整車電器系統(tǒng)中的二極管應(yīng)用研究

盧春霖 李祥智 彭興德 嚴(yán)德富

摘 要：二極管又稱晶體二極管，其為一種具有單向傳導(dǎo)電流特性的電子器件。設(shè)計(jì)者充分利用二級(jí)管的特性可以有效將其應(yīng)用在整車電器系統(tǒng)中。本文通過探討二極管在挖掘機(jī)整車電器系統(tǒng)中的常見應(yīng)用，延伸出通過二級(jí)管實(shí)現(xiàn)在挖掘機(jī)整車電器系統(tǒng)中特定功能的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：二極管;單向傳導(dǎo);挖掘機(jī);電器系統(tǒng);改進(jìn)

1 序言

近些年，液壓挖掘機(jī)電控技術(shù)蓬勃發(fā)展，液壓系統(tǒng)由負(fù)流量、正流量控制等逐漸發(fā)展到目前炙手可熱的全電控液壓系統(tǒng)，因此挖掘機(jī)電器系統(tǒng)在挖掘機(jī)中的作用越來(lái)越重要。為了保證電器系統(tǒng)的可靠性和成本，簡(jiǎn)單合理有效的電器設(shè)計(jì)方法值得提倡。本文通過二極管在挖掘機(jī)常見應(yīng)用，研究二極管有效實(shí)現(xiàn)整機(jī)特定功能的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

2 二極管在整車電器系統(tǒng)的應(yīng)用探討

二極管最顯著的特性就是單向?qū)щ娦訹1]，利用該特性，在挖掘機(jī)電器系統(tǒng)中二極管常用在整流和續(xù)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(yīng)用。

2.1 整流作用——發(fā)電機(jī)中將AC整流成DC輸出

發(fā)電機(jī)線圈繞組產(chǎn)生的是交流電動(dòng)勢(shì)，挖掘機(jī)上通常使用直流電器，因此需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。圖1為直流發(fā)電機(jī)的整流原理圖，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦院蛢?yōu)先導(dǎo)通原則可知：在每一個(gè)時(shí)刻，共陰極組D1、D3、D5中陽(yáng)極電動(dòng)勢(shì)最高的二極管導(dǎo)通，共陽(yáng)極組D2、D4、D6中陰極電動(dòng)勢(shì)最低的二極管導(dǎo)通;因此，在一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)時(shí)刻都保持有共陽(yáng)極的其中一個(gè)二極管工作和共陰極的一個(gè)二極管工作，每個(gè)二極管導(dǎo)通的時(shí)間占比為1/3個(gè)周期。整流后電壓Uo為通過導(dǎo)通的兩個(gè)二極管的兩相電壓的差值且為正值，實(shí)現(xiàn)了整流的目的。

2.2 續(xù)流作用——通過將二極管反向并聯(lián)在感性元件的兩端，消耗感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

通過電感元件的電流消失時(shí)，電感元件兩端會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)反向電動(dòng)勢(shì)高于元件的反向擊穿電壓時(shí)，則會(huì)對(duì)元件造成損壞。因此我們通常將二極管并聯(lián)在感性元件兩端，當(dāng)流過感性元件的電流消失時(shí)，產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)通過二極管和感性元件構(gòu)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(jī)上的開關(guān)電磁閥應(yīng)用廣泛，電磁閥本體通常不帶續(xù)流電阻或二極管，在線束端加裝二極管反向并聯(lián)在電磁閥兩側(cè)以保護(hù)電磁閥的壽命是一種有效的手段。

2.3 隔離作用——通過多個(gè)二極管并聯(lián)，可避免不同信號(hào)之間的干擾

通常挖掘機(jī)上的不少電器件可以由不同的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，這就不能簡(jiǎn)單的將驅(qū)動(dòng)信號(hào)并聯(lián)連接，需要考慮不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置不同的物理接口，此物理端口內(nèi)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(gè)接口，不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)線同時(shí)接到該接口上，不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)并接前通過電路處理實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。

圖2為挖掘機(jī)上常用的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱圖，可通過鑰匙開關(guān)驅(qū)動(dòng)預(yù)熱繼電器給加熱塞加熱，也可通過控制器在滿足自動(dòng)預(yù)熱條件下控制預(yù)熱繼電器吸合給加熱塞加熱;從圖2可見，鑰匙預(yù)熱信號(hào)和控制器預(yù)熱輸出端均為輸出信號(hào)，他們簡(jiǎn)單的并接在一起時(shí)，任何一個(gè)預(yù)熱信號(hào)激活時(shí)，均會(huì)反過來(lái)作為輸入信號(hào)干擾另一驅(qū)動(dòng)信號(hào);如鑰匙手動(dòng)預(yù)熱輸出時(shí)，控制器預(yù)熱端也會(huì)接到鑰匙手動(dòng)預(yù)熱的高電平信號(hào)，一旦控制器內(nèi)部無(wú)相應(yīng)信號(hào)隔離處理措施，這個(gè)鑰匙預(yù)熱干擾信號(hào)可能會(huì)反沖控制器預(yù)熱端口造成控制器內(nèi)部電路損壞，所以此種線路設(shè)計(jì)就對(duì)輸出信號(hào)部件內(nèi)部電路設(shè)計(jì)提出了較高的要求，必須在內(nèi)部考慮輸出端口對(duì)輸入信號(hào)的抗干擾能力。

