【導(dǎo)讀】近年來(lái)隨著太陽(yáng)能應(yīng)用的不斷發(fā)展，關(guān)于太陽(yáng)能利用、轉(zhuǎn)換的相關(guān)產(chǎn)品，尤其是太陽(yáng)能電池板的使用量也逐漸增加。過去，這些產(chǎn)品都是在自然環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，受制于氣候條件，因此存在測(cè)試周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)的可重現(xiàn)性差等不足。
近年來(lái)隨著太陽(yáng)能應(yīng)用的不斷發(fā)展，關(guān)于太陽(yáng)能利用、轉(zhuǎn)換的相關(guān)產(chǎn)品，尤其是太陽(yáng)能電池板的使用量也逐漸增加。過去，這些產(chǎn)品都是在自然環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，受制于氣候條件，因此存在測(cè)試周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)的可重現(xiàn)性差等不足。太陽(yáng)能模擬器是模擬太陽(yáng)光譜和光強(qiáng)的一種光源設(shè)備，可以在高精度擬合太陽(yáng)光譜分布的前提下，實(shí)現(xiàn)不同的太陽(yáng)輻照度等條件，滿足測(cè)試研究對(duì)太陽(yáng)輻照的特殊需求。使用太陽(yáng)能模擬器能夠克服氣候多變性所造成的不便，全年24小時(shí)在室內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。
太陽(yáng)能模擬器概述
1、太陽(yáng)能模擬器簡(jiǎn)介
太陽(yáng)能模擬器是在室內(nèi)環(huán)境中，模擬不同大氣質(zhì)量條件下、太陽(yáng)光輻照特性的試驗(yàn)平臺(tái)或定標(biāo)設(shè)備。一般來(lái)講，太陽(yáng)能模擬器可分為兩類：一類是穩(wěn)態(tài)模擬器，主要由光源、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、濾光器等組成，多用于單體太陽(yáng)能電池板與小型設(shè)備的測(cè)試。另一類是脈沖模擬器，由一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)弧脈沖氙氣燈組成。該種模擬器的輻照度在一定范圍內(nèi)的均勻性非常好，經(jīng)常用于大尺寸設(shè)備的測(cè)試。在太陽(yáng)能技術(shù)的不斷推進(jìn)下，近幾年各種大面積太陽(yáng)能模擬器被陸續(xù)開發(fā)出來(lái)，其輻照面積可達(dá)2-5平方米，輻照度均勻性與輻照度穩(wěn)定性等指標(biāo)也控制得很好，主要應(yīng)用于各種太陽(yáng)能技術(shù)的測(cè)試方面。如下圖1所示。
圖1 太陽(yáng)能模擬器
2、太陽(yáng)能模擬器性能指標(biāo)
太陽(yáng)能模擬器的性能指標(biāo)一般包括：一定范圍內(nèi)的總輻照度、輻照光譜匹配度、輻照均勻度與輻照穩(wěn)定度。
總輻照度
太陽(yáng)能模擬器的總輻照度是指太陽(yáng)能模擬器能夠在測(cè)試平面上提供的最大輻照度值，一般來(lái)說根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，對(duì)總輻照度的要求也不同。
光譜匹配度
太陽(yáng)能模擬器的光譜匹配度是指太陽(yáng)能模擬器的光譜輻照度分布與太陽(yáng)光的標(biāo)準(zhǔn)光譜分布的匹配程度，一般用太陽(yáng)能模擬器在每個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的能量百分比與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光在同樣波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的能量的百分比的比率表示。太陽(yáng)光標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布情況見圖2。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布
輻照均勻度
