整車電器系統中的二極管應用研究

盧春霖 李祥智 彭興德 嚴德富

摘 要：二極管又稱晶體二極管，其為一種具有單向傳導電流特性的電子器件。設計者充分利用二級管的特性可以有效將其應用在整車電器系統中。本文通過探討二極管在挖掘機整車電器系統中的常見應用，延伸出通過二級管實現在挖掘機整車電器系統中特定功能的設計和改進。

關鍵詞：二極管;單向傳導;挖掘機;電器系統;改進

1 序言

近些年，液壓挖掘機電控技術蓬勃發展，液壓系統由負流量、正流量控制等逐漸發展到目前炙手可熱的全電控液壓系統，因此挖掘機電器系統在挖掘機中的作用越來越重要。為了保證電器系統的可靠性和成本，簡單合理有效的電器設計方法值得提倡。本文通過二極管在挖掘機常見應用，研究二極管有效實現整機特定功能的設計和改進。

2 二極管在整車電器系統的應用探討

二極管最顯著的特性就是單向導電性[1]，利用該特性，在挖掘機電器系統中二極管常用在整流和續流、隔離電路中。此外，通過和其他部件組合使用，二極管還可以延伸出其他的一些應用。

2.1 整流作用——發電機中將AC整流成DC輸出

發電機線圈繞組產生的是交流電動勢，挖掘機上通常使用直流電器，因此需要將交流電轉換為直流電。圖1為直流發電機的整流原理圖，根據二極管的單向導電性和優先導通原則可知：在每一個時刻，共陰極組D1、D3、D5中陽極電動勢最高的二極管導通，共陽極組D2、D4、D6中陰極電動勢最低的二極管導通;因此，在一個周期內每個時刻都保持有共陽極的其中一個二極管工作和共陰極的一個二極管工作，每個二極管導通的時間占比為1/3個周期。整流后電壓Uo為通過導通的兩個二極管的兩相電壓的差值且為正值，實現了整流的目的。

2.2 續流作用——通過將二極管反向并聯在感性元件的兩端，消耗感應電動勢

通過電感元件的電流消失時，電感元件兩端會產生反向電動勢，當反向電動勢高于元件的反向擊穿電壓時，則會對元件造成損壞。因此我們通常將二極管并聯在感性元件兩端，當流過感性元件的電流消失時，產生的反向電動勢通過二極管和感性元件構成的回路做功而消耗掉，有效保證了感性元件的安全使用。挖掘機上的開關電磁閥應用廣泛，電磁閥本體通常不帶續流電阻或二極管，在線束端加裝二極管反向并聯在電磁閥兩側以保護電磁閥的壽命是一種有效的手段。

2.3 隔離作用——通過多個二極管并聯，可避免不同信號之間的干擾

通常挖掘機上的不少電器件可以由不同的信號驅動，這就不能簡單的將驅動信號并聯連接，需要考慮不同驅動信號之間的隔離。常見的處理方式有兩種：一種是在電器件端為不同的驅動信號設置不同的物理接口，此物理端口內部隔離，此種方式容易增大電器件尺寸，提高部件成本;另外一種為電器件端共用一個接口，不同驅動信號線同時接到該接口上，不同驅動信號并接前通過電路處理實現信號隔離。

圖2為挖掘機上常用的發動機預熱圖，可通過鑰匙開關驅動預熱繼電器給加熱塞加熱，也可通過控制器在滿足自動預熱條件下控制預熱繼電器吸合給加熱塞加熱;從圖2可見，鑰匙預熱信號和控制器預熱輸出端均為輸出信號，他們簡單的并接在一起時，任何一個預熱信號激活時，均會反過來作為輸入信號干擾另一驅動信號;如鑰匙手動預熱輸出時，控制器預熱端也會接到鑰匙手動預熱的高電平信號，一旦控制器內部無相應信號隔離處理措施，這個鑰匙預熱干擾信號可能會反沖控制器預熱端口造成控制器內部電路損壞，所以此種線路設計就對輸出信號部件內部電路設計提出了較高的要求，必須在內部考慮輸出端口對輸入信號的抗干擾能力。

