超级电容基础知识-电子技术方案|电路图讲解

什么是超级电容器?

◆ 超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

◆ 超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。（见图1）

超级电容器为何不同于传统电容器其"超级"在哪？

◆超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。

◆传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。

◆超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离（<10 Å）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。

◆这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。

超级电容器有哪些优点和缺点？

一、优点

◆ 在很小的体积下达到法拉级的电容量；
◆ 无须特别的充电电路和控制放电电路
◆ 和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；
◆ 从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；
◆ 超级电容器可焊接，因而不存在象电池接触不牢固等问题；

二、缺点

◆ 如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；
◆ 和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路；

超级电容器都有哪些应用？

◆超级电容器的低阻抗对于当今许多高功率应用是必不可少的。对于快速充放电，超级电容器小的ESR意味着更大的功率输出。
◆瞬时功率脉冲应用，重要存储、记忆系统的短时间功率支持。

应用举例

1、快速充电应用，几秒钟充电，几分钟放电。例如电动工具、电动玩具；
2、在UPS系统中，超级电容器提供瞬时功率输出，作为发动机或其它不间断系统的备用电源的补充；
3、应用于能量充足，功率匮乏的能源，如太阳能；
4、当公共汽车从一种动力源切换到另一动力源时的功率支持；
5、小电流，长时间持续放电，例如计算机存储器后备电源；

我可以多快给超级电容器放电？

◆ 超级电容器可以快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制，甚至短路也不是致命的。
◆ 实际上决定于电容器单体大小，对于匹配负载，小单体可放10A，大单体可放1000A。
◆ 另一放电率的限制条件是热，反复地以剧烈的速率放电将使电容器温度升高，最终导致断路。

我怎么样控制超级电容器的放电？

◆ 超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数τ在1~2s，完全给阻-容式电路放电大约需要5τ，也就是说如果短路放电大约需要5~10s。（由于电极的特殊结构它们实际上得花上数个小时才能将残留的电荷完全放干净）

超级电容器比电池更好？

◆ 超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。
◆ 超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。
◆ 超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。
◆ 超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。
◆ 超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。
◆ 超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。
◆ 超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环。

如何选择我所需的超级电容器？

◆ 首先，功率要求、放电时间及系统电压变化起决定作用。

◆ 超级电容器的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量；另一部分是由于超级电容器内阻引起。两部分谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲中，内阻部分占主要的，相反在长时间放电中，容性部分占主要。

◆ 以下基本参数决定您选择电容器的大小

1、 最高工作电压；
2、 工作截止电压；                                        

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１ 用数字电位器替代机械式电位器

数字电位器的写次数很容易达到５００００次，而机械式电位器的调节次数一般只有几千次，甚至几百次。目前市场上提供的数字电位器的分辨率在３２级（５位）到２５６级（８位）甚至更高。对于像ＬＣＤ显示器对比度调节或其它动态范围要求不高的应用，设计时可以选用低分辨率、低成本的数字电位器。而高分辨率的数字电位器则被广泛用于动态范围高达９０ｄＢ的音频和Ｈｉ－Ｆｉ设备中。数字电位器具有易失和非易失两种类型，非易失数字电位器与机械式电位器很相似，它们无论上电与否都可以保持电阻值设置，特别是ＭＡＸ５４２７／ＭＡＸ５４２８／ＭＡＸ５４２９数字电位器，更具有独特的编程特性，每个器件带有一个一次性编程（ＯＴＰ）存储器，能够在上电复位（ＰＯＲ）时将抽头位置设置在用户定义的数值，且抽头位置保持可调，但在上电时总是返回到所设置的位置。另外，利用ＯＴＰ功能也可以关闭接口操作，使抽头位置始终保持在所希望的地方。这样，器件就像一个阻值固定的分压器，而不是电位器。

大多数数字电位器可以通过传统的Ｉ２Ｃ或ＳＰＩ接口进行编程，有些器件则采用上／下脉冲计数调节方式。采用数字电位器有很多优势，首先，这些电位器对灰尘、污垢和潮湿的环境不敏感，而这些因素对于机械式电位器来说则是致命的。数字电位器几乎能够在任何电子系统中替代老式的机械电位器，而不仅仅是在音频产品，图１列出了数字电位器的几种典型应用。

２数字电位器在音频设备中的应用

与机械式电位器相比，数字电位器的另一优势是可以直接安装在电路板的信号通道上，而不需要复杂、昂贵的机械与电控的整合方案。数字电位器可提高电子噪声抑制能力，不存在机械电位器连线拾取的干扰信号。传统的数字电位器只是简单地直接取代机械式电位器，它们具有相同的使用方法，因而无需做过多的说明。然而，对于特殊用途的器件，（如低成本立体声音量控制），使用时可能会出现一些特殊问题。

