續(xù)流二極管FWD的應(yīng)用及其故障分析

  1.引言
  直流電路(指電感及其驅(qū)動(dòng)元件組成的局部電路是直流的)中,電感元件中的電流突變會(huì)產(chǎn)生自感反向電勢(shì)。若此自感電勢(shì)過高,會(huì)危害電路尤其是驅(qū)動(dòng)該電感的元件。在電感兩端并聯(lián)一個(gè)二極管快速消除此自感電勢(shì),就不會(huì)燒壞驅(qū)動(dòng)該電感的元件。通常并聯(lián)在電感兩端的這種二極管稱為續(xù)流二極管(FWD)。
  續(xù)流二極管的型號(hào),必須選擇導(dǎo)通電壓低并能快速導(dǎo)通的二極管(例如肖特基二極管導(dǎo)通電壓一般0.3V,而普通二極管高于0.7V);脈沖頻率較高的直流電路中最好選用快恢復(fù)二極管。
  續(xù)流二極管的功率, 要能保證不被反電勢(shì)所產(chǎn)生的電流損壞:
  ·驅(qū)動(dòng)器件為晶體三極管、集成電路或繼電器觸頭, 可選用小功率續(xù)流二極管同時(shí)在續(xù)流回路中串接限流電阻減少續(xù)流電流。
  ·驅(qū)動(dòng)器件為單向可控硅,續(xù)流二極管功率要大,續(xù)流回路中絕不能串聯(lián)電阻。因?yàn)槔m(xù)流二極管的作用是確保流過單向可控硅的電流小于其維持電流使單向可控硅能處于可控狀態(tài), 所以續(xù)流二極管必須迅速短接線圈的反向電勢(shì)以減小電感兩端電勢(shì)差。若串接限流電阻,將延緩電感兩端電勢(shì)差降低,破壞單向可控硅的截止條件。
  ·相對(duì)于電感兩端的直流電壓, 續(xù)流二極管只在電感產(chǎn)生反向電勢(shì)時(shí)才導(dǎo)通,所以其極性總是反接的。
 
  2. 電感并聯(lián)續(xù)流二極管避免某些故障
  例如某輪應(yīng)急發(fā)電機(jī)組經(jīng)常不能自動(dòng)起動(dòng)。
  觀察發(fā)現(xiàn), 柴油機(jī)控制總油門因電磁鐵失控而常處于關(guān)閉狀態(tài)。電磁鐵控制電路如圖1所示。

  檢查見電磁鐵線圈正常, 但控制電磁鐵線圈L的自啟動(dòng)故障停機(jī)繼電器J12的常開觸頭被燒死。更換24V直流繼電器J12后故障排除, 但起動(dòng)幾次后故障又重復(fù)出現(xiàn)。
  為什么常開觸頭被燒死呢?因?yàn)殡姶盆F線圈L受該觸頭控制, 當(dāng)其斷電時(shí)產(chǎn)生的自感電勢(shì)與電源電壓相加,常開觸頭J12的動(dòng)、靜觸頭之間電流過大,燒蝕或燒粘觸頭。
  為消除故障原因, 適當(dāng)改進(jìn)電路見圖1。
  在電磁鐵線圈L兩端并接一個(gè)續(xù)流二極管與限流電阻組成的放電電路, 此后再無此類故障發(fā)生。
 
