Контроллер питания - что это? В данной статье речь пойдёт о маленькой составляющей вашего гаджета, например мобильного телефона или планшета. Технологии давно не стоят на месте, поэтому различные сбои могут возникать, казалось бы, по непонятным причинам.

Что это такое?

Это очень маленькая микросхема, которая припаяна к плате вашего мобильного телефона, обычно рядом с разъемом для зарядки. Для чего нужен контроллер питания?

Он регулирует процесс подачи электрического тока к батарее вашего мобильного устройства и, как правило, достаточно технологичен, чтобы определить, например, что ваш телефон уже полностью заряжен. В таком случае процесс подачи энергии просто останавливается, а на дисплее смартфона появляется надпись, которая сообщает о том, что аккумулятор вашего устройства заряжен. Возможно, он также предохраняет ваш аппарат от зарядных устройств более высокого напряжения, не давая смартфону выйти из строя.

Сломался контроллер питания в телефоне, как проверить?

Если ваш мобильный телефон вдруг перестал заряжаться или батареи хватает всего на несколько часов, то, вероятнее всего, причина именно в этой неполадке. Вариантов проверки, в принципе, не так много. Можно попытаться зарядить телефон чуть дольше обычного или полностью разрядить и зарядить батарею. Если поломка серьёзная, то, вероятнее всего, подобные действия ни к чему не приведут, а телефон рано или поздно просто откажется включаться.

Также бывает вариант, когда смартфон начинает постоянно перезагружаться - виной этому опять же контроллер питания. Циклов перезагрузки при этом может быть крайне много - пока не разрядится батарея. Однако возможны и другие причины такого поведения вашего гаджета.

Другие поломки

Возможно, виной странного поведения вашего телефона является другая неисправность. Перезагрузки и выключения - это не обязательно вышедший из строй контроллер питания. Виной может быть батарея.

Однако тут всё немного проще. В случае с батареей в первую очередь следует убедиться, нет ли на ней признаков повреждения или, например, чрезмерного перегрева. Если у вас монолитная батарея (как в Iphone), то лучше обратиться в сервисный центр.

Если вы можете вытащить и осмотреть аккумулятор (есть такая техническая возможность) и на нём есть видимые признаки повреждений: вздутия, вогнутости и т. д.), то лучше попытаться заменить его по гарантии либо купить новый, в зависимости от вашей ситуации.

Относительно самостоятельного ремонта

Не суть важно, что сломалось в вашем телефоне: батарея или контроллер питания, настоятельно не рекомендуется производить ремонт самостоятельно. Лучше дойти до ближайшего сервисного центра и позволить решить проблему профессионалам. Самостоятельный ремонт чаще всего приводит к полному выходу смартфона из строя.

Ведь для его осуществления требуется специальный инструмент, возможно, дополнительные части (тот же контроллер питания, только новый) и многие другие детали.

Как продлить срок службы?

Разобравшись в том, что же такое контроллер питания, можно дать несколько полезных, пусть и не новых, рекомендаций о том, как продлить работу вашего гаджета.

Самое главное - не использовать зарядные устройства других производителей. Несмотря на то что кругом говорят, что такая замена безопасна - лучше не рисковать лишний раз. Небольшая разница в напряжении, которая может быть вызывана чем угодно, вплоть до различных материалов изготовителей устройств, вполне способна вывести из строя и контроллер питания, и аккумулятор.

Что касается самого устройства, то, кроме зарядных устройств, лучше не пользоваться батареями от других гаджетов. Конечно, эра поддельных аккумуляторов практически прошла, но, возможно, остались совместимые устройства.

Ну и последний, вполне логичный совет - избегайте влаги. Если ваше устройство не защищено от воды, то лучше лишний раз его не мочить.

Итоги

Теперь вы можете ответить на вопрос: "Контроллер питания в телефоне - что это такое?" Однако не пытайтесь самостоятельно чинить эту деталь. Без необходимого опыта и инструмента это, вероятнее всего, доломает ваш смартфон. Лучше обратиться в специальную ремонтную мастерскую, где имеют опыт работы с подобными поломками.

