DE2052251C - Schaltungsanordnung zur Nach bildung einer Solarzellenkennhnie mit Hilfe eines Feld Effekt Transis tors - Google Patents

Description

und durch die Anordnung von Widerständen parallel oder in Reihe zum Feld-Effekt-Transistor möglich.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß keine konstante Stromquelle und keine Heiz- und Regeleinrichtung zur Temperaturkonstanthaltung des Referenzelementes notwendig sind. Auch ist keine große Spannungsverstärkung erforderlich, da der Feld-Effekt-Transistor eine verhältnismäßig große Ausgangsspannung aufweist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber den bekannten Schaltungsanordnungen liegt darin, daß eine bessere und genauere Nachbildung der Kennlinienform im statischen und dynamischen Bereich möglich ist. Weiterhin benötigt der erfindungsgemäße Solarzellengeneratorsimulator weniger Bauelemente und kann dadurch sowohl billiger als auch in seinen Abmessungen kleiner gebaut werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 zwei Kennlinien,

F i g. 2 ein Blockschaltbild und

F i g. 3 ein Schaltbild.

In F i g. 1 sind die Kennlinien zweier Solarzellen, die zusammen hergestellt worden sind, graphisch dargestellt. Auf der Ordinate der graphischen Darstellung ist der Strom/ und auf der Abzisse die Spannung Ό aufgetragen. Aus dem Kennlinienverlauf ist ersichtlich, daß die Stromweite bei zunehmenden Spannungswerten abnehmen, und zwar fallen die Kennlinien bis etwa 0,45 Volt sehr flach ab, während nach dem Erreichen von 0,45 Volt ein sehr steiler Abfall erfolgt. Es ist bemerkenswert, daß die beiden Kennlinien einen stark voneinander abweichenden Verlauf aufweisen, obwohl beide Solarzellen zusammen hergestellt worden sind. Die unterschiedlichen Kennlinienverläufe sind auf verschieden große Leckströme und Reihenwiderstände der Solarzellen zurückzuführen.

In F i g. 2 ist ein Funktionsgeber mit 1 bezeichnet, der eine entsprechend der theoretisch bekannten Kennlinie eines Solarzellengenerators sich einstellende Ausgangsspannung u_st liefert. Diese Ausgangsspannung u_st wird mittels des Spannungsverstärkers 2 verstärkt. Der Stromuntersetzer 4 untersetzt den Laststrom iu der sich durch den Lastwiderstand 3 einstellt, auf einen Steuerstrom

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worin Ü das Übersetzungsverhältnis des Stromuntersetzers bezeichnet und nach dem gewünschten Kurzschlußstrom Werte zwischen 10* und 1 annehmen kann. Der Steuerstrom i,t wird dem Steuereingang des Funktionsgebers 1 zugeführt. Die Simulatorausgangsspanniing i/_s(m ist über dem Lastwiderstand 3 an den Punkten 5 abgreifbar. Ein mit 6 gekennzeichnetes Stromversorgungsgerät liefert die erforderliche elektrische Leistung.

Aus F i g. 3 sind die Schaltbilder des Funklionsgebers 1, des Spannungsverstärkers 2 und des Stromuntersetzers 4 sowie die Verschaltung dieser einzelnen Bauelemente untereinander ersichtlich. Zur Erzeugung seiner Versorgungsspannung weist der Funktionsgeber 1 eine Zener-Diode 7 und ein parallel zur Zener-Diode 7 angeordnetes Potentiometer 8 auf, an dessen Schleifer die Basis eines Transistors 9 angeschlossen ist. In Reihe zur Zener-Diode 7 liegt ein Widerstand 10, und mit dem Kollektor des Transistors 9 ist ein Widerstand elektrisch leitend verbunden. Die Widerstände 10 und 11 liegen außerdem an einem gemeinsamen Netzstrang. Die konstante Funkuonsgeberspannung kann mittels des Potentiometers 8 variiert werden.

