电路设计人员对太阳能设备的光伏电池指南

本文介绍了一种太阳能电池的等效电路，并讨论了一些具体的实现方法。

地球上惊人的丰富生命需要相应丰富的能量。这并不是什么新鲜事，但在现代世界，情况有所不同，因为人类——与植物、以植物为食的动物以及以植物为食的动物相比——并不满足于太阳辐射形式的能量。我们需要电，而且是大量的电。

那么，直接从阳光发电的想法是如此吸引人。如果我们只使用地球的原始能源促进我们的现代化生命，那么它不会很好吗？确实如此，如果我们实际尝试过，阳光电压转换的固有局限会施加一些严重的不受欢迎的生活方式调整。

幸运的是，为一个小型电子设备供电比为整个世界推送更容易，特别是当设备采用低电流，节能设计技术时，通常与扩展电池寿命相关联而不是使东西更兼容太阳能。但在我们全部出去并开始设计太阳能PCB之前，我们应该尝试理解1）太阳能电池在电路设计的背景下，2）太阳能电池与负载组件相互作用。

的等效电路

If you want to carefully analyze the behavior of a circuit that includes a solar (aka photovoltaic, or PV) cell, you need to use an “equivalent circuit”—i.e., you need to replace the cell with a group of basic components that can produce similar electrical behavior. This is the equivalent circuit for a solar cell:

这里的想法是，太阳能电池产生与光强度相对应的内部电流。然而，并不是所有的电流都对负载有效，因为一些电流通过并联二极管(回忆一下，光伏转换是通过pn结实现的)，一些电流通过并联电阻(R_P）。

当无负载电阻存在时，太阳能电池两端的可用电压由电流源与并联二极管和并联电阻的相互作用决定。这被称为“开路电压”。如果电池提供负载电流，两端的电压将低于开路电压，因为一些电压通过串联电阻(R_年代）。

电压源或电流源？

您可能习惯于认为与电池类似的太阳能电池，不同之处在于“电池”电压根据光强度而变化。然而，等效电路使PV电池看起来像电流源而不是电压源。这可能是相当尴尬的，因为我们全都习惯了使用电压源，而不是电流源供电。

太阳能电池不是真的电压源或电流源我们通常会想到它们，但它可以在典型的电压源样式中为电路供电。等效电路中的附加组件表明内部电流源不与负载组件直接交互。此外，由于内部产生的电流流过内部二极管和R，电池将始终产生电压（即使没有连接到终端）_P。

但是，如果您选择将太阳能电池视为电池，请记住这是一个相当平庸的电池。首先，电压非常不可预测。例如，考虑这种开口电压电压与辐照度的曲线图：

这是从数据表（PDF）用于由Ixys制造的紧凑的表面安装太阳能电池。我最近设计了一个太阳能微控制器，这是我使用的太阳能电池。

室内环境中的辐照度可能是10或20 W / m²在户外的直射阳光可能会给你900 w / m²。因此，如果将您的设备从车库拿入后院，则电路的电源电压可能会从3.5 V到4.6 V.

第二个问题是内部串联电阻大。换句话说，电池提供电流的能力非常有限。IXYS电池最大输出电压为4.4 ma，这对于驱动电机或led阵列并不理想，但对于在低频下运行的微控制器来说已经足够了。

在我们继续前进之前，我应该提及可以以最有限的方式制造太阳能电池，以支持电压或电流：通过填充具有一个PN结的可用区域获得的高电流能力，通过分裂区域获得更高的电压进入多个连接点并串联连接它们。我在设计中使用的IXYS细胞求助于电压，但有同一部分的其他两个版本提供更高电流（和较低电压）。

峰值功率

制造商可以通过改变设备的物理配置来控制电流和电压特性，但不容易增加力量这是太阳能电池的真实表现。

通过观察电池的电流-电压特性，可以确定功率的最佳点，用P表示_党卫军（嗯，那不是官方的象征，但它应该是）。这是电池以最大功率运行的点。例如：

在本例中，红色曲线表示功率，蓝色曲线表示在给定负载电流下电池提供的电压。你可以看到，当电池两端的电压为3.4 V时，获得了最大的功率。图中还显示，在最大负载电流下工作并不是从太阳能电池上获取最大功率的好方法;在这种特殊产品中，最大和接近最大功率区域对应的电压范围约为2.7 V至3.7 V，或电流范围约为3.3 mA至4.3 mA。

结论

我们研究了光伏电池的等效电路，并讨论了光伏器件产生电压的一些重要特性。关于这个主题还有很多可说的，但是我希望本文能够很好地介绍将太阳能整合到电子设备中的实用方面。

支持信息

• 专用二极管(寻找“太阳能电池”的标题)