Кожного разу при роботі з будь-яким джерелом живлення необхідно уявляти собі, яка зв’язок між собою напруги і струму, а також залежність їх від навантаження. У більшості випадків взаємозв’язок визначається законом Ома. На жаль, кремнієві сонячні елементи є нелінійними пристроями і їх поведінку не можна описати простою формулою. Замість неї для пояснення характеристик елемента можна користуватися сімейством простих для розуміння кривих (рис. 1).

100 мВт/см2 відповідають енергетичної освітленості, створюваної прямим потоком сонячного випромінювання на поверхні землі иа рівні моря опівдні при ясному небі; 75 мВт/см2 відповідають 3/4; 50 мВт/см2 – 1/2; 25 мВт/см2 – 1/4 цієї освітленості.

Рис. 1. Характеристика фотоелектричного перетворювача

Досліджувати вольтамперні характеристики (рис. 1) можна більш детально за допомогою схеми, представленої на рис. 2. У схемі вимірюються вихідні напруги і струм, що протікає через змінну резистивну навантаження. Будемо припускати, що інтенсивність світла в процесі вимірювання залишається постійною.

Спочатку за допомогою потенціометра встановимо максимальне значення опору. При цьому фактично в ланцюзі немає ніякого струму і результуюче вихідна напруга можна вважати рівним напрузі холостого ходу, який представляє собою напругу, яка генерує елемент, коли до нього не підключено жодного навантаження. Воно становить близько 600 мВ (0,6 В). Величина цієї напруги може злегка змінюватися при переході від одного елемента до іншого в одній партії і від однієї фірми-виробника до іншого.

При зменшенні опору резистора елемент все більше навантажується. Як і у випадку звичайної батарейки харчування, це викликає зростання споживаного струму. Одночасно вихідна напруга злегка падає, як це і повинно відбутися з нестабілязірованним джерелом живлення. Поки в цьому немає нічого дивного.

Потім відбувається щось дивне. Досягається такий стан, коли зі зменшенням опору навантаження вихідний струм більш не збільшується. Ніщо не може привести до збільшення струму -> У навіть коротке замикання. На практиці цей струм цілком справедливо називають струмом короткого замикання.

По суті, сонячний генератор став джерелом постійного струму. Виникає питання: що ж з напругою? Напруга буде постійно зменшуватися пропорційно зростанню навантаження.

Рис. 2

Як тільки опір навантаження стане рівним нулю, напруга впаде до нуля. До речі, коротке замикання фотоелектричного перетворювача не призводить до виходу його з ладу.

Сила струму, яку може розвинути елемент, залежить від інтенсивності світла. Для першого виміру ми довільно вибрали найвищий рівень опромінення, якому відповідає верхня крива (рис. 1). Кожна наступна крива була отримана на тому ж елементі при поступовому зниженні інтенсивності світла.

Крива потужності

Якщо необхідно побудувати графік залежності вихідної потужності від напруги, то в результаті можна було одержати щось подібне зображеному на рис. 3. На одному кінці графіка є максимальний струм при нульовій напрузі. Звичайно, ніякої потужності в цій точці не виділяється через відсутність напруги. На іншому кінці графіка є максимальна напруга при нульовому струмі, в результаті чого потужність також не виділяється.

Між цими двома межами при роботі фотоелектричного перетворювача в навантаженні виділяється потужність, причому пікова потужність виділяється лише в одній точці. Саме в ній сукупність всіх факторів забезпечує відбір найбільшою енергії від сонячного елементу. Пікова потужність відповідає напрузі близько 450 мВ (0,45 В), що випадково збіглося з перегином кривої струму, показаної на рис. 1.

Те, що сімейство кривих струму має однакову форму, означає, що ми завжди отримаємо максимальну потужність при одному і тому ж напрузі незалежно від яскравості сонця. Звичайно, фактична потужність буде залежати від інтенсивності сонячного випромінювання в даний час, однак пікова потужність буде спостерігатися при одному і тому ж напрузі. Таким чином, щоб правильно оцінити якість кремнієвого сонячного елемента, необхідно навантажити його так, щоб вихідна напруга дорівнювала 0,45 В, а потім виміряти вихідну потужність. Цей метод ефективний не тільки для порівняння елементів між собою в однакових умовах, але і для оцінки якості окремого елемента.

Рис. 3

Розробка схеми тестера

Як вже було сказано, для тестування сонячних елементів можна використовувати схему, зображену на рис. 2. До речі, це швидкий і простий спосіб, відповідно до якого після підключення елемента в зазначену схему потрібно всього лише виставити відповідну напругу за допомогою потенціометра і зняти показання приладів, що вимірюють напругу і струм. Перемноживши напруга і струм, можна отримати величину потужності.

Однак всі елементи трохи розрізняються, і, отже, опору, відповідні пікової потужності окремих елементів, будуть також різними »І відповідно з цим необхідно кожен раз змінювати опір навантаження, щоб відновити необхідну робочу напругу. Крім того, енергія, що виробляється сонячним елементом, повністю розсіюється на потенціометрі, обумовлюючи його нагрівання і нестабільність.

