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휴대폰 배터리 다이어그램. 휴대폰 배터리는 어떻게 작동하며 어떻게 작동하나요? 배터리 설계 원리

휴대폰 배터리를 자동차 배터리와 비슷하게 소형으로만 조립하던 시대는 지났습니다. 불과 20년 전만 해도 휴대폰 배터리는 형의 장치 전체를 복제한 것처럼 보이는 부품으로 만들어졌습니다. 그림은 이러한 요소 중 하나의 단면을 보여줍니다.

과학과 실천은 함께 기술 진보를 촉진합니다. 1991년에는 전극의 양극재를 알루미늄박에, 음극재를 구리에 적용한 리튬이온전지가 등장했다.

리튬 이온은 전류의 영향을 받아 흑연 결정 격자에 도입되어 탄소 분자와 화학 결합을 형성합니다. 이러한 결합이 끊어지면 에너지가 방출되어 배터리 극에서 전류로 변환됩니다.

최근에는 리튬 폴리머 배터리가 등장했습니다.

다이어그램은 이러한 휴대폰용 배터리가 얼마나 간단하게 설계되었는지 보여줍니다.

전화 배터리 뱅크

배터리 캔은 사워 크림과 일관성이 비슷한 폴리머 리튬 용액으로 채워진 부드러운 플라스틱 백입니다. 배터리 상태를 모니터링하기 위해 컨트롤러가 뱅크에 연결됩니다. 전자보드로 설계되어 규격에 맞지 않는 충전기의 연결을 제한할 수 있으며, 휴대폰 배터리는 아무리 노력해도 충전이 되지 않습니다. 휴대폰 보드에 연결하는 일반적인 2개의 접점 대신 배터리 장치는 다극 연결 커넥터를 사용합니다.

휴대폰 배터리는 어떻게 작동하며 어떻게 작동하나요?

이러한 DC 소스에서 에너지를 저장하고 방출하는 과정은 리튬 이온 배터리와 유사하지만 일부 특성에서는 이전 배터리보다 열등하지만 생산이 훨씬 저렴합니다.

소형 휴대폰 배터리를 사용할 때 취해야 할 기본 안전 예방 조치는 자동차에 사용되는 산성 또는 알칼리성 DC 전원 공급 장치의 작동 안전 예방 조치와 다르지 않습니다. 높은 전압으로 충전하면 배터리 셀이 과열되거나 단락되어 화재가 발생할 수 있습니다. 그리고 아시다시피 작은 불꽃이 큰 불꽃을 일으킵니다.

그렇기 때문에 각 배터리에는 특정 값에 도달하면 충전을 끄고 방전이 임계점에 도달하면 전화기를 끄는 배터리 컨트롤러가 있습니다.

배터리는 휴대폰의 필수적인 부분으로 자율적인 작동을 보장합니다. 충전기를 얼마나 자주 사용해야 하는지는 배터리의 올바른 사용과 휴대전화의 성능에 따라 달라집니다.

배터리 종류

휴대폰에 사용되는 배터리에는 니켈 카드뮴, 리튬 이온, 리튬 폴리머 등 세 가지 주요 유형이 있습니다. 실제로 그 수가 더 많지만 나머지 종은 널리 퍼지지 않았으므로 이 기사의 범위를 벗어나도록 하겠습니다.

니켈-카드뮴 배터리는 한때 매우 인기가 있었지만 오늘날에는 환경에 대한 유해한 영향과 기타 여러 단점으로 인해 거의 폐기되었습니다. 최신 휴대폰은 아주 오래된 모델에서 이러한 배터리를 발견하지 않는 한 이를 사용하지 않습니다. 한때 대량 분포는 저렴한 비용으로 인해 발생했지만 그렇지 않으면 빠른 자체 방전, 낮은 용량 대 물리적 크기 비율 및 작동 중 강한 가열과 같은 여러 가지 부정적인 특성이 있었습니다. 니켈-카드뮴 배터리에는 소위 "메모리 효과"가 있는데, 이로 인해 여러 사이클을 연속해서 정기적으로 충전하고 완전 방전해야 합니다. 이 효과는 아직 완전히 방전되지 않은 배터리를 재충전하기 시작할 때 나타납니다. 이로 인해 사용할 수 없는 충전량이 남게 되고 결과적으로 장치의 배터리 수명이 단축됩니다. 평균적으로 니켈-카드뮴 배터리는 1000회 이상의 충방전 주기를 필요로 합니다.

리튬 이온 배터리는 최신 모바일 장치에 가장 널리 사용됩니다. 니켈-카드뮴보다 내구성이 뛰어나고 환경에 덜 유해하며 동시에 에너지 밀도도 훨씬 높습니다. 적당한 물리적 크기에도 불구하고 용량은 상대적으로 높습니다. "메모리 효과"가 없으며 자체 방전율이 낮은 것이 특징입니다. 이러한 유형의 배터리는 노화(의도한 목적으로 사용하지 않더라도)라는 단점이 있으므로 향후 사용을 위해 구입하지 않는 것이 좋습니다. 더 좋은 점은 새 리튬 이온 배터리를 구입할 때 생산 날짜에 주의하는 것입니다. 이러한 유형의 배터리는 특별한 유지 관리가 필요하지 않지만 적절하게 보관(충전된 상태)하고 온도 범위 내에서 작동하면 훨씬 더 오래 지속됩니다. 평균적으로 리튬 이온 배터리는 일반적으로 500~1000회 충전-방전 주기 동안 지속됩니다.


리튬 폴리머 배터리는 리튬 이온 배터리를 개선했지만 가격이 저렴합니다. 이 제품은 높은 에너지 밀도, 느린 자체 방전이 특징이며 더욱 환경 친화적입니다. 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 점차적으로 노화되는 경향이 있습니다. 평균적으로 리튬 폴리머 배터리는 500~600회의 충방전 주기를 갖습니다.

