理論知識之整流器的工作原理

2021-01-19 摩託車維修平臺

凡是摩託車上面都有有個非常重要的電器部件,它為摩託車上的用電器和電瓶提供穩定的電源和源源不斷充電電壓,這就是穩壓整流器,即我們俗稱的「矽整流」。整流就是將交流電壓變為直流電壓,穩壓就是將發電機輸出的不穩定電壓穩定在規定範圍內,以便電瓶合理充電和車燈穩定亮度;實現這兩個功能的器件,我們就稱之為穩壓整流器。
摩託車穩壓整流器從產生到現在已經經歷了幾個階段,但直到目前為止,大多數低端摩託車,仍使用技術上存在嚴重缺陷的削波短路型(塹波)穩壓整流器,嚴重浪費好多汽油和動力浪費了寶貴的電能。隨著我國的電子科技的發展、新技術和新元器件不斷出現,新一代的開關型穩壓整流器已研製成功並已面世,人們在開始認識並使用它;相信不久,它就能全面替代削波短路型穩壓整流器。

   在未發明整流二極體前,摩託車只能採用複雜的激磁直流發電機,使用機械調壓法; 就是用繼電器調節激磁電流的大小,是一種簡單的機械開關調壓電路。整流二極體發明後,人們嘗試採用了稍許簡單些的激磁交流發電機,同時採用機械調壓;後來慢慢用電子調壓替代機械調壓,就是現在汽車上用的調壓方式(勵磁式)。
   為什麼早期摩託車要用結構複雜的激磁交流發電機而不用結構簡單小巧、故障率極低的永磁交流發電機呢?因為永磁交流發電機的磁場與線圈是固定的,輸出電壓和頻率隨發動機轉速成正比變化,電壓範圍較寬,無法象激磁交流發電機一樣用調整激磁電流大小的方法從內部調節輸出電壓的大小,故只能發出電壓後再設法穩壓。當時的技術條件雖然無法實現穩壓輸出,但因小功率永磁交流發電機結構簡單,故障率少,後來還是被廣泛用到了摩託車上。最早的永磁交流發電機用的整流器是不帶穩壓功能的,只有一個整流二極體,即半波整流,它全靠電瓶的蓄電能力來實現穩定電壓(如XF250 CY80 )。後來發展到由四個二極體組成的全橋矽整流。

發電機發出的交流電經過二極體橋式整流直接給電瓶充電,充電電壓就是發電機輸出電壓,隨轉速變化很大,電壓與電流都遠遠超過電瓶正常的充電電壓和電流;由於電瓶特有的穩壓性能,所以電壓能夠穩定在合適的範圍。但這種穩壓是以電瓶壽命為代價的,雖然電瓶的設計壽命為三年,但一般如此方式僅僅使用一年內就會損壞的。在摩託車發動機運轉時,如果蓄電池電路突然斷開,或者樁頭氧化,沒了電瓶對發電機峰值電壓的吸收,某些用電部件便會即刻燒毀。而且隨著時間的推移,電瓶穩壓性能會逐漸失去,電壓會逐漸升高,很容易燒毀某些用電部件。因全波充電容易過充,就出現了半波充電,即只有一個二極體的整流器。因半波充電晚上電力不足,所以大燈只能由發電機交流直接供電,如早期的鈴木 A100、本田 CG125 等。半波充電也存在著問題:白天行駛時,電瓶仍然過充,於是就在照明線上接有洩流電阻,將電流通過電阻發熱洩放掉,以免電瓶過充提前損壞(也不能用密封電瓶,否則極易充壞);晚上行車,低車速時大燈昏暗,而且燈光隨著發動機轉速變化,照明效果不理想,電瓶也不能充足。

