как выглядит аккумулятор внутри телефона
Анатомия мобильного аккумулятора
Содержание
Содержание
Тысячи мобильных гаджетов нуждаются в бесперебойных поставках энергии в свои маленькие тела. Энергоносителем для таких устройств выступают аккумуляторы, запасающие электричество в ячейках. В отличие от обычных батареек, они способны выдержать до 15 000 циклов заряда-разряда.
Устройство аккумулятора
Классическая батарея — банка с положительно заряженным графитовым анодом и отрицательно заряженным катодом, между которыми находится пористая прокладка, покрытая активным веществом — электролитом. Электрический заряд хранит в себе положительно заряженные ионы, выстраивающиеся в кристаллическую решетку токопроводящего электролита. При зарядке, ток гонит ионы к аноду, при разрядке они меняют свое направление, отправляясь обратно к катоду.
Сейчас выделяют три основных типа перезаряжаемых батарей: металл-гидроидные (Ni-MH), никель-кадмиевые (Ni-Cd) и литий-ионные (Li-ion).
Ni-cd и Ni-MH злопамятные. Они запоминают, что их уже зарядили, и теряют часть емкости при новой попытке заправить их под завязку — процесс получил название «эффект памяти». Именно из-за этого особой популярности у переносных устройств они не завоевали.
В свою очередь литиевые подразделяются на кобальтовые, марганцевые и титанатные. Именно о них мы и поговорим в данном блоге, ведь только Li-ion оптимально зарекомендовали себя среди мобильных устройств.
Литиевое семейство
LiCoO2 — химическое соединение литий-кобальта, которое отличается высокой энергоемкостью с номинальным напряжением в 3,6 В и пиковым — 4,2 В. Легкие, емкие, быстро заряжаются и гарантированно обеспечивают стабильную работу шуруповерта, ноутбука, телефона на протяжении до 1000 перезарядок. Единственный минус — высокая цена кобальта, из которого делают катод.
LiMn2O4 — литий-марганцевые батареи имеют более высокое напряжение при сниженном жизненном цикле — 700 перезарядов. Применяются в энергоемких гаджетах.
LiNiMnCoO2— удачный результат симбиоза, получивший неоспоримое преимущество. Литий-никель-марганец-кобальтовые аккумуляторы могут перезаряжаться до 2000 раз, в каждой банке до 2800 мА·ч. Используются для создания источников питания для автомобилей, гироскутеров.
Li4Ti5O12 — литий-титанатный конкурент вышеописанного аккумулятора. Заряжается в 5 раз быстрее, но выдает низкий ток и не так энергоэффективен. Размер батареи на 200-300% больше LiNiMnCoO2 при равном объеме, из-за этого не может применяться в носимых устройствах. Литий- титанатные аноды испускают дух только после 15 000 циклов и эффективно противостоят холоду, поэтому их используют в Московских электробусах.
Li-pol — литий-полимерные аккумуляторы на 25% энергоэффективнее, но при этом быстрее деградируют, способны перезаряжаться около 1000 раз. Полимер позволяет делать батарею гибкой, благодаря этой технологии появилось большое количество сгибаемых портативных устройств.
Отрицательная черта всего семейства литий-ионных батарей — чувствительность к сильным токам и страх перед полной разрядкой. Под высокой нагрузкой они теряют часть «жизненных сил» и быстрее выходят из строя. Решают эту проблему контроллеры заряда, следящие за силой тока и нагревом батарейки. Чем полней коробочка, тем жарче внутри, именно поэтому быстрая зарядка работает только до 50%, затем интенсивность заполнения емкости снижается. Подробнее можно ознакомиться здесь.
Проблема недержания
Отработав несколько сотен циклов, батарея начинает деградировать, частично теряя способность удерживать заряд. Процесс заполнения батареи энергией похож на накачку водонапорной башни. Чтобы поднять жидкость вверх, потребуется энергия, назад вода бежит своим ходом. Тоже происходит и с ионами, чтобы оторвать их от катода, требуется ток, от анода они убегают самостоятельно.
Тепло и мороз
Высокие температуры, равно как и мороз, негативно влияют на поведение накопителя. Набившись стайкой в банку, ионы провоцируют повышение градуса по Цельсию. Каждый раз, когда аккумулятор «жарится» под нагрузкой или при зарядке, часть ионов слипается, лишаясь возможности двигаться и передавать энергию.