Кроме того, если вы замечаете такие признаки, как, например, частые перезагрузки при полной батарее, быстрая разрядка, и то, что ваш смарфтон не видит зарядное устройство, - это опять же повод отнести телефон мастерам.

Контроллеры сами по себе устройства полезные. И чтобы лучше разобрать эту тему, необходимо работать с определённым примером. Поэтому мы и рассмотрим контролер заряда аккумулятора. Что он собой представляет? Как устроен? Какие особенности работы существуют?

Чем занимается контроллер заряда аккумулятора

Он служит для того, чтобы следить за восстановлением энергетических потерь и тратами. Сначала он занимается отслеживанием превращения электрической энергии в химическую, чтобы в последующем при наличии надобности было снабжение требуемых схем или приборов. Сделать контроллер заряда аккумулятора своими руками не сложно. Но его также можно извлечь из источников питания, которые вышли из строя.

Как устроен контроллер

Конечно, универсальной схемы не существует. Но многие в своей работе используют два посдтроечных резистора, которые регулируют верхний и нижний предел напряжения. Когда оно выходит за заданные рамки, то начинается взаимодействие с обмотками реле, и оно включается. Пока оно работает, напряжение не опустится ниже определённого, технически заранее предусмотренного уровня. Тут следует поговорить о том, что существует различный диапазон границ. Так, для аккумулятора может быть установлено и три, и пять, и двенадцать, и пятнадцать вольт. Теоретически всё упирается в аппаратную реализацию. Давайте рассмотрим, как работает контроллер заряда аккумулятора в разных случаях.

Какие бывают типы

Следует отметить значительное разнообразие, которым могут похвастаться контроллеры заряда аккумулятора. Если говорить о их видах, давайте сделаем классификацию в зависимости от сферы применения:

1. Для возобновляемых источников энергии.
2. Для бытовой техники.
3. Для мобильных устройств.

Конечно, самих видов значительно больше. Но поскольку мы рассматриваем контроллер заряда аккумулятора с общей точки зрения, то нам хватит и их. Если говорить про те, что применяются для и ветряков, то в них верхний предел напряжения обычно равняется 15 вольтам, тогда как нижний - 12 В. При этом аккумулятор может генерировать в стандартном режиме 12 В. Источник энергии подключают к нему с использованием нормально замкнутых контактов реле. Что будет, когда напряжение аккумулятора превышает установленные 15 В? В таких случаях контроллером осуществляется замыкание контактов реле. В результате источник электроэнергии с аккумулятора переключается на нагрузочный балласт. Следует отметить, что его не особенно любят ставить для солнечных панелей из-за определённых побочных эффектов. А вот для они являются обязательными. Бытовая техника и мобильные устройства имеют свои особенности. Причем контроллер заряда аккумулятора планшета, сенсорного и кнопочного сотового телефонов являются практически идентичными.

Заглянем в литиево-ионный аккумулятор сотового телефона

Если расковырять любую батарею, то можно заметить, что к выводам ячейки припаивается маленькая Она называется схемой защиты. Дело в том, что требуют наличия постоянного контроля. Обычная схема контроллера представляет собой миниатюрную плату, на которой базируется схема, сделанная из SMD-компонентов. Она в свою очередь делится на две микросхемы - одна из них является управляющей, а другая - исполнительной. Давайте поговорим более детально о второй.

Исполнительная схема

Защита от переразряда

Когда напряжение достигает критически малых значений, которые делают проблемным само функционирование устройства (обычно это диапазон в 2,3-2,5В), то выключается соответствующий MOSFET-транзистор, который отвечает за подачу тока мобильнику. Далее происходит переход в режим сна с минимальным потреблением. И тут имеется довольно интересный аспект работы. Так, пока напряжение ячейки аккумулятора не станет больше 2,9-3,1 В, мобильное устройство не получится включить для работы в обычно режиме. Наверное, такое вы могли замечать, что когда подключаешь телефон, он показывает, что идёт зарядка, но сам включаться и функционировать в обычном режиме не хочет.