배터리 작동의 특징

다음과 같은 이유로 인해 대부분의 배터리 수명이 단축되거나 완전히 사용할 수 없게 될 수 있습니다.

  • 작동 규칙 위반(저체온증, 과열, 습기 유입)
  • 접촉 그룹의 물리적 손상;
  • 집에서 직접 배터리를 여십시오.
  • 빈번한 넘어짐과 타격;
  • 전화기가 켜진 상태에서 배터리를 충전합니다.
  • 전화기가 켜진 상태에서 배터리를 교체하십시오.
  • 정기적인 장기 재충전(전원을 켠 경우 하루 이상)
  • 사용하지 않고 장기간 보관.

고려된 세 가지 유형의 배터리는 모두 시간이 지남에 따라 용량이 감소하므로 2~3년 동안 계속 사용하면 교체해야 합니다. 이는 정상적인 과정입니다. 휴대폰 자체보다 수명이 훨씬 짧은 저품질 제품에 대해 제조업체를 비난해서는 안 됩니다. 교체가 필요한 경우 저렴한 모조품보다는 더 비싼 브랜드 배터리를 선택해야 합니다. 이 경우 절약 효과가 매우 모호할 수 있기 때문입니다.

또한 장치의 배터리 수명은 이동통신사의 기지국 위치에 따라 크게 영향을 받을 수 있다는 점을 기억해야 합니다. 기지국이 멀어질수록 신호를 수신하는 데 더 많은 에너지가 필요하고 배터리를 더 빨리 충전해야 합니다.

배터리 용량에 따른 휴대폰 선택

현재 시중에는 800~1500mAh 용량의 배터리가 장착된 휴대폰을 찾을 수 있습니다. 이 범위를 벗어나는 배터리 용량을 가진 휴대폰 모델이 있지만 이는 오히려 규칙에서 예외입니다.

휴대폰을 구입하고 배터리 수명을 미리 계산할 때는 모바일 장치 전체의 성능을 정확하게 평가해야 합니다. 사실 배터리 용량이 1300-1500mAh인 모든 휴대폰이나 스마트폰이 몇 주 동안 작동하는 것은 아니며 모든 것이 정반대일 수 있습니다. 제조업체는 일반적으로 장치 사양에 배터리 용량뿐만 아니라 연속 전화 통화 및 대기 모드에서의 배터리 수명도 표시합니다. 첫 번째 경우에는 일반적으로 5-8시간, 두 번째 경우에는 약 2주입니다. 그러나 이것은 극단적인 경우에 대한 무미건조한 숫자입니다. 사실 우리는 아무도 몇 시간 동안 이야기하거나 하루 종일 전화만 쳐다보지 않을 것이라는 것을 알고 있습니다. 따라서 휴대폰의 실제 작동 시간은 특정 요소가 아니라 기술적 특성과 배터리 용량에 따라 달라집니다.


일반적으로 전화기가 단순할수록 재충전 없이 더 오랫동안 작동할 수 있습니다. "오래 지속되는" 전화기의 주요 부분은 대각선 최대 2인치의 매우 일반적인 화면을 가지며 무선 통신(블루투스, Wi-Fi, GPS 모듈 등)의 지속적인 사용을 의미하지 않는 일반적인 올인원 장치입니다. .). 이러한 장치 대부분의 배터리 용량은 작지만(최대 1000mAh) 중간 부하에서 에너지 집약적인 기능과 모듈이 없기 때문에 약 5~7일에 한 번씩 재충전할 수 있습니다. 중간 부하란 매일 통화 30~50분, 주고받은 메시지 2~3개, 카메라로 찍은 사진 1~2장, 추가 애플리케이션(브라우저, 정리, 오디오 플레이어) 작업에 약 30분을 의미합니다.

요즘은 터치스크린이 탑재된 휴대폰과 스마트폰이 인기를 끌고 있습니다. 현대적이고 편리하지만 재충전하지 않으면 오랫동안 작동할 수 없습니다. 대형 터치 스크린(대부분 대각선 길이가 3~4인치임)은 에너지 집약적이며 하드웨어 플랫폼(스마트폰의 경우)은 상당한 부하를 줍니다. 또한 터치폰은 이메일 확인, 길 찾기, 데이터 전송, 멀티미디어 콘텐츠 보기 등의 용도로 가장 자주 사용됩니다. 이러한 모든 기능은 추가로 배터리 용량을 상당히 "소모"합니다. 드문 경우를 제외하고 터치스크린이 탑재된 스마트폰의 작동 일정은 다음과 같습니다. 낮에는 작업하고 저녁에는 충전합니다.

휴대폰은 매우 빠르게(아마도 컴퓨터보다 더 빠르게) 쓸모 없게 되며, 휴대폰의 오래된 배터리를 교체하는 것이 문제가 되는 경우가 종종 있습니다. 단순히 생산되지 않기 때문에 고품질 배터리가 판매되지 않습니다 (수제 비닐 봉지에 담긴 중국 수공예품은 포함되지 않습니다. 구매할 의미가 없으며 일반적으로 오랫동안 충전되지 않습니다). 아주 익숙하고 완벽하게 좋은 휴대폰을 버리는 것은 부끄러운 일입니다.

