电容特性影响能量收集效率

为能量收集，电容的选择需要慎重考虑超越了简单的电容值的特点。在这些特性，漏电流仍然是一个主要问题。然而，今天，设计师可以找到选择，从低漏电电解电容，以高性能的超级电容器从制造商，包括AVX，KEMET，麦克斯韦技术，村田，NessCap，精工电子，太阳诱电，和联合国贵弥功，等等。电容经常出现在许多设计情况的事后，加入到电路清理信号和电源。在信号采集，电容器起到滤除带外源和在取样和保持阶段用于模拟/数字转换器更重要的作用。在能量收集应用程序，然而，电容器，用于累积的电荷从低能量的环境来源，迅速和有效地释放所存储的电荷成一个负载提供的一个关键组成部分。在这些应用中，电容器特性和组件的选择上升为重要因素的设计。在他们中的电路设计的传统角色，电容器被认为是恒定电容分量进行滤波，解耦，和其它任何熟悉用途这些设备。对于这些目的，一个理想的电容器的特性和那些真正的电容之间的差异通常不会大大影响他们充分填补他们的作用的能力。用于能量采集应用程序，然而，从理想电容器出发显著影响的设计作为一个整体的效率。之间的共同作用(图1)，等效串联电阻(ESR)和漏电流占主导地位的，可能降低效率非理想特性的阵列。高ESR引起电容消耗功率，特别是当受到高交流电流。这样，在一个能量收集子系统使用低ESR的电容器导致总体更高的效率。漏电流施加在采用极低能量的环境来源的设计更深远的影响 - 并上升作为在能量采集设计应用更熟悉类型的电容器的能力的显著限制。

图1：在能量采集应用，等效串联电阻(ESR)和并联电阻(RL)结果在其侵蚀整体效率的功率损耗。(Analog Devices公司提供)对于任何电容器，漏电流的量取决于多种因素，并随着时间的推移，电压和温度(图2)的变化。的那一刻起就被完全充电，电容器表现出相对较大的电流流动开始，直到它最终达到一个较低的恒定值。作为达到这一恒定电平所需的时间。结果，工业实践通常依赖于测量只有几分钟后拍摄的漏电流。因为在量化的电容器的非理想行为的困难，一些制造商将结合成一个单一的值漏电流，ESR和ESL的称为耗散因子，其被定义为能量比每个周期消散到能量每个周期存储 - 实际上，电容器的低效率的量度。

图2：在电容器漏电流的大小取决于多种因素，包括时间(A)，电压(B)和温度(℃)。漏电流(威世提供)还与工作电压(UB图2B)增加;作为施加电压超过额定电压(UR在图2B)，并传递电容器阳极的浪涌电压美国和最终预成形电压(UF在图2B)显著上升。在上面的浪涌电压电平，物理和化学反应可以发生在电容器。其结果是，电容器一般不以额定电压以上的水平操作。最后，泄漏电流可以随环境温度的升高增加由于温度对电容器的物理和化学反应的影响。漏电流特性电容所有类型的，但有些类型的传统表现出更大的漏电流比其他人。例如，电解电容的设计保持的主力，但其泄漏特性一直为在有限的功率预算设计中使用的关注。提供高电容值，并处理高电压和电流的能力，电解电容填充的作用，从作为传统的设计工作在功率调节阶段，太阳能逆变器使用一个基本脱钩或过滤组件。在过去，电解电容器表现出显著漏电流在很大程度上妨碍了它们在能量收集使用从弱能源。然而，今天的进步在材料科学和制造已使制造商能够提供表现出显著降低漏电流钽二氧化锰电容线。例如，在AVX TRJ线或在低几十纳安的Kemet的T491线要素的泄漏电流的电容器。而更高级的钽电解电容器能满足在能量收集设计效率的要求，其他电容器技术，如薄膜电容器和陶瓷电容器提供的小封装尺寸和性能效率(图3)的组合。伴随着较低的ESR，这些设备通常拥有更长的使用寿命评级和低漏电流比同类电解电容。例如，AVX 1206YD226MAT2A陶瓷电容器展品泄漏低于10 nA的(在3.5 V)和ESR的约800毫欧(100赫兹)的电流。陶瓷电容器还具有非常严格的公差;例如，村田GRM陶瓷电容器系列包括部件，如GRM0335C1ER10WA01D该功能的±0.05 pF的耐受性。

图3：电容器的阻抗Z和等效串联电阻(ESR)可以显着变化，在频率和电容器类型。(村田制作所提供)对于许多能量收集应用程序，双电层电容器(EDLC)，或超级电容器，已成为首选的解决方案，提供高容量，效率和小尺寸封装，传统电容技术是组合很少能够匹配。超级家庭如麦克斯韦技术K2，美贵弥功DLCAP，并低于1毫欧NessCap ULTRACAP报价与ESR电容值60毫米×72毫米和更大的包从650 F。与此同时，设计者寻找一个较小的设计尺寸可以发现超级电容器，提供显著电容值在非常小的封装。例如，精工电子CPH3225A和太阳诱电的PAS系列具有11 mF与320毫米×2.5毫米包14μF的组成部分。虽然超级电容器提供优越的能量密度，其特性曲线可以是复杂得多。超级电容器结合几个电容器，其可以各向相对显著总漏电流为特定的装置(图4)。其结果是，设计人员可以找到他们需要接受程度的能量损失，由于泄漏电流来获得格外高密度能量存储容量可用这些组件。

图4：超级电容器由多个电容器(A)中，每个有助于整体的漏电流(B)的建立。(村田制作所提供)综上所述，不同于传统的应用，从设计低能耗的环境资源要求自己工作期间耗电量小的组件，收集能量。虽然设计者可能已经被取消资格，因为它们具有相对高的漏电流，在过去的电解电容器，今天制造商提供与良好匹配的许多能量收集应用特性的电解电容器。而替代的技术，如薄膜电容器和陶瓷电容器提供改善的特性，尺寸紧凑和高电容，超级电容器提供高能量密度更高的泄漏和ESR的成本。