Холод тоже негативно влияет на способность батареи к удержанию энергии и способен нанести необратимый урон. Почему аккумуляторы теряют стойкость на морозе и как уберечь свой гаджет от быстрой потери заряда, вы можете прочитать в блоге на эту тему.
Кислая проблема
С точки зрения химии в батарее происходит окислительно-восстановительный процесс, его проявление иногда заметно на поверхности батарей, покрывшихся белым/зеленым порошком — окисью. Катод и анод предают энергию через коллектор тока, связанный с ними клейким материалом. Со временем «сцепка» осыпается из-за циклов нагрева и охлаждения, обнажая алюминиевую ножку коллектора. Анод передает эстафету коррозии коллектору, который по своей ножке поднимает окись вверх. Катод состоит из графита, который может покрыться налетом, но передать окись металлу не способен. Иногда к ним присоединяется электролит, выливающийся из-за повреждения банки, слишком разросшимся кристаллом — это процесс сопровождается вздутием. Батарея — должна быть герметична, если окись вышла посмотреть, что делается в большом мире, внутри полный аут, остается только выкинуть.
Что в итоге?
Идеальных аккумуляторов не существует, более чем за 100 лет производства инженеры разработали десятки видов накопителей энергии, но не смогли создать универсального. Подбирая аккумулятор, необходимо ориентироваться на конкретные задачи, выбирая между объемом и мощностью.
Что внутри аккумулятора телефона? Наглядно
При недавнем добавлении новых разделов сайта нашего интернет-магазина Neovolt.ru, посвящённых замене элементов питания на нашем производственном предприятии, появилась идея сделать простые схемы устройства аккумуляторов для иллюстрирования материалов.
Несложная с виду идея вылилась в многочасовую проверку возможных изобретений новых вариантов конструкций, в перелопачивание тонны публикаций на BatteryUniversity, в общение с экспертами и инженерами на Quora и в Reddit по материалам в сепараторах и проводниках, чтобы ничего не упустить из внимания.
Получился огромный материал, который в дальнейшем пришлось сократить, иначе можно книгу написать. Результатом делимся с вами.
Что внутри аккумулятора смартфона
Батареи литий-ионного или литий-полимерного типа работают с помощью химических реакций, которые «отправляют» электроны и ионы с одного электрода на другой. Вот, как всё выглядит, когда наш инженер разбирает внешнюю часть корпуса аккумулятора, например, Samsung Galaxy S9 или любого другого смартфона после извлечения из устройства.
Устройство аккумулятора телефона/смартфона:
(1) Соединительный элемент подключает аккумулятор к системной плате смартфона (в несъёмной конструкции) или к контактам на внешнем корпусе батареи (в съёмной конструкции).
(2) — Плата системы управления аккумулятором (Battery Management System, BMS). На неё устанавливается логика работы батареи и предохранитель.
→ Узнайте, как устроена BMS-плата и все подробности по её функциональной роли в телефоне.
(3) и (4) — Положительный и отрицательные выводы питания для работы в электрической цепи.
(5) и (7) — Электродные материалы размещаются на тонкой металлической основе, напоминающей фольгу. Она собирает электроны и передаёт их из батареи к устройству.
Электроды не способны хранить много энергии в ограниченной зоне.
Поэтому нужны длинные скрутки таких полос, чтобы аккумулятор смог обеспечить смартфон необходимой энергией. Их количество и размеры влияют на конечную ёмкость и габариты батареи. Кстати, мы уже рассказывали, по какому принципу производители выбирают и проектируют аккумулятор в процессе разработки очередного смартфона.
(6) и (8) — Сепаратор препятствует электрической проводимости между электродными материалами (катодом и анодом) в пределах тока, который должен проходить через сепаратор в процессе движения ионов от катода к аноду (во время заряда) и обратно (во время разряда).
С превышением температуры (выше 130°C) материал плавится и закрывает поры во избежания дальнейшей катализации химической реакции и взрыва аккумулятора.
В большинстве смартфонов сепаратор однослойный из полиэтиленового материала, пропитанного электролитом.
Хотя последнее время в применение вошли сепараторы трёхслойной «гамбургерной» конструкции для более надёжной работы аккумулятора в условиях повышенной нагрузки:
(9) — Корпус аккумулятора представляет собой термостойкий материал с достаточной прочностью, чтобы выдерживать небольшие физические воздействия (например, от стягивания внутренних комплектующих смартфона).