납땜 인두를 손에 쥐는 방법을 조금이라도 안다면이 문제를 간단히 해결할 수 있습니다. 이는 모든 휴대폰 배터리의 에너지 캐리어가 동일한 기술이기 때문에 가능합니다. 거의 항상 그렇습니다. 리튬 이온(리튬 이온) 또는 리튬 폴리머(리튬 폴리머) 셀의 전압은 다음과 같습니다. 3.6 — 3.7 볼트. 유일한 차이점은 배터리 크기, 위치 및 접점 수입니다. 크기가 대략 적당한 다른 최신 휴대폰에서 배터리를 구입한 다음 거기에서 에너지 캐리어를 꺼내 기존 배터리 본체로 옮기면 됩니다. 또한 단순화를 위해 케이스, 컨트롤러 및 전기 요소의 어셈블리를 "배터리" 또는 "배터리"라고 부르고 배터리 내부의 전기 요소를 "에너지 캐리어", "요소" 또는 "캔"이라고 부르겠습니다. 배터리는 Siemens ME45 휴대폰으로 교체되었습니다.

따라서 오래된 배터리를 복원하는 과정은 몇 가지 간단한 단계로 구성됩니다.

1 단계. 전화기를 열고, 오래된 배터리를 꺼내고, 배터리 종류와 용량을 확인하세요. 내 Siemens ME45의 경우 용량 840mAh, 전압 3.7V의 리튬 이온 배터리였습니다. 사진을 참조하세요.

가장 중요한 것은 결정하는 것입니다. 배터리 유형(리튬 이온 또는 리튬 폴리머). 사실 충전 모드와 배터리 컨트롤러(올바른 충전을 보장하는 특수 전자 회로)의 설계는 이에 따라 달라집니다. 리튬 폴리머 배터리는 과충전을 두려워하므로 오래된 배터리의 리튬 이온 부품을 리튬 폴리머로 교체하는 것은 권장하지 않습니다.

메모. 전압 측면에서 Li-Ion과 Li-Polymer는 거의 동일합니다. 리튬 폴리머는 동일한 크기와 무게의 리튬 이온에 비해 내부 저항이 낮고 에너지 용량이 높기 때문에 리튬 폴리머 배터리는 항공기 모델링에서 발전소에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 리튬 폴리머의 단점은 과충전을 두려워한다는 것입니다(부풀어오르고 폭발할 수 있음). 충전 중인 리튬 폴리머 배터리를 방치하지 말고, 리튬 폴리머용으로 특별히 설계된 충전기만 사용하여 충전하세요!

2 단계. 이제 오래된 배터리를 분해하고 내용을 숙지할 가치가 있습니다. 충전은 그리 복잡하지 않습니다. 케이스에는 컨트롤러(작은 스카프)와 에너지 캐리어(두 개의 접점이 있는 무거운 직사각형)가 포함되어 있습니다. 컨트롤러 접점은 외부로 나가고 에너지 캐리어는 내부에 연결됩니다.

컨트롤러 보드는 아래에서 볼 수 있으며 외부 배터리 접점은 이 사진의 왼쪽 하단에 배경에 있습니다.

에너지 캐리어가 올라가고, 외부 접점의 뒷면과 컨트롤러에 납땜된 "-" 버스(왼쪽, 중앙) 및 "+" 에너지 캐리어 버스(오른쪽)가 보입니다. .

컨트롤러를 위에서 본 모습입니다. 이쪽에는 요소의 전원 버스가 납땜되어 있습니다(사진에서는 이미 밀봉되어 있습니다). 다리가 8개인 큰 칩 9926A열쇠 역할을 하는 전계 효과 트랜지스터와 다리가 6개 달린 작은 물건입니다. 521A요소의 전압을 측정하고 컨트롤러의 논리(전계 효과 트랜지스터 및 요소 충전 프로세스 제어)를 결정하는 특수 칩(설명을 찾을 수 없음)일 가능성이 높습니다.

"하단"에서 컨트롤러 보드를 보면 외부 접점이 이 면에 납땜되어 있습니다.

3단계. 상점에 가서 판매자에게 기존 배터리를 보여주고 동일한 배터리를 판매해 달라고 요청하세요. 물론 판매자는 죄송합니다. 그런 배터리는 없다고 말합니다. 그런 다음 그에게 그가 가지고 있는 모든 배터리 모델을 보여달라고 요청하고 유형과 일치하는 모델을 선택합니다(예를 들어 기존 배터리가 리튬 이온 배터리인 경우 리튬 이온 배터리도 찾아야 함). 귀하에게 적합한 용량(밀리암페어/시간 단위로 측정). 용량은 클수록 좋습니다. 전압을 사용하면 모든 것이 더 간단하므로 잘못될 수 없습니다. 모든 배터리에는 내부에 3.6 .. 3.7V 전압의 병이 하나 있습니다. 또한 포장 품질과 배터리 출시 시간에 주의하세요. 배터리가 새 것일수록 수명이 길어집니다. Li-Ion만 Li-Ion으로, Li-Polymer를 Li-Polymer로 바꾸세요!

4단계. 새 배터리를 조심스럽게 분해하고 컨트롤러에서 부품을 분리합니다. 가능하다면 납땜을 풀어 보십시오. 이렇게 하면 요소를 기존 컨트롤러에 연결하는 것이 더 쉬워집니다. 납땜을 뺄 수가 없어서(연결 부분이 컴파운드로 채워져 있었습니다) 그냥 떼어내야 했어요. 이 절차가 끝나면 두 개의 접점이 요소에서 튀어 나와야합니다. 플러스와 마이너스는 주석 도금을 한 다음 기존 컨트롤러에 납땜해야합니다. 주목! 납땜 중에 극성을 바꾸거나 실수로 요소 접점을 단락시키지 마십시오.

이 단계에서 나는 작은 문제에 직면해야 했습니다. 요소의 양극 접촉이 알루미늄으로 만들어졌고 서비스가 단호하게 거부되었습니다. 게다가 매우 섬세해서(본질적으로 두꺼운 호일) 부주의한 움직임에도 벗겨질 수 있었습니다. 나는 그에게 믿을 수 있는 연락을 취하는 방법을 찾아야 했습니다. 오래된 소켓이 구출되었습니다. 담그다미세 회로 - 2개의 접점이 이 목적에 적합했습니다. 그들은 탄력이 있었고 요소 접점에 잘 연결되었습니다. 사진을 참조하십시오.

