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超级电容在替代产品中的可充电电池时, 若选择不当会造成电解质泄漏,也可能发生内部短路……如何选择电路所需的超级电容器也不是那么简单的一件事情。
如何选择超级电容 器?
电子元件技术网上电容技术专区有提到:超级电容器的两个主要应用是高功率脉冲应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用的特征:瞬时流向负载大电流;瞬时功率保持应用的特征:要 求持续向负载提供功率,持续时间一般为几秒或几分钟。瞬时功率保持的一个典型应用:断电时磁盘驱动头的复位。不同的应用对超电容的参数要求也是不同的。高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R),而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量(C)。
两 种计算公式和应用实例查看:[url=http://ad-apac.doubleclick.net/clk;239746885;62571414;v?http://www.cntronics.com/public/ ... m/alone/source/blog]http://ad-apac.doubleclick.net/clk;239746885;62571414;v?http://www.cntronics.com/public/ ... m/alone/source/blog[/url]
C(F): 超电容的标称容量; R(Ohms): 超电容的标称内阻;
ESR(Ohms):1KZ 下等效串联电阻; Uwork(V): 在电路中的正常工作电压
Umin(V): 要求器件工作的最小电压; t(s): 在电路中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续时间;
I(A): 负载电流; Udrop(V): 在放电或大电流脉冲结束时,总的电压降;
瞬时功率保持应用
超电容容量的近似计算公式,该公式根据,保持所需能量=超电容减少能量。
保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t;
超电容减少 能量=1/2C(Uwork2 -Umin2),
因而,可得其容量(忽略由IR 引起的压降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)
如单片机应用系统中,应用超级电容作为后备电源,在掉电后需要用超级电容维持100mA的电流,持续时间为10s,单片 机系统截止工作电压为 4.2V,那么需要多大容量的超级电容能够保证系统正常工作?
下面是我爱方案网(http://www.52solution.com/)给出的答案:
工作起始电压 Vwork=5V;工作截止电压 Vmin=4.2V;工作时间 t=10s;工作电源 I=0.1A所需电容容量为:
C=(Vwork+ Vmin)It/( Vwork2 -Vmin2)
=(5+4.2)*0.1*10/(52 -4.22)
=1.25F
根据计算结果,可以选择5.5V 1.5F电容就可以满足需要了。
超级电容容量选择实例 查看:[url=http://ad-apac.doubleclick.net/clk;239746885;62571414;v?http://www.cntronics.com/public/ ... /alone/source/blog2]http://ad-apac.doubleclick.net/clk;239746885;62571414;v?http://www.cntronics.com/public/ ... /alone/source/blog2[/url]
假设磁带驱动的工作电压5V,安全工作电 压3V。如果直流马达要求0.5A 保持2 秒(可以安全工作),那么,根据上公式可得其容量至少为0.5 F。因为5V 的电压超过了单体电容器的标称工作电压。因而,可以将两电容器串联。如两相同的电容器串联的话,那每只的电压即是其标称电压2.5V。如果我们选择标称容 量是1F 的电容器,两串为0.5F。考虑到电容器-20%的容量偏差,这种选择不能提供足够的裕量。可以选择标称容量是1.5F 的电容器,能提供1.5F/2=0.75F。考虑-20%的容量偏差,最小值1.2F/2=0.6F。这种超级电容器提供了充足的安全裕量。大电流脉冲 后,磁带驱动转入小电流工作模式,用超电容剩余的能量。在该实例中,均压电路可以确保每只单体不超其额定电压。
脉冲功率应用
脉 冲功率应用的特征:和瞬时大电流相对的较小的持续电流。脉冲功率应用的持续时间从1ms 到几秒。设计分析假定脉冲期间超级电容是唯一的能量提供者。在该实例中总的压降由两部分组成:由电容器内阻引起的瞬时电压降和电容器在脉冲结束时压降。关 系:Udrop=I(R+t/C),它表明电容器必须有较低的R 和较高的C 压降Udrop 才小。对于多数脉冲功率应用,R 的值比C 更重要。以2.5V1.5F 为例。它的内阻R可以用直流ESR 估计,标称是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5=0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。额定容量是1.5F。对于一个0.001s 的脉冲,t/C 小于0.001Ohms。即便是0.010 的脉冲t/C也小于0.0067Ohms,显然R(0.090Ohms)决定了上式的Udrop 输出。
脉冲功率应用实例查看:[url=http://ad-apac.doubleclick.net/clk;239746884;62571414;u?http://www.cntronics.com/public/ ... m/alone/source/blog]http://ad-apac.doubleclick.net/clk;239746884;62571414;u?http://www.cntronics.com/public/ ... m/alone/source/blog[/url]
GSM/GPRS 无线调制解调器需要一每间隔4.6ms 达2A 的电流,该电流持续0.6 ms。这种调制解调器现用在笔记本电脑的PCMCIA 卡上。笔记本的和PCMCIA 连接的限制输出电压3.3V+/-0.3V 笔记本提供1A 的电流。许多功 率放大器(PA)要求3.0V 的最小电压。对于笔记本电脑输出3.0V 的电压是可能的。到功率放大器的电压必须先升到3.6V。在3.6V 的工作电压下(最小3.0V),允许的压降是0.6V。
选择超级电 容器(C:0.15F,AC ESR:0.200Ohms,DC ESR:0.250Ohms)。对于2A 脉冲,电池提供大约1A,超电容提供剩余的1A。根据上面的公式,由内阻引起的压降:1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V 它和由内阻引起的压降相比是小的。
不管是功率保持还是功率脉冲应用都可以用上公式计算.当电路的工作电压超过超级电容的工作电压时,可以 用相同的电容器串联.一般地,串联应该保持平衡以确保电压平均分配.在脉冲功率应用中由超电容内阻引起的压降通常是次要因素。电容器超低的内阻提供一种克 服传统电池系统阻抗大的全新的解决方案。 |
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