DE3730440A1 - Lineare spannungsregelung fuer eine solarzellenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für eine Solar­ zellenanordnung, insbesondere eine solche Regelschaltung mit einer linearen Regelung der Sammelschienenspannung.

Bei einer üblichen Solarzellenstromversorgung ist eine Mehrzahl von Solarzellenanordnungen oder -feldern zwischen einer Sammelschiene und einer Rückleitung (Masse) parallel­ geschaltet. Ohne das Vorhandensein eines Spannungsreglers wird der Spannungspegel der Sammelschiene Werte in einem weiten Bereich annehmen, die vom Wirkungsgrad der Solarzel­ len abhängen (der mit der Zeit abnimmt), unterschiedlichen Temperaturbedingungen, unterschiedlichen Einstrahlungsbe­ dingungen und unterschiedlichen Lastbedingungen. Der Zweck einer Spannungsregelungsschaltung besteht darin, eine konstante Spannung oder zumindest eine nahezu konstante Spannung in der Sammelschiene aufrechtzuerhalten trotz der obengenannten Schwierigkeiten, welche eine variieren­ de Spannung hervorrufen.

Es sind bereits verschiedene Nebenschlußanordnungen be­ kannt, um die Spannung konstant zu halten. Einige arbeiten digital, d.h. daß die Sammelschienenspannung in einem Bereich von Spannungen gehalten wird. Manche arbeiten linear, so daß die Vorspannung genau aufrechterhalten wird, jedoch mit beträchtlichen Kosten für die Schaltung und mit hohem Gewicht. (Bei künstlichen Satelliten, wo solche Solarzellen oft verwendet werden, bedeutet Gewicht ein großes Problem). Bei einer Art von Linearschaltungen sind mehrere Kombinationen von bipolaren Transistoren und Verlustwiderständen zwischen der Sammelschiene und der gemeinsamen Leitung (Rückleitung) parallelgeschaltet.

Überschüssige Leistung wird an den Transistoren und Wider­ ständen freigesetzt. Bei anderen parallelen Regelungsschal­ tungen sind die Transistoren zwischen Anschlußpunkte der jeweiligen Felder und die Rückleitung geschaltet. Bei einer solchen Teilnebenschlußschaltung werden keine Kollek­ torverlustwiderstände verwendet. Bei dem teilweisen Neben­ schluß werden die verschiedenen Widerstände ein- und ausge­ schaltet, so daß die Spannung über dem Teil einer jeden Anordnung gesenkt wird, die durch den entsprechenden Tran­ sistor kurzgeschlossen wird, auf diese Weise wird die Spannung der Sammelschiene auf den gewünschten Wert gere­ gelt. Der teilweise Nebenschluß ist in vielerlei Hinsicht dem vollständigen Nebenschluß überlegen. Bei einem voll­ ständigen Nebenschluß muß der Verlustleistungsstrom bei der vollen Spannung der Sammelschiene freigesetzt werden, während beim teilweisen Nebenschluß der äquivalente Strom bei der niedrigeren Spannung von nur einem Teil des Feldes, über den die Transistoren geschaltet sind, freigesetzt wird. Der Nachteil der obenbeschriebenen Spannungsregler besteht in der hohen Gesamtverlustleistung, obwohl die Verlustleistung bei den Schaltungen mit teilweisem Neben­ schluß etwas geringer ist. Wegen der hohen Verlustleistung sind Kühlkörperkonstruktionen mit hohem Gewicht notwendig.

Ein Spannungsregler zum Aufrechterhalten einer gewünschten Spannung zwischen der Sammelschiene und der Rückleitung einer Solarzellenstromversorgung, welche die Sammelschiene, die Rückleitung und eine Anzahl N von parallel zwischen der Sammelschiene und der Rückleitung angeordneten Solarzel­ lenfeldern umfaßt, enthält in Kombination eine Digitalschal­ tung mit N-1 Schaltern, welche jeweils zwischen N-1 Felder und die Rückleitung geschaltet sind, einen Schalter, wel­ cher im durchgeschalteten Zustand zumindest einen Teil des ihm zugeordneten Feldes vollständig nebenschließt, und eine lineare Nebenschlußschaltung, welche zwischen das verbleibende eine der N Felder und die Rückleitung geschaltet ist, um den durch das verbleibende Feld fließen­ den Strom zu messen. Der lineare Nebenschluß ist ebenfalls mit der Digitalschaltung verbunden. In Abhängigkeit vom Strompegel schaltet der lineare Nebenschluß verschiedene der mit den N-1 Feldern verbundenen Nebenschlußschaltern ein oder aus und bewirkt einen linearen Nebenschluß des verbleibenden Feldes, um die gewünschte Spannung zwischen der Sammelschiene und der Rückleitung aufrechtzuerhalten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Spannungsregelungsschal­ tung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Aufrechterhalten einer konstanten Spannung bei einem Solarzellenfeld;

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Spannungsregelungs­ schaltung;

Fig. 3 ein übliches Solarzellenfeld, wie es zusammen mit der Spannungsregelungsschaltung nach den Fig. 1 oder 2 verwendet wird.