  3. 續(xù)流二極管引起故障的分析
  續(xù)流二極管引起的故障時(shí)有發(fā)生。但不少人認(rèn)為續(xù)流二極管只是保護(hù)電感不會(huì)導(dǎo)致故障, 排除故障時(shí)因忽視續(xù)流二極管而走彎路甚至不能走出困境。
本文分析船舶電氣設(shè)備常遇到的續(xù)流二極管引發(fā)的幾種故障,意在提醒留心續(xù)流二極管的存在,希望掌握續(xù)流二極管所引發(fā)故障的特征, 從而快速、準(zhǔn)確判斷、提高工作效率，確保安全。
  (1)續(xù)流二極管接線松動(dòng)
  某輪一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組剛起動(dòng), 電壓還沒建立起來,勵(lì)磁電路的保險(xiǎn)管(RD1或RD2)或就被燒斷,不能正常供電。
  該輪的同步發(fā)電機(jī)采用可控硅自勵(lì)恒壓裝置,其勵(lì)磁部分電路如圖2所示。  
  故障后檢查：
  ·二極管SR1、SR2和可控硅SCR1、SCR2等元件均正常;
  ·可控硅SCR1、SCR2等的觸發(fā)電路, 在三極管VT3和VT4上的觸發(fā)脈沖導(dǎo)通角可隨輸入電壓變化,證明脈沖觸發(fā)電路工作正常。
  幾乎檢查了整個(gè)電路,沒有發(fā)現(xiàn)任何疑點(diǎn),更換熔斷器后再次起動(dòng)發(fā)電機(jī)組故障依舊。
  再三分析,找不到其他疑點(diǎn),陷入困境。
  當(dāng)時(shí)認(rèn)為續(xù)流二極管SR3只是保護(hù)電感L, 即使失效也不可能導(dǎo)致燒斷保險(xiǎn)管RD1或RD2。后來因找不到其他疑點(diǎn),姑且驗(yàn)證一下續(xù)流二極管SR3,用萬用表測(cè)量正常,但發(fā)現(xiàn)一端接線螺絲松動(dòng)。
  擰緊續(xù)流二極管SR3松動(dòng)的接線螺絲, 再起動(dòng)發(fā)電機(jī)組,工作恢復(fù)正常。
  可控硅自勵(lì)恒壓裝置主要波形圖見圖3。   這起故障的機(jī)理是, 一端接線螺絲松動(dòng),相當(dāng)于續(xù)流二極管SR3串聯(lián)了一只接觸電阻, 當(dāng)發(fā)電機(jī)定子電壓經(jīng)SR1、SR2、SCR1、SCR2整流成的正脈沖電壓下降時(shí), 續(xù)流二極管不能及時(shí)充分消除勵(lì)磁線圈L產(chǎn)生的自感電勢(shì),當(dāng)發(fā)電機(jī)定子交流電U_be：
  ·從上半周向下半周過渡時(shí), 勵(lì)磁線圈L的自感電勢(shì)因并接的串聯(lián)了一個(gè)接觸電阻而不能充分短路,破壞了可控硅截止條件,可控硅和之一仍維持導(dǎo)通且電流大于其維持電流；
  ·到下半周,前一可控硅仍處于導(dǎo)通狀態(tài),加上觸發(fā)脈沖又導(dǎo)通了另一可控硅,即SR1、SR2、SCR1、SCR2等同時(shí)導(dǎo)通,相當(dāng)于它們短接了電源,大電流導(dǎo)致或燒斷。
 
  (2)續(xù)流二極管性能變差
  某輪自動(dòng)舵隨動(dòng)操舵,左舵正常,但只要從正舵操一點(diǎn)右舵就會(huì)失去控制,舵機(jī)一直轉(zhuǎn)到右滿舵。
  自動(dòng)舵的電氣控制部分,由信號(hào)發(fā)送器、比較放大環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器、可控硅、電磁閥等環(huán)節(jié)組成。隨動(dòng)操舵方式的左舵工作正常,可以說明信號(hào)發(fā)送器正常,故障點(diǎn)只能在放大/反饋環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器、控制左舵的可控硅等環(huán)節(jié)。
  檢查放大反饋環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等,發(fā)現(xiàn)它們都能正常工作。
  該輪自動(dòng)舵可控硅控制電磁閥部分, 電氣原理圖見圖4。圖中, JD1為電磁閥, SCR1為單向可控硅, D1為續(xù)流二極管。   ·查電磁閥JD1正常。
  ·查可控硅SCR1, 為查證操右舵時(shí)它是否失控,用一只白熾燈代替電磁閥, 結(jié)果白熾燈的亮度隨操舵信號(hào)變化而不是一直亮著, 證明控制轉(zhuǎn)右舵的可控硅能正常關(guān)斷。但是白熾燈換成電磁閥,故障依舊。
  這時(shí)根據(jù)可控硅驅(qū)動(dòng)電感元件的特殊情況, 想到了續(xù)流二極管的作用, 用萬用表的電阻檔檢查續(xù)流二極管D1,沒有發(fā)現(xiàn)異常;但將該二極管通電后檢查,發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)通電壓變高。更換續(xù)流二極管后故障消失,可見故障點(diǎn)在續(xù)流二極管。
  如所周知,關(guān)斷導(dǎo)通的可控硅,有兩種方法,施加反向電壓,或使流過可控硅的電流小于其維持電流。
  按該自動(dòng)舵電路, 驅(qū)動(dòng)電磁閥的正向脈動(dòng)電壓下降時(shí), 電磁閥JD1產(chǎn)生的自感反向電勢(shì)會(huì)阻止單向可控硅SCR1關(guān)閉。這樣當(dāng)加在電磁閥JD1上的正向脈動(dòng)電壓下降→JD1電流減少→JD1自感電勢(shì)增大→阻止單向可控硅SCR1中的電流減小,單向可控硅SCR1不能關(guān)閉。
  而續(xù)流二極管D1的作用就是降低電磁閥JD1的自感電勢(shì)以保證單向可控硅SCR1關(guān)閉。
  該自動(dòng)舵故障,續(xù)流二極管D1性能變差,雖能導(dǎo)通, 但壓降增大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電磁閥的正向脈動(dòng)電壓下降時(shí),電磁閥JD1產(chǎn)生的自感電勢(shì)沒能被D1短路,使得單向可控硅SCR1中的電流大于本身的維持電流。這種情況下, 操舵手輪轉(zhuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)右舵就會(huì)導(dǎo)通控制右舵電磁閥的可控硅SCR1,并因續(xù)流二極管性能變差而一直導(dǎo)通, 所以舵機(jī)直轉(zhuǎn)到觸及右滿舵限位行程開關(guān)后才停止。
 