Von der Funktionsgeberspannur.g wird die Drain-Source-Spannung eines Feld-Effekt-Transistors 12 abgezogen, dessen Drain-Kontakt mit dem Emitter des Transistors 9 in elektrisch leitender Verbindung steht.

ίο Parallel zum Feld-Effekt-Transistor 12 ist ein Potentiometer 13 angeordnet, das ebenfalls am Emitter des Transistors 9 angeschlossen ist und außerdem in Reihe mit einem Potentiometer 14 liegt. An die Verbindungsleitung der Potentiometer 13 und 14 ist eine elektrische

t5 Leitung angeschlossen, die zu den miteinander kurzgeschlossenen Gate- und Source-Kontakten des Feld-Effekt-Transistors 12 führt. Weiterhin ist parallel zum Potentiometer 13 ein Widerstand 15 angeordnet, !n der vorliegenden Schaltung des Funktionsgebers wird

ao ein //-Kanal-Feld-Effekt-Transistor verwendet, jedoch kann die Schaltung auch mit einem /J-Kanal-Fe!d-Effekt-Transistor aufgebaut werden.

An den Funktionsgeber 1 ist der Spannungsverstärker 2 angeschlossen, in dem die Ausgangsspannung des Funktionsgebers mittels zweier Transistoren 16 und 17 derart verstärkt wird, daß die Ausgangsspannung unabhängig von Netzschwankungen der Eingangsspannung Uein ist. Mit dem Potentiometer 18, das zwischen dem Emitter des Transistors 17 und dem mit den Widerständen 10 und 11 des Funktionsgebers 1 verbundenen Netzstrang liegt, kann der Verstärkungsfaktor des Spannungsverstärkers 2 gewählt und somit die Leerlaufspannung Vi. eingestellt werden. Die Basis des Transistors 16 ist mit dem Potentiometer 14 des Funktionsgebers 1 elektrisch leitend verbunden. Je nachdem, wieviel Strom am Lastwiderstaiul 3 benötigt wird, kann der Emitterfolger 19 in mehrere Stufen aufgeteilt sein. Im Spannungsverstärker 2 sind weiterhin noch die Gegenkopplungs- und Arbeitswiderstände 20, 21, 22 und 23 vorgesehen.

Der Stromuntersetzer 4 weist einen Transistor 24 auf, an dessen Emitter ein Potentiometer 25 angeschlossen ist, das sowohl mit dem zweiten Netzstrang der Eingangsspannungsquelle als auch über einen Widerstand 26 mit dem Lastwiderstand 3 elektrisch leitend verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 24 ist an das Potentiometer 14 des Funktionsgebers I angeschlossen. Die Basis des Transistors 24 ist mit dem Durchlaßeingang einer Diode 27 und mit einem Widerstand 28 verbunden, der außerdem an den durch die Verbindungsleitungen der Zener-Diode 7 des Potentiometers 8 und des Widerstandes 10 des Funktionsgebers 1 gebildeten Knotenpunkt geführt ist.
Die Nachbildung der Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarzellengcnerators wird dadurch erreicht, daß von der konstanten Funktionsgeberspannung die vom untersetzten Laststtom abhängige Drain-Source-Spannimg Uds des Feld-Effekt-Transistors abgezogen wird. Hierbei wird die Gate-Source-Spannung Uns des Feld-Effekt-Transistors 12 konstant gehalten. Je nachdem wie groß der Steuerstrom 1Ή1 ist, der dem Feld-Effekt-Transistor 12 eingeprägt wird, fällt über der Drain-Source-Strecke des Feld-Effckt-Transistors 12 eine seinem Kennlinicnfcld entsprechende Spannung ab, die der Kennlinie eines Solargenerators sehr ähnlich ist. Die Ausgangsstciierspannung t/_s< ist dann gleich der Differenz aus der variierbaren Konstantsnannunii und aus der Drain-Source-Snannuiiü i/n.-

des Feld-Effekt-Transistors 12. Die Form der FeId-Effekt-Transistorkennlinie kann durch die Potentiometer 13 und 14 verändert werden.

