术语和定义

参考文献

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//www.wsdof.com/configurable-mixed-signal．

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介绍

本应用笔记将提出使用Dialog半导体SLG88103运算放大器设计一个简单的自供电太阳能跟踪传感器电路的可能性。雷竞技电竞平台整个电路是自供电的，因为它只使用从光电探测器获得的能量。不需要额外的外部电源。光电探测器的设置使它们能够感知太阳辐照度的方向。基于输出端的信号处理电路，产生两个高灵敏度的电压信号。这些信号对应于太阳相对于光电二极管的俯仰和滚动角度。该电路具有固有的自动增益控制。因此，输出信号只与这些角度成正比，而与太阳辐照水平无关。

传感器电路

文中给出了简单的自供电太阳能跟踪传感器电路的原理图图1．处理来自光电探测器的信号只需要两个运算放大器和几个电阻器。此外，由于光电探测器(光电二极管PDYU1、PDYU2、PDYD1、PDYD2、PDXR1、PDXR2、PDXL1和PDXL2)工作在光伏模式下，所产生的功率足以给运放供电。X和Y方向使用四个光电二极管(PDYU1、PDYU2、PDYD1和PDYD2)串联给运算放大器OP1和OP2供电。光电二极管在光伏模式下得到的相应电压为:

在哪里V_我为对应的第i个(i = YU1, YU2, YD1, YD2, XR1, XR2, XL1, XL2)光电二极管电压，V_T热电压是由V_T= k_BT⁄问在哪里k_B= 1.38×10-23 J/K为玻尔兹曼常数，T是绝对温度，问= 1.602×10-19 C是基本电荷，ℜ是光电二极管的响应度，P_我第i个光电二极管是否捕获光功率，和我_年代为光电二极管饱和电流。

为了保持光电二极管处于光伏模式，它们必须连接到高阻抗节点，因此需要高阻值RL。相应的光电二极管捕获的光功率取决于外壳内的阴影位置，也就是说，它取决于在有源光电二极管表面上的阴影分布。这是在图1．光电二极管表面的主动照明面积取决于太阳相对于光电二极管的俯仰和滚动角度，如图中所示图2．当然，这只对被外壳遮蔽的光电二极管有效。例如，如果太阳从第一象限照射传感器，如图所示图2，只有光电二极管PDYU2和PDXR2处于阴影中，其对应的被照亮区域为:

小螺距ξ和辊ψ角被认为(ξ,ψ≪1)因此,在第一个近似,照明光电二极管的线性相关领域对相应的角度,一个是光电二极管的面积活跃的表面,K是积极的比例常数取决于传感器几何,并且当A zl Kξ， Kψ也是有效的。

相应的光电二极管电压V_我根据式(1)可得:

在哪里E是太阳辐照度。输出电压V_x和V_y给出:

在哪里R_F为反馈电阻电阻。式(2)、(3)、(4)给出:

在第一个近似中输出电压信号V_x和V_y与传感器灵敏度s的俯仰和滚转角度成正比。由于输出信号与太阳辐照度无关，电路具有固有的自动增益控制。

使用SLG88103运算放大器实现

一个简单的自供电太阳能跟踪传感器电路的实现将基于SLG88103运算放大器的极低功耗特性[4］．为了测试所提出的电路，在LTspice中进行了仿真。文中给出了单轴仿真电路图3．系统电路由两个这样的子电路组成，每个子电路的目的是感知太阳的单轴位置。作为光电探测器，4个来自欧司朗光电半导体的BPW34光电二极管由于其相对较大的传感面积7.45 mm被用于模拟2(2.73 mm × 2.73 mm)。光电二极管的spice模型也由Opto Semiconductors提供[5］．

太阳辐照度由两个电压源VPD1和VPD2建模，其中毫伏电压(mV)对应于太阳辐照度(mW/ cm2)。在1 mW/cm2 (1 mV)和100 mW/cm2 (100 mV)范围内扫描太阳辐照度，其中100 mW/cm2也表示太阳辐照度可能的最大值。如上所述，如果传感器表面与太阳之间的角度不垂直，即俯仰和滚动角度不等于零，由于光电二极管有意的部分遮阳，光电二极管表面的辐照度分布不均匀。利用不同的太阳辐照度，即不同的电压源VPD1和VPD2，模拟了在光电二极管表面上太阳辐射的不均匀分布。给出了相应的仿真结果图4．

由仿真结果可知，电路对太阳照射方向的变化非常敏感，这与电压源VPD1和VPD2对应电压的变化有关。该设计的重要特点是，当运放的轨对轨电压大于1.71 V时，传感器的灵敏度不依赖于太阳的总体照度。这可以从传感器响应在对数尺度上的相同斜率得出。因此，该传感器具有固有的增益控制，这是该传感器电路的一个非常重要的特性，特别是在控制回路中，整个系统的稳定性是至关重要的。相同的传感器灵敏度的范围广泛的太阳辐照度导致非常简单的控制回路设计。

光电二极管分流电阻RSH为:

在BPW34光电二极管的情况下，ℜ= 0.5 A/W, A = 7.45 mm2和最小太阳辐照度E = 1 mW/ cm2，给出光电二极管并联电阻的最大值R上海≈670Ω。为了在光伏模式下工作，光电二极管的分流电阻必须远远小于光电二极管的负载电阻，即必须满足R上海≪Rl．通过选择Rl= 1 MΩ这个条件确实满足了。反馈电阻R的值F可任意选择以获得所需的灵敏度。在这个应用中，R的值F= 30 MΩ被选中。

根据模拟结果图4时，最大输出电压在V范围内XY马克斯≈1 V。因此，通过反馈电阻和负载电阻的电流比中频要小马克斯= VXY马克斯/ RF≈33 nA，远小于IQ = 375 nA的运放静态电流。操作放大器的静态电流必须满足IQ(ℜAE)的条件，以使光电二极管在光伏模式下同时工作，并使操作放大器适当偏置。由于E = 1 mW/ cm2的最小太阳辐照度为ℜAE≈37 μA，也满足了这一条件。

示例实现

利用SLG88103运算放大器和光电二极管的评估板创建了测试电路。样机实现的电路，以及基于光电二极管的传感器的照片如图所示图5．圆柱体，即阴影器，固定在感应板上，以便在太阳照射下形成阴影。气缸的尺寸可以根据传感器的灵敏度和所需的测量范围来选择。在本应用笔记中使用的传感器有一个圆柱形阴影，圆柱体的内径为38毫米，圆柱体的高度为35毫米。

为了确定传感器电路的整体传递功能，将传感器安装在一个倾斜角度可以变化的平台上。传感器指向太阳，通过控制倾斜角度，即平台的俯仰和滚动角度，电压VX和VY都被调整到尽可能接近于零。然后，通过改变平台相应的倾斜角度，在- 5°~ + 5°范围内改变传感器对太阳的俯仰和横摇角度，同时测量输出电压。给出了传感器电路的传递函数图6．根据实测数据估计传感器的灵敏度约为S≈56 mV/°。

结论

太阳能跟踪传感器在许多太阳能发电系统(光伏系统)中具有非常重要的作用，以提高整个系统的效率。为了利用从太阳跟踪传感器获得的信号，控制回路将太阳能电池板导向太阳，将电池板转向太阳。因此，本应用中提出的简单、可靠(无需额外电源)、成本效益高的传感器，将改善太阳能发电系统的特性。

提出的自供电太阳能跟踪传感器电路可以通过不同组合的光电探测器和阴影几何图形进行测试，以实现更好地适应终端用户需求的特性。