Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

n-слой



а)
^а) б)
^Uопт U_хх

б)
Рисунок 5.2 − Эквивалентная схема фотодиодов (а) и их вольтамперная характеристика (б)

Как видно из характеристики, приведенной на рисунке 5.2, б, существует оптимальная величина выходного тока фотодиодов I_опт, которой соответствует аналогично оптимальное значение напряжения U_опт. Они определяют максималь- ное значение мощности, Р_н.max= U_опт∙I_опт, отдаваемой в нагрузку. Это соответствует классической теории проектирования солнечных батарей: указанные значения то- ка и напряжения определяют максимальную мощность, которая будет отдаваться в нагрузку [101].

Уравнение, определяющие параметры нагрузки фотодиодной группы, имеет следующий вид [101]:

^{  eUупр  Iн Rп 
 U}упр

I_н  I_ф  I_{о.н. }exp ^
AkT
^ 1_  _R ,
(5.1)

^{   } ^ш
где I_н – ток нагрузки (выходной ток) элемента солнечной батареи, А;
А – коэффициент, уточняющий различие между реальной и теоретической вольт- амперной характеристиками;
R_п – последовательное сопротивление солнечного элемента, Ом;
R_ш – шунтовое сопротивление солнечного элемента, Ом;
I_ф – фототок, протекающий через переход, А;
I_о.н – обратный ток насыщения перехода, А;
e – заряд электрона, Кл;
T – абсолютная температура, К.
Уравнение (5.1) относительно тока I_н и напряжения U_упр является трансцен- дентным, в общем виде не решаемым. Поэтому практическая реализация энерге- тических систем солнечных электростанций с точки зрения получения макси- мальной выходной мощности выполняется при помощи систем автоматического управления. Эти системы методом последовательных приближений непрерывно выполняет промежуточные вычисления величины мощности, определяя на основе этого точку максимума отдаваемой мощности электростанции.

Если в рассматриваемой схеме применяются МОП транзисторы с большим входным сопротивлением, то от известного принципа необходимости получения максимальной мощности в нагрузке можно отказаться. В этом случае за счет по- являющейся возможности значительного уменьшения выходного тока фотодио- дов, близкого к I = 0 А, напряжение U_упр принципиально увеличится до величин, которые требуются для выполнения заданных значений порогового напряжения U_зи.пор существующих МОП транзисторов. Очевидно, что для снижения величины управляющего напряжения U_упр рациональным является использование МОП транзисторов с возможно меньшими значениями порогового напряжения U_зи.пор.

В данном случае рациональным является работа фотодиодной системы безопасного устройства в области вольтамперной характеристики, близкой к точ- ке напряжения холостого ходаU_хх. График вольтамперной характеристики (рису- нок 5.2, б) показывает, что с уменьшением тока I выходное напряжение фотоди- ^{одной системы увеличивается и в пределеUупр} ^Uхх.
В соответствии с изложенным, для увеличения напряжения U_упр требуется увеличение сопротивления резисторов R1 и R2 (рисунок 5.1). Так как входное со- противление МОП транзисторов велико и составляет R_вх = 10²–10¹² Ом и более, то величины сопротивлений R1 и R2 могут быть достаточно большими, чтобы вы- ходное напряжение фотодиодной группы приближалось к значению U_хх. При этом назначение верхнего предела увеличения сопротивлений R1 и R2будет опреде- ляться выбором частоты работы импульсного преобразователя, что, в свою оче- редь, обусловлено влиянием емкостей p-n переходов фотодиодов и соответст- вующих паразитных межэлектродных емкостей МОП транзисторов схемы, при- веденной на рисунке 5.1.
Для практического применения анализируемой схемы и нахождения коли- чества последовательно включенных фотодиодовN_фд можно принять, что напря- жение U_фд = 0,5–0,6 В [101].Тогда требуемое количество последовательно вклю- ченных единичных фотодиодов схемы определяется: