如何制作超级电容器充电电路

术语超级电容器及其在电动汽车、智能手机和物联网设备近年来，人们正在广泛考虑超级电容器，但超级电容器本身的想法可以追溯到1957年，当时通用电气首次尝试增加其电容器的存储容量。多年来，超级电容器技术有了很大的进步，如今它被用作电池备份、太阳能电池组和其他需要短功率提升的应用。从长远来看，许多人都有一种误解，认为超级电容器是电池的替代品，但至少在当今的技术下，超级电容器只不过是具有高充电容量的电容器，你可以了解更多超级电容器来自我们之前的文章。

在这篇文章中，我们将学习如何通过设计一个简单的充电电路对此类超级电容器进行安全充电然后用它给我们的超级电容器充电，检查它在保持能量方面有多好。与电池类似，超级电容器也可以组合形成电容器充电宝，对电容器充电的方法不同，不在本文的范围内。这里将使用简单且常用的5.5V 1F硬币超级电容器看起来像一个硬币细胞。我们将学习如何给硬币型超级电容器充电并在适当的应用中使用.

 

为超级电容器充电

将超级电容器与电池模糊地进行比较，超级电容器具有较低的电荷密度和较差的自放电特性但就充电时间、保质期和充电周期而言，超级电容器的性能优于电池。基于充电电流可用性超级电容器可以在不到一分钟的时间内充电如果处理得当，它可以持续十多年。

与…相比蓄电池超级电容器具有非常低的ESR（等效串联电阻）值，这允许更高值的电流流入或流出电容器。但由于这种处理高电流的能力，超级电容器应该安全地充电和放电，以防止热失控。当谈到给超级电容器充电时，有两条黄金法则，电容器应该充电正确的极性且电压不超过其总电压的90%容量

市场上的超级电容器今天的额定电压通常为2.5V、2.7V或5.5V。就像锂电池一样电容器必须串联和并联以形成高电压电池组。与电池不同的是，串联连接的电容器将其总额定电压的倒数相加，因此有必要添加更多的电容器来形成具有适当价值的电池组。在我们的案例中，我们有一个5.5V 1F电容器，所以充电电压应该是5.5的90%，接近4.95V。

 

超级电容器中储存的能量

当使用电容器作为能量存储元件为我们的设备供电时，确定电容器中存储的能量以预测设备可以供电多长时间是很重要的。用于计算存储在电容器中的能量可以由E=1/2CV给出^2..因此，在我们的5.5V 1F电容器的情况下，当充满电时，存储的能量将

E=（1/2）*1*5.52.
E=15焦耳

 

现在，使用这个值我们可以计算电容器能给东西供电多长时间，比如说，如果我们需要500毫安的5V电压持续10秒。然后可以使用公式计算该设备所需的能量能量=功率x时间。此处功率计算公式为P＝VI，因此对于500mA和5V的功率是2.5瓦。

能量=2.5 x（10/60*60）能量=0.00694瓦时或25焦耳

 

由此我们可以得出结论我们将需要至少两个并联的电容器（15+15=30）来获得30焦耳的功率组这将足以为我们的设备供电10秒。

 

识别超级电容器的极性

当涉及到电容器和电池时，我们应该非常小心其极性。极性相反的电容器很可能会加热和熔化，在最坏的情况下有时会爆裂。我们拥有的电容器是硬币型的，其极性用白色小箭头表示，如下所示。

 

我认为箭头的方向表示电流的方向你可以这样想，电流总是从正极流向负极，因此箭头从正极开始指向负极。一旦你知道了极性，如果你想给它充电，你甚至可以使用RPS将其设置为5.5V（或4.95V），然后将RPS的正极引线连接到正极引脚，将负极引线连接到负极引脚，你应该会看到电容器正在充电。

根据RPS的额定电流，您可以注意到电容器在几秒钟内充电，一旦达到5.5V，它将停止汲取更多电流。这种充满电的电容器在自我放电之前，现在可以在适当的应用中使用。

而不是在本教程中使用RPS我们将制作一个充电器，通过12V适配器调节5.5V电压，并用它为超级电容器充电将使用运算放大器比较器监测电容器的电压，并且一旦电容器被充电，电路将自动断开超级电容器与电压源的连接。听起来很有趣，让我们开始吧。