Корінним рішенням даної проблеми була б заміна навантажувального резистора в схемі. Що може бути краще транзистора? Це прекрасна заміна. У даному конкретному застосуванні транзистор можна розглядати як динамічний опір.

Невеликий струм бази транзистора, що задається як показано на рис. 4, викликає значну зміну струму колектора. Струм бази фактично змінює опір транзистора, яке в свою чергу використовується в якості навантаження для сонячного елемента.

Рис. 4

На жаль, транзистор володіє тим же недоліком, що і потенціометр, тобто необхідністю підстроювання базового струму при зміні тестованого елементу. Така операція неважко при невеликій кількості елементів, але припустимо, що вам необхідно перевірити 30, 40 або більше елементів. Це відніме занадто багато часу.

Непогано було б знайти спосіб автоматично підлаштовувати базовий струм без необхідності установки його щоразу вручну. Було б дуже бажано мати паралельний стабілізатор напруги.

Принцип роботи схеми

Паралельний стабілізатор напруги являє собою регулятор, охоплений петлею зворотного зв’язку, що використовує вхідну напругу для управління струмом бази. Незалежно від початкового напруги на вході паралельний стабілізатор змінює своє шунтуючий опір так, щоб вихідна напруга підтримувалося на необхідному рівні.

У результаті ми приходимо до схеми, представленої на рис. 5, в якій для регулювання базового струму транзистора використовується операційний підсилювач. Резистор опором 220 Ом служить для обмеження струму бази.

Регулятор порівнює вхідну напругу, що надходить від фотоелектричного перетворювача, з опорною напругою.

Зазвичай в якості джерела опорної напруги використовується схема на стабілітроні. Однак у нашому випадку було б потрібно стабілітрон з гранично низькою напругою стабілізації, бажано нижче 1 В. На жаль, стабілітрони на такі напруги або вельми чутливі до зміни температури, або дороги (зазвичай і те і інше разом).

З іншого боку, прямосмещенного кремнієвий діод може служити прекрасним низьковольтним джерелом опорного напруги.

Рис. 5

Діод D1, пряме зміщення на якому задано резистором визначає діапазон напруг регулятора, обмежуючи напругу на регулювальному резисторі «калібрування». Опорна напруга з движка цього потенціометра подається на неінвертуючий вхід підсилювача. На інвертується вхід підсилювача через резистор R3 подається напруга фотоелектричного перетворювача. Резистором R4 задається величина коефіцієнта підсилення операційного підсилювача (в даному випадку вона складає 100).

Завдяки своїй особливості операційний підсилювач намагається вирівняти напругу на своїх інвертується і неінвертуючий входах, керуючи струмом, поточним через шунтувальний регулювальний транзистор Q1. Транзистор знижує вхідна напруга до такої величини, що воно стає рівним напрузі на відводі резистора VR1. Ця напруга може регулюватися в межах 0-0,7 В.

Тим не менш реально транзистор не може мати нульового опору, який потрібно, щоб знизити напругу до нуля. Як би ви не намагалися, на транзисторі збережеться невелике залишкова напруга величиною близько 150 мВ. Це обмежує діапазон регулювання в межах 0,15-0,7 В.

Вимірювання напруги на сонячному елементі здійснюється вольтметром Ml, а струму, що протікає через шунтувальний транзистор, – амперметром М2. Потужність (у ватах) визначається перемножуванням показань обох приладів.

Вольтметр підключається безпосередньо до елементу. Він являє собою щитовий прилад, розрахований на струм 1 мА, з послідовним обмежуючим резистором R12, який дозволяє индицировать 1 У разі відхилення на повну шкалу.

З іншого боку, для вимірювання струму разом з амперметром М2 використовується операційний підсилювач. Схема побудована так, що струм емітера транзистора Q1 повинен протікати через резистор R13. Цей струм відповідає струму, генерувати сонячним елементом.

При протіканні струму на резисторі R13 створюється невелике падіння напруги. Воно посилюється диференціальним підсилювачем, напруга на інвертується і неінвертуючий входи якого подається через резистори # 6 і # 7 відповідно.

Величина коефіцієнта посилення контролюється резисторами R8-R10. Резистор R8 постійно підключений між виходом і інвертується входом. Його опір складає 3 МОм, а відповідне значення коефіцієнта підсилення – 300. Коли через резистор # 13 протікає струм, рівний 100 мА, вихідна напруга підсилювача складає 1 В.

Вихідна напруга диференціального підсилювача вимірюється вольтметром, ідентичним вольтметру M1. Цей прилад відградуйованих одиницях струму. У нашому випадку напрузі 1 В відповідає струм 100 мА.

При підключенні паралельно резистору R8 резистора R10 коефіцієнт підсилення зменшується до 60. У цьому випадку напрузі 1 В на виході підсилювача відповідає струм 500 мА, що протікає через R13. Таким чином ми розширили діапазон вимірюваних струмів, що охоплює значення 100 – 500 мА. Аналогічно при паралельному підключенні резистора R9 до резистору r8 можна вимірювати струми в діапазоні 0-3 А.