Im Stronuinlersetzer 4 ist die Basis des Transistors24 durch die Diode 27 so weit vorgespannt, daß auch schon dann ein gegenüber dem Sättigungsstrom des Feld-Effekt-Transistors 12 sehr kleiner Strom fließt, wenn kein Laststrom /;. vorhanden ist. Fließt nun ein Laststrom //„ so stellt sich der Steuerstrom /„< im Verhältnis der Widerstände 26 zu 25 ein. Mit dem Potentiometer 25 kann das Übersetzungsverhältnis geändert werden und im Zusammenhang mit dem Sälligungsstrom des Feld-Effekt-Transistors der Kurzschlußslrom /« eingestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

schaltung von Dioden über Widerstände eine bePatentansprüche: stimmte Spannung anliegt. An den Dioden sind dann verschieden große, gegen ein Bezugspotential ge-

1. Schaltungsanordnung zur Nachbildung der messene Spannungen abnehmbar, mit denen die Strom-Spannungs-Kennlinien von Solarzellengene- 5 Kennlinien von Solarzellen nachgebildet werden ratoren auf statische und dynamische Weise, wobei können. Hierzu wird infolge des niederohmigen Ausdie Leerlaufspannung, die Form des Kennlinien- gangs des Simulators eine Leistungsverstärkung mittels Verlaufes, der Kurzschlußstrom mit Hilfe eines eines Impedanzwandlers vorgenommen. Bei diesen Stromuntersetzers, der ein dem Strom proportio- Simulatoren sind nur der Kurzschlußstrom und die nales Steuersignal an einen Funktionsgeber abgibt, io Leerlaufspannung von außen einstellbar, während die und eine der Kennlinie des Solarzellengenerators Form des Kennlinienverlaufes nach Fertigstellung proportionale Spannung von dem Funktionsgeber der Simulatoren nur noch durch einen Eingriff in die einstellbar sind, dadurch gekennzeich- Geräte selbst veränderbar ist.

net, daß ein Feld-Effekt-Transistor(12) als Re- Es ist eine Einrichtung zur Simulation der Spanferenzelement vorgesehen ist, dessen vom unter- 15 nungs-Strom-Kennlinien von Fotozellen, insbesondere setzten Laststrom abhängige Drain-Source-Span- von Solarzellen bekannt, die eine konstante Stromnung((/ßs) von einer konstanten Spannung ab- quelle! eine Parallelschaltung von zwei veränderlichen ziehbar ist, die durch eine Zener-Diode (17), ein Widerständen und mehrerer Dioden aufweist. Die Potentiometer (8) und einen Transistor (9) variier- Dioden liegen in einem Schaltungszweig mit einem bar gegeben ist, und daß mit der Verstärkung des ao weiteren veränderlichen Widerstand und einer ver-Spannungsverstärkers (2) dieLeerIaufspannung(t/t) änderlichen Vorspannungs-Versorgungsquelle in Reihe, und mit dem Übersetzungsverhältnis (Ü) des Mit Hilfe eines mechanischen Wahlschalters kann eine Stromuntersetzers (4) der Kurzschlußstrom (/*) ein- verschieden große Anzahl von Dioden auf die Hauptstellbar sind. leitungen geschaltet werden. Da der gesamte von der

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ge- as Stromquelle gelieferte Strom gleich der Summe der kennzeichnet durch eine konstante Spannung Ströme in den parallelen Schaltungszweigen ist. zwischen Gate- und Source-Kontakt des Feld- bewirkt eine Zu- oder Abschaltung der Dioden eine Effekt-Transistors (12). Änderung des Stromes und der Spannung über dem

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 Belastungswiderstand. Die Größe der Vorspannungsund 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ver- 30 Versorgungsquelle ist ein Faktor zur Strombestimmung änderung der Kennlinienform durch Variation des durch den Diodenzweig fließenden Stromes. Durch der Funktionsgeber-Versorgungsspannung und Änderung der Anzahl der Dioden, der Vorspannung durch die Anordnung von Widerständen (14,15) oder der Widerstände ist es möglich, den Ausgangsparallel oder in Reihe zum Feld-Effekt_:Transistor strom und die Ausgangsspannung der Schaltungs-(12) möglich ist. · 35 anordnung zu kontrollieren und die Spannungs-Strom-Kennlinien einer Fotozelle zu simulieren.