隨著電子科技的發展,出現了電子整流穩壓器。早期整流穩壓器採用並聯方式穩壓,也就是削波短路穩壓。如 12V 車型,當輸出電壓高過 15V 時,可控矽導通,輸入電流通過可控矽接地,發電機輸出電壓不再升高 ;當負載用電導致輸出電壓下降,低於 15V 時,可控矽截止,輸入電流全部供給負載,如此反覆,使電壓基本上保持在 15V左右 。這種短路穩壓方式在當時使永磁交流發電機的穩壓性能得到提高,使得摩託車性能有了很大進步,可以隨意加大發動機轉速而不必顧忌輸出的電壓;不論是電瓶壽命,還是燈光亮度,都得到了一定控制,表面上的這種效果比較令人滿意。這種電子整流穩壓器又可分為全波和半波穩壓兩種。全波整流穩壓器同時對正負半波進行削波穩壓,將輸出的正半波和負半波都利用來給整車及電瓶供電,能量比較充足,故可像汽車那樣實施直流照明(如FXD125 、 QJ125 、鈴木王等)。半波整流穩壓器是對負半波進行削波達到穩壓的目的,而將輸出的正半波用來給電瓶充電,此穩壓整流器供電能力較差,不能使用直流照明,只能使用燈光亮度隨轉速而變化的交流照明方式(如豪邁 125 、嘉陵 70 、AX100 ),但電瓶略微耐用些。摩託車不管是交流供電還是直流供電,使用的發電機功率基本一樣,只是接線方式和使用的整流器不同而已。如要將交流供電改為直流供電,只需換個整流器並改一下線路即可(小功率發電機除外)。有些車的發電量較大,使用改進後的開關穩壓半波整流器,怠速燈光也很亮,就沒有必要改直流了。(比如現在的戰鷹150)這裡我要強調一下全波穩壓整流器上檢測線(通常是黑色的)的作用:這根檢測線是接到電門鎖出線上,用來檢測線路上的電壓值的。當晚上開燈時,由於線路上有損耗,電瓶電壓與線路電壓有差別,線路電壓低於 15V 時,整流穩壓器自動提高穩壓數值,使線路電壓始終維持 15V 。這從設計角度來看考慮很周全,但實際上有些電瓶因線路壓降過大,造成檢測失誤致使充電電壓過高而損壞,這是很多人所忽視的問題。其實並聯穩壓電路的採用也是迫不得已的,且只能用在100W以下的小功率永磁發電機上;其根本原因是這種電路本身就是一種短路故障,故只能用在特定的場合。在摩託車中,這種穩壓器多是做成簡易交流穩壓器的形式,接在大燈電路上;以其瞬間過壓放電的特性,可以避免發動機飛車時燒毀大燈.因為永磁交流發電機的電壓和頻率變化範圍實在太寬,在起步轉速時就要求發電機輸出功率能滿足整車全部設備用電,那麼此轉速提高後多發出的電能就是多餘的,必須洩放掉才能使電壓穩定在 15V 。這樣就造成了電能的白白浪費;尤其是在白天,短路穩壓一方面使永磁交流發電機負荷加重,產生反向磁場,阻礙轉子的運動,同時消耗發動機動力。消耗浪費電能的同時,另一方面由於穩壓器通過大電流對地短路,整流穩壓器和發電機線圈均會嚴重發熱,極易燒毀。這是並聯穩壓不可避免的弊端。根據某機臺架測試,接上整流穩壓器和不接時,發動機的輸出功率相差達150~250W ,幾乎是一輛電瓶車行走的動力。多可惜啊。有的車型因怠速時輸出電壓較高,嚴重影響怠速,如鈴木GS125 、錢江 125-J 、豪爵鑽豹 125 、建設山葉 SR150、大沙 125 及各種採用永磁交流發電機的大排量車,將穩壓整流器拔除後怠速自然升高300-500 轉,松油門後發動機慣性加大。經理論計算, 4 衝程發動機上裝用 100W的永磁交流發電機使用並聯短路方式的穩壓整流器,每百公裡多消耗 0.16 升汽油。

