二极管在汽车交流发电机中的应用

襄阳航泰动力机器厂 陈义炜 高晓芹

1 二极管的基本特性

二极管是最常用的电子元件之一，由一对PN结组成，两端分别称为正极和负极。它的基本特性是单向导电性。导通条件为：当二极管承受正向电压（正极电位高于负极电位）时导通（理想二极管为0v，硅管为0.7v，锗管为0.3v），电流可以从二极管正极流向负极；当二极管承受反向电压时截止，流过二极管的电流为零。

1.1 整流作用

把交流电变成单一方向直流电的过程叫做整流。由于二极管具有单向导电性，通常把它串联在电源回路中作为整流或接成整流桥使用。如图1中的三相桥式整流电路可将三相交流电变成脉动直流电。

1.2 钳位作用

钳位，就是将电路中某一部分电位限制在某一电压，以确保其正常工作。多个二极管可接成共阴极接法和共阳极接法。如图1共阴极接法（VD1，VD2，VD3）和共阳极接法（VD4，VD5，VD6）。若给二极管的输入端加上不同信号电压时，承受正向电压差大的二极管将会优先导通，使二极管公共端电位被钳位到与已导通二极管输入端电位相同，连接公共点的其它二极管则因公共点电位的钳位作用承受反偏电压而截止。

1.3 反向击穿特性

由二极管的伏安特性可知，二极管导通后的压降不随外加电压、电流的变化而发生变化，稳压二极管的反向击穿电压也是一定值，稳压管这个特性在电路中可起钳位作用。

1.4 续流作用

续流二极管在开关电源的电感中、可控整流电路等电感性负载中起续流作用。利用二极管的单向导电性，提供电势放电回路。如图3中的VD7。

2 三相桥式全波整流电路的工作原理

图1 三相桥式全波整流图

图2 三相桥式全波整流波形图

如图1三相桥式全波整流电路由共阴极接法（VD1，VD2，VD3）和共阳极接法（VD4，VD5，VD6）的串联组合。当三相信号电压UA、UB、UC加在三相半波共阴极接法（VD1，VD2，VD3）时，因为这3个二极管负极接在同一点D上，当信号UA>UB>UC>0时，此刻3个二极管同时承受正向电压，且有UD1>UD2>UD3，则VD1承受的电压差最大，根据二极管的钳位原理，VD1导通，VD2，VD3因VD1导通而被迫反偏截止。同理，当三相信号电压UA、UB、UC加在三相半波共阳极接法（VD4，VD5，VD6）时，因为3个二极管负极接在同一点E上，在信号的负半周，当信号UAUD5>UD6，则VD4承受的电压差最大，VD4导通，VD5，VD6因VD4导通而被迫反偏截止。

当输入三相正弦电压UA、UB、UC同时加在三相半波共阴极接法（VD1，VD2，VD3）和三相半波共阳极接法（VD4，VD5，VD6）的串联组合三相桥式电路中，在0～t1之间，UC>UA>0>UB，则有VD3、VD5导通，t1～t2之间为VD1、VD5导通。以此类推，在整个周期6个二极管VD1～VD3、VD4～VD6上下各有一个二极管轮流导通，给负载R提供电压、电流，如图1中所示方向一致。负载在整个周期都会承受UA、UB、UC叠加脉动直流电压，如图2中的粗黑线所示。这种将输入的三相正弦电变成脉动直流电的电路称为三相桥式全波整流电路。

3 二极管、三相桥式整流电路在汽车发电机中的应用

图3 交流发电机电路图

如图3所示为交流发电机电路图，由内搭铁式电子调节器、发电机、三相桥式整流电路、蓄电池和负载组成。

3.1 二极管在电子调节器工作原理中的作用

电子调节器由分压电阻R1、R2和VT1、VT2等组成的开关电路。其作用是调节发电机励磁电流，使发电机输出电压保持在一定范围内。发电机起动他励回路为：蓄电池+（电源）——B端——励磁绕组——F端——VT2——F端——蓄电池-。此时发电机输出端电压等于蓄电池电压，经R1、R2分压后加在稳压管VS负极，这个电压低于稳压管VS击穿电压，稳压管VS截止，三极管VT1呈截止状态。电阻R3、三极管VT2、励磁绕组组成导通回路。此时电子调节器等效于开关闭合状态，由蓄电池提供电流给励磁绕组，发电机继续发电，B端电位持续升高。当B端输出电压高于蓄电池电压时，发电机开始自励发电。自励回路为：B端——励磁绕组——F端——VT2——F端，此时蓄电池和汽车上的其他电器设备作为负载，由发电机供电。当B端的电位升到调节器最高输出电压时，经过R1、R2分压后的最高输出电压加在稳压管负极，使稳压管VS被击穿导通，三极管VT1基极电位因钳位升高，VT1饱合导通，使VT2基极电位降低，VT2被迫截止。调节器开关断开，励磁通电回路失电。与此同时，励磁绕组（电感）——F端——VD7——B端——SW开关组成放电回路。VD7作为续流二极管，给励磁绕组电势提供放电回路。励磁绕组在发电机自励时存储的能量通过发电回路放电，励磁电流逐渐减小，B端电位下降到发电机输出电压下限时，稳压管VS和三极管VT1截止，电子调节器VT2接通继续发电，B端电位升高。使发电机输出的电压保持在一定范围。

3.2 三相桥式整流电路作用

交流发电机电枢绕组发出的是三相正弦交流电，为了将输出的交流电变成直流电，利用二极管的整流特性，在电枢绕组后接上三相桥式整流电路，如图3所示。经过VD1～VD6组成的三相桥式整流电路将发电机发出的三相正弦交流电整流成脉动的直流电，作为蓄电池和其他负载的电源使用。

4 发电机故障举例

故障现象：一辆捷达CL型轿车，在行驶一段时间，关闭发动机后，检查发现发电机表面温度很高、蓄电池很烫，检查发电机输出端电压，高于正常范围，判断发电机调节器故障。

故障诊断：拆开发电机，取出晶体管电压调节器，先了解调节器的电路特点及搭铁极性，再确定相应测试方法。对于内搭铁式调节器，可调电源正负极分别与调节器正负端相连，试灯接在F端与负极之间，然后逐渐升高电压，当电压达到6V以上时，试灯点亮，继续提高电压，试灯越来越亮，当电压达到标准电压以上，试灯应熄灭，表明调节器正常，如果试灯不能熄灭，说明调节器调节电压过高或损坏，应予更换。

故障分析：发电机励磁绕组通电，开始发电。当发电机输出电压高于正常电压范围且不降低，说明是调节器故障。因为调节器发生故障后，在发电电压高于发电机输出电压上限时，调节器不能关断，励磁电流继续增大，发电机继续发电，发电机电压升得过高，使发电机表面温度很高，蓄电池因过充很烫。