如何制作超級電容充電電路

最近，超級電容器一詞及其在電動汽車、智能手機和物聯(lián)網(wǎng)設備中的可能用途正在被廣泛考慮，但超級電容器本身的想法可以追溯到1957年，當時通用電氣首次試驗了超級電容器，以增加其電容器的存儲容量。多年來，超級電容器技術已經(jīng)有了很大的進步，今天它被用作電池備用，太陽能電池和其他需要短功率提升的應用。從長遠來看，許多人都有一個誤解，認為超級電容器是電池的替代品，但至少以今天的技術，超級電容器只不過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于超級電容器的信息。

在這篇文章中，我們將通過設計一個簡單的充電器電路來學習如何安全地給超級電容器充電，然后用它來給超級電容器充電，以檢查它在保持能量方面有多好。與電池類似，超級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)。這里將使用簡單且常見的5.5V 1F硬幣超級電容器，看起來類似于硬幣電池。我們將學習如何給硬幣型超級電容器充電并在合適的應用中使用它。

給超級電容器充電

將超級電容器與電池模糊地比較，超級電容器的電荷密度低，自放電特性差，但在充電時間、保質期和充電周期方面，超級電容器優(yōu)于電池?；诔潆婋娏鞯目捎眯裕夒娙萜骺梢栽诓坏揭环昼姷臅r間內(nèi)充電，如果處理得當，可以持續(xù)使用十年以上。

與電池相比，超級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。當涉及到給超級電容器充電時，有兩條黃金法則，電容器應該以正確的極性充電，并且電壓不超過其總電壓容量的90%。

目前市場上的超級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，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值的電池組。在我們的例子中，我們有一個5.5 v 1F電容器，所以充電電壓應該是5.5的90%，接近4.95V。

存儲在超級電容中的能量

當使用電容器作為能量存儲元件為我們的設備供電時，確定電容器中存儲的能量以預測設備可以供電多長時間是很重要的。電容器存儲能量的計算公式為E=1/2CV2。所以在我們的例子中，對于一個5.5V 1F的電容器，當充滿電時，儲存的能量將是

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

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

識別超級電容的極性

當涉及到電容器和電池時，我們應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發(fā)熱和熔化，有時會破裂。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極，因此箭頭從正極開始，指向負極。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引腳，你應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?shù)膽谩?

而不是使用RPS在本教程中，我們將建立一個充電器，調節(jié)5.5V形成一個12V適配器，并使用它來充電超級電容器。電容器的電壓將使用運算放大器比較器進行監(jiān)測，一旦電容器充電，電路將自動斷開超級電容器與電壓源的連接。聽起來很有趣，我們開始吧。

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

這個超級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調節(jié)5.5V給我們的電容器充電。但是這5.5V將通過一個MOSFET作為開關提供給電容器。只有當電容器的電壓低于4.86V時，這個開關才會關閉，因為電容器充電，電壓增加，開關會打開，防止電池進一步充電。這種電壓比較是使用運算放大器完成的，我們還使用BC557 PNP晶體管在充電過程完成時發(fā)光LED。下面將上面顯示的電路圖分成幾個部分進行說明。

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的值來調節(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算器計算所需的輸出電壓基于電阻器值與您可用。

運放比較器:

我們使用LM311比較器集成電路將超級電容的電壓值與固定電壓進行比較。該固定電壓通過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4.86伏與連接到引腳3的refvoltage(電容器的電壓)進行比較。當輸出電壓小于4.86V時，輸出引腳7將與上拉10k電阻一起高電平12V。這個電壓將被用來驅動MOSFET。

MOSFET和BC557：

IRFZ44N MOSFET用于根據(jù)運算放大器的信號將超級電容器連接到充電電壓。當運算放大器走高時，它在引腳7上輸出12V，該引腳通過其基腳打開MOSFET，類似地，當運算放大器走低(0V)時，MOSFET將打開。我們還有一個PNP晶體管BC557，當MOSFET關閉表明電容電壓超過4.8V時，它將打開LED。

超級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，為運算放大器的引腳3提供可變電壓。超級電容更換為LED顯示是否上電。仿真結果如下所示。

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

硬件超級電容充電器

電路非常簡單，可以在面包板上構建，但我決定使用Perf板，以便我可以在將來每次嘗試充電我的超級電容器時重復使用電路。我還打算將它與太陽能電池板一起用于便攜式項目，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虛線板如下所示。

可以用鱷魚別針輕敲兩個雌性伯格棒來給電容器充電。黃色指示燈表示模塊的電源狀態(tài)，藍色指示燈表示模塊的充電狀態(tài)。一旦充電過程完成，LED將亮起，否則將保持關閉狀態(tài)。一旦電路準備好，簡單地連接電容器，你應該看到藍色LED熄滅，一段時間后，它會再次走高，表明充電過程已經(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底部給出的視頻中找到，如果你有任何問題，請在評論區(qū)發(fā)布它們或使用我們的論壇解決其他技術問題。

改進設計

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

其次，當電容充電時，電壓比較器測量電壓的變化，但是當MOSFET在充電后關閉時，運算放大器檢測到低電壓增益并再次打開FET，這個過程在運算放大器完全關閉之前重復幾次。運算放大器輸出端的鎖存電路將解決這個問題。

本文編譯自circuitdigest