DE2318931C3 - Schaltungsanordnung zur Nachbildung eines Solarzellengenerators mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie - Google Patents

Description

tungsteil zur Erzeugung des transformierten Last- Bezugspotential gemessene Spannungen abnehmbar,

stromes (iu) einen weiteren Spannungsverstärker mit denen die Kennlinien nachgebildet werden können.

(V₃), sowie einen als Verstärker wirkenden Transi- Nachteilig ist, daß nur der Kurzschlußstrom und die

stör (T₅) enthält und daß zu der Kollektor-Emitter- 50 Leerlaufspannung von außen einstellbar sind, während

strecke des als Stromquelle wirkenden Transistors die Form des Kennlinienverlaufs nach Fertigstellung der

(Tt) ein weiterer veränderlicher, den transformierten Simulatoren nur noch durch einen Eingriff in die Geräte

Laststrom führender Widerstand (Rn) in Reihe liegt. selbst veränderbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch Weiterhin ist ein Verfahren zur elektronischen gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungskreis (3) 55 Simulation von Solarzellengeneratoren und eine Eineinen Spannungsverstärker (V₂) mit Gegenkopp- richtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt lungswiderstand (R\o) und einen Leistungsverstärker (US-PS 34 35 328), mit deren Hilfe bei jeder beliebigen aufweist, der aus vier oder mehr Transistoren (T\ bis Temperatur und jedem beliebigen Lichteinfallswinkel T₄) und zugehörenden Widerständen (Rn bis Rn) die Kennlinien erstellt werden können. Eine verdunkelbesteht. 60 te, temperaturgeregelte Solarzelle wird als Kontrollele-

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ment verwendet und von einem Shuntregler, der mit gekennzeichnet, daß zwei der Transistoren (T, T₂) in einer konstanten Stromquelle verbunden ist, scheinbar Darlington-Schaltung geschaltet sind und als Strom- beleuchtet. Dadurch werden die Strom-Spannungsverstärker dienen und daß die anderen Transistoren Kennlinien einer beleuchteten Solarzelle erzeugt.

(Ti, Ti) Leistungstransistoren sind, die in Parallel- 65 Bei der in der Beschreibungseinleitung erwähnten

schaltung angeordnet sind. und aus der DT-AS 20 52 351 bekannten Schaltungsan-

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekenn- Ordnung für die Nachbildung von Solarzellengeneratozeichnet durch eine Hilfs-Konstantstromquelle (I₂), ren ist ein Feld-Effekt-Transistor als Referenzelement

vorgesehen. Die vom untersetzten Laststrom abhängige Drain-Source-Spannung des Transistors ist von einer konstanten Spannung abziehbar, die durch eine Zenerdiode, ein Potentiometer und einen Transistor variierbar gegeben ist. Mit der Verstärkung des Spannungsverstärkers ist die Leerlaufspannung und mit dem Übersetzungsverhältnis des Stromuntersetzers der Kurzschlußstrom einstellbar. 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. Mit dieser Schaltungsanordnung kann jedoch nur der positive Kennlinienteil von Solarzellengeneratoren nachgebildet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Nachbildung eines Solarzellengenerators zu schaffen, dessen Kennlinie sowohl im Bereich positiver als auch negativer Spannungen definiert einstellbar ist. Eine gute stationäre Genauigkeit der Kennlinie bei Variation der Bauteile-Parameter, der Temperatur und in Abhängigkeit von der Zeit und eine ausreichende Stabilität im kritischen Fall des Kurzschlußbetriebes soll gewährleistet werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das von einer Konstantstromquelle gespeiste Referenzglied aus einer Zenerdiode mit parallelgeschaltetem komplexen Widerstand besteht und zur Einstellung von Kennlinienwerten im Bereich negativer Spannungen mit einem variablen Spannungsteiler verbunden ist, wobei sich am Knotenpunkt des Referenzgliedes und des den transformierten Laststrom führenden Widerstandes eine vom transformierten Laststrom abhängige Referenzspannung urm einstellt, die sich durch Subtraktion des Spannungsabfalls über dem veränderbaren Widerstand des Spannungsteilers von der von dem Referenzglied gelieferten Referenzspannung iiRen ergibt und die nach Verringerung um den über dem den transformierten Laststrom führenden Widerstand abfallenden Spannungsabfall eine am Eingang des regelbaren Spannungsverstärkers anliegende Referenzspannung u«_eo ergibt, daß die Ausgangsspannung des regelbaren Spannungsverstärkers über einen Gegenkopplungskreis an den Ausgang der Schaltungsanordnung gelangt und daß der Schaltungsteil zur Erzeugung des transformierten Laststroms einen weiteren Spannungsverstärker sowie einen als Verstärker wirkenden Transistor enthält und daß zu der Kollektor-Emitterstrecke des als Stromquelle wirkenden Transistors ein weiterer veränderlicher, den transformierten Laststrom führender Widerstand in Reihe liegt

