуляторе элемент Li-Ion на Li-Polymer я бы Вам не советовал.

Примечание . По напряжению Li-Ion и Li-Polymer почти совпадают. Li-Polymer имеет мЕньшее внутреннее сопротивление и бОльшую энергоемкость, чем Li-Ion при одинаковом размере и весе, поэтому аккумуляторы Li-Polymer используются в авиамоделизме для питания силовых установок. Недостаток у Li-Polymer в том, что он боится перезарядки (вздувается и может взорваться). Ни в коем случае не оставляйте без присмотра заряжающийся аккумулятор Li-Polymer, и применяйте для его заряда только специально предназначенные для Li-Polymer зарядные устройства!

Шаг 2 . Теперь стоит разобрать старый аккумулятор и ознакомиться с содержимым. Начинка не очень сложная – в корпусе находится контроллер (маленькая платка) и энергоноситель – увесистый прямоугольник с двумя контактами. Контакты контроллера выходят наружу, а внутри к нему подключен энергоноситель.

Плата контроллера видна снизу, а наружные контакты аккумулятора находятся на заднем плане, на этой фотографии внизу слева.

Энергоноситель приподнят, видна задняя часть наружных контактов, а также шина “-“ (левее, в центре) и шина “+“ энергоносителя (справа), подпаянные к контроллеру.

Это вид на контроллер «сверху». С этой стороны припаиваются шины питания от элемента (на фотографии он уже отпаян). Большой восьминогий чип 9926A – это полевой транзистор, служащий ключом, а маленькая 6-ногая микрушка 521A скорее всего специализированный чип (мне не удалось найти его описание), который измеряет напряжение элемента и определяет логику работы контроллера (управляет полевым транзистором и процессом заряда элемента).

Вид на плату контроллера «снизу» с этой стороны припаяны наружные контакты.

Шаг 3 . Заходите в магазин, показываете продавцу старый аккумулятор и просите продать такой же. Продавец, само собой, говорит, что извините, таких батареек нет. Тогда Вы просите его показать все имеющиеся у него модели аккумуляторов, и выбираете из него тот, который совпадает по типу (например, если старый аккумулятор у Вас был Li-Ion, то нужно искать тоже батарейку Li-Ion) и имеет устраивающую вас емкость (измерятеся в милиампер/часах). Чем больше емкость, тем лучше. С напряжением все проще, тут не промахнетесь — все аккумуляторы имеют внутри одну банку с напряжением 3.6 .. 3.7 вольт. Обращайте внимание также на качество упаковки и время выпуска аккумулятора, чем батарейка свежЕе, тем лучше – дольше проработает. Меняйте только Li-Ion на Li-Ion и Li-Polymer на Li-Polymer!

Шаг 4 . Аккуратно разберите новую батарейку, отделите элемент от контроллера. Если можно, постарайтесь отпаять – это упростит подключение элемента к старому контроллеру. У меня отпаять не получилось (место соединения было залито компаундом), и пришлось просто оторвать. После этой процедуры из элемента должны торчать два контакта – плюс и минус, которые надо облудить и припаять затем к старому контроллеру. Внимание! Не перепутайте полярность и не замкните случайно контакты элемента во время пайки.

Мне на этом шаге пришлось столкнуться с небольшой проблемой – положительный контакт элемента был из алюминия и наотрез отказался облуживаться. К тому же он был очень нежным (по сути – толстая фольга) и мог оторваться при любом неосторожном движении. Пришлось придумать, как сделать для него надежный контакт. Выручила старая панелька от DIP микросхем – 2 контакта от неё как раз подошли для этой цели. Они пружинили и хорошо соединялись с контактом элемента, см. фотографии.

Здесь виден энергоноситель, от него уже оторван контроллер. Слева – отрицательный контакт, его удалось облудить. Справа – положительный алюминиевый контакт и контактики от панельки, подготовленные для подсоединения. Чтобы элемент влез в корпус аккумулятора, пришлось слегка его сжать по бокам. Эту операцию надо делать очень осторожно — ни в коем случае нельзя нарушить герметичность аккумулятора (особенно относится к Li-Polymer).

Контакты панельки насажены на контакт элемента.

Потом тонкой облуженной жилкой от провода МГТФ я закрепил контакты и для надежности слегка пропаял, стараясь как можно меньше класть канифоли (чтобы она не попала между контактом элемента и контактами панельки).

Почти готовый аккумулятор. Мягкие синие прокладки (взял амортизационные шайбы от старого CD-ROMа) нужны для того, тобы элемент не болтался в корпусе аккумулятора. Осталось закрыть крышку, и продура завершена. Я не стал приклеивать крышку, а просто примотал её 2 слоями скотча.

«Старичок» с новым аккумулятором — все в порядке!

Это все, что осталось от «донора» — этикетка и выломанный контроллер.

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.

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.