Weiterhin ist ein Verfahren zur elektronischen

Simulation der Kennlinien von Solarzellen und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens be-

Die Erfindung befaßt sich mit einer Schaltungs- 40 kannt, mit deren Hilfe bei jeder beliebigen Temperatur

anordnung zur Nachbildung der Strom-Spannungs- und jedem beliebigen Lichteinfallswinkel die Kenn-

Kennhnien von Solarzellengeneratoren auf statische linien erstellt werden können. Eine verdunkelte,

und dynamische Weise, wobei die Leerlaufspannung, temperaturgeregelte Solarzelle wird als Kontroll·

die Form des Kennlinienverlaufes, der Kurzschluß- element verwendet und von einem Shuntregler, der

strom mit Hilfe eines Stromuntersetzers, der ein dem 45 mit einer konstanten Stromquelle verbunden ist.

Strom proportionales Steuersignal an einen Funktions- scheinbar erleuchtet. Es werden die grundsätzlicher

geber abgibt, und eine der Kennlinie des Solarzellen- Strom-Spannungs-Kennlinien einer erleuchteten Solar-

generators proportionale Spannung von dem Funk- zelle erzeugt,

tionsgeber einstellbar sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Solarzellen finden vor allen Dingen in der Weltraum- 50 Schaltungsanordnung für die Nachbildung von Stromtechnik als fotoelektrische Generatoren Verwendung. Spannungs-Kennlinien von Solarzellengeneratoren zi Gleiche Solarzellen weisen infolge von Leckströmen schaffen, bei der nach Fertigstellung sowohl dei und unterschiedlichen Reihenwiderständen verschie- Kurzschlußstrom und die Leerlaufspannung als auch dene Strom-Spannungs-Kennlinien auf. Im allgemeinen die Form der Kennlinie von außen leicht einstellbai stehen für Untersuchungszwecke Solarzellengenera- 55 sind. Weiterhin sollen auch eine statische und ein« toren während der Entwicklung von Schaltelementen, dynamische Nachbildung der Kennlinien möglich sein die z. B. zu einem mit elektrischer Energie zu ver- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst sorgenden Satellitensystem gehören, in der benötigten daß ein Feld-Effekl-Transistor als Referenzelemen Stückzahl aus Kosten- und/oder Termingriinden nicht vorgesehen ist, dessen vom untersetzten Laststrorr zur Verfügung. Daher benötigt man für derartige 60 abhängige Drain-Source-Spannung von einer kon Zwecke eine Spannungsquelle, mit der es möglich ist, stanten Spannung abziehbar ist, die durch eine Zener die voiher bekannte theoretische Strom-Spannungs- Diode, ein Potentiometer und einen Transistor variier Kennlinie des später eingesetzten Solarzellengenerators bar gegeben ist, und daß mit der Verstärkung de: statisch und dynamisch auf elektronischem Wege Spannungsverstärkers die Leerlaufspannung und mi nachzubilden. Eine derartige Spannungsquelle wird 65 dem Übersetzungsverhältnis des Stromuntersetzers de als Solarzellengeneratorsimulator bezeichnet. Kurzschlußstrom einstellbar sind.

Es sind Simulatoren zur Nachbildung von Solar- Eine Veränderung der Kennlinienform ist durcl

Zellenkennlinien bekannt, bei denen an einer Reihen- Variation der Funktionsgeber-Versorgungsspannunj