二極管在汽車交流發(fā)電機中的應(yīng)用

襄陽航泰動力機器廠 陳義煒 高曉芹

1 二極管的基本特性

二極管是最常用的電子元件之一，由一對PN結(jié)組成，兩端分別稱為正極和負(fù)極。它的基本特性是單向?qū)щ娦浴?dǎo)通條件為：當(dāng)二極管承受正向電壓（正極電位高于負(fù)極電位）時導(dǎo)通（理想二極管為0v，硅管為0.7v，鍺管為0.3v），電流可以從二極管正極流向負(fù)極；當(dāng)二極管承受反向電壓時截止，流過二極管的電流為零。

1.1 整流作用

把交流電變成單一方向直流電的過程叫做整流。由于二極管具有單向?qū)щ娦裕ǔ０阉?lián)在電源回路中作為整流或接成整流橋使用。如圖1中的三相橋式整流電路可將三相交流電變成脈動直流電。

1.2 鉗位作用

鉗位，就是將電路中某一部分電位限制在某一電壓，以確保其正常工作。多個二極管可接成共陰極接法和共陽極接法。如圖1共陰極接法（VD1，VD2，VD3）和共陽極接法（VD4，VD5，VD6）。若給二極管的輸入端加上不同信號電壓時，承受正向電壓差大的二極管將會優(yōu)先導(dǎo)通，使二極管公共端電位被鉗位到與已導(dǎo)通二極管輸入端電位相同，連接公共點的其它二極管則因公共點電位的鉗位作用承受反偏電壓而截止。

1.3 反向擊穿特性

由二極管的伏安特性可知，二極管導(dǎo)通后的壓降不隨外加電壓、電流的變化而發(fā)生變化，穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓也是一定值，穩(wěn)壓管這個特性在電路中可起鉗位作用。

1.4 續(xù)流作用

續(xù)流二極管在開關(guān)電源的電感中、可控整流電路等電感性負(fù)載中起續(xù)流作用。利用二極管的單向?qū)щ娦裕峁╇妱莘烹娀芈贰Ｈ鐖D3中的VD7。

2 三相橋式全波整流電路的工作原理

圖1 三相橋式全波整流圖

圖2 三相橋式全波整流波形圖

如圖1三相橋式全波整流電路由共陰極接法（VD1，VD2，VD3）和共陽極接法（VD4，VD5，VD6）的串聯(lián)組合。當(dāng)三相信號電壓UA、UB、UC加在三相半波共陰極接法（VD1，VD2，VD3）時，因為這3個二極管負(fù)極接在同一點D上，當(dāng)信號UA>UB>UC>0時，此刻3個二極管同時承受正向電壓，且有UD1>UD2>UD3，則VD1承受的電壓差最大，根據(jù)二極管的鉗位原理，VD1導(dǎo)通，VD2，VD3因VD1導(dǎo)通而被迫反偏截止。同理，當(dāng)三相信號電壓UA、UB、UC加在三相半波共陽極接法（VD4，VD5，VD6）時，因為3個二極管負(fù)極接在同一點E上，在信號的負(fù)半周，當(dāng)信號UAUD5>UD6，則VD4承受的電壓差最大，VD4導(dǎo)通，VD5，VD6因VD4導(dǎo)通而被迫反偏截止。

當(dāng)輸入三相正弦電壓UA、UB、UC同時加在三相半波共陰極接法（VD1，VD2，VD3）和三相半波共陽極接法（VD4，VD5，VD6）的串聯(lián)組合三相橋式電路中，在0～t1之間，UC>UA>0>UB，則有VD3、VD5導(dǎo)通，t1～t2之間為VD1、VD5導(dǎo)通。以此類推，在整個周期6個二極管VD1～VD3、VD4～VD6上下各有一個二極管輪流導(dǎo)通，給負(fù)載R提供電壓、電流，如圖1中所示方向一致。負(fù)載在整個周期都會承受UA、UB、UC疊加脈動直流電壓，如圖2中的粗黑線所示。這種將輸入的三相正弦電變成脈動直流電的電路稱為三相橋式全波整流電路。

3 二極管、三相橋式整流電路在汽車發(fā)電機中的應(yīng)用

圖3 交流發(fā)電機電路圖

如圖3所示為交流發(fā)電機電路圖，由內(nèi)搭鐵式電子調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、三相橋式整流電路、蓄電池和負(fù)載組成。