太陽(yáng)能模擬器在照射光伏板時(shí)，如果輻照不均勻會(huì)使得被照射的光伏板面上各區(qū)域接收的輻照不相同，而我們通常假定自然光是平行光，當(dāng)不均勻度超過一定的限制，電池組件的伏安曲線就與它在接收自然光照時(shí)的曲線，即實(shí)際工作曲線產(chǎn)生了差異。每一個(gè)串聯(lián)電路輸出的電流取決于光照最弱的那一塊電池，這樣，一個(gè)弱斑將影響一整串電路的輸出特性，可能會(huì)導(dǎo)致光伏板測(cè)量效率或分級(jí)的錯(cuò)誤。因此，輻照均勻性是太陽(yáng)能模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)之一，其計(jì)算公式為：
式中：Nu表示太陽(yáng)能模擬器輻照度不均勻度；Emax表示測(cè)試平面有效測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)得的最大輻照度，單位為W/m2；Emin表示測(cè)試平面有效測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)得的最小輻照度，單位為W/m2。
輻照穩(wěn)定度
太陽(yáng)能模擬器輻照度穩(wěn)定度是指在測(cè)試平面上的指定區(qū)域內(nèi)的輻照度值的穩(wěn)定程度，一般用輻照度不穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)。在測(cè)試平面上的指定區(qū)域內(nèi)任取一坐標(biāo)，記錄該點(diǎn)的輻照度值在一定時(shí)間內(nèi)的變化情況，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)測(cè)取的輻照度最大值記作E'max，輻照度最小值記作E'min，太陽(yáng)能模擬器輻照度不穩(wěn)度的計(jì)算公式如下：
式中：Ns表示太陽(yáng)能模擬器輻照度不穩(wěn)定度；E'max表示數(shù)據(jù)采集期間任意測(cè)量點(diǎn)在測(cè)試平面內(nèi)的最大輻照度，單位為W/m2； E'min表示數(shù)據(jù)采集期間任意測(cè)量點(diǎn)在測(cè)試平面內(nèi)的最小輻照度，單位為W/m2。
3、太陽(yáng)能模擬器光源
太陽(yáng)能模擬器最重要的組成部分是模擬器光源，作為一種人造光源器件，太陽(yáng)能模擬器的各項(xiàng)性能與所選光源緊密相關(guān)。所選光源的能量分布需要盡可能與太陽(yáng)輻射的能量分布接近，太陽(yáng)能模擬器常用光源一般是稀有氣體燈（如固體燈、LED 燈、氙氣燈等）、高壓汞燈、超高壓汞燈、金屬鹵化物燈等。
碳弧燈是早期太陽(yáng)能模擬器常用的光源。其光譜由炙熱電極的連續(xù)輻射和金屬蒸汽特征譜線組成，分布形式接近太陽(yáng)光譜。碳弧燈有封閉式碳弧燈和日光碳弧燈兩種。碳棒是封閉式碳弧燈內(nèi)的發(fā)光體，電流通過碳棒發(fā)出弧光。但弧光的光譜能量分布(SPD)與自然日光的SPD相差較大，不僅不包含短波紫外輻射，而且在400－800nm 波段光譜能量強(qiáng)度也無(wú)法與同波段的日光相匹配。日光型碳弧燈的 SPD在匹配度上有了一定提高，但目前在我國(guó)應(yīng)用得較少。
氙燈光源的原理是氙氣放電發(fā)光。用耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的全透明石英制作燈管，在管內(nèi)充有高純度的氙氣。氙燈的電光轉(zhuǎn)化效率很高，色溫在6000K左右，與太陽(yáng)的色溫相當(dāng)。氙燈的輻射光譜分布范圍很寬，自然光的紫外波段、可見光波段和近紅外波段均能覆蓋，另外在近紅外有些分立的譜線。連續(xù)光譜部分的分布比較穩(wěn)定，輸入功率的變化幾乎不會(huì)改變光譜特性；在壽命期內(nèi)光譜能量分布也幾乎不變。 氙燈是現(xiàn)今最新、最常用的光源，通過增加濾光片或更換濾光罩，可以較好模擬戶外自然太陽(yáng)光和透過窗玻璃的太陽(yáng)光，并且發(fā)光效率高，壽命長(zhǎng)。
鹵鎢燈是被簡(jiǎn)易型太陽(yáng)能模擬器最多使用的光源。鹵鎢白熾燈是一種熱輻射光源，發(fā)光原理是燈泡通過加熱鎢絲到高溫來(lái)發(fā)光。溫度越高，光線就越亮。鹵鎢燈燈泡內(nèi)的氣體為惰性氣體（氙氣或氪氣）和鹵素氣體（溴氣或碘蒸汽）；在高溫下，燈泡壁上的鎢絲與鹵素作用，蒸發(fā)的鎢會(huì)重新凝固在鎢絲上，形成一個(gè)平衡的循環(huán)，這種熱化學(xué)過程被稱為“鹵素循環(huán)”。這個(gè)過程延長(zhǎng)了燈絲的壽命，使電能到光能的轉(zhuǎn)換效率也較高。鹵鎢燈光源有以下四個(gè)特點(diǎn)：（1）鹵鎢燈的光譜集中在可見光和近紅外光部分，即 300-2500nm 波段；（2）能產(chǎn)生平滑的光譜曲線；（3）輸出穩(wěn)定；（4）色溫在3000K以上。