Заключение

Как видите, контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора играет важную роль в обеспечении длительности работоспособности мобильных устройств и позитивно сказывается на сроке их службы. Благодаря простоте производства их можно найти практически в любом телефоне или планшете. Если будет желание собственными глазами увидеть, а руками потрогать контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора и его содержимое, то при разборе следует помнить, что работа ведётся с химическим элементомв, поэтому следует соблюдать определённую осторожность.

0

Восстановление функции заряда батареи в китайском телефоне

Всем доброго времени суток! Приветствую своих старых читателей и рад новым! Речь в сегодняшней статье пойдёт о такой неприятной неисправности, как «китайский телефон перестал заряжаться». Если Ваш «китайский товарищ» не подаёт признаков жизни, сутками стоит, подключённый к сетевому или автомобильному зарядному устройству, а результата ноль - рекомендую обратить внимание на этот материал. Итак - телефон не берёт зарядку. Плохо, конечно… и втройне плохо, что китайские телефоны в сервисных центрах обычно в ремонт не берут, мотивируя отказ тысячей очень убедительных причин.

Одна из таких причин - полное отсутствие комплектующих и запчастей к китайским аппаратам. Я, как ремонтник, сам сталкиваюсь с этой проблемой и признаю её актуальность, но! Не спешите огорчаться и прибивать своего «китайского друга» гвоздём к стене (у одного моего знакомого в гараже прибито уже три таких телефона!).

Сегодня я расскажу, как «вылечить» такой аппарат без особых навыков и дорогостоящих запчастей. Сразу скажу - нам понадобятся: паяльник с остро отточенным жалом (80 рублей), китайский мультиметр (100 рублей), ну и - по мелочи: набор отвёрток, изолированные проводки… в общем, такого хлама у каждого в гараже найдётся немало. И ещё нам понадобится какой-нибудь «донор» зап.частей. Не обязательно это должен быть телефон. Вполне подойдёт неисправная материнская плата от компьютера, убитый винчестер (я использовал именно его!), даже многие зарядные устройства - «содержат» в себе нужные нам элементы. С вероятностью 95% в любом из вышеперечисленных «девайсов» вы найдёте всё необходимое! Вот - тот винчестер, из которого я буду «изымать» нужную детальку:

Ещё - понадобится желание что-то сотворить своими руками, эти самые руки (желательно - прямые:)) и хотя бы отдалённое знание школьного курса физики за десятый класс. Ну и, как говорится, приступим!

Прежде всего - возьмите ваш неисправный телефон и извлеките из него батарейку. Затем - измерьте на ней напряжение (мультимметр - в режиме измерения постоянного напряжения, предел - до 20 Вольт). Если на батарейке меньше, чем 3,7 Вольт - даже совершенно исправный телефон вовсе не обязан включаться! Такую батарейку нужно зарядить любым способом до 3,9…4,0 Вольта (в другом телефоне, «лягушкой», любым блоком питания… в общем, что есть под руками). Получилось? Вставляйте батарею в телефон и пробуйте включить. Включился? Работает? Радуйтесь! Половину дела уже сделали! Мы определили неисправность! Для окончательной «постановки диагноза» - пробуйте к ВКЛЮЧЕННОМУ телефону подключить зарядку. Если девайс стал показывать процесс зарядки, квадратики на индикаторе - замигали, чрез час (или раньше) - телефон сказал, что «Зарядка завершена», напряжение на батарее при этом стало равно 4,2 Вольта - значит… случилось чудо и неисправность самоустранилась. Радуемся дальше, идём за Клинским… ну и - далее, по списку. А вот если телефон никак не отреагировал на подключение зарядного устройства, если квадратики на индикаторе замигали, а телефон - ни через час, ни через день - не зарядился на 100%, или даже если телефон сказал, что «зарядка завершена», но через час - выключился и напряжение на батарее - не поднялось, а напротив - упало… В общем, читаем статью дальше.

