Un simple indicador de la descarga de las baterías de iones de litio. ¿Qué es un controlador de carga de batería? Controlador de carga de batería Li-Ion Circuito de protección para 3 baterías de litio
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Así es como se ve la placa del controlador de carga tomada de la batería NOKIA BL-6Q y su circuito eléctrico.
Vamos a ver cómo funciona. La batería se conecta a dos almohadillas de contacto ubicadas a los lados del controlador (B- y B +). Hay dos microcircuitos en la PCB: TPCS8210 y HY2110CB.
La tarea del controlador es mantener el voltaje en batería entre 4,3 y 2,4 voltios para protegerlo de sobrecargas y descargas. En el modo de descarga (o carga) normal, el microcircuito HY2110CB emite un voltaje a los pines OD y OS nivel alto que es ligeramente menor que el voltaje de la batería.
Este voltaje mantiene los transistores de efecto de campo del chip TPCS8210 constantemente abiertos, a través del cual la batería se conecta a la carga (su dispositivo).
Cuando la batería se descarga, tan pronto como el voltaje de la batería sea inferior a 2,4 voltios, el detector de sobredescarga del microcircuito HY2110CB funcionará y el voltaje ya no se enviará a la salida OD. El transistor superior (según el diagrama) del microcircuito TPCS8210 se cerrará y, por lo tanto, la batería se desconectará de la carga.
Al cargar la batería, tan pronto como el voltaje de la batería alcance los 4,3 voltios, se activará el detector de sobrecarga del microcircuito HY2110CB y el voltaje ya no se enviará a la salida OC. El transistor inferior (según el diagrama) del microcircuito TPCS8210 se cerrará y la batería también se desconectará de la carga.
Método de reemplazo alternativo
Como puede ver en el diagrama, ninguno de los microcircuitos tiene salida para transmitir información sobre el estado de la batería a su dispositivo. La salida del controlador "K" simplemente se conecta a través de una resistencia de cierto valor al terminal negativo de la batería. En consecuencia, no se recibe información "secreta" del controlador de batería. En algunos modelos de controladores, en lugar de una resistencia constante, se instala un termistor para monitorear la temperatura de la batería.
Por el valor de esta resistencia, su dispositivo puede determinar el tipo de batería o apagarse si este valor no corresponde a los valores requeridos.
Esto significa que para reemplazar dicha batería con una batería de otro fabricante, no es necesario cambiar el controlador de carga, basta con medir la resistencia entre los terminales "-" y "K" y conectar la salida "K". del dispositivo al menos de la batería a través de una resistencia externa de la misma clasificación.
La documentación para el microcircuito HY2110CB usado en el controlador se puede descargar y para el microcircuito TPCS8210 -.
Considere, por ejemplo libro electronico LBOOK V5, cómo hacer con mayor precisión un análogo de una batería utilizando el conocimiento sobre el dispositivo del controlador de carga. Realizamos todo el trabajo en la siguiente secuencia:
- Encuentra una batería de Teléfono móvil, el más cercano al nativo en tamaño y capacidad. En nuestro caso, este es NOKIA BL-4U. (A la derecha en la imagen)
- Mordimos el cable de la batería nativa de tal manera que la parte restante del conector sea suficiente para soldar una batería nueva, y la parte restante de la batería vieja sea suficiente para pelar los conductores y medir con un probador.
- Tomamos cualquier probador digital y configuramos el modo de medición de resistencia en él, el límite de medición es de 200 Kom. Lo conectamos al terminal negativo y al terminal del controlador de batería nativo. Medimos la resistencia.
- Apagamos el dispositivo. Buscamos la resistencia más cercana al valor nominal. En nuestro caso, esto es 62 Kom.
- Suelde una resistencia entre el terminal negativo de la nueva batería y el cable de salida del controlador en el conector. (Cable amarillo en la imagen).
- Soldamos los terminales del conector "+" y "-" a los terminales positivo y negativo de la nueva batería, respectivamente. (Cables rojo y negro en la imagen).
Primero debe decidir la terminología.
Como tal no existen controladores de descarga-carga... Esto no tiene sentido. No tiene sentido controlar la descarga. La corriente de descarga depende de la carga; tanto como sea necesario, se necesitará tanto. Lo único que debe hacerse cuando se descarga es controlar el voltaje de la batería para evitar que se descargue en exceso. Para esto se utilizan.
Al mismo tiempo, controladores separados cargar no solo existen, sino que son absolutamente necesarios para la implementación del proceso de carga de baterías de iones de litio. Son ellos quienes establecen la corriente requerida, determinan el final de la carga, controlan la temperatura, etc. Un controlador de carga es una parte esencial de cualquier persona.
Según mi experiencia, puedo decir que un controlador de carga / descarga es en realidad un circuito para proteger una batería de una descarga demasiado profunda y, a la inversa, de una sobrecarga.
En otras palabras, cuando se habla de un controlador de carga / descarga, Viene sobre la protección incorporada en casi todas las baterías de iones de litio (módulos PCB o PCM). Ahí está ella:
Y aquí están también: 
Es obvio que las placas de protección se presentan en varios factores de forma y se ensamblan utilizando varios componentes electrónicos. En este artículo, solo consideraremos las opciones para los esquemas de protección para baterías de iones de litio (o, si lo prefiere, controladores de descarga / carga).
Controladores de carga-descarga
Dado que este nombre está tan arraigado en la sociedad, también lo usaremos. Comencemos con la variante más común del chip DW01 (Plus).
DW01-Plus
Una placa protectora de este tipo para baterías de iones de litio se encuentra en cada segunda batería de un teléfono móvil. Para llegar a él, solo necesita arrancar el autoadhesivo con las inscripciones, que está pegado sobre la batería.
El microcircuito DW01 en sí tiene seis patas, y dos transistores de efecto de campo están construidos estructuralmente en una caja en forma de un conjunto de ocho patas.
Los pines 1 y 3 son la gestión de las claves de protección de sobredescarga (FET1) y sobrecarga (FET2), respectivamente. Voltajes de umbral: 2,4 y 4,25 voltios. Pin 2: un sensor que mide la caída de voltaje a través de los transistores de efecto de campo, debido al cual se implementa la protección contra sobrecorriente. La resistencia de contacto de los transistores actúa como una derivación de medición, por lo que el umbral de respuesta tiene una variación muy grande de un producto a otro.