В съёмной конструкции размещается в ударостойкую оболочку с контактной площадкой.
Это нужно для удобного и, главное, безопасного хранения вне мобильного устройства (из-за чего превышает габариты несъёмного аккумулятора аналогичных технических характеристик). Может иметь разные виды материалов, выбор которых зависит от производителя.
Вы помогаете наполнять базу знаний Neovolt без ошибок и упущений. Пишите в комментарии предложения, свои взгляды и замечания — мы их читаем все без исключения. Или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.
Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.
Как устроен аккумулятор телефона и принцип работы
Узнать, из чего состоят аккумуляторы телефона можно, только разобрав его самостоятельно. И то, куча непонятных деталей для неспециалиста мало о чем скажет. Еще один нюанс – разбор батарейки опасная вещь, возможны даже взрывы. Проще – детально изучить устройство, основные элементы и принцип работы батареи из статьи.
Как устроен и работает аккумулятор телефона?
С виду батарея мобильной техники – небольшой блок и информацией о производителе на поверхности. Чтобы разобраться в особенностях этой детали, нужно детальнее осмотреть устройство аккумуляторов смартфонов.
Принципы и устройства аккумулятора
Батарея телефона, благодаря своим химическим и физическим свойствам является живительным элементом для процессора, дисплея и других частей.
Принцип, по которому работает аккумулятор:
Долгое время производители питательных элементов трудились над одной проблемой. Дело в том, что литий внутри аккумулятора – жидкий. Это плохо сказывалось на стабильности его химических свойств. Когда появлялись трещины на корпусе – жидкий состав просто вытекал. Несмотря на такие недостатки, жидкий вариант обладал низким сопротивлением, поэтому лучше выполнял функции, чем сухой.
Современные батарейки сочетают в себе качественную работу Li-Ion и сухих частиц. Принцип работы аккумуляторов телефона основан на тех же ионах лития, но в устройстве установлен сухой сепаратор. Риск возникновения химических реакций сведен к минимуму. Механизм устроенный так, что при правильной эксплуатации батарейки она не взорвется.
Что внутри батарейки?
Самые сложные элементы аккумуляторов мобильников находятся внутри корпуса. Можно изучить их конструкцию и основные функции. Кроме банки с ионами лития и сепаратора, конструкция оснащена контроллером.
Контроллер – это «мозги» батареи сотового, состоит из таких элементов:
Контроллер выполняет следующие функции:
Корпус для батареек и из чего он сделан
После ознакомления с тем, как устроен аккумулятор телефона, остается ознакомиться с корпусом этой детали.
Он состоит их двух слоев:
Производители аккумуляторов для техники используют металл с определенным показателем эластичности. Это делается для того, чтобы корпус выдержал деформации в случае вздутия батареи.
Примерный химический состав аккумуляторов телефона
Современные производители батареек для смартфонов применяют три класса катодных соединений:
Электрохимические цепочки батарей телефонов будут состоять из следующих элементов:
Чтобы понять, как работает и какие функции выполняет батарея смартфона – следует изучить его устройство. Тогда станет понятно, какой элемент за что отвечает, и какие материалы используются.
Схема контроллера литий-ионного аккумулятора
Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора
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.
Типовая схема включения микросхемы DW01-P
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 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— VODP), то контроллер выключает MOSFET-транзистор разряда FET1 – он подключен к выводу DO.
Далее микросхема управления DW01-P перейдёт в режим сна (Power Down) и потребляет ток всего 0,1 мкА. (при напряжении питания 2V).
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 (VODR).
Тут возникает весьма резонный вопрос.
Дело в том, что внутри полевых транзисторов есть так называемые паразитные диоды – они являются результатом технологического процесса изготовления MOSFET-транзисторов. Вот именно через такой паразитный (внутренний) диод транзистора FET1 и будет течь ток заряда, так как он будет включен в прямом направлении.
Чтобы восстановить литий-ионный/полимерный аккумулятор можно использовать специальные приборы, например, универсальное зарядное устройство Turnigy Accucell 6. О том, как это сделать, можно узнать здесь.
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.
MOSFET транзисторы
Полевой транзистор с изолированным затвором
Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.
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.
Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.
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.
Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором
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 (SiO2). 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 (SiO2). 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 
.
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.
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.
