法拉電容原理

　　法拉電容、超級(jí)電容器是一種電容量可達(dá)數(shù)千法拉的極大容量電容器。電容量取決于電極間距離和電極表面積，為了得到如此大的電容量，要盡可能縮小超級(jí)電容器電極間距離、增加電極表面積，為此，采用雙電層原理和活性炭多孔化電極。

　　超級(jí)電容器雙電層介質(zhì)在電容器的二個(gè)電極上施加電壓時(shí)，在靠近電極的電介質(zhì)界面上產(chǎn)生與電極所攜帶的電荷極性相反的電荷并被束縛在介質(zhì)界面上，形成事實(shí)上的電容器的二個(gè)電極。很明顯，二個(gè)電極的距離非常小，只有幾nm．同時(shí)活性炭多孔化電極可以獲得極大的電極表面積，可以達(dá)到2000 m2/g。因而這種結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器具有極大的電容量并可以存儲(chǔ)很大的靜電能量。就儲(chǔ)能而言，超級(jí)電容器的這一特性介于傳統(tǒng)電容器與電池之間。

　　當(dāng)二個(gè)電極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上的電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器處在正常工作狀態(tài)（通常在3 V以下），如果電容器二端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位，那么，電解液將分解，處于非正常狀態(tài)。隨著超級(jí)電容器的放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同。

　　超級(jí)電容器也屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類(lèi)的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。傳統(tǒng)物理電容中儲(chǔ)存的電能來(lái)源于電荷在兩塊極板上的分離，兩塊極板之間為真空（相對(duì)介電常數(shù)為1）或一層介電物質(zhì)（相對(duì)介電常數(shù)為ε）所隔離，電容值為：

　　C = ε？A / 3.6 πd ？10-6 （μF）

　　其中A為極板面積，d為介質(zhì)厚度

　　所儲(chǔ)存的能量為：

　　E = 1/2 C （ΔV）2

　　其中C為電容值，ΔV為極板間的電壓降?？梢?jiàn)，若想獲得較大的電容量、儲(chǔ)存更多的能量，必須增大面積A或減少介質(zhì)厚度。

　　雙電層電容器中，采用活性炭材料制作成多孔電極，同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液，當(dāng)在兩端施加電壓時(shí)，相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子，而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上，從而形成兩個(gè)集電層，相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)，如圖所示：

　　由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積（即獲得了極大的電極面積A），而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm（即獲得了極小的介質(zhì)厚度d），根據(jù)前面的計(jì)算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，從而使利用電容器進(jìn)行大電量的儲(chǔ)能成為可能。

　　產(chǎn)品分類(lèi)：

　　超級(jí)電容器完全不同于傳統(tǒng)的電解電容器，由于特殊的原材料、特殊的制作方法，其單體容量能夠超過(guò)傳統(tǒng)電容器的1000倍以上，在0.6升的體積內(nèi)就能夠達(dá)到10000F以上的容量，兼具電池與電容的雙重特性，成為一種性能極佳的動(dòng)力電源。超級(jí)電容器滿(mǎn)足了市場(chǎng)對(duì)高頻率、大強(qiáng)度、高循環(huán)次數(shù)、并符合環(huán)保政策的動(dòng)力電源的需求，在機(jī)械、電子、汽車(chē)、太陽(yáng)能等領(lǐng)域有著極好的發(fā)展前景。

　　產(chǎn)品特性：

　　產(chǎn)品的技術(shù)特性

　　（1）充電速度快，充電10秒~10分鐘可達(dá)到其額定容量的95％以上；

　?。?）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1~50萬(wàn)次；

　?。?）能量轉(zhuǎn)換效率高，過(guò)程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%；

