汽車電子電氣基礎知識詳解(五)

◆文/山東 劉春暉 張學忠

（接上期）

2.發光二極管(LED)

與其他二極管一樣，發光二極管(LED)也由兩個半導體層(一個P層和一個N層)組成。但通常用砷化鎵取代硅作為半導體的原材料。LED的顏色通常有綠色、黃色、紅色、藍色等，尺寸和結構形式有許多種。LED的顏色取決于所用材料，LED的電路符號如圖55所示，LED必須始終與一個串聯電阻連接在一起，以便限制經過發光二極管的電流。

圖55 LED的電路符號

LED的PN結如圖56所示，一個LED的N層摻雜較多時，P層的摻雜只能較少。這樣二極管接入流通方向時，電流幾乎只通過電子運載。P層內出現空穴與電子結合(復合)的情況時，釋放出能量。根據具體半導體材料，這種能量以可見光或紅外輻射形式釋放出來。由于P層非常薄，因此可能有光線溢出。

圖56 LED的PN結

LED相對于白熾燈泡的優勢在于：①使用壽命很長(大約100倍)；②不會突然發生故障，而是光強度隨著時間減弱；③響應時間更快；④抵抗機械作用的能力較強。

LED的結構如圖57所示，與以前的信號燈相似，LED在汽車上用作指示燈(圖58)。其特點是耗電量低且使用壽命長。LED的開發方向是用于尾燈和部分前燈。

圖57 LED的結構

圖58 LED用作功能照明

3.Z二極管

Z二極管(齊納二極管)常稱為穩壓二極管，一般工作在反向擊穿狀態，其電路符號如圖59所示。如果在阻隔方向上超過一個特定的電壓UZ，電流IZ就會明顯提高，二極管即可導電。通過提高摻雜物質可使阻隔層變得很薄，因此電壓為1～200V時就會擊穿。為了在出現擊穿電壓時電流迅速升高不會造成二極管損壞，必須通過一個相應的電阻限制電流。圖60所示為一個 Z二極管曲線圖。

圖59 Z二極管的的電路符號

圖60 Z二極管的特性曲線

4.二極管在汽車上的應用

(1)作為整流器的二極管

半導體二極管可以讓電流朝一個方向流動，而在另一個方向則阻礙電流的流動，起電流閥門的作用。因此半導體二極管是一種用于交流電整流的有效元件。

①半波整流電路。如圖61所示，半波整流電路允許交流電壓的正半波通過，阻止交流電壓(U2)的負半周。電容器按照指數電壓級數(UL)放電。

②全波橋式整流器電路。如圖62所示，全波橋式整流器電路將負的正弦半波轉換成正的曲線(U2)，電容器的放電形成了鋸齒型電壓曲線(UL)。

圖61 二極管的沖半波整流

圖62 全波橋式整流器電路的工作原理

③三相橋式整流電路。如圖63所示，三相橋式整流電路將電壓曲線(U2)移動120°，形成一種正弦、實際上是恒定的電壓(UL)。

如圖64所示，汽車交流發電機采用三相橋式整流電路的原理。用鉛蓄電池而不是電容來進行平滑處理，這樣即可產生低紋波的直流電壓。穩壓器通過激勵繞組(G)改變電流，因而改變激勵所需的磁場。其結果是，交流發電機產生不隨負載和發動機轉速變化的恒定電壓。

(2)機動車電子系統中的Z二極管穩壓

使用Z二極管可以穩定直流電壓。圖65是一個Z二極管電路，它能夠在輸入電壓于12～15V之間擺動時，使輸出穩定在5.1V。

圖63 三相橋式全波整流電路波形

圖64 汽車交流發電機的三相橋式全波整流

圖65 使用Z二極管穩定電壓的原理

此電路表示Z二極管工作于反向(反向偏置)。串聯電阻RV起限流作用。只要輸入電壓達不到Z電壓(UZ= 5.1V)，就沒有電流流過。如果輸入電壓UE增加到12～15V，Z二極管開始導通。在輸出處輸出恒定的5.1V電壓，其余的電壓降在串聯電阻RV上。輸出電壓UA=UZ永遠保持不變，因為隨著UE的增加，電流IZ也增加，因此增加了在RV上的電壓降。另一方面，如果輸入電壓UE降低，IZ也降低，因此降低了在RV上的電壓降。但是，此電路只能穩定比輸入電壓UE低的電壓。

(3)抑制干擾電壓峰值

如圖66所示，切換電流時由于線路電感會產生干擾電壓峰值，即短時出現的高電壓。必須濾掉這些電壓峰值，因為在控制單元中可能會對它們進一步處理，這些電壓也可能造成元件損壞。穩壓二極管在6V的擊穿電壓處限制正向電壓峰值。因為穩壓二極管正向偏臵，即在流動方向導通，所以負向干擾電壓被限制在0.7V。

圖66 使用Z二極管抑制干擾電壓

十八、晶體管

晶體管是由三個半導體層組成的電子元件。每個半導體層都各有一個電氣接頭。如圖67所示，根據半導體層的分布方式分為PNP晶體管和NPN晶體管。這三個半導體層及其接頭稱為發射極(E)、基極(B)和集電極(C)。電荷載體從發射極移動到基極(發射出去)并由集電極吸收。因此晶體管有兩個PN結，一個位于發射極與基極之間，另一個位于集電極與基極之間。

圖67 晶體管的電路符號

1.工作原理

下面以一個NPN晶體管為例介紹工作原理。PNP晶體管的工作原理相同，但電流流動方向相反。

如圖68是一個晶體管及其三個接頭(發射極、基極和集電極)的工作原理圖。

圖68 發射極電路中的晶體管工作原理

發射極內有很多電子，基極內只有少量空穴(缺陷處)。在正電壓UBE的作用下，負電荷電子進入基極層，電子在那里與空穴結合。基極至發射極電壓電源重新以很小的電流形式提供正電荷空穴。

在集電極與發射極之間施加一個很小的電壓時，基極空間內的剩余電子就會受到正集電極電壓的影響。集電極至基極的阻隔層消失，集電極電流 IC流過。

晶體管放大作用的基礎是，以基極空間內很少的電荷載體，即很小的基極電流即可控制很大的集電極電流。基極至發射極電壓較小時，只有部分發射極內的電子進入基極空間。因此流過的集電極電流較小。通過改變基極電流IB可控制集電極電流IC。圖68所示的基極至發射極組在實際應用中由一個分壓器所取代。

略微改變基極電流就會使集電極電流變化較大。由于集電極電流與基極電流之間基本為線性關系，因此將這種變化定為靜態電流增益系數。

2.用作開關的晶體管

在車輛電氣/電子系統中用電器通過機械和電子開關打開和關閉。晶體管適合接通較小的電流。機械開關已由晶體管所取代，因為晶體管響應速度更快、沒有噪聲而且不會造成機械磨損。實際起到開關作用的是晶體管集電極和發射極之間。

晶體管上未施加基極電壓時，沒有基極電流流過，這意味著沒有集電極電流流過。晶體管上施加正基極電壓時，有基極電流和集電極電流流過。