DE2253039C2 - Vorrichtung zum Umwandeln von Lichtenergie in elektrische Energie - Google Patents

Description

Kondensator (19,. I»,) des RC-Gheds(18 19) über eine Rückkopplungswicklung.(W* W* _a5

S2 _lb vermag die bekannte den dort herrschenden

^Wik

kennzeichnet, daß die VerbmdungssteHe (20,) 30 unter den £ zwischen dem Widerstand (IS₂) und dem Kon- haltmssen oder densator(19₂) des ÄC-Glieds (18,19) an den sehenden^ Emitter eines im Gleichspannungswandler (M₁) vorgesehenen Unijun_Ctio„-Trans,stors(25) ange-

werte..

etam Zimmer herr-

ßeleuchdie Weltraumn, daß die Fotoder im Weltraum

Die E_rtndu„_e

_S,ch _Su, eine V„™h,ung _{für eine} Energieumwandlung uninteressante Werte ab. Hinzu komnn, daß für die me.sten Anwendungen keine sinusförmige Ausgangsspannung ^^ηο1'8™· Der Aufwand, der zur Erreichung einer Smusschw ngung aufgebracht werden muß, ist in vielen Fallen nicht notwendig.

kannte Siliciv,m,elle,

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Solarzellen und einer 6-V-Speicherbatterie von etwa eine Eigenart, die ihren Einsatz in Verbindung mit 15QiBAh, um auch noch bei schwacher Einstrahlung solchen Geräten einschränkt, die bei ständig wecneine gewisse Ladung zu ermöglichen. selnden Beleuchtungsstärken, auch unter den Becun-

Das gespeiste Meßgerät, das in der bekannten An- gungen in einem Zimmer, arbeiten sollen. Bis zu Ordnung an einer Spannung von 6 V liegt, verbraucht 5 einer Beleuchtung zwischen 1000 und 3000 Lux steigi eiwa 1 mW, bei 24-stündigem Betrieb also etwa die abgebbare Leistung nahezu proportional nut der MmWh Da der Wirkungsgrad des verwendeten Beleuchtungsstärke an. Dann aber erfolgt ein uei-Soerrwandiers bei etwa 0,5 liegt und der Wirkungs- stungsknick. Trotz steigender Beleuchtungsstance «ad Entladung: Ladung etwa 0,7 beträgt, müssen sinkt die abgegebene Leistung ab. Sie pendelt sicn demnach rund 70 mWh je Tag aufgebracht werden. io anschließend auf einen relativ niedrigen Wert ein ta nördlichen Breiten muß man im Winter aber mk und beharrt dort, ohne von der werter steigenden einer Einstrahlung von mir 6 bis 8 Stunden rechnen, Beleuchtungsstärke beeinflußt zu werden, so daß während dieser Zeit eine mittlere Ladeleistung Bei der Stromversorgung relativ kleiner uerate.

von P bis 18 mW nötig ist Aber auch in diesen deren Oberfläche beispielsweise nicht Platz tür acni 6 Stunden kann die Einstrahlung infolge des Wetters i_S bis zehn Fotoelemente bietet, kann diese KKannu: so ungleichmäßig sein, daß vielleicht nur einem Vorrichtung deshalb praktisch nicht eingesetzt wer-Fünftel der Zeit eine volle Sonneneinstrahlung gege- den. Hinzu kommt, daß es bei der ^Stro _I ^mY^e'[^so''f^"^g * ben ist Man muß auch noch den Einstrahlwänkel über Fotoelemente zu beträchtlichen Leistungsein- ^?·· berücksichtigen, falls keine Nachführeinrichtung oder büßen kommt, wenn man beispielsweise die na nc ein Spiegelsystem vorhanden sind. *> der Fotoelemente auf der beschienenen Seite oes