에너지 캐리어는 여기에서 볼 수 있으며 컨트롤러는 이미 분리되어 있습니다. 왼쪽에는 부정적인 접촉이 있습니다. 오른쪽에는 연결을 위해 준비된 양극 알루미늄 접점과 소켓의 접점이 있습니다. 셀이 배터리 케이스에 들어가도록 측면을 살짝 눌러야 했습니다. 이 작업은 매우 조심스럽게 수행되어야 합니다. 어떤 상황에서도 배터리 밀봉을 뜯어서는 안 됩니다(특히 리튬 폴리머의 경우).

소켓 접점은 요소 접점에 장착됩니다.

그런 다음 MGTF 와이어의 얇은 주석 도금 코어로 접점을 고정하고 신뢰성을 위해 가볍게 납땜하여 가능한 한 적은 양의 로진을 넣으려고 했습니다(요소 접점과 소켓 접점 사이에 들어 가지 않도록).

배터리가 거의 완성되었습니다. 요소가 배터리 케이스에 매달리지 않도록 하려면 연한 파란색 스페이서(오래된 CD-ROM에서 충격 흡수 와셔를 가져옴)가 필요합니다. 뚜껑을 닫으면 모든 과정이 완료됩니다. 뚜껑은 붙이지 않고 그냥 테이프 2겹으로 감쌌어요.

새 배터리를 장착한 "늙은 남자" - 모든 것이 정상입니다!

이것이 "기증자"에게 남은 전부입니다. 라벨과 손상된 컨트롤러입니다.

리튬이온/폴리머 배터리 보호 컨트롤러의 설계 및 작동 원리

휴대폰 배터리를 분해하면 작은 인쇄 회로 기판이 배터리 셀의 단자에 납땜되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 이것이 소위 보호회로, 또는보호 IC. 그 특성으로 인해리튬 배터리지속적인 모니터링이 필요합니다. 보호회로가 어떻게 구성되어 있는지, 어떤 요소로 구성되어 있는지 자세히 살펴보겠습니다.

리튬 배터리 충전 컨트롤러의 일반적인 회로는 SMD 구성 요소의 전자 회로가 탑재된 작은 보드입니다. 일반적으로 3.7V에서 1셀("뱅크")의 컨트롤러 회로는 2개의 마이크로 회로로 구성됩니다. 하나는 제어 칩이고 다른 하나는 두 개의 MOSFET 트랜지스터 어셈블리입니다.

사진은 3.7V 배터리의 충전 컨트롤러 보드를 보여줍니다.

작은 패키지에 들어 있는 DW01-P라고 표시된 마이크로 회로는 본질적으로 컨트롤러의 "두뇌"입니다. 다음은 이 마이크로 회로를 연결하는 일반적인 회로도입니다. 다이어그램에서 G1은 리튬 이온 또는 폴리머 배터리 셀입니다. FET1, FET2는 MOSFET 트랜지스터이다.


DW01-P 마이크로 회로의 핀 배치, 모양 및 목적.


MOSFET 트랜지스터는 DW01-P 마이크로 회로에 포함되지 않으며 2개의 N형 MOSFET 트랜지스터로 구성된 별도의 마이크로 회로 어셈블리 형태로 만들어집니다. 일반적으로 8205라고 표시된 어셈블리가 사용되며 패키지는 6핀(SOT-23-6) 또는 8핀(TSSOP-8)일 수 있습니다. 어셈블리에는 TXY8205A, SSF8205, S8205A 등의 라벨이 붙어 있을 수 있습니다. 8814로 표시된 어셈블리와 유사한 어셈블리도 찾을 수 있습니다.

TSSOP-8 패키지의 S8205A 칩의 핀아웃과 구성은 다음과 같습니다.

두 개의 전계 효과 트랜지스터가 배터리 셀의 방전과 충전을 개별적으로 제어하는 ​​데 사용됩니다. 편의상 일체형으로 제작됩니다.

OD 핀에 연결된 트랜지스터(FET1)( 과방전) DW01-P 마이크로 회로, 배터리 방전 모니터링 - 부하 연결/분리. 그리고 OC 핀에 연결된 것(FET2)( 과충전) - 전원(충전기)을 연결/분리합니다. 따라서 해당 트랜지스터를 열거나 닫으면 예를 들어 부하(소비자)를 끄거나 배터리 셀 충전을 중지할 수 있습니다.

제어 칩의 논리와 전체 보호 회로를 전체적으로 살펴 보겠습니다.

과충전 보호.

아시다시피 리튬 배터리를 4.2~4.3V 이상으로 과충전하면 과열 및 심지어 폭발이 발생할 수 있습니다.

셀 전압이 4.2 - 4.3V에 도달하면 ( 과충전 보호 전압 - VOCP), 그러면 제어 칩이 트랜지스터 FET2를 닫아 배터리의 추가 충전을 방지합니다. 셀 전체의 전압이 4 - 4.1V( 과충전 해제 전압 - VOCR) 자체 방전으로 인해. 이는 배터리에 연결된 부하가 없는 경우에만 해당됩니다. 예를 들어 배터리가 휴대폰에서 제거된 경우입니다.

배터리가 부하에 연결된 경우 셀 전체의 전압이 4.2V 아래로 떨어지면 FET2 트랜지스터가 다시 열립니다.

과방 전 보호.

배터리 전압이 2.3~2.5V( 과방전 보호 전압- VoDP) 그런 다음 컨트롤러는 FET1 방전의 MOSFET 트랜지스터를 끄고 DO 핀에 연결됩니다.

