НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИМИТАТОРА СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к устройствам имитации основных технических характеристик солнечной батареи. Может использоваться при проведении автономных и комплексных испытаний энергопреобразующей аппаратуры на базе первичных источников в виде солнечных батарей.
В имитаторах солнечных батарей для построения вольт-амперной характеристики (ВАХ), адекватной характеристике реальной солнечной батареи, на переходе от токового участка к участку напряжения обычно используется нелинейный элемент, состоящий из параллельно-последовательно включенных диодов и переключателя, управляющего числом диодов, включенных в цепь, для имитации различного типа элементов солнечных батарей, их количества, схемы соединения и т.п. Такой нелинейный элемент описывается в книге «Промышленная электроника», Загаевский Т.Н. и др., изд. «Энергия» (1976), с. 158, в патенте США №3325723, а также используемый в полезных моделях РФ №50014 и №77695 и др. На Фиг. 1а показан другой пример современной реализации выполнения блока, в котором девять ячеек НЭ представляют собой матрицу в три столбца и три строки. Контакты реле К1…К3 подключают столбцы матрицы, а контакты реле К4, К5 подключают строки матрицы, что позволяет дискретно выбирать нужные ток и напряжение результирующего НЭ. На Фиг.lb показано выполнение элементарной ячейки нелинейного элемента, использованного в матрице блока, представленного на Фиг. 1а. На практике нелинейные элементы, представляющие ячейку матрицы, обычно выполняется на напряжение 5 В и ток 0,25 А или 0,5 А.
Недостатком такой конструкции из параллельного и последовательного соединения множества ячеек нелинейных элементов является существенное увеличение габаритов прибора. Некоторое уменьшение габаритов возможно при применении диодов в планарном исполнении. Однако, уменьшению габаритов препятствует зависимость ВАХ диодов от температуры. У самых лучших диодов зависимость тока от температуры составляет не менее (0,5-1)% на градус Цельсия, что недопустимо много для создания точного прибора. Термостатирование же довольно большой части прибора, с матрицей нелинейных элементов, приводит к его существенному удорожанию и дальнейшему увеличению массогабаритных показателей.
Задача полезной модели - решение проблемы масштабирования по току и напряжению без увеличения количества ячеек нелинейного элемента. Кроме того, задачей полезной модели является исключение зависимости от температуры, уменьшение массы и габаритов нелинейного элемента.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в нелинейный элемент имитатора солнечной батареи, аппроксимирующий нелинейный участок вольт-амперной характеристики солнечной батареи, и содержащий базовую схему в виде одной ячейки нелинейного элемента, состоящей из последовательно соединенных диодов и параллельных резисторов, введены схема масштабирования по напряжению, соединенная с входом базовой схемы, и схема масштабирования по току, соединенная с выходом базовой схемы через усилитель, при этом схема дискретного масштабирования по напряжению выполнена в виде переключателя напряжений, соединенного с прямым входом первого быстродействующего операционного усилителя, инверсный выход которого соединен с входом базовой схемы и с истоком первого MOSFET-транзистора, затвор которого соединен с выходом указанного первого усилителя, а исток - с входом базовой схемы, выход которой соединен с входом второго быстродействующего операционного усилителя, выход которого соединен с прямым входом третьего усилителя, на котором выполнен преобразователь напряжение-ток, входящий в состав схемы масштабирования по току, содержащей третий быстродействующий операционный усилитель, выход которого соединен с затвором второго MOSFET-транзистора, а инверсный вход третьего усилителя соединен с первой клеммой переключателя тока, с которой также соединен исток второго MOSFET-транзистора, при этом вторая клемма переключателя тока соединена с землей, вход второго усилителя связан с датчиком тока на основе точного резистора, при этом стоки первого и второго транзисторов соединены с первой клеммой переключателя напряжений, вторая клемма которого соединена с землей.
С целью повышения точности, для исключения влияния саморазогрева и окружающей температуры, ячейка нелинейного элемента выполнена на печатной плате с алюминиевым теплоотводящим основанием и расположена на термостате на основе элемента Пельтье, установленном на радиаторе.
Далее сущность предлагаемой полезной модели объясняется с помощью фиг. 2, на которой показано конкретное выполнение усилителя и схем масштабирования, и фиг. 3, на которой схематически показана конструкция для термостатирования нелинейного элемента.
Нелинейный элемент для имитатора солнечной батареи по предлагаемой полезной модели содержит базовую схему (ячейку нелинейного элемента) 1, вход которой соединен с инверсным входом первого быстродействующего операционного усилителя 2, прямой вход которого соединен с переключателем напряжения, состоящим из резисторов 3, 4, 5, 6 и твердотельных аналоговых ключей 7, 8, 9 и 10. Выход усилителя 2 соединен с затвором первого MOSFET-транзистора 11, исток которого замкнут на инверсный вход усилителя 2.
Выход базовой схемы соединен с входом второго операционного усилителя 12 и с датчиком тока 13 на основе точного резистора. Выход второго усилителя 12 соединен с преобразователем напряжение-ток, выполненным на базе третьего усилителя 14, выход которого соединен с затвором второго MOSFET-транзистора 15, и образует схему дискретного масштабирования по току вместе с переключателем тока, образованным резисторами 16, 17, 18 и 19 с ключами 20, 21, 22. При этом инверсный вход усилителя 14 и исток второго транзистора 15 соединены с первой клеммой этого переключателя тока.
На фиг. 3 показана схема термостатирования базовой схемы нелинейного элемента 1. Плата базовой схемы располагается на элементе Пельтье 23, который, в свою очередь, расположен на радиаторе 24 для создания разности температур. Для управления напряжением на элементе Пельтье используется датчик температуры 25.
Работа устройства объясняется на следующем конкретном примере: Для построения вольт-амперной характеристики используется ячейка нелинейного элемента (базовая схема) 1 с номинальным напряжением 5 В и током 0,1 А (минимальное напряжение определяется напряжением открывания затвора транзисторов 11 и 15, а небольшая величина тока минимизирует саморазогрев диодов). Напряжение ячейки нелинейного элемента определяет дискретность масштабирования по напряжению (5, 10, 15…В). Переключателями 7, 8, 9, 10 коммутируется делитель на сопротивлениях 3, 4, 5, 6. В указанном примере нелинейный элемент работает в диапазоне (0-5)В, если замкнут только ключ 7. Если замкнут только ключ 8, то в результате деления напряжения делителем на резисторах нелинейный элемент работает в диапазоне (0-10)В, и т.д.
Далее ток с нелинейного элемента преобразуется в напряжение в диапазоне 0-0.1 В с помощью шунта - точного резистора 13 номиналом 1 ом (этим резистором определяется минимальное значение дифференциального сопротивления НЭ), затем усиливается операционным усилителем 12 с коэффициентом усиления К=10 и подается на преобразователь напряжение-ток, выполненный на операционном усилителе 14 и MOSFET-транзисторе 15. Коммутацией резисторов 16-19 ключами 20 - 22 задается ток результирующего НЭ (в сумме с током опорного НЭ).
Управление прибором можно осуществлять от встроенного микроконтроллера по линии связи с компьютером.