Todo el esquema se parece a esto: 
El microcircuito derecho etiquetado como 8205A son los transistores de efecto de campo que desempeñan el papel de teclas en el circuito.
Serie S-8241
SEIKO ha desarrollado circuitos integrados especializados para proteger las baterías de iones de litio y de polímero de litio de la sobredescarga / sobrecarga. Los circuitos integrados de la serie S-8241 se utilizan para proteger una lata. 
Las teclas de protección contra sobredescarga y sobrecarga funcionan a 2,3 V y 4,35 V, respectivamente. La protección contra sobrecorriente se activa cuando el voltaje a través del FET1-FET2 es de 200 mV.
Serie AAT8660
LV51140T
Un esquema de protección similar para baterías de litio de una sola celda con protección contra sobredescarga, sobrecarga, exceso de carga y corrientes de descarga. Implementado usando el microcircuito LV51140T. 
Voltajes de umbral: 2,5 y 4,25 voltios. El segundo tramo del microcircuito es la entrada del detector de sobrecorriente (valores límite: 0,2 V al descargar y -0,7 V al cargar). El pin 4 no se utiliza.
Serie R5421N
La solución esquemática es similar a las anteriores. En el modo de funcionamiento, el microcircuito consume aproximadamente 3 μA, en el modo de bloqueo, aproximadamente 0,3 μA (letra C en la designación) y 1 μA (letra F en la designación). 
La serie R5421N contiene varias modificaciones que difieren en la magnitud del voltaje de respuesta durante la recarga. Los detalles se dan en la tabla:
SA57608
Otra versión del controlador de carga / descarga, solo en el microcircuito SA57608. 
Los voltajes a los que el microcircuito desconecta el banco de los circuitos externos depende del índice de letras. Consulte la tabla para obtener más detalles:
El SA57608 consume una corriente bastante grande en modo de suspensión, aproximadamente 300 μA, lo que lo distingue de los análogos anteriores para peor (allí, las corrientes consumidas son del orden de fracciones de un microamperio).
LC05111CMT
Y finalmente, ofrecemos solución interesante de uno de los líderes mundiales en la producción de componentes electrónicos On Semiconductor: un controlador de carga y descarga en el microcircuito LC05111CMT. 
La solución es interesante porque los MOSFET clave están integrados en el propio microcircuito, por lo que solo quedan un par de resistencias y un condensador de los accesorios.
La resistencia de contacto de los transistores integrados es de ~ 11 miliohmios (0,011 ohmios). La corriente máxima de carga / descarga es de 10 A. El voltaje máximo entre los terminales S1 y S2 es de 24 voltios (esto es importante cuando se combinan baterías en baterías).
El microcircuito está disponible en el paquete WDFN6 2.6x4.0, 0.65P, Dual Flag.
El circuito, como se esperaba, proporciona protección contra sobrecarga / descarga, sobrecorriente en la carga y sobrecarga.
Controladores de carga y circuitos de protección: ¿cuál es la diferencia?
Es importante comprender que el módulo de protección y los controladores de carga no son lo mismo. Sí, sus funciones se superponen hasta cierto punto, pero sería un error llamar controlador de carga al módulo de protección integrado en la batería. Ahora explicaré la diferencia.
El papel más importante de cualquier controlador de carga es implementar el perfil de carga correcto (típicamente CC / CV - corriente constante / voltaje constante). Es decir, el controlador de carga debe poder limitar la corriente de carga a un nivel dado, controlando así la cantidad de energía "vertida" en la batería por unidad de tiempo. El exceso de energía se libera en forma de calor, por lo que cualquier controlador de carga se calienta bastante durante el funcionamiento.
Por esta razón, los controladores de carga nunca están integrados en la batería (a diferencia de las tarjetas de protección). Los controladores son solo parte del cargador adecuado y nada más.
Además, ninguna placa de protección (o módulo de protección, llámelo como quiera) es capaz de limitar la corriente de carga. La placa solo controla el voltaje en el propio banco, y si supera los límites predeterminados, abre las teclas de salida, desconectando así el banco del mundo exterior. Por cierto, la protección contra cortocircuitos también funciona de acuerdo con el mismo principio: con un cortocircuito, el voltaje en el banco cae bruscamente y se activa el circuito de protección de descarga profunda.
Confusión entre esquemas de protección baterías de litio y los controladores de carga surgieron debido a la similitud del umbral de respuesta (~ 4,2 V). Solo en el caso del módulo de protección, la lata está completamente desconectada de los terminales externos, y en el caso del controlador de carga, cambia al modo de estabilización de voltaje y una disminución gradual de la corriente de carga.
Si toma la batería de un teléfono celular, puede encontrar que una pequeña placa de circuito impreso... Este es el llamado esquema de protección, o IC de protección.
Debido a su naturaleza, las baterías de litio requieren un monitoreo constante. Echemos un vistazo más de cerca a cómo funciona el circuito de protección y de qué elementos consta.
Un circuito ordinario de un controlador de carga de batería de litio es una pequeña placa en la que se monta un circuito electrónico de componentes SMD. El circuito controlador de 1 celda ("bancos") a 3.7V, como regla, consta de dos microcircuitos. Un microcircuito es de control y el otro ejecutivo es un conjunto de dos transistores MOSFET.
La foto muestra una placa controladora de carga de batería de 3,7 V.
El chip etiquetado DW01-P en un paquete pequeño es esencialmente el "cerebro" del controlador. Aquí esquema típico inclusión de este microcircuito. En el diagrama, G1 es una celda de una batería de polímero o de iones de litio. FET1, FET2 son MOSFET.
Enchufe, apariencia y el propósito de los pines del microcircuito DW01-P.
Los MOSFET no forman parte del microcircuito DW01-P y se fabrican como un conjunto de microcircuito separado de 2 transistores MOSFET de tipo N. Por lo general, se utiliza un conjunto etiquetado como 8205 y el paquete puede ser de 6 pines (SOT-23-6) o de 8 pines (TSSOP-8). El conjunto se puede marcar como TXY8205A, SSF8205, S8205A, etc. También puede encontrar conjuntos marcados con 8814 y similares.
Aquí está el pinout y la composición del chip S8205A en el paquete TSSOP-8.