Alle in Fig. 1 unterhalb und links einer gestrichelten Linie 10 dargestellten Teile gehören zu einer Spannungsrege­ lungsschaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Alle Teile rechts und oberhalb der gestri­ chelten Linie 10 gehören zu dem Solarzellen-Stromversor­ gungssystem. Üblicherweise enthält das Solarzellen-Stromver­ sorgungssystem eine gemeinsame Sammelschiene (12), an die verschiedene zu versorgende Lastschaltungen (nicht dargestellt) angeschlossen sind, eine Rückleitung, welche in Fig. 1 durch die Massesymbole 14 (und nicht als eine einzelne Leitung) dargestellt ist, und eine Anzahl N von Solarzellenfeldern, welche zwischen die Sammelschiene (12) und die Rückleitung parallel geschaltet sind. Als Beispiele sind Felder (16 a, 16 b, 16 c und 16 n) dargestellt. Typischerweise kann N 16 oder 32 betragen.

Nun wird Bezug genommen auf Fig. 3, welche eine detaillier­ tere Darstellung eines Solarzellenfeldes ist. Jeder Kreis, wie z. B. 20, bedeutet eine Solarzelle. Das Feld ist in einen "oberen" Bereich zwischen einer Leitung (22) und einer Leitung (24) und einen "unteren" Bereich zwischen einer Leitung (26) und einer Leitung (28) unterteilt. An einem Anschlußpunkt (30) sind die Leitungen (24) und (26) zusammengeschaltet. Die Leitung (22) ist mit der Anode einer Diode (32) verbunden, deren Kathode mit der Sammelschiene (12) verbunden ist. Die Leitung (28) ist an die Rückleitung (14) angeschlossen. Im "oberen" Abschnitt sind die Solarzellen in X parallelen Reihen von Y in Serie geschalteten Solarzellen angeordnet, wobei z. B. X=10 und Y=33 sein kann. In diesem Fall würde es also 10 Spalten von Solarzellen geben, wobei jede Spalte 33 von zwischen der Leitung (22) und der Leitung (24) in Serie geschalteten Zellen enthält. Im "unteren" Abschnitt kann es z. B. 10 parallele Reihen, welche jeweils 50 in Serie geschaltete Zellen enthalten, geben. Im beleuchteten Zustand erzeugt die Solarzellenanordnung an der Anode der Diode (32) eine bezüglich der Spannung an der Rückleitung (14) positive Spannung.

Wiederum Bezug genommen auf Fig. 1, enthält z. B. das Solarzellenfeld (16 n) einen oberen Abschnitt (34), der über die Diode (32) mit der Sammelschiene (12) verbunden ist, und einen unteren Abschnitt (36), der mit Masse (14) verbunden ist. Ein Anschlußpunkt (30) verbindet die oberen und unteren Abschnitte (34) bzw. (36). Die Zahlen in dem Kasten für den oberen Abschnitt (34) und für den unteren Abschnitt (36) bedeuten die Anzahl der Parallel- und Serien­ schaltungen, wie sie oben in Zusammenhang mit Fig. 3 be­ schrieben sind.

Der nun beschriebene Spannungsregler enthält einen aus Widerständen (R 1) und (R 2) bestehenden Spannungsteiler, welcher zwischen die Sammelschiene (12) und die Rückleitung (14) geschaltet ist. Der Verbindungspunkt (38) der Wider­ stände (R 1) und (R 2) ist an den nichtinvertierenden (plus) Eingang eines Operationsverstärkers (40) angeschlossen, wogegen eine Referenzspannungsquelle (42) mit dem invertie­ renden (minus) Eingang desselben verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers (40) ist mit einer linearen Teilnebenschluß­ schaltung des Spannungsreglers verbunden, genauer mit einem Operationsverstärker (44) in dem gestrichelt darge­ stellten Kasten (46). Der Ausgang des Verstärkers (40) ist auch an den Eingang eines Spannungsverstärkers (50) angeschlossen, der einen Verstärkungsfaktor von beispiels­ weise 20 bis 40 hat. Das Ausgangssignal des Verstärkers (50) wird den Plus-Eingängen von Vergleicherverstärkern (52 b, 52 c) und (52 n) und den Minus-Eingängen von Verglei­ cherverstärkern (54 b, 54 c) und (54 n) zugeführt. Die Buchsta­ ben b, c und n beziehen sich auf die gleichen Buchstaben der Solarzellenfelder (16). Eine Referenzspannungsquelle (64) ist über eine Widerstandsteilerschaltung (66) mit der Rückleitung (14) verbunden. Verschiedene Anschlußpunk­ te des Teilers sind mit den Minus-Eingängen der Verstärker (52 n, 52 c) und (52 b) und mit den Plus-Eingängen der Verstär­ ker (54 b, 54 c) und (54 n) verbunden.

