设计一个简单的超级电容器充电器电路

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近来被广泛考虑，但超级电容器本身的想法可以追溯到 1957 年，当时通用电气首次尝试增加其存储容量电容器。多年来，超级电容器技术得到了显着改进，如今它已被用作备用电池、太阳能电池组和其他需要短功率升压的应用。

在本文中，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为此类超级电容器充电，然后用它为我们的超级电容器充电，以检查它在保持能量方面的能力。与电池单元类似，超级电容也可以组合成电容移动电源，但充电方式不同，不在本文讨论范围之内。这里将使用简单且常用的5.5V 1F 纽扣超级电容器，看起来类似于纽扣电池。我们将学习如何为硬币型超级电容器充电并在合适的应用中使用它。

为超级电容器充电

将超级电容器与电池进行模糊比较，超级电容器的充电密度较低，自放电特性较差，但在充电时间、保质期和充电循环方面，超级电容器的性能优于电池。根据充电电流的可用性，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，它可以持续十多年。

与电池相比，超级电容器具有非常低的 ESR（等效串联电阻）值，这允许更高值的电流流入或流出电容器，使其能够更快地充电或以大电流放电。但由于这种处理大电流的能力，超级电容器应该安全地充电和放电，以防止热失控。给超级电容充电有两条黄金法则，电容充电时极性要正确 ，电压不超过其总电压容量的90%。

当今市场上的超级电容器的额定电压通常为 2.5V、2.7V 或 5.5V。就像锂电池一样，这些电容器必须串联和并联组合才能形成高压电池组。与电池不同，串联连接的电容器将相互累加其总额定电压，因此有必要添加更多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 5.5V 1F 电容器，因此充电电压应该是 5.5 的 90%，即接近 4.95V。

储存在超级电容器中的能量

当使用电容器作为储能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非常重要。计算存储在电容器中的能量的公式可以由 E=1/2CV 2给出。因此，在我们的案例中，对于 5.5V 1F 电容器，当完全充电时，存储的能量将为

E = （1/2）* 1 * 5.5 2

E= 15 焦耳

现在，使用这个值，我们可以计算电容器可以为设备供电多长时间，例如，如果我们需要 5V 下的 500mA 电流持续 10 秒。然后可以使用公式Energy = Power x time计算该设备所需的能量。此处功率由P=VI 计算，因此对于 500mA 和 5V 功率为 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，我们需要至少两个并联这些电容器 （15+15=30） 才能获得 30 焦耳的电源组，足以为我们的设备供电 10 秒。

识别超级电容器的极性

当谈到电容器和电池时，我们应该非常小心其极性。极性相反的电容器很可能会发热和熔化，有时在最坏的情况下会爆裂。我们手上的电容是硬币型的，极性用白色小箭头表示，如下图。

我假设箭头的方向表示电流的方向。你可以把它想象成，电流总是从正极流向负极，因此箭头从正极开始指向负极。一旦你知道极性并且如果你想给它充电，你甚至可以使用 RPS 将其设置为 5.5V（或为安全起见为 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，然后你应该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会在几秒钟内充电，一旦达到 5.5V，它将停止吸收更多电流。这种完全充电的电容器现在可以在自放电之前用于合适的应用。

我们将在本教程中不使用 RPS，而是构建一个充电器，通过 12V 适配器调节 5.5V，并使用它为超级电容器充电。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，所以让我们开始吧。

所需材料

12V 适配器

LM317稳压器IC

LM311

IRFZ44N

BC557 PNP晶体管

引领

电阻器

电容器

电路原理图

下面给出了这个超级电容器充电器电路的完整电路图。该电路是使用 Proteus 软件绘制的，稍后将显示相同的模拟。

电路由12V适配器供电；然后我们使用LM317 调节 5.5V为我们的电容器充电。但是这 5.5V 将通过充当开关的MOSFET提供给电容器。只有当电容器的电压低于 4.86V 时，该开关才会关闭，因为电容器充电并且电压增加，开关将打开并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点亮 LED。上面显示的电路图在下面被分成几个部分进行说明。

LM317 电压调节：

电阻 R1 和 R2 用于根据公式 Vout = 1.25 x （1+R2/R1） 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根据您提供的电阻值计算所需的输出电压。

运算放大器比较器：

我们已经使用LM311比较器IC将超级电容的电压值与固定电压进行比较。使用分压器电路将此固定电压提供给引脚 2 。电阻器 2.2k 和 1.5k 从 12V 下降 4.86V 的电压。这个 4.86 伏与连接到引脚 3 的参考电压（电容器电压）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 电阻达到 12V 的高电平。然后，该电压将用于驱动 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。当运算放大器变为高电平时，它在引脚 7 上输出 12V，这会通过其基极引脚打开 MOSFET，类似地，当运算放大器变为低电平 （0V） 时，MOSFET 将打开。我们还有一个PNP 晶体管 BC557，它会在 MOSFET 关闭时打开 LED，表明电容器电压超过 4.8V。

超级电容充电器电路仿真

为了模拟电路，我用可变电阻器替换了电池，为运算放大器的引脚 3 提供可变电压。超级电容器被替换为 LED 以显示它是否通电。仿真结果可以在下面找到。

正如您在使用电压探头时看到的那样，当反相引脚上的电压低于非反相引脚时，运算放大器会在引脚 7 上升高 12V，从而打开 MOSFET，从而为电容器（黄色 LED）充电。这个 12V 还触发 BC557 晶体管关闭绿色 LED。随着电容器（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，如上图所示。

硬件上的超级电容器充电器

该电路非常简单，可以在面包板上构建，但我决定使用 Perf 板，以便将来每次尝试为超级电容器充电时都可以重复使用该电路。我还打算将它与太阳能电池板一起用于便携式项目，因此尝试将其构建得尽可能小且坚固。我在虚线板上焊接后的完整电路如下所示。

可以使用鳄鱼针轻敲两根母贝格棒为电容器充电。黄色 LED 指示模块的电源，蓝色 LED 指示充电状态。充电过程完成后，LED 将亮起，否则将保持关闭状态。电路准备好后，只需连接电容器，您应该会看到蓝色 LED 熄灭，一段时间后它会再次变高，表示充电过程已完成。您可以在下面看到处于充电和充电状态的板。

完整的工作可以在本页底部的视频中找到，如果您有任何问题可以在评论部分发布它们或使用我们的论坛解决其他技术问题。

设计改进

这里给出的电路设计很粗略，可以达到它的目的；这里讨论了构建后我注意到的一些强制性改进。BC557 变热是因为其基极和发射极之间的电压为 12V，因此应使用高压二极管代替 BC557。

其次，当电容器充电时，电压比较器会测量电压的变化，但是当 MOSFET 在充电后关闭时，运算放大器会感应到低电压增益并再次打开 FET，这个过程会重复几次，然后运算放大器就会完全关闭。运算放大器输出上的锁存电路将解决这个问题。