Se utilizan dos transistores de efecto de campo para controlar por separado la descarga y la carga de la celda de la batería. Por conveniencia, se fabrican en un solo estuche.
El transistor (FET1) que está conectado al pin OD ( Sobredescarga) chip DW01-P, controla la descarga de la batería - conecta / desconecta la carga. Y el (FET2) que está conectado al pin OC ( Sobrecargar) - conecta / desconecta la fuente de alimentación ( Cargador). Así, abriendo o cerrando el transistor correspondiente, es posible, por ejemplo, desconectar la carga (consumidor) o dejar de cargar la celda de la batería.
Veamos la lógica del chip de control y todo el circuito de protección en su conjunto.
Protección de sobrecarga.
Como sabe, la sobrecarga de una batería de litio de más de 4.2 - 4.3V está plagada de sobrecalentamiento e incluso una explosión.
Si el voltaje a través de la celda alcanza 4.2 - 4.3V ( Voltaje de protección de sobrecarga – V OCP), entonces el microcircuito de control cierra el transistor FET2, evitando así una mayor carga de la batería. La batería se desconectará de la fuente de alimentación hasta que el voltaje de la celda caiga por debajo de 4 - 4,1 V ( Voltaje de liberación de sobrecarga – V OCR) debido a la autodescarga. Esto es solo si no hay carga conectada a la batería, por ejemplo, se quita del teléfono celular.
Si la batería está conectada a la carga, entonces el transistor FET2 se abre nuevamente cuando el voltaje en la celda cae por debajo de 4.2V.
Protección contra sobredescarga.
Si el voltaje de la batería cae por debajo de 2,3 - 2,5 V ( Voltaje de protección de sobredescarga – V ODP), luego el controlador apaga el MOSFET de descarga FET1 - está conectado al pin DO.
Hay una muy condición interesante ... Hasta que el voltaje en la celda de la batería exceda 2.9 - 3.1V ( Voltaje de liberación de sobredescarga – V ODR), la carga se desconectará por completo. Habrá 0 V en los terminales del controlador. Aquellos que no están familiarizados con la lógica del circuito de protección pueden tomar este estado de cosas por la "muerte" de la batería. He aquí solo un pequeño ejemplo.
Batería de polímero de litio en miniatura de 3,7 V del reproductor MP3. Composición: controlador de control - G2NK (serie Vuela-Salto-8261), el montaje de transistores de efecto de campo - KC3J1.
La batería se descarga por debajo de 2,5 V. El circuito de control lo desconectó de la carga. A la salida del controlador hay 0V.
Además, si mide el voltaje en la celda de la batería, luego de desconectar la carga, creció ligeramente y alcanzó el nivel de 2.7V.
Para que el controlador vuelva a conectar la batería a " mundo exterior”, Es decir, para la carga, el voltaje en la celda de la batería debe ser 2.9 - 3.1V ( V ODR).
Esto plantea una pregunta muy razonable.
El diagrama muestra que los pines de drenaje de los transistores FET1, FET2 están conectados entre sí y no están conectados en ningún lugar. ¿Cómo fluye la corriente a través de dicho circuito cuando se activa la protección contra sobredescarga? ¿Cómo recargamos el "banco" de la batería para que el controlador encienda el transistor de descarga - FET1 nuevamente?
Si busca en las hojas de datos chips de protección de iones de litio / polímero (incluidos DW01-P, G2NK), entonces puede descubrir que después de que se activa la protección de descarga profunda, el circuito de detección de carga funciona - Detección de cargador... Es decir, cuando el cargador está conectado, el circuito detectará que el cargador está conectado y permitirá el proceso de carga.
La carga a 3,1 V después de una descarga profunda de la celda de litio puede llevar mucho tiempo, varias horas.
Para restaurar la batería de iones de litio / polímero, puede utilizar dispositivos especiales, por ejemplo, el cargador universal Turnigy Accucell 6. Ya describí cómo hacerlo aquí.
Fue por este método que pude recuperar una batería de polímero de litio de 3,7 V de un reproductor MP3. La carga de 2.7V a 4.2V tomó 554 minutos y 52 segundos, que es más de 9 horas! Este es el tiempo que puede durar una carga de "recuperación".
Entre otras cosas, la funcionalidad de los microcircuitos de protección de la batería de litio incluye protección contra sobrecorriente ( Protección contra la sobretensión) y cortocircuito. La protección contra sobrecorriente se activa en caso de una caída brusca de voltaje en una cierta cantidad. Después de eso, el microcircuito limita la corriente de carga. En caso de un cortocircuito (SC) en la carga, el controlador la desconecta completamente hasta que se elimina el cortocircuito.
Circuito controlador de batería de iones de litio
Circuito controlador de batería de iones de litio Diseño y principio de funcionamiento del controlador de protección de batería de iones de litio / polímero Si toma cualquier batería de un teléfono celular, puede
Probablemente, la mayoría de los radioaficionados, a lo largo de los años, ponen en marcha una caja, que se dobla "para después" baterías de litio del fallecido prematuro (ahogado, caído del balcón, roído por un amigo) teléfonos móviles y cámaras... Se acuestan en una caja y esperan entre bastidores .. Y no llega la hora. La razón es simple: usar batería en la misma linterna que necesitas hacer controlador de carga, y los chips de carga en la tienda de radio local por alguna razón no fueron entregados. Sí, el problema.
¿Y qué debería hacer un radioaficionado pobre? Todo es muy simple: puedes arreglártelas con "pasto" usando lo que está oculto a los ojos del usuario promedio. A saber, la placa de protección, que se oculta cuidadosamente dentro de cada ion de litio o batería de polímero de litio... Sin él, no se les permite usar acumuladores v electrodomésticos debido a la actividad excepcional del litio. Si desmontas batería del teléfono móvil, encontraremos un dispositivo tan simple en su interior:
Eso es lo que es tablero de protección de la batería... Esta placa tiene un chip comparador de dos niveles y Transistor de efecto de campo... Cuando el voltaje cae batería por debajo de 3v o por encima de 4.25v, este comparador apaga el transistor y aísla batería del mundo exterior, protegiendo así contra daños.
Tuve la idea de intentar usar estas propiedades de la placa de protección para controlar el proceso. cargando la batería del teléfono desde el estándar Puertos USB computadora (que tiene un limitador de corriente de 500 mA como bonificación). Entonces sacamos la sopa del hacha. Más precisamente, cargar "de la nada". Queda por mostrar de alguna manera el progreso (y finalización) del proceso al usuario cargando... abajo esta el esquema de este nodo.
