最近，超級(jí)電容器一詞及其在電動(dòng)汽車(chē)、智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的可能用途正在被廣泛考慮，但超級(jí)電容器本身的想法可以追溯到1957年，當(dāng)時(shí)通用電氣首次試驗(yàn)了超級(jí)電容器，以增加其電容器的存儲(chǔ)容量。多年來(lái)，超級(jí)電容器技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，今天它被用作電池備用，太陽(yáng)能電池和其他需要短功率提升的應(yīng)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，許多人都有一個(gè)誤解，認(rèn)為超級(jí)電容器是電池的替代品，但至少以今天的技術(shù)，超級(jí)電容器只不過(guò)是具有高充電容量的電容器，您可以從我們之前的文章中了解更多關(guān)于超級(jí)電容器的信息。

在這篇文章中，我們將通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的充電器電路來(lái)學(xué)習(xí)如何安全地給超級(jí)電容器充電，然后用它來(lái)給超級(jí)電容器充電，以檢查它在保持能量方面有多好。與電池類(lèi)似，超級(jí)電容器也可以組合成電容器充電寶，電容器充電寶的充電方法不同，不在本文討論范圍之內(nèi)。這里將使用簡(jiǎn)單且常見(jiàn)的5.5V 1F硬幣超級(jí)電容器，看起來(lái)類(lèi)似于硬幣電池。我們將學(xué)習(xí)如何給硬幣型超級(jí)電容器充電并在合適的應(yīng)用中使用它。

給超級(jí)電容器充電

將超級(jí)電容器與電池模糊地比較，超級(jí)電容器的電荷密度低，自放電特性差，但在充電時(shí)間、保質(zhì)期和充電周期方面，超級(jí)電容器優(yōu)于電池?；诔潆婋娏鞯目捎眯裕?jí)電容器可以在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)充電，如果處理得當(dāng)，可以持續(xù)使用十年以上。

與電池相比，超級(jí)電容器具有非常低的ESR(等效串聯(lián)電阻)值，這允許更高的電流值流入或流出電容器，使其能夠更快地充電或以大電流放電。但由于超級(jí)電容器具有處理大電流的能力，因此必須安全充放電，以防止熱失控。當(dāng)涉及到給超級(jí)電容器充電時(shí)，有兩條黃金法則，電容器應(yīng)該以正確的極性充電，并且電壓不超過(guò)其總電壓容量的90%。

目前市場(chǎng)上的超級(jí)電容器通常額定電壓為2.5V， 2.7V或5.5V。就像鋰電池一樣，這些電容器必須以串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接起來(lái)，形成高壓電池組。與電池不同，串聯(lián)連接的電容器將相互求和其總額定電壓，因此有必要添加更多的電容器以形成體面價(jià)值的電池組。在我們的例子中，我們有一個(gè)5.5 v 1F電容器，所以充電電壓應(yīng)該是5.5的90%，接近4.95V。

存儲(chǔ)在超級(jí)電容中的能量

當(dāng)使用電容器作為能量存儲(chǔ)元件為我們的設(shè)備供電時(shí)，確定電容器中存儲(chǔ)的能量以預(yù)測(cè)設(shè)備可以供電多長(zhǎng)時(shí)間是很重要的。電容器存儲(chǔ)能量的計(jì)算公式為E=1/2CV2。所以在我們的例子中，對(duì)于一個(gè)5.5V 1F的電容器，當(dāng)充滿電時(shí)，儲(chǔ)存的能量將是

現(xiàn)在，使用這個(gè)值，我們可以計(jì)算電容器可以為事物供電多長(zhǎng)時(shí)間，例如，如果我們需要500mA， 5V，持續(xù)10秒。那么這個(gè)裝置所需的能量可以用公式能量=功率x時(shí)間來(lái)計(jì)算。這里的功率由P=VI計(jì)算，因此500mA和5V的功率為2.5瓦。

由此我們可以得出結(jié)論，我們將需要至少兩個(gè)這樣的電容器并聯(lián)(15+15=30)來(lái)獲得一個(gè)30焦耳的電源組，這將足以為我們的設(shè)備供電10秒。

識(shí)別超級(jí)電容的極性

當(dāng)涉及到電容器和電池時(shí)，我們應(yīng)該非常小心它的極性。在最壞的情況下，極性相反的電容器很可能會(huì)發(fā)熱和熔化，有時(shí)會(huì)破裂。我們擁有的電容器是硬幣型的，其極性用白色的小箭頭表示，如下所示。

我假設(shè)箭頭的方向表示電流的方向。你可以這樣想，電流總是從正極流向負(fù)極，因此箭頭從正極開(kāi)始，指向負(fù)極。一旦你知道極性，如果你想充電，你甚至可以使用RPS將其設(shè)置為5.5V(或4.95V的安全)，然后將RPS的正引線連接到正引腳和負(fù)引腳，你應(yīng)該看到電容器被充電。

根據(jù)RPS的電流額定值，您可以注意到電容器在幾秒鐘內(nèi)充電，一旦達(dá)到5.5V，它將停止再吸取電流。這種充滿電的電容器現(xiàn)在可以在自放電之前用于適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。

而不是使用RPS在本教程中，我們將建立一個(gè)充電器，調(diào)節(jié)5.5V形成一個(gè)12V適配器，并使用它來(lái)充電超級(jí)電容器。電容器的電壓將使用運(yùn)算放大器比較器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦電容器充電，電路將自動(dòng)斷開(kāi)超級(jí)電容器與電壓源的連接。聽(tīng)起來(lái)很有趣，我們開(kāi)始吧。