實際上，我們這里可以利用二極管單向導電性，在不同信號并接前，在線束上加入二極管，如圖3所示，根據鑰匙預熱和控制器預熱信號的最大值進行選取二極管，如某挖掘機理論上驅動預熱繼電器的線圈電流最大1.3A，我們選取D1、D2參數時，只要二極管承受電壓高于24V，承受電流大于1.5A即可滿足使用要求;按此電路接入系統中時，無論那個輸出信號激活，由于二極管的反向截止作用，均不會影響另一輸出信號，從而實現了信號的隔離。

2.4 電源防反接功能——應用二極管實現電源防反接功能

為了方便用戶加裝電器，在挖掘機整車線束上可以適當的預留電源接口， 電源接口需要考慮防反設計，防止用戶誤將加裝電器電源反接造成加裝電器損壞。圖4為串聯二極管防反接電路，當加裝電器正確接入電路時，二極管正向導通，加裝電器正常工作;當加裝電器誤反接時，由于二極管反向截止特性，電路截止，無電流流經加裝電器，有效防止電源反接。此防反電路二級管會產生壓降0.3～0.7V，對于電器件來說該壓降是可以接受的;選取二極管時注意，二極管允許電流值應該大于加裝電器工作電流值。

2.5 無極性電源——應用二極管實現電器件電源正反接均可正常工作

對于一些特殊場合的應用需求或者為了提高電器件的防呆性能，有時候需要將電器元件設計成電源不分正負。針對此類需求，我們可以利用整流橋電路將電源輸入變為無極性輸入。圖5為整流橋無極性電路，其中四個二極管為肖特基二極管，由二極管的單向導電性可知，當A端為電源正時，電流流經D4、電器件、D2、流回電源負B端;當B端為電源正時，電流流經D3、電器件、D1、流回電源負A端;可見，經過加入整流橋后，電器件接口相當于無極性，對電源接入不分正負極，提高了電器件的防呆性能。此類二極管選用肖特基二極管，其參數需要根據電器件的功耗和電壓來確認。

2.6 自鎖功能——繼電器匹配二極管實現繼電器自鎖功能

某些場合需求電路功能：瞬動信號激活電路工作后，電路狀態可以一直維持一段時間直至電路工作完成為止。如挖掘機的自動油泵加油，需要瞬動按鍵就讓油泵一直保持工作至加滿油狀態，然后油泵斷電。此類功能如用控制器可以容易實現，但在無控制器的微型挖掘機如需這種電路功能就需要考慮外搭電路方案。

“圖6為挖掘機一鍵加柴油工作原理圖，其主要通過繼電器的自鎖功能外加燃油傳感器開關S復合控制達成設計要求。其中003為按鍵高電平信號，其經過二極管和繼電器的86端連接，002為鑰匙開關上電高電平信號;004通過燃油傳感器的開關信號連接至地線，S開關為常閉開關，滿油時將004和地線斷開。

工作過程如下：當按下按鍵加油時，003為高電平，此時004和地線連接，繼電器線圈吸合;003瞬動信號消失后，由于002為鑰匙開關上電信號，此時001和002連接也保持高電平，繼電器線圈依舊可以保持吸合狀態，即加油泵可以繼續工作，直至燃油傳感器滿油開關S斷開地線連接或者鑰匙開關斷開002失電，按照此設計方案，在某微型挖機上成功驗證了一鍵加油功能?！?/p>

由上可見，其主要是通過二級管和繼電器實現了繼電器的自鎖功能，此設計可以應用于多類需求繼電器互鎖的場合，簡化設計達到良好的設計效果。

3 結語

本文通過對二級管在整車電器系統的常用應用論述，進一步的引申出利用二極管搭建電路實現挖掘機特定電路功能的改進。本文二極管的應用案例給我們一些啟發，恰當合理應用電子器件，可以給整車電器系統帶來有效的提升。

參考文獻：

[1]秦曾煌.《電工學》[M].北京：高等教育出版社.1998-10.