Funciona de forma muy sencilla. Cuando está conectado a Puerto USB a
la carga comienza y se enciende Diodo emisor de luz... La corriente de carga está limitada por el puerto de la computadora y las resistencias en la placa. Al alcanzar el voltaje en batería 4.25V, el comparador de la placa de protección se activa y rompe el circuito de carga. El LED se apagará. En la primera opción de carga, usé un botón para iniciar el proceso de carga. Pero resultó que un condensador de 100 nF era suficiente para la apertura inicial del transistor de efecto de campo. El circuito es muy simple y comienza a funcionar sin configuración.
El archivo del tablero se puede descargar en la sección "Catálogo de archivos"
Si, mientras repite este diseño, tiene alguna pregunta o idea para mejorarlo, escríbeme en línea sus pensamientos sobre este asunto.
Cómo cargar una batería de iones de litio sin controlador
Cómo cargar una batería de iones de litio sin un controlador Probablemente, a lo largo de los años, la mayoría de los radioaficionados ponen en marcha una caja en la que
Si se pregunta cómo cargar una batería de iones de litio, ha venido al lugar correcto.
Los dispositivos móviles modernos requieren una fuente de energía autónoma.
Además, esto es cierto tanto para las "altas tecnologías", como los teléfonos inteligentes y las computadoras portátiles, como para más dispositivos simples, digamos, taladros eléctricos o multímetros.
Hay muchos tipos de baterías disponibles. Pero para tecnología portátil los más utilizados son Li-Ion.
La relativa facilidad de producción y el bajo costo llevaron a una distribución tan amplia.
Esto también se vio facilitado por un excelente rendimiento, además de una baja autodescarga y una gran reserva de ciclos de carga y descarga.
¡Importante! Para mayor comodidad, la mayoría de estas baterías están equipadas con un dispositivo de monitoreo especial que no permite que la carga cruce los niveles críticos.
Con una descarga crítica, este circuito simplemente deja de suministrar voltaje al dispositivo, y cuando nivel aceptable la carga corta la corriente entrante.
Al mismo tiempo, después de alcanzar el 100% nominal, la carga debería durar entre una hora y media y dos horas más.
Esto es necesario porque la batería se cargará al 70-80%.
Al cargar desde una computadora portátil o computadora estacionaria Hay que tener en cuenta que el puerto USB no es capaz de proporcionar un alto voltaje suficiente, por lo que el proceso llevará más tiempo.
La alternancia de ciclos de carga total y parcial (80–90%) extenderá la vida útil de su dispositivo.
A pesar de una arquitectura tan inteligente y sin pretensiones en general, el cumplimiento de algunas reglas para el uso de baterías ayudará a extender su vida útil.
Para que la batería del dispositivo no "sufra", basta con seguir recomendaciones simples.
Regla 1. No descargue completamente la batería
Tengo baterías de iones de litio los diseños modernos carecen del "efecto memoria". Por lo tanto, es mejor cargarlos antes de que llegue el momento de la descarga completa.
Algunos fabricantes miden la vida útil de sus baterías por el número de ciclos de carga desde cero.
Los productos de la más alta calidad pueden soportar hasta 600 ciclos de este tipo. Cuando la batería se carga con un 10-20% restante, el número de ciclos aumenta a 1700.
Regla 2. Aún así, se debe realizar una descarga completa una vez cada tres meses.
Con una carga inestable e irregular, las marcas promedio de las cargas máxima y mínima en el controlador mencionado anteriormente se desvían.
Esto lleva al hecho de que el dispositivo recibe información incorrecta sobre la cantidad de carga.
La descarga preventiva ayudará a prevenir esto. Cuando la batería está completamente descargada, el valor mínimo de carga en el circuito de control (controlador) se restablecerá a cero.
Después de eso, es necesario cargar la batería "hasta su capacidad" manteniéndola conectada a la red durante ocho a doce horas.
Esto actualizará el valor máximo. Después de dicho ciclo, el rendimiento de la batería será más estable.
Regla 3. Una batería sin usar debe almacenarse con una pequeña cantidad de carga.
Antes del almacenamiento, es mejor cargar la batería al 30–50% y almacenar a una temperatura de 15 0 C. En tales condiciones, la batería se puede almacenar durante bastante tiempo sin ningún daño particular.
Una batería completamente cargada perderá una cantidad significativa de su capacidad durante el almacenamiento.
Y los que se descarguen por completo después de un largo almacenamiento solo deberán entregarse para su reciclaje.
Regla 4. La carga debe realizarse solo con dispositivos originales.
Cabe destacar que el cargador está integrado directamente en el diseño de un dispositivo móvil (teléfono, tableta, etc.).
En este caso, el adaptador externo actúa como rectificador y estabilizador de voltaje.
El uso de "carga" de terceros puede afectar negativamente su condición.
Regla 5. El sobrecalentamiento es perjudicial para las baterías de iones de litio
Las altas temperaturas tienen un efecto extremadamente negativo en el diseño de la batería. Los bajos también son destructivos, pero en mucha menor medida.
Esto debe tenerse en cuenta al utilizar baterías de iones de litio.
La batería debe protegerse de la luz solar directa y utilizarse lejos de fuentes de calor.
El rango de temperatura permitido está entre -40 0 C y +50 0 C.
Regla 6. Cargar baterías con una "rana"
El uso de cargadores no aprobados no es seguro. En particular, las "ranas" comunes de fabricación china a menudo se encienden durante la carga.
Antes de utilizar un cargador universal de este tipo, compruebe los valores máximos indicados en el embalaje.
Por lo tanto, se debe prestar atención a la capacidad máxima.
Si el límite es menor que la capacidad de la batería, en el mejor de los casos, no se cargará por completo.
Cuando la batería está conectada, el indicador correspondiente en el cuerpo de la "rana" debe encenderse.
Si esto no sucede, entonces la carga es críticamente baja o la batería está fuera de servicio.
Cuando el cargador está conectado a la red, el indicador de conexión debe encenderse.
Otro diodo se encarga de alcanzar la carga máxima, que se activa en las condiciones adecuadas.
