設計一個簡單的超級電容器充電器電路

超級電容器一詞及其在電動汽車、智能手機和物聯網設備中的可能用途近來被廣泛考慮，但超級電容器本身的想法可以追溯到 1957 年，當時通用電氣首次嘗試增加其存儲容量電容器。多年來，超級電容器技術得到了顯著改進，如今它已被用作備用電池、太陽能電池組和其他需要短功率升壓的應用。

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

為超級電容器充電

將超級電容器與電池進行模糊比較，超級電容器的充電密度較低，自放電特性較差，但在充電時間、保質期和充電循環方面，超級電容器的性能優于電池。根據充電電流的可用性，超級電容器可以在不到一分鐘的時間內充電，如果處理得當，它可以持續十多年。

與電池相比，超級電容器具有非常低的 ESR（等效串聯電阻）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，超級電容器應該安全地充電和放電，以防止熱失控。給超級電容充電有兩條黃金法則，電容充電時極性要正確，電壓不超過其總電壓容量的90%。

當今市場上的超級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和并聯組合才能形成高壓電池組。與電池不同，串聯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值的電池組。在我們的例子中，我們有一個 5.5V 1F 電容器，因此充電電壓應該是 5.5 的 90%，即接近 4.95V。

儲存在超級電容器中的能量

當使用電容器作為儲能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非常重要。計算存儲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，對于 5.5V 1F 電容器，當完全充電時，存儲的能量將為

E = （1/2）* 1 * 5.5 2

E= 15 焦耳

現在，使用這個值，我們可以計算電容器可以為設備供電多長時間，例如，如果我們需要 5V 下的 500mA 電流持續 10 秒。然后可以使用公式Energy = Power x time計算該設備所需的能量。此處功率由P=VI 計算，因此對于 500mA 和 5V 功率為 2.5 瓦。

能量 = 2.5 x （10/60*60）

能量 = 0.00694 瓦時或 25 焦耳

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

識別超級電容器的極性

當談到電容器和電池時，我們應該非常小心其極性。極性相反的電容器很可能會發熱和熔化，有時在最壞的情況下會爆裂。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極，因此箭頭從正極開始指向負極。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 將其設置為 5.5V（或為安全起見為 4.95V），然后將 RPS 的正極引線連接到正極引腳，將負極引線連接到負極引腳，然后你應該看到電容器正在充電。

根據 RPS 的額定電流，您可以注意到電容器會在幾秒鐘內充電，一旦達到 5.5V，它將停止吸收更多電流。這種完全充電的電容器現在可以在自放電之前用于合適的應用。

我們將在本教程中不使用 RPS，而是構建一個充電器，通過 12V 適配器調節 5.5V，并使用它為超級電容器充電。電容器的電壓將使用運算放大器比較器進行監測，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，所以讓我們開始吧。

所需材料

12V 適配器

LM317穩壓器IC

LM311

IRFZ44N

BC557 PNP晶體管

引領

電阻器

電容器

電路原理圖

下面給出了這個超級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 調節 5.5V為我們的電容器充電。但是這 5.5V 將通過充當開關的MOSFET提供給電容器。只有當電容器的電壓低于 4.86V 時，該開關才會關閉，因為電容器充電并且電壓增加，開關將打開并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點亮 LED。上面顯示的電路圖在下面被分成幾個部分進行說明。

LM317 電壓調節：

電阻 R1 和 R2 用于根據公式 Vout = 1.25 x （1+R2/R1）決定 LM317 穩壓器的輸出電壓。在這里，我們使用 1k 和 3.3k 的值來調節 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根據您提供的電阻值計算所需的輸出電壓。

運算放大器比較器：

我們已經使用LM311比較器IC將超級電容的電壓值與固定電壓進行比較。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 4.86 伏與連接到引腳 3 的參考電壓（電容器電壓）進行比較。當參考電壓小于 4.86V 時，輸出引腳 7 將通過上拉 10k 電阻達到 12V 的高電平。然后，該電壓將用于驅動 MOSFET。

MOSFET 和 BC557：

IRFZ44N MOSFET用于根據運算放大器的信號將超級電容器連接到充電電壓。當運算放大器變為高電平時，它在引腳 7 上輸出 12V，這會通過其基極引腳打開 MOSFET，類似地，當運算放大器變為低電平（0V）時，MOSFET 將打開。我們還有一個PNP 晶體管 BC557，它會在 MOSFET 關閉時打開 LED，表明電容器電壓超過 4.8V。

超級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，為運算放大器的引腳 3 提供可變電壓。超級電容器被替換為 LED 以顯示它是否通電。仿真結果可以在下面找到。

正如您在使用電壓探頭時看到的那樣，當反相引腳上的電壓低于非反相引腳時，運算放大器會在引腳 7 上升高 12V，從而打開 MOSFET，從而為電容器（黃色 LED）充電。這個 12V 還觸發 BC557 晶體管關閉綠色 LED。隨著電容器（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，如上圖所示。

硬件上的超級電容器充電器

該電路非常簡單，可以在面包板上構建，但我決定使用 Perf 板，以便將來每次嘗試為超級電容器充電時都可以重復使用該電路。我還打算將它與太陽能電池板一起用于便攜式項目，因此嘗試將其構建得盡可能小且堅固。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，藍色 LED 指示充電狀態。充電過程完成后，LED 將亮起，否則將保持關閉狀態。電路準備好后，只需連接電容器，您應該會看到藍色 LED 熄滅，一段時間后它會再次變高，表示充電過程已完成。您可以在下面看到處于充電和充電狀態的板。