DE2052251B2 - Schaltungsanordnung zur nachbildung einer solarzellenkennlinie mit hilfe eines feld-effekt-transistors - Google Patents

Description

• Eine Veränderung der Kennlinienform ist durch Variation der Funktionsgeber-Versorgungsspannung
• 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 Sola rzellengeneratorsimulator 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 1 und auf der Abzisse die Spannung U aufgetragen. Aus dem Kennlinienverlauf ist ersichtlich, daß die Stromwerte 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 Ust liefert. Diese Ausgangsspannung Ust wird mittels des Spannungsverstärkers 2 verstärkt. Der Stromuntersetzer 4 untersetzt den Laststrom iL, der sich durch den Lastwiderstand 3 einstellt, auf einen Steuerstrom iL 1st = worin Ü das Übersetzungsverhältnis des Stromuntersetzers bezeichnet und nach dem gewünschten Kurzschlußstrom Werte zwischen 106 und 1 annehmen kann. Der Steuerstrom Ist wird dem Steuereingang des Funktionsgebers 1 zugeführt. Die Simulatorausgangsspannung Ustm 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 Funktionsgebers 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 Funktionsgeberspannung kann mittels des Potentiometers 8 variiert werden.
• Von der Funktionsgeberspannung 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.
• 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 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. In der vorliegenden Schaltung des Funktionsgebers wird ein n-Kanal-Feld-Effekt-Transistor verwendet, jedoch kann die Schaltung auch mit einem p-Kanal-Feld-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 UL eingestellt werden. Die Basis des Transistors 16 ist mit dem Potentiometer 14 des Funktionsgebers 1 elektrisch leitend verbunden. Je nachdem, wieviel Strom am Lastwiderstand 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 1 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 Solarzellengenerators wird dadurch erreicht, daß von der konstanten Funktionsgeberspannung die vom untersetzten Laststrom abhängige Drain-Source-Spannung UDS des Feld-Effekt-Transistors abgezogen wird. Hierbei wird die Gate-Source-Spannung UGS des Feld-Effekt-Transistors 12 konstant gehalten. Je nachdem wie groß der Steuerstrom iSt ist, der dem Feld-Effekt-Transistor 12 eingeprägt wird, fällt über der Drain-Source-Strecke des Feld-Effekt-Transistors 12 eine seinem Kennlinienfeld entsprechende Spannung ab, die der Kennlinie eines Solargenerators sehr ähnlich ist. Die Ausgangssteuerspannung Ust ist dann gleich der Differenz aus der variierbaren Konstantspannung und aus der Drain-Source-Spannung UDS des Feld-Effekt-Transistors 12. Die Form der Feld-Effekt-Transistorkennlinie kann durch die Potentiometer 13 und 14 verändert werden.
• Im Stromuntersetzer 4 ist die Basis des Transistors 24 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 iL vorhanden ist. Fließt nun ein LaststromiL, so stellt sich der Steuerstrom Ist im Verhältnis der Widerstände 26 zu 25 ein. Mit dem Potentiometer 25 kann das Übersetzungsverhältnis geändert werden und im Zusammenhang mit dem Sättigungsstrom des Feld-Effekt-Transistors der Kurzschlußstrom iK eingestellt werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zur Nachbildung der Strom-Spannungs-Kennlinien von Solarzellengeneratoren auf statische und dynamische Weise, wobei die Leerlaufspannung, die Form des Kennlinienverlaufes, der Kurzschlußstrom mit Hilfe eines Stromuntersetzers, der ein dem Strom proportionales Steuersignal an einen Funktionsgeber abgibt, und eine der Kennlinie des Solarzellengenerators proportionale Spannung von dem Funktionsgeber einstellbar sind, dadurch gekennzeichn e t, daß ein Feld-Effekt-Transistor (12) als Referenzelement vorgesehen ist, dessen vom untersetzten Laststrom abhängige Drain-Source-Spannung(UDs) von einer konstanten Spannung abziehbar ist, die durch eine Zener-Diode (17), ein Potentiometer (8) und einen Transistor (9) variierbar gegeben ist, und daß mit der Verstärkung des Spannungsverstärkers (2) dieLeerlaufspannung(UL) und mit dem Übersetzungsverhältnis (Ü) des Stromuntersetzers (4) der Kurzschlußstrom (ik) einstellbar sind.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine konstante Spannung zwischen Gate- und Source-Kontakt des Feld-Effekt-Transistors (12).
3. 3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Veränderung der Kennlinienform durch Variation der Funktionsgeber-Versorgungsspannung und durch die Anordnung von Widerständen (14, 15) parallel oder in Reihe zum Feld-Effekt-Transistor (12) möglich ist.

