Uvedba novega tipa močnostnih diov v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Klemen Furlan UVEDBA NOVEGA TIPA MOČNOSTNIH DIOD V USMERNIŠKO VEZJE AVTOMOBILSKEGA ALTERNATORJA Diplomska naloga Maribor, september 2008

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17 Diplomska naloga visokošolskega strokovnega študijskega programa UVEDBA NOVEGA TIPA MOČNOSTNIH DIOD V USMERNIŠKO VEZJE AVTOMOBILSKEGA ALTERNATORJA Študent: Študijski program: Smer: Klemen FURLAN Visokošolski strokovni, Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika Mentor: Somentor: Lektor-ica: viš. pred. mag. Ladislav MIKOLA, viš. pred. mag. Boris BIZJAK, Ida MAKOVEC Maribor, september 2008

II ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju viš. pred. mag. Ladislavu Mikoli za pomoč, vzpodbudo ter vodenje pri opravljanju diplomske naloge. Prav tako se zahvaljujem somentorju. viš. pred. mag. Borisu Bizjaku. Še posebno pa bi se rad zahvalil Robertu Reščiču univ. dipl. inž. el. in vsem tehniškim sodelavcem na IAE, ki so mi omogočili izvedbo diplomske naloge.

III UVEDBA NOVEGA TIPA MOČNOSTNIH DIOD V USMERNIŠKO VEZJE AVTOMOBILSKEGA ALTERNATORJA Ključne besede: merjenje, preizkusi, avtomobilski alternator, usmerniško vezje, močnostna Zener dioda UDK: 621.382.23: 629.052.4 (043.2) Povzetek Diplomska naloga preverja možnost zamenjave sedaj uporabljenih 50 A (I FAV ) močnostnih 'press-fit' Zener diod I. generacije s 35 A (I FAV ) diodami II. generacije na alternatorjih z nazivnim izhodnim tokom od 95 A do 120 A in nazivno napetostjo 14 V. Cilj je bil preveriti možnost uporabe 35 A (I FAV ) močnostnih diod II. generacije (sedaj se 35 A diode I. generacije uporabljajo za alternatorje z nazivnim tokom do vključno 85 A) tudi na alternatorjih z višjimi nazivnimi tokovi. Pozitivni učinki bi bili nižja cena izdelka zaradi nižje cene 35 A diod in posledično večjih količin diod zaradi poenotenja ter manj pozicij v razvojni in tehnološki dokumentacija izdelka. Opisuje tudi opravljene preizkuse in meritve, izvedene po zahtevah preizkusnih predpisov podjetja in mednarodnih standardov, po katerih se izvaja homologacijo novih izdelkov, podsestavov in komponent. Podani so rezultati meritev in preizkusov in na podlagi le teh končna ocena o uporabnosti novih diod na alternatorjih z nazivnim izhodnim tokom od 95 A do 120 A in nazivno napetostjo 14 V.

IV INTRODUCTION NEW TYPE POWER DIODES IN RECTIFIER OF CAR ALTERNATOR Keywords: Measurements, tests, car alternator, rectifier, power Zener diode UDK: 621.382.23: 629.052.4 (043.2) Abstract: This work reviews possibilities for substitution of currently used 50 A (I FAV ) power 'pressfit' Zener diodes from 1 st generation, with new, from 2 nd generation, in Alternators with existing electrical current from 95 A to 120 A and continuous direct voltage of 14 V. The benefit of this change is lower price of final product, because of unifying 35 A power diodes to all of alternators from that power range, and unifying of technical documentation, and also decreased number of used parts for assembling alternators. This work includes tests and measurements, which are done by request of internal testing law of production plant and international standards, which are appropriate to acquire homologation for the new products, assemble parts and other components. As final result here are present results of done measurements and tests. On this base there are prepared final opinions for using new generation of power diodes for alternators of choosed range.

V VSEBINA 1. UVOD... 1 2. PREDSTAVITEV ALTERNATORJA, USMERNIKA IN DIOD... 2 2.1 Splošno o alternatorju... 2 2.2 Splošno o usmerniku... 6 2.3 Splošno o polprevodnikih in diodah... 10 3. SPLOŠNI MERILNI POGOJI IN OZNAČEVANJE DIOD V USMERNIŠKEM MOSTIČU... 15 3.1 Splošni merilni pogoji... 15 3.2 Označevanje usmernikov in diod v usmerniškem mostičku... 16 4. OSNOVNE MERITVE DIOD USMERNIKA... 17 4.1 Reverzni tok... 17 4.2 Padec napetosti v prevodni smeri... 19 4.3 Zenerjeva napetost... 22 5. MERJENJE KARAKTERISTIK ALTERNATORJA... 24 5.1 Preizkusna naprava in pogoji meritev... 24 5.2 Segrevanje alternatorja... 26 5.3 Meritev vrtilne hitrosti, pri katerih alternator začne oddajati tok (točka začetka oddajanja toka)... 27 5.4 Meritev karakteristike I=f(n) alternatorja... 27 5.5 Meritev karakteristike M=f(n) alternatorja... 28 6. MERITVE IN PREIZKUSI NA USMERNIŠKEM MOSTIČU... 28 6.1 Termično utrujanje usmernikov... 28 6.2 Prenapetosti dinamično z meritvijo toka skoti diodo... 36 6.3 Prenapetosti dinamično... 49 6.4 Aktivna topla vlaga... 54 6.5 Preizkus pri visoki temperaturi... 55 6.6 Termično cikliranje alternatorja... 56 6.7 Trajni tek pri povišani temperaturi... 57 7. SKLEP... 62 VIRI... 63

VI UPORABLJENI SIMBOLI B D d H E H f f n f nν I bat I C I f I H I max I max R I n I R Is I SR I V I z J l e l FE M N n N v p P 0 P el q R H R k R W S U BAT U D U ef U F U f U H U max U n U R gostota magnetnega pretoka širina traku širina polprevodniškega traku v zračni reži električna poljska jakost v hallovi sondi frekvenca faktor navitja osnovne harmonske komponente faktor rotorskega navitja osnovne harmonske komponente tok baterije krmilni tok Hallove sonde temenska vrednost toka tok skozi merilni upor maksimalni tok v prevodni smeri maksimalni tok v reverzibilni smeri nazivni tok reverzibilni tok sekundarni tok srednja vrednost toka vzbujalni tok tok skozi diodo kadar merimo Zenerjevo napetost gostota toka ekvivalentna dolžina železnega paketa. srednja dolžina silnic moment število ovojev število vrtljajev število vseh ovojev na rotorju število polovnih parov vhodna moč vhodna električna moč električni naboj merilni upor upornost žice pri sobni temperaturi upornost žice pri povišani temperaturi površina baterijska napetost difuzijska napetost efektivna napetost padec napetosti na diodi v prevodni smeri temenska vrednost napetosti izhodna napetost maksimalna napetost nazivna napetost napetost, pri kateri merimo reverzibilni tok

VII U =SR U Z U ZM u H v T T amb α ΔT δ δ e η Θ v0 μ r τ p Φ g ω I FAV srednja vrednost napetosti Zenerjeva napetost zdržna napetost Hallova napetost hitrost temperatura temperatura okolice temperaturni koeficient upornosti sprememba temperature širina zračne reze ekvivalent zračne reže izkoristek amper ovoji permeabilnost jedra polovna delitev statorske izvrtine glavni fluks krožna frekvenca srednji tok v prevodni smeri diode (average rectified forward current)

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 1 1. UVOD Iskra Avtoelektrika je globalna dobaviteljica zaganjalnikov in alternatorjev za motorje z notranjim zgorevanjem, električnih pogonskih in mehatronskih sistemov. Podjetje ima že 48-letno tradicijo v izdelavi le teh. V preteklosti je beležilo rast in je bilo tako podvrženo stalnim spremembam. Prilagajalo se je nenehno spreminjajočemu se okolju, zato je preraslo lokalne meje z usmerjenostjo v globalne tokove sodobnega sveta. Sistemi kakovosti so vgrajeni v vse poslovne procese. To potrjujejo certifikati, pridobljeni na temelju mednarodnih standardov kakovosti ISO 9001:2000 (združuje sisteme vodenja kakovosti, ravnanja z okoljem, kakovosti laboratorijev do finančnega vodenja, prava, varnosti in zdravja pri delu ter varnosti premoženja in podatkov), ISO/TS16949, ki nadgrajuje standard ISO 9001 še posebej za avtomobilsko industrijo, ISO 14001, ki definira sisteme ravnanja z okoljem in OHSAS 18001 (sistem vodenja varnosti in zdravja pri delu). Celoviti sistem vodenja poslovanja temelji na procesnem modelu stalnih izboljšav, s čimer stalno povečujejo učinkovitost ter zadovoljstvo kupcev, zaposlenih in lastnikov. Ekonomika proizvodnje jih sili v pocenitve na vseh delih proizvodnega procesa, ob tem pa končna kakovost izdelkov ne sme biti zmanjšana. Vse to je mogoče samo z uvedbo izboljšanih proizvodnih postopkov in dobavljanjem večjih količin enakih izdelkov istega dobavitelja. Vse spremembe v proizvodnih postopkih in sestavnih delih pa morajo biti temeljito premišljene in preizkušene, saj v nasprotnem primeru lahko naredimo nepopravljivo škodo. Vse nove sestavne dele, ki naj bi se uporabljali v proizvodnji za sestavo izdelkov, se predhodno testira po predpisih podjetja, ki temeljijo na ISO standardih in predpisih kupcev. Če katerikoli rezultat preizkusa ne ustreza predpisom, taka sprememba ne dobi odobritve in se išče nove možnosti za ta sestavni del. V diplomskem delu je opisan celoten postopek meritev ter preizkusov za uvedbo novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega generatorja. S pomočjo meritev ter preizkusov lahko nadziramo kvaliteto vgrajenih močnostnih diod ter vidimo, kako se dejansko obnašajo na alternatorju in ali le te ustrezajo zahtevam, ki jih podaja predpis.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 2 Da bi lahko opravljali meritve potrebujemo tudi nekaj predznanja iz delovanja alternatorja ter njegove konstrukcije. Prav tako moramo natančno spoznati delovanje usmerniškega mostiča in močnostnih Zener diod. Sami preizkusni predpisi pa opisujejo pod kakšnimi pogoji delovanja (temperatura okolice, električna in mehanska obremenitev,,..., uporabljene merilne naprave in instrumenti) izvajamo meritev ali test. Vse elemente oziroma sestavne dele, ki jih preizkušamo predhodno označimo, da lahko rezultate primerjamo med seboj. Pred preizkusi in po njih izvajamo splošne meritve močnostnih Zener diod. Tako lahko vidimo, ali so podatki, ki jih poda proizvajalec, v skladu z diodami, ki nam jih je poslal. Po preizkusu se izvaja meritev, da ugotavljamo, ali so se splošni parametri kaj spremenili ali je celo prišlo do uničenja diode. Podobno kot splošne meritve močnostnih Zener diod izvajamo tudi meritev karakteristik alternatorja. To je potrebno, da vidimo, če alternator deluje pravilno in so vsi sestavni deli delujoči. V primeru, da napako že prej odkrijemo, ne izvajamo meritve karakteristike alternatorja. Glavni del diplomskega dela je opravljanje meritev in preizkusov na usmerniškem mostiču. Te meritve ter preizkusi dejansko pokažejo, kako se diode usmerniškega mostiča obnašajo pri dejanskem delovanju. Skoraj vsi preizkusi simulirajo delovanje alternatorja na vozilu oziroma stroju v skrajnih mejah delovanja. Preizkus trajnega teka pri povišani temperaturi simulira delovanje alternatorja na vozilu pri najneugodnejših pogojih delovanja glede temperature, električne (tokovne) obremenitve in mehanske obremenitve ležajev alternatorja. 2. PREDSTAVITEV ALTERNATORJA, USMERNIKA IN DIOD 2.1 Splošno o alternatorju Naloga alternatorja je zanesljivo napajanje električnih porabnikov avtomobila med delovanjem motorja in polnjenje akumulatorske baterije v različnih pogojih delovanja. Alternator je po konstrukciji trifazni izmenični generator. Ker napajanje baterije in avtomobilskih porabnikov zahteva enosmerni tok, je v alternator vgrajen trifazni usmerniški most.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 3 Ker je na sponkah alternatorja enosmerni tok, bi ga pravzaprav lahko imenovali enosmerni generator. Specifično ime alternator je uporabljeno prav zato, da poudarimo konstrukcijske razlike med temi enotami in enosmernimi generatorji s kolektorji (dinami). Alternator je zgrajen iz šestih osnovnih delov, in sicer: stator iz lamelirane pločevine, ki tvori kompaktno telo z utori, v katere je vstavljeno trifazno statorsko navitje kot mirujoči del vodnikov. rotor z gredjo, na kateri sta nameščena dva drsna obročka, krempljasti poli z vzbujalnim navitjem in zadnji ležaj. jermenica in ventilator, ki sta prav tako vgrajena na rotorsko gred in služita za pogon in hlajenje alternatorja. dva ležajna pokrova (prednji pokrov z ležajem), v katere je vstavljen rotor in ki istočasno fiksirata stator in zapirata alternator. polprevodniški usmernik s šestimi ali osmimi močnostnimi in tremi vzbujalnimi diodami za usmerjanje bremenskega in vzbujalnega toka (obstaja tudi izvedba usmernika brez vzbujalnih diod za alternatorje z multi-funkcijskim regulatorjem novejše izvedbe). regulator napetosti, ki regulira napetost alternatorja na zahtevan nivo s spreminjanjem vzbujalnega toka, skupaj z nosilcem ščetk, dvema ščetkama, kateri preko drsnih obročkov povezujeta vzbujalno navitje z regulatorjem. Električni princip delovanja alternatorja V električnem vodniku, ki seka magnetne silnice, se inducira električna napetost, pri čemer ni pomembno, ali miruje magnetno polje in se giblje vodnik ali pa, če vodnik miruje in se premika magnetno polje. Pri alternatorju vodniki (statorsko navitje) mirujejo, magnetno polje pa se vrti. Zaradi vrtenja poli magnetnega polja spreminjajo lego in v statorskem navitju se inducira napetost, ki je glede na velikost in smer spremenljiva. Tako napetost imenujemo izmenična napetost. Da je učinek električne indukcije povečan, namesto enega postavimo v magnetno polje več ovojev vodnikov, ki skupaj tvorijo statorsko navitje. Inducirana napetost je tem višja, čim močnejše je magnetno polje (čim gostejše so magnetne silnice) in čim višja je hitrost, s katero vodniki sekajo magnetne silnice. Jakost elektromagnetnega polja je odvisna od števila ovojev vzbujalnega navitja in velikosti toka, ki teče skozi navitje. Magnetno polje lahko ojačimo s pomočjo jedra iz

