CC BY
25
УДК. 621.311.6
Ю.А. Андреев, О.В. Бубнов, Ю.А. Шурыгин
Нелинейный элемент для имитатора солнечных батарей
Предлагается схемное и конструктивное решение задачи масштабирования по току и напряжению нелинейного элемента для имитатора солнечных батарей с меньшими габаритами и улучшенными характеристиками по температурной стабильности.
Ключевые слова: солнечная батарея, фотоэлемент, нелинейный элемент, вольт-амперная характеристика, схема замещения, термостатирование, масштабирование. ао1: 10.21293/1818-0442-2018-21-1-135-138
Солнечная батарея (СБ) является основным источником энергии большинства космических аппаратов, поскольку необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую в СБ используется явление фотоэффекта в солнечных элементах на основе полупроводниковой кремниевой структуры с /»-«-переходом, упрощенная эквивалентная схема замещения которой приведена на рис. 1, что определяет вид ее воль-тамперной характеристики (ВАХ) рис. 2 [1].
Яп /^
-с
/ф
|/д
д! п
Ф О
Яш
и
▼
—
Рис. 1. Эквивалентная схема замещения солнечной батареи: /ф - ток, генерируемый ячейкой фотоэлемента; ид, /д - напряжение и ток на диоде внутренней структуры СБ; Яп, Яш - последовательное и шунтирующее сопротивление внутренней структуры СБ; /, и - выходной ток и напряжение ячейки СБ под нагрузкой
{ /вых Участок Нелинейный
/кз .тока участок л/
Д/нэ< | \\ |_Предельная 1 ВАХ
\ Участок напряжения
динэ \ !/ VI \ 1 \| ивых —1-
ихх
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика солнечной батареи
При проведении наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов [2] используются имитаторы СБ (ИБС) для моделирования
влияния на ВАХ СБ различных параметров - типа и количества ячеек и блоков СБ, освещенности и направления света, частичного затенения, температуры и других условий, в которых может находиться космический аппарат. Нагрузка СБ, как правило, является динамической, что требует моделирования изменения нагрузки и ее типа (активная и реактивная), работы в режиме так называемого сброса-наброса нагрузки с заданной частотой. Таким образом в ИБС должны меняться многие параметры -ток, напряжение, Яп, Яш, сопротивление и емкость нагрузки, частота и диапазон по току и напряжению сброса-наброса нагрузки.
ВАХ реальной СБ характеризуется существенной нелинейностью, но может хорошо аппроксимироваться с достаточной точностью линейными источниками на участках тока и напряжения, как показано на рис. 2; для реализации полной ВАХ, адекватной характеристике реальной СБ, на переходе от токового участка к участку напряжения обычно используется нелинейный элемент (НЭ), состоящий из параллельно-последовательно включенных диодов, резисторов и переключателя, управляющего числом диодов, включенных в цепь в зависимости от задаваемых режимов работы СБ - различных диапазонов работы его по току и напряжению. Подобные нелинейные элементы описываются в работе [3], патентах и полезных моделях [4-7]. На рис. 3 показан пример реализации такого блока из ячеек нелинейных элементов со ступенчатым масштабированием тока и напряжения в реальном ИБС, разработанном в НИИАЭМ ТУСУРа, г. Томска.
Девять ячеек НЭ представляют собой матрицу. Контакты реле К1...К3 подключают столбцы матрицы для кратного увеличения тока, а контакты реле К4, К5 подключают строки матрицы для кратного увеличения напряжения. На рис. 4 показано выполнение элементарной ячейки нелинейного элемента, входящего в матрицу, представленную на рис. 3. Как правило, такие ячейки выполняются на напряжение 0-5 В и ток 0-0,5 А. Представленная матрица позволяет при моделировании изменять ток от 0,5 до 1,5 А и напряжение от 5 до 15 В.
Недостатком такой конструкции из параллельного и последовательного соединения множества ячеек нелинейных элементов является существенное увеличение габаритов прибора, когда для реализа-
ции ИБС требуется матрица НЭ с большей размерностью и большим количеством плат. Некоторое уменьшение габаритов возможно при применении диодов в планарном исполнении.
Однако уменьшению габаритов препятствует неконтролируемая зависимость ВАХ диодов от температуры, что заставляет разработчиков снабжать каждый диод площадкой на печатной плате для отвода тепла от саморазогрева протекающим через диод током. Однако при этом все равно остается влияние температуры окружающей среды. У самых лучших диодов зависимость тока от температуры составляет не менее (0,5-1)% на градус Цельсия, что недопустимо много для точного прибора. Термоста-тирование же довольно большой части прибора с матрицей таких нелинейных элементов приводит к его существенному удорожанию и дальнейшему увеличению массогабаритных показателей.
Данная работа посвящена решению проблемы масштабирования по току и напряжению с использованием всего лишь одной ячейки НЭ для уменьшения массы и габаритов результирующего НЭ, применяемого при реализации ИБС. Блок-схема такого НЭ показана на рис. 5.