А дальше - для начала немного скучной теории. За заряд батареи отвечает контроллер питания / зарядки, ну или проще - «контролька». Эта маленькая деталюшка отвечает за процесс зарядки аккумулятора, она же постоянно контролирует напряжение на батарейке, она же - мониторит температуру (да-да! и её!) корпуса аккумулятора… и ещё массу других параметров. Но иногда она, как и всякая другая деталь - выходит из строя. Причём в китайских телефонах она выходит несколько… чаще. Связано это обычно с некачественными зарядными устройствами (в китайских «зарядках» вместо пяти вольт на выходе запросто может быть и 12), с бросками напряжения в сети 220 Вольт… ну да это не важно. Важно то, что контролька по какой-то причине перестаёт работать, хотя все остальные функции телефона остаются в норме. И если для «белого» аппарата эта неисправность считается одной из самых лёгких и «халявных» (для мастеров) - достаточно просто перепаять контроллер и клиент будет счастлив, то для китайских телефонов - и рад бы перепаять, и оборудование для этого есть, и навыки… да где ж её взять, эту контрольку?! Иногда, очень редко - подходят контроллеры от Самсунгов или ещё каких-нибудь «белых» аппаратов; иногда - источником запчастей выступают «доноры» - неисправные китайские телефоны. Но чаще всего - приходится пожимать плечами и отдавать такой аппарат клиенту «без ремонта». И мастеру обидно (жалко потраченного времени), и клиенту неприятно. И вот как-то мне в голову пришла одна интересная мысль: ведь для того, чтобы зарядить аккумулятор - контроллер не нужен! В «лягушке» ведь никакой контрольки не стоит, а батарейки - заряжаются! Контролька нужна для ограничения зарядного тока (при необходимости - для этого можно обойтись обычным резистором), для исключения перезарядки аккумулятора (как альтернативный вариант - можно процесс контролировать вручную, по времени), для исключения перегрева батареи при зарядке (ограничить зарядный ток - батарея будет заряжаться чуть дольше, но зато - точно не перегреется)… Словом, будет не так удобно пользоваться телефоном… но согласитесь, это - лучше, чем совсем не пользоваться им! И в итоге моих «размышлений» - появилась вот такая схемка:

Предупреждаю сразу: схема - не совсем точная (вернее - совсем неточная!); но для понимания того, что я хочу сказать - она вполне подходит. В «заводском» варианте - с разъёма для подключения зарядного устройства «плюс» напряжения идёт сначала на контроллер зарядки, а уже с него - на батарейку. То бишь, когда нужно - контроллер самостоятельно может включить зарядку аккумулятора, выключить (когда напряжение на аккумуляторе достигнет нормы), может ограничить ток зарядки - если аккумулятор сильно греется… Я же предлагаю вот такую «доработку»:

Как видите, появился дополнительный диод и резистор. Причём - новая цепь идёт как бы «в обход» контроллера. То бишь, получается, что зарядка будет идти вне зависимости от состояния контроллера; даже если он неисправен, даже если его нет вовсе - батарейка заряжаться будет, что и требовалось доказать! Наиболее любопытные спросят: а почему нельзя просто соединить проводком вход и выход контроллера? Тогда ведь батарейка тоже будет заряжаться, а работы будет меньше! В общем-то, это верно… только отчасти. Когда ЗУ подключено к телефону - правильно, аккумулятор будет заряжаться. А когда зарядку отключат? Если бы не было диода - напряжение с аккумулятора подавалось бы не только на цепи телефона, но и на вход контроллера, а это - дополнительный расход энергии и без того слабеньких аккумуляторов. Кроме того, может наблюдаться забавное явление: коль на вход контроллера постоянно будет подаваться напряжение - постоянно будет мигать и индикатор зарядки! Прикольно конечно… но оно надо? Вот для того, чтобы избежать всех этих неприятностей - и нужен диод. А резистор? А вот он как раз - чаще всего не нужен; вместо него - можно смело рисовать обыкновенную перемычку. Но! Иметь в виду его всё же нужно постоянно. Дело в том, что литиевые аккумуляторы - очень даже не слабо взрываются, если их заряжать током, сильно превышающим номинальный. Производители литиевых батареек, разумеется, в один голос заявляют «возможность заряда током, равным ёмкости батареи», то бишь, если на батарейке написано, что она - на 750 мА/ч - то господа производители утверждают, что её можно заряжать током, равным 750 мА и в течение часа батарея полностью зарядится. Любители острых ощущений - могут, разумеется, проделать такой эксперимент… только не говорите потом, что я вас не предупреждал! Я бы настоятельно, НАСТОЯТЕЛЬНО!!! рекомендовал поделить заявленные производителями цифры - как минимум на два (а лучше - на три), то есть - заряжать аккумуляторы три часа током, равным 1/3 от номинальной ёмкости, в нашем случае это - 250 мА. Обратите внимание: даже с полностью рабочим контроллером зарядки и новым аккумулятором - телефон заряжается 2…3 часа, но никак не час! Производители телефонов - они люди не глупые, и экстрим не уважают; а по сему - программируют контроллер так, чтобы он ограничивал зарядный ток на уровне 1/2… 1/3 от номинальной ёмкости. А в нашем случае - контроллер совсем не работает! Вот по этому - я и нарисовал резистор. Справедливости ради - стоит сказать, что диод тоже обладает каким-то сопротивлением, которое может выступить в роли того самого нарисованного резистора; кроме того - зарядные устройства в большинстве своём попросту не в состоянии выдать ток больший, чем 300 мА; так что повредить аккумулятор… скажем так, сложно. Но можно! Я же говорю, что китайские зарядные устройства - запросто выдают вместо 5 В. - любое напряжение, вплоть до 12 Вольт. Так что - хоть и редко, но резистор всё же бывает нужен для ограничения зарядного тока. В большинстве же случаев - его можно не ставить.

