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一文学习如何使用超级电容器(如LT的LTC3127或TI的BQ24640)

超级电容器?

超级电容器利用高表面积电极材料和薄电解介质获得比传统电容器大几个数量级的电容。超级电容器的额定容量为法拉,可用于在大电流和短时间内进行频繁充放电循环的储能。换句话说,如果需要快速充电来满足短期的电力需求,超级电容器是理想的选择。以弥补从几秒钟到几分钟的电力缺口——而且可以快速充电。

超级电容器1F/5.5V

这个是一个便宜的(通用)1-F/5.5-V超级电容器,你可以在网上任何地方找到。

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1-F超级电容器的最大工作电压为5.5V,其内部电阻在15Ω至30Ω的范围内。电容容差为-20%~80%,工作温度范围为-25℃~70℃。除了超级电容器,你只需要几个组件来做这个初步实验。我先在地上画几条线!

基本的硬件

基本的硬件意味着你必须在一片高质量的穿孔电路板上准备一个小的“断接板”来安装更多的组件。我把它安装在一个55×15毫米的矩形FR4通用电路板上。

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由于USB电源是快速、安全地为超级电容器充电的电源,后来我为了方便在该设置中添加了USB Type-A公插头。

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这是电路图:

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电路中的10Ω电阻器(R1)用于限制浪涌充电电流(放电的超级电容器看起来像是电源短路),肖特基二极管1N5819(D1)用于反向流保护。D1显然会引入较小的压降,因此在某些应用中最好绕过旁路(请参阅跳线SJ1)。我的基本硬件设置是使用稳定的5V/500mA面包板电源进行测试的,而C1则需要30到60秒才能达到4.7V。此后,我连接了一个5毫米高效蓝色LED(1.2kΩ电阻器串联),并观察到约三分钟的深蓝光输出(随后持续了几分钟的微弱发光)。

充电指示灯

坦率地说,虽然用处不大,但这是基本硬件的“豪华”附加充电指示器,它围绕双比较器LM393(IC1)的一部分而构建。当超级电容器(C1)两端的电压达到10KΩ多圈微调电位器(RP1)设置的预定义值时,电路中的蓝色指示灯(LED1)将亮起。请注意,您可能没有第二个10KΩ电阻器(R3A)(请参阅跳线JP2),但准备相应地再次摆弄RP1。参见电路图:

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我的快速实验设置:

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LED驱动器

超级电容器是为少量光源供电的理想选择,因为超级电容器充电速度非常快,并且比任何类型的电池都要经历更多的充电/放电循环。尽管仅需一个限流电阻来从超级电容器驱动一个普通的LED,但我想尝试一种基于分立元件而不是¼W电阻的恒流驱动器,因为它可以在一定程度上将光水平“线性化”。

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上面给出的电路已通过5毫米高效红色,绿色,蓝色,琥珀色和白色LED的测试。您可能已经注意到,这个想法不过是经典恒流发生器电路的复制品。在我的原型中,1N4148二极管(D2-D3)将BC547(T1)的基极设置为约1.2 V,这反过来将27Ω电阻(R5)上的压降定义为0.5V,因此表明通过R5的电流恒定在约18mA。以下是我的实验设置的实物图:

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现在,我计划通过在“长长的”基本硬件板上的空闲部分填充充电指示器和光驱电子设备,来协调这三个主题。最终,可获得新的东西,并进行一些改进。然后等它变亮!

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总体示意图

总结:并不是完美的解决方案

诚然,我的基本硬件(第一电路图)是超级电容器充电器电路的分立实现,该电路具有一个电阻器来控制充电电流,以及一个肖特基二极管来防止反向电流流动。限流电阻选择为10Ω,以将最大充电电流限制为(5-0.3 / 10)470 mA。由于超级电容器的充电电压仅为4.7 V,因此该概念会因指数充电曲线(请参见下图)而延长充电时间,并降低存储使用量。

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这次,我不太在意某些可能会对基本硬件性能产生不利影响的事情,这些问题可能与超级电容器的自放电、附加段的加载效果等有关。不过无论如何,这的确有些差强人意,所以我认为还会有更好的解决方案。希望我可以使用专用的超级电容充电器芯片(如LT的LTC3127或TI的BQ24640)实现它。

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