Рис. 3. Пример реализации матрицы из ячеек нелинейных элементов
Рис. 4. Ячейка нелинейного элемента
Выход
Рис. 5. Блок-схема нелинейного элемента
Кроме того, вследствие уменьшения габаритов попутно решается задача исключения зависимости ВАХ НЭ от температуры. Упрощенная электрическая схема НЭ приведена на рис. 6.
5, 10, 15, 20 В <?-
0,5 Ом
^ N Кб V К7 V
0,4 А 0,5 А 1 А
Рис. 6. Упрощенная электрическая схема нелинейного элемента
Масштабирование по напряжению и току производится дискретно так же, как и в схеме, приведенной на рис. 3. Масштабирование по напряжению производится на высокоомном делителе из резисторов ^1-^4. При изменении диапазона напряжения на входе НЭ (от нуля до 5, 10, 15, 20 В), на выходе делителя - прямом входе усилителя У1 (питание У1-У3 производится от отдельного гальванически изолированного источника питания и на схеме не показано), с помощью ключей поддерживается постоянный диапазон от нуля до 5 В. Этот диапазон выбран минимальным с некоторым запасом, необходимым для нормальной работы М08РБТ повторителя напряжения-усилителя тока на операционном усилителе (ОУ) У1 и транзисторе УТ1.
С выхода усилителя напряжение подается на ячейку НЭ, значение протекающего тока которого снимается в виде напряжения с шунта на резисторе ^5. Такое малое значение тока, соответствующее максимальному напряжению на входе, равное 0,1 А, выбрано из расчета минимального влияния его на саморазогрев диодов, составляющих ячейку НЭ. Далее это напряжение усиливается на ОУ У2 до диапазона 0-1 В и подается на вход усилителя-стабилизатора тока на ОУ У3 и транзисторе УТ2. В цепи обратной связи усилителя - на выходе НЭ установлены мощные прецизионные резисторы с низким ТКС, коммутируемые ключами К5-К7. Резистор Я6 добавляет ток, равный 0,4 А, к току ячейки НЭ,
Элемент
Испытания описанной схемы устройства НЭ в составе имитатора солнечной батареи показали хорошие характеристики температурной стабильности, повторяемости ВАХ при сбросе и набросе нагрузки.
Литература
1. Кремзуков Ю.А. Исследование динамических характеристик имитатора солнечной батареи ИБС-300/25 // Сб. тр. Том. политехн. ун-та. - Томск, 2008. - С. 131-135.
2. Бубнов О.В. Автоматизированное рабочее место отработки и испытаний энергопреобразующей аппаратуры системы электропитания космического аппарата / О.В. Бубнов, Ю.А. Кремзуков, В.А. Пчельников, В.М. Ру-левский // Доклады ТУСУР. - 2017. - № 3, т. 20. - С. 35-39.
3. Загаевский Т.Н. Промышленная электроника / Т.Н. Загаевский, С.А. Мальзахер, А.Ю. Квецинский. - М.: изд. Энергия, 1976. - 158 с.
4. Патент США № US3325723 A, кл. 323.8. VOLTAGE - CURRENT CHARACTERISTIC SIMULATOR / Jerome H Grayson (США). - Заявл. 27.11.1964 г.; опубл. 13.06.1967. - 3 с.
5. Пат. Рос. Федерация № 50014, МПК G05F. Имитатор батареи солнечной для наземной отработки и испытаний систем электропитания космических аппаратов на
что в сумме составляет 0,5 А, с которого начинается работа НЭ при разомкнутых ключах К5-К7. Остальные резисторы К7-Я9, сопротивление которых уменьшается кратно два в целой степени, коммутируются ключами, увеличивая последовательно ток НЭ на 0,5 до 4 А при всех замкнутых ключах К5-К7.
С помощью рассмотренного варианта схемы описан общий принцип построения НЭ и выбора параметров элементов. При реализации этого принципа в реальном ИБС, естественно, можно изменить число дискрет делителя по напряжению, шаг и количество дискрет по току. В качестве ключей можно использовать М08РБТ-транзисторы с малым значением клб(оп), особенно в коммутаторе выходного тока. ОУ необходимо использовать высокочастотные, чтобы получить требуемую частотную характеристику НЭ. В данной схеме использованы ОУ АЭ826 с частотой единичного усиления 50 МГц. Транзисторы УТ1 и УТ2 применены типа ЖР248М с типичным значением = 3 В.
Для исключения влияния саморазогрева и окружающей температуры, с целью повышения точности, ячейка НЭ выполнена на печатной плате с алюминиевым теплоотводящим основанием и расположена на термостате, который выполнен на элементе Пельтье, установленном на радиаторе. Общий принцип конструкции для термостатирования приведен на рис. 7 и пояснений не требует.
Нелинейный элемент
основе импульсных преобразователей / В.Н. Мишин, Ю.А. Кремзуков. - Бюл. №34, 2005.