所需的材料

?12 v適配器

?LM317穩(wěn)壓IC

?LM311

?IRFZ44N

?BC557 PNP晶體管

?LED

?電阻器

?電容器

線路圖

這個(gè)超級(jí)電容器充電器電路的完整電路圖如下所示。電路是用Proteus軟件繪制的，其仿真將在后面展示。

電路由12V適配器供電;然后我們使用LM317調(diào)節(jié)5.5V給我們的電容器充電。但是這5.5V將通過(guò)一個(gè)MOSFET作為開(kāi)關(guān)提供給電容器。只有當(dāng)電容器的電壓低于4.86V時(shí)，這個(gè)開(kāi)關(guān)才會(huì)關(guān)閉，因?yàn)殡娙萜鞒潆姡妷涸黾?，開(kāi)關(guān)會(huì)打開(kāi)，防止電池進(jìn)一步充電。這種電壓比較是使用運(yùn)算放大器完成的，我們還使用BC557 PNP晶體管在充電過(guò)程完成時(shí)發(fā)光LED。下面將上面顯示的電路圖分成幾個(gè)部分進(jìn)行說(shuō)明。

LM317穩(wěn)壓：

根據(jù)公式Vout = 1.25 x (1+R2/R1)，電阻R1和R2用于決定LM317穩(wěn)壓器的輸出電壓。在這里，我們使用1k和3.3k的值來(lái)調(diào)節(jié)5.3V的輸出電壓，該電壓足夠接近5.5V。您可以使用我們的在線計(jì)算器計(jì)算所需的輸出電壓基于電阻器值與您可用。

運(yùn)放比較器:

我們使用LM311比較器集成電路將超級(jí)電容的電壓值與固定電壓進(jìn)行比較。該固定電壓通過(guò)分壓器電路提供給引腳2。電阻2.2k和1.5k從12V降電壓為4.86V。這個(gè)4.86伏與連接到引腳3的refvoltage(電容器的電壓)進(jìn)行比較。當(dāng)輸出電壓小于4.86V時(shí)，輸出引腳7將與上拉10k電阻一起高電平12V。這個(gè)電壓將被用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET。

MOSFET和BC557：

IRFZ44N MOSFET用于根據(jù)運(yùn)算放大器的信號(hào)將超級(jí)電容器連接到充電電壓。當(dāng)運(yùn)算放大器走高時(shí)，它在引腳7上輸出12V，該引腳通過(guò)其基腳打開(kāi)MOSFET，類(lèi)似地，當(dāng)運(yùn)算放大器走低(0V)時(shí)，MOSFET將打開(kāi)。我們還有一個(gè)PNP晶體管BC557，當(dāng)MOSFET關(guān)閉表明電容電壓超過(guò)4.8V時(shí)，它將打開(kāi)LED。

超級(jí)電容器充電電路的仿真

為了模擬電路，我用可變電阻替換了電池，為運(yùn)算放大器的引腳3提供可變電壓。超級(jí)電容更換為L(zhǎng)ED顯示是否上電。仿真結(jié)果如下所示。

正如您所看到的，使用電壓探頭時(shí)，當(dāng)反相引腳上的電壓低于非反相引腳時(shí)，運(yùn)算放大器在引腳7上以12V高電平打開(kāi)MOSFET，從而為電容器(黃色LED)充電。這個(gè)12V也觸發(fā)BC557晶體管關(guān)閉綠色LED。由于電容(電位器)的電壓增加，綠色LED將打開(kāi)，因?yàn)檫\(yùn)算放大器將輸出0V，如上所示。

硬件超級(jí)電容充電器

電路非常簡(jiǎn)單，可以在面包板上構(gòu)建，但我決定使用Perf板，以便我可以在將來(lái)每次嘗試充電我的超級(jí)電容器時(shí)重復(fù)使用電路。我還打算將它與太陽(yáng)能電池板一起用于便攜式項(xiàng)目，因此嘗試將其建造得盡可能小而剛性。我的完整電路一旦焊接在一個(gè)虛線板如下所示。

可以用鱷魚(yú)別針輕敲兩個(gè)雌性伯格棒來(lái)給電容器充電。黃色指示燈表示模塊的電源狀態(tài)，藍(lán)色指示燈表示模塊的充電狀態(tài)。一旦充電過(guò)程完成，LED將亮起，否則將保持關(guān)閉狀態(tài)。一旦電路準(zhǔn)備好，簡(jiǎn)單地連接電容器，你應(yīng)該看到藍(lán)色LED熄滅，一段時(shí)間后，它會(huì)再次走高，表明充電過(guò)程已經(jīng)完成。你可以看到在充電和充電狀態(tài)下的電路板。

完整的工作可以在本頁(yè)底部給出的視頻中找到，如果你有任何問(wèn)題，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論區(qū)發(fā)布它們或使用我們的論壇解決其他技術(shù)問(wèn)題。

改進(jìn)設(shè)計(jì)

這里給出的電路設(shè)計(jì)是粗糙的，并符合其目的;本文討論了構(gòu)建后我注意到的一些強(qiáng)制性改進(jìn)。BC557由于其基極和發(fā)射極之間的12V而變熱，因此應(yīng)使用高壓二極管代替BC557。

其次，當(dāng)電容充電時(shí)，電壓比較器測(cè)量電壓的變化，但是當(dāng)MOSFET在充電后關(guān)閉時(shí)，運(yùn)算放大器檢測(cè)到低電壓增益并再次打開(kāi)FET，這個(gè)過(guò)程在運(yùn)算放大器完全關(guān)閉之前重復(fù)幾次。運(yùn)算放大器輸出端的鎖存電路將解決這個(gè)問(wèn)題。

本文編譯自circuitdigest