Diesen äußeren Einflüssen begegnet man bei der Gehäuses und die anderen Fotoelemente aut der

bekannten Anordnung dadurch, daß man einen gegenüberliegenden, nicht ^^^ie"*"^e" ¹T ^ll_Men Spitzenbedarf von weni^ens 50mW, besser lOOmW. bringt. Die nicht beschienenen f^^*™^" isetzt. Dieses hat zur Folge, daß man die Foto- für die beschienenen Fotoelemente»«^!^ batterie mit 6 bis 10 Fotoelementen bestücken muß. a₅ lustwiderstände,die eine «^^JjJSSSTS in einem ausgeführten Beispiel besteht die Foto- insbesondere bei niedrigen Beleuchtungsstarken, zu batterie aus acht in Reihe geschalteten Fotoelemen- sätzlich behindern. ten die auf einen Sperrwandler arbeiten, an dessen Bei Verrichtungen mit einer ui

Vsgang ein 6 V-Sammler und ein Verbraucher lie- Lichtenergie in elektrische WB» ,ι", Der Sperrwandler schwingt bereits bei einer 30 schwankenden Beleuchtungsverhaltnissen K \ mmenspannung zwischen 0.8 bis 1 V an, wodurch dere unter den üblichen Beleuchtungsbedi ,,reicht wird, daß schon bei niedrigen Beleuchtungs- geschlossenen Räumen, kommt es _ starken die Aufladung beginnt. Der Wandler ist zu- suchungen jergeben haben — wesentiicn α dem so ausgefegt, d& seTn Eingangswiderstand im daß die Vorrichtung einerseits bei niedngen Bereich niedrige? Beleuchtungsstärken rund 100 Ohm 35 tungsstärken mit einem guten W^ngsgrad artoertet beträgt. Der innere Widerstand der Fotobatterie ist und andererseits ·*»«^_§^^^,^ J^SS von gleicher Größenordnung, so daß eine brauchbare zahlreichen Phasen nut ^gSSjJJ^S Anpassung gegeben ist. Bei steigender Bestrahlung ist, rasch, ebenfalls mit gutem wirKungsgrau. und fender Spannung werden beide Widerstände elektrischen f™^^lcf^eT J^™™^e*_{dc e}ine kleiner, so daß eine günstige Anpassung über einen 4» Der Erfindung liegt die Aufgabe zuerunde, g oßeren Bestrahlungsbereich erhalten bleibt. Vorrichtung zum Umwanddn von

⁸ Der verwendete Wandler arbeitet mit einer Rück- elektrische Energie ™ ^^e°' %_e|eucn kopplungswicklung. Die Frequenz des Sperrwandlers Energieausbeute bei wechselnden Beleucn win? von der Induktivität der Primärwicklung und ken, vorzugsweise m ^!LfScSi

S. wS_re.a»d te an der B„U d« Schalttn.«!- ,«, f.

Zur Anpassung an unterschiedliche Beieucntungs- _m einem enacu nu»»«.»^ _r—

zustände benötigt diese bekannte Anordnung eine bindungssteile zwischen dem 'Widerstand wd dem

recht gtpße Anzahl von Fotoelementen. Diese sind Kondensator des ÄC-Glieds über eine Tlückkoppaus Platzgründen, aber auch wegen der dadurch ent- 65 lungswicklüng des Gleichspannungswandlers an die

stehenden relativ hohen Kosten nicht überall ein- Basis eines Schälttransistors oder von SchalttranSi-

setzbar. Reduziert man die Anzahl der Fotoelemente stören angeschlossen. Diese Schaltung eignet sich so-

beispielsweise auf vier, so besitzt diese Anordnung wohl für Eintakt- als auch für Gegentaktwandler.