由於並聯穩壓電路比較浪費電能,人們又發明了串聯穩壓方式的電路,就是用可控矽做發電機與摩託車電路之間的電子開關,這如同自來水的水龍頭,需要用多少水,就放出多少水,不用水就關閘,消除了並聯穩壓電路類似水閘常開嚴重浪費電能的現象。串聯穩壓與並聯穩壓相比有不可比擬的優勢,如電壓穩定性、轉換效率、帶負載能力、壽命等方面,串聯穩壓整流器均明顯高出並連穩壓電路;它可在不改變磁電機參數的情況下,帶動更大功率的燈泡,使之達到汽車的照明水平,不但節電節油,安全性也有所提高。何樂而不為呢。因穩壓整流器的工作電流較大,發動機輸出的電壓與頻率變化範圍較寬,一般的串聯電路還不夠理想,需要使用比較複雜的開關電源電路才能達到更理想的狀態。早期開關電源的電路比較複雜,令人不太願意接受;近幾年開關元件大批量生產面世,才使串聯型開關電源穩壓器有可能走向市場。

目前的開關電源就是用通過振蕩電路控制開關管進行高速的導通與截止.將直流電轉化為高頻率的交流電提供給電感器進行變壓,從而產生整車電路所需要的電壓。目前對開關電源電路應用最多的是日用電器的220V轉變成低壓直流,例如使用LED代替鎢絲白熾燈的交流>>直流電源變壓電路。常用的開關電源多是將220V/50Hz的交流電轉換為高頻交流電,因為高頻電流在電感變壓電路中的效率要比使用50Hz電源高很多;所以開關變壓器就可以做的很小,成本較低,而且在工作時也不是很熱。如果不將50Hz電源變為高頻狀態,那開關電源電路就沒有實踐意義。開關電源大體可以分為隔離和非隔離兩種,隔離型的必定有開關變壓器,而非隔離的未必一定有。簡單地說,開關電源的工作原理程序是

1. 交流電源輸入,經簡單的整流濾波成原始直流電源。
2. 通過高頻PWM(脈衝寬度調製)信號控制開關管,將直流脈衝加到開關變壓器初級上。

3. 開關變壓器次級感應出高頻電壓,對電瓶實施充電,或是經整流濾波後供給負載電路。4. 輸出部分通過取樣電路反饋給控制電路,控制PWM佔空比,以便自控=穩定輸出電壓。

5. 通過電路零件的不同組合連接,開關電源可以有升壓或降壓的功能,或是相反的輸出極性。交流電源輸入在功率相同時,開關頻率越高,開關變壓器的體積就越小,但對開關管的要求就越高。開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出。一般還應該增加一些保護電路,比如空載、短路等保護,否則可能會燒毀開關電源。  以上說的是開關電源的大致工作原理;其實目前已經有了集成度非常高的專用晶片,可以使外圍電路非常簡單,甚至做到免調試。例如TOP系列的開關電源晶片(或稱模塊),只要配合一些阻容元件,和一個開關變壓器,就可以做成一個基本的開關電源。最後說點開關電源的電路常識:

開關電源的輸出應為直流而不是交流。滿足以下三個條件即為開關電源:
1,開關(電路中的電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態)
2,高頻(電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻)
3,直流(電源輸出是直流而不是交流)

開關管的等效阻抗上的消耗功率越大,電路輸出效率越小,而發熱量越大。通常在開關管上消耗的功率P等於電流的平方乘以電阻 ,那麼電阻就是越小越好,電阻小則輸出效率高,而發熱量越小。現在的開關管的阻值越來越小,常規RF系列的管子(MOS),內部電阻都很小,自身發熱也就比較小些。打個比方,一個24V/10KW的電源,如果是傳統變壓器方式,體積類似於電視機,一般女生搬不動,散熱相當於冬天室內的熱風機;而開關電源體積較小,其散熱有一隻電腦風扇就足以應付。車用開關電源整流器主要特點是輸入頻率高,而且輸入電壓是不固定的,但目前的電子技術不難生產製造。
有些人以大燈亮度來衡量整流器的好壞,這是非常錯誤的。燈泡的發光效果受電壓影響,電壓過高則光亮耀眼。如果某整流器質量較差,穩定性不好,輸出的電壓偏高,那麼燈泡必然很亮;但車上的電瓶與燈泡等電壓規格是預定的,過高電壓使用的後果,必然會很快損壞電瓶與燈泡。
  