Die Ausgangssignale der Verstärker (52 b, 52 c) und (52 n) werden jeweils den Setz-(S)-Eingängen von Flipflops (72 b, 72 c) bzw. (72 n) zugeführt, während die Ausgangssignale der Verstärker (54 b, 54 c) und (54 n) den jeweiligen Rücksetz- (R)-Eingängen der Flipflops (72 b, 72 c) bzw. (72 n) zugeführt werden. Die Q-Ausgänge der Flipflops (72 b, 72 c) bzw. (72 n) sind mit den jeweiligen Gate-Eingängen von Leistungs-Metall­ oxyd-Halbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFET) (86, 86 c) bzw. (86 n) verbunden. Die Source-Anschlüsse der MOSFETs (86 b, 86 c) und (86 n) sind an die Rückleitung (14) ange­ schlossen, während die entsprechenden Drain-Anschlüsse mit den Anschlußpunkten (30 b, 30 c) und (30 n) der Solarzel­ lenfelder (16 b, 16 c) bzw. (16 n) gekoppelt sind.

Die lineare Nebenschlußschaltung in dem gestrichelten Kasten (46) ist im wesentlichen ein Transkonduktanz-Verstär­ ker mit einem Operationsverstärker (44) und einer Darling­ ton-Anordnung eines Transistors (Q 1) und eines Satzes von fünf Transistoren (Q 2 . . . Q 6), die parallel geschaltet sind (nur zwei von ihnen, Q 2 und Q 6, sind dargestellt). Zwischen dem Ausgang des Verstärkers (44) und der Basis des Transistors (Q 1) liegt ein Basiswiderstand (R 3). Die Emitter der NPN-Transistoren (Q 2 . . . Q 6) sind jeweils über Emitterwiderstände (R 6 . . . R 11) mit einem gemeinsamen An­ schlußpunkt (92) verbunden. Vom Anschlußpunkt (92) erfolgt über einen Widerstand (R 4) eine Rückkopplung zum invertie­ renden Eingang des Verstärkers (44). Zwischen den gemein­ samen Anschlußpunkt (92) und die Rückleitung (14) ist ein Stromfühlwiderstand (R 5) geschaltet. Der Widerstand (R 5) hat typischerweise einen sehr kleinen Wert, wie 0,1 Ohm. Der Widerstand (R 5) mißt den Strom in dem den unteren Abschnitt des Feldes (16 a), die Transistoren (Q 1) bis (Q 6), die Widerstände (R 6) bis (R 11) und den Widerstand (R 5) enthaltenden Pfad. Wegen der Natur des Transkonduktanz­ verstärkers im Kasten (46) ist die Ausgangsspannung des Verstärkers (50) direkt proportional zum Strom durch den Widerstand (R 5). Die Regelübertragungsfunktion für die Kombination des Verstärkers (44) mit (Q1) bis (Q6) ist 1/R5. Die Ausgangsspannung des Verstärkers (40, V ₀) er­ scheint ebenso am Widerstand (R 5) und der resultierende Strom durch (R5)(V ₀/R5) oder I_R5/V ₀=1/R5, welches die Übertragungsfunktion der linearen Nebenschlußschaltung im Kasten (46) ist.

In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß die gewünschte Spannung der Sammelschiene (12) 35 Volt gegen­ über der Rückleitung beträgt, daß VR1 auf 10 Volt einge­ stellt ist, daß VR2 auf 18 Volt eingestellt ist, daß R1 25 kOhm und daß R2 10 kOhm beträgt. Diese Werte sind nur Beispiele. Mit diesen Beispielwerten sind die Werte an verschiedenen Punkten am Spannungsteiler (66) aufgeführt.

