Простой контроллер заряда литиевых батарей. Как зарядить литий ионный аккумулятор без контроллера Схема контроля 3 литиевых батарей

Для начала нужно определиться с терминологией.

Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует . Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки - сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде - это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют .

При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого .

Исходя из своего опыта могу сказать, что под контроллером заряда/разряда на самом деле понимают схему защиты аккумулятора от слишком глубокого разряда и, наоборот, перезаряда.

Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:

И вот тоже они:

Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).

Контроллеры заряда-разряда

Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).

DW01-Plus

Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.

Сама микросхема DW01 - шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.

Вывод 1 и 3 - это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 - датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.

Вся схема выглядит примерно вот так:

Правая микросхема с маркировкой 8205А - это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.

S-8241 Series

Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241 .

Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.

AAT8660 Series

LV51140T

Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T .

Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы - вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.

R5421N Series

Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки - порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).

Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:

SA57608

Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608 .

Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:

SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме - порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).

LC05111CMT

Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor - контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT .

Решение интересно тем, что ключевые MOSFET"ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.

Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет ~11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда - 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 - 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).

Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6x4.0, 0.65P, Dual Flag.

Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.

Контроллеры заряда и схемы защиты - в чем разница?

Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда - это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.

Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV - постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество "заливаемой" в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.

По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.

Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу - при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.

Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (~4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.

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:

Для возобновляемых источников энергии.
Для бытовой техники.
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

Она базируется на Обычно их два. Сама же микросхема может иметь 6 или 8 выводов. Для раздельного контроля заряда и разряда ячейки аккумулятора используют два полевых транзистора, которые находятся в одном корпусе. Так, один из них может подключать или отключать нагрузку. Второй транзистор делает эти же действия, но уже с источником питания (в качестве которого выступает зарядное устройство). Благодаря такой схеме реализации можно без проблем влиять на работу аккумулятора. При желании ею можно воспользоваться и в другом месте. Но следует учитывать, что схема контроллера заряда аккумулятора и он сам может применяться только к устройствам и элементам, что обладают ограниченным диапазоном работы. Более детально о таких особенностях мы сейчас и поговорим.

Защита от перезаряда

Дело в том, что если напряжение превысит 4,2, то может возникнуть перегрев и даже произойти взрыв. Для этого подбираются такие элементы микросхем, которые будут прекращать заряд при достижении данного показателя. И обычно, пока напряжение не достигнет показателя в 4-4,1 В из-за использования или в процессе саморазряда, дальнейшая зарядка будет невозможной. Это важная функция, которая возложена на контроллер заряда литиевых аккумуляторов.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Видео

Всем известны преимущества литиевых аккумуляторов – в первую очередь это высокая энергетическая плотность, малый вес и отсутствие «эффекта памяти». Также стоит отметить, что потенциал одного литиевого аккум. (3,6В) в три раза больше одного никель-кадмиевого или никель-металлогидридного аккумулятора (1,2В).

Однако литиевые аккумуляторы имеют ряд особенностей, которые не позволяют безопасно использовать их без специальных систем контроля. Эти системы называют контроллерами заряда и разряда. В современной промышленности существуют готовые высоко интегрированные микросхемы для выполнения этих функций. Но, как оказалось, они не доступны для массового использования. Их не продают в магазинах радиодеталей поштучно. Их нужно заказывать в компаниях, специализирующихся на поставке электронных компонентов для предприятий и ремонтных мастерских. А минимальная партия в таком случае составляет от 10шт (это в лучшем случае).

Все это подвигло нас на разработку своего контроллера на дискретных элементах, доступных в любом провинциальном магазине радиотоваров.

При разряде литиевого аккум. нужно контролировать его напряжение и силу тока в цепи.

Напряжение на заряженном литиевом аккум. составляет 4,2В, а не 3,6В, как на нем написано. До 3,6В оно падает под нагрузкой, близкой к емкости аккум. Контроль напряжения заключается в том, чтобы не дать аккум. разрядиться ниже 3В. Этот порог варьируется в пределах 0,5В в зависимости от химического состава и геометрической формы аккумулятора. Разряд аккум. ниже 3В, приводит к необратимым химическим процессам внутри аккум., что делает его непригодным для дальнейшего использования.