目前開關電源在其他行業的應用早已普及,現成的電子零部件也很多,雖然開關型穩壓整流器在摩託車中尚未推廣,但摩託車整流穩壓器遲早會走開關電路穩壓的路子 。但國內多數企業有拼低成本搞壓價競爭的習慣,其產品質量因此會受到嚴重影響,為此諸位車友在選購相關部件時,還得仔細挑選。上述內容系根據某舊帖轉改,實際上,對於不同的機車和電瓶,開關電源電路也有不同的類型:
一、簡易定壓開關型整流器:

有的電瓶可以使用低頻電流簡易充電方式,使用帶限流定壓的開關電路的整流器即可。通常可以做成橋堆整流>單向可控矽>輸出。取樣電路可預先設定在某一電壓值,限流可使用常規電阻;隨著電瓶逐步被充足,直流電路中的電壓逐步升高,整流器輸出的充電電流逐步減少,直到最後幾乎完全截止。
這樣的電路比較容易自製,成本較低,而且比靠短路電流來穩定電壓的並連整流穩壓器要合理很多;但在發動機轉速較低時,發電機輸出電壓偏低,充電能力略嫌不足,大燈也不夠亮。對於此點不足,通常是將發電機的線匝多繞些,讓發動機在低轉速時,發電機也有足夠點亮大燈和充入電瓶的電力。

二、高頻開關智能型整流器:

對於要求較高的車載電瓶,例如電油雙動力車之類的48V電瓶組,因其電壓較高,電瓶又是適於高頻充電的那類。此時需要採用高頻脈衝智能充電方式,需要採用高頻開關電源電路形式,需要整流器內含電壓取樣>自控電路,需要有瞬間放電=恢復電瓶蓄電能力的電路,需要有隨同電瓶電壓逐步升高而逐步減少充電電流的自動控制電路;其電路複雜程度不亞於在家使用的智能充電器。這樣的電路比較複雜,不太容易自製,而且成本會比較高些。電路形式可有兩種:一種是類似上述的電路,開關管類似於自來水的放水龍頭,輸入電壓必須高於電瓶電壓才有電流通過;與上述不同的是開關管是工作在高頻開關狀態,以保證電路的充電效果。這樣的電路效果與簡易串連穩壓整流器有點類似,發動機輸出的電壓必須高於電瓶電壓,整流器才有較大電流充入電瓶和點亮大燈。
另一種電路比較特別些,是輸入電壓低於電瓶組電壓的變壓整流電路,還是使用發電機輸出的電力,經簡易整流濾波後,靠電子振蕩電路輸出高電壓,對電瓶的充電狀態有點類似於使用水泵將水往高處打的局面。具體給電瓶和大燈充電多少,都由取樣電路決定。這樣做在電路上比較麻煩些,成本也會有所提高;但其好處是:發動機在怠速狀態也有電力輸送給電瓶。(個人觀點:既然是串連開關電路,還是將發動機的輸出電壓提高些,整流穩壓電路就可以簡單些,發動機的怠速也比較容易穩定些。)雖然俺目前正在為電油雙混合動力車研製上述的第二種智能充電器,但目前對於摩託界最實際的做法,還是儘快實現上述第一種簡易定壓開關型整流器。只要做到電瓶不過量充電,電瓶的壽命就可以延長許多,車燈也有希望使用直流供電。對於廣大車友來說,電瓶哪怕只延長半年的壽命,就幾乎相當於每年節約了幾十¥的電瓶費用,買汽油可以供小羊多跑幾百公裡的路程。


簡單來說有以下特點:

1.減輕怠速抖動的現象,使其變得更加平穩。

2.提升動力、有效改善搓車、拖檔、爬坡加速無力等問題。

3.保護電瓶及原車電器電路系統,降低其負荷並延長使用壽命。


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