•In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ver- auf kleinstem Raum mit nur einer geringen Anzahl! bindungssteile zwischen dem Widerstand und dem von Fotoelementen und elektrischen Schaltelementen Kondensator des RC-Glieds an den Emitter eines gearbeitet werden muß. Diese Vorteile machen die im Gleichspannungswandler vorgesehenen Unijunc- erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet tion-Transistors angeschlossen. 5 zur Stromversorgung von Feuerzeugen, Uhren»;

Beide Äusfühfüngsbeispiele sind so aufgebaut, daß Radiogeräten, Blitzlichtgeräten, Meßgeräten bzwi|| ein Widerstand, eingesetzt werden kann, dessen Leit- allen dafür infragekommenden Haushaltsgeräten. :ß wert bei starker Beleuchtung groß und bei geringer Ausführungsbcispiele der Erfindung werden imj|

Beleuchtung klein ist_? Es sind jedoch auch Wider- folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert? || stände denkbar, bei denen eine umgekehrte Abhän- »o Es zeigt *|

gigkeit zwischen Beleuchtungsstärke und Leitwert F i g. 1 den Beleuchtungsstärkeverlauf eines Tages, '

vorliegt. In diesen Fällen müssen die Schaltungen F i g. 2 Stromspannungskennlinien eines Foto- \

derartigen Widerständen angepaßt werden. elements mit der Beleuchtungsstärke als Parameter, \

Üblicherweise ist der Widersland ein Fotowider- Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen

stand, der zweckmäßig die gleiche Empfindlichkeits- 15 Vorrichtung,

Charakteristik wie die Fotoelemente der Fotobatterie F i g. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel,

hat. F i g. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel und

Konstruktiv wird die Vorrichtung so ausgebildet, F i g. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er-

daß der Widerstand im gleichen Beleuchtungsbereich findung.

wie die Fotoelemente liegt Um den Leitwert verlauf »o Die F i g. 1 zeigt einen typischen Beleuchtungsdes Widerstands optimal an die Charakteristik des stärkeverlauf über einen Tag. Im Gegensatz zur Gleichspannungswandler anzupassen, kann gemäß konstanten Beleuchtungsstärke, beispielsweise im einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Wider- Weltraum, hängt die Beleuchtungsstärke in einem stand von einem Graufilter abdeckbar sein. Zimmer bzw. an der Außenwand eines Hauses sehr

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung »5 wesentlich von der Tageszeit, aber auch von der liegen darin, daß der den Wandler steuernde Wider- wechselnden Bewölkung ab.

stand nicht vom gesteuerten Belastungsstrom durch- Der Beleuchtungsstärkeverlauf gemäß der F i g. 1

flössen wird. Im steuernden Widerstand treten dem- zeigt, daß die Lichteinstrahhing unvermittelt auf gemäß nur relativ geringe Verluste auf, was insbe- relativ hohe Werte, beispielsweise bei B 3, ansteigen sondere in den Bereichen niedriger Beleuchtungsstärke 3o aber auch unvermittelt auf relativ niedrige Beleuchvon Vorteil ist. Der Einsatz des Widerstands mit von tungsstärken abfallen kann. Mit bekannten Schaltunder Beleuchtungsstärke abhängigen Leitwert ermög- gen, die für eine dauernde maximale Beleuchtungslicht, daß die Fotoelemente bei allen Beleuchtungs- stärke ausgelegt sind, kann unter den in der Fig. 1 stärken ständig im Bereich ihrer entsprechenden dargestellten Verhältnissen kein optimaler Wirkungsmaximalen Leistungsabgabe arbeiten können. Der 35 grad für alle Beleuchtungsstärken erreicht werden. Spannungswandler gestaltet die am Kondensator der Für terrestrische Bedingungen ist eine Schaltung er-Fotobatterie abgenommene Spannung stets so, daß forderlich, die einen guten Wirkungsgrad für alle die Fotoelemente in ihrem charakteristischen Kenn- Bereiche der Beleuchtungsstärken hat linienknick der Stromspannungskennlinie arbeiten. F i g. 2 zeigt für ein derzeit erhältliches Foto-