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 4 mehko magnetnega materiala. Pri uporabi teh principov na alternatorju ugotovimo, da z večanjem ali manjšanjem vzbujalnega toka skozi vzbujalno navitje narašča ali pada velikost inducirane napetosti v statorskem navitju. Alternator sestavljata dva tokokroga bremenski ter vzbujalni tokokrog. To prikazuje slika 2.1. Slika 2.1: Električna vezalna shema alternatorja. Bremenski tokokrog (povezan s priključkom B+) nam služi za napajanje porabnikov v avtu oziroma delovnih strojih in za polnjenje akumulatorske baterije. Da bi tok alternatorja dejansko tekel od alternatorja k akumulatorju in porabnikom, mora biti generatorska napetost višja od napetosti akumulatorja. Vzbujalni tokokrog (povezan s priključkom D+) nam služi za ustvarjanje elektromagnetnega polja v vzbujalnem navitju rotorja, ki inducira napetost v statorskem navitju med delovanjem alternatorja. Pri alternatorjih z lastnim vzbujanjem dobimo vzbujalni tok iz statorskega navitja preko treh vzbujalnih diod in treh negativnih diod močnostnega dela usmernika. Pred samim delovanjem alternatorja nam služi za napajanje vzbujalnega tokokroga akumulator (predvzbujanje). Zaporedno z navitjem vzbujalnega tokokroga je vezan napetostni regulator. Osnovna naloga regulatorja napetosti je vzdrževanje izhodne napetosti alternatorja na vrednosti, ki je blizu baterijski napetosti (referenčna vrednost regulacijska napetost je za vsak regulator prednastavljena). Vrednost slednje je nekoliko nad baterijsko, s čimer je zagotovljeno optimalno polnjenje baterije. Na izhodno napetost alternatorja vplivata tokovna obremenitev in hitrost vrtenja, ki sta pogojena z delovanjem motornega vozila.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 5 Regulator s spreminjanjem vzbujalnega toka vzdržuje prednastavljeno izhodno napetost. Regulator mora tudi zagotoviti temperaturno odvisno regulacijsko (izhodno) napetost, ki bo lahko kompenzirala temperaturno karakteristiko baterije (polnjenje baterije direktno vpliva na kapaciteto baterije, ki je odvisna tudi od temperature elektrolita oziroma temperature okolice). Regulator napetosti je pritrjen na zadnjem ležajnem pokrovu alternatorja, hlajenje regulatorja je izvedeno z osnovno ventilacijo alternatorja. Tokovne karakteristike alternatorja Karakteristika alternatorja je običajno prikazana kot oddani tok v odvisnosti od vrtljajev alternatorja (slika 2.2) pri konstantni izhodni napetosti in predpisani temperaturi okolice. Vzrok za tak način podajanja karakteristik je v tem, da alternator deluje pri različnih vrtilnih hitrostih, odvisno pač od delovanja motorja. Na celotnem območju delovanja (vrtljajev) mora zagotoviti optimalno polnjenje akumulatorske baterije in ostalih električnih porabnikov vozila. Slika 2.2: Tokovne karakteristike alternatorjev v odvisnosti od vrtljajev. Konstrukcija alternatorja je takšna, da začne oddajati tok pri vrtljajih med 800 in 1400 min -1, tako da je potrebno za vsako aplikacijo (vozilo) ustrezno upoštevati razmerje minimalnih vrtljajev motorja z notranjim izgorevanjem v prostem teku (vrtljaji prostega

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 6 teka) in vrtljajev alternatorja, pri katerih začne oddajti tok (določitev ustreznega prestavnega razmerja). Določeno prestavno razmerje mora biti takšno, da lahko alternator zadovoljivo pokriva potrebe električnih porabnikov in optimalno polni baterijo v celotnem območju vrtljajev motorja vozila. Minimalno vrtilno hitrost alternatorja lahko definiramo kot vrtilno hitrost, pri kateri napetost alternatorja doseže nazivno napetost in pri kateri alternator začne oddajati tok (dejansko se alternator vzbudi že prej pokrivanje lastne porabe). Maksimalna vrtilna hitrost alternatorja je odvisna od vrtečih se podsestavov alternatorja (rotor, ležaji). V glavnem so to vrednosti do nekje 18000 min -1, odvisno od aplikacije, zahtev,.... Maksimalni tok alternatorja je definiran pri maksimalni definirani vrtilni hitrosti alternatorja. Nazivna vrtilna hitrost alternatorja je 6000 min -1, pri kateri je definiran nazivni tok alternatorja. 2.2 Splošno o usmerniku Trifazno napetost, ki se inducira v statorskem navitju, moramo usmeriti tako zaradi polnjenja akumulatorske baterije kot zaradi električnih naprav in sistema v vozilu. Ta del alternatorja imenujemo usmernik. Usmernik je sestavljen iz naslednjih elementov. močnostnih diod, ki so poglavitni del usmernika, saj skoznje teče ves tok, ki ga alternator odda v vozilo ali stroj. Uporabljajo se tri ali štiri močnostne diode za vsak polval. Izbira števila diod je odvisna od vezave alternatorja in želenega izkoristka. Vezava diod je v obeh primerih vezav navitij statorja, zvezda ali trikot, enaka. Pri alternatorjih z visokimi vrtilnimi hitrostmi in velikimi specifičnimi močmi uporabljamo namesto navadnih usmerniških diod močnostne Zener diode. hladilnih elementov, v katere so vtisnjene polprevodniške diode, ki morajo biti konstruirani tako, da so temperature na diodah manjše od maksimalnih dopustnih v celotnem temperaturnem območju delovanja. Odvečna toplota se mora zanesljivo odvajati. Iz teh razlogov so močnostne diode vgrajene v hladilna telesa. Vedno se vgrajuje tri oziroma štiri pozitivne diode skupaj v pozitivno hladilno telo, tri oziroma štiri negativne diode skupaj v drugo hladilno telo. Ti telesi nam služita tudi kot tokovodnika. Plus pol akumulatorske baterije je povezan s pozitivnim hladilnim telesom. Negativno hladilno telo

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 7 je običajno neposredno pritrjeno na zadnji ležajni pokrov alternatorja, razen pri alternatorju z izolirano maso, kjer je minus priključek akumulatorske baterije vezan na negativno hladilno telo. Vzbujalne diode služijo za potrebe vzbujalnega navitja. Nameščene so samo za pozitiven polval, tokokrog pa se zaključuje preko treh negativnih diod močnostnega dela usmernika. Ne potrebujejo dodatnih hladilnih elementov, saj je tok skoznje sorazmerno majhen. V vezju so vedno tri diode, čeprav ima močnostni del usmernika štiri diode. Priključki so spoji med navitji statorja z diodami ter na drugi strani povezava z sistemom vozila ali stroja. Nameščen je tudi priključek, na katerega so povezane vzbujalne diode, tako da nanj priključimo tokokrog vzbujanja. Usmernik deluje na principu polnovalnega usmerjanja. To pomeni, da usmerja obe polperiodi, tako pozitivno kot negativno. Pozitivno polperiodo faz u,v in w prepuščajo pozitivne diode, negativne polperiodo pa negativne diode.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 8 Slika 2.3: Polnovalno usmerjanje trifaznega sistema. Slika 2.3 prikazuje rezultat polnovalnega usmernika - iz trifazne izmenične napetosti dobimo valovito enosmerno napetost, oziroma iz trifaznega toka enosmerni tok (tudi valovit, kot posledica valovite enosmerne napetosti). Usmerjena napetost je sestavljena iz šestih pulzov za en polovni par enem obratu rotorja. Ker pa v našem primeru imamo 6 polovnih parov je število pulzov šestkrat večje.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 9 Iz tega sledi, da dobimo 36 pulzov na izhodu usmernika B+/masa za vsak vrtljaj rotorja. Natančni pogled nas poduči, da prevaja vsaka dioda 2π/3 periode in da vedno prevajata dve diodi hkrati, ena v pozitivni in druga v negativni smeri. 3 6 U SR U f (2.1) pri čemer je U f temenska vrednost napetosti in v posamezni fazi usmernika. To»zaostalo valovitost«nam delno zgladi akumulatorska baterija, ki je vezana paralelno z alternatorjem. V vsaki polperiodi dve diodi prevajata. Zato je padec napetosti na usmerniku vedno enaka dvema padcema napetosti na diodi. Zaporna napetost, ki jo morajo diode prestati, je enaka temenski vrednosti napetosti, ki jo inducirajo navitija alternatorja. Usmernike s štirimi usmerniškimi diodami uporabljamo v vezavi zvezda, ko želimo še dodatno izkoristiti potencial energijo iz zvezdišča. Teoretično sta pri taki vezavi tok in napetost enaka nič, zato nevtralni vodnik ni potreben. Pri alternatorju je zaradi razlik v geometriji krempljastih polov, navitij, vodnikov ter priključkov nevtralna točka dobi nek potencial. Ta potencial, ki se periodično spreminja od pozitivnega do negativnega, povzroča tretja harmonska komponenta napetosti. Slika 2.4: Prikaz izkoriščanja tretje harmonske komponente.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 10 U 1 - fazna napetost U 3 - tretja harmonska komponenta napetosti. Ta signal je superponiran osnovni harmonski komponenti napetosti in ima trikratno frekvenco osnovne. Energijo, ki je tako dobljena bi bila normalno izgubljena, če ne bi bilo priključeno zvezdišča preko dveh dodatnih diod. Diodi sta priključeni kot pozitivna in negativna dioda na zvezdišče. Izkoristek takega usmernika in zato tudi alternatorja je do 15% boljši (dobimo do 15 % večji izhodni tok). Poleg usmerjanja izmenične napetosti ima usmernik in s tem tudi usmerniške diode v alternatorju še dodatno funkcijo. S svojo polariziranostjo namreč preprečujejo praznjenje akumulatorske baterije preko statorskega navitja, kadar alternator oziroma motor, ki ga poganja, miruje. Tok lahko torej teče le od alternatorja k akumulatorju in ne obratno. 2.3 Splošno o polprevodnikih in diodah Polprevodniki so materiali, ki imajo posebne električne lastnosti. Pri zelo nizki temperaturi so izolanti, pri višji temperaturi pa se obnašajo kot slabi prevodniki. Atomi polprevodniških materialov imajo štiri elektrone na zunanji obli, zato pravimo, da so štirivalenčni. V prostoru se atomi razporedijo simetrično v monokristalno mrežo, kjer vzpostavijo med seboj posebne vezi, ki jim pravimo kovalentne vezi. Vsak od atomov prispeva vsakemu sosedu po en elektron iz zunanje oble. Ker ima vsak atom po štiri sosede, to pomeni, da krožijo na zunanji obli poleg njegovih štirih še štirje sosedovi elektroni. Skupaj torej osem. Na ta način so zunanje oble atomov izpolnjene. Čisti polprevodnik ima pri nizkih dovedenih energijah lastnost izolanta, pri dovolj veliki dovedeni energiji pa se obnaša kot slab prevodnik. To lastnost imajo štirivalenčni elementi silicij, germanij in ogljik ter nekatere kemične spojine. Pri primerno veliki dovedeni energiji določeno število atomov v polprevodniku ionizira. To pomeni, da imajo elektroni dovolj energije, da zapustijo svoj atom in postanejo prosti. Pobegli elektron pusti za seboj v atomu praznino, torej primanjkljaj enega elektrona, ki ji pravimo vrzel. Atom postane pozitiven ion, toda že pri nizkih energijah se zgodi, da v to praznino vskoči elektron iz sosednjega atoma. V tega sedaj vskoči elektron iz naslednjega soseda in tako naprej. Vrzel se tako prosto premika iz atoma na atom in prispeva k prevodnosti materiala. Zato si lahko vrzel predstavljamo kot pozitiven gibljiv delec, ki ima naboj po vrednostim enak elektronu.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 11 Iz vsakega ioniziranega atoma dobimo par prosti elektron in vrzel. Tako kot nastajajo oziroma se generirajo, tudi izginjajo. Temu pojavu pravimo rekombinacija, ki se zgodi vsakič, ko elektron izgubi toliko energije, da pade v valenčni pas. Pri tem izgineta elektron v prevodnem in vrzel v valenčnem pasu. Pomembno spremembo v električni lastnosti polprevodnika dosežemo s tako imenovanim dopiranjem. Pri tem postopku v strukturo polprevodnika dodajamo primesi atome tujih elementov, ki zaradi različnega valenčnega števila močno izboljšajo prevodnost. Take primesi so lahko petvalenčne ali pa trivalenčne. Poglejmo si lastnosti polprevodnika za n-tip in p-tip polprevodnika. Ker prevladujejo kot nosilci električnega toka negativni elektroni, se tak polprevodnik imenuje n-tip polprevodnika. Ko se ustvarja kristal polprevodnika, se lahko na različna mesta v njegovi strukturi namesto atomov polprevodnika vselijo atomi tuje primesi. Če to mesto zasede petvalenčni atom (atom, ki ima pet elektronov na zunanji obli), se štirje valenčni elektroni spojijo v kovalentne vezi s silicijevimi atomi, peti valenčni elektron pa ne. Ta elektron ima tako majhno vezalno energijo (to je energija, s katero je elektron vezan na atom), da se že pri nizki dovedeni energiji odtrga od atoma. Za sabo pusti nepremičen pozitiven ion, sam pa se lahko prosto giblje po materialu. Večje število primesi povzroči povečanje števila prostih elektronov, ki občutno povečajo prevodnost polprevodnika. Petvalenčne primesi, dajo svoj elektron, zato jih imenujemo donorji. Čim več jih je, boljša je prevodnost polprevodnika. Ravno nasprotno kot pri n-tipu polprevodnika je pri p-tipu polprevodnika. Namesto prostih elektronov imamo proste vrzeli. To ustvarimo tako, da v polprevodniški material vrinemo trivalenčne atome. Vsi trije elektroni se spojijo v valenčne vezi z obkrožajočimi silicijevimi atomi. Četrta kovalentna vez ostane prazna, kar povzroči, da že pri sobni temperaturi prileti vanjo elektron iz okolice. Ta pa pusti za seboj gibljivo vrzel, ki omogoča večjo prevodnost. Snovi, ki jih dodajamo polprevodnikom imenujemo akceptorji. Ko v polprevodniku ustvarimo področja z različnimi koncentracijami primesi donorjev in akceptorjev, se meja, ki loči z donorji bogatejše področje od področja, bogatejšega z akceptorji, imenuje pn spoj. Različna koncentracija elektronov in vrzeli v obeh tipih povzroči difuzijski tok. Prosti elektroni namreč iz n-tipa odtekajo v p-tip polprevodnika, ker jih je tam manj. Tako pustijo za sabo pozitivne ione, ki so nepomični in zato ostanejo v