Для контроля силы тока в цепи нужно предусмотреть механизм отключения, аналогичный автомату, который стоит в электрощите в каждой квартире. Т.е. он должен защищать от короткого замыкания и отключаться при превышении определенного тока в цепи. В общем случае максимальный ток разряда, который может выдать аккум. равен его емкости. Например, аккум. емкостью 2А ч может безопасно выдавать ток в 2А. Работа аккум. на токах превышающих его емкость, возможна в кратковременных режимах, или в нормальном режиме, если это указано в документации производителем аккум. При коротком замыкании литиевый аккум. может взорваться! Будьте осторожны!

Подробнее о химических процессах, режимах заряда и разряда литиевых аккум. можно прочитать здесь Panasonic Lithium Ion Handbook (на английском языке).

Все началось с того, что в моем ноутбуке отключилась аккумуляторная батарея. Ноутбуку было два года, от аккум. он почти не работал – все время был включен в сеть. Как потом мне сказали, это и могло быть причиной поломки аккум. Т.е. это было не медленное умирание аккум. с понижением емкости, наоборот, ноутбук работал от него часов пять, просто в один прекрасный день, он не включился от батареи и все. Батарея перестала определяться в Windows, и я сделал вывод, что сгорел встроенный контроллер аккум. батареи. Разобрав аккум., мы увидели 6 элементов, объединенные по 2 в 3 ячейки с последовательно-параллельным соединением.

Измерив напряжение на каждой ячейке, мы убедились, что они заряжены. Это еще раз подтвердило версию поломки контроллера. При внешнем осмотре контроллера никаких видимых повреждений найдено не было. Идею ремонта контроллера я отверг, как трудновыполнимую (на форумах народ писал о перепайке и программировании процессора контроллера). И вообще, сложность этого контроллера произвела сильное впечатление. Кто знает, что действительно там выгорело?

Поэтому я заказал новую батарею, а этой решил заняться позже. А зря!

Занялся я им месяца через два. Выдрал элементы из корпуса, отключил от контроллера, измерил на них напряжение и сильно удивился - 4 элемента были полностью разряжены! А на остальных двух напряжение было около 1В. Видимо испорченный контроллер полностью разрядил через себя 2 ячейки.

По инструкции, аккум. разряженные ниже 3В, следовало заряжать током 0,1 от емкости. Эти 4 элемента зарядить не удалось. Никакие танцы с бубном, замораживание и оттаивание, постукивание и т.д. не помогли. Пришлось их выкинуть. Вот это и есть глубокий переразряд, который убивает литиевые аккум. Оставшиеся два элемента зарядить удалось.

На элементах была маркировка Sanyo UR18650FM 2,6AH. Сразу понятно, что емкость элемента 2,6А ч и производит его японская корпорация Sanyo. Поиски по сайту этой корпорации привели нас к документу с названием . Только буквы М в конце нет. Документ оказался очень интересным. В нем были технические характеристики аккумулятора с емкостью 2,5А ч, габариты совпадали с нашим.

Решив использовать этот документ в качестве руководства к действию, мы приступили к проектированию своего контроллера разряда.

Из графика “Discharge rate characteristics” (характеристики динамики разряда) стало ясно, что элемент допускает разряд до 2,7В и силу тока 2С, т.е. удвоенной емкости. Соответственно наш элемент с емкостью 2,6А ч может выдавать 5,2А.

Контроллер разряда

Всесторонне проанализировав этот документ и другую справочную литературу, Скворцов Владимир Николаевич (не путать со Старлингом) создал контроллер для работы с одним или двумя литиевыми элементами. Контроллер защищает элементы от короткого замыкания и переразряда.

Схема контроллера, представленного на рисунке, обеспечивает отключение нагрузки при падении напряжения на аккумуляторах до 6В (3В на каждом элементе). Коротким замыканием считается сила тока выше 4А.