Конструкція тестера

Хоча тестер для перевірки сонячних елементів можна виготовити будь-яким способом, настійно рекомендую використовувати друкарський монтаж. Друкована плата показана на рис. 6.

Деталі схеми розмістіть згідно рис. 7 і припаяйте їх, дотримуючись полярності включення напівпровідників. Зверніть увагу на те, що шунтирующий транзистор Q1 розташований на фольгированні-ної стороні плати. Транзистор необхідно обережно пригвинтити до великої мідної майданчику, що виконує роль тепловідводу. При цьому ізолювати корпус транзистора не потрібно.

Ідеально резистори R6 і R7 повинні утворити узгоджену дару. Однак точні резистори дороги і їх важко придбати. Тому я рекомендую взяти невелику групу резисторів номіналом 10 кОм і проміряти їх за допомогою цифрового мультимера.

Рис. 6

Рис. 7

Щоб знайти два підходящих один одному резистора, не потрібно багато часу. Що залишилися компоненти можна використовувати в якості резисторів R2 і R3.

З іншого боку, резистор 13 – не звичайний резистор. Я сумніваюся, що ви зможете знайти подібний резистор в звичайному магазині. Але його можна виготовити з відрізка дроту довжиною 10 см і діаметром 0,26 мм, яка зазвичай використовується для обмоток. Намотайте дріт на каркас (олівець), щоб отримана котушка точно розмістилася на платі.

Від точності підбору величини резистора R13 залежить точність вимірювання струму. З метою підвищення точності можна почати з відрізка дроту трохи довші 10 см і вкорочувати його, контролюючи величину струму по амперметру М2.

Два вимірювальних приладу, регулятор «калібрування» і перемикач діапазонів, розміщуються разом з друкованою платою в якому відповідному корпусі. Поєднуючи ці компоненти, необхідно дотримуватись полярності.

Для подачі живлення приладу необхідні два 12-вольтних джерела з висновками позитивної і негативної полярності і загальним заземленим проводом. Тип джерел живлення і величина напруги не критичні. При бажанні харчування тестера можна здійснити за допомогою двох 9-вольтних батарей для транзисторних приймачів. Схема одного з можливих джерел живлення показана на рис. 8.

Рис. 8

Ймовірно, складніше всього знайти або виготовити утримувач з контактним пристроєм для сонячних елементів. Тут необхідно самому проявити деяку фантазію. Плоска алюмінієва пластинка розміром трохи більше самого елемента може служити хорошим електродом, що забезпечує з’єднання з тильним1 контактом елемента, в той час як щуп від вольт-омметра буде прекрасним контактом до лицьової стороні сонячного елемента. Для авто-метизації тестування, можливо, буде потрібно купити або виготовити особливий затиск. Як я вже сказав, буде потрібно трохи уяви і розуміння того, що конкретно- необхідно.

Користуватися тестером дуже просто. Треба підключити елемент до схеми, висвітлити його і зняти показання. Тильний контакт елемента є позитивним електродом і під’єднується до позитивного входу тестера. Токос’емноє сітка на лицьовій поверхні елемента є негативним електродом і приєднується до заземленого висновку тестера.

Необхідно забезпечити надійний контакт з електродами елемента. Оскільки ми маємо справу з досить малим напругою, навіть невеликий опір контактів може призвести до значної різниці в показаннях. Для забезпечення надійного з’єднання необхідно, щоб контакти досить добре притискалися до елементу. Тим не менше слід уникати надлишкового тиску, так як елементи вельми тонкі, крихкі і легко ламаються! Ось де згодиться добре продумане контактний пристрій для елементів.

Регулятором «калібрування» встановлюють робоча напруга, при якому виконується вимірювання потужності. Воно зазвичай встановлюється один раз на рівні 450 мВ. Тим не менше при необхідності величину робочої напруги можна змінити. Коротше кажучи, при наявності тестера можна не гадати про параметри елементів, а виміряти їх.

   Список деталей

   Резистори

R1 – 100 Ом

R2, R3 -100 кОм

R4-1 МОм

R5-220 Ом

R6, R7-10 кОм (див. текст)

R8-3 МОм

R9-100 кОм

R10-750 кОм

R11, R12-910 Ом

R13-0, 033 Ом (див. текст)

   Конденсатори

C1, С2-0, 1 мкФ, 50 В

   Напівпровідники

ІС1 -1458

   Q1—BCG187

   D1—1N914

   Інші деталі

M1, М2 – щитові стрілочні прилади з діапазоном вимірювань 0-1 мА

S1 – перемикач нa один напрямок на три положення

VR1-50KОм, потенціометр

Тримач сонячного елемента

Корпус

Література: Байєрс Т. 20 конструкцій з сонячними елементами: Пер. з англ. – М.: Мир, 1988 рік.