Consejos para usar baterías de iones de litio
Cómo cargar y mantener una batería de iones de litio: 6 reglas simples
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Cómo cargar y mantener una batería de iones de litio: 6 reglas simples Si se pregunta cómo cargar una batería de iones de litio, ha venido al lugar correcto. Dispositivos móviles modernos
El dispositivo y el principio de funcionamiento del controlador de protección Li-ion / batería de polímero
Si toma la batería de un teléfono celular, encontrará que una pequeña placa de circuito impreso está soldada a los terminales de la celda de la batería. Este es el llamado esquema de protección, oIC de protección... Por sus caracteristicasbaterías de litiorequieren un seguimiento constante. Echemos un vistazo más de cerca a cómo funciona el circuito de protección y de qué elementos consta.
Un circuito ordinario de un controlador de carga de batería de litio es una pequeña placa en la que se monta un circuito electrónico de componentes SMD. El circuito controlador de 1 celda ("bancos") a 3.7V, como regla, consta de dos microcircuitos. Un microcircuito es de control y el otro ejecutivo es un conjunto de dos transistores MOSFET.
La foto muestra una placa controladora de carga de batería de 3,7 V.
El chip etiquetado DW01-P en un paquete pequeño es esencialmente el "cerebro" del controlador. Aquí hay un circuito típico para encender este microcircuito. En el diagrama, G1 es una celda de una batería de polímero o de iones de litio. FET1, FET2 son MOSFET.
Pinout, apariencia y asignación de pin del microcircuito DW01-P.
Los MOSFET no forman parte del microcircuito DW01-P y se fabrican como un conjunto de microcircuito separado de 2 transistores MOSFET de tipo N. Por lo general, se utiliza un conjunto etiquetado como 8205 y el paquete puede ser de 6 pines (SOT-23-6) o de 8 pines (TSSOP-8). El conjunto se puede marcar como TXY8205A, SSF8205, S8205A, etc. También puede encontrar conjuntos marcados con 8814 y similares.
Aquí está el pinout y la composición del chip S8205A en el paquete TSSOP-8.
Se utilizan dos transistores de efecto de campo para controlar por separado la descarga y la carga de la celda de la batería. Por conveniencia, se fabrican en un solo estuche.
El transistor (FET1) que está conectado al pin OD ( Sobredescarga) chip DW01-P, controla la descarga de la batería - conecta / desconecta la carga. Y el (FET2) que está conectado al pin OC ( Sobrecargar) - conecta / desconecta la fuente de alimentación (cargador). Así, abriendo o cerrando el transistor correspondiente, es posible, por ejemplo, desconectar la carga (consumidor) o dejar de cargar la celda de la batería.
Entendamos la lógica del chip de control y todo el circuito de protección en su conjunto.
Protección de sobrecarga.
Como sabe, la sobrecarga de una batería de litio de más de 4.2 - 4.3V está plagada de sobrecalentamiento e incluso una explosión.
Si el voltaje a través de la celda alcanza 4.2 - 4.3V ( Voltaje de protección de sobrecarga - V OCP), entonces el microcircuito de control cierra el transistor FET2, evitando así una mayor carga de la batería. La batería se desconectará de la fuente de alimentación hasta que el voltaje de la celda caiga por debajo de 4 - 4,1 V ( Voltaje de liberación de sobrecarga - V OCR) debido a la autodescarga. Esto es solo si no hay carga conectada a la batería, por ejemplo, se quita del teléfono celular.
Si la batería está conectada a la carga, entonces el transistor FET2 se abre nuevamente cuando el voltaje en la celda cae por debajo de 4.2V.
Protección contra sobredescarga.
Si el voltaje de la batería cae por debajo de 2,3 - 2,5 V ( Voltaje de protección de sobredescarga- V ODP), luego el controlador apaga el MOSFET de descarga FET1 - está conectado al pin DO.
Hay una muy condición interesante ... Hasta que el voltaje en la celda de la batería exceda 2.9 - 3.1V ( Voltaje de liberación de sobredescarga - V ODR), la carga se desconectará por completo. Habrá 0 V en los terminales del controlador. Aquellos que no están familiarizados con la lógica del circuito de protección pueden tomar este estado de cosas por la "muerte" de la batería. He aquí solo un pequeño ejemplo.
Batería de polímero de litio en miniatura de 3,7 V del reproductor MP3. Composición: controlador de control - G2NK (serie Vuela-Salto-8261), el montaje de transistores de efecto de campo - KC3J1.
La batería se descarga por debajo de 2,5 V. El circuito de control lo desconectó de la carga. A la salida del controlador hay 0V.
Además, si mide el voltaje en la celda de la batería, luego de desconectar la carga, creció ligeramente y alcanzó el nivel de 2.7V.
Para que el controlador vuelva a conectar la batería al "mundo exterior", es decir, a la carga, el voltaje en la celda de la batería debe ser 2.9 - 3.1V ( V ODR).
Esto plantea una pregunta muy razonable.
El diagrama muestra que los pines de drenaje de los transistores FET1, FET2 están conectados entre sí y no están conectados en ningún lugar. ¿Cómo fluye la corriente a través de dicho circuito cuando se activa la protección de sobrecarga? ¿Cómo recargamos el "banco" de la batería para que el controlador encienda el transistor de descarga - FET1 nuevamente?
Si busca en las hojas de datos chips de protección de iones de litio / polímero (incluidos DW01-P,G2NK), entonces puede descubrir que después de que se activa la protección de descarga profunda, el circuito de detección de carga funciona - Detección de cargador... Es decir, cuando el cargador está conectado, el circuito detectará que el cargador está conectado y permitirá el proceso de carga.
La carga a 3,1 V después de una descarga profunda de la celda de litio puede llevar mucho tiempo, varias horas.
Se pueden utilizar herramientas especiales como el cargador universal Turnigy Accucell 6 para recuperar la batería de iones de litio / polímero. Puede averiguar cómo hacer esto.
Fue por este método que pude recuperar una batería de polímero de litio de 3,7 V de un reproductor MP3. La carga de 2.7V a 4.2V tomó 554 minutos y 52 segundos, que es más de 9 horas ! Este es el tiempo que puede durar la carga de "recuperación".
