法拉電容原理

　　法拉電容、超級電容器是一種電容量可達數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。

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

　　當二個電極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷不會脫離電解液，超級電容器處在正常工作狀態（通常在3 V以下），如果電容器二端電壓超過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。隨著超級電容器的放電，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液界面上的電荷響應減少。由此可以看出超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩定的，與利用化學反應的蓄電池不同。

　　超級電容器也屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產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的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。傳統物理電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離，兩塊極板之間為真空（相對介電常數為1）或一層介電物質（相對介電常數為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為介質厚度

　　所儲存的能量為：

　　E = 1/2 C （ΔV）2

　　其中C為電容值，ΔV為極板間的電壓降。可見，若想獲得較大的電容量、儲存更多的能量，必須增大面積A或減少介質厚度。

　　雙電層電容器中，采用活性炭材料制作成多孔電極，同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而電解質溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個集電層，相當于兩個電容器串聯，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厚度d），根據前面的計算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統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行大電量的儲能成為可能。

　　產品分類：

　　超級電容器完全不同于傳統的電解電容器，由于特殊的原材料、特殊的制作方法，其單體容量能夠超過傳統電容器的1000倍以上，在0.6升的體積內就能夠達到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力電源。超級電容器滿足了市場對高頻率、大強度、高循環次數、并符合環保政策的動力電源的需求，在機械、電子、汽車、太陽能等領域有著極好的發展前景。

　　產品特性：

　　產品的技術特性

　?。?）充電速度快，充電10秒~10分鐘可達到其額定容量的95％以上；

　　（2）循環使用壽命長，深度充放電循環使用次數可達1~50萬次；

　　（3）能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環效率≥90%；

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

　?。?）產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環保電源；

　?。?）安全系數高，長期使用免維護；

　?。?）超低溫特性好，可工作于攝氏零下30℃的環境中；

　　（8）檢測方便，剩余電量可直接讀出。

　　法拉電容從容實現單片機掉電數據保存

　　電路見下：這里首先用6V供電（如7806），為什么用6V不用5V是顯而易見的。這里的二極管們一般都起兩個作用，一是利用單向導電性保證向儲能電容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51系列的單片機都能在4.5V--5.5V之間的標稱工作電壓下工作。而4.5-5.5間這1V電壓在0.47F電容的電荷流失時間就是我們將來在掉電報警后我們可以規劃的預警回旋時間。

　　兩只47歐電阻也有兩個作用：

　　1：和47UF和0.01UF電容一起用于加強電源濾波。

　　2.對單片機供電限流

　　一般電子工程師都喜歡把單片機電源直接接7805上，這是個非常不好的習慣，為什么？7805可提供高達2A的供電電流，異常時足夠把單片機芯片內部燒毀。有這個電阻47歐姆電阻擋作及時把芯片或者極性插反也不會燒單片機和三端穩壓器，但這電阻也不能太大，上限不要超過220歐，否則對單片機內部編程時，會編程失?。ㄆ鋵嵤请娫床蛔悖?/p>

　　3.對0.47F/5.5V儲能電容，串入的這只47歐電阻消除“巨量法拉電容”的上電浪涌。實現沖電電流削峰

　　大家算一算要充滿0.47F電容到5.5V，即使用5.5A恒流對0.47F電容沖電，也需要0.47秒才能沖到5.5V，既然知道了這個問題，大家就清楚：

　　1.如果沒有47歐姆電阻限流，上電瞬間三端穩壓器必然因強大過電流而進入自保。

　　2.長達0.47秒（如果真有5.5A恒流充電的話）緩慢上電，如此緩慢的上電速率，將使得以微分（RC電路）為復位電路的51單片機因為上電太慢無法實現上電復位。（其實要充滿0.47UF電容常常需要幾分種）。

　　3.正因為上電時間太慢，將無法和今天大多數主流型以在線寫入（ISP）類單片機與寫片上位計算機軟件上預留的等待應答時間嚴重不匹配（一般都不大于500MS），從而造成應答失步，故總是提示“通信失敗”。

　　知道這個道理你就不難理解這個電路最上面的二極管和電阻串聯起來就是必須要有上電加速電路。這里還用了一只（內部空心不帶藍色的）肖特基二極管（1N5819）從法拉電容向單片機VCC放電，還同時阻斷法拉電容對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的電壓損失。多留掉點維持時間。

　　三極管9014和鉗制位二極管分壓電阻墊位電阻（470歐姆）等構成基極上發射極雙端輸入比較器，實現掉電檢測和發出最高優先級的掉電中斷，這部分電路相當于半只比較器LM393，但電路更簡單耗電更?。ǖ綦姇r耗電小于0.15MA）。

　　47K電阻和470歐姆二極管1N4148一道構成嵌位電路，保證基極電位大約在0.65V左右 （可這樣計算0.6（二極管導通電壓）+5*0.47/47），這樣如果9014發射極電壓為0（此時就是外部掉電），三極管9014正好導通，而且因為51單片機P3.2高電平為弱上拉（大約50UA），此時9014一定是導通且弱電流飽和的，這樣就向單片機內部發出最高硬件優先級的INX0掉電中斷。

　　而在平時正常供電時，因發射極上也大約有6*0.22/2.2=0.6V電壓上頂，不難發現三極管9014一定處于截止狀態，而使P3.2維持高電平的。

　　下面還有兩個重要軟硬件要點和建議：

　　1.硬件要點：凡是驅動單片機外部口線等的以輸出高電平驅動外部設備，其電源不能和電片機的供電電壓VCC去爭搶（例如上拉電阻供電不取自單片機VCC）。而應直接接在電源前方，圖中4.7K電阻和口線PX.Y就是一個典型示例，接其它口線PX.Y‘和負載也雷同。這里與上拉4.7K電阻相串聯二極管也有兩個作用：

　　1.鉗去0.6V電壓以便與單片機工作電壓相匹配，防止口線向單片機內部反推電。造成單片機口線功能紊亂。

　　2.利用二極管單向供電特性，防止掉電后單片機通過口線向電源和外部設備反供電。

　　上面的硬件設計，在與軟件結合起來（見下面敘述）就可以保證在掉電期間，不會因法拉電容上的積累電荷為已經掉電的外部電路無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間。

　　2.軟件要點：首先INX0在硬件上（設計）是處于最高優先級的，這里還必須要在軟件保證最高級別的優先。從而確保掉電時外部中斷0能打斷其他任何進程，最高優先地被檢測和執行。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

　　來阻斷法拉電容的電荷通過單片機口線外泄和隨后跳轉掉電寫入子程序模塊。（見硬件要點）

　　有了上面的預備和細節處理，下面我們信心百倍地一道來計算0.47UF的電容從5.5V跌落到4.5V（甚至可以下到3.6V）所能維持的單片機掉電工作時間。

　　這里設單片機工作電流為20MA（外設驅動電流已經被屏蔽）不難算出：

　　T=1V*0.47*1000（1000是因為工作電流為豪安）/20=23.5秒?。。。。?/p>