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 12 n-tipu. Enako se zgodi z vrzelmi, ki odtekajo iz p-tipa v n-tip, ker jih je tam manj. Za njimi ostanejo v p-tipu polprevodnika negativni ioni, ki so nepomični. Slika 2.5: pn spoj Prostorski naboj je sedaj neenakomerno razporejen, posledica tega pa je električno polje, ki ima smer od pozitivnega naboja (zaradi pozitivnih ionov) v n-tipu proti negativnemu naboju (zaradi negativnih ionov) v p-tipu polprevodnika. Električna poljska jakost tega polja je tem večja, čim več elektrin preide iz enega v drugi tip. Po smeri pa nastalo električno polje deluje na proste elektrine zaviralno, tako da pri določeni vrednosti zaustavi odtekanje. Vzpostavi se ravnovesno stanje. Slika 2.6: Zaporno ali prehodno področje pn spoja. Električna nevtralnost se poruši le v ozkem predelu med n in p-tipom polprevodnika, ki ji pravimo zaporna plast oz. prehodno ali osiromašeno področje. Osiromašeno zato, ker se v njem ne zadržujejo proste elektrine. To področje je širše tam, kjer je koncentracija primesi manjša.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 13 Diode Delovanje diode Diodo si lahko predstavljamo kot ventil, ki prepušča električni tok samo v eno smer. Zato lahko na diodo priključimo napetost v prevodno ali pa v zaporno smer. Povedali smo že, da je v okolici pn spoja področje brez prostih nosilcev elektrin, ki se imenuje zaporna plast, in da tam vlada električno polje. Elektron, ki bi hotel iz n-tipa v p- tip, bi na svoji poti zašel v omenjeno električno polje, kjer bi ga električna sila potegnila zopet v n-tip. Enako bi se zgodilo z vrzeljo, ki bi potovala iz p-tipa polprevodnika. Če na diodo priključimo električni vir tako, da je katoda na pozitivnem, anoda pa na negativnem potencialu, bo ta napetost še povečala električno polje v pn spoju in tako še bolj preprečila potovanje elektronov proti pozitivnemu polu ter vrzeli proti negativnemu polu vira. Tok skozi diodo ne bi stekel. Če anodo priključimo na pozitivni pol vira, katodo pa na negativni, smo diodo priključili v prevodno smer. Tako priključena napetost se odšteva od difuzijske napetosti, ki vlada na pn spoju: U D -U BAT. Ker se zmanjša napetost preko zaporne plasti, se zmanjša tudi zaviralno električno polje. Čim večja je napetost vira, tem manjše je zaviralno električno polje in vse več je elektronov in vrzeli, ki sedaj prehajajo iz enega v drugi tip polprevodnika. Ko zunanja napetost povsem nevtralizira notranjo difuzijsko napetost, zaporne plasti ni več in tok skozi diodo naglo narašča. Proizvajalec, ki je vodilno svetovno podjetje za elektroniko v avtomobilski industriji, je začel z proizvodnjo silicijevih diod za alternatorje leta 1967. Leta 1981 so jih začeli razvijati in čez dve leti so začeli s proizvodnjo Zener diod, ki se danes uporabljajo v večini usmernikov za alternator. Pri teh diodah je koncentracija primesi n-tipa visoka. Kasneje so razvili diodo z visoko koncentracijo primesi in jo poimenovali kot prva generacija Zener diode. 1997 so začeli z raziskavami in razvojem na drugi generaciji Zener diod, ki so narejene iz treh plasti tako, da je koncentracija primesi v dveh spojih različna. Te se sedaj največ uporabljajo, saj imajo odlične električne in toplotne lastnosti. Prevodna karakteristika Zener diode je podobna karakteristiki usmerniške silicijeve diode. Pri zaporni napetosti, ki je nižja od prebojne, teče majhen zaporni tok v vrednosti nekaj nanoamperov. Ko pa prekoračimo zaporno napetost preboja (U Z ), začne zaporni tok

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 14 strmo naraščati. Vsako dodatno povečanje zaporne napetosti povzroči strmo povečanje zapornega toka. Slika 2.7: Karakteristika Zener diode. Zaradi tega moramo tok ustrezno omejiti, saj je dopustni tok v zaporni smeri občutno nižji od dopustnega toka v prevodni smeri. Prebojne diode za napetosti do 5V prevajajo v zaporno smer zaradi Zenerjevega efekta, nad to napetostjo pa zaradi plazovitega preboja. Prav zaradi prvega pojava so te diode dobile ime Zenerjeve diode (čeprav Zenerjev efekt velja samo za tiste do 5 V). Prebojno napetost določijo pri izdelavi diode z ustreznim dopiranjem (dodajanjem primesi) in znaša nekje od 1,8 V pa do 200 V. Dioda ima v področju Zenerjevega preboja negativni temperaturni koeficient, v področju plazovite ionizacije pa pozitivnega. Zener dioda, vgrajena v usmerniški mostiček alternatorja, ima dvojno funkcijo. V hladilno telo je vgrajena tako, da pri normalnem delovanju alternatorja deluje v prevodnem področju kot normalna usmerniška dioda. Pri nenadnih velikih spremembah tokovne obremenitve alternatorja, posebno pri visokih vrtilnih hitrostih, se v alternatorju inducirajo visoke napetostne konice. Zenerjeva dioda s svojo karakteristiko v zaporni smeri zaščiti elektronske sestavne dele alternatorja in napetostno občutljive porabnike v vozilu ali stroju pred poškodbo. Uporabljena Zenerjeva dioda ima visoko delovno temperaturo in temperaturo skladiščenja, do 225 C (diode I. generacije do 215 C). To je zelo dobra lastnost, saj je temperatura okolice v alternatorjih precej visoka, znaša tudi do 120 C.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 15 Zgrajena je iz ohišja, ki je standardno in ga imenujemo press-fit, služi tudi kot toplotni most med pn spojem in hladilnim rebrom, v našem primeru hladilnem elementu na usmerniku alternatorja. Povezovalna žica služi za povezavo med pn spojem in napajalno napetostjo. Izhodno napetost pa odvzemamo na ohišju diode, oziroma ravno nasprotno, odvisno od vrste diode. Slika 2.8: Zgradba press-fit diode. Pri press-fit diodah uporabljamo dve vrsti diod, ki se razlikujejo po tem, da je polprevodniški material vgrajen v različnih smereh, odvisno od priključitve diod na pozitivno ali negativno hladilno telo (glej Električno vezalno shemo alternatorja na sliki 2.1). Tako jih na usmerniku imenujemo pozitivna ali negativna dioda. 3. SPLOŠNI MERILNI POGOJI IN OZNAČEVANJE DIOD V USMERNIŠKEM MOSTIČU 3.1 Splošni merilni pogoji Splošni merilni pogoji, ki so zahtevani pri vseh meritva, so naslednji: vse meritve in preizkuse opravimo pri standardni temperaturi okolice 23 C 5 C razen, če so v posamezni točki predpisa pogoji posebej opredeljeni. Menimo, da je

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 16 alternator v hladnem stanju takrat, kadar se njegova temperatura ne razlikuje od standardne temperature okolice za več kot 2 C, meritve alternatorja izvajamo z instrumenti razreda točnosti najmanj 0,5 za električne veličine (r 0,5), 1,5 za vrtilni moment alternatorja (r 1,5), 1,0 za vrtilno hitrost alternatorja (r 1) in temperaturo merimo s točnostjo 1 C, za zunanji videz alternatorja je pomembno, da morajo biti njegove površine brez odrgnin, sledi udarcev, zarjavelih mest ter drugih poškodb, ki bi lahko vplivale na delovanje alternatorja in mu skrajšale življenjsko dobo. Zaščite morajo ustrezati konstrukcijski dokumentaciji. 3.2 Označevanje usmernikov in diod v usmerniškem mostičku Vsak usmerniški mostič moramo označiti z zaporedno številko. To je potrebno zato, da kasnejše rezultate lahko primerjamo med seboj in da točno določimo, kateri bo za katero meritev, oziroma preizkus. V nasprotnem primeru bi lahko en usmernik uporabljali v dveh ali več preizkusih. Tako bi dobili napačne rezultate. Označevanje diod izvajamo tako, da meritve padca napetosti, zenerjeve napetosti ter reverznega toka vedno merimo na isti diodi in jih kasneje med seboj lahko primerjamo. Določeno je označevanje diod. Diodo, ki je najbližje vijaku B+, označimo s št. 1, tisto, ki je najbolj oddaljena od vijaka B+, pa s številko 3. Če je na usmerniku tudi zvezdiščna dioda, jo označimo s št. 4. Diode na pozitivnem hlad. telesu označimo s +, tiste na negativnem pa z. Tako dobimo oznake diod 1+, 2+, 3+, (4+) in 1, 2, 3, (4 ).