　?。?）功率密度高，可達(dá)300W/KG~5000W/KG，相當(dāng)于電池的5~10倍；

　?。?）產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；

　?。?）安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)；

　?。?）超低溫特性好，可工作于攝氏零下30℃的環(huán)境中；

　　（8）檢測(cè)方便，剩余電量可直接讀出。

　　法拉電容從容實(shí)現(xiàn)單片機(jī)掉電數(shù)據(jù)保存

　　電路見(jiàn)下：這里首先用6V供電（如7806），為什么用6V不用5V是顯而易見(jiàn)的。這里的二極管們一般都起兩個(gè)作用，一是利用單向?qū)щ娦员ＷC向儲(chǔ)能電容0.47F/5.5V單向沖電;二是起鉗位作用，鉗去0.6V，保證使大多數(shù)51系列的單片機(jī)都能在4.5V--5.5V之間的標(biāo)稱(chēng)工作電壓下工作。而4.5-5.5間這1V電壓在0.47F電容的電荷流失時(shí)間就是我們將來(lái)在掉電報(bào)警后我們可以規(guī)劃的預(yù)警回旋時(shí)間。

　　兩只47歐電阻也有兩個(gè)作用：

　　1：和47UF和0.01UF電容一起用于加強(qiáng)電源濾波。

　　2.對(duì)單片機(jī)供電限流

　　一般電子工程師都喜歡把單片機(jī)電源直接接7805上，這是個(gè)非常不好的習(xí)慣，為什么？7805可提供高達(dá)2A的供電電流，異常時(shí)足夠把單片機(jī)芯片內(nèi)部燒毀。有這個(gè)電阻47歐姆電阻擋作及時(shí)把芯片或者極性插反也不會(huì)燒單片機(jī)和三端穩(wěn)壓器，但這電阻也不能太大，上限不要超過(guò)220歐，否則對(duì)單片機(jī)內(nèi)部編程時(shí)，會(huì)編程失?。ㄆ鋵?shí)是電源不足）。

　　3.對(duì)0.47F/5.5V儲(chǔ)能電容，串入的這只47歐電阻消除“巨量法拉電容”的上電浪涌。實(shí)現(xiàn)沖電電流削峰

　　大家算一算要充滿(mǎn)0.47F電容到5.5V，即使用5.5A恒流對(duì)0.47F電容沖電，也需要0.47秒才能沖到5.5V，既然知道了這個(gè)問(wèn)題，大家就清楚：

　　1.如果沒(méi)有47歐姆電阻限流，上電瞬間三端穩(wěn)壓器必然因強(qiáng)大過(guò)電流而進(jìn)入自保。

　　2.長(zhǎng)達(dá)0.47秒（如果真有5.5A恒流充電的話(huà)）緩慢上電，如此緩慢的上電速率，將使得以微分（RC電路）為復(fù)位電路的51單片機(jī)因?yàn)樯想娞裏o(wú)法實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。（其實(shí)要充滿(mǎn)0.47UF電容常常需要幾分種）。

　　3.正因?yàn)樯想姇r(shí)間太慢，將無(wú)法和今天大多數(shù)主流型以在線(xiàn)寫(xiě)入（ISP）類(lèi)單片機(jī)與寫(xiě)片上位計(jì)算機(jī)軟件上預(yù)留的等待應(yīng)答時(shí)間嚴(yán)重不匹配（一般都不大于500MS），從而造成應(yīng)答失步，故總是提示“通信失敗”。

　　知道這個(gè)道理你就不難理解這個(gè)電路最上面的二極管和電阻串聯(lián)起來(lái)就是必須要有上電加速電路。這里還用了一只（內(nèi)部空心不帶藍(lán)色的）肖特基二極管（1N5819）從法拉電容向單片機(jī)VCC放電，還同時(shí)阻斷法拉電容對(duì)上電加速電路的旁路作用，用肖特基二極管是基于其在小電流下導(dǎo)通電壓只有0.2V左右考慮的，目的是盡量減少法拉電容在掉電時(shí)的電壓損失。多留掉點(diǎn)維持時(shí)間。

