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如何選擇超級(jí)電容器?

發(fā)布時(shí)間:2011-8-4 10:51    發(fā)布者:ipolo
關(guān)鍵詞: 超級(jí)電容器
超級(jí)電容器的兩個(gè)主要應(yīng)用:高功率脈沖應(yīng)用和瞬時(shí)功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征:瞬時(shí)流向負(fù)載大電流;瞬時(shí)功率保持應(yīng)用的特征:要求持續(xù)向負(fù)載提供功率,持續(xù)時(shí)間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時(shí)功率保持的一個(gè)典型應(yīng)用:斷電時(shí)磁盤驅(qū)動(dòng)頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對(duì)超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻(R),而瞬時(shí)功率保持是利用超電容大的靜電容量(C)。

下面提供了兩種計(jì)算公式和應(yīng)用實(shí)例:
C(F): 超電容的標(biāo)稱容量;
R(Ohms): 超電容的標(biāo)稱內(nèi)阻;
ESR(Ohms):1KZ下等效串聯(lián)電阻;
Uwork(V): 在電路中的正常工作電壓;
Umin(V): 要求器件工作的最小電壓;
t(s): 在電路中要求的保持時(shí)間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時(shí)間;
Udrop(V): 在放電或大電流脈沖結(jié)束時(shí),總的電壓降;
I(A): 負(fù)載電流;

瞬時(shí)功率保持應(yīng)用

超電容容量的近似計(jì)算公式,該公式根據(jù),保持所需能量=超電容減少能量。
保持期間所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t;
超電容減少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2),
因而,可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)

實(shí)例:

假設(shè)磁帶驅(qū)動(dòng)的工作電壓5V,安全工作電壓3V。如果直流馬達(dá)要求0.5A保持2秒(可以安全工作),那么,根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5 F。

因?yàn)?V的電壓超過了單體電容器的標(biāo)稱工作電壓。因而,可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話,那每只的電壓即是其標(biāo)稱電壓2.5V。

如果我們選擇標(biāo)稱容量是1F的電容器,兩串為0.5F?紤]到電容器-20%的容量偏差,這種選擇不能提供足夠的裕量。可以選擇標(biāo)稱容量是1.5F的電容器,能提供1.5F/2=0.75F。考慮-20%的容量偏差,最小值1.2F/2=0.6F。這種超級(jí)電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后,磁帶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)入小電流工作模式,用超電容剩余的能量。

在該實(shí)例中,均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。

脈沖功率應(yīng)用

脈沖功率應(yīng)用的特征:和瞬時(shí)大電流相對(duì)的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間從1ms到幾秒。
設(shè)計(jì)分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實(shí)例中總的壓降由兩部分組成:由電容器內(nèi)阻引起的瞬時(shí)電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時(shí)壓降。關(guān)系如下:

Udrop=I(R+t/C)

上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。

對(duì)于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用,R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻R可以用直流ESR估計(jì),標(biāo)稱是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5=0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。額定容量是1.5F。對(duì)于一個(gè)0.001s的脈沖,t/C小于0.001Ohms。即便是0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ohms,顯然R(0.090Ohms)決定了上式的Udrop輸出。

實(shí)例:

GSM/GPRS無線調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達(dá)2A的電流,該電流持續(xù)0.6 ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器(PA)要求3.0V的最小電壓。對(duì)于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下(最小3.0V),允許的壓降是0.6V。
選擇超級(jí)電容器(C:0.15F,AC ESR:0.200Ohms,DC ESR:0.250Ohms)。對(duì)于2A脈沖,電池提供大約1A,超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式,由內(nèi)阻引起的壓降:1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。

結(jié)論

不管是功率保持還是功率脈沖應(yīng)用都可以用上公式計(jì)算.當(dāng)電路的工作電壓超過超電容的工作電壓時(shí),可以用相同的電容器串聯(lián).一般地,串聯(lián)應(yīng)該保持平衡以確保電壓平均分配.在脈沖功率應(yīng)用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。
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