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 17 Slika 3.1: Označevanje usmerniških diod. Zelena vzbujalne diode. Rdeča močnostne diode na pozitivnem hladilnem telesu. Modra močnostne diode na negativnem hladilnem telesu. Oranžna priključki faz statorja. 4. OSNOVNE MERITVE DIOD USMERNIKA Meritev izvajamo na vseh usmerniških mostičih, ki jih kasneje uporabljamo v preizkusih. 4.1 Reverzni tok Pri zaporni priključeni napetosti vseeno teče skozi diodo majhen tok, ki ga imenujemo reverzni ali zaporni tok. Povzročijo ga predvsem generacije nosilcev naboja v zaporni plasti ter manjšinski nosilci naboja, ki difundirajo skozi zaporno plast. Oba toka sta zelo majhna (od nekaj μa do nekaj na, odvisno od materiala polprevodnika) in se s spremembo zaporno priključene napetosti le malo spreminjata. Oba toka običajno obravnavamo skupaj

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 18 govorimo o toku nasičenja diode. Ker je tak tok odvisen od rojevanja elektrin (parov elektron-vrzel) v zaporni plasti, se s povečanjem temperature zvišuje tudi tok nasičenja. Ta narašča eksponentno s temperaturo. Slika 4.1: Tok nasičenja diode. Agilent 4339B je merilni instrument, s katerim lahko merimo najvišje upornosti. Iz tega posledično tudi najmanjše toke pri določeni napetosti. Ima naslednje osnovne karakteristike: število testnih kanalov 1, testna napetost 0,1 do 1000 V, merilni parametri upornost in tok, točnost 0,6%, resolucija displeja 3 / 4 / 5 digitov, merilni čas 10ms / 30ms / 390ms. Merilni instrumenti, ki smo jih potrebovali za meritev: Agilent, 4339B High Resistance Meter, kabli Agilent 16117B, ki jih priključimo na input in output in element (modul) Agilent 04339-60003. Pred prvo meritvijo je potrebno nastaviti inštrument tako, da ga kasneje samo sprožimo za meritev. Instrument je tako narejen, da si nastavitve shrani tudi za kasnejše meritve. Potrebno je nastaviti čas vsiljevanja napetosti, napetost ter kaj nam naj meri. V našem primeru tok. Diodo priključimo v zaporni smeri. Pozitiven vodnik oz. priključek merilnega instrumenta priključimo na pozitivno stran diode, negativen vodnik oz. priključek pa na negativno stran diode. Paziti pa moramo, da če so diode vezane v usmernik, da merimo vsako diodo posebej. Reverzni tok merimo pri napetosti U R =17 V pri diodah, ki so namenjene za alternatorje z nazivno napetostjo 14V in mora biti manjša od 100 μa. Za vzbujalne diode pa velja, da mora biti reverzni tok manjši ali enak 5μA pri preizkusni napetosti 400V.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 19 Tabela 4.1: Meritve močnostnih diod pred preizkusom U R = 17V; T = 25 o C Dioda I R1 (μa) I R2 (μa) I R3 (μa) I R4 (μa) + 48 43 51 46 41 44 42 44 Tabela 4.2: Meritve močnostnih diod po preizkusu. U R = 17V; T = 25 o C Dioda I R1 (μa) I R2 (μa) I R3 (μa) I R4 (μa) + 57 50 59 53 46 49 47 48 Tabela 4.3: Meritev vzbujalnih diod pred in po preizkusu. U R =400V; T=23 o C Dioda I R1 (na) I R2 (na) I R3 (na) pred pr. 55,7 52,3 53,4 po pr. 72,6 72,1 71,3 Te meritve so samo osnovna kontrola diod. Le redkokdaj se zgodi, da bi parametri pri meritvi pred preizkusom odstopali od parametrov, ki jih podaja proizvajalec, saj jih že v proizvodnji testira in tako zagotovi skoraj 100% zanesljivost. Do odstopanja pa bi lahko prišlo po opravljenem preizkusu, saj morajo te diode prestati več kot pri normalnem delovanju (pospešeni preizkusi). 4.2 Padec napetosti v prevodni smeri Zaradi električnega polja v pn spoju sta p in n plast na različnih električnih potencialih. Razliki potencialov preko zaporne plasti pravimo potencialni prag. Od njega je odvisna višina napetosti, ki jo moramo priključiti na pn spoj, da bo dioda prevajala. Napetosti, kjer

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 20 začne tok v prevodni smeri strmo naraščati, pravimo napetost kolena. Odvisna je predvsem od materiala polprevodnika ter od števila primesi. Slika 4.2: Padec napetosti v prevodni smeri. Ko prekoračimo napetost kolena, začne tok skozi diodo strmo naraščati. Dioda postaja vse prevodnejša, kar tudi pomeni, da lahko prevelik tok uniči spoje znotraj diode, ki bo zato nehala prevajati. Tej napetosti lahko rečemo padec napetost v prevodni smeri. Merilni instrumenti in potreben pribor za izvedbo meritve: usmernik Agilent E3634A za meritev vzbujalnih diod in usmernik HP 6032A 60V 50A za merjenje zenerjevih diod, 4 vodniki z bananami in krokodili za meritev po 4 žični metodi, 2 vodnika uporabljamo za tok, 2 pa za tipanje napetosti (sense), multimeter Agilent 34401A. Za meritev je potrebno najprej nastaviti tok, kot je določeno za posamezno vrsto diode. Tok nastavimo s pomočjo ampermetra, ki ga zaporedno vežemo z eno od diod usmernika. Ker se med nastavitvijo dioda segreje, moramo to diodo izmeriti kasneje (na koncu vseh meritev). Meritev toka med meritvijo padca napetosti diod ni potrebna, ker se nastavitev toka na usmerniku ohrani. Pravilno nastavitev toka preverimo še na koncu. Opravimo tudi testiranje vodnikov in spojev. Krokodile vodnikov za tok in vodnikov za tipanje napetosti sklenemo čim bližje skupaj in spustimo tok, ki je predpisan za meritev diod. Padec napetosti, ki ga odčitamo na usmerniku, mora biti čim nižji (<0,01V).

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 21 Minus vodnik (krokodil) priključimo na vijak D+ za merjenje vzbujalnih diod ter B+ za merjenje zenerjevih diod kamor priključimo tudi tipanje. Plus vodnik priključimo na pin diode, ki je v zraku (tu pride prispajkana faza statorskega navitja). Čim bližje spoju krokodila in pina priključimo tipanje, Z meritvijo začnemo tako, da vključimo usmernik. Meritev moramo opraviti čim hitreje, ker se dioda segreva in s tem se tudi spreminja vrednost. Postopek meritve ponovimo za vsako diodo posebej. Padec napetosti na zenerjevih diodah ΔU=1,1V pri toku, ki je enak nazivnemu toku diode. ter vzbujalnih diodah mora biti manjši od Tabela 4.4: Padec napetosti v prevodni smeri močnostnih diod pred preizkusom. I = 35A; T =25 o C Dioda U F1 (mv) U F2 (mv) U F3 (mv) U F4 (mv) + 930 925 926 928 943 931 926 925 Tabela 4.5: Padec napetosti v prevodni smeri močnostnih diod po preizkusu. I = 35A; T =25 o C Dioda U F1 (mv) U F2 (mv) U F3 (mv) U F4 (mv) + 921 923 923 925 935 926 923 922 Tabela 4.6: Padec napetosti v prevodni smeri vzbujalnih diod. I=3A; T=25 o C Dioda U F1 (mv) U F2 (mv) U F3 (mv) pred pr. 966 947 967 po pr. 899 891 902

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 22 Te pogoje so izpolnile vse diode, saj so izmerjene vrednosti znotraj predpisanega področja. Iz meritev pa je tudi lepo razvidno, da se z delovanjem diode in obremenitvami začetna vrednost le malo spremeni. 4.3 Zenerjeva napetost Ko napetost večamo, se veča tudi električno polje v pn spoju. Z njim postaja tudi sila na elektrine vse večja. Pri določeni zaporni napetosti, ko je sila na atome v zaporni plasti že dovolj velika, se začnejo elektroni trgati iz valenčnih obel atomov in stečejo proti n-tipu. Atomi, ki tako ionizirajo, močno povečajo koncentracijo elektrin v zaporni plasti in s tem tok v zaporni smeri diode. Do izrazitega Zenerjevega pojava pride, če ima polprevodnik veliko primesi in zato zelo ozko zaporno plast. Napetost, pri kateri se zgodi ta pojav, imenujemo Zenerjeva napetost. Slika 4.3: Karakteristika Zenerjeve diode v zaporni smeri. Merilni instrumenti, ki smo jih potrebovali za meritev: usmernik Agilent E3634A, multimeter Agilent 34401A in vodniki s priključki. Nastavimo omejitev toka, kot je določena v predpisu oz. kot jo zahteva naročnik meritve. Pred meritvijo natančno preverimo nastavljeni tok. Ker usmernik ni umerjen, moramo točnost nastavitve toka preveriti z multimetrom. Multimeter zaporedno vežemo z usmernikom in eno diodo in točno nastavimo tok (5 0,2mA). Meritev toka med meritvijo padca napetosti diod ni potrebna, ker se nastavitev toka na usmerniku ohrani. Pravilno nastavitev toka preverimo še na koncu.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 23 Za meritev Zenerjeve napetosti imamo dva sistema merjenja, in sicer meritev diod na pozitivnem hladilnem telesu in meritev diod na negativnem hladilnem telesu. Tako priključimo diode, ki so nameščene na pozitivnem hladilnem telesu, plus vodnik (krokodil), na vijak, kamor priključimo tudi tipanje. Minus vodnik priključimo na mesto, kjer je zvarjen pin diode oziroma kamor pride prispajkana faza statorskega navitja. Čim bližje Krokodila moramo priključiti čim bliže tipanjea Nato opravimo meritev. Postopek ponovimo za vsako diodo posebej. Enak postopek je tudi za diode na negativnem hladilnem telesu s to razliko, da je minus vodnik priključen na negativno hladilno telo, plus priključek pa na pin diode. Razlika med zenerjevimi napetostmi zenerjevih diod sme biti največ 1,5V. Tabela 4.7: Zenerjeva napetost močnostnih diod pred preizkusom. I Z = 5mA; T =25 o C Dioda U Z1 (V) U Z2 (V) U Z3 (V) U Z4 (V) + 21,55 20,87 21,09 21,85 21,90 21,00 21,17 20,74 Tabela 4.8: Zenerjeva napetost močnostnih diod po preizkusu. I Z = 5mA; T =25 o C Dioda U Z1 (V) U Z2 (V) U Z3 (V) U Z4 (V) + 21,46 20,79 21,00 21,77 21,81 20,91 21,09 20,65 Vidimo lahko, da so vse diode v istem napetostnem območju in v nobenem od usmernikov ni napetostne razlike med diodami za več kot 1,5V. Problem pa je nastal, kadar usmernik ni zdržal preizkusa, saj nismo mogli izvesti meritve diod po preizkusu.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 24 5. MERJENJE KARAKTERISTIK ALTERNATORJA Izvajamo ga na vseh vzorcih ali alternatorjih, na katerih izvedemo spremembe pred vsakim preizkusom ali meritvijo in po njem, razen če konstruktor izrecno ne zahteva meritve, se ta ne izvaja. Testni usmernik mora biti nameščen v alternator. To je vsekakor potrebno, saj le tako lahko vidimo, če alternator deluje pravilno, oziroma je v mejah, ki jih predpisuje standard. Preizkusne metode in pogoji meritev so osnovani na standardu ISO 8854. 5.1 Preizkusna naprava in pogoji meritev Alternator montiramo na preizkusno napravo, ki je opremljena z reguliranim motorskim pogonom, akumulatorsko baterijo, obremenilnim uporom in odgovarjajočimi kabli za povezavo. Naprava mora omogočati merjenje in registracijo napetosti na sponkah alternatorja, toka alternatorja, vrtilne hitrosti alternatorja, momenta na pogonski osi naprave ter temperatur podsestavnih delov alternatorja. Naprava za merjenje karakteristik alternatorjev. Sestavljena je iz pogona, elektronskega bremena, vpenjalnega dela, merilnikov in nadzorno krmilnega modula, ki programsko ali ročno preko računalnika meri in shranjuje izmerjene karakteristike alternatorja. Št.naprave: 76557 Proizvajalec: ISKRA AVTOELEKTRIKA Naziv / Tip naprave: MKG II Slika 5.1: Merilna naprava za merjenje karakteristike alternatorja MKG II