太陽(yáng)能模擬器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)
太陽(yáng)能模擬器主要由光源、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、濾光器等組成。一套精密的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是太陽(yáng)能模擬器實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的保障，也是穩(wěn)定均勻的光照輸出環(huán)境的保障。目前市面上大部分太陽(yáng)能模擬器的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)精度不高，光照度不均勻。嚴(yán)重影響測(cè)試效率。許多企業(yè)在提高數(shù)據(jù)采集的精度和控制光源電流的精度上投入了高額成本和巨大的精力。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang介紹了ADI太陽(yáng)能數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)相關(guān)方案。
1、系統(tǒng)框圖
圖3為ADI的太陽(yáng)能模擬器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)框圖。主控部分為Maxim低功耗MCU MAX32660。選用精密DAC和精密功率運(yùn)算放大器來(lái)控制MOS管為光源提供可調(diào)節(jié)的電流。光源在照射太陽(yáng)能電池板后，太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流和電壓。使用ADI精密儀表放大器，運(yùn)算放大器和精密ADC采集該電流電壓。根據(jù)電流電壓的大小再調(diào)節(jié)光源電流控制光強(qiáng)，以此形成一個(gè)閉環(huán)。
圖3 系統(tǒng)框圖
2、重點(diǎn)型號(hào)介紹
圖4所示為ADI太陽(yáng)能模擬器信號(hào)鏈中型號(hào)特性描述。
圖4 型號(hào)參數(shù)
AD/DA介紹
ADC AD7606系列產(chǎn)品包含AD7606、AD7606B、AD7606C-16、AD7606C-18，可提供八個(gè)同時(shí)采樣通道。AD7606x產(chǎn)品包含多個(gè)信號(hào)鏈模塊：可編程增益放大器（PGA）、抗混疊濾波器、ADC、基準(zhǔn)電壓源、LDO、數(shù)字濾波器和數(shù)據(jù)通信接口。AD7606x只需要一個(gè)電源軌（5V），即可處理雙極性輸入信號(hào)，從而大大減少了支持電路，并提高了 PCB 密度。AD7606產(chǎn)品允許直接連接低阻抗和中阻抗傳感器，例如電流互感器和電力變壓器，通常用于保護(hù)繼電器。最快的吞吐率和更高分辨率的泛型支持自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備（ATE）應(yīng)用程序，高帶寬模式允許快速建立瞬態(tài)信號(hào)。
高輸入阻抗支持直接傳感器接口，而靈活的PGA支持各種模擬輸入范圍和類型：真差分、單端、雙極性和單極性。
高度優(yōu)化的噪聲和動(dòng)態(tài)范圍性能，支持在數(shù)十kHz帶寬范圍內(nèi)采集更小的輸入信號(hào)。
過采樣功能允許在吞吐速率與噪聲性能之間求得平衡，以提高動(dòng)態(tài)范圍。新的泛型還包括高級(jí)數(shù)字功能：失調(diào)、增益和相位校準(zhǔn)，以及用于更高魯棒性解決方案的診斷功能。
圖5 AD7606x系列參數(shù)
DAC AD537X系列AD5372/AD5373分別是16-bit或14-bit DAC，采用64引腳LQFP封裝。器件提供4倍于基準(zhǔn)電壓的緩沖電壓輸出范圍。每個(gè)DAC的增益和失調(diào)均能夠獨(dú)立調(diào)整，以去除誤差。更靈活的是，器件被分為4組，每組8個(gè)DAC。2個(gè)失調(diào)DAC用于調(diào)整每組的輸出范圍。第0組通過失調(diào)DAC 0進(jìn)行調(diào)整，第1組到第3組通過失調(diào)DAC 1進(jìn)行調(diào)整。