Entre otras cosas, la funcionalidad de los chips de protección de la batería de litio incluye protección contra sobrecorriente ( Protección contra la sobretensión) y cortocircuito. La protección contra sobrecorriente se activa en caso de una caída brusca de voltaje en una cierta cantidad. Después de eso, el microcircuito limita la corriente de carga. En caso de un cortocircuito (SC) en la carga, el controlador la desconecta completamente hasta que se elimina el cortocircuito.
Transistor de efecto de campo de puerta aislada
Hoy, entre un número suficiente de variedades de transistores, se distinguen dos clases: p-n- transistores de transición (bipolar) y transistores con puerta semiconductora aislada (campo). Otro nombre que se puede encontrar al describir transistores de efecto de campo - MOS (metal - óxido - semiconductor) se debe al hecho de que el óxido de silicio (SiO 2) se usa principalmente como material dieléctrico. Otro nombre bastante común es MIS (metal - dieléctrico - semiconductor).
Pocas explicaciones. A menudo puedes escuchar los términos MOSFET, mosfet, Transistor MOS... Este término a veces es engañoso para los recién llegados a la electrónica.
¿Qué es este MOSFET?
MOSFET es una abreviatura de dos frases en inglés: Metal-Oxide-Semiconductor y Field-Effect-Transistores. Por lo tanto, un MOSFET no es más que un MOSFET normal.
Creo que ahora está claro que los términos mosfet, MOSFET, MOS, MOS, MOS significan lo mismo, es decir, un transistor de efecto de campo de puerta aislada.
Vale la pena recordar que la abreviatura J-FET (Junction) se usa junto con la abreviatura MOSFET. Los transistores J-FET también son transistores de efecto de campo, pero dicho transistor se controla mediante el uso de gerente p-n transición. Estos transistores, a diferencia de los MOSFET, tienen una estructura ligeramente diferente.
El principio de funcionamiento de un transistor de efecto de campo.
La esencia del transistor de efecto de campo es la capacidad de controlar la corriente que fluye a través de él mediante un campo eléctrico (voltaje). Esto se compara favorablemente con los transistores bipolares, donde una gran corriente de salida se controla utilizando una pequeña corriente de entrada.
Echemos un vistazo a un modelo simplificado de un transistor de efecto de campo de puerta aislada (ver fig.). Dado que los transistores MIS están disponibles con diferentes tipos conductividad (n o p), la figura muestra un transistor de efecto de campo con una puerta aislada y un canal de tipo n.
La base del transistor MIS es:
Sustrato de silicio ... El sustrato puede ser un semiconductor de tipo p o de tipo n. Si el sustrato es de tipo p, entonces en el semiconductor hay más átomos cargados positivamente en los nodos de la red de cristal de silicio. Si el sustrato es de tipo n, entonces los átomos cargados negativamente y los electrones libres están presentes principalmente en el semiconductor. En ambos casos, la formación de un semiconductor de tipo p o n se consigue mediante la introducción de impurezas.
Regiones de semiconductores n + ... Estas regiones están fuertemente enriquecidas en electrones libres (por lo tanto, "+"), lo que se logra mediante la introducción de una impureza en el semiconductor. Los electrodos fuente y de drenaje están conectados a estas áreas.
Dieléctrico ... Aísla el electrodo de puerta del sustrato de silicio. El dieléctrico en sí está hecho de óxido de silicio (SiO 2). El electrodo de puerta está conectado a la superficie del dieléctrico, el electrodo de control.
Ahora describiremos en pocas palabras cómo funciona todo.
Si se aplica un voltaje positivo entre la puerta y la fuente ( + ) al terminal de la puerta, se forma un campo eléctrico transversal entre el terminal de la puerta metálica y el sustrato. A su vez, comienza a atraer electrones libres cargados negativamente a la capa cercana a la superficie del dieléctrico, que se dispersan en una pequeña cantidad en el sustrato de silicio.
Como resultado, se acumula una cantidad suficientemente grande de electrones en la capa cercana a la superficie y se forma un llamado canal: región de conducción... En la figura, el canal se muestra en azul. El hecho de que el canal sea de tipo n significa que está formado por electrones. Como puede ver, entre los terminales de la fuente y el desagüe, y de hecho, sus regiones n + se forma una especie de "puente", que conduce una corriente eléctrica.
Una corriente comienza a fluir entre la fuente y el drenaje. Por lo tanto, debido al voltaje de control externo, se controla la conductividad del transistor de efecto de campo. Si quita el voltaje de control de la puerta, el canal conductor en la capa cercana a la superficie desaparecerá y el transistor se cerrará, dejará de pasar corriente. Cabe señalar que la figura del modelo simplificado muestra un transistor de efecto de campo de n canales. También hay FET de canal p.
El modelo que se muestra está muy simplificado. En realidad, la estructura de un transistor MOS moderno es mucho más complicada. Pero, a pesar de esto, el modelo simplificado muestra clara y simplemente la idea que se puso en el dispositivo del transistor de efecto de campo con una puerta aislada.
Entre otras cosas, los transistores de efecto de campo con una puerta aislada son de tipo empobrecido y enriquecido. La figura muestra solo un transistor de efecto de campo del tipo enriquecido; en él, el canal está "enriquecido" con electrones. En un transistor de tipo empobrecido, los electrones ya están presentes en la región del canal, por lo que el transistor pasa corriente sin un voltaje de control en la puerta. Las características de corriente-voltaje de los transistores de efecto de campo de tipo enriquecido y empobrecido difieren significativamente.
Puede leer sobre la diferencia entre los MOSFET de tipo enriquecido y empobrecido aquí. También se muestra allí cómo se denotan los MOSFET en diagramas esquemáticos.
Es fácil ver que el electrodo de puerta y el sustrato, junto con el dieléctrico entre ellos, forman una especie de condensador eléctrico. Las placas son el plomo metálico de la puerta y el área del sustrato, y el aislante entre estos electrodos es un dieléctrico de óxido de silicio (SiO 2). Por lo tanto, el transistor de efecto de campo tiene un parámetro esencial, que se llama capacidad del obturador.
Los transistores de efecto de campo, a diferencia de los bipolares, tienen menos ruido intrínseco en bajas frecuencias... Por lo tanto, se utilizan activamente en la tecnología de refuerzo de sonido. Por ejemplo, los modernos microcircuitos de amplificador de potencia de baja frecuencia para reproductores de CD / MP3 de automóvil incluyen transistores MOSFET. Sobre tablero receptor de coche puede encontrar la inscripción " MOSFET de potencia"O similar. Así que el fabricante se jacta, dejando en claro que no solo le importa la potencia, sino también la calidad del sonido.
