超級(jí)電容器一詞及其在電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的可能用途近來(lái)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)通用電氣首次嘗試增加其存儲(chǔ)容量電容器。多年來(lái)，超級(jí)電容器技術(shù)得到了顯著改進(jìn)，如今它已被用作備用電池、太陽(yáng)能電池組和其他需要短功率升壓的應(yīng)用。

在本文中，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)如何安全地為此類超級(jí)電容器充電，然后用它為我們的超級(jí)電容器充電，以檢查它在保持能量方面的能力。與電池單元類似，超級(jí)電容也可以組合成電容移動(dòng)電源，但充電方式不同，不在本文討論范圍之內(nèi)。這里將使用簡(jiǎn)單且常用的5.5V 1F 紐扣超級(jí)電容器，看起來(lái)類似于紐扣電池。我們將學(xué)習(xí)如何為硬幣型超級(jí)電容器充電并在合適的應(yīng)用中使用它。

為超級(jí)電容器充電

將超級(jí)電容器與電池進(jìn)行模糊比較，超級(jí)電容器的充電密度較低，自放電特性較差，但在充電時(shí)間、保質(zhì)期和充電循環(huán)方面，超級(jí)電容器的性能優(yōu)于電池。根據(jù)充電電流的可用性，超級(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)，它可以持續(xù)十多年。

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，這允許更高值的電流流入或流出電容器，使其能夠更快地充電或以大電流放電。但由于這種處理大電流的能力，超級(jí)電容器應(yīng)該安全地充電和放電，以防止熱失控。給超級(jí)電容充電有兩條黃金法則，電容充電時(shí)極性要正確 ，電壓不超過(guò)其總電壓容量的90%。

當(dāng)今市場(chǎng)上的超級(jí)電容器的額定電壓通常為 2.5V、2.7V 或 5.5V。就像鋰電池一樣，這些電容器必須串聯(lián)和并聯(lián)組合才能形成高壓電池組。與電池不同，串聯(lián)連接的電容器將相互累加其總額定電壓，因此有必要添加更多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) 5.5V 1F 電容器，因此充電電壓應(yīng)該是 5.5 的 90%，即接近 4.95V。

儲(chǔ)存在超級(jí)電容器中的能量

當(dāng)使用電容器作為儲(chǔ)能元件為我們的設(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)間非常重要。計(jì)算存儲(chǔ)在電容器中的能量的公式可以由 E=1/2CV 2給出。因此，在我們的案例中，對(duì)于 5.5V 1F 電容器，當(dāng)完全充電時(shí)，存儲(chǔ)的能量將為

E = （1/2）* 1 * 5.5 2

E= 15 焦耳

現(xiàn)在，使用這個(gè)值，我們可以計(jì)算電容器可以為設(shè)備供電多長(zhǎng)時(shí)間，例如，如果我們需要 5V 下的 500mA 電流持續(xù) 10 秒。然后可以使用公式Energy = Power x time計(jì)算該設(shè)備所需的能量。此處功率由P=VI 計(jì)算，因此對(duì)于 500mA 和 5V 功率為 2.5 瓦。

能量 = 2.5 x （10/60*60）

能量 = 0.00694 瓦時(shí)或 25 焦耳

由此我們可以得出結(jié)論，我們需要至少兩個(gè)并聯(lián)這些電容器 （15+15=30） 才能獲得 30 焦耳的電源組，足以為我們的設(shè)備供電 10 秒。

識(shí)別超級(jí)電容器的極性

當(dāng)談到電容器和電池時(shí)，我們應(yīng)該非常小心其極性。極性相反的電容器很可能會(huì)發(fā)熱和熔化，有時(shí)在最壞的情況下會(huì)爆裂。我們手上的電容是硬幣型的，極性用白色小箭頭表示，如下圖。

我假設(shè)箭頭的方向表示電流的方向。你可以把它想象成，電流總是從正極流向負(fù)極，因此箭頭從正極開始指向負(fù)極。一旦你知道極性并且如果你想給它充電，你甚至可以使用 RPS 將其設(shè)置為 5.5V（或?yàn)榘踩鹨姙?4.95V），然后將 RPS 的正極引線連接到正極引腳，將負(fù)極引線連接到負(fù)極引腳，然后你應(yīng)該看到電容器正在充電。

根據(jù) RPS 的額定電流，您可以注意到電容器會(huì)在幾秒鐘內(nèi)充電，一旦達(dá)到 5.5V，它將停止吸收更多電流。這種完全充電的電容器現(xiàn)在可以在自放電之前用于合適的應(yīng)用。

我們將在本教程中不使用 RPS，而是構(gòu)建一個(gè)充電器，通過(guò) 12V 適配器調(diào)節(jié) 5.5V，并使用它為超級(jí)電容器充電。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)斷開超級(jí)電容器與電壓源的連接。聽起來(lái)很有趣，所以讓我們開始吧。

所需材料

12V 適配器

LM317穩(wěn)壓器IC

LM311

IRFZ44N

BC557 PNP晶體管

引領(lǐng)