Die Funktionsweise der Komparatoren (52), der Komparatoren (54), der Flipflops (72) und der Transistoren (86) ist wie folgt. Wenn die Spannung am Plus-Anschluß irgendeines Komparators (52) größer ist als die Spannung am Minus-An­ schluß, dann ist das Ausgangssignal eine im Bezug hohe Spannung. Demgegenüber, wenn der Minus-Anschluß auf einer höheren Spannung liegt als der Plus-Anschluß, ist das Ausgangssignal eine im Bezug niedrige Spannung. Ein Übergang von negativ nach positiv am S-Anschluß eines Flipflops (72) bewirkt, daß das Flipflop gesetzt wird (Q-Ausgangssignal auf einer verhältnismäßig hohen Span­ nung). Ein Übergang von negativ nach positiv am R-Anschluß eines Flipflops (72) bewirkt, daß das Flipflop zurückge­ setzt wird (Q-Ausgang auf einer verhältnismäßig niedrigen Spannung). Der gesetzte Zustand eines Flipflops (72) be­ wirkt, daß der ihm zugeordnete Transistor (86) auf "EIN" geschaltet wird. Das Rücksetzen des Flipflops bewirkt, daß der zugeordnete Transistor (86) auf "AUS" geschaltet wird. Wenn ein Transistor auf "EIN" geschaltet ist, dann hat er eine sehr niedrige Impedanz zwischen seinem Drain- und seinem Source-Anschluß, so daß der zugeordnete untere Abschnitt eines Solarzellenfeldes (16) nebengeschlossen oder kurzgeschlossen wird. Wenn ein Transistor auf "AUS" geschaltet ist, dann hat er eine sehr hohe Impedanz zwi­ schen seinen Drain- und Source-Anschlüssen.

Nun wird angenommen, daß die Solarzellen der Reihe nach aus einer Position, in der sie kein oder wenig Sonnenlicht aufnehmen, über eine Position, in der sie ein sehr starkes Licht aufnehmen, in eine Position übergehen, in der sie wenig oder kein Licht aufnehmen. Diese Situation kann auftreten, weil die Solarzellen auf einem Teil eines künst­ lichen Satelliten (nicht dargestellt) angebracht sind, der um die Erde rotiert, oder weil die Solarzellen auf der Erde angebracht sind, und die Erde gegenüber der Sonne rotiert, wie während der Perioden der Tag- und Nachtstun­ den. Selbstverständlich ist dies nur ein Beispiel, da das gleiche Phänomen auftreten würde, wenn eine große Last zwischen die Leitungen (12) und (14) geschaltet wird oder abgeschaltet wird.

Wenn also kein Licht auf die Solarzellenfelder fällt, wird die Spannung am Punkt (38) null oder nahezu null Volt betragen und sicherlich unter den 10 Volt liegen, die an den Minus-Anschluß des Verstärkers (40) angelegt sind. Folglich ist die Impedanz an den Transistoren (Q 2 bis Q 6) sehr hoch, so daß vom Anschluß (30 a) des Feldes (16 a) kein Nebenschluß auf die Rückleitung (14) erfolgt. D. h. der untere Feldabschnitt (16 l) ist nicht nebenge­ schlossen. Weiter sind alle Flipflops (72) zurückgesetzt und alle Transistoren (86) sind auf "AUS" geschaltet, so daß keines der Felder (16) nebengeschlossen ist.

Wenn die Felder (16) zunehmend mehr Licht erhalten, steigt die Spannung am Punkt (38) auf zunehmend höhere Spannungen an, die schließlich 10 Volt erreichen, wenn die Sammelschie­ ne (12) 35 Volt erreicht. Wenn die Solarzellen dann noch mehr Licht aufnehmen, und daher die Spannung an der Sammel­ schiene (12) beginnt 35 Volt zu übersteigen, dann wird das Ausgangssignal des Verstärkers (40) positiv und die Schaltelemente (Q 2) bis (Q 6) werden zunehmend leitfähiger, so daß ein zunehmender Nebenschluß des unteren Abschnit­ tes (16 l) des Solarzellenfeldes (16 a) auftritt, wobei ein zunehmender Strom durch den Widerstand (R 5) fließt, um die Sammelschiene (12) auf 35 Volt zu halten. Wenn die Solarzellen noch mehr Licht erhalten, erreichen die Transistoren (Q 2) bis (Q 6) einen Punkt in der Nähe der Sättigung, bei dem sie vollständig leitfähig sind und daher den unteren Abschnitt (16 l) vollständig kurzschlie­ ßen. Wenn die übrigen Bedingungen konstant gehalten werden, würde daher eine weitere Zunahme des die Felder treffenden Lichts bewirken, daß die Spannung an der Sammelschiene (12) auf über 35 Volt ansteigt. Die Spannung des Verstär­ kers (50) steigt jedoch an, erreicht und übersteigt 10 Volt. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt der Komparator (52 b) ein hochpegeliges Ausgangssignal, durch welches das Flip­ flop (72 b) gesetzt wird, so daß der Transistor (86 b) durch­ geschaltet und daher der untere Abschnitt des Feldes (16 b) vollständig kurzgeschlossen wird.