Ein Vorteil der Erfindung besteht neben dem einfachen und rentablen Aufbau des Simulators und der leichten und einfachen Einstellbarkeit der einzelnen Kennlinienwerte darin, daß auch Serien- und/oder Parallelschaltungen mehrerer Simulatoren ohne weiteres möglich sind. Auch in diesen Fällen ist eine große Stabilität der Schaltungsanordnung gewährleistet. Variationen der Leerlaufspannung und des Kurzschlußstromes durch Änderung von Widerstandswerten ohmscher, leistungssschwacher Widerstände ist sowohl manuell mit Hilfe eines Potentiometers als auch mittels eines Computers unter Verwendung einer Widerstandsmatrix bei gleichbleibendem Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie möglich. Die innerhalb der Regelschleife im Leistungsverstärker auftretenden variablen Spannungsabfälle werden ausgeregelt. Auch kann die imnedanz des Simulators an Hand des Strukturbildes leicht berechnet werden. Die gewünschte Abhängigkeit der Impedanz von der Frequenz kann durch einfache Beschattung des Referenzgliedes, z. B. mit einer RC- Parallelschaltung vorgenommen werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Gegenkopplungskreis einen Spannungsverstärker mit einem Gegenkopplungswiderstand und einen Leistungsverstärker aufweist, der aus vier oder mehr Transistoren und zugehörigen Widerständen

ίο besteht. Der dem Spannungsverstärker zugeordnete Gegenkopplungswiderstand kann im Betrag variierbar oder komplex sein. Zwei der Transistoren sind in Darüngton-Schaltung geschaltet und dienen als Stromverstärker, während die anderen Transistoren Leistungstransistoren sind, die in Parallelschaltung angeordnet sind. Für den Leerlauffall kann eine Hilfs-Konstantstromquelle vorgesehen sein, die die Emitter der Leistungstransistoren auf einem definierten Potential hält.

Durch einen weiteren Gegenkopplungskreis mit Hilfe des Widerstandes A4 wird erreicht, daß im für die Stabilität des Simulators kritischen Kurzschlußbetrieb die Stabilitätskriterien unabhängig von der Einstellung der Leerlaufspannung und des Kurzschlußstromes werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt
F i g. 1 die Kennlinie /= f(U) eines Solarzellengenerator-Simulators,

F i g. 2 ein Schaltbild,
F i g. 3 ein Blockschaltbild und
Fig.4 die stationäre nichtlineare Strom-Spannung-Kennlinie U_Ren = /f/«e/).

In Fig. 1 ist die Kennlinie eines Solarzellengenerator-Simulators in karthesischen Koordinaten grafisch dargestellt. Auf der Ordinate ist der Strom / und auf der Abszisse die Spannung U aufgetragen. Aus dem Kennlinienverlauf ist ersichtlich, daß im positiven Bereich die Stromwerte bei zunehmenden Spannungswerten abnehmen, und zwar fällt die Kennlinie bis zu einem bestimmten Spannungswert zunächst sehr flach ab (KonstantstromDereich), während nach dem Erreichen dieses Spannungswertes ein sehr steiler Abfall (Konstantspannungs-Bereich) erfolgt. Im negativen Kennlinienbereich steigt der Strom zunächst mit abnehmender Spannung langsam an, um dann bei Erreichen eines bestimmten negativen Spannungswertes steil anzusteigen (negativer Konstantspannungsbereich). Der Kurzschlußstrom ist mit Ik und die Leerlaufspannung ist mit Ulbezeichnet.

Anhand der F i g. 2 soll die Schaltungsanordnung mit der ein Solarzellengenerator-Simulator mit einer Strom-Spannungs-Kennlinie entsprechend der F i g. 1 nachzubilden is*, näher erläutert werden. In F i g. 2 ist eine Konstantstromquelle /κι vorgesehen, deren Strom sich in den Strom /W, der durch das Referenzglied 1 fließt, und einen transformierten Laststrom /u aufteilt. Als Referenzglied dient eine mit einem Widerstand¹^., parallel geschaltete Zenerdiode D₁. Die Abhängigkeit der Referenzspannung u_Ren vom Referenzstrom /W ist aus Fig.4 ersichtlich, in der die Referenzspannung in Abhängigkeit vom Referenzstrom grafisch dargestellt ist. Aus der grafischen Darstellung geht hervor, daß die Spannung zunächst mit kleinen zunehmenden Stromwerten steil ansteigt (Konstantstrombereich), um nach Erreichen eines bestimmten Spannungswertes mit zunehmendem Strom immer langsamer anzusteigen