　　三極管9014和鉗制位二極管分壓電阻墊位電阻（470歐姆）等構(gòu)成基極上發(fā)射極雙端輸入比較器，實(shí)現(xiàn)掉電檢測(cè)和發(fā)出最高優(yōu)先級(jí)的掉電中斷，這部分電路相當(dāng)于半只比較器LM393，但電路更簡(jiǎn)單耗電更?。ǖ綦姇r(shí)耗電小于0.15MA）。

　　47K電阻和470歐姆二極管1N4148一道構(gòu)成嵌位電路，保證基極電位大約在0.65V左右 （可這樣計(jì)算0.6（二極管導(dǎo)通電壓）+5*0.47/47），這樣如果9014發(fā)射極電壓為0（此時(shí)就是外部掉電），三極管9014正好導(dǎo)通，而且因?yàn)?1單片機(jī)P3.2高電平為弱上拉（大約50UA），此時(shí)9014一定是導(dǎo)通且弱電流飽和的，這樣就向單片機(jī)內(nèi)部發(fā)出最高硬件優(yōu)先級(jí)的INX0掉電中斷。

　　而在平時(shí)正常供電時(shí)，因發(fā)射極上也大約有6*0.22/2.2=0.6V電壓上頂，不難發(fā)現(xiàn)三極管9014一定處于截止?fàn)顟B(tài)，而使P3.2維持高電平的。

　　下面還有兩個(gè)重要軟硬件要點(diǎn)和建議：

　　1.硬件要點(diǎn)：凡是驅(qū)動(dòng)單片機(jī)外部口線(xiàn)等的以輸出高電平驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，其電源不能和電片機(jī)的供電電壓VCC去爭(zhēng)搶?zhuān)ɡ缟侠娮韫╇姴蝗∽詥纹瑱C(jī)VCC）。而應(yīng)直接接在電源前方，圖中4.7K電阻和口線(xiàn)PX.Y就是一個(gè)典型示例，接其它口線(xiàn)PX.Y‘和負(fù)載也雷同。這里與上拉4.7K電阻相串聯(lián)二極管也有兩個(gè)作用：

　　1.鉗去0.6V電壓以便與單片機(jī)工作電壓相匹配，防止口線(xiàn)向單片機(jī)內(nèi)部反推電。造成單片機(jī)口線(xiàn)功能紊亂。

　　2.利用二極管單向供電特性，防止掉電后單片機(jī)通過(guò)口線(xiàn)向電源和外部設(shè)備反供電。

　　上面的硬件設(shè)計(jì)，在與軟件結(jié)合起來(lái)（見(jiàn)下面敘述）就可以保證在掉電期間，不會(huì)因法拉電容上的積累電荷為已經(jīng)掉電的外部電路無(wú)謂供電和向電源反供電造成電容能量泄放縮短掉電維持時(shí)間。

　　2.軟件要點(diǎn)：首先INX0在硬件上（設(shè)計(jì)）是處于最高優(yōu)先級(jí)的，這里還必須要在軟件保證最高級(jí)別的優(yōu)先。從而確保掉電時(shí)外部中斷0能打斷其他任何進(jìn)程，最高優(yōu)先地被檢測(cè)和執(zhí)行。其次在INX0的中斷程序入口，還要用：

　　MOV P1，#00H

　　MOV P2，#00H

　　MOV P3，#00H

　　MOV P0，#00H

　　SJMP 掉電保存

　　來(lái)阻斷法拉電容的電荷通過(guò)單片機(jī)口線(xiàn)外泄和隨后跳轉(zhuǎn)掉電寫(xiě)入子程序模塊。（見(jiàn)硬件要點(diǎn)）

　　有了上面的預(yù)備和細(xì)節(jié)處理，下面我們信心百倍地一道來(lái)計(jì)算0.47UF的電容從5.5V跌落到4.5V（甚至可以下到3.6V）所能維持的單片機(jī)掉電工作時(shí)間。

　　這里設(shè)單片機(jī)工作電流為20MA（外設(shè)驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)被屏蔽）不難算出：

　　T=1V*0.47*1000（1000是因?yàn)楣ぷ麟娏鳛楹腊玻?20=23.5秒！?。。。?/p>