Ну а теперь - хватит скучной теории, приступим к практическим занятиям!

Вот - фото платы китайского телефона. Не скажу, какого именно - это не важно; главное - что здесь видно и гнездо для подключения зарядного устройства, и контакты, к которым прижимается аккумулятор, и дорожки.

В вашем случае - плата скорее всего, будет другой, но ведь для этого я и писал предыдущий абзац! Читаем теорию ещё раз, берём китайский мультиметр, включаем его в режим «прозвонки» и - приступаем! Для более комфортной работы я бы рекомендовал хороший источник света (хотя бы - обыкновенную офисную лампу на ножке) и - кружку пива… но это - на любителя!

Итак, включаем тестер в режим «прозвонки». Одним щупом - касаемся любого экрана на плате, в смысле - любой «массы», другим - по очереди всех трёх контактов, к которым прижимается батарейка. На одном из контактов - тестер запищит. Отмечаем этот контакт как «минус» (в принципе, этот этап можно бы и пропустить; обычно на батарейке указывается, где плюс, а где минус… но вдруг надпись стёрлась?!). Далее - переключаем тестер в режим измерения напряжения (до 20 вольт), прижимаем батарейку к контактам на плате (не обязательно для этого собирать телефон - можно воспользоваться резинкой… или просто попросить кого-то минутку подержать батарейку прижатой к контактам), минусовым щупом тестера - касаемся минусовой клеммы в телефоне, а плюсовой - по очереди двух оставшихся клемм. На одной из них напряжение будет чуть-чуть больше, чем на другой (доли вольта, но - разница заметна). Помечаем тот контакт, где напряжение больше - это «плюсовой» вывод батареи. Ещё раз повторю, что если надписи на батарейке сохранились - этот шаг можно пропустить: нам всего лишь нужно «вычислить» плюсовую клемму телефона, к которой подключается аккумулятор.

