電容特性影響能量收集效率

為能量收集，電容的選擇需要慎重考慮超越了簡(jiǎn)單的電容值的特點(diǎn)。在這些特性，漏電流仍然是一個(gè)主要問題。然而，今天，設(shè)計(jì)師可以找到選擇，從低漏電電解電容，以高性能的超級(jí)電容器從制造商，包括AVX，KEMET，麥克斯韋技術(shù)，村田，NessCap，精工電子，太陽(yáng)誘電，和聯(lián)合國(guó)貴彌功，等等。電容經(jīng)常出現(xiàn)在許多設(shè)計(jì)情況的事后，加入到電路清理信號(hào)和電源。在信號(hào)采集，電容器起到濾除帶外源和在取樣和保持階段用于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器更重要的作用。在能量收集應(yīng)用程序，然而，電容器，用于累積的電荷從低能量的環(huán)境來(lái)源，迅速和有效地釋放所存儲(chǔ)的電荷成一個(gè)負(fù)載提供的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。在這些應(yīng)用中，電容器特性和組件的選擇上升為重要因素的設(shè)計(jì)。在他們中的電路設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)角色，電容器被認(rèn)為是恒定電容分量進(jìn)行濾波，解耦，和其它任何熟悉用途這些設(shè)備。對(duì)于這些目的，一個(gè)理想的電容器的特性和那些真正的電容之間的差異通常不會(huì)大大影響他們充分填補(bǔ)他們的作用的能力。用于能量采集應(yīng)用程序，然而，從理想電容器出發(fā)顯著影響的設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體的效率。之間的共同作用(圖1)，等效串聯(lián)電阻(ESR)和漏電流占主導(dǎo)地位的，可能降低效率非理想特性的陣列。高ESR引起電容消耗功率，特別是當(dāng)受到高交流電流。這樣，在一個(gè)能量收集子系統(tǒng)使用低ESR的電容器導(dǎo)致總體更高的效率。漏電流施加在采用極低能量的環(huán)境來(lái)源的設(shè)計(jì)更深遠(yuǎn)的影響 - 并上升作為在能量采集設(shè)計(jì)應(yīng)用更熟悉類型的電容器的能力的顯著限制。

圖1：在能量采集應(yīng)用，等效串聯(lián)電阻(ESR)和并聯(lián)電阻(RL)結(jié)果在其侵蝕整體效率的功率損耗。(Analog Devices公司提供)對(duì)于任何電容器，漏電流的量取決于多種因素，并隨著時(shí)間的推移，電壓和溫度(圖2)的變化。的那一刻起就被完全充電，電容器表現(xiàn)出相對(duì)較大的電流流動(dòng)開始，直到它最終達(dá)到一個(gè)較低的恒定值。作為達(dá)到這一恒定電平所需的時(shí)間。結(jié)果，工業(yè)實(shí)踐通常依賴于測(cè)量只有幾分鐘后拍攝的漏電流。因?yàn)樵诹炕碾娙萜鞯姆抢硐胄袨榈睦щy，一些制造商將結(jié)合成一個(gè)單一的值漏電流，ESR和ESL的稱為耗散因子，其被定義為能量比每個(gè)周期消散到能量每個(gè)周期存儲(chǔ) - 實(shí)際上，電容器的低效率的量度。

