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        淺談恒流充放電模式電容器電容量的測(cè)量

        2016-10-21 22:38:51劉野郭瑩
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年8期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量

        劉野 郭瑩

        摘 要:電容器是電子設(shè)備不可缺少的重要元件之一。它用途廣泛、種類繁多,尤其是雙電層電容器(超級(jí)電容器),由于它具有很多優(yōu)點(diǎn),并且有其特殊性,對(duì)于它的測(cè)量,必須采取有效的方法,才能正確應(yīng)用。文章根據(jù)雙電層電容器的特點(diǎn),通過對(duì)多種測(cè)量方法的比較,采用合理的方法對(duì)電容量進(jìn)行測(cè)量。

        關(guān)鍵詞:雙電層電容器;恒流充放電模式;測(cè)量

        1 電容器電容量測(cè)量的一般方法

        1.1 橋路測(cè)量法

        這種方法可以通過交流電橋測(cè)量電容量和損耗因數(shù)。在串聯(lián)電橋中,通過調(diào)節(jié)使電橋平衡,計(jì)算Cx值,這種電橋適用于測(cè)量損耗小的電容器。在并聯(lián)電橋中,通過調(diào)節(jié)使電橋平衡,計(jì)算Cx值,這種電橋適于測(cè)損耗大的電容。這兩種方法,實(shí)際上都無法直接測(cè)得電容值,而是通過間接量的測(cè)量來算出電容值,存在很大的誤差。

        1.2 諧振法測(cè)量電容量

        這種方法將交流電壓表標(biāo)準(zhǔn)電感L和被測(cè)電容Cx連接成并聯(lián)電路,其中C0為標(biāo)準(zhǔn)電感的分布電容。調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率,使并聯(lián)電路諧振即電流電壓表讀出最大值,確定電壓表讀數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)源頻率f0,可計(jì)算被測(cè)Cx值。這種方法可以粗略地算出電容值,對(duì)于精度要求高的場(chǎng)合不適用。

        1.3 恒流法測(cè)電容量

        根據(jù)電容量的定義式,當(dāng)電流恒定時(shí),電壓也恒定,因此C與T成正比關(guān)系。在電容的等效串聯(lián)電阻恒定的情況下,只要對(duì)電容充電直到充滿為止,即可測(cè)出電容量。這種方法對(duì)于一般的電容器可以使用,但是對(duì)于雙電層電容器是不適用的。一雙電層電容器容量大,不容易選擇合適的充電電壓來保證有效時(shí)間內(nèi)充電結(jié)束;二雙電層電容器的ESR是個(gè)變化值,電容與時(shí)間的比例常數(shù)是個(gè)不確定值,無法建立確定的函數(shù)關(guān)系來表示C與T,不能完成精確的測(cè)量。

        1.4 恒壓法測(cè)量電容量

        這種方法也是根據(jù)電容量的定義式,其中RC是外電阻與ESR之和,不同的ESR引起不同的偏差造成電容測(cè)量值的誤差。在于不同的ESR造成電荷與電壓曲線的線性度不好,由于溫度與電流的變化引起ESR的變化,在對(duì)電容充電時(shí)充電時(shí)間不確定。

        綜上所述,這些普通測(cè)量方法對(duì)于雙電層電容器的容量測(cè)量是不適用的,必須選擇一種合適的測(cè)量方法,既可以適應(yīng)雙電層電容器的測(cè)量,又有其一般性,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電容量準(zhǔn)確的測(cè)量。

        2 恒流充放電法測(cè)量電容量

        2.1 超級(jí)電容器充放電時(shí)間

        超級(jí)電容器可以快速充放電,峰值電流僅受其內(nèi)阻限制。實(shí)際上決定于電容器單體大小,對(duì)于匹配負(fù)載,小單體可放10A,大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是溫度,反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高,最終導(dǎo)致斷路。

        超級(jí)電容器的電阻阻礙其快速放電,超級(jí)電容器的時(shí)間常數(shù)τ在1-2s,完全給阻-容式電路放電大約需要5τ,也就是說如果短路放電大約需要5-10s。