Для использования контроллера с одним элементом (отключение на 3В) нужно подобрать (увеличить) резистор R1 – он отвечает за порог срабатывания при падении напряжения. Также нужно учитывать индивидуальные особенности транзистора VT1 (допуск % отклонения).

Для контроля силы тока подбирают резистор R7. Чем меньше его номинал, тем больший ток пропускает контроллер.

В качестве транзистора VT3 можно использовать любой мощный полевый транзистор с запасом по току в 3 раза больше емкости аккумуляторов, например 15N03.

Принцип и режимы работы контроллера

Включение, нормальный режим

При подключении батареи из двух заряженных аккумуляторов (8,4В) открывается транзистор VT4. За счет базового тока через R4 напряжение на эмиттере VT4 становится около 0,7В. Также резистор R4 удерживает VT2 в закрытом состоянии.

При открытии VT4, через делитель R1-R2 начинает протекать ток, который создает падение напряжения на R1, и VT1 открывается. Напряжение на его стоке становится близким к напряжению на аккумуляторной батарее. Через резистор R3 оно подается на затвор VT3 и он открывается. При этом «-» батареи через R7 и открытый VT3 подключается к выходной клемме «-». Контроллер включился.

Защита от переразряда

Когда напряжение на аккум. батарее достигает 6В (3В на каждом элементе), напряжение на делителе R1-R2 уменьшается, напряжение на затворе VT1 тоже уменьшается до порога закрытия, VT1 закрывается. Затвор VT3 оказывается подключенным через R5 к «-» аккум. батареи, поэтому VT3 тоже закрывается. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отсоединить нагрузку и зарядить батарею.

При тестировании собранной схемы к ней нужно подключать хоть какую-нибудь минимальную нагрузку, например светодиоды. Механизм защиты работает только с подключенной нагрузкой, к тому же светодиоды будут наглядно индицировать отключение нагрузки.

Защита от короткого замыкания

Ток короткого замыкания задает R7. Чем меньше его номинал, тем больший ток пропускает контроллер. В схеме на рис.1 используется резистор 0,1 Ома. С таким резистором контроллер допускает ток до 4А, больший ток считается коротким замыканием. При работе на больших токах резистор R7 должен быть достаточной мощности – не менее 1Вт.

При превышении допустимого тока, падение напряжения на R7 + падение напряжения на исток – сток VT3 увеличивается до уровня открытия VT2. Открытый VT2 подключает затвор VT3 к «-» батареи, VT3 закрывается. Сток VT3 а также база VT4 и затвор VT2 через нагрузку подключаются к «+» батареи. VT4 закрывается, на делителе R1-R2 напряжение около 0, VT1 тоже закрывается. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отсоединить нагрузку.

Печатная плата

Печатную плату в формате Sprint-Layout 4 можно скачать rar, 5Кб.

Если у Вас нет этой программы, ее можно скачать rar, 1Мб.

Габариты устройства (30 х 16мм) были выбраны для возможности его установки в торец аккум. батареи.

Фотографии устройства

Обратите внимание, что база транзистора VT4 (КТ3107) и затвор VT2 (2SK583) являются проводниками на обратную сторону печатной платы.

Подготовка аккумуляторов

Не используйте в одном устройстве аккумуляторы разных типов и марок. Лучше и безопаснее найти одинаковые элементы.

При использовании двух элементов нужно уравновесить их начальный потенциал – т.е. у них должно быть одинаковое напряжение. Для этого соединяют их отрицательные полюса (минусы) напрямую, а положительные через резистор 30 Ом. Мощность резистора 1 или 2 ватта. Потом нужно измерить напряжение на выводах резистора. Если оно больше 10 милливольт – нужно ждать. Ждать нужно около суток. Получается, что более заряженный аккумулятор медленно через резистор разряжается на менее заряженный. Т.о. напряжение на них выравнивается. Уравновешенные элементы можно соединять напрямую без резистора – последовательно или параллельно.