實(shí)際上，我們這里可以利用二極管單向?qū)щ娦裕诓煌盘?hào)并接前，在線束上加入二極管，如圖3所示，根據(jù)鑰匙預(yù)熱和控制器預(yù)熱信號(hào)的最大值進(jìn)行選取二極管，如某挖掘機(jī)理論上驅(qū)動(dòng)預(yù)熱繼電器的線圈電流最大1.3A，我們選取D1、D2參數(shù)時(shí)，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(tǒng)中時(shí)，無(wú)論那個(gè)輸出信號(hào)激活，由于二極管的反向截止作用，均不會(huì)影響另一輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的隔離。

2.4 電源防反接功能——應(yīng)用二極管實(shí)現(xiàn)電源防反接功能

為了方便用戶加裝電器，在挖掘機(jī)整車線束上可以適當(dāng)?shù)念A(yù)留電源接口， 電源接口需要考慮防反設(shè)計(jì)，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(lián)二極管防反接電路，當(dāng)加裝電器正確接入電路時(shí)，二極管正向?qū)?，加裝電器正常工作;當(dāng)加裝電器誤反接時(shí)，由于二極管反向截止特性，電路截止，無(wú)電流流經(jīng)加裝電器，有效防止電源反接。此防反電路二級(jí)管會(huì)產(chǎn)生壓降0.3～0.7V，對(duì)于電器件來(lái)說(shuō)該壓降是可以接受的;選取二極管時(shí)注意，二極管允許電流值應(yīng)該大于加裝電器工作電流值。

2.5 無(wú)極性電源——應(yīng)用二極管實(shí)現(xiàn)電器件電源正反接均可正常工作

對(duì)于一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用需求或者為了提高電器件的防呆性能，有時(shí)候需要將電器元件設(shè)計(jì)成電源不分正負(fù)。針對(duì)此類需求，我們可以利用整流橋電路將電源輸入變?yōu)闊o(wú)極性輸入。圖5為整流橋無(wú)極性電路，其中四個(gè)二極管為肖特基二極管，由二極管的單向?qū)щ娦钥芍?，?dāng)A端為電源正時(shí)，電流流經(jīng)D4、電器件、D2、流回電源負(fù)B端;當(dāng)B端為電源正時(shí)，電流流經(jīng)D3、電器件、D1、流回電源負(fù)A端;可見，經(jīng)過加入整流橋后，電器件接口相當(dāng)于無(wú)極性，對(duì)電源接入不分正負(fù)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(shù)需要根據(jù)電器件的功耗和電壓來(lái)確認(rèn)。

2.6 自鎖功能——繼電器匹配二極管實(shí)現(xiàn)繼電器自鎖功能

某些場(chǎng)合需求電路功能：瞬動(dòng)信號(hào)激活電路工作后，電路狀態(tài)可以一直維持一段時(shí)間直至電路工作完成為止。如挖掘機(jī)的自動(dòng)油泵加油，需要瞬動(dòng)按鍵就讓油泵一直保持工作至加滿油狀態(tài)，然后油泵斷電。此類功能如用控制器可以容易實(shí)現(xiàn)，但在無(wú)控制器的微型挖掘機(jī)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(jī)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(guān)S復(fù)合控制達(dá)成設(shè)計(jì)要求。其中003為按鍵高電平信號(hào)，其經(jīng)過二極管和繼電器的86端連接，002為鑰匙開關(guān)上電高電平信號(hào);004通過燃油傳感器的開關(guān)信號(hào)連接至地線，S開關(guān)為常閉開關(guān)，滿油時(shí)將004和地線斷開。

工作過程如下：當(dāng)按下按鍵加油時(shí)，003為高電平，此時(shí)004和地線連接，繼電器線圈吸合;003瞬動(dòng)信號(hào)消失后，由于002為鑰匙開關(guān)上電信號(hào)，此時(shí)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(tài)，即加油泵可以繼續(xù)工作，直至燃油傳感器滿油開關(guān)S斷開地線連接或者鑰匙開關(guān)斷開002失電，按照此設(shè)計(jì)方案，在某微型挖機(jī)上成功驗(yàn)證了一鍵加油功能。”

由上可見，其主要是通過二級(jí)管和繼電器實(shí)現(xiàn)了繼電器的自鎖功能，此設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于多類需求繼電器互鎖的場(chǎng)合，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)達(dá)到良好的設(shè)計(jì)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)二級(jí)管在整車電器系統(tǒng)的常用應(yīng)用論述，進(jìn)一步的引申出利用二極管搭建電路實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)特定電路功能的改進(jìn)。本文二極管的應(yīng)用案例給我們一些啟發(fā)，恰當(dāng)合理應(yīng)用電子器件，可以給整車電器系統(tǒng)帶來(lái)有效的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦曾煌.《電工學(xué)》[M].北京：高等教育出版社.1998-10.