Солнечные фотогальванические батареи, кажется, с каждым днем становятся дешевле и эффективнее, что делает их все более практичными для приложений возобновляемых и/или удаленных источников питания. При этом напряжение, вырабатываемое любой батареей, значительно зависит от нагрузки, интенсивности падающего света и температуры, поэтому часто требуется та или иная форма регулирования.

Как показано в более ранней статье [1], отслеживание точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT) и импульсная стабилизация могут значительно улучшить характеристики фотогальванической системы.

Но для небольших солнечных батарей дополнительная сложность схем MPPT и импульсного преобразователя может показаться неоправданной, что делает линейное регулирование более простым и разумным выбором. В данной статье рассматриваются именно такие системы в плане сравнительных преимуществ двух топологий регуляторов – последовательной и шунтовой.

Давайте начнем с гипотетической небольшой солнечной батареи, оптимизированной для выходной мощности 12 Вт (при полном прямом солнечном свете ~1 кВт/м²) с током 1 А при напряжении 12 В, эффективностью преобразования света в электричество 20% и, следовательно, с расчетной площадью ~0.06 м². Затем добавим к ней схему линейного регулятора для поддержания постоянного выходного напряжения 12 В при изменении тока нагрузки от 0 до 1 А.

Рисунок 1.	Вариант последовательного регулятора для небольших солнечных батарей.

На Рисунке 1 показан отвечающий этим требованиям последовательный регулятор, а на Рисунке 2 – сопоставимая топология с шунтом. Чтобы упростить сравнение преимуществ параллельного регулирования по сравнению с последовательным, в обоих регуляторах используется идентичная схема измерения и управления, основанная на почтенной комбинированной микросхеме LM10, содержащей операционный усилитель и источник опорного напряжения.

Рисунок 2.	Вариант шунтового регулятора для небольших солнечных батарей.

На этих рисунках внутренний источник опорного напряжения 200 мВ микросхемы LM10 (выводы 1 + 8) подключен к инвертирующему входу операционного усилителя (вывод 2) через резистор R1, обеспечивающий компенсацию входного тока смещения, сопротивление которого рассчитывается как

тогда как неинвертирующий вход (вывод 3) подключается к V_OUT через делитель напряжения 60:1, образованный резисторами R2 и R3, выходное напряжение V_SETPOINT которого равно

Это значит, что напряжение на выходе операционного усилителя (вывод 6) будет отрицательным, когда V_OUT < V_SETPOINT, и положительным, когда V_OUT > V_SETPOINT.

На Рисунке 1 (последовательный регулятор) вывод 6 чрез токоограничительный резистор R4 подключен к базе мощного p-n-p проходного транзистора D45H8, что увеличивает управляющее напряжение и ток нагрузки, когда V_OUT < V_SETPOINT, и уменьшает их, когда V_OUT > V_SETPOINT. На Рисунке 2 (шунтовой регулятор) вывод 6 подключен к базе n-p-n шунтирующего транзистора D44H8, отводящего больше тока солнечной батареи на землю, когда V_OUT < V_SETPOINT, и меньше, когда V_OUT > V_SETPOINT.

Итак, какой тип регулирования, шунтовой или последовательный, лучше, и когда, и почему? Чтобы ответить на этот общий вопрос, мы рассмотрим три конкретные характеристики схемы:

1. КПД регулятора (максимальная доля мощности батареи, отдаваемая в нагрузку при пике потребления).
2. Проблемы управления температурным режимом (в первую очередь определяемые требуемой теплоемкостью радиатора силового транзистора, которая, в свою очередь, определяется максимальной рассеиваемой мощностью транзистора).
3. Влияние способа регулирования на температуру солнечной батареи и, соответственно, на эффективность преобразования энергии.

1. Datasheet Texas Instruments LM10
2. Datasheet STMicroelectronics D44H8
3. Datasheet STMicroelectronics D45H8