        2.2 設(shè)計(jì)方案

        此方法采用恒流充放電模式以實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器電容量的測(cè)量,尤其是對(duì)雙電層電容器的電容量測(cè)量,即大電容量的測(cè)量。

        這種方法是根據(jù)電容器容量的不同,分成不同檔位,應(yīng)用不同的電流對(duì)外測(cè)電容進(jìn)行恒流充電直到充滿為止。這時(shí)根據(jù)電容量的定義式:

        可見,電容器的電容量是一定值,若當(dāng)充電電流為恒定時(shí),電容器的電容量將由時(shí)間與電壓的變化來確定,并且會(huì)呈現(xiàn)一種很好的線性關(guān)系,這就可以得到一種輕松的方法來測(cè)量電容器的電容量。

        從前面的介紹中可知,雙電層電容器的耐壓很低,因此上門限值也不能選的太高,并且由于ESR的影響,ESR是一個(gè)不確定值,不同的雙電層電容器的ESR不同,因此下門限又不能選的太低。測(cè)量時(shí)首先對(duì)電容器充電,由于ESR的影響,電容端電壓起點(diǎn)不為零,此方法方案的提出是在一系列的測(cè)量比較基礎(chǔ)上論證得到,也正是利用這一特點(diǎn),為避免誤差的產(chǎn)生,可以選擇下門限為1.25V。

        選擇上門限值為2.5V,在這段時(shí)間內(nèi)記數(shù),最大充電電壓工作值選為3V。這樣選取的原因是由于電容器的漏電流問題,如果選擇2.5V即停止充電,很可能由于漏電流的原因,使電容端電壓下降,一旦降到1.25V以下,電容器將重新開始充電,重新記數(shù),如此反復(fù)則影響測(cè)量結(jié)果,因此選擇大電壓門限對(duì)電容器充電,使其端電壓不至下降太快而影響測(cè)量結(jié)果。

        2.3 門限電壓

        因此最后確定門限值如下:

        1.25V為下門限;2.5V為上門限;3V為最大工作電壓。

        即,測(cè)量電路將從1.25V開始記數(shù),當(dāng)U上升為2.5V時(shí)停止記數(shù),當(dāng)U=3V時(shí)電路停止工作,此測(cè)量結(jié)果在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)過反復(fù)測(cè)量論證,結(jié)論符合測(cè)量要求,滿足測(cè)量精度要求。

        3 結(jié)束語

        電容量測(cè)試儀為測(cè)量大容量的雙電層電容器帶來了方便,同時(shí)也為其他類型電容器的測(cè)量提出了一種新的方法。恒流充放電模式根據(jù)電容的特性而制成,它比其他的方法更適合電容量的測(cè)量,它的原理簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)思路清晰,制作方便,無須特殊器件??梢宰鳛楫a(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)踐中,實(shí)現(xiàn)批量化的生產(chǎn),為用戶創(chuàng)造價(jià)值。經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn),即對(duì)具體的電容量進(jìn)行測(cè)量正反兩方面的充放電反復(fù)測(cè)量,證明完全滿足各項(xiàng)指標(biāo)及要求,并達(dá)到的高精度,實(shí)現(xiàn)了高性能。此設(shè)計(jì)方案具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值,值得推廣。

        綜上所述,此方法無論從實(shí)驗(yàn)角度,還是從使用角度,都滿足應(yīng)用的要求,因此在組裝調(diào)試過程及實(shí)際應(yīng)用中所應(yīng)用的技術(shù)都是有價(jià)值的,在應(yīng)用于大容量電容的測(cè)量中需加大充電電流,因此此方法還需要進(jìn)一步完善,提高精度及有效位等。

        參考文獻(xiàn)

        [1]陳永真.電容器及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,2005.

        [2]毛興武,張傳敬.一種新型儲(chǔ)能元件—超級(jí)電容器[J].電子世界,2008:27-30.

        [3]陳永真.電容器手冊(cè)[M].科學(xué)出版社,2008:9.

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