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 25 Naprava omogoča: merjenje karakteristik različnih tipov alternatorjev merjenje maksimalnega toka alternatorja v odvisnosti od vrtljajev pri nastavljeni konstantni regulirni napetosti merjenje mehanskega momenta pri maksimalni obremenitvi v odvisnosti od vrtljajev Tehnični podatki: Pogon o Moč pogonskega motorja: 15 kw o Vrtljaji pogonskega motorja: 0 3000 min -1 o Vrtljaji alternatorja: 0 12000 min -1 o Moment: 20 Nm Elektronsko breme HP 6050A o Moč bremena: 10 kw o Max.napetost: 60 VDC o Max. tok pri U=14V: 150 A o Max. tok pri U=28V: 75 A o Predpisi: ISO 8854 Akumulatorska baterija ustrezne nazivne napetosti mora biti popolnoma napolnjena, nazivna kapaciteta akumulatorske baterije, izražena v amper-urah (Ah), pa ne manjša kot 50% nazivnega toka alternatorja. V vzbujalni tokokrog mora biti vključen pripadajoči regulator. Skupni padec napetosti na kablih v tokokrogu alternatorja (alternator akumulatorska baterija - breme) sme znašati največ 0.03U n pri maksimalnem toku alternatorja. Temperaturo okolice merimo na mestih, kjer hladilni zrak vstopa v alternator oziroma na strani alternatorskega usmernika, in sicer 500 mm od merjenca. Temperaturna sonda je nameščena v osi alternatorja.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 26 Točke, pri katerih merimo tok, moment, so podane glede na število vrtljajev alternatorja. Ti so sledeči: vrtljaji, pri katerih alternator začne oddajati tok ( 1000min -1 ) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 5000 6000 9000 n max min -1 Tabela 5.1: Napake pri meritvah. Parameter Točnost (%) Napetost ±0,3 Tok ±0,5 Vrtilni moment ±2 Vrtljaji ±1 S1 2X 12V Aku. baterija + - R Shunt S2 A V S3 Alternator B+ D+ B- Sklopka Temperaturne sonde 14x NiCrNi M/n I (A) U B+ (V) T( o C) M(Nm) n(min -1 ) Elektricni pogonski motor U B+ I M n P0(kW) P1(kW) T Slika 5.2: Shema naprave za merjenje karakteristik alternatorjev. 5.2 Segrevanje alternatorja Alternator se segreva, ker se tokovne karakteristike merijo pri segretem alternatorju pri zahtevani temperaturi okolice. Tako zahteva ISO 8854 standard. Če je alternator na delovni temperatur je izhodni tok manjši, kot če je hladen. Saj je upornost navitij maksimalna in tedaj oddaja najmanj toka. Menimo, da je alternator v hladnem stanju takrat, kadar se njegova temperatura ne razlikuje od standardne temperature okolice 23 C 5 C za več kot 2 C. To tudi pojasnjuje enačba o upornosti žice. R R (1 T ) (5.1) W k

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 27 kjer je: R W - upornost žice pri povišani temperaturi R k upornost žice pri sobni temperaturi α temperaturni koeficient upornosti ΔT sprememba temperature Sam postopek izvedemo na sledeči način: alternator v hladnem stanju montiramo na preizkusno napravo, vežemo ustrezno po shemi in vrtimo 30 minut pri vrtilni hitrosti 3000 min -1 30 min -1 in pri maksimalnem toku, ki ga lahko da pri napetosti 13 V 0.1 V glede na nazivno napetost alternatorja. Napetost reguliramo s pomočjo obremenilnega upora. 5.3 Meritev vrtilne hitrosti, pri katerih alternator začne oddajati tok (točka začetka oddajanja toka) Meritev je del tokovne karakteristike alternatorja. Točka je pomembna, ker le tako izvemo, če alternator oziroma regulator delujeta pravilno in mora ustrezati zahtevani točki za posamezen alternator. Izvedemo jo na sledeči način: takoj po končanem segrevanju alternator zaustavimo. Pri odklopljenem obremenilnem uporu alternator zavrtimo in dvigamo vrtilno hitrost do hitrosti, pri kateri alternator začne oddajati tok (točka začetka oddajanja toka). Meritev mora biti izvedena najkasneje 30 sekund po zaustavitvi alternatorja. Meritev izvajamo tudi na hladnem alternatorju po istem merilnem postopku, le da alternatorja ne segrevamo. 5.4 Meritev karakteristike I=f(n) alternatorja Meritev tokovne karakteristike alternatorje je ena pomembnejših. Iz nje lahko razberemo, kako se alternator obnaša (oddaja tok) pri določenemu številu vrtljajev. Po končanem segrevanju in meritvi točke začetka oddajanja toka izvedemo meritev karakteristike I= f(n) alternatorja pri regulirani napetosti 13 V 0.1 V. Regulirano napetost nastavljamo z obremenilnim uporom. Vrtilno hitrost alternatorja zvezno spreminjamo od točke začetka oddajanja toka do vrtilne hitrosti 8000 min -1. Čas trajanja meritve ne sme biti daljši od 30 sekund.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 28 Meritev karakteristike I=f(n) hladnega alternatorja se izvede po enakem merilnem postopku, kot je navedeno zgoraj, le brez segrevanja. Izmerjene karakteristike I=f(n) morajo biti višje ali enake karakteristikam I=f(n) za posamezni tip alternatorja, ki so podane v predpisu. 5.5 Meritev karakteristike M=f(n) alternatorja Meritev karakteristike M=f(n) alternatorja izvedemo v istih pogojih kot meritev karakteristike I= f(n) alternatorja, saj jo izvajamo istočasno. Ustrezna karakteristika vhodne moči P 0 = f(n) je izračunana iz meritev momenta (M= f(n)) in vrtilne hitrosti (ω) alternatorja. M 2 n P0 M (5.2) 60 Prav tako je karakteristika izkoristka = f(n) izračunana iz ustreznih merjenih vrednosti električne moči (P el ) ter vhodne moči (P 0 ). P el (5.3) P 0 6. MERITVE IN PREIZKUSI NA USMERNIŠKEM MOSTIČU 6.1 Termično utrujanje usmernikov V preteklosti so uporabljali diode, ki so imele nižjo delovno temperaturo. Z razvijanjem usmerniških diod je prišlo do tega, da je obratovalna temperatura diode narasla. Tako je bilo potrebno spremeniti predpis, da iz 150 C preidemo na 200 C. Sama zgradba usmernika je bila enaka kot do sedaj. Zato preizkusne naprave ni bilo potrebo preurejati. Termoelektrični odjemniki Če sta dve žici različnih materialov povezani v zanko in sta obe stičišči na različnih temperaturnih nivojih, začne teči v zanki tok, ki ga poganja termoelektrična napetost. Zveza med termonapetostjo (ΔU) in temperaturno razliko (ΔT) v splošnem ni linearna,

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 29 opisuje jo enačba tretje stopnje, ustrezen rezultat pa dobimo že z upoštevanjem kvadratnega člena. 2 U a b T c T (6.1) T T1 T2 (6.2) a, b in c so konstante, ki so odvisne od materiala, določimo jih z meritvami v fiksnih temperaturnih točkah. Za majhne temperaturne spremembe lahko pišemo. U k T mv (6.3) kjer je: k [mv/k] koeficient termonapetosti. Termično napetost merimo s sledečim vezjem, ki je prikazan na sliki 6.1. P1, P2, P3 spojne točke kovin T1 temperatura okolice na hladnem mestu P3 zvarjeni žic - točka merjenja temperature T2 Slika 6.1: Vezje za merjenje termične napetosti Vodnika, ki sta vezana zaporedno od točke merjenja temperature do indikatorja napetosti, mora biti iz istega materiala. Vsota termične napetosti v takem vezju je 0, dokler so točke P1, P2 in P3 na enaki temperaturi. Ko pa se pojavi razlika v temperaturi med P2 in P1,P3, pa skozi indikator steče tok, ki je posledica termične napetosti. Velikost termične napetosti je neodvisna od materiala C, dokler sta kontakta P1 in P3 na isti temperaturi. Merimo tok, ki je tudi funkcija upornosti in meritev je pravilna le, če je upornost tokokroga konstantna. Napaka je zanemarljiva, če so variacije upornosti majhne v primerjavi s celotno upornostjo vezja. Tudi sam tok lahko v merilnem vezju povzroči segrevanje, ki vpliva na točnost meritve. Karakteristika K-tipa sonde Temperaturno območje 0 do 1100 C. Kratkotrajno temperaturno območje 180 do 1300 C.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 30 Napaka pri prvi klasi ±1,5 C med 40 C in 375 C ter ±0,004 C med 375 C in 1000 C. Napaka pri drugi klasi ±2,5 C med 40 C in 333 C ter ±0,0075 C med 333 C in 1200 C. Občutljivost je približno 41 µv/ C. Slika 6.2: Barvna koda po IEC-ju. Izdelava K-tipa sonde Izdelamo jo iz posebnega vodnika, ki je zgrajen iz dveh žic iz različnih materialov. Prva je iz niklja, druga pa iz krom niklja. Tudi vsi priključki in nadaljnje povezovalne žice morajo biti iz enakih materialov. V nasprotnem primeru se zgodi, da meritev ni pravilna, ker med dvema različnima materialoma izven spoja nastane neka napetost, ki se prišteje ali odšteje od merjene, in tako dobimo napačen rezultat. Potrebno pa je paziti pri spajanju žic, saj se meritev izvaja na prvem spoju gledano iz merilnika proti merjencu. Sama dolžina vodnika ni pomembna, saj ne teče skoraj nikakršen tok in zato ni nobenega padca napetosti. Izdelava sonde in vgradnja v diode je prikazana na spodnjih slikah. Slika 6.3: Izdelava temperaturne sonde

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 31 Slika 6.4: Vgradnja temperaturne sonde v usmerniški mostič Shunt služi za meritev toka skozi porabnik. Uporabljamo ga zato, ker je tok na bremenu velik in ga ni mogoče drugače izmeriti. Shunt je upor, na kateremu merimo padec napetosti. Upornost mora biti čim nižja, saj se na njem lahko troši velika energija. Posledica tega je segrevanje upora in s tem spreminjanje upornosti. Deluje po principu U-I metode. V tem primeru merimo napetosti (U) in poznamo njegovo upornost (R). Iz teh dveh podatkov po Ohmovem zakonu lahko izračunamo tok (I) skozenj. Enačba je: I U A (6.4) R Naprava za šokiranje usmernikov alternatorjev Sestavljena je iz krmilnika, napajalnika, uporovnega bremena in hladilnega ventilatorja. Št.naprave: 76569 Proizvajalec: ISKRA AVTOELEKTRIKA Naziv / Tip naprave: TPDS I