AD5372/AD5373提供VSS從-16.5 V 到-4.5 V、VDD從9 V 到16.5 V寬電壓范圍內(nèi)的可靠工作。負(fù)載電流為1mA時(shí)，輸出放大器的裕量需求為1.4 V。
AD5372/AD5373具有與SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的高速串行接口，能夠處理高達(dá)50 MHz的時(shí)鐘速率。
DAC寄存器在接收新數(shù)據(jù)時(shí)更新。通過將LDAC輸入引腳拉低，所有輸出能夠同時(shí)更新。每個(gè)通道都具有可編程增益和失調(diào)調(diào)整寄存器。
每個(gè)DAC輸出能相對(duì)外部SIGGND輸入被放大和緩沖。DAC輸出也能夠通過CLR引腳切換到SIGGND。
圖6 AD537x系列參數(shù)
放大器介紹
儀表放大器AD8422是一款精密、低功耗、低噪聲軌到軌儀表放大器，具有業(yè)界優(yōu)質(zhì)的每單位微安性能。AD8422以超低失真性能處理信號(hào)，在整個(gè)輸出范圍內(nèi)負(fù)載不影響性能。
AD8422是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)AD620發(fā)展到第三代的產(chǎn)品。AD8422采用新式的處理技術(shù)和設(shè)計(jì)技巧，比歷代產(chǎn)品具有更高的動(dòng)態(tài)范圍和更低的誤差，同時(shí)功耗不足三分之一。
AD8422具有極低的偏置電流，高源阻抗時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤差，允許多個(gè)傳感器多路復(fù)用至輸入端。低電壓噪聲和低電流噪聲特性使AD8422成為測(cè)量惠斯登電橋的理想選擇。
AD8422的寬輸入范圍和軌到軌輸出特性使其具有單電源應(yīng)用中高性能儀表放大器所能具有的全部?jī)?yōu)勢(shì)。無(wú)論使用高電源電壓或低電源電壓，AD8422的節(jié)能特性使其成為極精密誤差預(yù)算的高通道數(shù)或功耗敏感型應(yīng)用的極佳選擇。
AD8422具有魯棒的輸入保護(hù)，確保穩(wěn)定性，并且不犧牲噪聲性能。AD8422具有高ESD抑制能力和針對(duì)來(lái)自相反供電軌、高達(dá)40 V的連續(xù)電壓輸入保護(hù)。
通過一個(gè)電阻可將增益設(shè)置為1至1000。基準(zhǔn)引腳可用來(lái)向輸出電壓施加精確失調(diào)。
圖7 儀表放大器參數(shù)
基準(zhǔn)源介紹
ADR4520/ADR4525/ADR4530/ADR4533/ADR4540/ADR4550器件均為高精度、低功耗、低噪聲(1uV p-p)、低溫漂(2ppm/°C)基準(zhǔn)電壓源，最大初始誤差為±0.02%，并具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。
該系列基準(zhǔn)電壓源使用創(chuàng)新的內(nèi)核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度，同時(shí)提供業(yè)界領(lǐng)先的溫度穩(wěn)定性和噪聲性能。器件的低熱致輸出電壓滯后和低長(zhǎng)期輸出電壓漂移也提高了壽命和溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度。
950 μA的最大工作電流和300 mV的最大低壓差使該器件適合便攜式設(shè)備。
溫度傳感器介紹
ADT7422是一款高精度數(shù)字 I2C 溫度傳感器。包含一個(gè)內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADT7422 提供16位溫度結(jié)果，在25°C 至50°C 的溫度范圍內(nèi)，分辨率為0.0078°C，精度高達(dá)±0.1°C。在以3.0 V 電壓運(yùn)行時(shí)，平均電源電流通常為 210μA。關(guān)斷時(shí)電流通常為2μA。
MAX31865 是一款RTD至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器。SPI接口。外接RTD一般為PT100或PT1000。內(nèi)部集成15位ADC，分辨率為0.031°C，具有±45V 輸入保護(hù)
MAX30208 是一款高精度I2C接口數(shù)字溫度傳感器。內(nèi)部包含一個(gè)16位ADC，分辨率可到0.0078°C，精度高達(dá)±0.1°C（25°C -50°C）。在以3.0 V 電壓運(yùn)行時(shí)，平均電源電流通常為 47μA。關(guān)斷時(shí)電流通常為2μA。
電源介紹
