本文介紹了設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路的可能性。整個(gè)電路是自供電的，因?yàn)樗皇褂脧?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電探測(cè)器獲得的電源。無(wú)需額外的外部電源。光電探測(cè)器的布置使其能夠感應(yīng)太陽(yáng)輻照度的方向?；谳敵龆说?a target="_blank">信號(hào)處理電路，生成兩個(gè)高度敏感的電壓信號(hào)。這些信號(hào)對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)相對(duì)于光電二極管的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。該電路具有固有的自動(dòng)增益控制。因此，輸出信號(hào)僅與這些角度成正比，與太陽(yáng)輻射水平無(wú)關(guān)。

傳感器電路

所提出的簡(jiǎn)單自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路的原理圖如圖 1 所示。處理來(lái)自光電探測(cè)器的信號(hào)只需要兩個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)電阻器。此外，由于光電探測(cè)器（光電二極管 PDYU1、PDYU2、PDYD1、PDYD2、PDXR1、PDXR2、PDXL1 和 PDXL2）在光伏模式下工作，產(chǎn)生的功率足以為運(yùn)算放大器供電。X和Y方向均使用四個(gè)串聯(lián)的光電二極管（PDYU1、PDYU2、PDYD1和PDYD2）為運(yùn)算放大器OP1和OP2供電。在光伏模式下，在光電二極管上獲得的相應(yīng)電壓由下式給出：

其中，V i 是對(duì)應(yīng)的第 i 個(gè)（i = YU1、YU2、YD1、YD2、XR1、XR2、XL1 和 XL2）光電二極管電壓，V T 是由 V T = K b T/q給出的熱電壓，其中 K b = 1.38×10-23 J/K 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是絕對(duì)溫度， q = 1.602×10-19 C 是基本電荷，? 是光電二極管響應(yīng)率，P i 是第 i 個(gè)光電二極管捕獲的光學(xué)功率，I s 是光電二極管飽和電流。

為了將光電二極管保持在光伏模式，它們必須連接到高阻抗節(jié)點(diǎn)，因此需要高阻值 R L。相應(yīng)的光電二極管捕獲的光功率取決于外殼內(nèi)的陰影位置，即它取決于有源光電二極管表面上的陰影分布。這如圖 1 所示。光電二極管表面上的主動(dòng)照明區(qū)域取決于太陽(yáng)相對(duì)于光電二極管的俯仰角和滾動(dòng)角，如圖 2 所示。這自然只對(duì)光電二極管有效被外殼遮蔽。例如，如果太陽(yáng)從第一象限照射傳感器，如圖 2 所示，只有光電二極管 PD YU2和 PD XR2 將在陰影中，它們對(duì)應(yīng)的照明區(qū)域?qū)⑹?/p>

其中假設(shè)小俯仰 ξ 和滾動(dòng) ψ 角 （ξ， ψ ? 1） 因此，在第一個(gè)近似值中，照明光電二極管面積相對(duì)于相應(yīng)角度的線(xiàn)性相關(guān)性，其中 A 是光電二極管有源表面的面積， K 是取決于傳感器幾何形狀的正比例常數(shù)，在 A ? Kξ 的情況下，Kψ 也是有效的。

圖 1：簡(jiǎn)單的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路原理圖

根據(jù)等式 （1）的相應(yīng)光電二極管電壓由下式給出：

其中 E 是太陽(yáng)輻照度。輸出電壓 V X和 V Y由下式給出：

其中 R F是反饋電阻電阻。等式 （2）、（3） 和 （4） 給出：

在第一個(gè)近似值中，輸出電壓信號(hào) V X和 V Y與傳感器靈敏度 S 的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角成正比。由于輸出信號(hào)與太陽(yáng)輻照度無(wú)關(guān)，因此電路具有固有的自動(dòng)增益控制。

圖 2：測(cè)量太陽(yáng)相對(duì)于傳感器的位置

使用 SLG88103 運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)

簡(jiǎn)單的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路的實(shí)現(xiàn)將基于GreenPAK? SLG88103運(yùn)算放大器的極低功耗特性。為了測(cè)試建議的電路，在 LTspice 中進(jìn)行了模擬。圖 3 顯示了僅用于單軸的模擬電路。系統(tǒng)電路由兩個(gè)這樣的子電路組成，每個(gè)子電路都旨在檢測(cè)太陽(yáng)的單軸位置。作為光電探測(cè)器，模擬中使用了來(lái)自歐司朗光電半導(dǎo)體的四個(gè) BPW34 光電二極管，因?yàn)樗鼈兊母袘?yīng)面積相對(duì)較大，為 7.45 mm 2（2.73 毫米 × 2.73 毫米）。光電二極管的 spice 模型也由 Opto Semiconductors 提供 ［BPW 34 B Silicon PIN Photodiode with Enhanced Blue Sensitivity; 在 SMT 版本 1.6，數(shù)據(jù)表，歐司朗光電半導(dǎo)體］。