電阻器

電容器

電路原理圖

下面給出了這個(gè)超級(jí)電容器充電器電路的完整電路圖。該電路是使用 Proteus 軟件繪制的，稍后將顯示相同的模擬。

電路由12V適配器供電；然后我們使用LM317 調(diào)節(jié) 5.5V為我們的電容器充電。但是這 5.5V 將通過(guò)充當(dāng)開關(guān)的MOSFET提供給電容器。只有當(dāng)電容器的電壓低于 4.86V 時(shí)，該開關(guān)才會(huì)關(guān)閉，因?yàn)殡娙萜鞒潆姴⑶译妷涸黾樱_關(guān)將打開并防止電池進(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)點(diǎn)亮 LED。上面顯示的電路圖在下面被分成幾個(gè)部分進(jìn)行說(shuō)明。

LM317 電壓調(diào)節(jié)：

電阻 R1 和 R2 用于根據(jù)公式 Vout = 1.25 x （1+R2/R1） 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)算器根據(jù)您提供的電阻值計(jì)算所需的輸出電壓。

運(yùn)算放大器比較器：

我們已經(jīng)使用LM311比較器IC將超級(jí)電容的電壓值與固定電壓進(jìn)行比較。使用分壓器電路將此固定電壓提供給引腳 2 。電阻器 2.2k 和 1.5k 從 12V 下降 4.86V 的電壓。這個(gè) 4.86 伏與連接到引腳 3 的參考電壓（電容器電壓）進(jìn)行比較。當(dāng)參考電壓小于 4.86V 時(shí)，輸出引腳 7 將通過(guò)上拉 10k 電阻達(dá)到 12V 的高電平。然后，該電壓將用于驅(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)算放大器變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，它在引腳 7 上輸出 12V，這會(huì)通過(guò)其基極引腳打開 MOSFET，類似地，當(dāng)運(yùn)算放大器變?yōu)榈碗娖?（0V） 時(shí)，MOSFET 將打開。我們還有一個(gè)PNP 晶體管 BC557，它會(huì)在 MOSFET 關(guān)閉時(shí)打開 LED，表明電容器電壓超過(guò) 4.8V。

超級(jí)電容充電器電路仿真

為了模擬電路，我用可變電阻器替換了電池，為運(yùn)算放大器的引腳 3 提供可變電壓。超級(jí)電容器被替換為 LED 以顯示它是否通電。仿真結(jié)果可以在下面找到。

正如您在使用電壓探頭時(shí)看到的那樣，當(dāng)反相引腳上的電壓低于非反相引腳時(shí)，運(yùn)算放大器會(huì)在引腳 7 上升高 12V，從而打開 MOSFET，從而為電容器（黃色 LED）充電。這個(gè) 12V 還觸發(fā) BC557 晶體管關(guān)閉綠色 LED。隨著電容器（電位器）的電壓增加，綠色 LED 將打開，因?yàn)檫\(yùn)算放大器將輸出 0V，如上圖所示。

硬件上的超級(jí)電容器充電器

該電路非常簡(jiǎn)單，可以在面包板上構(gòu)建，但我決定使用 Perf 板，以便將來(lái)每次嘗試為超級(jí)電容器充電時(shí)都可以重復(fù)使用該電路。我還打算將它與太陽(yáng)能電池板一起用于便攜式項(xiàng)目，因此嘗試將其構(gòu)建得盡可能小且堅(jiān)固。我在虛線板上焊接后的完整電路如下所示。

可以使用鱷魚針輕敲兩根母貝格棒為電容器充電。黃色 LED 指示模塊的電源，藍(lán)色 LED 指示充電狀態(tài)。充電過(guò)程完成后，LED 將亮起，否則將保持關(guān)閉狀態(tài)。電路準(zhǔn)備好后，只需連接電容器，您應(yīng)該會(huì)看到藍(lán)色 LED 熄滅，一段時(shí)間后它會(huì)再次變高，表示充電過(guò)程已完成。您可以在下面看到處于充電和充電狀態(tài)的板。

完整的工作可以在本頁(yè)底部的視頻中找到，如果您有任何問(wèn)題可以在評(píng)論部分發(fā)布它們或使用我們的論壇解決其他技術(shù)問(wèn)題。

設(shè)計(jì)改進(jìn)

這里給出的電路設(shè)計(jì)很粗略，可以達(dá)到它的目的；這里討論了構(gòu)建后我注意到的一些強(qiáng)制性改進(jìn)。BC557 變熱是因?yàn)槠浠鶚O和發(fā)射極之間的電壓為 12V，因此應(yīng)使用高壓二極管代替 BC557。

其次，當(dāng)電容器充電時(shí)，電壓比較器會(huì)測(cè)量電壓的變化，但是當(dāng) MOSFET 在充電后關(guān)閉時(shí)，運(yùn)算放大器會(huì)感應(yīng)到低電壓增益并再次打開 FET，這個(gè)過(guò)程會(huì)重復(fù)幾次，然后運(yùn)算放大器就會(huì)完全關(guān)閉。運(yùn)算放大器輸出上的鎖存電路將解決這個(gè)問(wèn)題。