(Konstantspannungsbereich). Zur Einstellung negativer Kennlinienwerte wirkt das Referenzglied 1 mit einem variablem Spannungsteiler zusammen, der aus einem unveränderlichen Widerstand R\ und einem veränderbaren Widerstand R₂ besteht. Zur Versorgung der gesamten Schaltungsanordnung sind zwei leistungsschwache Hilfsspannungsquellen £1 und £2 und eine leistungsstarke Spannungsquelle £3 vorgesehen, wobei die Spannungsquelle £3 die Last S27 versorgt und damit den Laststrom im liefert Am Strom-Summenpunkt A stellt sich immer eine Spannung iiReti ein, die von dem transformierten Laststrom k\ abhängig ist.

Die Funktion der Schaltung sei zunächst durch Betrachtung des Leerlauffalles beschrieben. Beim Leerlauffal! sind die Ausgangsklemmen der Schaltung geöffnet, so daß kein Laststrom fließen kann (im = 0). Der gesamte Strom der Konstantstromquelle /*i fließt dann über das Referenzglied und erzeugt einen maximalen Spannungswert der Spannung UR_Cn· Da der transformierte Laststrom iu = 0 ist, wird auch der Spannungsabfall um über dem Widerstand Ra Null und somit ist u_Rcnt = u_Rea. Diese Spannung wird mittels des Spannungsverstärkers V₁ auf die Spannung Uu verstärkt. Der Verstärkungsfaktor kann durch Änderung des Gegenkopplungswiderstandes R₇ variiert werden, so daß eine veränderliche Leerlaufspannung Ui. einstellbar ist. Die verstärkte Spannung ul\ ist über einen Gegenkopplungskreis 3, der einen Spannungsverstärker V₂, einen Leistungsverstärker mit Transistoren 71 bis Ta und Widerständen R[₂ bis /?i5 aufweist, dem Ausgang der Schaltungsanordnung zuführbar und für den Leerlauffall betragsmäßig gleich der Leerlaufspannung Ul- Der dem Verstärker V₂ zugeordnete Gegenkopplungswiderstand R\o kann je nach den Stabilitätsbedingungen der Regelschleife 3 im Betrag variiert oder auch komplex werden. Während die Transistoren Ti und T₂ in Darlington-Schaltung geschaltet sind und als Stromverstärker dienen, sind die parallel geschalteten Transistoren T₃ und Ta Leistungstransistoren, da sie den größten Teil des Laststromes iu> führen, Um auch im Leerlauf die Emitter der Leistungstransistoren auf einem definierten Spannungspotcni«al zu hallen, ist eine Hilfs-Konstantstromqucllc /₂ vorgesehen.

Die Transistoren Ti und T₂ dienen auch dazu, den Basisstrom inn des Transistors Ti gegenüber dem Laststrom im klein zu hallen, damit der durch den Strom-Mcßwidcrstand R\t fließende Strom nahezu identisch ist mit dem Strom, der durch eine an die Ausgangsklemmen der Schaltung angeschlossene Last fließt. Dies gilt auch FQr den durch den Widerstund R\s fließenden Strom/«ι«.

Bei großen Lastströmen kann die Parallelschaltung der Transistoren T3 und T₄ durch zusätzliche Transistoren erweitert werden. Die Emitterwidersttlnde /?_u und R\i der Transistoren T3 und T₄ ermöglichen eine gleiche, anteilige Aufteilung des Luststromes. Die dagegen hochohmigen Widerstände R» und Λ13 zwischen den Basli-Emitier-Sirecken der Transistoren T₁ und T₄ dienen dazu, die dynamischen Übertragungseigenschar· ten der Leistungstransistorcn zu verbessern. Der von (>o der Hllfs·Konstantstromquelle h an dem Strom-Mcßwiderstund R\t> erzeugte Spannungsabfnil un\b kann gleichzeitig zur Kompensation der Bnsls-Emitter· Schwellwertspnnnungon der Transistoren Ts und T₆ benutzt werden, damit sofort beim Fließen eines Lusts ironies /« auch der transformierte Laststrom k\ fließt. Wenn große Strombereiche des Laststromes im nuftreteti (/.,B. OS/^S25 A), ist eine Viirlntlon des Strom-Meßwiderstandes sinnvoll. Dadurch wird aber auch die vorher beschriebene Kompensation variabel. Um auch in diesem Fall die Schwellwertspannungen der Transistoren T₅ und T₆ zu kompensieren, kann eine Beschallung des Eingangs C gegen die positive oder negative HilfsSpannung vorgenommen werden. Die Kompensation kann dann über den variablen Widerstandöl?erfolgen.