Wenn das Feld (16 b) kurzgeschlossen ist, hält die Spannung an der Sammelschiene (12) auf unter 35 Volt. Die Transisto­ ren (Q 2) bis (Q 6) verlieren ihre Leitfähigkeit und der Strom durch den Widerstand (R 5) fällt auf nahezu 0.

Wenn weiter zunehmend mehr Sicht auf die Solarzellenfel­ der trifft, werden die Transistoren (Q 2) bis (Q 6) schließ­ lich wiederum nahezu in Sättigung gehen. Das Ausgangssignal des Verstärkers (50) steigt auf über 10,1 Volt, wodurch bewirkt wird, daß das Flipflop (72 c) gesetzt wird, was wiederum das Durchschalten des Transistors (86 c) bewirkt, so daß der untere Abschnitt des Feldes (16 c) kurzgeschlos­ sen wird. Wenn noch mehr Sonnenstrahlung auf die Felder trifft, dann wiederholt sich der oben beschriebene Prozeß, wobei die anderen Abschnitte kurzgeschlossen werden. Wegen des linearen Verhaltens der im Block (46) enthaltenen linearen Nebenschlußschaltung bleibt die tatsächliche Ausgangsspannung der Sammelschiene (12) (wenn erst einmal genügend Licht auf die Felder trifft, so daß die Spannung an der Sammelschiene (12) 35 Volt übersteigt) konstant, trotz der Zunahme des die Felder erreichenden Lichts oder der Verminderung der an die Sammelschiene (12) angeschlosse­ nen Lasten.

Nun sei angenommen, daß das die Felder (16) treffende Licht beginnt abzunehmen und weiter abnimmt, bis zu einer Position, in der kein Licht mehr die Felder trifft. Zu­ nächst wird der durch die lineare Nebenschlußschaltung (46) bedingte Nebenschluß vermindert werden bis zu einem Punkt, an dem kein Nebenschluß mehr vorliegt. Schließlich wird die Ausgangsspannung des Verstärkers (50) auf 1 Volt und unter diesen Wert sinken. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt der Komparator (54 b) einen Negativ-Positiv-Spannungsüber­ gang, durch welchen das Flipflop (72 b) zurückgesetzt wird, so daß der Transistor (86 b) auf "AUS" geschaltet wird, so daß der Nebenschluß des unteren Abschnitts des Feldes (16 b) aufgehoben wird. Wenn dies geschieht, wird die Span­ nung an der Sammelschiene (12) auf über 35 Volt ansteigen, was bewirkt, daß eine positive Spannung am Plus-Anschluß des Verstärkers (44) anliegt, verglichen mit der Spannung am Minus-Anschluß, und die Transistoren (Q 2) bis (Q 6) werden leitfähig gemacht, was einen vollen Nebenschluß des Feldes (16 l) bewirkt. Wenn die Stärke der Beleuchtung weiter zurückgeht, wird wiederum das Flipflop (72 c) zurück­ gesetzt und der diesem zugeordnete Transistor (86 c) wird ausgeschaltet, wodurch der Nebenschluß des unteren Abschnit­ tes des Solarzellenfeldes (16 c) aufgehoben wird. Wenn schließlich das Licht so weit zurückgegangen ist, daß die Spannung des Verstärkers (50) unter 0,1 Volt fällt, wird der Nebenschluß des Feldes (16 n) aufgehoben.