 

所需材料

• 12V适配器
• LM317电压调节器IC
• LM311型
• IRFZ44N型
• BC557 PNP晶体管
• 发光二极管
• 电阻器
• 电容器

 

电路图

 

电路由一个12V适配器供电；然后我们使用LM317调节5.5V给我们的电容器充电。但这5.5V将通过MOSFET晶体管充当开关。只有当电容器的电压低于4.86V时，该开关才会闭合。随着电容器充电和电压升高，该开关将断开，防止电池进一步充电。此电压比较使用运算放大器我们还使用BC557PNP晶体管以在充电过程完成时使LED发光。上面所示的电路图在下面被分成几段进行解释。

 

LM317电压调节：

 

电阻器R1和R2用于基于公式Vout＝1.25x（1+R2/R1）来决定LM317稳压器的输出电压。在这里，我们使用了1k和3.3k的值来调节5.3V的输出电压，该电压足够接近5.5V。您可以使用我们的在线计算器以根据您可用的电阻器值计算所需的输出电压。

 

运算放大器比较器：

 

我们使用LM311比较器IC将超级电容器的电压值与固定电压进行比较。该固定电压使用分压器环行电阻器2.2k和1.5k将4.86V的电压降为12V。将此4.86伏电压与连接到引脚3的参考电压（电容器的电压）进行比较。当参考电压小于4.86V时，输出引脚7将通过上拉10k电阻器以12V变高。然后，该电压将用于驱动MOSFET。

 

MOSFET和BC557：

 

这个IRFZ44N MOSFET用于将超级电容器连接到基于来自运算放大器的信号的充电电压。当运算放大器变高时，它在引脚7上输出12V，引脚7通过其基极引脚导通MOSFET，类似地，当运算放大器变成低电平（0V）时，MOSFET将断开。我们还有一个PNP晶体管BC557其将在MOSFET关断时接通LED，指示电容器电压大于4.8V。

 

超级电容器充电电路的仿真

为了模拟电路，我用可变电阻器代替了电池，为运算放大器的引脚3提供可变电压。超级电容器被替换为LED，以显示它是否通电。模拟结果如下所示。

 

正如您在使用电压探针时所看到的，当反相引脚上的电压低于非反相引脚时，运算放大器在引脚7上的12V电压变高，从而导通MOSFET，从而为电容器充电（黄色LED）。这个12V电压也会触发BC557晶体管关闭绿色LED。随着电容器（电位计）的电压增加，绿色LED将点亮，因为运算放大器将输出0V，如上所示。

 

硬件上的超级电容器充电器

这个电路非常简单，可以在试验板上构建，但我决定使用Perf板，这样我将来可以在每次尝试给我的超级电容器充电时重复使用这个电路。我还打算将其与太阳能电池板一起用于便携式项目，因此尝试将其建造得尽可能小和坚固。我的焊接在虚线板上后的完整电路如下所示.

 

可以使用鳄鱼皮针对两个母冰山棒进行敲击，为电容器充电。黄色LED指示模块和蓝色LED指示充电状态。一旦充电过程完成，LED将点亮，否则将保持关闭状态。一旦电路准备就绪，只需连接电容器，您应该会看到蓝色LED熄灭，过一段时间后，它将再次变高，以指示充电过程完成。您可以在下面看到处于充电和充电状态的主板。

 

 

完整的可以在给定的视频中找到工作在这个页面的底部，如果你有任何问题，可以在评论区发布，或者使用我们的论坛来解决其他技术问题。

 

设计改进

这里给出的电路设计是粗略的，并且符合其目的；在构建之后，我注意到的一些强制性改进在这里进行了讨论。BC557由于其基极和发射极之间的12V电压而变热，因此应使用高压二极管来代替BC557。

其次，当电容器充电时，电压比较器测量电压的变化，但当MOSFET在充电后关闭时，运算放大器检测到低电压增益并再次打开FET，在运算放大器完全关闭之前，这个过程重复几次。运算放大器输出上的锁存电路将解决这个问题。