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 32 Slika 6.5: Naprava za termično utrujanje usmernikov TPDS I Naprava omogoča: ciklično delovanje usmerniških diodnih sestavov pri nastavljenem bremenu in spreminjajočem režimu hlajenja. Tehnični podatki: temperatura izklopa: 0 200 o C temperatura vklopa: 0 200 o C tok vzbujalnih diod 0 20 A tok močnostnih diod 0 100 A pretok hladilnega zraka 2100 m 3 /h Predpisi: Iskra QB.16.920.352, točka 8.2 Data acquisition HP 34970A je sposoben precizno meriti spremenljive signale povezane na merjeno napravo ali celotni sistem. Tri reže za module in moduli služijo za pridobivanje podatkov ali meritve. Kombinacija merjenja podatkov ter shranjevanja le teh naredi instrument prilagodljiv in zelo funkcionalen.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 33 Brez pretvornikov lahko merimo temperaturo, enosmerni tok, enosmerno napetost, upornost, izmenični tok, izmenično napetost, frekvenco in periodo. Najmanjši čas vzorčenja je 2 ms. Ker je notranji pomnilnik omejen na 50000 vzorcev, lahko instrument povežemo z osebnim računalnikom in tako imamo neomejeno shranjevanje podatkov. Nastavitve instrumenta lahko izvedemo preko računalnika ali na samem instrumentu. Komunikacija med računalnikom in Data acquisition je preko RS-232 vodila ali preko HP-IB (IEEE-488) vmesnika. Za urejanje podatkov in nastavitve instrumenta preko osebnega računalnika imamo programsko opremo HP BenchLink Data Logger. Kanale lahko neodvisno konfiguriramo kot funkcije, Mx+B seštevanje ter alarmne nastavitve. Meritve so bile opravljene z napravo za termično utrujanje usmernikov: shunt služi za merjenje toka z inventarno številko 42778 in nazivnim tokom 200 A na 60 mv, meritev temperature na diodi se izvaja s sondo K tipa. Tako tok kot temperaturo merimo z data acquisition HP 34970A s kalibracijsko številko 1-EA099. Postopek meritve je naslednji: usmerniški mostiček namestimo na preizkuševalno napravo. Močnostne diode napajamo z izmenično trifazno napetostjo U ef =13±1 V frekvence 50 Hz. dokler ne dosežemo predpisane temperature na diodi. Z obremenitvenim uporom nastavimo tok tako, da je enak nazivnemu toku mosta. Temperaturo diod merimo na najtoplejši diodi usmernika. Ta temperatura ne sme preseči vrednosti 200 C. Ko dosežemo temperaturo 200 C izključimo napetost iz usmerniškega mostiča in ga začnemo prisilno hladiti, dokler se temperatura ne zniža na 40±5 C. Čas hlajenja mostiča mora biti krajši od 60 sekund. Tako definiran cikel segrevanja in ohlajanja usmerniškega mostu izvedemo brez prekinitve 3000 krat. Če so na usmerniškem mostiču nameščene tudi vzbujalne diode v vezavi zvezda, jih obremenimo s tokom, ki je enak nazivnemu toku diod.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 34 Preizkus izvajamo na usmerniških mostičih 5,6 in 7.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 35 Slika 6.6: Prikaz temperatur in toka na usmerniških mostičih pri termičnem utrujanju usmernika. Ugotovitve Preizkus je izredno zahteven za usmernik oziroma za diode, saj so zelo termično obremenjene. Po tem preizkusu ni potrebna meritev tokovne karakteristike alternatorja z posameznim usmernikom, ker dejansko ustreznost usmernika diod preverimo že z meritvami električnih parametrov diod po preizkusu. Iz meritve je razvidno, da imata diodi, ki sta na notranjem delu usmernika, znatno večjo temperaturo. To je posledica tega, ker tok, ki ga oddajata zunanji diodi in teče po hladilnem elementu, tega dodatno segreva (del usmerjen proti notranjim diodam). Tako je temperatura 'okolice' notranjih diod višja. Notranji diodi se enako segrevata kot zunanji, saj sta enako obremenjeni. Seštevek obojega, temperature hladilnega elementa in temperature diode nam da to povišano temperaturo. Dejansko bi lahko rekli, da je odvajanje toplote z notranjih diod slabše zaradi bolj segretega hladilnega telesa v tistem delu. Na usmerniku številka 5 je prišlo do uničenja nekaterih diod. To je bila najverjetneje posledica uničenja temperaturne sonde na preizkusni napravi za termično utrujanje usmernikov. Tako se je usmernik samo segreval, namesto da bi se izvajalo cikliranje. Ko je temperatura presegla neko zdržno temperaturo in hladilni element ni odvajal dovolj toplot,

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 36 je prišlo do preboja ene od diod in zato do kratkega stika. Tako se je uničilo še nekaj diod, preden se je varovalka izključila. Sama temperatura ni zabeležena, saj smo data acquisition odklopili. 6.2 Prenapetosti dinamično z meritvijo toka skoti diodo Kadar alternator deluje s polno močjo in ga v trenutku razbremenimo, to se v vozilu ali stroju teoretično lahko zgodi zaradi delovanja / odpovedi varovalke, nenadne prekinitve glavnega baterijskega kabla (+), se v statorskem navitju zaradi odklopa obremenitve (in hkrati akumulatorske baterije) in enakega vzbujalnega toka inducira visoka napetost (E). E 4, 44 f N f ˆ n g (6.5) pri čemer je: f frekvenca f pn 60 p število polovnih parov alternatorja n število vrtljajev alternatorja N število vseh ovojev navitja ene faze na statorju f n faktor navitja osnovne harmonske komponente ˆg glavni fluks Ker pa je ˆg odvisen od gostote magnetnega pretoka ( ˆB 1), lahko zapišemo naslednjo enačbo: 2 ˆ ˆg p l e B1 (6.6) Kjer je 2/π faktor za izračun srednje vrednosti gostote magnetnega pretoka v zračni reži stroja, τ p polovna delitev statorske izvrtine in l e ekvivalentna dolžina železnega paketa. Gostota magnetnega pretoka je odvisna od amper-ovojev (Θ v0 ), ti pa od vzbujalnega toka (I v ). Dobimo naslednji enačbi: Bˆ ˆ 0 v 1 (6.7) e ˆ 4 Nv fn v Iv (6.8) 2 p Kjer je δ e ekvivalent zračne reže, N v število vseh ovojev na rotorju, f nν faktor rotorskega navitja osnovne harmonske komponente. Tako dobimo, da je E=f(I v )

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 37 Prenapetost se prenese na diode usmernika. Ker so te Zenerjeve, pri določeni napetosti pride do plazovitega preboja ali Alvalanchevega efekta in tako se ta napetost izniha proti napetosti sistema. Tedaj so diode najbolj obremenjene. Posebej pa še tista, ki ima najnižjo Zenerjevo napetost, saj se največji del energije sprosti na nji. Energija ki se sprošča na diodi, je odvisna od gradienta. Manjši je ta, manjša energija se sprošča. Podana je kot ΔI/Δt [A/μs]. Tako se ta Zenerjeva dioda maksimalno greje in posledica je lahko preboj. Pri sestavi usmernika je potrebno paziti, da so diode v usmerniku v istem napetostnem razredu ( 1,5 V). Napetost na sponkah alternatorja ne sme preseči U ZM. LEM je merilni transformator enosmernega toka. Deluje na principu Hallove sonde. Hallov efekt je odkril Edwin Hall leta 1879. Efekt temelji na Lorentz-ovi sili, ki deluje na gibajoče nosilce električnega naboja v vseh snoveh, ko so le te izpostavljene zunanjemu magnetnemu polju. V prisotnosti tujega magnetnega polja (B), ki je pravokotno na površino senzorja, pa se pot elektronov in vrzeli ukrivi k stranskima stranicama. Na stranicah se kopiči električni naboj (q, a le tako dolgo, ga sila električnega polja zaradi nakopičenega naboja ni enaka Lorentzovi sili, ki deluje na gibajoči naboj. F - q( v B) -qeh. (6.9) Kjer je: v hitrost E H električna poljska jakost v hallovi sondi. Slika 6.7: Osnovna predstavitev Hallove sonde

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 38 Napetost se zaradi nakopičenega naboja imenuje Hallova napetost (u H ). IC B uh EHd v B d, ali U H kh (6.10) d kjer je I C krmilni tok in d širina traku. Napetost je tem večja, in s tem tudi tehnično uporabna, čim večje je razmerje med dolžino in širino polprevodniškega traku l/d. Celotno število prostih nosilcev naboja, ki v časovni enoti preide ploskev S, je enako gostoti toka J J v N q. (6.11) S preoblikovanjem enačbe dobimo u H J B d, (6.12) N q kjer vidimo, da je gostota magnetnega polja premo sorazmerna snovni konstanti senzorja in izmerjeni Hallovi napetosti. Princip delovanja hallove sonde za meritev toka in napetosti. Merilnik vsebuje magnetno jedro, na katerega je navito primarno navitje. Skozi navitje teče merjeni tok, ki v jedru ustvari magnetni fluks (B) z gostoto B 0 lfe r NI kjer je: μ 0 permeabilnost vakuma N število ovojev I tok δ širina zračne reze l FE srednja dolžina silnic μ r permeabilnost jedra (6.13) Hallova sonda je nameščena v zračni reži, zato se na njenem izhodu generira napetost, ki je premo sorazmerna B ter merjenemu toku I. U H RH IH 0 lfe d r H NI (6.14)

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 39 kjer je: R H merilni upor I H tok skozi merilni upor d H širina polprevodniškega traku v zračni reži U H kjer je : k konstanta k NI (6.15) Slika 6.8: Delovanje LEM-a. I - tok skozi merjeni vodnik (primarni tok) Is - sekundarni tok R H - merilni upor U H - izhodna napetost Diferencialna sonda služi za meritve, ki nimajo skupne referenčne točke. Med kanalom osciloskopa ter merjencem tako dobimo galvansko ločitev. V našem primeru sta bili ločeni meritvi na tokovnih transformatorjih, saj nista imela skupnega potenciala s sondama na diodi ter usmerniku. Nekaj osnovnih podatkov diferencialne sonde Agilent N2772A Frekvenčni razpon 0-20 MHz. Čas zamika signala 17,5 ns. Prestavno razmerje 1:20 ter 1:200 odvisno od nastavitne. Maksimalna vhodna napetost proti zemlji 600 V.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 40 Maksimalna diferenčna vhodna napetost 1000 VDC ali 1000 Vrms. Naprava za pogon alternatorja ter električno obremenitev Sestavljena je iz pogona, elektronskega bremena, vpenjalnega dela, merilnikov in nadzorno krmilnega modula. Št.naprave: 76104 Proizvajalec: ISKRA AVTOELEKTRIKA Naziv / Tip naprave: MKG I Slika 6.9: naprava za pogon alternatorja ter električno obremenitev MKG I Naprava omogoča: ročno merjenje karakteristik različnih tipov alternatorjev in regulatorjev. Tehnični podatki: Pogon o Moč pogonskega motorja: 15 kw. o Vrtljaji pogonskega motorja: 0 3000 min -1. o Vrtljaji alternatorja: 0 12000 min -1. o Moment: 20 Nm.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 41 Ohmsko breme o Max. tok pri U=14V: 250 A. o Max. tok pri U=28V: 200 A. o Regulirna napetost: 10 30 V. Predpisi: Iskra QA.11.920.414, točka 7.2.3 Merilni instrumenti, ki smo jih potrebovali za meritev: osciloskop LeCroy WaveRumner 6050A (1-EC009), dva multimetra, ki služita za meritev toka in napetosti HP Multimeter 3478A s kalibracijskima številkama 1-EA050 in 1-EA058, merilnik vrtljajev SHIMPO DT-205L (1-NN022), tokovna merilna transformatorja LEM LA 50-S s prestavnim razmerjem 1:2000 (1- AT010) ter LEM LA 200-P s prestavnim razmerjem 1:2000 in potreben pribor za napajanje in odvzem merjenega signala tokovnega merilnega transformatorja, diferencialna sonda Agilent N2772A 1:200 ter Fluke DP120 1:200, kontaktor, ki služi za izklapljanj polno obremenjenega alternatorja, naprava za pogon alternatorja ter električno obremenitev. Ker se je preizkus napetosti dinamično z meritvijo toka na sami močnostni diodi izvajal prvič, je bilo potrebno merilno vezje prej preizkusiti na usmerniku iz proizvodnje. Tako smo lahko preizkušali pravilnost delovanja merilnega vezja in nastavitev osciloskopa. Predvidevali smo, da so merjene vrednosti približno enake, kot bodo kasneje pri merjenju merjenega usmernika. V nasprotnem primeru, če bi že za prvo meritev uporabili usmernik, ki je bil pripravljen za meritev prenapetosti dinamično (load dump), bi bila prva meritev neuporabna, saj ne bi imeli prav nastavljenega osciloskopa tako, da meritve ne bi mogli zabeležiti. V dilemi smo bili, kako meriti tok skozi diodo: ali naj izberemo shunt ali tokovni merilni transformator, saj nismo vedeli, kako se bo merilni transformator odzival na tako hitre spremembe toka. Zato smo naredili preizkus na obeh merilnikih in ugotavljali razlike.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 42 Legenda barv kot so prikazane na rezultatih. C1 temno rumena tok skozi močnostno diodo merjen s souporom C2 svetlo rdeča izhodna napetost alternatorja U B+ C3 svetlo modra fazna izhodna napetost U W C4 zelena tok skozi močnostno diodo merjen s tokovnim merilnim transformatorjem F1 rumena zoom od C1 F4 zelena zoom od C4 Slika 6.10: Testni preizkus meritve prenapetosti dinamično. Meritev je pokazala, da je merjenje s tokovnim merilnim transformatorjem najbolj primerno. To pa zato, ker na soupor delujejo motnje iz preostalih diod ali navitij alternatorja. To se kaže v tem, da imamo še dodatno valovitost na tokovnem izrisu. Kot lahko vidimo iz preizkusa ima merilni tokovni transformator nek minimalni časovni zamik. Zamik pa ne vpliva na rezultate, saj če pogledamo časovno, je ves čas konstanten in tako dobimo enakovredne rezultate, kot če bi imeli meritev brez zamika. Meritev odklopa bremena smo opravljali na alternatorju 14 V 120 A iz proizvodnje. Namesto originalnega usmernika smo vgradili usmernik z novimi diodami in ena od diod