Wird nun der Ausgang der Simulatorschaltung belastet, so stellt sich entsprechend der vorgegebenen Strom-Spannung-Kennlinie ein Arbeitspunkt ein. Der fließende Laststrom wird mit Hilfe des Meßwiderstandes Rm als Spannungsabfall u_R|₆ erfaßt und mit dem Verstärker V₃ und den Transistoren T₅ und T₆ mit Widerstandsbeschaltung in die Spannung uras, bzw. nach Division mit dem Widerstand R₂₆ in den Strom k\ transformiert. Die Widerstände R_]9 und R_x dienen zur Unterdrückung der Gleichspannung der Spannungsquelle P am Ausgang des Verstärkers V3. Dabei gilt die Beziehung

Kv/(K_]8+K₂\)*° KwZ(Ru + R₂₀)-

Deshalb sollte zum Abgleich der Widerstand /?₂c variabel sein. Der transformierte Laststrom iu wird nun zum Strom-Summenpunkt A zurückgeführt. Entsprechend der Beziehung

^Kl ~ ^lRc'⁺ "-¹

stellt sich im Referenzglied eine Spannung w«_cn bezogen auf den Strom /«,./■ ein. Diese Spannung abzüglich der Spannungsabfälle Ur₂ und u_R4 erscheint dann verstärkt am Ausgang als Ausgangsspannung um. Es ist zu erkennen, daß von der Referenzspannung u«_Cß aufgrund einer weiteren eingeführten Gegenkopplung mit Hilfe des Widerstandes Ra noch eine laststromabhängigc Spannung ura subtrahiert wird. Diese Maßnahme dient zur Stabilisierung des Simulators, welche sich besonders im Kurzschlußbetrieb bei max. eingestellter Leerlaufspannung als notwendig erweist.

Der Betrag des Kurzschlußstromes /κ am Ausgang der Simulatorschaltung läßt sich auf grund verschiedener Widerstandswerte der Widerstände R\_b und/oder R₂₁, variieren. Unter Verwendung von Symbolen F\ (p_t bis F₁ (p) und F_B für Übertragungsfunktionen von Bildfunktioncn, mit denen beispielsweise Differentialgleichungen aus dem Zcitbcrcich in dem Bildbercich transformiert werden, ergibt sich folgendes (siehe auch F i g. 3):

(_/0 = /_x

κι

'ti ^β 'to ' F₆ (p) · F₁ (p)

i£l

^e (P)' Fi (p)' F»

^dlc Lcerluufspannung U₁ g.lt entsprechend:

η = (1 · FJ)F()

: F_t(p) ·

>»1 gilt die Niihcrung i ¹^i(P)- Um) · F₂(p)

Die Impedanz des Simulators bestimmt sich zu: S(P) = (F, (P) +F₉)F₂(P)

F i g. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der in F i g. 2 dargestellten Schaltung. Die Vereinfachung liegt z. B. darin, daß die Hilfs-Konstantstromquelle /i und die zusätzlich beschalteten Eingänge der Operationsverstärker zur Kompensation von Basis-Emitterschwellwertspannungen nicht berücksichtigt sind. Auch sind die Dioden Dj und Dj, die zur Temperaturkompensation für

die Basis-Emitterstrecke der Transistoren T$ und Tb vorgesehen sind, sowie die eine rückwärtige Einspeisung in den Simulator verhindernde Diode D* nicht gezeichnet. Die Simulatorlast braucht nicht unbedingt aus einem Widerstand zu bestehen, vielmehr kann sie auch zusätzliche Strom- oder Spannungsquellen enthalten. Für die einzelnen Ströme und Spannungen sind dieselben Bezeichnungen wie in Fig.2 verwende! worden. Die Bezeichnungen der einzelnen Bauelemente

ίο aus Fig.2 sind in die zugehörenden Blöcke de: Blockschaltbildes eingetragen worden. Somit kam anhand der F i g. 3 die Funktion des erfindungsgemäßei Simulators vereinfacht entnommen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunuen

Claims (1)

die im Leerlauffall die Emitter der LeistMngstransi-Patentansprüche: stören (T3, T<) auf einem definierten Potential hält.