Im einzelnen wirkt der Widerstand mit dem von der 4» element die Kennlinien, die sich bei den in der F i g. 1 Beleuchtungsstärke abhängigen Leitwerk steuernd so dargestellten Beleuchtungsstärken Bl, B 2 und B 3 auf die Frequenz des Wandlers ein, daß der Foto- ergeben. Im doppellogarithmischen Maßstab der batterie bei allen Beleuchtungsstärken jeweils nur so Fig. 2 weisen die Einzelkennlinien scharfe Knicke viel Energiemengen entnommen werden, wie die auf. Der Kennlinienknick tritt bei der Kennlinie 1 Fotoelemente nachzuliefern imstande sind. Diese 45 beim Punkt 4 auf, bei der Kennlinie 2 beim Punkt 5 Anpassung hat zur Folge, daß die erfindungsgemäße und bei der Kennlinie 3 beim Punkt 6. Unterhalb Vorrichtung bei starker Beleuchtung imstande ist der Kennlinie I ist ein Rechteck mit einer Linie aus rasch die günstigsten Verhältnisse auszunutzen und Strichen und zwei Punkten angedeutet Die Fläche den Energiespeicher aufzuladen. dieses Rechtecks stellt die maximal erzeugbare

Man gelangt auf diese Weise zu einer optimalen s» Leistung, bei der Beleuchtungsstärke B1 dar. Ausbeute der Lichtenergie. Mit der Erfindung wird Ein entsprechendes Rechteck unter der Kurve 2 ist

erreicht daß die Werte der Leistungsabgabe aus der gestrichelt dargestellt während das Rechteck unter Fotobatterie mit der Beleuchtungsstärke variieren: der Kurve 3 durch eine strichpunktierte Linie anbei starker Beleuchtung findet eine hohe Entnahme gedeutet ist. Die Ortskurve 7, welche die optimalen aus der Fotobatterie statt, wohingegen bei schwacher 55 Arbeitspunkte 4, S und 6 miteinander verbindet ist Beleuchtung der Batterie nur so viel Energie ent- zugleich diejenige Kennlinie, die für das optimale nomtnen wird, wie nachgeliefert werden kann. Auf Arbeiten einer Vorrichtung zum Umwandeln von diese Weise läßt sich nicht nur der Wirkungsgrad Lichtenergie in elektrische Energie bei wechselnden gegenüber vergleichbaren Vorrichtungen erhöhen, Beleuchtungsstärken δ maßgebend ist sondern es wird auch der Verlauf der Wirkungsgrad- 60 Um diese Ortskurve zu erreichen, muß die Vorkurve begradigt so daß der Wirkungsgrad in Zeit- richtung zum Umwandeln von Lichtenergie in elekspannen mit schlechter Beleuchtung ebenso gut ist trische Energie so ausgelegt sein, daß sie an den wie bei optimaler und sehr guter Beleuchtung. Fotoelementen immer die Spannung V_Pt vorgibt, die

Da die derzeit erhältlichen Fotoelemente nur für die optimalen Arbeitspunkte auf der Ortskurve 7 relativ niedrige Eigenwirkungsgrade besitzen, führt 63 notwendig ist

die erfindungsgemaBe Verbesserung zu einer merk- Die Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer er-

lichen Steigerung der Energieausbeute. Dieses ist nndungsgemäßen Vorrichtung. Eine mit 11 bezeichuberall dort von ausschlaggebender Bedeutung, wo nete Fotobatterie enthält Fotoelemente 12, die mit

einem Kondensator 13 parallclgcschaltet sind. Diese lungswicklung W₃ induzierten SpannungsslÖße zur

; Ii Fotobatterie 1 list an einen Gleichspannungswandler Basis-Emiitcr-Slrccke des Transistors 22i^Dic Frc-

i 14 angcschlossetii dessen-Frequenz durch einen qucnz des Gleichspannungswandler 14_t ist bestimmt

Widersitand .18:; gesteuert wird; dessen Leitwert von durch die Induktivität der WicklungW₁ desiTransfor-

:;' der Beleuchtungsstärke abhängt. Wie der Fig. 3 zu 5 matorsll], durch das Verhältnis dcriWiekkiiigcn W₁I

entnehmen ist, sind dicüFotöclcmente 12 und der WsSowicdurchdieieweiligcnWcrtedes/i^Öiieds^das