Небольшое уточнение по поводу последовательного соединения. Заводские интегральные контроллеры разряда следят за напряжением на каждом из последовательно соединенных элементов. Наш контроллер контролирует только общее напряжение на выходе. Измерения показали, что при использовании уравновешенных элементов, разность напряжения на элементах составляет 5 – 8 милливольт. Это вполне допустимо. Поэтому нет надобности в установке отдельного контроллера на каждом элементе.

Теория заряда

Заводские контроллеры заряда контролируют напряжение, ток и время заряда, выбирают нормальный или щадящий режим. Если напряжение на элементе выше 3В, он заряжается в нормальном режиме. Процесс зарядки в таком случае идет в 2 этапа:
1 этап – зарядка постоянным током (Constant current – CC);
2 этап – зарядка постоянным напряжением (Constant voltage – CV).

Максимальный ток заряда зависит от емкости (С) аккум., как правило это 0,7С или 1,0С. Для наших элементов ток заряда был указан в документе, и равнялся 0,7С. Напряжение заряда 4,2В (для одного элемента).

Блок питания для заряда одного аккумулятора должен иметь напряжение 4,2В и обеспечивать силу тока 0,7С (где С – емкость аккум., в нашем случае 2,6 0,7=1,82А). Если элементы соединены последовательно, то удваивается напряжение заряда – 8,4В. Если параллельно, удваивается сила тока 2 0,7С=1,4С, а напряжение остается 4,2В.

На графике Charge characteristics (характеристики заряда) показаны оба этапа зарядки. На первом этапе через аккум. пропускают ток 0,7С. Здесь главное – не дать току подняться выше этого значения. В то же время напряжение на элементе постепенно увеличивается с 3 до 4,2В. Этап так и называется – постоянный ток (CC), это значит, что пока напряжение растет, ток остается постоянным.

Первый этап заканчивается, когда напряжение на элементе достигает 4,2В. Это обозначено красной цифрой 1 на графике. С этого момента начинается второй этап – постоянное напряжение (CV). Это значит, что напряжение остается постоянным 4,2В, а сила тока постепенно снижается до исчезающе малого значения. Момент начала снижения силы тока обозначен на графике красной цифрой 2.

Как видно из графика, 80% набора емкости приходится на первый этап.

Заводские контроллеры считают зарядку законченной, когда ток упадет до заданного значения - как правило, это 0,1С. На нашем графике это 50 миллиампер. Также некоторые заводские контроллеры следят за временем зарядки. Если за определенное время аккумулятор не зарядился полностью (ток не упал до нужного значения), контроллер тоже прекращает заряд. Время заряда зависит от емкости и тока заряда, и указывается в документации. Для нашего аккумулятора это 3 часа при силе тока 0,7С.

Щадящий режим заряда выбирается контроллером в том случае, если напряжение на аккумуляторе было ниже 3В. Такой элемент считается глубоко разряженным, и заряжать его нужно осторожно. В таком случае зарядка начинается с этапа Precharge (предварительный заряд). На этом этапе ток заряда устанавливается 0,1 от емкости (0,1С). Этим током напряжение на элементе медленно поднимают до 3В. А дальше все как обычно.

Если использовать исправные элементы и не разряжать их ниже 3В, можно вполне обойтись подручными средствами. Для этого понадобится блок питания с напряжением 4,2 или 8,4В и ограничением силы тока. Окончание заряда можно отслеживать по силе тока или не отслеживать вовсе, а отключать блок питания через 2 или 3 часа.

В ближайшем будущем мы опубликуем способы доработки обычных блоков питания для соответствия выше описанным характеристикам.

Продолжение следует…

Разработка устройства и печатной платы - Скворцов Владимир Николаевич
Постановка задачи, подача и оформление материала - Угренинов Виталий
Тюмень-Космопоиск, 2009

Используемые источники

Мини - USB зарядка Объединенная техническая группа ТЕГИР. Экспедиционная энергетика.

Lithium Ion Handbook Panasonic industrial

UR18650F Specifications SANYO Mobile Energy Company

Lithium ion Battery lineup SANYO Mobile Energy Company