꽤있다 흥미로운 조건 . 배터리 셀의 전압이 2.9~3.1V( 과방전 해제 전압 - V ODR), 부하가 완전히 연결 해제됩니다. 컨트롤러 단자에는 0V가 있습니다. 보호 회로의 논리에 대해 잘 모르는 사람들은 이러한 상황을 배터리의 "죽음"으로 착각할 수 있습니다. 여기에 작은 예가 있습니다.

MP3 플레이어의 소형 리튬 폴리머 배터리 3.7V. 구성 : 제어 컨트롤러 - G2NK (시리즈 S-8261), 전계 효과 트랜지스터 조립 - KC3J1.


배터리가 2.5V 미만으로 방전되었습니다. 제어 회로가 부하에서 연결을 끊었습니다. 컨트롤러 출력은 0V입니다.


또한 배터리 셀의 전압을 측정하면 부하를 분리한 후 약간 증가하여 2.7V 수준에 도달했습니다.


컨트롤러가 배터리를 "외부 세계", 즉 부하에 다시 연결하려면 배터리 셀의 전압이 2.9 - 3.1V( V ODR).

여기서 매우 합리적인 질문이 제기됩니다.

다이어그램은 트랜지스터 FET1, FET2의 드레인 단자가 서로 연결되어 있고 어디에도 연결되어 있지 않음을 보여줍니다. 과충전 보호가 작동될 때 이러한 회로를 통해 전류가 어떻게 흐르나요? 컨트롤러가 방전 트랜지스터(FET1)를 다시 켜도록 배터리 "병"을 어떻게 다시 충전할 수 있습니까?

리튬 이온/폴리머 보호 칩(포함)에 대한 데이터시트를 뒤져보면 DW01-P,G2NK), 그러면 과방전 보호가 작동된 후 전하 감지 회로가 작동한다는 것을 알 수 있습니다. 충전기 감지. 즉, 충전기가 연결되면 회로는 충전기가 연결되었음을 감지하고 충전 프로세스를 허용합니다.

리튬 셀을 완전 방전한 후 3.1V 수준으로 충전하려면 매우 오랜 시간(몇 시간)이 걸릴 수 있습니다.

리튬 이온/폴리머 배터리를 복원하려면 Turnigy Accucell 6 범용 충전기와 같은 특수 장치를 사용할 수 있습니다. 이를 수행하는 방법을 알아볼 수 있습니다.

이 방법을 사용하여 MP3 플레이어에서 리튬 폴리머 3.7V 배터리를 복원할 수 있었습니다. 2.7V에서 4.2V까지 충전하는데 554분 52초가 걸렸다. 9시간 이상 ! 이는 "복구" 비용이 지속될 수 있는 기간입니다.

무엇보다도 리튬 배터리 보호 마이크로 회로의 기능에는 과전류 보호( 과전류 보호) 및 단락. 과전류 보호는 전압이 일정량 이상 급격하게 떨어지는 경우에 작동됩니다. 그 후 마이크로 회로는 부하 전류를 제한합니다. 부하에 단락(단락)이 발생한 경우 컨트롤러는 단락이 해소될 때까지 이를 완전히 차단합니다.

절연 게이트 전계 효과 트랜지스터

오늘날 충분한 수의 다양한 종류의 트랜지스터 중에서 두 가지 클래스가 구별됩니다. p-n- 전이 트랜지스터(바이폴라) 및 절연된 반도체 게이트가 있는 트랜지스터(전계 효과). 전계효과 트랜지스터를 설명할 때 찾을 수 있는 또 다른 이름은 유전체로 실리콘산화물(SiO2)이 주로 사용된다는 점에서 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)라고 부른다. 또 다른 일반적인 이름은 MIS(금속-유전체-반도체)입니다.

몇 가지 설명. 용어를 자주 들을 수 있습니다. MOSFET, MOSFET, MOS 트랜지스터. 이 용어는 전자공학 초보자에게 오해의 소지가 있는 경우가 있습니다.

MOSFET이란 무엇입니까?

MOSFET은 Metal-Oxide-Semiconductor(금속 - 산화물 - 반도체)와 Field-Effect-Transistors(전기장 제어 트랜지스터)라는 두 가지 영어 문구의 약어입니다. 따라서 MOSFET은 일반 MOS 트랜지스터에 지나지 않습니다.

이제 MOSFET, MOSFET, MOS, MOS, MOS라는 용어가 동일한 의미, 즉 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터를 의미한다는 것이 분명해졌습니다.

약어 MOSFET과 함께 약어 J-FET(Junction)가 사용된다는 점을 기억할 가치가 있습니다. J-FET 트랜지스터도 전계 효과 트랜지스터이지만 이러한 트랜지스터는 제어 p-n 접합을 사용하여 제어됩니다. 이러한 트랜지스터는 MOSFET과 달리 구조가 약간 다릅니다.

전계 효과 트랜지스터의 작동 원리.

전계 효과 트랜지스터 작동의 본질은 전기장(전압)을 사용하여 흐르는 전류를 제어하는 ​​​​능력입니다. 이는 작은 입력 전류를 사용하여 큰 출력 전류를 제어하는 ​​바이폴라 트랜지스터와 비교하면 유리합니다.

절연 게이트가 있는 전계 효과 트랜지스터의 단순화된 모델을 살펴보겠습니다(그림 참조). MOS 트랜지스터는 다양한 유형의 전도성(n 또는 p)을 갖기 때문에 그림에서는 절연 게이트와 n형 채널이 있는 전계 효과 트랜지스터를 보여줍니다.


MOS 트랜지스터의 기본은 다음과 같습니다.

