其中假設(shè)小間距 ξ 和滾動(dòng) ψ 角 (ξ, ψ ? 1) 因此在第一近似中給出了被照射光電二極管區(qū)域相對(duì)于相應(yīng)角度的線性相關(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)，其中 A ? Kξ, 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如下所示：

其中 R _F是反饋電阻器的電阻。等式 (2)、(3) 和 (4) 給出：

在第一近似中，輸出電壓信號(hào) V _X和 V _Y與傳感器靈敏度 S 的俯仰角和滾動(dòng)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：太陽(yáng)相對(duì)于傳感器的位置測(cè)量

使用 SLG88103 運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)

一個(gè)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)試所提出的電路，已經(jīng)在 LTspice 中進(jìn)行了仿真。僅針對(duì)單軸的仿真電路如圖 3 所示。系統(tǒng)電路由兩個(gè)這樣的子電路組成，每個(gè)子電路都旨在感測(cè)太陽(yáng)的單軸位置。作為光電探測(cè)器，歐司朗光電半導(dǎo)體的四個(gè) BPW34 光電二極管已用于仿真，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：仿真電路原理圖

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/cm2 為單位的太陽(yáng)輻照度。太陽(yáng)輻照度在1 mW/cm2（1 mV）和100 mW/cm2（100 mV）的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，其中100 mW/cm2也代表了太陽(yáng)輻照度的最大可能值。如上所述，如果傳感器表面與太陽(yáng)之間的角度不垂直，即俯仰角和滾動(dòng)角不等于 0，由于光電二極管的故意部分遮蔽，在光電二極管表面。太陽(yáng)輻射在光電二極管表面上的不均勻分布已用不同的太陽(yáng)輻照度值進(jìn)行建模，即電壓源 VPD1 和 VPD2 的不同值。

從仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，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 相應(yīng)電壓的變化有關(guān)。所提出設(shè)計(jì)的重要特征是傳感器靈敏度不依賴于太陽(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。這可以從相同的傳感器響應(yīng)的斜率以對(duì)數(shù)刻度表示。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整體系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要的控制回路中。

圖 4：建議電路的仿真結(jié)果

光電二極管分流電阻 RSH 為：

_{其中，對(duì)于 BPW34 光電二極管，? = 0.5 A/W、A = 7.45 mm2 和 E = 1 mW/cm2 的最小太陽(yáng)輻照度，給出了 R SH} ?≈ 670 Ω的光電二極管分流電阻的最大值. 要在光伏模式下工作，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，即必須滿足 R _SH ?? R _L。通過(guò)選擇 R _L ?= 1 MΩ，這個(gè)條件肯定得到滿足。可以任意選擇反饋電阻 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 的范圍內(nèi)。因此，流經(jīng)反饋電阻和負(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)算放大器的靜態(tài)電流IQ = 375 nA。運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流必須滿足條件 IQ ? ?AE 才能使光電二極管在光伏模式下同時(shí)工作并適當(dāng)?shù)仄眠\(yùn)算放大器。^{因?yàn)閷?duì)于 E = 1 mW/cm 2}的最小太陽(yáng)輻照度，?AE ≈ 37 μA，這個(gè)條件也得到了滿足。

示例實(shí)現(xiàn)

使用SLG88103 運(yùn)算放大器和光電二極管的評(píng)估板創(chuàng)建了測(cè)試電路。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。氣缸尺寸可以根據(jù)傳感器靈敏度和所需的測(cè)量范圍進(jìn)行選擇。該項(xiàng)目中使用的傳感器具有圓柱形狀的陰影，圓柱內(nèi)徑為 38 毫米，圓柱高度為 35 毫米。

圖 5：測(cè)試板與傳感器的照片

為了確定整體傳感器電路傳遞函數(shù)，傳感器安裝在一個(gè)平臺(tái)上，其傾斜角度可以變化。傳感器指向太陽(yáng)，通過(guò)控制傾斜角，即平臺(tái)的俯仰角和滾動(dòng)角，將電壓 VX 和 VY 調(diào)整為盡可能接近零。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動(dòng)角相對(duì)于太陽(yáng)在 – 5° 到 + 5° 的范圍內(nèi)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)能系統(tǒng)（光伏系統(tǒng)）中具有非常重要的作用，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。為了將太陽(yáng)能電池板指向太陽(yáng)，控制回路使用從太陽(yáng)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)能系統(tǒng)的特性。

所展示的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路可以使用光電探測(cè)器和陰影幾何形狀的不同組合進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)更好地滿足最終用戶要求的特性。

　　審核編輯：湯梓紅

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