Damit ergibt sich der Effekt, daß bei genügend Licht, damit die Sammelschiene (12) 35 Volt erreicht, diese 35 Volt aufrechterhalten werden, unabhängig von dem die Solar­ felder erreichenden Lichtstrom. Selbst obwohl alle Felder außer eines, nämlich 16 a, digital nebengeschlossen werden, d.h. der Nebenschlußweg vollständig oder gar nicht leitfä­ hig ist, wird trotzdem infolge des einen, durch die Schal­ tung im Block (46) linear geregelten Feldes eine konstante Spannung an der Sammelschiene (12) über einen weiten Be­ reich von Beleuchtungs- und Belastungsbedingungen konstant gehalten. Durch die Messung des linearen Stromes durch den Widerstand (R 5) ist die Spannungsregelungsschaltung in der Lage, den Leitfähigkeitsstand der linearen Neben­ schlußelemente (Q 2) bis (Q 6) abzufühlen, ohne daß es nötig ist, die tatsächliche Kollektor-Emitter-Spannung von Q2 bis Q6 zu messen. Die Spannung an R 5, wird, wenn sie durch den Verstärker (50) verstärkt wird, zur Grundlage für die Auswahl, welche Schaltfelder (86) ein- oder ausgeschal­ tet werden. Wenn es keine ausreichende Überlappung des Ausgangsstromes des linearen Feldabschnittes (16a) und des irgendeines geschalteten Feldabschnittes (16 b, 16 c . . . 16 n) gibt, kann das Einschalten eines Schalters (86) bei einer der oberen Schwellwertschaltungen des Teilers (66) (z.B. 10,1 Volt) bewirken, daß der lineare Strom auf einen Punkt absinkt, bei dem die diesem Strom am Punkt (92) analoge Spannung (die auch an den Plus- und Minus-Eingängen des Verstärkers (44) auftritt), wenn sie durch den Verstär­ ker (50) verstärkt ist, die untere Schwellwertspannung (z. B. 0,9 Volt) erreicht und die eingeschalteten Feldab­ schnitte wieder ausgeschaltet werden, so daß das System in unerwünschter Weise zwischen eingeschalteten und ausge­ schalteten Zuständen hin- und herschwingt. Wegen der zwan­ zig parallelen Ketten von Solarzellen im Feld (16 a) gegen­ über den zehn parallelen Ketten von Solarzellen in den übrigen Feldern kann eine derartige Schwierigkeit nicht auftreten.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Solarzellenfelder (16), die lineare Nebenschlußschal­ tung im Block (46) und auch die Fehlerverstärkerschaltung mit dem Verstärker (14) und der Referenzspannungsquelle (42) die gleichen wie in Fig. 1. Die digitale Komparator­ schaltung mit den Elementen innerhalb des gestrichelt dargestellten Blocks (88) unterscheidet sich jedoch in mancherlei Hinsicht von den Komparatorelementen innerhalb des Blocks (88) der Fig. 1. Insbesondere enthält die Span­ nungsteilerkette (66) nur drei in Serie geschaltete Wider­ stände (R 13, R 14) und (R 15), die zwischen die Referenzspan­ nungsquelle (64) und die Rückleitung (14) in Serie geschal­ tet sind. Es gibt nur zwei Komparatoren (52) und (54) zum Detektieren der oberen bzw. unteren Grenzströme.

Das Ausgangssignal des Komparators (52) für den oberen Grenzstrom wird dem einen Eingang eines Exklusiv-ODER-Gat­ ters (90) zugeführt, während das Ausgangssignal des Kompara­ tors (54) für den unteren Grenzstrom dem zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters (90) zugeführt wird und dem einen Eingang eines NICHT-UND-Gatters (92). Das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters (90) wird sowohl einem Eingang des NICHT-UND-Gatters (92) und eines UND-Gat­ ters (94) zugeführt. Ein Taktgeber (96) mit z. B. einer Taktfrequenz von 10 kHz ist an den zweiten Eingang des UND-Gatters (94) angeschlossen. Der Ausgang des UND-Gatters (94) ist mit dem Takt-(C)-Eingang eines Schieberegisters (98) verbunden, während das Ausgangssignal des NICHT-UND- Gatters (92) direkt dem S0-Eingang des Registers (98) und über einen Inverter (99) dem S1-Eingang des Registers (96) zugeführt wird. Der S0-Eingang nimmt die Datensignale auf, während der S1-Eingang Signale aufnimmt, welche die Verschieberichtung angeben. Ein hoher Pegel am S0-Eingang zum Schieberegister (98) (ein niedriger Pegel bei S1) bewirkt, daß der Inhalt des Registers (98) nach oben ver­ schoben wird, wodurch der Schalter (86 b), in der Folge der Schalter (86 c, etc.) nacheinander aktiviert werden. Umgekehrt bewirkt ein niedriger Pegel bei S0 (ein hoher Pegel bei S1) eine Verschiebung nach unten. Das Schieberegi­ ster (98) hat so viele Ausgänge wie es Schalttransistoren (86) gibt, so daß jeweils ein Ausgang mit einem Gatter eines zugeordneten Transistors (86) verbunden ist.

