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得到了广泛的考虑，但是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提高其超级电容器的存储容量电容器。多年来，超级电容器技术已经得到了显着改善，如今已被用作备用电池，太阳能移动电源以及其他需要短时提升功率的应用。从长远来看，许多人误以为超级电容是电池的替代品，但是至少在当今技术上，超级电容不过是具有高充电容量的电容器，您可以从我们之前的文章中了解更多关于超级电容的信息。
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，然后使用它为超级电容器充电以检查其在保持能量方面的性能。与电池单元类似，超级电容器也可以组合形成电容器电源组，给电容器电源组充电的方法是不同的，不在本文的讨论范围之内。这里将使用简单，通用的5.5V 1F超级硬币超级电容器，外观类似于纽扣电池。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，超级电容器具有低电荷密度和较差的自放电特性，但就充电时间，保质期和充电周期而言，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，它可以使用十多年。
与电池相比，超级电容器具有非常低的ESR（等效串联电阻）值，这允许更高的电流值流入或流出电容器，从而使其能够更快地充电或以大电流放电。但是由于具有处理大电流的能力，超级电容器应安全充电和放电，以防止热失控。当给超级电容器充电时，有两个黄金法则：电容器应该以正确的极性充电， 并且电压不得超过其总电压容量的90％。
当今市场上的超级电容器通常额定为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。与电池不同的是，串联连接的电容器会相互求和其总额定电压，因此有必要增加更多的电容器以形成合适的电池组。在我们的例子中，我们有一个5.5V 1F电容器，因此充电电压应为5.5的90％，即接近4.95V。
储存在超级电容器中的能量
当使用电容器作为为我们的设备供电的储能元件时，确定存储在电容器中的能量以预测设备可以供电多长时间至关重要。可以通过E = 1 / 2CV 2给出计算电容器中存储的能量的公式。因此，对于5.5V 1F电容器，在充满电的情况下，存储的能量将
E =（1/2）* 1 * 5.5 2 E = 15焦耳
现在，使用此值，我们可以计算电容器可以供电多长时间，例如，如果我们需要在5V下500mA持续10秒。然后，可以使用公式Energy = Power x time来计算该设备所需的能量。此处的功率由P = VI计算得出，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
由此可以得出结论，我们至少需要并联两个电容器（15 + 15 = 30），才能获得30焦耳的电源，足以为我们的设备供电10秒钟。
识别超级电容器上的极性
当谈到电容器和电池时，我们应非常注意其极性。极性相反的电容器很可能会加热并熔化，在最坏的情况下有时会破裂。我们拥有的电容器为硬币型，其极性用白色小箭头指示，如下所示。
我假设箭头的方向指示电流的方向。您可以这样想，电流总是从正流向负，因此箭头从正侧开始并指向负侧。一旦知道了极性并且想对它充电，就可以使用RPS将其设置为5.5V（或安全性为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，您应该看到电容器已充电。
根据RPS的额定电流，您可以注意到电容器在几秒钟内被充电，一旦达到5.5V，它将不再消耗电流。该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中。
在本教程中，我们将不使用RPS而是使用12V适配器来调节5.5V电压，并使用它为超级电容器充电。电容器的电压将通过运算放大器比较器进行监控，一旦电容器充电，电路将自动将超级电容器与电压源断开。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
- LED
- 电阻器
- 电容器类
电路原理图
下面给出了该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，其仿真将在以后显示。
该电路由12V适配器供电；然后，我们使用LM317调节5.5V电压来给电容器充电。但是这个5.5V将通过用作开关的MOSFET提供给电容器。仅当电容器获得充电且电压升高时电容器的电压低于4.86V时，此开关才会闭合，开关将打开并阻止电池进一步充电。电压比较是通过运算放大器完成的，并且在充电过程完成后，我们还使用BC557 PNP晶体管使LED发光。上面显示的电路图分为以下几个部分以进行说明。
LM317电压调整率：
电阻器R1和R2用于根据公式Vout = 1.25 x（1 + R2 / R1）来确定LM317稳压器的输出电压。在这里，我们使用了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可用的电阻值来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将超级电容器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2号引脚。电阻2.2k和1.5k从12V下降4.86V的电压。将此4.86伏特与连接到引脚3的基准电压（电容器的电压）进行比较。当基准电压小于4.86V时，输出引脚7将通过上拉10k电阻以12V升高。然后，该电压将用于驱动MOSFET。
MOSFET和BC557：
所述IRFZ44N MOSFET被用于超级电容器连接到基于从所述运算放大器的信号电压充电。当运算放大器变为高电平时，它在引脚7上输出12V，该电压通过其基极引脚导通MOSFET，同样，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，当MOSFET关断时，它将导通LED，表明电容器电压大于4.8V。
超级电容器充电器电路的仿真
为了模拟电路，我用可变电阻器代替了电池，以向运放的引脚3提供可变电压。超级电容器将替换为LED，以显示其是否通电。仿真结果可以在下面找到。
如您所见，使用电压探针时，当反相引脚上的电压低于非反相引脚时，运算放大器在引脚7上的12V升高，从而使MOSFET导通，从而为电容器（黄色LED）充电。这个12V也触发BC557晶体管关闭绿色LED。如上图所示，随着电容器（电位计）电压的增加，绿色LED将点亮，因为运算放大器将输出0V。
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，但是我决定使用Perf板，以便将来在每次给超级电容器充电时都可以重用该电路。我还打算将其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。我曾经焊接在一个点板完整的电路如下图所示。
可以使用鳄鱼皮针轻敲两个阴茎冰柱，以对电容器充电。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将点亮，否则将保持关闭状态。一旦电路准备就绪，只需连接电容器，您应该会看到蓝色LED熄灭，并且一段时间后它将再次变高，表明充电过程已完成。您可以在下面看到电路板处于充电和充电状态。
如果您有任何问题要解决，可以在本页底部的视频中找到完整的工作，或者将其发布在评论部分，或者将我们的论坛用于其他技术问题。
设计改进
这里给出的电路设计是粗略的，并且可以达到目的。这里讨论了构建后我注意到的一些强制性改进。由于BC557的基极和发射极之间有12V的电压，因此它会变热，因此应使用高压二极管代替BC557。
其次，当电容器充电器充电时，电压比较器会测量电压的变化，但是当MOSFET在充电后关闭时，运算放大器会感测到低电压增益并再次导通FET，在此运算放大器完全关闭之前，需要重复此过程几次。运算放大器输出上的锁存电路将解决该问题。