1. Schaltungsanordnung zur Nachbildung eines

Solarzellengenerators mit nichtlinearer Strom- 5
Spannungs-Kennlinie auf statische und dynamische

Weise, bei der die Leerlaufspannung, die Form des Die !Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord-Kennlinienverlaufs und der Kurzschlußstrom ein- nung zur Nachbildung eines Solarzellengenerators mit stellbar sind, die zur Einstellung der Kennlinienwerte nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie auf statische ein Referenzglied besitzt, das mit dem Eingang eines ι ο und dynamische Weise, bei der die Leerlaufspannung, regelbaren Spannungsverstärkers verbunden ist, bei die Form des Kennlinienverlaufs und der Kurzschlußder die Ausgangsspannung dieses Spannungsver- strom einstellbar sind, die zur Einstellung der Kennlistärkers an den Ausgang der Schaltungsanordnung nienwcrte ein Referenzglied besitzt, das mit dem gelangt und für den Leerlauffall gleich der Eingang eines regelbaren Spannungsverstärkers ver-Leerlaufspannung ist, bei der ferner für den 15 bunden ist, bei der die Ausgangsspannung dieses Kurzschluß- oder Lastfall der von einer leistungs- Spannungsverstärkers an den Ausgang der Schaltungsstarken Spannungsquelle gelieferte Kurzschluß- anordnung gelangt und für den Leerlauffall gleich der oder Laststrom durch einen Meßwiderstand fließt, Leerlaufspannung ist, bei der ferner für den Kurzschlußan den ein einen als Stromquelle wirkenden oder Lastfall der von einer leistungsstarken Spannungs-Transistor enthaltender Schaltungsteil angeschlos- 20 quelle gelieferte Kurzschluß- oder Laststrom durch sen ist, mit dem ein transformierter Laststrom einen MeSwiderstand fließt, an den ein einen als erzeugt wird, der dem Referenzglied über einen Stromquelle wirkenden Transistor enthaltender Schal-Widerstand zugeführt wird, dadurch gekenn- tungsteil angeschlossen ist, mit dem ein transformierter zeichnet, daß das von einer Konstantstromquel- Laststrom erzeugt wird, der dem Referenzglied über Ie gespeiste Referenzglied aus einer Zenerdiode (Di) 25 einen Widerstand zugeführt wird. Eine derartige mit parallelgeschaltetem komplexen Widerstand Schaltungsanordnung ist aus der DT-AS 20 52 251 (§3) besteht und zur Einstellung von Kennlinienwer- bekannt.

ten im Bereich negativer Spannungen mit einem Solarzellen finden vor allen Dingen in der Weltraumvariablen Spannungsteiler (R\, R₂) verbunden ist, technik als fotoelektrische Generatoren Verwendung, wobei sich am Knotenpunkt (A) des Referenzgliedes 30 Im allgemeinen stehen für Untersuchungszwecke und des den transformierten Laststrom (ki) führen- Solarzellengeneratoren während der Entwicklung von den Widerstandes (R+) eine vom transformierten elektrischen Schaltungen, die z. B. zu einem mit Laststrom (k\) abhängige Referenzspannung u_Ren elektrischer Energie zu versorgenden Satellitensystem einstellt, die sich durch Subtraktion des Spannungs- gehören, in der benötigten Stückzahl aus Kostenabfalls (ur?) über dem veränderbaren Widerstand 35 und/oder Termingründen nicht zur Verfügung. Es ist (R₂) des Spannungsteilers (R_u R₂) von der von dem jedoch möglich, die vorher bekannte theoretische Referenzglied gelieferten Referenzspannung u_Ren Strom-Spannungs-Kennlinie des später eingesetzten ergibt und die nach Verringerung um den über dem Solarzellengenerators statisch und dynamisch auf den transformierten Laststrom (i_Li) führenden elektronischem Wege mit einer Schaltungsanordnung Widerstand (R*) abfallenden Spannungsabfall (u_M) 40 nachzubilden, die auch als Solarzellengenerator-Simulaeine am Eingang des regelbaren Spannungsiverstär- tor bezeichnet wird.

kers CV,) anliegende Referenzspannung u_Äeß ergibt, Aus der US-PS 33 25 723 ist ein Simulator zur

daß die Ausgangsspannung (ul\) des regelbaren Nachbildung von Solarzellengeneratoren bekannt, bei

Spannungsverstärkers (Vi) über einen Gegenkopp- dem an einer Reihenschaltung von Dioden über

lungskreis (V₃, T\ bis T₄, R_n bis Ai₅) an den Ausgang 45 Widerstände eine bestimmte Spannung anliegt. An den

der Schaltungsanordnung gelangt, daß der Schal- Dioden sind dann verschieden große, gegen ein