WÜerstand ijji mildem von der Beleuchtungsstärke aus dem Widerstand 18, und dem Kondcrisältir'19,

■";r ii abh besteht. Bei richtiger Bemessung paßt der Widerstand

'28 ahgcoi&cL Wichiig 'ist,: daß auch alle Foto- 18, die Frequenz des Wändlers 21, soi an die Be*

elemente 12 innerhalb dieses Belcuchtungsbcreichs io lcuchtungsVerhältnisse an, daß bei schwacher Bc-

28 angeordnet sind. Wurden nur einzelne Foto- !dichtung eine hohe Irequenz und bei starker Be-

elemente 12 von der vollen Beleuchtungsstärke be- !dichtung eine niedrige Frequenz erreicht wird

einflußt werden, andere hingegen von einer geringe- I.in weiteres Ausluhrungsbcispiel zeigt die I ig. 5.

rcn Beleuchtungsstärke, so wurden diese einen Ein Gleichspannungswandler 14₂ arbeitet mit einem

Belastungswiderstand für die voll beleuchteten Foto- 15 Transformator 2I₈. der eine Primärwicklung W_x und

elemente darstellen. eine Sekundärwicklung W., hat, die über eine -Diode

Vor dem Widerstand 18 mit dem von der Beleuch- eine Ausgangsspuniiung (Λ, erzeugt. Der Stromkreis

tungsstärkc abhängigen Leitwert kann ein Graufilter für die Primärwicklung W₁ wird durch einen Schalt-

29 vorgesehen sein, um den Leitwert verlauf des transiMoi 26 geschaltet, der von einem linijunction-

Widcrstands 18 optimal an die Charakteristik de*. 20 Transistor 25 gesteuert wird. Der Emitter des t'ni-

Wandlcrs 14 anzupassen. junction-Transistors 25 ist an einen Vcrbindungs-

Am Gleichspannungswandler 14 können beliebige punkt 2O₂ eines Λί'-Glieds angeschlossen, welches

Verbraucher 16 oder 17 vorgesehen sein. Der Ver- aus einem Widerstand 18₂ mit von der Bcleuchiun^

braucher 16 deutet einen Kondensator an. wohin- stärke abhängigem Leitwert und einem Kondensator

gegen im Verbraucher 17 Akkus angedeutet sind, die a$ 19₂ besteht. Der Gleichspannungswandler 14₂ ist wie-

als Energiespeicher dienen. der an die Ausgangsspannung H₁ der Fotobattcrie 11

Durch den Widerstand 18 mit von der Beleuch- angeschlossen.

tuncsstärke abhängigen Leitwert wird die Frequenz Sobald sich der Kondensator 19₂ über den Wider-

des Wanulers gesteuert. Es sind Wandlerschaliungin. stand 18, bis zur Zündspannung des Unijunction

beispielsweise nach den Fig. 4 und 6, möglich, bei 30 Transistors 25 aufgctadcn hat, wiru der Schalt-

dcncn die Frequenz sich bei abnehmender Beleuch- transistor 26 über den Unijunction-Transistor 25 an

tungsstärkc erhöht und bei zunehmender Beleuch- gesteuert, der einen Stromstoß durch die Primär

tungsstärkc erniedrigt. Fs kann auch eine Wandler- Wicklung W, des Transformators 2I₄ freigibt. Dii

schaltung, etwa nac'n Fig. 5. verwendet werden, bei Aufladezcit des Kondensators 19₂ wird \or dem

der die Frequenz mit steigender Beleuchtungsstärke 35 Widerstand 18₄ vorgcgebi ">