6. Пат. Рос. Федерация № 73102, МПК G06G7/63. Имитатор аккумуляторной батареи для испытания систем электроснабжения космических аппаратов / В.Н. Мишин, О.В. Бубнов, В.А. Пчельников, Г.А. Ракитин, Н.Н. Цебен-ко. - № 2 008 100 435; заявл. 09.01.08; опубл. 10.05.08. Бюл. № 13. - 2 с.
7. Пат. Рос. Федерация № 77695, МПК G05F. Устройство имитации вольт-амперной характеристики солнечной батареи / В.Н. Мишин, В.А. Пчельников, О.В. Бубнов, Ю.А. Кремзуков, С.А. Кайсанов. - Бюл. №30, 2008.
Андреев Юрий Александрович
Зав. отд. 18 Научно-исследовательского института
автоматики и электромеханики
Томского государственного ун-та систем управления
и радиоэлектроники (НИИАЭМ ТУСУРа)
Белинского ул., д. 35, г. Томск, Россия, 634034
Тел. +7-903-914-93-44
Эл. почта: [email protected]
Датчик температуры
Пластина (для инерции по температуре)
Пельтье (12 В)
Рис. 7. Общая конструкция для термостатирования ячейки нелинейного элемента
Бубнов Олег Викторович
Зав. отд. 14 НИИАЭМ ТУСУР Белинского ул., д.35, г. Томск, Россия, 634034 Тел.: +7 (382-2) 56-00-59 Эл. почта: [email protected]
Шурыгин Юрий Алексеевич
Д-р техн. наук, профессор, первый проректор ТУСУР Ленина пр-т, д. 40, г. Томск, Россия, 634050 Тел.: +7 (382-2) 51-05-30 Эл. почта: [email protected]
Andreev Y.A., Bubnov O.V., Shyrygin Y.A. Nonlinear element for solar cell simulator
A schematic and constructive solution to the problem of current and voltage scaling of a nonlinear element for a simulator of solar cells with smaller dimensions and improved characteristics in terms of temperature stability is proposed. Keywords: photocell, solar cells, nonlinear element, current-voltage characteristic, thermostating, substitution circuit, scaling.
Doi: 10.21293/1818-0442-2018-21-1-135-138 References
1. Kremzukov Yu.A. Issledovanie dinamicheskikh kha-rakteristik imitatora solnechnoi batarei IBS-300/25 [The study of the dynamic characteristics of a solar battery simulator IBS-300/25] // Collection of works of Tomsk Polytechnic University. Tomsk, 2008, pp. 131-135.
2. Bubnov O.V. Avtomatizirovannoe rabochee mesto otrabotki i ispytanii energopreobrazuiushchei apparatury sis-temy elektropitaniia kosmicheskogo apparata [Automated Control System of Power-conditioning Equipment] / O.V. Bubnov, Y.A. Kremzukov, V.A. Pchelnikov, Y.A. Shu-rygin // Trudy TUSUR [Proceedings of TUSUR University], 2017, vol. 20, no. 3, pp. 35-39
3. Zagaevskii T.N. Promyshlennaia elektronika [Industrial Electronics] / T.N. Zagaevskii, S.A. Malzacher, A.Y. Kvecinskii. M., Energiya, 1976, p. 158.
4. Jerome H. Grayson (USA). Voltage-current characteristic simulator. Patent USA US3325723 A, kl. 323.8., 1967. 3 p.
5. Mishin V.N., Kremzukov Yu.A. Imitator batarei solnechnoi dlia nazemnoi otrabotki i ispytanii sistem elektropi-taniia kosmicheskikh apparatov na osnove impulsnykh preo-brazovatelei [Simulator of a solar battery for ground testing and testing of spacecraft power supply systems based on pulse converters]. Patent RF no. 50014, IPC G05F. 2005.
6. Mishin V.N., Bubnov O.V., Pchel'nikov V.A., Rakitin G.A., Chebenko N.N. Imitator akkumuliatornoi batarei dlia ispytaniia sistem elektrosnabzheniia kosmicheskikh apparatov [Simulator of a solar battery for ground testing and testing of spacecraft power supply systems based on pulse converters]. Patent RF no. 73102, IPC G06G7/63, 2008. 2 p.
7. Ustroistvo imitatcii voltampernoi kharakteristiki solnechnoi batarei [Device for simulating the volt-ampere characteristics of a solar battery] / Mishin V.N., Pchel'nikov V.A., Bubnov O.V., Kremzukov Yu.A., Kaisanov S.A. Patent RF, no. 77695, IPC G05F. 2008.
Yury A. Andreev
Head of department 18 Research Institute of Automation and Electromechanics of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics (NIIAEM TUSUR) 34, Belinsky st., Tomsk, Russia, 634034 Phone.: +7-903-914-9344 Email: [email protected]
Oleg V. Bubnov
Head of department 14 Research Institute of Automation and Electromechanics of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics (NIIAEM TUSUR) 34, Belinsky st., Tomsk, Russia, 634034 Phone.: +7 (382-2) 56-00-59 Email: [email protected]
Yury A. Shurygin
First Vice-Rector TUSUR
40, Lenin Av., Tomsk, Russia, 634050
Phone: +7 (382-2) 51-05-30
Email: [email protected]