Нашли? Замечательно. В моём случае - я на рисунке ниже подписал эту клемму. Идём дальше. Нам нужно найти плюсовой контакт (или контакты, если их несколько) в разъёме, к которому подключается зарядное устройство. Если это обычное mini-USB гнездо - то тут всё просто: это будет пятый контакт. А если нет? А вот если нет - тогда делаем следующее. Нужно открыть либо разъём, который на шнуре от зарядного устройства, либо - само зарядное устройство; найти там плюсовой проводок (обычно он - красный или коричневый… или - при помощи тестера в режиме измерения напряжения). Затем - включить тестер в режим прозвонки, «стать» одним щупом на только что найденный плюсовой проводок, а другим - коснуться по очереди всех контактов разъема телефона. На одном из контактов - тестер запищит; запоминаем этот контакт (на рисунке ниже я отметил и его). А вот дальше - дальше придётся пофантазировать. Дело в том, что к выбранному контакту - нужно будет припаять проводок, а паять непосредственно к разъёму - очень неудобно: больно уж там всё микроскопическое. А по сему - делаем следующее. Снова становимся одним щупом тестера - на плюсовой проводок, идущий от зарядки (или - на только что найденный плюсовой контакт на системном разъёме телефона), а другим щупом - … касаемся всех выводов всех деталей, к которым удобно будет припаять проводок. Так же касаемся всех «пятаков» на плате, всех более или менее объёмных дорожек… Цель, как вы поняли - найти дорожку (детальку), к которой бы удобно было припаивать проводок и которая бы была соединена с «плюсовым» проводом от зарядки. Тем более, что производители телефонов обычно сами «заботятся» об этом: им же на заводе нужно как-то проверять телефон? А для этого - нужно подключать к плате питание. Каждый раз прижимать батарейку как делали мы, или же - вставлять штекер в гнездо для зарядки - согласитесь, не очень-то удобно. Вот по этому инженеры обычно предусматривают для таких целей так называемые «контрольные точки», ну или в простонародии - «пятаки на плате». Один из таких «пятаков» будет соединён либо с «плюсом» батарейки, либо - с «плюсом» от зарядного устройства. А может, будут оба пятака - тогда вообще всё здорово и удобно! На фото внизу - один из «пятаков» я вычислил и обвёл красным. Правда, с «плюсом» батарейки ни один пятак в моём случае не звонился - но с «плюсом» батарейки был соединён вывод нулевого резистора (на фото тоже обведён красным).

Итог всех вышеперечисленных манипуляций - мы нашли две точки на плате, одна из которых соединена с входом контроллера, а другая - с выходом:

Sorry за качество, больше мой фотоаппарат просто не увеличивает. Пунктирными линиями я обозначил - какой контакт с чем соединён. Зелёное обозначение диода - соответственно, как именно подключать диод, о котором я говорил выше. Можно сразу припаять к обведённым (вычисленным ранее) точкам по тоненькому изолированному проводку (другие концы проводков пока оставляем свободными).

Далее - нам пригодится «донор» деталей. В моём случае, как я уже говорил - это неисправный винчестер; но нужные нам диоды стоят во многих девайсах: от детских игрушек - до компьютеров… с вероятностью 90% на первой же плате, попавшейся вам в руки - вы хоть один диод найдёте. Вот как выглядят нужные нам диоды «а-ля натюрлихъ»:

Это - увеличенное (на сколько получилось) фото платы от донора - винчестера. Красным обведены нужные нам диоды. Как видите, у деталей всего две ножки, они - сравнительно больших размеров, в общем - выпаять обычным паяльником - не составит труда (при наличии паяльной станции - всё ещё проще). Выпаяли - проверьте на всякий случай (тестер в режиме прозвонки, в одну сторону диод будет «звониться», а если щупы поменять местами - то нет). А вот далее - самый ответственный момент, внимание! Припаиваем диод к любому из проводков (которые ранее припаяли к плате) - одним выводом! Другой вывод диода и другой проводок - пока свободны! Затем - ставим плату от телефона в корпус (пока можно крышку не закрывать), вставляем батарею - так чтобы она плотно прижалась к контактам, вставляем в телефон зарядное устройство и подключаем его (устройство) в розетку. Теперь - переключаем тестер в режим измерения ПОСТОЯННОГО ТОКА!!! Предел - до 20 Ампер (обычно для этого нужно переставить щуп в другое гнездо). И - касаемся одним щупом свободного вывода диода, другим - свободного проводка. Смотрим, что показывает прибор. Если ток равен нулю - нужно перевернуть диод (припаять к проводку другим выводом). Если ток равен 0,2…0,3 Ампера - всё супер! Больше ничего делать не нужно! Если же ток значительно больше, чем 0,3 Ампера (бывает и такое) - нужно будет поставить и подобрать токоограничительный резистор, о котором я говорил выше… или - взять другое зарядное устройство! Согласитесь, последнее - проще. Кстати, измеренное значение тока - запомните, оно нам пригодится через пару минут.