zu- und bei sinkender Beleuchtungsstärke abnimmt. Hin weiteres Auslührungsbcispiel gemäß der In beiden Fällen wird dem Kondensator 13 jeweils Fig. 6 arbeitet mit einem Gleichspannungswandler nur so viel Energie entnommen, wie bei der jeweils 14^ der als Gcgentaktwandier mit einem Transherrschenden Beleuchtung durch die Fotoelemente 12 formator21_s ausgebildet ist. Primärwicklungen W_n nachgeliefert werden kann. Bei geringer Beleuchtung 40 und W_n dieses Transformators aibeitcn im Gegensind die jeweils entnommenen Energiemengen aus takt aul eine Sekundärwicklung W₂, die über einen dem Kondensator 13 klein, wohingegen bei starker Gleichrichter eine Ausgangsspannung V₃ erzeugt. Der Beleuchtung große Energiemengen entnommen wer- Transformator 2I₃ weist ferner zwei Rückkopplungsden. Hierdurch erreicht man, daß die Spannung an wicklungen W₃₁ und W₃₂ auf, die auf die Basen von den Fotoelementen 12 stets an den optimalen Ar- 45 Schalttransistoren 23 und 24 arbeiten. Der Vcrbinbcitspunktcn der Ortskurve 7 gemäß -der F i g. 2 dungspunkt 2O₃ des auch hier vorhandenen RC-gehalten wird. Die Fotoelemente 12 können dabei Glieds aus einem Widerstand IS₃ mit von der Beeine maximale, der jeweiligen Beleuchtung ent- leuchtungsstärke abhängigem Leitwert und einem sprechende elektrische Energiemenge an den Konden- Kondensator 19s ist mit der Mittelanzapfung dci sator 13 abgeben. 50 Rückkopplungswicklungen PF₃₁ und W₃₂ verbunden Die F i g. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Am ÄC-Glied Hegt zudem die Spannung V_x der Foto-Erfindung. Ein Gleichspannungswandler 14, ist an batterie 11 an.

die Spannung V_x der Fotobatterie 11 angeschlossen. Welches der Ausführungsbeispiele gemäß der

Sein Transformator 21, hat eine Primärwicklung F i g. 4 bis 6 im Einzelfall eingesetzt wird, hängi W₁. die auf eine Rückkopplungswicklung W₃ sowie 55 davon ab, wie die Raumverhältnisse zum Anbringe!

auf eine Sekundärwicklung W_t arbeitet Im Sekun- der Fotoelemente 12 oder zum Unterbringen dei

därkreis ist eine Diode vorgesehen. Die Abgabe- Transformatoren 21, bis 2I₃ sind. Bei geringen

spannung ist mit U₂ bezeichnet Platz empfiehlt es sich, eine Schaltung gemäß dej

Die Basis eines Scha!ttransistors 22 ist über die F i g. 4 zu wählen. Wenn die Platzverhältnissc nich RücV kopplungswicklung W₃ an einen Verbindungs- 60 so beschränkt sind, wird sich eine Schaltung nacl

punkt 20, eines fiC-Glieds gelegt, welches aus einem der F i g. 6 anbieten, die eine relativ große Leistung*

Widerstand 18, mit von der Beleuchtungsstärke ab- übertragung zuläßt

hängigem Leitwert und einem Kondensator 19, ge- Die erfindungsgemäße Vorrichtuag eignet $4ch zui

bildet ist Mit Hilfe des Widerstands 18, wird der Verwendung in Verbindung mit Feuerzeugen, Uhren Arbeitspunkt des Schalttransistors 22 festgelegt. Über 65 Meßgeräten and allen Aggregaten, die tiwrtib Batte

den Kondensator 19, gelangen die in der Rückkopp- rien gespeist werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Vorrichtung zum Umwandeln von Licht-Energie in elektrische Energie saft einer Foto- \batterie, die aus mindestens einem Fotoelement elemente werdS, daß mehrere Fotohöhere Span-

daß zur Frequenzsteuerung ein optisch vom Be- nut leuchtungsbereich, in dem die Fotobattene liegt, und »» beeinfluöbarer Widerstand(18) mit emem von x₅ der ^Og?Ä? der Beleuchtungsstärke (B) abhängigen Leitwert Der Wandler besrtzt vorgesehen ist. spannung von u,

gswandler angesddossen.

Sator ausgebildet ist.

der niedrigen Eingangs-