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 43 na usmerniku ima manjši U Z, kot ostalih sedem diod, saj je na tem navitju za alternator izhod tudi iz zvezdišča. Tako smo imeli dva alternatorja 1A in 1B in nanju vgrajena usmernika. Razlika v usmernikih je bila, da v smo na prvega namestili pozitivno diodo z manjšo Zenerjevo napetostjo, na drugega pa negativno diodo z manjšo Zenerjevo napetostjo. Pred samim testom je bilo potrebno izmeriti še osnovne meritve posameznih diod. Tako smo dobili: Usmernik 1A: Uz (5 ma, 25 C) 21,91 V dioda z manjšo zenerjevo napetostjo in preostale 23,61 V od 23,63 V, I R (17 V, 25 C) od 37 A do 49 A, U F (35 A, 25 C) od 922 mv do 960 mv (meritev pri konstantnem toku 35 A) Usmernik 1B: Uz (5 ma, 25 C) 21,90 V dioda z manjšo zenerjevo napetostjo in preostale 23,59 V do 23,63 V, I R (17 V, 25 C) od 37 A do 51 A, U F (35 A, 25 C) od 921 mv do 990 mv (meritev pri konstantnem toku 35 A). Merilna metoda Stikala S 1, S 2 in S 3 so vklopljena. Alternator zavrtimo na 10000 min -1 in obremenitev povečamo, tako da je tok alternatorja maksimalen. Tako je napetost na sponkah alternatorja 13 V 0.1 V. Nato razklopimo stikalo S 3. Čas izklopa stikala je 5 0.2 ms. Po dveh sekundah stikalo ponovno sklenemo. To ponovimo desetkrat v presledkih deset sekund. Alternator vedno oddaja maksimalen tok. V meritvah predstavljamo prvi in zadnji izklop. Pri vsakem odklopu smo merili tok, izhodno napetost, vrtljaje, ter tok skozi diodo, ki je imela najnižjo Zenerjevo napetost.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 44 Slika 6.11: Postavitev tokovnega merilnega transformatorja v usmerniškem mostiču. Slika 6.12: Dejanski prikaz meritve. Rezultati meritve: Meritve na usmerniku 1A Pred prvim odklopom smo alternator zavrteli na 10000 min -1, napetost na sponkah je bila 13 V, tok, ki ga je oddajal alternator, pa je bil 144 A. Legenda barv kot so prikazane na rezultatih. C1 temno rumena tok skozi pozitivno močnostno diodo merjen s tokovnim merilnim transformatorjem 1 C2 je pokril izris C1, zato ga ni videti.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 45 C2 temno rdeča tok skozi pozitivno močnostno diodo merjen s tokovnim merilnim transformatorjem 2 C3 modra izhodna napetost alternatorjau B+ C4 zelena fazna izhodna napetost U W F1 oranžna zoom od C1 F2 je pokrila F1, zato ga ni videti! F2 rdeča zoom od C2 Merilne vrednosti pri prvem odklopu P1 I max = 200,5 A maksimalni tok skozi pozitivno močnostno diodo v prevodni smeri, diagram C1 (1 V = 1 A) P2 I max R = 74,8 A maksimalni tok skozi pozitivno močnostno diodo v reverzni smeri, diagram C1 (1 V = 1 A) P3 I max = 213,5 A maksimalni tok skozi pozitivno močnostno diodo v prevodni smeri, diagram C2 (1 V = 1 A) P4 I max R = 73,4 A maksimalni tok skozi pozitivno močnostno diodo v reverzni smeri, diagram C2 (1 V = 1 A) Slika 6.13: Prikaz rezultata na 1A usmerniku pri prvem odklopu.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 46 Merilne vrednosti pri desetem odklopu P1 I max = 159 A maksimalni tok skozi pozitivno močnostno diodo v prevodni smeri, diagram C1 (1 V = 1 A) P2 I max R = 77,7 A maksimalni tok skozi pozitivno močnostno diodo v reverzni smeri, diagram C1 (1 V = 1 A) P3 I max = 160,7 A maksimalni tok skozi pozitivno močnostno diodo v prevodno smeri, diagram C2 (1 V = 1 A) P4 I max R = 73,4 A maksimalni tok skozi pozitivno močnostno diodo v reverzni smeri, diagram C2 (1 V = 1 A) Slika 6.14: Prikaz rezultata na 1A usmerniku pri desetem odklopu. Meritve na usmerniku 1B Pred prvim odklopom smo alternator zavrteli na 10000 min -1, napetost na sponkah je bila 13 V, tok, ki ga je oddajal alternator, pa je bil 143,7 A. Časovna baza na diagramu je definirana drugače kot na pozitivni močnostni diodi, v tem primeru je 50 ms/div. Legenda barv kot so prikazane na rezultatih. C1 temno rumena tok skozi negativno močnostno diodo, merjen s tokovnim merilnim transformatorjem 1

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 47 C2 svetlo rdeča izhodna napetost alternatorja U B+ C3 svetlo modra fazna izhodna napetost U W C4 zelena tok skozi negativno močnostno diodo, merjen s tokovnim merilnim transformatorjem 2 F1 oranžna zoom od C1 F4 zelena zoom od C4 Merilne vrednosti pri prvem odklopu P1 I max = 167 A maksimalni tok skozi negativno močnostno diodo v prevodni smeri, diagram C1 (1 V = 1 A) P2 I max R = 72 A maksimalni tok skozi negativno močnostno diodo v reverzni smeri, diagram C1 (1 V = 1 A) P3 I max = 168 A maksimalni tok skozi negativno močnostno diodo v prevodni smeri, diagram C4 (1 V = 1 A) P4 I max R = 75 A maksimalni tok skozi negativno močnostno diodo v v reverzni smeri, diagram C4 (1 V = 1 A) Slika 6.15: Prikaz rezultata na 1B usmerniku pri prvem odklopu.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 48 Merilne vrednosti pri desetem odklopu P1 I max = 156 A maksimalni tok skozi negativno močnostno diodo v prevodni smeri, diagram C1 (1 V = 1 A) P2 I max R = 71 A maksimalni tok skozi negativno močnostno diodo v v reverzni smeri, diagram C1 (1 V = 1 A) P3 I max = 157 A maksimalni tok skozi negativno močnostno diodo v prevodno smer diagram C4 (1 V = 1 A) P4 I max R = 71 A maksimalni tok skozi negativno močnostno diodo v reverzni smeri diagram C4 (1 V = 1 A) Slika 6.16: Prikaz rezultata na 1B usmerniku pri desetem odklopu. Po testih prenapetosti dinamično je bilo potrebno izmeriti še dodatne specifikacije posameznih diod, tiste, ki smo jih merili pred preizkusom, da jih lahko kasneje primerjamo. Tako smo dobili: Usmernik 1A: Uz (5 ma, 25 C) 21,95 V dioda z manjšo Zenerjevo napetostjo in preostale 23,66 V od 23,68 V, I R (17 V, 25 C) od 37 A do 49 A,

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 49 U F (35 A, 25 C) od 922 mv do 953 mv (meritev pri konstantnem toku 35 A) Usmernik 1B: Uz (5 ma, 25 C) 21,95 V dioda z manjšo Zenerjevo napetostjo in preostale 23,65 V do 23,69 V, I R (17 V, 25 C) od 37 A do 54 A, U F (35 A, 25 C) od 921 mv do 988 mv (meritev pri konstantnem toku 35 A) Ugotovitve: Kot je razvidno iz meritev, lahko vidimo, da je tok v prvi meritvi bistveno večji kot v zadnji meritvi. Posebej se to pozna pri meritvi pozitivne diode. To zmanjšanje toka je posledica gretja alternatorja, se z večanjem temperature delovanja tok alternatorja zmanjša. Reverzni tok je pri vseh meritvah enak, saj je le ta neodvisen od gretja alternatorja, ampak le od inducirane napetosti. Parametri diode, ki smo jih merili pred preizkusom in po preizkusu, so enaki, kar je znak, da se z diodami ni nič dogodilo. Test so uspešno prestale. Meritve load dumpa-a so važnejše meritve na usmerniku oziroma diodi. Rezultati so nam pokazali, da je reverzni tok večji, kot ga dovoljuje proizvajalec diod za ta tip diode, (60 A). Upoštevati moramo, da tok v vozilu le redko preide iz maksimalnega na nič, ampak ima še vedno neko vrednost (10% 20% nazivnega toka). Tako je ta reverzni tok nekoliko manjši in bi najverjetneje prišli v območje, ki ga podaja proizvajalec. S meritvami smo seznanili proizvajalca diod, ki je potrdil, da lahko to Zenerjevo diodo uporabljamo v usmerniškem mostiču za to vrsto alternatorja. 6.3 Prenapetosti dinamično Meritev je enaka prejšnji meritvi, s to razliko, da namesto ene diode z nižjo Zenerjevo napetostjo uporabimo vse diode z Zenerjevo napetostjo v istem območju, kot je to normalno predpisano. V bistvu je bil usmernik enak, kot bo kasneje v proizvodnji. Tako smo izvajali preizkus na prenapetosti dinamično, kot je to definirano v preizkusnih predpisih. Prenapetosti so lahko usodne za vozilo ali stroj, saj lahko uničijo elektronske elemente in druge električne porabnike. Močnostne Zenerjeve diode, ki so v uporabi na

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 50 usmernikih alternatorjev, omejujejo vrednost prenapetosti na do 30 V pri 14 V aplikacijah in s tem ščitijo občutljive električne in elektronske porabnike na vozilu. Osciloskop je ob multimetrih najpogosteje uporabljen merilni instrument, saj omogoča predvsem opazovanje trenutnih vrednosti velikosti v odvisnosti od časa, kar imenujemo y-t delovanje ali od druge spremenljive velikosti tudi za merjenje faznega premika, moči, frekvence, Pri meritvi ga uporabljamo za odčitavanje maksimalne napetosti, ki se pojavi v trenutku ob odklopu bremena, saj je ta način najpreprostejši. Vse meritve si lahko shranimo in jih kasneje analiziramo in primerjamo med seboj. Ponuja tudi takojšnjo obdelavo podatkov s skoraj neskončno možnostmi. Osciloskop LeCroy WaveRumner 6050A ima naslednje merilne lastnosti: število vhodnih kanalov 4, merilni razpon od 350 MHz do 2 GHz, vzorčenje 2,5 do 10 GS/s, osnovni spomin 4 Mpts/Ch. Merilni instrumenti, ki smo jih potrebovali za meritv so: osciloskop LeCroy WaweRumner 6050A s kalibracijsko številko 1-EC009, dva multimetra, ki služita za meritev toka in napetosti HP Multimeter 3478A (1- EA050) in (1-EA058), merilnik vrtljajev SHIMPO DT-205L (1-NN022), naprava za pogon alternatorja in električno obremenitev ter kontaktor s potrebnim priborom za časovno preklapljanje le tega. Pred prvim odklopom alternator polno obremenimo. Polno obremenitev alternatorja, maksimalni tok, pri tem preizkusu dosežemo tako, da nastavimo vrtljaje rotorja na 10000 min -1 in alternator obremenimo tako, da je napetost na izhodnih sponkah konstantna 13V. Pri teh pogojih alternator oddaja maksimalen tok.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 51 Rezultati Usmernik 1: V trenutku ko smo začeli opravljati meritev je tok znašal 150 A. Slika 6.17: Prikaz prenapetosti na usmerniku 1. C1 izhodna napetost alternatorja. 100 ms/razdelek 10 V/razdelek Merilne vrednosti pri prvem ter zadnjem odklopu U max = 28,8 V maksimalna napetost pri prvem odklopu U max = 29,3 V maksimalna napetost - diagram C1

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 52 Usmernik 2: Tok polno obremenjenega alternatorja je znašal 145 A. Slika 6.18: Prikaz prenapetosti na usmerniku 2. C1 izhodna napetost alternatorja. 100 ms/razdelek 5 V/razdelek Merilne vrednosti pri prvem ter zadnjem odklopu U max = 28,7 V maksimalna napetost pri prvem odklopu U max = 29,1 V maksimalna napetost - diagram C1

