This Is Why Cars Use AC-Producing Alternators When They Run On DC Power

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad elektrycznością, która przepływa przez Twój samochód? Czy podejrzewasz, że w magicznym słoiku znajduje się piorun kulisty? Oczywiście, że nie. Nie jesteś neandertalczykiem. Wiesz, że jest akumulator i alternator. Może nawet wiesz, że Twój akumulator dostarcza prąd stały, z którego korzysta samochód, ale Twój alternator wytwarza prąd zmienny. Czy to nie wydaje się dziwne? Dlaczego tak jest?

To interesujące pytanie, ponieważ wydaje się, że to po prostu nie ma sensu. Jeśli wszystko w twoim samochodzie działa na prąd stały o napięciu 12 V, dlaczego producenci samochodów nie używają już generatorów, które wytwarzają bogatą, kremową energię elektryczną prądu stałego? Dlaczego miałoby mieć jakikolwiek sens generowanie prądu zmiennego, a następnie przekształcanie go w prąd stały?

Jak zapewne się domyślasz, jest ku temu dobry powód i spróbuję Ci go teraz przedstawić.

Po pierwsze wyjaśnijmy, co rozumiemy przez elektryczność AC i DC. Samochody używają prądu stałego (DC, Direct Current). Jest to rodzaj energii elektrycznej wytwarzanej przez akumulatory, która płynie w jednym, stałym kierunku. Jest to również rodzaj elektryczności wytwarzanej przez generator, który był używany w samochodach od wczesnych lat 1900 aż do lat 1960.

Innym rodzajem prądu jest prąd zmienny, ponieważ okresowo zmienia on kierunek. Jest to rodzaj elektryczności dostępny przez każde gniazdko ścienne, i używamy go do zasilania domów, budynków, miast i tak dalej, ponieważ jest łatwiejszy do przesyłania na duże odległości. Większość urządzeń elektronicznych – w tym prawie wszystko w Twoim samochodzie – wykorzystuje wewnętrznie prąd stały i musi przekształcić prąd z gniazdka ściennego z prądu zmiennego na prąd stały. To dlatego tak wiele rzeczy elektronicznych ma te duże cegłopodobne wtyczki: w środku jest sprzęt do zamiany prądu zmiennego na stały (i trochę ciepła).

Więc, ponownie, po co napędzać coś z silnika samochodu, co wytwarza niewłaściwy rodzaj energii elektrycznej?

Odpowiedź jest dość prosta, że alternatory są po prostu lepsze w przekształcaniu ruchu obrotowego w energię elektryczną. Jednak nie zawsze tak było. Cóż, bardzo wczesne samochody z silnikiem benzynowym o spalaniu wewnętrznym używały magnetowodów, które były czymś w rodzaju prymitywnych alternatorów dla bardzo prostych samochodowych systemów elektrycznych bez akumulatorów. Zostały one opracowane przez człowieka o najlepszym nazwisku w historii, Hippolyte’a Pixii.

Teraz, oto prawdziwy sekret tego wszystkiego. Generatory prądu stałego (znane również jako dynamo) w rzeczywistości wytwarzają również prąd zmienny, ponieważ armatura (część wirująca) obraca się wewnątrz stojana (zewnętrzny „kadłub”, który ma stałe pole magnetyczne). Aby przekształcić ten prąd odwrotny w prąd stały, używany jest komutator. Komutator jest urządzeniem mechanicznym, które wykorzystuje segmentowany cylinder na obracających się końcówkach i kilka szczotek do nawiązania kontaktu elektrycznego.

To działa, ale jest dużo części mechanicznych i szczotki mogą czasami być delikatne. Mimo to, był to najlepszy sposób na uzyskanie prądu stałego, który jest potrzebny do naładowania akumulatora i uruchomienia systemów samochodu.

Alternator jest prostszy i lżejszy, ale nie wytwarza prądu stałego, którego potrzebuje samochód. Konwersja mechaniczna w zasadzie tworzy tylko generator, więc jaki jest sens alternatora?

Cóż, nie było żadnego sensu aż do późnych lat 50-tych, kiedy to pojawiło się półprzewodnikowe rozwiązanie elektroniczne do konwersji prądu zmiennego na stały, poprzez krzemowe prostowniki diodowe.

Te prostowniki (czasami nazywane mostkiem diodowym) wykonały znacznie lepszą pracę przy konwersji prądu zmiennego na stały, co pozwoliło na użycie prostszych i bardziej wytrzymałych alternatorów w samochodach. Pierwszym producentem samochodów, który naprawdę rozwinął ten pomysł i wprowadził go na rynek był Chrysler, który miał doświadczenie z prostownikami i elektronicznymi regulatorami napięcia dzięki pracom badawczym sponsorowanym przez Departament Obrony.

Pierwszym samochodem, który był standardowo wyposażony w alternator był, wierzcie lub nie, Plymouth z 1960 r. (choć początkowo chciano, aby Valiant był jego własną marką) Valiant. Niektóre z bardziej natychmiast widoczne zalety alternatora było to, że przy niskiej prędkości biegu jałowego, alternator nadal produkowany wystarczająco dużo prądu, aby utrzymać akumulator naładowany – coś, co większość generatorów nie może zrobić.

Alternatory są tańsze w produkcji niż generatory, trwają dłużej, i produkują więcej prądu w całym zakresie prędkości. Są tak bardzo ulepszone, że nie ma większego problemu z przekształceniem ich prądu zmiennego na stały – cóż, przynajmniej nie ma większego problemu od czasu opracowania taniego, niezawodnego, półprzewodnikowego recytatora.

Więc, podsumujmy: wszystkie metody wytwarzania elektryczności poprzez obracanie czegoś wewnątrz pola magnetycznego lub obracanie pola magnetycznego wokół czegoś lub cokolwiek innego dają w rezultacie prąd zmienny, który musi być zamieniony na prąd stały, aby mógł być użyty w samochodzie. Generator załatwia to wewnętrznie i mechanicznie za pomocą komutatora i szczotek. Alternator wykonuje tę samą sztuczkę zewnętrznie za pomocą elektroniki.

Efektem końcowym jest jednak prąd stały, a alternator i prostownik są po prostu tańsze, solidniejsze i lepsze w przekształcaniu wirowania w światło reflektorów, muzykę z radia, wycieraczki lub cokolwiek innego.

Widzicie? W końcu to ma sens!