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无线电电子与电气工程百科全书 太阳能电池测试仪。 无线电电子电气工程百科全书
您可以像使用任何其他电源一样使用太阳能电池。 它们中的每一个都被设计为在给定电压下维持一定的电流强度。 然而，与传统电源不同，太阳能电池的输出特性取决于入射光量。 例如，传入的云会使输出功率降低 50% 以上。
此外，即使电池的尺寸和设计相同，也并非所有电池在相同的照明条件下都能提供相同的功率。 技术体系的偏差可能会导致一批元件的输出电流出现明显的分布。 在设计和制造太阳能电池结构时必须考虑这些因素。 因此，如果您想充分利用光伏转换器，则需要检查所有要素。 为了更好地了解哪些参数需要验证，我们首先考虑硅太阳能电池的特性。 光电转换器的特点 每当使用任何电源时，都需要想象电压和电流之间的关系以及它们对负载的依赖性。 在大多数情况下，这种关系由欧姆定律决定。 不幸的是，硅太阳能电池是非线性器件，其行为不能用简单的公式来描述。 相反，可以使用一系列易于理解的曲线（图 1）来解释元素的特性。
100 mW/cm2 相当于晴空正午太阳辐射直接照射到地球表面和海平面所产生的能量照度； 75 mW/cm2 相当于 3/4； 50毫瓦/平方厘米 - 2/1； 2 mW/cm25 是该照度的 2/1。 使用图 1 所示的电路可以更详细地研究电流-电压特性（图 2）。 XNUMX. 该电路测量输出电压和流过可变电阻负载的电流。 我们假设测量期间光强度保持恒定。 首先，使用电位器设置最大电阻值。 实际上，在这种情况下，电路中没有电流，并且所产生的输出电压可以被认为等于空载电压，空载电压是元件在没有连接负载时产生的电压。 约为 600 mV (0,6 V)。 当一批元件从一种元件转移到另一种元件以及从一个制造商转移到另一个制造商时，该电压的大小可能会略有不同。 随着电阻器的电阻减小，元件的负载越来越大。 与传统电池一样，这会导致电流消耗增加。 同时，输出电压会略有下降，正如未稳压电源所应有的那样。 到目前为止，这并不奇怪。 然后奇怪的事情发生了。 当负载电阻减小时，输出电流不再增加。 任何事物都不会导致电流增加，即使是短路也是如此。 实际上，该电流被正确地称为短路电流。 从本质上讲，太阳能发电机已经成为直流电来源。 那么问题来了：电压呢？ 电压会随着负载的增加而按比例不断降低。
一旦负载电阻变为零，电压就会降为零。 顺便说一句，光电转换器的短路不会导致其故障。 元件可以产生的电流量取决于光的强度。 对于第一次测量，我们任意选择最高水平的辐照度，对应于上面的曲线（图 1）。 随后的每条曲线都是在同一元件上随着光强度逐渐降低而获得的。 功率曲线 如果需要绘制输出功率与电压的关系图，那么结果可能类似于图 3 所示。 XNUMX. 在图表的一端，零电压时电流最大。 当然，此时由于电压不足，不会释放任何功率。 在图表的另一端，零电流时存在最大电压，导致也没有功率释放。 在这两个限制之间，光伏变流器工作期间，负载中释放功率，并且仅在某一点释放峰值功率。 正是在这一点上，所有因素的结合确保了从太阳能电池中选择最大的能量。 峰值功率对应于约 450 mV (0,45 V) 的电压，这恰好与图 1 所示的电流曲线的拐点一致。 XNUMX. 事实上，电流曲线族具有相同的形状，这意味着无论太阳的亮度如何，我们始终会在相同的电压下获得最大功率。 当然，实际功率将取决于给定时间的太阳辐射强度，但是，在相同电压下会观察到峰值功率。 因此，为了正确评价硅太阳能电池的品质，需要对其施加负载以使输出电压为0,45V，然后测量输出功率。 该方法不仅可以有效地在相同条件下相互比较元素，而且可以有效地评估单个元素的质量。
开发测试仪方案 如前所述，为了测试太阳能电池，可以使用图 2 所示的电路。 XNUMX. 顺便说一句，这是一种快速简便的方法，将元件连接到指定电路后，只需使用电位计设置适当的电压，然后从测量电压和电流的设备中读取读数即可。 通过电压和电流的乘积，就可以得到功率。 然而，所有元件都略有不同，因此各个元件的峰值功率对应的电阻也会不同。 并据此，每次都需要改变负载电阻，以恢复所需的工作电压。 此外，太阳能电池产生的能量在电位器中完全耗散，导致电位器发热并变得不稳定。 该问题的根本解决方案是更换电路中的负载电阻。 还有什么比晶体管更好的呢？ 这是一个很好的替代品。 在这个特定的应用中，晶体管可以被认为是动态电阻。 晶体管基极电流较小，设置如图所示。 4引起集电极电流的显着变化。 基极电流实际上改变了晶体管的电阻，而晶体管又用作太阳能电池的负载。
不幸的是，晶体管具有与电位计相同的缺点，即在改变被测元件时需要调整基极电流。 对于少量元素，此操作并不困难，但假设您需要检查 30、40 或更多元素。 这将花费太长时间。 如果能找到一种自动调整基极电流而不必每次都手动设置的方法，那就太好了。 非常需要一个并联电压调节器。 并联电压调节器是一种被反馈环路包围的调节器，该反馈环路使用输入电压来控制基极电流。 无论初始输入电压如何，并联稳压器都会改变其并联电阻，以便将输出电压保持在所需的水平。 电路的工作原理 结果，我们得到如图所示的方案。 5、它使用运算放大器来控制晶体管的基极电流。 220欧姆电阻用于限制基极电流。 调节器将来自光伏转换器的输入电压与参考电压进行比较。 通常，齐纳二极管电路用作参考电压源。 然而，在我们的例子中，需要一个具有极低稳定电压（最好低于 1 V）的齐纳二极管。不幸的是，这种电压的齐纳二极管要么对温度变化非常敏感，要么价格昂贵（通常两者兼而有之）。 另一方面，正向偏置硅二极管可以用作出色的低电压基准。