    실리콘 기판 . 기판은 p형 또는 n형 반도체일 수 있습니다. 기판이 p형인 경우 반도체는 실리콘 결정 격자 위치에 더 많은 양으로 하전된 원자를 포함합니다. 기판이 n 유형인 경우 반도체는 음으로 하전된 원자와 자유 전자를 더 많이 포함합니다. 두 경우 모두 불순물의 도입을 통해 p형 또는 n형 반도체가 형성됩니다.

    반도체 n+ 영역 . 이들 영역은 반도체에 불순물을 도입함으로써 달성되는 자유 전자(따라서 "+")가 매우 풍부합니다. 소스 및 드레인 전극은 이 영역에 연결됩니다.

    유전체 . 실리콘 기판에서 게이트 전극을 분리합니다. 유전체 자체는 산화규소(SiO2)로 만들어집니다. 제어 전극인 게이트 전극은 유전체 표면에 연결됩니다.

이제 모든 것이 어떻게 작동하는지 간략하게 설명하겠습니다.

게이트와 소스 사이에 양의 전압이인가되면 ( + )를 게이트 단자에 연결하면 금속 게이트 단자와 기판 사이에 횡방향 전기장이 형성됩니다. 이는 차례로 실리콘 기판에 소량으로 분산되어 있는 음으로 하전된 자유 전자를 유전체의 표면층으로 끌어당기기 시작합니다.

그 결과, 표면층에 충분히 많은 수의 전자가 축적되어 소위 채널이 형성됩니다. 전도 영역. 그림에서 채널은 파란색으로 표시됩니다. 채널이 n 유형이라는 사실은 채널이 전자로 구성되어 있음을 의미합니다. 보시다시피 소스와 드레인 단자 사이, 그리고 실제로는 전류를 전도하는 n+ 영역 사이에 일종의 "브리지"가 형성됩니다.

소스와 드레인 사이에 전류가 흐르기 시작합니다. 따라서 외부 제어 전압으로 인해 전계 효과 트랜지스터의 전도도가 제어됩니다. 게이트에서 제어 전압을 제거하면 표면 근처 층의 전도성 채널이 사라지고 트랜지스터가 닫히고 전류 전달이 중단됩니다. 단순화된 모델 그림은 n형 채널이 있는 전계 효과 트랜지스터를 보여줍니다. p형 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터도 있습니다.

표시된 모델은 매우 단순화되었습니다. 실제로 현대 MOS 트랜지스터의 설계는 훨씬 더 복잡합니다. 그러나 그럼에도 불구하고 단순화된 모델은 절연 게이트가 있는 전계 효과 트랜지스터 장치에 적용된 아이디어를 명확하고 간단하게 보여줍니다.

무엇보다도 절연 게이트가 있는 전계 효과 트랜지스터는 공핍형 및 농축형입니다. 그림은 강화된 전계 효과 트랜지스터를 보여줍니다. 이 트랜지스터에서 채널은 전자로 "강화"됩니다. 공핍형 트랜지스터는 채널 영역에 이미 전자가 존재하기 때문에 게이트에 제어 전압을 가하지 않고도 트랜지스터가 전류를 흐르게 한다. 고갈된 전계 효과 트랜지스터와 풍부한 전계 효과 트랜지스터의 전류-전압 특성은 크게 다릅니다.

여기에서 강화된 MOSFET 트랜지스터와 공핍된 MOSFET 트랜지스터의 차이점을 읽을 수 있습니다. 거기에도 표시되어 있어요 MOSFET은 어떻게 지정되나요?개략도에.

게이트 전극과 기판이 그 사이에 위치한 유전체와 함께 일종의 전기 커패시터를 형성한다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 플레이트는 금속 게이트 터미널과 기판 영역이며, 이러한 전극 사이의 절연체는 실리콘 산화물(SiO2) 유전체입니다. 따라서 전계 효과 트랜지스터에는 다음과 같은 필수 매개 변수가 있습니다. 게이트 커패시턴스.

전계 효과 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터와 달리 저주파에서 고유 잡음이 더 낮습니다. 따라서 사운드 강화 기술에 적극적으로 사용됩니다. 예를 들어, 자동차 CD/MP3 플레이어용 최신 저주파 전력 증폭기 마이크로 회로에는 MOSFET 트랜지스터가 포함되어 있습니다. 자동차 수신기의 대시보드에서 "라는 문구를 찾을 수 있습니다. 전력 MOSFET" 또는 이와 유사합니다. 이것이 제조사가 자랑하는 방식으로, 그가 전력뿐만 아니라 음질에도 관심을 갖고 있음을 분명히 합니다.

전계 효과 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터와 비교하여 더 높은 입력 저항을 가지며, 이는 옴의 10의 9승 이상에 도달할 수 있습니다. 이 기능을 통해 이러한 장치를 전위 제어, 즉 전압 제어 장치로 간주할 수 있습니다. 오늘날 이는 정적 휴지 모드에서 충분히 낮은 전력 소비로 회로를 생성하는 데 가장 적합한 옵션입니다. 이 조건은 특히 저장 셀 수가 많은 정적 메모리 회로와 관련이 있습니다.

트랜지스터의 주요 작동 모드에 대해 이야기하면 이 경우 바이폴라 트랜지스터는 필드 옵션의 전압 강하가 매우 커서 전체 회로의 전체 효율성이 감소하기 때문에 더 나은 성능을 보여줍니다. 그럼에도 불구하고 전계효과형 트랜지스터 제조기술의 발달로 이러한 문제를 해소할 수 있게 되었다. 최신 전계 효과 트랜지스터는 채널 저항이 낮고 고주파수에서 잘 작동합니다.

