Siksi autot käyttävät vaihtovirtaa tuottavia generaattoreita, kun ne toimivat tasavirralla

Oletko koskaan miettinyt, miten sähkö kulkee autossasi? Epäiletkö, että siellä on vangittuna salama, jota pidetään taikapurkissa? Et tietenkään epäile. Et ole neandertalilainen. Tiedät, että autossa on akku ja vaihtovirtageneraattori. Saatat jopa tietää, että akku tuottaa tasavirtaa, jota auto käyttää, mutta vaihtovirtageneraattori tuottaa vaihtovirtaa. Eikö se tunnu oudolta? Miksi?

Kysymys on mielenkiintoinen, koska siinä ei vain tunnu olevan järkeä. Jos kaikki autossa toimii 12 voltin tasavirralla, miksi autonvalmistajat eivät enää käytä generaattoreita, jotka tuottavat runsasta, kermaista tasavirtaa? Miksi olisi järkevää tuottaa vaihtovirtaa ja muuntaa se sitten tasavirraksi?

Kuten varmaan arvasitkin, siihen on hyvä syy, ja yritän kertoa sen sinulle nyt.

Kerrotaan ensin, mitä tarkoitamme vaihto- ja tasasähköllä. Autot käyttävät DC:tä eli tasavirtaa. Se on akkujen tuottamaa sähköä, ja se virtaa yhteen vakiosuuntaan. Se on myös generaattorin tuottama sähkötyyppi, jota käytettiin autoissa 1900-luvun alusta aina 1960-luvulle asti.

Toisenlainen virta on vaihtovirta, koska sen suunta vaihtuu ajoittain. Tämä on sellaista sähköä, johon pääsee minkä tahansa pistorasian kautta, ja käytämme sitä koteihin, rakennuksiin ja kaupunkeihin ja niin edelleen, koska sitä on helpompi siirtää pitkiä matkoja. Useimmat elektroniikkalaitteet – mukaan lukien lähes kaikki autossasi olevat laitteet – käyttävät sisäisesti tasavirtaa, ja niiden on muunnettava pistorasiasta tuleva virta vaihtovirrasta tasavirraksi. Siksi niin monissa elektroniikkalaitteissa on nuo isot tiilimäiset pistokkeet: sisällä on laitteisto vaihtovirran muuttamiseksi tasavirraksi (ja jonkin verran lämpöä).

Miksi siis taas ajaa jotain auton moottorista, joka tuottaa vääränlaista sähköä?

Vastaus on aika pitkälti vain se, että vaihtovirtageneraattorit ovat vain parempia muuttamaan pyörimisliikkeen sähköksi. Näin ei tosin ole aina ollut. No, hyvin hyvin varhaisissa polttomoottoribensiiniautoissa käytettiin magnetoja, jotka olivat ikään kuin raakavaihtovirtageneraattoreita hyvin yksinkertaisissa autojen sähköjärjestelmissä ilman akkuja. Nämä kehitti mies, jolla oli kaikkien aikojen paras nimi, Hippolyte Pixii.

Nyt tässä on tämän kaiken todellinen salaisuus. Tasavirtageneraattorit (tunnetaan myös nimellä dynamot) tuottavat itse asiassa myös vaihtovirtaa, kun ankkuri (se pyörivä osa) pyörii staattorin sisällä (ulompi ”runko”, jossa on vakio magneettikenttä). Tämän kääntyvän virran muuttamiseksi tasavirraksi käytetään kommutaattoria. Kommutaattori on mekaaninen laite, joka käyttää pyörivissä kappaleissa olevaa segmentoitua sylinteriä ja joitakin harjoja sähköisen kosketuksen aikaansaamiseksi.

Tämä toimii, mutta mekaanisia osia on paljon ja harjat voivat joskus olla hankalia otuksia. Silti tämä oli paras tapa saada tasavirtaa, jota tarvitaan akun lataamiseen ja auton järjestelmien pyörittämiseen.

Vaihtovirtageneraattori on yksinkertaisempi ja kevyempi, mutta ei tuota auton tarvitsemaa tasavirtaa. Mekaaninen muuntaminen tekee periaatteessa vain generaattorin, joten mitä järkeä vaihtovirtageneraattorissa on?

Noh, siinä ei ollut mitään järkeä ennen 1950-luvun loppua, jolloin syntyi kiinteä elektroninen ratkaisu vaihtovirran muuntamiseen tasavirraksi piidiodien tasasuuntaajien avulla.

Nämä tasasuuntaajat (joita joskus kutsutaan diodisillaksi) tekivät paljon parempaa työtä muunnettaessa vaihtovirtaa tasavirraksi, mikä mahdollisti yksinkertaisempien ja kestävämpien vaihtovirtageneraattorien käytön autoissa. Ensimmäinen autonvalmistaja, joka todella kehitti tätä ideaa ja toi sen markkinoille, oli Chrysler, jolla oli kokemusta tasasuuntaajista ja elektronisista jännitteensäätimistä puolustusministeriön rahoittaman tutkimustyön ansiosta.

Ensimmäinen vakiovarusteena vaihtovirtageneraattorilla varustettu auto oli, uskokaa tai älkää, Plymouthin vuoden 1960 Valiant (tosin aluksi haluttiin, että Valiant olisi oma merkkinsä). Vaihtovirtageneraattorin välittömämpiä etuja oli se, että alhaisella nopeudella tyhjäkäynnillä vaihtovirtageneraattori tuotti edelleen tarpeeksi virtaa pitääkseen akun ladattuna – jotain, mihin useimmat generaattorit eivät pystyneet.

Vaihtovirtageneraattorit ovat halvempia valmistaa kuin generaattorit, ne kestävät kauemmin ja ne tuottavat enemmän virtaa koko nopeusalueella. Ne ovat vain niin suuri parannus, että niiden vaihtovirran muuntaminen tasavirraksi ei ole iso juttu – no, ainakaan se ei ole ollut iso juttu halvan, luotettavan, puolijohdesytyttimen kehittämisen jälkeen.

Kerrataanpa siis vielä kerran: kaikki menetelmät, joilla sähköä tuotetaan pyörittämällä jotakin magneettikentän sisällä tai pyörittämällä magneettikenttää jonkin asian ympärillä tai millä tahansa, johtavat vaihtovirtaan (AC), joka on muutettava tasavirraksi (DC), jotta sitä voidaan käyttää autossa. Generaattori hoitaa tämän sisäisesti ja mekaanisesti kommutaattorin ja harjojen avulla. Vaihtovirtageneraattori tekee saman tempun ulkoisesti elektroniikan avulla.

Lopputulos on kuitenkin tasavirta, ja vaihtovirtageneraattori plus tasasuuntaaja on vain halvempi, kestävämpi ja parempi muuttamaan pyörimistä ajovalojen valoksi tai radion musiikiksi tai pyyhkimien pyyhkimiseksi tai miksi tahansa.

Näetkö? Siinä on sittenkin järkeä!