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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽電池セルをチェックするためのテスターです。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
太陽電池は他の電源と同じように使用できます。 それらはそれぞれ、特定の電圧で特定の量の電流を維持するように設計されています。 ただし、従来の電源とは異なり、太陽電池の出力特性は入射光量に依存します。 たとえば、流入するクラウドにより、電力出力が 50% 以上削減される可能性があります。
さらに、要素のサイズや設計が同じであっても、すべての要素が同じ照明条件下で同じ電力を生成するわけではありません。 技術的条件の逸脱により、同じバッチの要素の出力電流に顕著なばらつきが生じる可能性があります。 太陽電池構造を設計および製造する際には、これらの要因を考慮する必要があります。 したがって、太陽光発電コンバータの最大限の性能を確保したい場合は、すべての要素をチェックする必要があります。 どのパラメータをテストする必要があるかをより深く理解するために、まずシリコン太陽電池の特性を見てみましょう。 光電変換器の特徴 電源を扱うときは常に、電圧と電流の関係、およびそれらの負荷への依存性を理解する必要があります。 ほとんどの場合、関係はオームの法則によって決まります。 残念ながら、シリコン太陽電池は非線形デバイスであり、その動作を単純な式で説明することはできません。 代わりに、理解しやすい一連の曲線を使用して要素の特性を説明できます (図 1)。
100 mW/cm2 は、晴れた空の正午に、海抜ゼロメートルの地表で太陽放射の直接光束によって生成される放射照度に相当します。 75 mW/cm2 は 3/4 に相当します。 50mW/cm2 - 1/2; 25 mW/cm2 - この照度の 1/4。 電流-電圧特性（図1）は、図に示す図を使用してより詳細に調べることができます。 2. この回路は、出力電圧と可変抵抗負荷を流れる電流を測定します。 測定プロセス中、光の強度は一定のままであると仮定します。 まず、ポテンショメータを使用して最大抵抗値を設定します。 この場合、実際には回路に電流はなく、結果として生じる出力電圧は、負荷が接続されていないときに素子が生成する電圧である開回路電圧に等しいと考えることができます。 約600mV(0,6V)です。 この電圧の大きさは、同じバッチ内の要素ごとに、またメーカーごとにわずかに異なる場合があります。 抵抗器の抵抗値が減少すると、要素の負荷が増加します。 通常のバッテリーと同様に、消費電流が増加します。 同時に、出力電圧はわずかに低下しますが、これは安定化されていない電源で発生するはずです。 これまでのところ、これは驚くべきことではありません。 その後、何か奇妙なことが起こります。 負荷抵抗が減少すると、出力電流が増加しなくなる状況に達します。 たとえ短絡であっても、電流の増加を引き起こすものは何もありません。 実際には、この電流はまさに短絡電流と呼ばれます。 本質的に、太陽光発電機は直流電源になっています。 緊張についてはどうですか?という疑問が生じます。 電圧は負荷の増加に比例して常に減少します。
負荷抵抗がゼロになるとすぐに、電圧はゼロに低下します。 ちなみに、光電変換素子のショートは故障にはつながりません。 要素が発生できる電流の量は、光の強度によって異なります。 最初の測定では、上の曲線に対応する最高放射照度レベルを任意に選択しました (図 1)。 後続の各曲線は、光強度を徐々に減少させながら同じ要素で得られました。 パワーカーブ 出力電力の電圧依存性をプロットする必要がある場合、結果は図 3 に示すものと同様になる可能性があります。 XNUMX. グラフの一端には、電圧ゼロでの最大電流があります。 もちろん、この時点では電圧が不足しているため電力は放出されません。 グラフのもう一方の端には電流ゼロでの最大電圧があり、これも電力は放出されません。 これら 450 つの制限の間では、太陽光発電コンバータが負荷で動作すると、電力が放出され、ピーク電力は 0,45 点のみで放出されます。 ここで、すべての要素を組み合わせることで、太陽電池から最大のエネルギーが確実に選択されます。 ピーク電力は約 1 mV (XNUMX V) の電圧に対応し、これは図に示す電流曲線の屈曲点と偶然一致しました。 XNUMX. 一連の電流曲線が同じ形状であるという事実は、太陽の明るさに関係なく、同じ電圧で常に最大電力が得られることを意味します。 もちろん、実際の電力はその時点の太陽放射の強さに依存しますが、ピーク電力は同じ電圧で観測されます。 したがって、シリコン太陽電池の品質を適切に評価するには、出力電圧が 0,45 V になるように太陽電池を負荷し、出力電力を測定する必要があります。 この方法は、同一条件下での要素同士の比較だけでなく、個々の要素の品質を評価する場合にも有効です。
