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(wèn)題。然而，今天，設計師可以找到選擇，從低漏電電解電容，以高性能的超級電容器從制造商，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)合國貴彌功，等等。電容經(jīng)常出現在許多設計情況的事后，加入到電路清理信號和電源。在信號采集，電容器起到濾除帶外源和在取樣和保持階段用于模擬/數字轉換器更重要的作用。在能量收集應用程序，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的電荷成一個(gè)負載提供的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。在這些應用中，電容器特性和組件的選擇上升為重要因素的設計。在他們中的電路設計的傳統角色，電容器被認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備。對于這些目的，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他們的作用的能力。用于能量采集應用程序，然而，從理想電容器出發(fā)顯著(zhù)影響的設計作為一個(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，特別是當受到高交流電流。這樣，在一個(gè)能量收集子系統使用低ESR的電容器導致總體更高的效率。漏電流施加在采用極低能量的環(huán)境來(lái)源的設計更深遠的影響 - 并上升作為在能量采集設計應用更熟悉類(lèi)型的電容器的能力的顯著(zhù)限制。

圖1：在能量采集應用，等效串聯(lián)電阻(ESR)和并聯(lián)電阻(RL)結果在其侵蝕整體效率的功率損耗。(Analog Devices公司提供)對于任何電容器，漏電流的量取決于多種因素，并隨著(zhù)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，電容器表現出相對較大的電流流動(dòng)開(kāi)始，直到它最終達到一個(gè)較低的恒定值。作為達到這一恒定電平所需的時(shí)間。結果，工業(yè)實(shí)踐通常依賴(lài)于測量只有幾分鐘后拍攝的漏電流。因為在量化的電容器的非理想行為的困難，一些制造商將結合成一個(gè)單一的值漏電流，ESR和ESL的稱(chēng)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 - 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(guò)額定電壓(UR在圖2B)，并傳遞電容器陽(yáng)極的浪涌電壓美國和最終預成形電壓(UF在圖2B)顯著(zhù)上升。在上面的浪涌電壓電平，物理和化學(xué)反應可以發(fā)生在電容器。其結果是，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電容器的物理和化學(xué)反應的影響。漏電流特性電容所有類(lèi)型的，但有些類(lèi)型的傳統表現出更大的漏電流比其他人。例如，電解電容的設計保持的主力，但其泄漏特性一直為在有限的功率預算設計中使用的關(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，從作為傳統的設計工作在功率調節階段，太陽(yáng)能逆變器使用一個(gè)基本脫鉤或過(guò)濾組件。在過(guò)去，電解電容器表現出顯著(zhù)漏電流在很大程度上妨礙了它們在能量收集使用從弱能源。然而，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出顯著(zhù)降低漏電流鉭二氧化錳電容線(xiàn)。例如，在A(yíng)VX TRJ線(xiàn)或在低幾十納安的Kemet的T491線(xiàn)要素的泄漏電流的電容器。而更高級的鉭電解電容器能滿(mǎn)足在能量收集設計效率的要求，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(zhù)較低的ESR，這些設備通常擁有更長(cháng)的使用壽命評級和低漏電流比同類(lèi)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(zhù)變化，在頻率和電容器類(lèi)型。(村田制作所提供)對于許多能量收集應用程序，雙電層電容器(EDLC)，或超級電容器，已成為首選的解決方案，提供高容量，效率和小尺寸封裝，傳統電容技術(shù)是組合很少能夠匹配。超級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)，設計者尋找一個(gè)較小的設計尺寸可以發(fā)現超級電容器，提供顯著(zhù)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。雖然超級電容器提供優(yōu)越的能量密度，其特性曲線(xiàn)可以是復雜得多。超級電容器結合幾個(gè)電容器，其可以各向相對顯著(zhù)總漏電流為特定的裝置(圖4)。其結果是，設計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容量可用這些組件。

圖4：超級電容器由多個(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，不同于傳統的應用，從設計低能耗的環(huán)境資源要求自己工作期間耗電量小的組件，收集能量。雖然設計者可能已經(jīng)被取消資格，因為它們具有相對高的漏電流，在過(guò)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，超級電容器提供高能量密度更高的泄漏和ESR的成本。