  (3)續(xù)流二極管損壞
  某輪單邊帶電話(SSB)發(fā)信機(jī),有些信道工作正常,有些不能工作。
  有些信道正常,另一些信道故障,說明各信道共用部分正常,故障點(diǎn)在各信道的非公共部位。
  開通單邊帶電話(SSB)故障信道觀察發(fā)現(xiàn),先是天線調(diào)諧器內(nèi)部的許多繼電器不停地在吸合、釋放,隨后發(fā)信機(jī)面板上過載指示燈亮,發(fā)信機(jī)停止工作。
  自動(dòng)天線調(diào)諧器(以下簡稱天調(diào),組成原理見圖5), 作用是使天線與功放匹配。因?yàn)镚MDSS
通信系統(tǒng)的地面通信系統(tǒng)的最大特點(diǎn)之一是頻率范圍寬, 而不同信道(頻率)需要天線與功放的不同匹配,才能使功放所提供的功率最大限度地輸送到天線。天調(diào)以單片機(jī)為核心,運(yùn)行控制算法自動(dòng)調(diào)整電容與電感陣列系統(tǒng),解決諧振與匹配的矛盾。
  SSB天調(diào)的繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理見圖6。
  懷疑故障信道的天調(diào)失效,逐個(gè)檢查:
  ·切換電容陣列和電感陣列各繼電器未見異常。
  ·各繼電器的驅(qū)動(dòng)電路, 發(fā)現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體三極管損壞。
  ·檢查了該驅(qū)動(dòng)電路所對(duì)應(yīng)繼電器線圈兩端并聯(lián)的續(xù)流二極管,見已損壞(根據(jù)經(jīng)驗(yàn),驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體三極管損壞,往往是其續(xù)流二極管失效所致)。
  ·更換損壞的晶體管三極管和續(xù)流二極管, 單邊帶電話SSB恢復(fù)正常。
  該故障的機(jī)理:
  ①繼電器J12斷電時(shí)的自感電勢(shì), 因續(xù)流二極管D23損壞得不到消除,且與電源電壓同相,一起加到驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體管T24長上致其損壞；
  ②晶體三極管T24損壞,使得繼電器J12常開觸點(diǎn)所連接的電感、電容(如圖7所示)不能被加到天調(diào)網(wǎng)絡(luò)中去,導(dǎo)致相應(yīng)信道天線與功放不能諧振；
  ③相應(yīng)信道天線與功放不諧振,單片機(jī)得到的檢測(cè)信號(hào)仍是失諧,就繼續(xù)運(yùn)行控制程序不斷吸合/放開其他繼電器企圖達(dá)到匹配；
  ④天線與功放長時(shí)間失諧就會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱,過熱保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出過載報(bào)警。  
  3. 結(jié)束語
  隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展, 在船舶的其他電氣設(shè)備中也廣為應(yīng)用續(xù)流二極管,如開關(guān)電源、無刷直流電機(jī)、變頻調(diào)速等設(shè)備中。這里要提醒的是,在使用變頻調(diào)速的船舶錨機(jī)和起貨機(jī)中, 變頻器中的續(xù)流二極管是直接并聯(lián)在輸出級(jí)的大功率三極管(IGBT)兩端的,但變頻器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是電動(dòng)機(jī), 所以這時(shí)的續(xù)流二極管仍是與電感并聯(lián)的, 對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的大功率三極管(IGBT)起著保護(hù)作用。



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