テスタースキームの開発 すでに述べたように、太陽電池をテストするには、図に示す回路を使用できます。 2. ちなみに、これは迅速かつ簡単な方法であり、要素を指定された回路に接続した後、ポテンショメータを使用して適切な電圧を設定し、電圧と電流を測定する機器から測定値を取得するだけです。 電圧と電流を乗算すると、電力値が得られます。 ただし、各要素はわずかに異なるため、個々の要素のピーク電力に対応する抵抗も異なります。 また、これに伴い必要な動作電圧に戻すために負荷抵抗をその都度変更する必要があります。 さらに、太陽電池によって生成されたエネルギーはポテンショメータ内で完全に消費されるため、ポテンショメータが熱くなって不安定になります。 この問題に対する根本的な解決策は、回路内の負荷抵抗を交換することです。 トランジスタよりも優れたものは何でしょうか? これは素晴らしい代替品です。 この特定のアプリケーションでは、トランジスタは動的抵抗として考えることができます。 トランジスタの小さなベース電流は、図のように設定されます。 4 はコレクタ電流に大きな変化を引き起こします。 ベース電流は実際にトランジスタの抵抗を変化させ、それが太陽電池の負荷として使用されます。
残念ながら、トランジスタにはポテンショメータと同じ欠点があります。つまり、テスト対象の要素を変更するときにベース電流を調整する必要があるということです。 この操作は要素数が少ない場合は簡単ですが、30、40、またはそれ以上の要素をチェックする必要があるとします。 時間がかかりすぎます。 毎回手動で設定する必要がなく、ベース電流を自動的に調整する方法を見つけると良いでしょう。 並列電圧レギュレータを使用することが非常に望ましいでしょう。 並列電圧レギュレータは、入力電圧を使用してベース電流を制御するフィードバック ループで囲まれたレギュレータです。 初期入力電圧に関係なく、並列レギュレータは出力電圧が必要なレベルに維持されるようにシャント抵抗を変更します。 回路の動作原理 その結果、図に示すような図にたどり着きます。 これはオペアンプを使用してトランジスタのベース電流を調整します。 5 オームの抵抗はベース電流を制限するために機能します。 レギュレータは、太陽光発電コンバータからの入力電圧を基準電圧と比較します。 通常、ツェナー ダイオード回路が基準電圧源として使用されます。 ただし、この場合、非常に低い安定化電圧、できれば 1 V 未満のツェナー ダイオードが必要になります。残念ながら、そのような電圧のツェナー ダイオードは、温度変化に非常に敏感であるか、または高価です (通常は両方合わせて)。 一方、順バイアスされたシリコン ダイオードは、優れた低電圧リファレンスとして機能します。
ダイオード D1 の順バイアスは抵抗 R1 によって設定され、レギュレータの電圧範囲を決定し、「校正」調整抵抗の電圧を制限します。 このポテンショメータのスライダからの基準電圧は、アンプの非反転入力に供給されます。 光電変換器の電圧は、抵抗器 R3 を介してアンプの反転入力に供給されます。 抵抗 R4 はオペアンプのゲイン値を設定します (この場合は 100)。 その設計により、オペアンプはシャント制御トランジスタ Q1 を流れる電流を制御することにより、反転入力と非反転入力間の電圧を等しくしようとします。 トランジスタは入力電圧を、抵抗 VR1 のタップの電圧と等しくなるような値まで下げます。 この電圧は 0 ～ 0,7 V の間で調整できます。 しかし、実際には、トランジスタは電圧をゼロに下げるために必要なゼロ抵抗を持たせることはできません。 どんなに頑張っても、トランジスタには約 150 mV という小さな残留電圧が残ります。 これにより、レギュレーション範囲が 0,15 ～ 0,7 V に制限されます。 制御装置 太陽電池の電圧は電圧計 M1 で測定され、シャント トランジスタを流れる電流は電流計 M2 で測定されます。 電力 (ワット単位) は、両方のデバイスの測定値を乗算して求められます。 電圧計はエレメントに直接接続されています。 これは、偏差がフルスケールのときに 1 V を示すことができる直列制限抵抗を備えた、1 mA の電流用に設計されたパネル デバイスです。 一方、オペアンプは電流計 M2 とともに使用され、電流を測定します。 この回路は、トランジスタ Q1 のエミッタ電流が抵抗 R13 を流れるように設計されています。 この電流は、太陽電池によって生成される電流に対応します。 電流が抵抗 R13 に流れると、小さな電圧降下が発生します。 これは差動アンプによって増幅され、その反転入力と非反転入力への電圧はそれぞれ抵抗R6とR7を介して供給されます。 