Die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist im wesentlichen die gleiche wie bei Fig. 1, mit Ausnah­ me der Funktionsweise der Komparatorschaltung innerhalb des Blocks (88). Die folgende Beschreibung der Funktions­ weise geht wie bei Fig. 1 davon aus, daß zunächst kein Licht auf die Solarzellenfelder auftrifft und dann zuneh­ mend mehr Licht auf die Solarzellenfelder trifft und schließlich weniger und weniger Licht auf die Solarzellen­ felder trifft, bis schließlich kein Licht mehr auf die Solarzellenfelder fällt. Daher sind die Transistoren (86) zunächst ausgeschaltet und keines der Solarzellenfelder ist nebengeschlossen. Wenn daher zunehmend mehr Licht auf die Solarzellenfelder trifft, wird schließlich die Linearschaltung im gestrichelten Block (46) nahezu in Sättigung gehen und die Spannung am Plus-Eingang des Kompa­ rators (52) wird über die z. B. 5 Volt am Negativ-Eingang ansteigen. Wenn dies der Fall ist, wird ein Plus-Signal an das Exklusiv-ODER-Gatter (90) gesendet, wodurch dessen Ausgang hochpegelig wird und damit ein hochpegeliges Signal jeweils an UND-Gatter (94) und das NICHT-UND-Gatter (92) abgegeben wird.

Wenn der nächste vorübergehend positive Taktimpuls vom Taktgeber (96) abgegeben wird, wird das UND-Gatter (94) aktiviert, um einen positiven Taktimpuls an das Schiebere­ gister (98) abzugeben. Weiter wird das NICHT-UND-Gatter deaktiviert, da der Verstärker (54) eine verhältnismäßig niederpegelige Spannung erzeugt, so daß dem S0-Eingang des Schieberegisters (98) ein relativ hochpegeliges Signal und dem S1-Eingang ein relativ niedrigpegeliges Signal zugeführt wird, wodurch eine Verschiebung in eine Richtung, in der ein relativ hochpegeliges Signal bei Q _b ausgegeben wird, bewirkt wird. Das Schieberegister (98) erzeugt in Ansprache auf das Taktsignal an seinem Q _b -Ausgang ein relativ hochpegeliges Signal, durch welches der Transistor (86 b) leitfähig gemacht wird und der untere Abschnitt des Feldes (16 b) nebengeschlossen wird. In der Folge wird die Nahezu-Sättigung des linearen Verstärkers innerhalb des gestrichelten Blockes (88) beendet, so daß die lineare Verstärkerschaltung im wesentlichen geöffnet und der Neben­ schluß des Feldes (16 a) aufgehoben wird. Bei Zunahme des Lichtes wird wieder eine Nahezu-Sättigung der Linearschal­ tung erreicht werden. Der Komparator (52) wird dann ein hochpegeliges Signal erzeugen, was schließlich zu einer weiteren Verschiebung des Schieberegisters (98) führt, so daß der Q _c -Ausgang hochpegelig wird, wodurch der Transi­ stor (86 c) eingeschaltet und das Feld (16 c) nebengeschlos­ sen wird. Diese Prozedur wiederholt sich so oft wie notwen­ dig, um die gewünschte Spannung an der Sammelschiene (12) gegenüber der Rückleitung (14) unter verschiedenen Beleuch­ tungs- und Belastungsbedingungen (jedoch nicht erläutert) aufrechterhalten wird.

Wenn das die Solarzellen treffende Licht zunehmend weniger wird, und es daher notwendig ist, die Nebenschlüsse aufzu­ heben, wird die Nebenschlußwirkung der Linearschaltung (46) auf einen geringen Wert vermindert und es erscheint daher am Ausgang des Verstärkers (50) ein Signal niedriger Spannung, wobei der Komparator (54) geschaltet wird und ein relativ hochpegeliges Ausgangssignal erzeugt, welches das Exklusiv-ODER-Gatter (90) zum UND-Gatter (94) und zum NICHT-UND-GATTER (92) durchläuft. Der nächste Taktim­ puls vom Taktgeber (96) wird ein verhältnismäßig hochpege­ liges Ausgangssignal des UND-Gatters (94) für den Taktein­ gang des Schieberegisters (98) bewirken. Zu diesem Zeit­ punkt ist das NICHT-UND-GATTER (92) jedoch aktiviert, da es sowohl ein relativ hochpegeliges Ausgangssignal vom Exklusiv-ODER-Gatter (90) und ein relativ hochpege­ liges Ausgangssignal vom Komparator (54) erhält. Folglich wird vom Ausgang des NICHT-UND-GATTERS (92) ein relativ niederpegeliges Signal an den S0-Eingang des Schieberegi­ sters (98) und ein hochpegeliges Signal an den S1-Eingang desselben abgegeben, wodurch Nullen an die Kette (Q _b ...Q _n ) ausgegeben werden. Es erfolgt eine Verschiebung in umgekehr­ te Richtung, wodurch zunächst an den letzten Q-Ausgang des Schieberegisters (98), welcher auf den hochpegeligen Zustand gegangen ist, eine Null ausgegeben wird, und dann bei einer weiteren Verschiebung schließlich an Q _b , wenn das Licht weiter zurückgeht. Da wiederum alle Nebenschlüs­ se bis auf einen digital sind, stellt dieser eine lineare Nebenschluß eine genaue Regelung der Spannung an der Sammel­ schiene (12) sicher.