고전력 전계효과 트랜지스터의 특성을 개선하기 위한 연구의 결과, 하이브리드 전자소자가 발명되었습니다. IGBT 트랜지스터, 이는 전계 효과와 바이폴라 트랜지스터의 하이브리드입니다.

IGBT 트랜지스터

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터

현대 전력 전자공학에서는 소위 IGBT 트랜지스터가 널리 사용됩니다. 이 약어는 외국 용어에서 차용되었으며 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 의미하며 러시아어에서는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터처럼 들립니다. 따라서 IGBT 트랜지스터는 IGBT라고도 합니다. IGBT는 스위칭 전원 공급 장치, 인버터 및 전기 구동 제어 시스템에 설치되는 강력한 전자 스위치로 사용되는 전자식 전력 장치입니다.

IGBT 트랜지스터는 전계 효과와 바이폴라 트랜지스터를 혼합한 매우 독창적인 장치입니다. 이러한 조합으로 인해 이러한 유형의 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터와 바이폴라 트랜지스터의 긍정적인 특성을 모두 물려받았습니다.

IGBT 트랜지스터 작동의 본질은 전계 효과 트랜지스터가 강력한 바이폴라 트랜지스터를 제어한다는 것입니다. 결과적으로 전계효과 트랜지스터의 게이트에 제어신호가 공급되므로 낮은 제어전력으로 강력한 부하의 스위칭이 가능해진다.

IGBT의 내부 구조는 단자 플러스를 제어하는 ​​2개의 전자 입력 스위치를 캐스케이드 연결한 것입니다. 다음 그림은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 단순화된 등가 회로를 보여줍니다.

IGBT 작동의 전체 과정은 두 단계로 나타낼 수 있습니다. 양의 전압이 인가되자마자 전계 효과 트랜지스터가 게이트와 소스 사이에 열립니다. 즉, 소스와 드레인 사이에 n채널이 형성됩니다. 이 경우 해당 지역에서 전하의 이동이 일어나기 시작합니다. N지역에 피, 이는 바이폴라 트랜지스터의 개방을 수반하며 그 결과 전류가 이미 터에서 컬렉터로 돌진합니다.

IGBT 출현의 역사.

전력 전계 효과 트랜지스터는 1973년에 처음 등장했으며, 이미 1979년에 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터를 사용하는 제어 바이폴라 트랜지스터를 갖춘 복합 트랜지스터 회로가 제안되었습니다. 테스트 과정에서 바이폴라 트랜지스터를 스위치로 사용하면 메인 트랜지스터에 포화가 발생하지 않아 스위치가 꺼질 때 지연이 크게 줄어드는 것으로 나타났습니다.

그 후인 1985년에는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터가 출시되었는데, 그 특징은 작동 전압 범위가 더 커졌다는 것입니다. 따라서 고전압 및 고전류에서 온 상태 손실은 매우 작습니다. 이 경우 소자는 바이폴라 트랜지스터와 유사한 스위칭 및 전도성 특성을 가지며 제어는 전압에 의해 수행됩니다.

1세대 장치에는 몇 가지 단점이 있었습니다. 전환이 느리고 안정성이 좋지 않았습니다. 2세대는 90년대에 출시되었으며 3세대는 여전히 생산되고 있습니다. 이러한 단점을 제거하고 입력 저항이 높으며 제어 전력이 낮고 켜진 상태에서 잔류 전압도 낮습니다.

이미 IGBT 트랜지스터는 수십에서 수백 암페어 범위의 전류를 전환할 수 있는 전자 부품 매장에서 구입할 수 있습니다. 난 최대야 ) 및 작동 전압 ( U ke max )는 수백 볼트에서 수천 볼트 이상까지 다양할 수 있습니다.

회로도의 IGBT(IGBT) 기호입니다.

IGBT 트랜지스터는 전계효과 트랜지스터와 바이폴라 트랜지스터가 결합된 구조이므로 단자를 게이트(Gate)라고 부른다. 지(제어 전극), 이미터( 이자형) 및 수집기( 에게). 외국 스타일에서는 셔터 출력이 문자로 지정됩니다. G, 이미터 출력 - 이자형, 컬렉터 출력은 다음과 같습니다. 씨.

그림은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터에 대한 일반적인 그래픽 기호를 보여줍니다. 트랜지스터는 내장된 고속 다이오드로 묘사될 수도 있습니다. 또한 IGBT 트랜지스터는 다음과 같이 묘사될 수 있습니다.

IGBT의 특징 및 적용 범위.

IGBT 트랜지스터의 특징:

    전압 제어(전계 효과 트랜지스터와 마찬가지로);

    온 상태 손실이 낮습니다.

    100°C 이상의 온도에서 작동할 수 있습니다.

    1000볼트 이상의 전압과 5킬로와트 이상의 전력으로 작업할 수 있습니다.

나열된 품질로 인해 인버터, 가변 주파수 드라이브 및 스위칭 전류 조정기에서 IGBT 트랜지스터를 사용할 수 있습니다. 또한 용접 전원, 전기 기관차, 트램, 무궤도 전차와 같은 전기 자동차에 설치되는 강력한 전기 드라이브 제어 시스템에 자주 사용됩니다. 이 솔루션은 효율성을 크게 높이고 높은 부드러움을 보장합니다.

또한 이러한 장치는 무정전 전원 공급 장치 및 고전압 네트워크에 설치됩니다. IGBT 트랜지스터는 세탁기, 재봉틀, 식기 세척기의 전자 회로, 인버터 에어컨, 펌프, 자동차 전자 점화 시스템, 서버 및 통신 장비용 전원 공급 시스템에서 찾을 수 있습니다. 보시다시피 IGBT의 적용 범위는 상당히 넓습니다.

