电容器特性影响能量收集效率

对于能量收集，电容器的选择需要仔细考虑的特性超出了简单的电容值。在这些特点中，漏电流仍然是一个主要问题。
电容器经常出现在许多设计情况事后，添加到电路清理信号和电源。在信号采集，电容器发挥了更核心的作用，在过滤掉带源和采样和保持阶段的模拟/数字转换器。在能量采集的应用，但是，电容器提供了一个重要的组成部分，从低能量的环境源的累积电荷和放电存储电荷快速，有效地在负载。在这些应用中，电容器特性和元件选择作为设计中的重要因素。

在他们传统的电路设计中的角色，电容器被认为是恒定电容元件的滤波，去耦，和任何其他熟悉的用途，这些设备。对于这些目的，一个理想的电容器和一个真正的电容器的特性之间的差异通常不会大大影响他们的能力，以充分填充它们的作用。对于能量采集的应用，但是，从一个理想的电容器的偏离显着影响整个设计的效率。

常见的影响（图1），等效串联电阻（ESR）和漏电流控制的非理想特性，能够降解效率的数组。高ESR引起电容器消耗功率，特别是当受到高交流电流。因此，在能量收集系统整体效率较高的低ESR电容的使用效果。漏电流产生了更深远的影响，在设计中使用非常低的能量环境源-和上升为一个显着的限制，在能源收获设计的电容器适用于更熟悉的类型。

图1：在能量收集应用，等效串联电阻（ESR）和并联电阻（RL）的功率损耗，导致整体效率的结果。

对于任何电容器，漏电流的量取决于各种因素和变化的时间，电压和温度（图2）。从这一刻起，它完全充电，一个电容器表现出一个相对大的电流流，最初，直到它最终达到一个较低的恒定值。由于所需的时间达到这个恒定的水平，行业惯例通常依赖于测量泄漏电流采取后，只有几分钟。因为在量化的非理想特性的电容器的困难，一些厂家将泄漏电流、ESR和ESL结合成一个单一的值称为损耗因子，即能源消耗每周期的能量储存在每周期的影响比，衡量一个电容器失效。

图2：电容器的漏电流取决于各种因素，包括时间（A）、电压（B）和温度（C）

随着工作电压的漏电流也增大（UB图2b）；当外加电压超过额定电压显著上升（UR图2b）和通过的浪涌电压，我们最终完成电压（UF在图2b）电容器的阳极。在浪涌电压，物理和化学反应的水平可以发生在电容器。其结果是，电容器通常不在额定电压以上的水平运行。最后，由于温度对电容器的物理化学反应的影响，漏电流会随着温度的升高而升高。

泄漏电流是所有电容器类型的特性，但一些类型的传统表现出比其他的更大的泄漏电流。例如，电解电容器是设计的主力但泄漏特性已被使用在有限的功率预算设计问题。提供高电容值和处理高电压和电流的能力，电解电容器填补了一个作用，从使用作为一个基本的去耦或过滤组件在传统的设计工作在太阳能逆变器的功率调节阶段使用。

在过去，电解电容器表现出显着的漏电流，很大程度上排除了它们的使用在能量收集从弱能量源。今天，然而，在材料科学的进步和制造使制造商能够提供tantalum-mno2电容线，表现出显着较低的泄漏电流。例如，在低几十纳安在AVX TRJ线或KEMET的T491线特征的漏电流电容器。

虽然更先进的钽电解电容器可以满足效率的要求，在能源收获设计，其他电容器技术，如膜电容器和陶瓷电容器提供了一个组合的小封装尺寸和性能效率（图3）。随着这些设备通常具有低ESR，更长的寿命比电解电容额定值和较低的漏电流。例如，AVX公司1206yd226mat2a陶瓷电容器具有漏电流小于10 nA（3.5 V）和ESR约800倍（100赫兹）。陶瓷电容器具有非常紧密的公差；例如，村田公司陶瓷电容器系列包括如grm0335c1er10wa01d特征公差±0.05 pF的部分。

图3：阻抗Z和等效串联电阻（ESR）电容器可以大大不同，在频率和电容式。

许多能量收集应用，双电层电容器（电容器），或超级电容器，已成为首选的解决方案，提供一个结合高容量、效率、和小封装尺寸，常规电容器技术很少能够匹配。超级电容器的家庭，如麦斯威尔技术K2，联合化工dlcap，超级电容的ESR和公司提供低于1倍电容值从650 F 60毫米x 72毫米和更大的包。同时，设计师们寻找一个更小的足迹可以找到超级电容器的设计提供了重要的电容值很小的包。例如，精工仪器cph3225a和Taiyo Yuden PAS系列特点11 MF和14 MF组件在3.2毫米x 2.5毫米的封装。

虽然超级电容器提供卓越的能量密度，其特性曲线可以更复杂。超级电容器将几个电容，从而导致了比较显著的总泄漏电流的装置（图4）。其结果是，设计人员可以发现，他们需要接受的能量损失的程度，由于漏电流，以获得非常高密度的能量存储能力，可与这些组件。

图4：超级电容器是由多个电容器（A），每个有助于整体的漏电流（B）。

总之，不同于传统的应用程序，设计，从低能量的环境源的收获能量需要的组件，自己在操作过程中消耗的小功率。虽然设计人员可能已经取消了电解电容器在过去的，因为它们相对高的漏电流，制造商今天提供的特点以及与许多能量收集应用的电解电容器。而替代技术，如薄膜电容器、陶瓷电容器提供了改进的性能，紧凑的尺寸和高的电容，超级电容器提供高能量密度在高漏和ESR的成本。