二极管 D1（其正向偏置由电阻器 R1 设置）决定了稳压器的电压范围，限制了“校准”调节电阻器两端的电压。 来自该电位器滑块的参考电压被馈送到放大器的非反相输入。 光电转换器的电压通过电阻R3施加到放大器的反相输入端。 电阻器 R4 设置运算放大器的增益（在本例中为 100）。 由于其特殊性，运算放大器试图通过控制流过并联稳压器晶体管 Q1 的电流来均衡其反相和非反相输入上的电压。 晶体管将输入电压降低至等于电阻器 VR1 分接头处的电压。 该电压可在 0-0,7 V 之间调节。 然而，晶体管实际上不可能具有零电阻，这是将电压降至零所必需的。 无论你如何努力，晶体管仍然会有约 150 mV 的小残余电压。 这将调节范围限制在 0,15-0,7 V 内。 控制装置 用电压表M1测量太阳能电池上的电压，用电流表M2测量流过并联晶体管的电流。 功率（以瓦特为单位）是通过将两个设备的读数相乘来确定的。 电压表直接连接到元件。 它是一款 1 mA 面板仪表，带有串联限流电阻，可满量程显示 1 V。 另一方面，运算放大器与电流表M2一起使用来测量电流。 该电路的设计使得晶体管Q1的发射极电流必须流过电阻器R13。 该电流对应于太阳能电池产生的电流。 当电流流过电阻器 R13 时，会产生一个小电压降。 它由差分放大器放大，差分放大器的反相和非反相输入分别通过电阻器 R6 和 R7 供电。 增益值由电阻R8-R10控制。 电阻器 R8 永久连接在输出和反相输入之间。 其阻值为3MΩ，对应的增益值为300。当电阻R13流过100mA的电流时，放大器的输出电压为1V。 差分放大器的输出电压用与M1相同的电压表测量。 该仪器以电流为单位进行校准。 在我们的例子中，1 V 的电压对应于 100 mA 的电流。 当电阻R8与电阻R10并联时，增益减小至60。在这种情况下，放大器输出端的1V电压对应于流经R500的13mA电流。 因此，我们扩大了测量电流的范围，覆盖了100-500 mA的值。 同样，当电阻R9与电阻R8并联时，可以测量0-3A范围内的电流。 测试仪设计 尽管太阳能电池测试仪可以以任何方式制造，但强烈建议使用印刷线路。 印刷电路板如图所示。 6. 根据图 7 放置电路的细节。 1 焊接它们，观察半导体的极性。 请注意，并联晶体管 QXNUMX 位于电路板的箔侧。 晶体管必须小心地拧到用作散热器的大铜垫上。 在这种情况下，不需要隔离晶体管外壳。
理想情况下，电阻器 R6 和 R7 应形成匹配的礼物。 然而，精密电阻器价格昂贵且难以获得。 因此，我建议使用一小组 10 kΩ 电阻器并使用数字万用表进行测量。 很快就找到了两个匹配的电阻。 其余元件可用作电阻器R2和R3。 另一方面，电阻器R13不是普通电阻器。 我怀疑您在一般商店中是否能找到这样的电阻器。 但它可以由一根长10厘米、直径0,26毫米的金属丝制成，通常用于绕组。 将电线缠绕在框架（铅笔）上，以使所得线圈完全贴合在电路板上。 电流测量的精度取决于电阻R13阻值选择的精度。 为了提高精度，您可以从一根略长于 10 厘米的电线开始，然后将其缩短，使用 M2 电流表控制电流量。 两个仪表、“校准”控制器和量程选择器与印刷电路板一起安装在任何合适的外壳中。 连接这些组件时，必须遵守极性。 为了给仪器供电，需要两个带有正极和负极引线的 12 伏电源以及一根公共地线。 电源的类型和电压的大小并不重要。 如果需要，测试仪可以使用两节用于晶体管接收器的 9 伏电池供电。 图 8 显示了一种可能的电源的示意图。 XNUMX.
也许最难找到或制造的是带有太阳能电池接触装置的支架。 这里需要你自己发挥一些想象力。 比电池本身稍大的扁平铝板可以作为良好的电极，与电池的后部触点建立连接，而伏欧表探针将与电池的前部建立良好的接触。 要实现自动化测试，您可能需要购买或制作特殊的夹具。 正如我所说，这需要一点想象力并理解到底需要什么。
与测试人员一起工作 该测试仪非常容易使用。 必须将元件连接到电路，照亮它并读取读数。 该元件的背面触点是正极，并连接到测试仪的正极输入。 元件前表面的集流栅为负极，连接到测试仪的接地输出端。 必须保证与元件电极的可靠接触。 由于我们处理的是相当小的电压，即使很小的接触电阻也会导致读数的显着差异。 为了确保可靠的连接，触点必须足够好地压在元件上。 然而，应避免施加过大的压力，因为元件非常薄、易碎且容易断裂！ 这就是精心设计的元件接触装置派上用场的地方。 “校准”调节器设置测量功率时的工作电压。 通常将其设置为 450 mV。 然而，如有必要，可以改变工作电压。 简而言之，如果您有测试仪，您就不能猜测元件的参数，而是测量它们。 作者：拜尔斯 T.
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