3.1 二極管在電子調(diào)節(jié)器工作原理中的作用

電子調(diào)節(jié)器由分壓電阻R1、R2和VT1、VT2等組成的開關(guān)電路。其作用是調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，使發(fā)電機輸出電壓保持在一定范圍內(nèi)。發(fā)電機起動他勵回路為：蓄電池+（電源）——B端——勵磁繞組——F端——VT2——F端——蓄電池-。此時發(fā)電機輸出端電壓等于蓄電池電壓，經(jīng)R1、R2分壓后加在穩(wěn)壓管VS負(fù)極，這個電壓低于穩(wěn)壓管VS擊穿電壓，穩(wěn)壓管VS截止，三極管VT1呈截止?fàn)顟B(tài)。電阻R3、三極管VT2、勵磁繞組組成導(dǎo)通回路。此時電子調(diào)節(jié)器等效于開關(guān)閉合狀態(tài)，由蓄電池提供電流給勵磁繞組，發(fā)電機繼續(xù)發(fā)電，B端電位持續(xù)升高。當(dāng)B端輸出電壓高于蓄電池電壓時，發(fā)電機開始自勵發(fā)電。自勵回路為：B端——勵磁繞組——F端——VT2——F端，此時蓄電池和汽車上的其他電器設(shè)備作為負(fù)載，由發(fā)電機供電。當(dāng)B端的電位升到調(diào)節(jié)器最高輸出電壓時，經(jīng)過R1、R2分壓后的最高輸出電壓加在穩(wěn)壓管負(fù)極，使穩(wěn)壓管VS被擊穿導(dǎo)通，三極管VT1基極電位因鉗位升高，VT1飽合導(dǎo)通，使VT2基極電位降低，VT2被迫截止。調(diào)節(jié)器開關(guān)斷開，勵磁通電回路失電。與此同時，勵磁繞組（電感）——F端——VD7——B端——SW開關(guān)組成放電回路。VD7作為續(xù)流二極管，給勵磁繞組電勢提供放電回路。勵磁繞組在發(fā)電機自勵時存儲的能量通過發(fā)電回路放電，勵磁電流逐漸減小，B端電位下降到發(fā)電機輸出電壓下限時，穩(wěn)壓管VS和三極管VT1截止，電子調(diào)節(jié)器VT2接通繼續(xù)發(fā)電，B端電位升高。使發(fā)電機輸出的電壓保持在一定范圍。

3.2 三相橋式整流電路作用

交流發(fā)電機電樞繞組發(fā)出的是三相正弦交流電，為了將輸出的交流電變成直流電，利用二極管的整流特性，在電樞繞組后接上三相橋式整流電路，如圖3所示。經(jīng)過VD1～VD6組成的三相橋式整流電路將發(fā)電機發(fā)出的三相正弦交流電整流成脈動的直流電，作為蓄電池和其他負(fù)載的電源使用。

4 發(fā)電機故障舉例

故障現(xiàn)象：一輛捷達(dá)CL型轎車，在行駛一段時間，關(guān)閉發(fā)動機后，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機表面溫度很高、蓄電池很燙，檢查發(fā)電機輸出端電壓，高于正常范圍，判斷發(fā)電機調(diào)節(jié)器故障。

故障診斷：拆開發(fā)電機，取出晶體管電壓調(diào)節(jié)器，先了解調(diào)節(jié)器的電路特點及搭鐵極性，再確定相應(yīng)測試方法。對于內(nèi)搭鐵式調(diào)節(jié)器，可調(diào)電源正負(fù)極分別與調(diào)節(jié)器正負(fù)端相連，試燈接在F端與負(fù)極之間，然后逐漸升高電壓，當(dāng)電壓達(dá)到6V以上時，試燈點亮，繼續(xù)提高電壓，試燈越來越亮，當(dāng)電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓以上，試燈應(yīng)熄滅，表明調(diào)節(jié)器正常，如果試燈不能熄滅，說明調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓過高或損壞，應(yīng)予更換。

故障分析：發(fā)電機勵磁繞組通電，開始發(fā)電。當(dāng)發(fā)電機輸出電壓高于正常電壓范圍且不降低，說明是調(diào)節(jié)器故障。因為調(diào)節(jié)器發(fā)生故障后，在發(fā)電電壓高于發(fā)電機輸出電壓上限時，調(diào)節(jié)器不能關(guān)斷，勵磁電流繼續(xù)增大，發(fā)電機繼續(xù)發(fā)電，發(fā)電機電壓升得過高，使發(fā)電機表面溫度很高，蓄電池因過充很燙。