Гистерезисный регулятор напряжения солнечной батареи без индуктивных элементов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2017

Ausias Garrigos & David Marroqui

EDN

Фотогальванические системы обычно содержат средства накопления энергии – аккумуляторы или ионисторы, – обеспечивающие нагрузку питанием в отсутствие солнечного света или в периоды пикового потребления. Однако системы, которые могут обойтись без накопителей энергии, являются более экологичной альтернативой с бóльшим временем безотказной работы.

Идея схемы, изображенной на Рисунке 1, основана на использовании регулятора напряжения фотогальванической батареи, работающего в гистерезисном режиме и позволяющего достичь высоких значений КПД. Схема легко масштабируется и содержит только дискретные компоненты.

Рисунок 1.	Простой автоколебательный регулятор напряжения фотогальванического источника. (Примечание: D2 и D3 – стабилитроны).

P-канальный MOSFET M1, включаясь и выключаясь, заряжает выходной конденсатор C1. Когда ключ M1 разомкнут, напряжение фотогальванического источника равно напряжению холостого хода, и конденсатор C1 разряжается на нагрузку. Когда M1 замкнут, фотогальванический источник подключен к выходному напряжению V_O, и C1 заряжается вновь.

SPICE модель фотогальванического источника представлена элементами I1-D1-R1-R2, замещающими цепочку из соединенных последовательно 30 маломощных кремниевых солнечных ячеек.

Схема работает следующим образом. В начальный момент транзистор M1 открыт, поскольку напряжение на его затворе, определяемое резистором R3 и стабилитроном D2, равно 12 В. По мере заряда конденсатора C1 напряжение на стабилитроне D3 увеличивается до тех пор, пока не достигнет опорного уровня 10 В. Рост V_O продолжится, и прекратится, когда выход дифференциального усилителя, образованного транзисторами Q3 и Q4, включит Q2 и Q1, которые, в свою очередь, откроют MOSFET M1.

После этого V_O падает до уровня, при котором выходного напряжения дифференциального усилителя становится недостаточно для удержания транзистора Q2 в открытом состоянии. В таком релейном режиме регулятор остается постоянно, а его выходное напряжение определяется выражением

(1)

Подбирая емкости выходного конденсатора C1 и конденсатора цепи обратной связи C2, можно управлять уровнем пульсаций напряжения и частотой переключения. Увеличение емкости C2 замедляет реакцию на изменения выходного напряжения, что может потребоваться для обеспечения устойчивости схемы, но увеличивает размах выходных пульсаций. Поэтому рекомендуется соблюдать оптимальный для каждого приложения баланс между частотой переключения и пульсациями выходного напряжения.

На Рисунке 2 показаны осциллограммы сигналов, измеренных на собранном макете схемы. Пульсации на выходе 15 В имеют уровень менее 0.5 В пик-пик, а частота переключения слегка превышает 25 кГц.

Рисунок 2.	Осциллограммы сигналов в регуляторе напряжения. Синий: выходное напряжение; зеленый: входное напряжение; голубой: ток M1.

В заключение отметим, что описанная схема является простым, но надежным решением, позволяющим получить стабилизированное напряжение от фотогальванического источника. Схема легко адаптируется к необходимым уровням напряжений и токов.

Материалы по теме

Загрузки