IGBT와 MOSFET이 어떤 경우에는 상호 교환이 가능하다는 점은 주목할 가치가 있지만 고주파 저전압 스테이지의 경우 MOSFET 트랜지스터가 선호되고 고전력 고전압 스테이지의 경우 IGBT 트랜지스터가 선호됩니다.

예를 들어, IGBT 트랜지스터는 최대 20-50kHz의 작동 주파수에서 완벽하게 기능을 수행합니다. 더 높은 주파수에서 이러한 유형의 트랜지스터는 손실을 증가시킵니다. 또한 IGBT 트랜지스터의 모든 기능은 300-400V 이상의 작동 전압에서 나타납니다. 따라서 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 고전압 및 고전력 전기 제품에서 가장 쉽게 찾을 수 있습니다.

오늘날 기계 에너지로 구동되는 장치는 거의 볼 수 없습니다. 대부분의 장치는 전기로 구동됩니다. 배터리는 전자 장치의 필수적인 부분이 되었습니다. 배터리는 어떻게 작동하나요? 그것을 알아 내려고 노력합시다.

배터리의 종류는 다양하지만 가전제품에 가장 일반적으로 사용되는 배터리는 니켈-카드뮴(NiCd), 니켈-수소화물(NiMh), 리튬이온(Li-Ion) 배터리입니다.

NiCd 배터리는 제조, 작동 및 보관의 용이성으로 인해 가장 오랫동안 사용됩니다. 지금까지 NiCd 배터리는 라디오, 의료 장비, 전문 비디오 카메라 및 강력한 도구에 전원을 공급하는 데 가장 널리 사용되었습니다.

NiMH 배터리는 NiCd 배터리에 비해 충전 중에 훨씬 더 많은 열을 발생시킵니다. 또한 완전히 충전되는 시기를 결정하기 위해서는 더 복잡한 알고리즘이 필요합니다. 따라서 대부분의 NiMH 배터리에는 내부 온도 센서가 장착되어 있습니다. 또한 NiMH 배터리는 빠르게 충전할 수 없습니다. 충전 시간은 일반적으로 NiCd 배터리의 두 배입니다. 그러나 용량은 NiCd보다 큽니다.

리튬이온 배터리의 특성은 무게 1kg당 NiCd 배터리의 두 배에 달합니다. 이것이 바로 무게와 배터리 수명이 중요한 모든 노트북과 휴대폰에 리튬 이온 배터리가 사용되는 이유입니다.

배터리는 어떻게 작동하나요?

충전식 배터리는 전해질 용액에 담근 두 금속판 사이의 전압 차이를 이용하여 작동합니다. 이 원리로 작동하는 최초의 전류원은 19세기에 만들어졌습니다. 그 안에 있는 한 판은 구리였고, 두 번째 판은 아연이었고 매우 빨리 용해되었습니다.

전압 차이는 튜브로 연결된 두 개의 액체 용기에 비유하여 설명할 수 있습니다. 튜브 안의 물이 움직이기 시작하려면 레벨 차이를 만들어야 합니다. 예를 들어 한 용기를 다른 용기보다 높게 들어 올려야 합니다. 점차적으로 물은 왼쪽 병에서 오른쪽으로 흐를 것입니다. 수위가 같아지면 물의 흐름이 멈춥니다. 배터리의 경우 이는 완전 방전을 의미합니다.

재충전하려면 물을 원래 용기에 다시 넣어야 합니다. 예를 들어 국자나 컵을 사용합니다. 오른쪽 병의 물을 퍼서 왼쪽 병에 부으면 배터리가 충전됩니다. 물론 호스를 통해 물이 흘러나오는 것과 같은 속도로 퍼내야 합니다. 그렇지 않으면 배터리가 다시 방전됩니다.

구조적으로 배터리 자체는 매우 간단한 장치입니다. 이것은 두 개의 긴 흑연 시트와 코발트가 포함된 리튬 산화물입니다. 전해질로 윤활 처리되어 감겨져 있습니다. 리튬이온 배터리가 준비되었습니다.

배터리에 대한 오해

리튬 이온 배터리를 구입한 후 즉시 여러 번의 완전 충전 및 방전 주기를 수행하려면 "부스트"해야 한다는 믿음이 널리 퍼져 있습니다. 일반적으로 - 3에서 5까지. 이 신화는 배터리에 그다지 해롭지는 않지만 그럼에도 불구하고 작동주기를 낭비합니다.

Li-Ion 배터리의 특성은 NiCd 배터리의 경우처럼 메모리 효과가 없다는 것입니다. 이는 불완전하게 방전된 NiCd 배터리를 충전하면 용량이 감소한다는 것입니다. 리튬 이온에는 그러한 기능이 없습니다. 또한 제조업체는 300회 방전-충전 주기를 초과해도 배터리 용량이 감소하지 않음을 보증합니다.

다시 한 번 말씀드리지만, 리튬 이온을 사용하여 플레이어, 휴대폰, 워키토키, PDA, 태블릿, 시계 또는 기타 모바일 장치를 "훈련"하는 것은 쓸모가 없습니다.

리튬 이온 배터리는 일반적으로 과도한 충전과 방전을 좋아하지 않습니다. 제조업체는 300사이클을 보장하지만 이는 301사이클 후에 배터리를 버릴 수 있다는 의미는 아닙니다. 모든 것은 작동 조건에 따라 달라집니다. 리튬이온의 "온실" 조건은 최대 충전량은 최대 80%, 최소 방전량은 최대 40%입니다. 일부 노트북 모델에서는 서비스 소프트웨어에서 이러한 매개변수를 설정하여 배터리의 "수명"을 연장할 수 있습니다. 또한 배터리는 0도 이하의 온도와 +40도 이상으로 가열되면 돌이킬 수 없이 용량이 손실됩니다. 따라서 서리와 고열로부터 장치를 보호하는 것이 좋습니다.