ADP5071:
? 具有獨(dú)立正輸出和負(fù)輸出的2 A/1.2 A DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器
? 寬輸入電源電壓范圍：2.85 V至15 V
? 產(chǎn)生調(diào)節(jié)良好的獨(dú)立電阻可編程VPOS和VNEG輸出
? 升壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生VPOS輸出可調(diào)正輸出至39 V集成2.0 A主開關(guān)
? 反相穩(wěn)壓器產(chǎn)生VNEG輸出可調(diào)負(fù)輸出至VIN ? 39 V集成1.2 A主開關(guān)
? 正輸出和負(fù)輸出均能真正關(guān)斷
? 1.2 MHz/2.4 MHz開關(guān)頻率，可選外部頻率同步范圍為1.0 MHz至2.6 MHz
? 電阻可編程軟啟動(dòng)定時(shí)器
LT3045:
? 超低RMS噪聲：0.8μVRMS（10Hz至100kHz）
? 超低散粒噪聲：2nV/√Hz（10kHz時(shí)）
? 超高PSRR：76dB（1MHz時(shí)）
? 寬輸入電壓范圍：1.8V至20V；輸出電壓范圍：0V至15V
? 輸出電流：500mA；可編程電流限值
? 單個(gè)電容改善了噪聲性能和PSRR
? 100μA SET引腳電流，初始精度：±1% 且單個(gè)電阻設(shè)置輸出電壓
? 低壓差：260mV
? 可并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)較低的噪聲和較高的電流
LT3094：
? 超低 RMS 噪聲：0.8μVRMS (10Hz 至 100kHz)
? 超低點(diǎn)噪聲：在10kHz時(shí)，為2.2nV/√Hz
? 超高 PSRR:74dB (在 1MHz)
? 寬輸入電壓范圍：?1.8V 至 ?20V；輸出電壓范圍：0V 至 ?19.5V
? 輸出電流：500mA且可編程限流值
? 單電容器改善了噪聲和 PSRR 指標(biāo)，最小輸出電容：10μF (陶瓷)
? 100μA SET 引腳電流：±1% 初始準(zhǔn)確度且單個(gè)電阻器設(shè)置輸出電壓
? 低壓差電壓：235mV
ADI可以為太陽(yáng)能模擬器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)這類產(chǎn)品的應(yīng)用提供完整的方案。包括低功耗、低噪聲、高精度的AD/DA和儀表放大器；低功耗、高性能的MCU；高精度數(shù)字溫度傳感器和電壓基準(zhǔn)源以及低噪聲電源。用戶可根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用環(huán)境選擇最合適器件以及最優(yōu)方案。其授權(quán)代理商Excelpoint世健能為客戶提供技術(shù)支持，有助于客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，加快產(chǎn)品應(yīng)用部署。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。多次被權(quán)威雜志和行業(yè)機(jī)構(gòu)列入全球領(lǐng)先分銷商榜單。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢(shì)作出定位，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。世健分別在新加坡、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無(wú)線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健擁有超過35年歷史、逾700名員工，業(yè)務(wù)擴(kuò)展至亞太區(qū)的49個(gè)城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來(lái)西亞、泰國(guó)、越南、中國(guó)、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù)。目前，世健在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國(guó)主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。
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