圖2：在電容器漏電流的大小取決于多種因素，包括時(shí)間(A)，電壓(B)和溫度(℃)。漏電流(威世提供)還與工作電壓(UB圖2B)增加;作為施加電壓超過額定電壓(UR在圖2B)，并傳遞電容器陽(yáng)極的浪涌電壓美國(guó)和最終預(yù)成形電壓(UF在圖2B)顯著上升。在上面的浪涌電壓電平，物理和化學(xué)反應(yīng)可以發(fā)生在電容器。其結(jié)果是，電容器一般不以額定電壓以上的水平操作。最后，泄漏電流可以隨環(huán)境溫度的升高增加由于溫度對(duì)電容器的物理和化學(xué)反應(yīng)的影響。漏電流特性電容所有類型的，但有些類型的傳統(tǒng)表現(xiàn)出更大的漏電流比其他人。例如，電解電容的設(shè)計(jì)保持的主力，但其泄漏特性一直為在有限的功率預(yù)算設(shè)計(jì)中使用的關(guān)注。提供高電容值，并處理高電壓和電流的能力，電解電容填充的作用，從作為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作在功率調(diào)節(jié)階段，太陽(yáng)能逆變器使用一個(gè)基本脫鉤或過濾組件。在過去，電解電容器表現(xiàn)出顯著漏電流在很大程度上妨礙了它們?cè)谀芰渴占褂脧娜跄茉础Ｈ欢?，今天的進(jìn)步在材料科學(xué)和制造已使制造商能夠提供表現(xiàn)出顯著降低漏電流鉭二氧化錳電容線。例如，在AVX TRJ線或在低幾十納安的Kemet的T491線要素的泄漏電流的電容器。而更高級(jí)的鉭電解電容器能滿足在能量收集設(shè)計(jì)效率的要求，其他電容器技術(shù)，如薄膜電容器和陶瓷電容器提供的小封裝尺寸和性能效率(圖3)的組合。伴隨著較低的ESR，這些設(shè)備通常擁有更長(zhǎng)的使用壽命評(píng)級(jí)和低漏電流比同類電解電容。例如，AVX 1206YD226MAT2A陶瓷電容器展品泄漏低于10 nA的(在3.5 V)和ESR的約800毫歐(100赫茲)的電流。陶瓷電容器還具有非常嚴(yán)格的公差;例如，村田GRM陶瓷電容器系列包括部件，如GRM0335C1ER10WA01D該功能的±0.05 pF的耐受性。

圖3：電容器的阻抗Z和等效串聯(lián)電阻(ESR)可以顯著變化，在頻率和電容器類型。(村田制作所提供)對(duì)于許多能量收集應(yīng)用程序，雙電層電容器(EDLC)，或超級(jí)電容器，已成為首選的解決方案，提供高容量，效率和小尺寸封裝，傳統(tǒng)電容技術(shù)是組合很少能夠匹配。超級(jí)家庭如麥克斯韋技術(shù)K2，美貴彌功DLCAP，并低于1毫歐NessCap ULTRACAP報(bào)價(jià)與ESR電容值60毫米×72毫米和更大的包從650 F。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)者尋找一個(gè)較小的設(shè)計(jì)尺寸可以發(fā)現(xiàn)超級(jí)電容器，提供顯著電容值在非常小的封裝。例如，精工電子CPH3225A和太陽(yáng)誘電的PAS系列具有11 mF與320毫米×2.5毫米包14μF的組成部分。雖然超級(jí)電容器提供優(yōu)越的能量密度，其特性曲線可以是復(fù)雜得多。超級(jí)電容器結(jié)合幾個(gè)電容器，其可以各向相對(duì)顯著總漏電流為特定的裝置(圖4)。其結(jié)果是，設(shè)計(jì)人員可以找到他們需要接受程度的能量損失，由于泄漏電流來(lái)獲得格外高密度能量存儲(chǔ)容量可用這些組件。

圖4：超級(jí)電容器由多個(gè)電容器(A)中，每個(gè)有助于整體的漏電流(B)的建立。(村田制作所提供)綜上所述，不同于傳統(tǒng)的應(yīng)用，從設(shè)計(jì)低能耗的環(huán)境資源要求自己工作期間耗電量小的組件，收集能量。雖然設(shè)計(jì)者可能已經(jīng)被取消資格，因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬?duì)高的漏電流，在過去的電解電容器，今天制造商提供與良好匹配的許多能量收集應(yīng)用特性的電解電容器。而替代的技術(shù)，如薄膜電容器和陶瓷電容器提供改善的特性，尺寸緊湊和高電容，超級(jí)電容器提供高能量密度更高的泄漏和ESR的成本。