如何制作超级电容充电电路

时间：2024-12-11 20:29:44

关键字：超级电容器电动汽车智能手机物联网 LM311

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[导读]最近，超级电容器一词及其在电动汽车、智能手机和物联网设备中的可能用途正在被广泛考虑，但超级电容器本身的想法可以追溯到1957年，当时通用电气首次试验了超级电容器，以增加其电容器的存储容量。多年来，超级电容器技术已经有了很大的进步，今天它被用作电池备用，太阳能电池和其他需要短功率提升的应用。从长远来看，许多人都有一个误解，认为超级电容器是电池的替代品，但至少以今天的技术，超级电容器只不过是具有高充电容量的电容器，您可以从我们之前的文章中了解更多关于超级电容器的信息。

最近，超级电容器一词及其在电动汽车、智能手机和物联网设备中的可能用途正在被广泛考虑，但超级电容器本身的想法可以追溯到1957年，当时通用电气首次试验了超级电容器，以增加其电容器的存储容量。多年来，超级电容器技术已经有了很大的进步，今天它被用作电池备用，太阳能电池和其他需要短功率提升的应用。从长远来看，许多人都有一个误解，认为超级电容器是电池的替代品，但至少以今天的技术，超级电容器只不过是具有高充电容量的电容器，您可以从我们之前的文章中了解更多关于超级电容器的信息。

在这篇文章中，我们将通过设计一个简单的充电器电路来学习如何安全地给超级电容器充电，然后用它来给超级电容器充电，以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成电容器充电宝，电容器充电宝的充电方法不同，不在本文讨论范围之内。这里将使用简单且常见的5.5V 1F硬币超级电容器，看起来类似于硬币电池。我们将学习如何给硬币型超级电容器充电并在合适的应用中使用它。

给超级电容器充电

将超级电容器与电池模糊地比较，超级电容器的电荷密度低，自放电特性差，但在充电时间、保质期和充电周期方面，超级电容器优于电池。基于充电电流的可用性，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，可以持续使用十年以上。

与电池相比，超级电容器具有非常低的ESR(等效串联电阻)值，这允许更高的电流值流入或流出电容器，使其能够更快地充电或以大电流放电。但由于超级电容器具有处理大电流的能力，因此必须安全充放电，以防止热失控。当涉及到给超级电容器充电时，有两条黄金法则，电容器应该以正确的极性充电，并且电压不超过其总电压容量的90%。

目前市场上的超级电容器通常额定电压为2.5V， 2.7V或5.5V。就像锂电池一样，这些电容器必须以串联和并联的方式连接起来，形成高压电池组。与电池不同，串联连接的电容器将相互求和其总额定电压，因此有必要添加更多的电容器以形成体面价值的电池组。在我们的例子中，我们有一个5.5 v 1F电容器，所以充电电压应该是5.5的90%，接近4.95V。

存储在超级电容中的能量

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。电容器存储能量的计算公式为E=1/2CV2。所以在我们的例子中，对于一个5.5V 1F的电容器，当充满电时，储存的能量将是

现在，使用这个值，我们可以计算电容器可以为事物供电多长时间，例如，如果我们需要500mA， 5V，持续10秒。那么这个装置所需的能量可以用公式能量=功率x时间来计算。这里的功率由P=VI计算，因此500mA和5V的功率为2.5瓦。

由此我们可以得出结论，我们将需要至少两个这样的电容器并联(15+15=30)来获得一个30焦耳的电源组，这将足以为我们的设备供电10秒。

识别超级电容的极性

当涉及到电容器和电池时，我们应该非常小心它的极性。在最坏的情况下，极性相反的电容器很可能会发热和熔化，有时会破裂。我们拥有的电容器是硬币型的，其极性用白色的小箭头表示，如下所示。

我假设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。一旦你知道极性，如果你想充电，你甚至可以使用RPS将其设置为5.5V(或4.95V的安全)，然后将RPS的正引线连接到正引脚和负引脚，你应该看到电容器被充电。

根据RPS的电流额定值，您可以注意到电容器在几秒钟内充电，一旦达到5.5V，它将停止再吸取电流。这种充满电的电容器现在可以在自放电之前用于适当的应用。

而不是使用RPS在本教程中，我们将建立一个充电器，调节5.5V形成一个12V适配器，并使用它来充电超级电容器。电容器的电压将使用运算放大器比较器进行监测，一旦电容器充电，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，我们开始吧。

所需的材料

•12 v适配器

•LM317稳压IC

•LM311

•IRFZ44N

•BC557 PNP晶体管

•LED

•电阻器

•电容器

线路图

这个超级电容器充电器电路的完整电路图如下所示。电路是用Proteus软件绘制的，其仿真将在后面展示。

电路由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。但是这5.5V将通过一个MOSFET作为开关提供给电容器。只有当电容器的电压低于4.86V时，这个开关才会关闭，因为电容器充电，电压增加，开关会打开，防止电池进一步充电。这种电压比较是使用运算放大器完成的，我们还使用BC557 PNP晶体管在充电过程完成时发光LED。下面将上面显示的电路图分成几个部分进行说明。

LM317稳压：

根据公式Vout = 1.25 x (1+R2/R1)，电阻R1和R2用于决定LM317稳压器的输出电压。在这里，我们使用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计算所需的输出电压基于电阻器值与您可用。

运放比较器:

我们使用LM311比较器集成电路将超级电容的电压值与固定电压进行比较。该固定电压通过分压器电路提供给引脚2。电阻2.2k和1.5k从12V降电压为4.86V。这个4.86伏与连接到引脚3的refvoltage(电容器的电压)进行比较。当输出电压小于4.86V时，输出引脚7将与上拉10k电阻一起高电平12V。这个电压将被用来驱动MOSFET。

MOSFET和BC557：

IRFZ44N MOSFET用于根据运算放大器的信号将超级电容器连接到充电电压。当运算放大器走高时，它在引脚7上输出12V，该引脚通过其基脚打开MOSFET，类似地，当运算放大器走低(0V)时，MOSFET将打开。我们还有一个PNP晶体管BC557，当MOSFET关闭表明电容电压超过4.8V时，它将打开LED。

超级电容器充电电路的仿真

为了模拟电路，我用可变电阻替换了电池，为运算放大器的引脚3提供可变电压。超级电容更换为LED显示是否上电。仿真结果如下所示。

正如您所看到的，使用电压探头时，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上以12V高电平打开MOSFET，从而为电容器(黄色LED)充电。这个12V也触发BC557晶体管关闭绿色LED。由于电容(电位器)的电压增加，绿色LED将打开，因为运算放大器将输出0V，如上所示。

硬件超级电容充电器

电路非常简单，可以在面包板上构建，但我决定使用Perf板，以便我可以在将来每次尝试充电我的超级电容器时重复使用电路。我还打算将它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而刚性。我的完整电路一旦焊接在一个虚线板如下所示。

可以用鳄鱼别针轻敲两个雌性伯格棒来给电容器充电。黄色指示灯表示模块的电源状态，蓝色指示灯表示模块的充电状态。一旦充电过程完成，LED将亮起，否则将保持关闭状态。一旦电路准备好，简单地连接电容器，你应该看到蓝色LED熄灭，一段时间后，它会再次走高，表明充电过程已经完成。你可以看到在充电和充电状态下的电路板。