Un transistor de efecto de campo, en comparación con los transistores bipolares, tiene una impedancia de entrada más alta, que puede llegar a 10 a la novena potencia de Ohm o más. Esta característica le permite considerar estos dispositivos como controlados por potencial o, en otras palabras, voltaje. Por hoy es la mejor manera creando circuitos con un consumo de energía suficientemente bajo en modo inactivo estático. Esta condición es especialmente importante para los circuitos de memoria estática con una gran cantidad de celdas de memoria.
Si hablamos del modo de operación clave de los transistores, entonces en este caso el espectáculo bipolar mejor presentación, dado que la caída de voltaje en las opciones de campo es muy significativa, lo que reduce la eficiencia general de todo el circuito. A pesar de esto, como resultado del desarrollo de tecnologías para la fabricación de transistores de efecto de campo, fue posible deshacerse de este problema. Los transistores de efecto de campo modernos tienen baja resistencia de canal y funcionan bien a altas frecuencias.
Como resultado de las búsquedas para mejorar las características de potentes transistores de efecto de campo, un híbrido dispositivo electronico - Transistor IGBT, que es un híbrido de un efecto de campo y un transistor bipolar.
Transistor IGBT
Transistor Bipolar de Puerta Aislada
En la electrónica de potencia moderna, los denominados IGBT se utilizan ampliamente. Esta abreviatura se toma prestada de la terminología extranjera y significa transistor bipolar de puerta aislada, y en ruso suena como un transistor bipolar de puerta aislada. Por lo tanto, los transistores IGBT también se denominan IGBT. IGBT es un dispositivo de energía electrónico que se utiliza como un poderoso llave electronica instalado en fuentes de impulso fuentes de alimentación, inversores y sistemas de control de accionamiento eléctrico.
El IGBT es un dispositivo bastante inteligente que es un híbrido de un transistor de efecto de campo y un transistor bipolar. Esta combinación llevó al hecho de que este tipo de transistor heredó las cualidades positivas tanto de un transistor de efecto de campo como de uno bipolar.
La esencia del transistor IGBT es que el transistor de efecto de campo impulsa un potente transistor bipolar. Como resultado, la conmutación de una carga potente es posible con una potencia de control baja, ya que la señal de control se alimenta a la puerta del transistor de efecto de campo.
La estructura interna del IGBT es una conexión en cascada de dos teclas de entrada que impulsan el terminal plus. La siguiente figura muestra un circuito equivalente simplificado para un IGBT.
Todo el proceso de operación de IGBT se puede representar en dos etapas: tan pronto como se aplica un voltaje positivo, se abre un transistor de efecto de campo entre la puerta y la fuente, es decir, se forma un canal n entre la fuente y el drenaje. En este caso, el movimiento de cargas comienza a ocurrir desde la región. norte a la región pag, que implica la apertura del transistor bipolar, como resultado de lo cual la corriente se precipita desde el emisor al colector.
La historia de la aparición del IGBT.
Por primera vez, aparecieron poderosos transistores de efecto de campo en 1973, y ya en 1979 se propuso un circuito de transistor compuesto, equipado con un transistor bipolar controlado que utiliza un transistor de efecto de campo de puerta aislada. Durante las pruebas, se encontró que cuando se usa un transistor bipolar como interruptor, no hay saturación en el transistor principal, y esto reduce significativamente el retraso en caso de que el interruptor se apague.
Un poco más tarde, en 1985, se introdujo un transistor bipolar de puerta aislada, una característica distintiva del cual era una estructura plana, y el rango de voltaje operativo se hizo más grande. Entonces, a altos voltajes y altas corrientes, las pérdidas en estado abierto son muy pequeñas. En este caso, el dispositivo tiene características de conmutación y conductividad similares a las de un transistor bipolar, y el control se realiza mediante voltaje.
La primera generación de dispositivos tenía algunos inconvenientes: el cambio era lento y no diferían en confiabilidad. La segunda generación vio la luz en los años 90, y la tercera generación se está produciendo hasta el presente: han eliminado tales desventajas, tienen una alta resistencia de entrada, la potencia controlada es diferente. nivel bajo, y en el estado encendido, el voltaje residual también es bajo.
Los transistores IGBT ya están disponibles en tiendas de componentes electrónicos que pueden cambiar corrientes en el rango de varias decenas a cientos de amperios ( Yo ke max ) y la tensión de funcionamiento ( U ke max ) puede variar desde unos pocos cientos hasta mil o más voltios.
Símbolo IGBT en diagramas esquemáticos.
Dado que el transistor IGBT tiene una estructura combinada de un efecto de campo y un transistor bipolar, sus conclusiones se denominaron puerta - Z(electrodo de puerta), emisor ( NS) y coleccionista ( PARA). De manera extraña, la salida del obturador se indica con la letra GRAMO, pin emisor - mi y la salida del colector es C.
La figura muestra un diagrama esquemático de un transistor bipolar con una puerta aislada. El transistor también se puede representar con un diodo rápido incorporado. Además, un transistor IGBT se puede representar de la siguiente manera:
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Características y alcance de las aplicaciones IGBT.
Cualidades distintivas de los transistores IGBT:
Controlado por voltaje (como cualquier transistor de efecto de campo);
Tienen bajas pérdidas en el estado;
Pueden operar a temperaturas superiores a 100 0 C;
Son capaces de trabajar con voltajes superiores a 1000 voltios y potencias superiores a 5 kilovatios.
Las cualidades enumeradas hicieron posible el uso de transistores IGBT en inversores, variadores de frecuencia y en reguladores de corriente de pulso. Además, se utilizan a menudo en fuentes de energía de soldadura, en sistemas de control para potentes accionamientos eléctricos, que se instalan, por ejemplo, en vehículos eléctricos: locomotoras eléctricas, tranvías, trolebuses. Esta solución aumenta significativamente la eficiencia y garantiza una gran comodidad de conducción.