圖 3：模擬電路原理圖

太陽(yáng)輻照度由兩個(gè)電壓源 VPD1 和 VPD2 建模，其中以毫伏 （mV） 為單位的電壓對(duì)應(yīng)于以 mW/cm 2為單位的太陽(yáng)輻照度。太陽(yáng)輻照度在1 mW/cm 2 （1 mV）和100 mW/cm 2 （100 mV）范圍內(nèi)掃描，其中100 mW/cm 2也代表太陽(yáng)輻照度的最大可能值。如上所述，如果傳感器表面和太陽(yáng)之間的角度不垂直，即俯仰角和滾轉(zhuǎn)角不等于零，由于光電二極管的有意部分遮蔽，在光電二極管表面。太陽(yáng)輻射在光電二極管表面的不均等分布已用不同的太陽(yáng)輻照度值建模，即電壓源 VPD1 和 VPD2 的不同值。相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖 4 所示。

從仿真結(jié)果可以得出的結(jié)論是，該電路對(duì)太陽(yáng)光照方向的變化高度敏感，這與電壓源 VPD1 和 VPD2 的相應(yīng)電壓的變化有關(guān)。所提議設(shè)計(jì)的重要特征是傳感器靈敏度不依賴(lài)于太陽(yáng)的整體照明，前提是運(yùn)算放大器的軌到軌電壓大于 1.71 V。這可以從相同的對(duì)數(shù)刻度中傳感器響應(yīng)的斜率。因此，傳感器具有固有的增益控制，這是該傳感器電路的一個(gè)非常重要的特性，特別是如果它已用于控制回路，其中整體系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖 4：建議電路的仿真結(jié)果

光電二極管分流電阻 R SH由下式給出：

對(duì)于 BPW34 光電二極管，在 ? = 0.5 A/W、A = 7.45 mm 2和最小太陽(yáng)輻照度 E = 1 mW/cm 2 的情況下，給出了光電二極管分流電阻的最大值 R SH ≈ 670 Ω。為了在光伏模式下工作，光電二極管的分流電阻必須遠(yuǎn)小于光電二極管的負(fù)載電阻，即必須滿(mǎn)足 R SH ? R L。通過(guò)選擇 R L = 1 MΩ，這個(gè)條件肯定會(huì)得到滿(mǎn)足?？梢匀我膺x擇反饋電阻 R F的值以獲得所需的靈敏度。在本應(yīng)用中， 選擇了 R F = 30 MΩ的值。

根據(jù)圖 4 中的仿真結(jié)果，最大輸出電壓在 V X ，Y MAX ≈ 1 V范圍內(nèi)。因此，流經(jīng)反饋電阻并流經(jīng)負(fù)載電阻的電流小于 IF MAX = V X ，Y MAX /R F ≈ 33 nA，遠(yuǎn)小于運(yùn)算放大器靜態(tài)電流 I Q = 375 nA。運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流必須滿(mǎn)足條件 I Q ? ?AE 才能使光電二極管同時(shí)工作在光伏模式下并適當(dāng)?shù)仄眠\(yùn)算放大器。由于 ?AE ≈ 37 μA 對(duì)于 E = 1 mW/cm 2的最小太陽(yáng)輻照度 這個(gè)條件也滿(mǎn)足。

示例實(shí)現(xiàn)

使用評(píng)估板用于測(cè)試電路的創(chuàng)建SLG88103運(yùn)算放大器和光電二極管。原型板實(shí)現(xiàn)電路的照片，連同基于光電二極管的傳感器，如圖 5 所示。圓柱體，即陰影器，固定在傳感器板上，以便在被太陽(yáng)照射時(shí)形成陰影?？梢愿鶕?jù)傳感器靈敏度和所需的測(cè)量范圍選擇氣缸尺寸。該項(xiàng)目中使用的傳感器具有圓柱體形狀的陰影器，圓柱體的內(nèi)徑為 38 毫米，圓柱體的高度為 35 毫米。

圖 5：測(cè)試板與傳感器的照片

為了確定整個(gè)傳感器電路傳遞函數(shù)，傳感器安裝在一個(gè)平臺(tái)上，其傾斜角度可以改變。傳感器指向太陽(yáng)并通過(guò)控制傾斜角，即平臺(tái)的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，將電壓 VX 和 VY 調(diào)整為盡可能接近于零。然后，通過(guò)改變平臺(tái)的相應(yīng)傾斜角，傳感器的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角相對(duì)于太陽(yáng)在 – 5° 到 + 5° 的范圍內(nèi)發(fā)生變化，同時(shí)測(cè)量輸出電壓。傳感器電路的傳遞函數(shù)如圖 6 所示。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)集，估計(jì)傳感器靈敏度約為 S ≈ 56 mV/°。

圖 6：傳感器電路的傳遞函數(shù)

總而言之，太陽(yáng)能跟蹤傳感器在許多太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)（光伏系統(tǒng)）中具有非常重要的作用，可以提高整體系統(tǒng)效率。為了將太陽(yáng)能電池板朝向太陽(yáng)，一個(gè)控制回路使用從太陽(yáng)能跟蹤傳感器獲得的信號(hào)，將太陽(yáng)能電池板朝向太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。因此，本申請(qǐng)中介紹的簡(jiǎn)單、可靠（無(wú)需額外電源）且具有成本效益的傳感器將改善太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的特性。

所提出的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路可以使用光電探測(cè)器和陰影幾何的不同組合進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)能夠更好地滿(mǎn)足最終用戶(hù)要求的特性。

審核編輯：郭婷