卢春霖 李祥智 彭兴德 严德富
摘 要：二极管又称晶体二极管，其为一种具有单向传导电流特性的电子器件。设计者充分利用二级管的特性可以有效将其应用在整车电器系统中。本文通过探讨二极管在挖掘机整车电器系统中的常见应用，延伸出通过二级管实现在挖掘机整车电器系统中特定功能的设计和改进。
关键词：二极管;单向传导;挖掘机;电器系统;改进
1 序言
近些年，液压挖掘机电控技术蓬勃发展，液压系统由负流量、正流量控制等逐渐发展到目前炙手可热的全电控液压系统，因此挖掘机电器系统在挖掘机中的作用越来越重要。为了保证电器系统的可靠性和成本，简单合理有效的电器设计方法值得提倡。本文通過二极管在挖掘机常见应用，研究二极管有效实现整机特定功能的设计和改进。
2 二极管在整车电器系统的应用探讨
二极管最显著的特性就是单向导电性[1]，利用该特性，在挖掘机电器系统中二极管常用在整流和续流、隔离电路中。此外，通过和其他部件组合使用，二极管还可以延伸出其他的一些应用。
2.1 整流作用——发电机中将AC整流成DC输出
发电机线圈绕组产生的是交流电动势，挖掘机上通常使用直流电器，因此需要将交流电转换为直流电。图1为直流发电机的整流原理图，根据二极管的单向导电性和优先导通原则可知：在每一个时刻，共阴极组D1、D3、D5中阳极电动势最高的二极管导通，共阳极组D2、D4、D6中阴极电动势最低的二极管导通;因此，在一个周期内每个时刻都保持有共阳极的其中一个二极管工作和共阴极的一个二极管工作，每个二极管导通的时间占比为1/3个周期。整流后电压Uo为通过导通的两个二极管的两相电压的差值且为正值，实现了整流的目的。
2.2 续流作用——通过将二极管反向并联在感性元件的两端，消耗感应电动势
通过电感元件的电流消失时，电感元件两端会产生反向电动势，当反向电动势高于元件的反向击穿电压时，则会对元件造成损坏。因此我们通常将二极管并联在感性元件两端，当流过感性元件的电流消失时，产生的反向电动势通过二极管和感性元件构成的回路做功而消耗掉，有效保证了感性元件的安全使用。挖掘机上的开关电磁阀应用广泛，电磁阀本体通常不带续流电阻或二极管，在线束端加装二极管反向并联在电磁阀两侧以保护电磁阀的寿命是一种有效的手段。
2.3 隔离作用——通过多个二极管并联，可避免不同信号之间的干扰
通常挖掘机上的不少电器件可以由不同的信号驱动，这就不能简单的将驱动信号并联连接，需要考虑不同驱动信号之间的隔离。常见的处理方式有两种：一种是在电器件端为不同的驱动信号设置不同的物理接口，此物理端口内部隔离，此种方式容易增大电器件尺寸，提高部件成本;另外一种为电器件端共用一个接口，不同驱动信号线同时接到该接口上，不同驱动信号并接前通过电路处理实现信号隔离。
图2为挖掘机上常用的发动机预热图，可通过钥匙开关驱动预热继电器给加热塞加热，也可通过控制器在满足自动预热条件下控制预热继电器吸合给加热塞加热;从图2可见，钥匙预热信号和控制器预热输出端均为输出信号，他们简单的并接在一起时，任何一个预热信号激活时，均会反过来作为输入信号干扰另一驱动信号;如钥匙手动预热输出时，控制器预热端也会接到钥匙手动预热的高电平信号，一旦控制器内部无相应信号隔离处理措施，这个钥匙预热干扰信号可能会反冲控制器预热端口造成控制器内部电路损坏，所以此种线路设计就对输出信号部件内部电路设计提出了较高的要求，必须在内部考虑输出端口对输入信号的抗干扰能力。
实际上，我们这里可以利用二极管单向导电性，在不同信号并接前，在线束上加入二极管，如图3所示，根据钥匙预热和控制器预热信号的最大值进行选取二极管，如某挖掘机理论上驱动预热继电器的线圈电流最大1.3A，我们选取D1、D2参数时，只要二极管承受电压高于24V，承受电流大于1.5A即可满足使用要求;按此电路接入系统中时，无论那个输出信号激活，由于二极管的反向截止作用，均不会影响另一输出信号，从而实现了信号的隔离。
2.4 电源防反接功能——应用二极管实现电源防反接功能
为了方便用户加装电器，在挖掘机整车线束上可以适当的预留电源接口， 电源接口需要考虑防反设计，防止用户误将加装电器电源反接造成加装电器损坏。图4为串联二极管防反接电路，当加装电器正确接入电路时，二极管正向导通，加装电器正常工作;当加装电器误反接时，由于二极管反向截止特性，电路截止，无电流流经加装电器，有效防止电源反接。此防反电路二级管会产生压降0.3～0.7V，对于电器件来说该压降是可以接受的;选取二极管时注意，二极管允许电流值应该大于加装电器工作电流值。
2.5 无极性电源——应用二极管实现电器件电源正反接均可正常工作
对于一些特殊场合的应用需求或者为了提高电器件的防呆性能，有时候需要将电器元件设计成电源不分正负。针对此类需求，我们可以利用整流桥电路将电源输入变为无极性输入。图5为整流桥无极性电路，其中四个二极管为肖特基二极管，由二极管的单向导电性可知，当A端为电源正时，电流流经D4、电器件、D2、流回电源负B端;当B端为电源正时，电流流经D3、电器件、D1、流回电源负A端;可见，经过加入整流桥后，电器件接口相当于无极性，对电源接入不分正负极，提高了电器件的防呆性能。此类二极管选用肖特基二极管，其参数需要根据电器件的功耗和电压来确认。
2.6 自锁功能——继电器匹配二极管实现继电器自锁功能
某些场合需求电路功能：瞬动信号激活电路工作后，电路状态可以一直维持一段时间直至电路工作完成为止。如挖掘机的自动油泵加油，需要瞬动按键就让油泵一直保持工作至加满油状态，然后油泵断电。此类功能如用控制器可以容易实现，但在无控制器的微型挖掘机如需这种电路功能就需要考虑外搭电路方案。
“图6为挖掘机一键加柴油工作原理图，其主要通过继电器的自锁功能外加燃油传感器开关S复合控制达成设计要求。其中003为按键高电平信号，其经过二极管和继电器的86端连接，002为钥匙开关上电高电平信号;004通过燃油传感器的开关信号连接至地线，S开关为常闭开关，满油时将004和地线断开。
工作过程如下：当按下按键加油时，003为高电平，此时004和地线连接，继电器线圈吸合;003瞬动信号消失后，由于002为钥匙开关上电信号，此时001和002连接也保持高电平，继电器线圈依旧可以保持吸合状态，即加油泵可以继续工作，直至燃油传感器满油开关S断开地线连接或者钥匙开关断开002失电，按照此设计方案，在某微型挖机上成功验证了一键加油功能。”
由上可见，其主要是通过二级管和继电器实现了继电器的自锁功能，此设计可以应用于多类需求继电器互锁的场合，简化设计达到良好的设计效果。
3 结语
本文通过对二级管在整车电器系统的常用应用论述，进一步的引申出利用二极管搭建电路实现挖掘机特定电路功能的改进。本文二极管的应用案例给我们一些启发，恰当合理应用电子器件，可以给整车电器系统带来有效的提升。
参考文献：
[1]秦曾煌.《电工学》[M].北京：高等教育出版社.1998-10.