Claims (6)

1. Solarzellenanordnung zur Stromversorgung mit einer Sammelschiene, einer Rückleitung und einer Anzahl N von Solarzellenfeldern, die parallel zwischen der Sammelschiene und der Rückleitung angeordnet sind, mit einem Spannungsreg­ ler zum Aufrechterhalten einer gewünschten Spannung zwi­ schen der Sammelschiene und der Rückleitung, gekennzeichnet durch
eine Digitalanordnung (88) mit N-1 Nebenschlußschaltungen (86 b, 86 c . . . 86 n), die jeweils zwischen N-1 der Felder (16 b, 16 c . . . 16 n) und die Rückleitung (14) gekoppelt sind, wobei ein Schalter im eingeschalteten Zustand zumindest einen Teil des ihm zugeordneten Feldes vollständig neben­ schließt, und
eine lineare Nebenschlußanordnung (46), die zwischen das verbleibende (16 a) der N Felder und die Rückleitung (14) geschaltet ist, und den Strom durch das verbleibende Feld (16 a) mißt und ebenfalls mit der Digitalanordnung (88) gekoppelt ist, wobei
die Digitalanordnung (88) eine Anordnung enthält, die auf den Pegel des Stromes anspricht, um verschiedene der mit den N-1 Feldern verbundenen Nebenschlußschaltern (86 b, 86 c . . . 86 n) einzuschalten oder auszuschalten, und wobei
die lineare Nebenschlußanordnung (46) das verbleibende Feld (16 a) in einem solchen Maß nebenschließt, daß die gewünschte Spannung zwischen der Sammelschiene (12) und der Rückleitung (14) aufrechterhalten wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Nebenschlußanordnung (46) einen Transkonduk­ tanzverstärker enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder der Nebenschlußschalter (86 b, 86 c . . . 86 n) einen Feldeffekttransistor (FET) enthält, der mit seinem Source-Anschluß und seinem Drain-Anschluß zwischen das Feld und die Rückleitung geschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes der Felder (16 a . . . 16 n) in einer Serienschal­ tung zwischen der Sammelschiene (12) und der Rückleitung (14) einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt und eine Diode enthält, und wobei die Nebenschlußschalter (86 b, 86 c . . . 86 n) und die lineare Nebenschlußanordnung (46) jeweils den Feldabschnitten parallelgeschaltet sind, die mit der Rückleitung verbunden sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Feldeffekttransistoren (86 b, 86 c . . . 86 n) weiter­ hin Gate-Anschlüsse enthalten und wobei die Schaltanordnung für jeden der Feldeffekttransistoren ein Flipflop (72 b, 72 c . . . 72 n) enthält, welches einen mit dem Gate-Anschluß eines Feldeffekttransistoren verbundenen Ausgang und einen Setz-Eingangsanschluß und einen Rücksetz-Eingangsanschluß aufweist, und wobei die Digitalanordnung (88) weiter einen ersten Komperator (52 b, 52 c . . . 52 n) aufweist, der auf den Strom in der linearen Nebenschlußanordnung (46) anspricht, um das Flipflop zu setzen, damit der Feldeffekttransistor eingeschaltet und der Nebenschluß bewirkt wird, sowie einen zweiten Komparator (54 b, 54 c . . . 54 n), der auf den Strom in der linearen Nebenschlußanordnung (46) bei einem verhält­ nismäßig niedrigen Wert anspricht und mit dem Rücksetz-An­ schluß des Flipflop verbunden ist, um das Flipflop zurück­ zusetzen und damit den zugeordneten Feldeffekttransistor auszuschalten, so daß der Nebenschluß des zugeordneten Solarzellenfeldes aufgehoben wird.

6. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Feldeffekttransistor (86 b, 86 c . . . 86 n) weiter einen Gate-Anschluß enthält, und wobei die Digitalanord­ nung (88) ein Schieberegister (98), das mit N-1 Ausgängen (Q _b , Q _c , . . . Q _n ) jeweils mit den Gate-Anschlüssen der N-1 Transistoren verbunden ist, enthält sowie eine auf den Strom in der linearen Nebenschlußanordnung (46) ansprechen­ de Anordnung, welche die Verschieberichtung der Information im Schieberegister (98) und die Werte dieser Information steuert, so daß an den Ausgängen des Schieberegisters Signale erzeugt werden, welche den Schaltzustand der Feld­ effekttransistoren steuern, um einen Nebenschluß oder einen Nicht-Nebenschluß der N-1 Felder zu bewirken.