В общем-то, всё!!! Отключаем зарядное устройство, отключаем тестер, припаиваем оставшийся свободный провод к свободному выводу диода, всё аккуратно прячем в корпусе… ну и - идём за пивом!

Обращаю ваше внимание на то, что диод, в общем-то, подойдёт практически любой! Напряжение - всего 5 вольт, а ток - около 300 мА; такую нагрузку выдержит почти любой диод. НО! Я не зря советовал начать поиски не с древних телевизоров (а нужные нам диоды есть и там), а - с более или менее современных девайсов. К примеру, в том же винчестере - диоды оказались довольно компактные (а значит, наша «доработка» легко спрячется на плате телефона), и в то же время - с относительно большими выводами (легче паять обычным паяльником). Вот, посмотрите, как всё получилось у меня.

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.

Для чего литий─ионному аккумулятору нужен контроллер зарядки?

Многие читатели сайта спрашивают о том, что такое контроллер заряда литий─ионного аккумулятора, и для чего он нужен. Этот вопрос кратко упоминался в материалах, где описывались различные типы литиевых аккумуляторов. Этот тип аккумуляторных батарей практически всегда имеет в своём составе контроллер зарядки, ещё называемый платой защиты Battery Monitoring System (BMS). В этой заметке подробнее рассмотрим, что это за устройство, и как оно функционирует.

Простейший вариант контроллера зарядки литий─ионных АКБ можно увидеть, если разобрать аккумулятор планшетного компьютера или телефона. Он состоит из банки (аккумуляторного элемента) и печатной платы защиты BMS. Это и есть контроллер зарядки, который можно видеть на фото ниже.

Основой здесь является микросхема контроллера защиты. Полевые транзисторы используются для раздельного управления защитой при зарядке и разрядке аккумуляторного элемента.

Назначение контроллера защиты в том, что он следит за тем, чтобы банка не заряжалась выше напряжения 4,2 вольта. Литиевый аккумуляторный элемент имеет номинальное напряжение 3,7 вольта. Перезаряд и превышение напряжения выше 4,2 вольта могут привести к тому, что элемент выйдет из строя.

В аккумуляторах смартфонов и планшетов плата BMS следит за процессом заряда и разряда одного элемента (банки). В аккумуляторах ноутбуков таких банок несколько. Обычно от 4 до 8.

Также контроллер следит за процессом разрядки аккумуляторного элемента. При падении напряжения ниже порогового (обычно 3 вольта) схема отключает банку от потребителя тока. В результате устройство, работающее от аккумулятора, просто выключается.
Среди прочих функций контроллера зарядки стоит отметить защиту от короткого замыкания. На некоторых платах защиты BMS устанавливается терморезистор для защиты аккумуляторного элемента от перегрева.

Платы защиты BMS для литий─ионных аккумуляторов

Контроллер, рассмотренный выше, является простейшим вариантом защиты BMS. На самом деле разновидностей таких плат гораздо больше и есть довольно сложные и дорогостоящие. В зависимости от сферы применения выделяют следующие виды:

• Для портативной мобильной электроники;
• Для бытовой техники;
• Применяемые в возобновляемых источниках энергии.

Часто такие платы защиты BMS можно встретить в составе систем с солнечными батареями и в ветряных генераторах. Там, как правило, верхний порог срабатывания защиты по напряжению составляет 15, а нижний – 12 вольт. Сам аккумулятор в штатном режиме выдаёт напряжение 12 вольт. К аккумуляторной батарее подключается источник энергии (например, солнечная панель). Подключение выполняется через реле.

При увеличении напряжения на аккумуляторе более 15 вольт срабатывают реле и размыкают цепь заряда. После этого источник энергии работает на предусмотренный для этого балласт. Как говорят специалисты, в случае с солнечными панелями это может дать нежелательные побочные эффекты.

В случае ветряных генераторов BMS контроллеры применяются обязательно. Контроллеры зарядки для бытовой техники и мобильных устройств имеют существенные различия. А вот контроллеры аккумуляторов ноутбуков, планшетов и телефонов имеют одинаковую схему. Разница заключается только в количестве контролируемых аккумуляторных элементов.