Además, estos dispositivos se instalan en las fuentes fuente de poder ininterrumpible y en redes de alta tensión. Los transistores IGBT se pueden encontrar en circuitos electrónicos de lavadoras, máquinas de coser y lavavajillas, acondicionadores de aire inverter, bombas, sistemas de encendido electrónico para automóviles, sistemas de energía para servidores y equipos de telecomunicaciones. Como puede ver, el alcance de las aplicaciones IGBT es bastante grande.
Vale la pena señalar que IGBT y MOSFET son en algunos casos intercambiables, pero para etapas de baja tensión de alta frecuencia, se prefieren los MOSFET y para las IGBT de alta tensión y alta potencia.
Entonces, por ejemplo, los transistores IGBT realizan perfectamente sus funciones a frecuencias de operación de hasta 20-50 kilohercios. A frecuencias más altas, de este tipo aumentan las pérdidas de los transistores. Además, las capacidades de los transistores IGBT se manifiestan más plenamente a un voltaje de funcionamiento de más de 300-400 voltios. Es por eso transistores bipolares El obturador aislado se encuentra más fácilmente en aparatos eléctricos de alta tensión y alta potencia.
Parte dispositivos portables una batería es obligatoria, por lo general se utiliza una batería de iones de litio para este propósito. A pesar de que las características funcionales de la electrónica moderna se mejoran constantemente, la batería en sí permanece prácticamente sin cambios.
La capacidad y funcionalidad de la batería han aumentado significativamente, pero principio general el trabajo ha permanecido igual. La batería puede sobrecalentarse durante la carga y dañarse. En caso de sobredescarga, el voltaje puede caer por debajo del nivel crítico, lo que conducirá a la degradación de la celda y será imposible una nueva recarga. Por tanto, para controlar el proceso de carga, se utilizan baterías circuitos electrónicos, llamados controladores.
Este equipo se utiliza en circuitos para teléfonos móviles, computadoras portátiles y otros equipos electrónicos portátiles. Se requiere un controlador de batería para baterías solares y eólicas. Se incluye en fuentes de alimentación ininterrumpida y otros equipos.
Algoritmo del proceso de carga de la batería
Para comprender cómo se carga la batería, considere un circuito que incluye solo una resistencia y la batería en sí.
En nuestro caso, utilizamos una batería 18650 con una capacidad de 2400 mA / h, con valores de voltaje umbral de 2.8-4.3 V, y una fuente de alimentación de 5 voltios y una corriente máxima de 1 A. Calculemos los parámetros de la resistencia requerida. En este caso, asumiremos que la batería está en un estado normal y no completamente descargada. Carguemos la batería. Primero, cuando el voltaje a través de la batería es mínimo, la corriente será máxima, y Ur - la caída de voltaje a través de la resistencia, debe ser de 2.2 Voltios (esta es la diferencia entre Uip - el voltaje de la fuente de alimentación de 5 V y el voltaje inicial rendimiento de la batería).
Con base en estos datos, calculamos R - la resistencia inicial a través de la resistencia y Pr - la disipación de potencia:
R = Ur / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ohm, donde I es la corriente máxima de la fuente de alimentación.
Pr = I2R = 1x1x2.2 = 2.2 W.
Cuando el voltaje en la batería alcance 4.2 V, Isar, la corriente de carga será:
Isar = (Ui -4,2) / R = (5-4,2) /2,2 = 0,3 A.
Resulta que para cargar necesitamos una resistencia que funcione a estas velocidades. Pero en este circuito, tendrás que comprobar el voltaje de la batería todo el tiempo para no perderte el momento en que alcanza su valor máximo de 4,2 V.
¡Importante! Teóricamente, es posible cargar la batería sin un circuito de protección separado, pero no será posible rastrear el voltaje y la corriente de carga. Sí, esta opción se puede usar 1-2 veces, pero es imposible garantizar que la batería no fallará.
Las principales funciones de los controladores
Hay tres tareas principales que realizan los controladores de carga:
- optimización del sistema de suministro de energía;
- conservación de recursos;
- evitación de averías fatales.
Los controladores tienen diferentes funciones. Ajustan el flujo de corriente, asegurándose de que los indicadores sean inferiores a la carga máxima, pero al mismo tiempo superen la corriente de autodescarga. Los dispositivos controlan el paso de todas las etapas de la descarga-carga de la batería, en función de la estructura y composición química de la batería.
Cuando se trata de baterías para portátiles, el controlador compensa además los flujos de energía que se producen cuando la PC se está cargando y funcionando al mismo tiempo. A veces, los dispositivos están equipados con sensores térmicos para el apagado de emergencia en caso de sobrecalentamiento o frío.
Si el sistema usa varias baterías a la vez, el controlador proporciona carga solo para aquellas celdas que aún no se han cargado.
Para eliminar fugas de gas y explosiones, algunos modelos de controladores de carga de acumuladores utilizan sensores de presión.
¡Nota! Cualquier controlador debe operar con la relación correcta de corriente constante / voltaje constante (CC / CV). Si durante la carga la cantidad de energía suministrada es excesiva, esta parte sobrante se libera en el controlador en forma de calor. Por lo tanto, el controlador en sí nunca está integrado en la batería, está incluido en esquema general, pero siempre ubicados por separado. Pero, ¿cómo hacer un dispositivo con tus propias manos?
Esquemas simples
Uno de los controladores más comunes es la versión en chip del DW01. Es utilizado por la mayoría dispositivos móviles... En apariencia, este elemento es pizarra electronica, en el que se montan todos los componentes necesarios.
El DW01 tiene 6 salidas y los transistores de efecto de campo están montados en un paquete con 8 salidas: este es un microcircuito 8205A.
En este esquema, la tarea del controlador de carga es apagar la batería cuando está completamente descargada o cuando está completamente cargada, es decir, alcanzando un valor de 4.25 V.En lugar de DW01, puede usar NE57600, G2J, G3J, S8261, S8210, K091, JW01, JW11 y otros microcircuitos similares.
El microcircuito LC05111CMT ya incluye transistores de efecto de campo, aquí solo se utilizan adicionalmente un condensador y resistencias. El circuito utiliza transistores incorporados con una resistencia de transferencia de 0.011 ohmios. eso circuito simple para crear una batería con tus propias manos. Entre S1 y S2, la resistencia máxima es de 24 V y la corriente máxima de carga / descarga es de 10 A.
Todos los dispositivos de fabricación propia deben cumplir con los parámetros especificados; de lo contrario, asegúrese de trabajo correcto la batería fallará.
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