ゲイン値は抵抗 R8 ～ R10 によって制御されます。 抵抗 R8 は出力と反転入力の間に恒久的に接続されています。 抵抗は 3 MΩ、対応するゲイン値は 300 です。抵抗 R13 に 100 mA の電流が流れると、アンプの出力電圧は 1 V になります。 差動アンプの出力電圧は、M1 電圧計と同じ電圧計で測定されます。 このデバイスは電流単位で校正されます。 この場合、1 V の電圧は 100 mA の電流に対応します。 抵抗器 R8 を抵抗器 R10 と並列に接続すると、ゲインは 60 に減少します。この場合、アンプの出力の 1 V の電圧は、R500 を流れる 13 mA の電流に相当します。 したがって、測定電流の範囲を拡大し、100〜500 mAの値をカバーしました。 同様に、抵抗 R9 を抵抗 R8 に並列に接続すると、電流を 0 ～ 3 A の範囲で測定できます。 テスター設計 太陽電池テスターはどのような方法で作成しても問題ありませんが、プリント基板を使用することを強くお勧めします。 プリント基板を図に示します。 6. 図に従って回路の詳細を配置します。 7 半導体の極性に注意しながら半田付けします。 シャント トランジスタ Q1 は基板のフォイル側に配置されていることに注意してください。 トランジスタは、ヒートシンクとして機能する大きな銅パッドに慎重にねじ止めする必要があります。 この場合、トランジスタ本体を絶縁する必要はありません。
理想的には、抵抗 R6 と R7 は整合した接続を形成する必要があります。 ただし、正確な抵抗器は高価であり、入手が困難です。 したがって、10 kΩ の抵抗器の小さなグループを用意し、デジタル マルチメーターを使用して測定することをお勧めします。 互いに適合する 2 つの抵抗を見つけるのにそれほど時間はかかりません。 残りの部品は抵抗 R3 および RXNUMX として使用できます。 一方、抵抗Ｒ１３は通常の抵抗ではない。 このような抵抗器は通常の店では見つけることができないと思います。 ただし、通常巻線に使用される長さ 13 cm、直径 10 mm のワイヤーから作ることができます。 得られたコイルが基板に正確にフィットするように、ワイヤーをフレーム (鉛筆) に巻き付けます。 電流測定の精度は、抵抗 R13 の値の選択の精度に依存します。 精度を高めるには、10 cm よりわずかに長いワイヤから始めて短くし、M2 電流計を使用して電流値を監視します。 XNUMX つの測定器、校正レギュレータとレンジ スイッチが、プリント回路基板とともに適切なハウジング内に配置されます。 これらのコンポーネントを接続するときは、極性に注意する必要があります。 デバイスに電力を供給するには、正極と負極の端子を備えた 12 つの 9 ボルト電源と、共通の接地線が必要です。 電源の種類と電圧は重要ではありません。 必要に応じて、トランジスタ受信機用に 8 つの XNUMX ボルト電池を使用してテスターに電力を供給できます。 考えられる電源の XNUMX つの図を図に示します。 XNUMX.
おそらく、見つけるのも作るのも最も難しいのは、太陽電池用の接触装置を備えたホルダーです。 ここでは、あなた自身が想像力を発揮する必要があります。 セル自体よりわずかに大きい平らなアルミニウム片はセルの背面接点に接続するための優れた電極となり、電圧抵抗計プローブは太陽電池の前面に優れた接点を形成します。 テストを自動化するには、特別なクランプを購入または作成する必要がある場合があります。 先ほども言いましたが、正確に何が必要なのかを理解するには、少しの想像力と理解が必要です。
テスターとの連携 テスターの使い方はとても簡単です。 要素を回路に接続し、照明して読み取りを行う必要があります。 エレメントの後部接点は正電極であり、テスターの正入力に接続されています。 エレメント表面の集電グリッドはマイナス極となっており、テスターのアース端子に接続されています。 素子の電極との信頼性の高い接触を確保する必要があります。 かなり低い電圧を扱っているため、たとえ小さな接触抵抗でも測定値に大きな違いが生じる可能性があります。 信頼性の高い接続を確保するには、コンタクトがエレメントに十分に押し付けられる必要があります。 ただし、要素は非常に薄く、もろく、壊れやすいため、過度の圧力は避けてください。 ここで、適切に設計された要素接触デバイスが役に立ちます。 「校正」レギュレータは、電力が測定される動作電圧を設定します。 通常は 450 mV に XNUMX 回設定されます。 ただし、必要に応じて動作電圧を変更することができます。 つまり、テスターがあれば、要素のパラメーターを推測する必要はなく、測定することができます。 著者：バイヤーズT。
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