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 53 Usmernik 3: Pred prvim odklopom je tok alternatorja znašal 147 A. Slika 6.19: Prikaz prenapetosti na usmerniku 3. C1 izhodna napetost alternatorja. 100 ms/razdelek 5 V/razdelek Merilne vrednosti pri prvem ter zadnjem odklopu U max = 28,7 V maksimalna napetost pri prvem odklopu U max = 29,4 V maksimalna napetost - diagram C1 Ugotovitve: Preizkus je pokazal, da so vsi merjeni vzorci izpolnili zahteve, ki so podane v predpisu. Vse izmerjene vrednosti prenapetosti so v pričakovanih mejah. Maksimalna prenapetost je vedno pri zadnja meritvi, saj je dioda maksimalno segreta in je upornost polprevodnika maksimalna. Seveda to drži samo tedaj, ko se tok obremenitve ne spreminja. V nasprotnem primeru bi bilo verjetno, da je z večjim obremenitvenim tokom večja tudi prenapetost.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 54 6.4 Aktivna topla vlaga Z aktivno toplo vlago preizkušamo prebojno trdnost izolacije vseh električnih sestavnih delov alternatorja. Usmernik ni toliko problematičen kot navitje, saj so električni vodniki usmernika zaliti v plastiko. Pri tem preizkusu preverjamo tudi poroznost zalivne mase močnostnih Zener diod (epoxy) in poroznost plastičnega ohišja vzbujalnih diod. V primeru uporabe neustrezne mase ali napake v tehnološkem procesu izdelave diod se lahko zgodi, da po preizkusu izmerimo povečano vrednost reverznega toka diod, kar je lahko indikacija za neustrezno zalivno maso oziroma napake pri izdelavi diod. Verjetnost pojava takega problema je zelo majhna. Alternator vstavimo v vlažno komoro s pogonom, vpnemo in priključimo, tako da je pripravljen za delovanje. Vlažnost zraka v komori dvignemo na 95 % in začnemo izvajati preizkus po ciklu prikazanem na sliki 6.19. relativna vlaga [%] 100 96% 90 95% 95% 90% 80 +15 min +15 min 70 0 3 6 9 12 15 18 21 24 t [h] T [ o C] 60 + 30 min 55+2 o C 50 +2 o C 40 25+3 30 o C 20 0 3 6 9 12 15 18 21 24 t [h] Slika 6.20: Preizkusni cikel za aktivni preizkus v topli vlagi. V celoti izvedemo 6 ciklov. Med preizkusom se alternator vrti z vrtilno hitrostjo 6000 min -1 in je obremenjen z 10% nazivnega toka.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 55 Potek preizkusa: 5.3.08 Začetek preizkusa. 11.3.08 št.ur 144 Konec preizkusa. Ugotovitve: Vsi od sestavov alternatorja so prestali preizkus. S tem seveda tudi usmerniški mostiček. Iz tega lahko sklepamo, da zalivna masa močnostnih Zener diod ustreza specifikacijam dobavitelja. 6.5 Preizkus pri visoki temperaturi Kot prejšnji in vsi preostali preizkusi spada ta preizkus med električne in klimomehanske preizkuse. Na tak način preizkušamo termično vzdržljivost podsestavov in preverjanje temperatur na podsestavih, če presegajo temperaturo, ki je še dovoljena. V nasprotnem primeru je treba spremeniti konstrukcijo izdelka ali podsestava. Alternator je montiran v temperaturni komori in deluje pod naslednjimi pogoji: - temperatura okolice: T amb = 100 C, - vrtilna hitrost alternatorja: n= 5000 min -1, - o.bremenilni tok: I= I max pri U B+ = 13 V. Čas trajanje preizkusa je 100 ur. Pred začetkom preizkusa je alternator za 4 ure podvržen visoki temperaturi 130 C (alternator ne deluje). Po meritvah karakteristik izvedemo preizkus izolacijske trdnosti statorskega in rotorskega navitja s preizkusno napetostjo 500 V ef 50 Hz v času trajanja ene minute. Med preizkusom ne sme priti do preboja izolacije. Izolacija ne sme biti nikjer termično poškodovana. Preizkusa ne izvajamo na alternatorjih, na katerih bomo izvedli trajne teke. Potek preizkusa: 12.9.07 Začetek preizkusa T=130 C. 12.9.07 št.ur 4 Konec segrevanja. 12.9.07 št.ur 4 Začetek preizkusa U=13,0 V, I=I max =85 A, T=100 C. 17.9.07 št.ur 112 Konec.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 56 Ugotovitve: Preizkus je potekal brez posebnosti. Opravil je približno 10% več časa testiranja, kot je predpisano v predpisu. Tako je preizkušanec opravil preizkus. 6.6 Termično cikliranje alternatorja Na tak način testiramo izolacijo, če pri hitrih temperaturnih spremembah ne razpade. Le to se dogodi zaradi tega, ker se izolacija hitro krči in razteza. V našem primeru pa imamo testiranja na tak način, da alternator obratuje. To pa nam povzroča segrevanje alternatorja. Posledica tega pa je, da ne dosežemo najnižjih temperatur. Alternator montiramo v temperaturno komoro s pogonom, kjer deluje pod naslednjimi pogoji: vrtilna hitrost: n= 3000 min -1,, obremenilni tok: I= 0.75I n (I n nazivni tok alternatorja). Temperaturo okolice spreminjamo od 30 C do +93 C, pri tem alternator deluje 60 minut na 30 C, 260 minut na +93 C, vmes sta dva prehoda med skrajnima temperaturama v trajanju maksimalno 20 minut. To je en cikel. Alternator mora delovati pod temi pogoji minimalno število ciklov, katero je določeno z naslednjo enačbo: cilj ( ure) trajanje preizkusa korekcijski faktor števila vzorcev ur (6.16) 50 Korekcijski faktorji števila vzorcev so podani v naslednji tabeli: Tabela 6.1: Korekcijski faktorji. Število vzorcev 3 4 5 6 7 8 9 10 Korekcijski faktor 1.95 1.69 1.57 1.38 1.28 1.2 1.13 1 Za naš primer: 6000 ur trajanje preizkusa 1,95 234 ur 50

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 57 Po meritvah karakteristik izvedemo preizkus izolacijske trdnosti statorskega in rotorskega navitja s preizkusno napetostjo 500 V ef 50 Hz v času trajanja ene minute. Med preizkusom ne sme priti do preboja izolacije. Izolacija ne sme biti nikjer termično poškodovana. Potek preizkusa: Prvi merjenec: 5.11.07 začetek preizkusa, U=13,8 V, I=81 A 15.11.07 235 ur konec preizkusa. Drugi merjenec: 27.11.07 začetek preizkusa U=13,7 V, I=81 A 29.11.07 50 ur, delovanje v redu, 4.12.07 168 ur, okvara usmernika, zaradi uničenja priključka faze navitja na usmernik, vse diode so še v redu. Tretji merjenec: 6.12.07 začetek preizkusa U=13,7 V, I=82 A 10.12.07 15 ur delovanje v redu, 17.12.07 261 ur konec preizkusa. Ugotovitve: Prvi ter zadnji merjenec sta uspešno prestala preizkus. Na drugem merjencu pa je prišlo do mehanske okvare, in sicer odloma faznega odcepa na usmerniku. Ker na drugih dveh usmernikih ni prišlo do nobene napake in je na okvarjenem usmerniku mehanska poškodba (diode delujejo normalno), lahko sklepamo, da so močnostne diode prestale preizkus. Tako je ta test uspešno opravljen. 6.7 Trajni tek pri povišani temperaturi Meritev trajnega teka izvajamo zato, da resnično ugotovimo, kako se alternator in vsi njegovi sestavni deli odzivajo na dolgotrajno delovanje le tega. Povišana temperatura nam daje resnične pogoje delovanja, saj se alternator nahaja na motorju vozila in je temperatura okolice nekje med 80 C in 110 C. Preizkus trajnega teka pri povišani temperaturi je pospešen preizkus in nam dejansko simulira najhujše pogoje delovanja na vozilu (električna obremenitev, vrtljaji, povišana temperatura okolice) vendar brez vibracij,

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 58 katerih na obstoječih preizkusnih napravah za trajni tek zaenkrat ne moremo izvajati (bistveno podraži napravo). Kljub temu nam takšen preizkus trajnega teka po opravljenih 1000 urah da približen vpogled na stanje alternatorja, ki ga dosežemo po 2x ali 3x več urah delovanja na vozilu. Naprava s temperaturno komoro za preizkušanje alternatorjev Sestavljena je iz pogona, elektronskega bremena, vpenjalnega dela, temperaturne komore, merilnikov in nadzorno krmilnega modula, ki programsko preko računalnika vodi preizkus. Naprava je namenjena za dolgotrajna preizkušanja alternatorjev. Št.naprave: 100996 Proizvajalec: ELTRA srl Naziv / Tip naprave: ELTRA 1 Slika 6.21: Naprava s temperaturno komoro za preizkušanje alternatorjev ELTRA 1 Naprava omogoča: ciklično testiranje istočasno dveh alternatorjev po želenih parametrih, ki vključujejo časovno, električno, klimatsko in mehansko obremenjevanje alternatorjev. shranjevanje izmerjenih vrednosti izbranih vrednosti. avtomatsko zaustavitev ob nepravilnem delovanju naprave ali preizkušanca. Tehnično podatki: Pogon

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 59 o Moč pogonskega motorja: 30 kw o Vrtljaji pogonskega motorja: 0 5000 min -1 o Vrtljaji alternatorja: 0 10000 min -1 Temperaturna komora: o Volumen 1 m 3 o Temperaturno območje: +20 o C do 120 o C Elektronsko breme H&H DS3606 2kos o Moč bremena: 3.6 / 10.8 kw o Max.napetost: 60 VDC o Max tok: 300 A + 300 A Predpisi: Predpisi ISKRA Predpisi kupcev Vgradnja alternatorjev na preizkusni napravi naj bo kolikor mogoče podobna dejanskemu stanju na vozilu. Napetost v pogonskem jermenu alternatorja mora ustrezati vrednosti (izmerjene z Burroughsovim merilnikom ali podobnim), ki je navedena na ustrezni vgradbeni risbi (podana mora biti maksimalna obremenitev gredi alternatorja ali maksimalna napetost v jermenu in objemni kot). Če podatka o obremenitvi gredi na risbi ni, nastavimo obremenitev gredi na 1000 N 5 % (napetost v jermenu 500 N na vsako vejo, objemni kot 180 ). Za preiskus uporabljamo ustrezno jermenico POLY V8.. Akumulatorska baterija, ustrezne nazivne napetosti in z nazivno kapaciteto, izraženo v amper-urah (Ah) ne manjšo kot 50 % nazivnega toka alternatorja je stalno priključena. Enourni cikel obremenitve alternatorja priredimo po naslednjem programu:

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 60 Tabela 6.2: Cikel enourne obremenitve alternatorja. Čas delovanja (min) Obremenilni tok alternatorja (A) 10 I bat 10 0.50I n 10 0.10I n 10 0.75I n 10 0.25I n 10 I max I bat I n I max - tok baterije - nazivni tok alternatorja - maksimalni tok alternatorja pri zahtevanih vrtljajih, temperaturi in regulirani napetosti U B+ =13 V. Temperaturo okolice krmilimo po naslednjem programu: - 49 ciklov 100 C 2 C, - 1 cikel 120 C 2 C. Alternator deluje 500 ur brez prekinitve z vrtilno hitrostjo 8000 min -1 in 500 ur z vrtilno hitrostjo 4000 min -1. Potek preizkusa: Alternator številka 6 in 7. 19.10.07 Začetek preizkusa. 22.10.07 št.ur 50 Prekinitev okvara bremena. 2.11.07 št.ur 50 Nadaljevanje preizkusa. 15.11.07 št.ur 362 Menjava jermena. 26.11.07 št.ur 500 Končan 1. del pri 8000/min, nadaljevanje pri 4000/min. 3.12.07 št.ur 696 Prekinitev okvara bremena. 15.1.08 št.ur 696 Nadaljevanje preizkusa. 30.1.08 št.ur 916 Okvara usmernika 12 (alt. 6)- počen fazni odcep. 6.2.08 št.ur 916 Menjava alt. št. 6 z alt. št. 4.

Uvedba novega tipa močnostnih diod v usmerniško vezje avtomobilskega alternatorja 61 6.2.08 št.ur 916 Nadaljevanje. 11.2.08 št.ur 971 Okvara usmernika 13 (alt. 7) počen fazni odcep. Konec preizkusa. Slika 6.22 Usmernik št. 13 po končanem preizkusu (po izgledu usmernika se vidi težavnost tega preizkusa). Ugotovitve: Kot lahko vidimo, noben od preizkušancev ni zdržal preizkusa. Za neopravljen preizkus niso krive diode usmernika, ampak počen fazni odcep na usmerniku. Vzrok za to napako je lahko nepravilno ukrivljena (prevelik kot) sponka faznega odcepa ( odcepe statorja se na usmernik prispajka ročno in s tem se pojavi možnost poškodbe odcepov) ali obraba orodja za izdelavo te vezne pločevine z odcepi. Nepravilno ukrivljen odcep ali poškodba odcepa zaradi obrabe orodja povzroči, da se del, kjer je sponka zvita še dodatno greje. S tem zmanjšamo električno prevodnost in zato nastane še dodatno segrevanje. Tako se vrtimo v krogu segrevanja. Posledica tega je, da postane material mehak in ob dodanih vibracijah košček razpade, se odlomi. Drugi možni vzrok je lahko neustrezen material. K reševanju tega problema se je že pristopilo, za pločevino vezne plošče usmernika odcepov, se bo na osnovi dodatnih preizkusov predpisalo boljši material z večjo električno in termično prevodnostjo. Ker niso bile za prekinitev oziroma končanje preizkusa krive diode in sta testiranca izdržala skoraj predpisano število ur, smo menili, da so močnostne diode vdržale preizkus.