数字电位器可以提供对数和线性变化函数，对数变化的数字电位器常用于Ｈｉ－Ｆｉ音频设备中的音量调节，可为具有非线性响应特性的人耳建立一个线性变化的音量控制。目前，高度集成的数字电位器可以在单芯片内提供六个独立的电位器，并支持多声道音频设备，如立体声、环绕杜比系统等。对于音频设备，需要注意每一级抽头位置的瞬变过程，如果抽头位置没有精确地切换到０Ｖ，音频信号会带有噼啪声和砰然声。幸运的是，新一代数字电位器包含的过零检测功能（如ＤＳ１８０２）可确保在检测到过零（０Ｖ）或５０ｍｓ延迟时改变抽头位置，从而可降低抽头位置瞬变时的音频噪声。

新一代的ＤＳ１８０２音频电位器包含了两个数控电位器，对数抽头，每级变化１ｄＢ。最大衰减量为６３ｄＢ。此外，它还带有静音功能，可将信号衰减９０ｄＢ。ＤＳ１８０２有四个按键输入，可用于音量／平衡控制。合理利用其过零检测器，能够实现音量的无缝调节，以得到纯净的音频信号。图２提供了一个前置放大器方案，可通过按键控制两个立体声声道。用ＤＳ１８０２构成音量控制电路时，需要将交流信号偏置在直流电源范围内，否则，ＤＳ１８０２会将低于ＧＮＤ、高于ＶＣＣ的音频信号钳位掉，ＤＳ１８０２可以采用３Ｖ或５Ｖ电源。由于音频信号通常是对称的，所以，最好将直流偏置设置在ＶＣＣ／２，以获得最大的音频信号摆幅。图２（ａ）是一个惠斯通桥电路，可用来将输入信号偏置在ＶＣＣ／２。该电路允许交流信号通过位于中间位置的电阻（电位器），来对电阻两端进行相同的直流偏置。这一点对于数字电位器非常关键，因为过零检测器是在电位器两端电压为零时切换电位器的位置，因而，可以消除由于数字电位器的非连续切换所造成的噼啪声和砰然声。图２（ｂ）是在图（ａ）基础上构建的电路，该电路的输入阻抗为１３．７ｋΩ，桥电路和输入电容造成的信号衰减为１．２ｄＢ（２０Ｈｚ）。此外，还需要在靠近DS1802和MAX4167的VCC引脚加旁路电容。

3 基于电位器的电压电阻转换电路

在工业控制和偏置调节电路中，有时需要将电压信号转换成电阻，这一过程在具体实施时有一定的难度。图３利用两路数字电位器提供了一个简单的转换方案。图中，数字电位器Ｕ１和运算放大器Ｕ３构成数字采样保持电路，Ｕ１通过调节其内部分压比保证ＶＷＩＰＥＲ对 ＶＩＮ的跟踪，这样，滑动端电阻将与ＶＩＮ成正比。由于Ｕ１、Ｕ２的数字输入是连接在一起的，Ｕ２的滑动端位置与Ｕ１相同，对应端的电阻也相同。这样便可得到与ＶＩＮ成正比的电阻，从而实现电压至电阻的转换。

由于Ｕ１、Ｕ２是完全相同的数字电位器，其数字输入连接在一起，因此，它们的滑动端位置也相同。ＬＯＣＫ置为低电平，输出电阻将随着ＶＩＮ而改变；而ＬＯＣＫ置为高电平则将保持阻值不变。也可以将ＬＯＣＫ始终接地，在这种情况下，即使ＶＩＮ保持恒定，输出电阻也会在两个相邻状态之间连续翻转。假如电位器端电阻为１０ｋΩ，抽头数为３２，那么，当滑动输出端电阻设置在５ｋΩ时，输出电阻将随时钟在５ｋΩ和５．３１２５ｋΩ之间跳变。需要时，可以在滑动输出端接一个电容来滤除跳变效应。该电路所允许的时钟频率范围为１００Ｈｚ～１０ｋＨｚ。而输出电阻并非实时跟随ＶＩＮ的变化，但经过若干个时钟周期后可以达到其终值。时钟数取决于滑动端的初始位置和输入电压，最大值为３２（电位器抽头数）。如果需要更高的分辨率，可以用６位或８位数字电位器替代本电路中的５位芯片。注意，ＭＡＸ５１６０上电时将滑动端设置在中心位置，因而，可使两路数字电位器同步工作，并保持相同的电阻。选择数字电位器时，通常需要知道电位器的上电初始状态。

４ 结论

数字电位器与机械式电位器相比，除可靠性外，还占用空间较小。另外，由于减小了寄生参数，因而具有较强的抗干扰能力。数字电位器几乎可以在所有应用中替代机械式电位器，以减轻设计人员和最终用户的负担。但使用数字电位器时需要注意其温度系数（ＴＣ）指标，而且对于大多数数字电位器，必需给出两个不同的ＴＣ指标：一个是端至端ＴＣ，表示电阻随温度的绝对变化量，另一个ＴＣ参数指的是比例ＴＣ。数字电位器通常用作分压器，这些应用对绝对阻值的要求并不严格，特别是比例应用。一个比例ＴＣ为５ｐｐｍ的数字电位器便可以在整个温度范围内提供非常稳定的增益配置。而用于可编程增益放大器（ＰＧＡ）和仪表放大器（ＩＡ）的数字电位器一般需要较高的精度，这些应用一般要求比例系数的容差（精度）在－４０℃～＋８５℃范围内优于０．０２５％。                                        

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