   Die Erfindung befaßt sich mit einer Schaltungsanordnung zur Nachbildung der Strom-Spannungs-Kennlinien von Solarzellengeneratoren auf statische und dynamische Weise, wobei die Leerlaufspannung, die Form des Kennlinienverlaufes, der Kurzschlußstrom mit Hilfe eines Stromuntersetzers, der ein dem Strom proportionales Steuersignal an einen Funktionsgeber abgibt, und eine der Kennlinie des Solarzellengenerators proportionale Spannung von dem Funktionsgeber einstellbar sind.

   Solarzellen finden vor allen Dingen in der Weltraumtechnik als fotoelektrische Generatoren Verwendung.

   Gleiche Solarzellen weisen infolge von Leckströmen und unterschiedlichen Reihenwiderständen verschiedene Strom-Spannungs-Kennlinien auf. Im allgemeinen stehen für Untersuchungszwecke Solarzellengenera toren während der Entwicklung von Schaltelementen, die z. B. zu einem mit elektrischer Energie zu versorgenden Satellitensystem gehören, in der benötigten Stückzahl aus Kosten- undloder Termingründen nicht zur Verfügung. Daher benötigt man für derartige Zwecke eine Spannungsquelle, mit der es möglich ist, die vorher bekannte theoretische Strom-Spannungs-Kennlinie des später eingesetzten Solarzellengenerators statisch und dynamisch auf elektronischem Wege nachzubilden. Eine derartige Spannungsquelle wird als Solarzellengeneratorsimulator bezeichnet.

   Es sind Simulatoren zur Nachbildung von Solarzellenkennlinien bekannt, bei denen an einer Reihen- schaltung von Dioden über Widerstände eine bestimmte Spannung anliegt. An den Dioden sind dann verschieden große, gegen ein Bezugspotential gemessene Spannungen abnehmbar, mit denen die Kennlinien von Solarzellen nachgebildet werden können. Hierzu wird infolge des niederohmigen Ausgangs des Simulators eine Leistungsverstärkung mittels eines Impedanzwandlers vorgenommen. Bei diesen Simulatoren sind nur der Kurzschlußstrom und die Leerlaufspannung von außen einstellbar, während die Form des Kennlinienverlaufes nach Fertigstellung der Simulatoren nur noch durch einen Eingriff in die Geräte selbst veränderbar ist.

   Es ist eine Einrichtung zur Simulation der Spannungs-Strom-Kennlinien von Fotozellen, insbesondere von Solarzellen bekannt, die eine konstante Stromquelle, eine Parallelschaltung von zwei veränderlichen Widerständen und mehrerer Dioden aufweist. Die Dioden liegen in einem Schaltungszweig mit einem weiteren veränderlichen Widerstand und einer veränderlichen Vorspannungs-Versorgungsquelle in Reihe.

   Mit Hilfe eines mechanischen Wahlschalters kann eine verschieden große Anzahl von Dioden auf die Hauptleitungen geschaltet werden. Da der gesamte von der Stromquelle gelieferte Strom gleich der Summe der Ströme in den parallelen Schaltungszweigen ist, bewirkt eine Zu- oder Abschaltung der Dioden eine Änderung des Stromes und der Spannung über dem Belastungswiderstand. Die Größe der Vorspannungs-Versorgungsquelle ist ein Faktor zur Strombestimmung des durch den Diodenzweig fließenden Stromes. Durch Änderung der Anzahl der Dioden, der Vorspannung oder der Widerstände ist es möglich, den Ausgangsstrom und die Ausgangs spannung der Schaltungsanordnung 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 bekannt, mit deren Hilfe bei jeder beliebigen Temperatur und jedem beliebigen Lichteinfallswinkel die Kennlinien erstellt werden können. Eine verdunkelte, temperaturgeregelte Solarzelle wird als Kontrollelement verwendet und von einem Shuntregler, der mit einer konstanten Stromquelle verbunden ist, scheinbar erleuchtet. Es werden die grundsätzlichen Strom-Spannungs-Kennlinien einer erleuchteten Solarzelle erzeugt.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für die Nachbildung von Strom-Spannungs-Kennlinien von Solarzellengeneratoren zu schaffen, bei der nach Fertigstellung sowohl der Kurzschlußstrom und die Leerlaufspannung als auch die Form der Kennlinie von außen leicht einstellbar sind. Weiterhin sollen auch eine statische und eine dynamische Nachbildung der Kennlinien möglich sein.

   Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Feld-Effekt-Transistor als Referenzelement vorgesehen ist, dessen vom untersetzten Laststrom abhängige Drain-Source-Spannung von einer konstanten Spannung abziehbar ist, die durch eine Zener-Diode, ein Potentiometer und einen Transistor variierbar gegeben ist, und daß mit der Verstärkung des Spannungsverstärkers die Leerlaufspannung und mit dem Übersetzungsverhältnis des Stromuntersetzers der Kurzschlußstrom einstellbar sind.