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  • 超級電容器在整流濾波中的應用
  • 2016-06-29 10:22:00分享到
摘要:通過對整流濾波電流的基本要求的分析和超級電容器性能的分析,得出超級電容器也可以作為整流濾波電容器,通過2只15000ìF/10V的鋁電解電容器并聯和3只4.7F/2.7V超級電容器串聯的對比測試、輸出紋波電壓波形分析,得出超級電容器可以用作整流濾波電容器,且與電解電容器相比,具有很大的性能優勢、價格優勢和體積優勢。

王亞君,寧武,孟麗囡

(遼寧工學院信息科學與工程學院,遼寧 錦州121001)


濾波電容器在整流濾波電路中起著重要作用,電容量越大濾波效果越好。比如音響電路的整流濾波電容器的電容量高達1×104ìF或更高。在低壓整流(如5V、3.3V甚至更低的電壓)輸出時往往因為濾波電容器的電容量不夠大而產生較大的紋波電流。通過測試,整流濾波電路輸出1A電流時,分別采用1000、2200、3300、4700和10000ìF的濾波電容器,紋波電壓的峰峰值分別為:6、2.8、1.9、1.1和0.6V.如果采用更大的濾波電容器,濾波效果將會更好。問題是大容量電容器不僅體積大,而且價格昂貴。能否將超級電容器用于整流濾波,目前尚未見報道,本文將通過理論分析和試驗給予詳盡的分析和試驗結果。

1超級電容器的主要參數

以4.7F/2.7V超級電容器的參數為例:額定電壓2.7V,額定電容量4.7F,等效串聯電阻(ESR)50mù,體積φ12.5mm×20mm,溫度范圍-40~+70℃。

2超級電容器用于整流濾波

2.1超級電容器作為整流濾波電容器的可能性

整流濾波對于電容器的基本要求是:有足夠的電容量、符合要求的額定電壓、可以承受相應的紋波電流值和符合要求的等效串聯電阻。超級電容器的電容量足夠大;盡管超級電容器的額定電壓比較低,仍可以通過多只串聯的方式解決;余下的問題就是能否通過相應的紋波電流和等效串聯電阻是否符合要求。選擇適合的電容量時(例如選擇每安培負載電流1000~10000ìF),鋁電解電容器基本上不存在不能承受紋波電流,而且其ESR比較低,所產生的效應基本上對鋁電解電容器幾乎沒有影響。

由于超級電容器的ESR相對鋁電解電容器大,其效應必須加以考慮,在正常工作條件下尺寸為φ12.5mm×20mm的外殼可以耗散大約0.5W的功率,對于(ESR)50mù的超級電容器可以通過10A的紋波電流,對應3~5A的輸出平均值電流,只要輸出電流在這個值以下,超級電容器就可以用于整流濾波。

2.2用超級電容器作為整流濾波電容器

與一般的整流濾波電路一樣,超級電容器用于整流濾波的電路和整流器輸出電流、流過濾波電容器的電流波形如圖1,只不過濾波電容器變為超級電容器。由于超級電容器的額定電壓很低(僅2.7V),需要數只超級電容器串聯。對于5V輸出的穩壓電源(考慮市電電壓的變化,整流輸出電壓約為7~9V),可以采用3只4.7F/2.7V超級電容器串聯。

 

2.3對比測試結果

采用兩只15000V/27000ìF鋁電解電容器并聯作為濾波電容器的整流濾波電路。在整流輸出電壓平均值為6V,負載電流2.2A時的整流輸出紋波電壓如圖2,所使用的示波器為F105B數字示波器,選擇A通道,AC耦合,時基5ms/div(每格5ms),通道設置100mV/div(每格100mV)。從圖中可以看到紋波電壓的峰峰值(Δy)為412mV,充電與放電(電壓波形的上升與下降)時間基本相同。通過工頻變壓器降壓后的整流電路,由于工頻變壓器的漏感的作用(抑制電流變化),使濾波電容器幾乎工作在或者是充電、或者是放電的狀態,與市電直接整流的狀態不同。

測試結果表明整流輸出濾波電容器選擇10000ìF/A(每安培輸出電流用1×104ìF)的濾波電容量時,輸出電壓的紋波電壓的峰峰值約為560mV,與理論分析結果的每安培600mV很接近。因此,對于低壓整流濾波電路,為了獲得低紋波電壓將不得不采用非常大的濾波電容器,不僅體積大(φ35mm×35mm)而且價格很高(兩只約15元)。

在與上面的例子相同的測試條件下,采用3只4.7F/2.7V超級電容器串聯作為整流濾波電容器,測得輸出電壓的紋波電壓峰峰值為624mV,如圖3.從紋波電壓峰峰值看與22000ìF電解電容器的濾波效果相同。

超級電容器作為整流濾波時的效果并不像理想電容器那樣使輸出電壓接近一條直線,而是有波動,原因是超級電容器有相對一般電容器大的等效串聯電阻(ESR).3只超級電容器的串聯時的等效串聯電阻約為160mù,濾波電容器上的充、放電的電流差約為輸出電流平均值的3.5倍,因而在輸出端出現約550mV的電壓波動,但還可以得到很低的紋波電壓。如果兩只串聯時,紋波電壓峰峰值可以低于420mV,相當于27000ìF電解電容器,但是體積將大大減小。

由此可見,一只4.7F的超級電容器的濾波效果大約相當于一只56000ìF電解電容器。在低壓整流濾波的應用中將具有很大的性能優勢、價格優勢和體積優勢。

3超電容器用于整流濾波電路意義

超級電容器一般都是用在類似蓄電池那樣的電能的存儲和釋放的用途。作為整流濾波使用,過去還沒有過,通過從上述兩個實驗得到的結果,可知超級電容器在低壓整流濾波電路中也可以應用,而且其濾波效果俱佳。與電解電容器相比,具有其很大的優勢。在今后的研究中,可以通過實驗進一步了解超級電容器的新的特性和應用,擴展超級電容器的應用領域。

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