汽車電子電氣基礎(chǔ)知識(shí)詳解(五)

◆文/山東 劉春暉 張學(xué)忠

（接上期）

2.發(fā)光二極管(LED)

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

圖55 LED的電路符號(hào)

LED的PN結(jié)如圖56所示，一個(gè)LED的N層摻雜較多時(shí)，P層的摻雜只能較少。這樣二極管接入流通方向時(shí)，電流幾乎只通過電子運(yùn)載。P層內(nèi)出現(xiàn)空穴與電子結(jié)合(復(fù)合)的情況時(shí)，釋放出能量。根據(jù)具體半導(dǎo)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(jié)

LED相對(duì)于白熾燈泡的優(yōu)勢(shì)在于：①使用壽命很長(zhǎng)(大約100倍)；②不會(huì)突然發(fā)生故障，而是光強(qiáng)度隨著時(shí)間減弱；③響應(yīng)時(shí)間更快；④抵抗機(jī)械作用的能力較強(qiáng)。

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

圖57 LED的結(jié)構(gòu)

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(wěn)壓二極管，一般工作在反向擊穿狀態(tài)，其電路符號(hào)如圖59所示。如果在阻隔方向上超過一個(gè)特定的電壓UZ，電流IZ就會(huì)明顯提高，二極管即可導(dǎo)電。通過提高摻雜物質(zhì)可使阻隔層變得很薄，因此電壓為1～200V時(shí)就會(huì)擊穿。為了在出現(xiàn)擊穿電壓時(shí)電流迅速升高不會(huì)造成二極管損壞，必須通過一個(gè)相應(yīng)的電阻限制電流。圖60所示為一個(gè) Z二極管曲線圖。

圖59 Z二極管的的電路符號(hào)

圖60 Z二極管的特性曲線

4.二極管在汽車上的應(yīng)用

(1)作為整流器的二極管

半導(dǎo)體二極管可以讓電流朝一個(gè)方向流動(dòng)，而在另一個(gè)方向則阻礙電流的流動(dòng)，起電流閥門的作用。因此半導(dǎo)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(fù)半周。電容器按照指數(shù)電壓級(jí)數(shù)(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(fù)的正弦半波轉(zhuǎn)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(dòng)120°，形成一種正弦、實(shí)際上是恒定的電壓(UL)。

如圖64所示，汽車交流發(fā)電機(jī)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(jìn)行平滑處理，這樣即可產(chǎn)生低紋波的直流電壓。穩(wěn)壓器通過激勵(lì)繞組(G)改變電流，因而改變激勵(lì)所需的磁場(chǎng)。其結(jié)果是，交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生不隨負(fù)載和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的恒定電壓。

(2)機(jī)動(dòng)車電子系統(tǒng)中的Z二極管穩(wěn)壓

使用Z二極管可以穩(wěn)定直流電壓。圖65是一個(gè)Z二極管電路，它能夠在輸入電壓于12～15V之間擺動(dòng)時(shí)，使輸出穩(wěn)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(fā)電機(jī)的三相橋式全波整流

圖65 使用Z二極管穩(wěn)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(lián)電阻RV起限流作用。只要輸入電壓達(dá)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(dǎo)通。在輸出處輸出恒定的5.1V電壓，其余的電壓降在串聯(lián)電阻RV上。輸出電壓UA=UZ永遠(yuǎn)保持不變，因?yàn)殡S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(wěn)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(shí)由于線路電感會(huì)產(chǎn)生干擾電壓峰值，即短時(shí)出現(xiàn)的高電壓。必須濾掉這些電壓峰值，因?yàn)樵诳刂茊卧锌赡軙?huì)對(duì)它們進(jìn)一步處理，這些電壓也可能造成元件損壞。穩(wěn)壓二極管在6V的擊穿電壓處限制正向電壓峰值。因?yàn)榉€(wěn)壓二極管正向偏臵，即在流動(dòng)方向?qū)?，所以?fù)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(gè)半導(dǎo)體層組成的電子元件。每個(gè)半導(dǎo)體層都各有一個(gè)電氣接頭。如圖67所示，根據(jù)半導(dǎo)體層的分布方式分為PNP晶體管和NPN晶體管。這三個(gè)半導(dǎo)體層及其接頭稱為發(fā)射極(E)、基極(B)和集電極(C)。電荷載體從發(fā)射極移動(dòng)到基極(發(fā)射出去)并由集電極吸收。因此晶體管有兩個(gè)PN結(jié)，一個(gè)位于發(fā)射極與基極之間，另一個(gè)位于集電極與基極之間。

圖67 晶體管的電路符號(hào)

1.工作原理

下面以一個(gè)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(dòng)方向相反。

如圖68是一個(gè)晶體管及其三個(gè)接頭(發(fā)射極、基極和集電極)的工作原理圖。

圖68 發(fā)射極電路中的晶體管工作原理

發(fā)射極內(nèi)有很多電子，基極內(nèi)只有少量空穴(缺陷處)。在正電壓UBE的作用下，負(fù)電荷電子進(jìn)入基極層，電子在那里與空穴結(jié)合?；鶚O至發(fā)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(fā)射極之間施加一個(gè)很小的電壓時(shí)，基極空間內(nèi)的剩余電子就會(huì)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(chǔ)是，以基極空間內(nèi)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?；鶚O至發(fā)射極電壓較小時(shí)，只有部分發(fā)射極內(nèi)的電子進(jìn)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(fā)射極組在實(shí)際應(yīng)用中由一個(gè)分壓器所取代。

略微改變基極電流就會(huì)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(guān)系，因此將這種變化定為靜態(tài)電流增益系數(shù)。

2.用作開關(guān)的晶體管

在車輛電氣/電子系統(tǒng)中用電器通過機(jī)械和電子開關(guān)打開和關(guān)閉。晶體管適合接通較小的電流。機(jī)械開關(guān)已由晶體管所取代，因?yàn)榫w管響應(yīng)速度更快、沒有噪聲而且不會(huì)造成機(jī)械磨損。實(shí)際起到開關(guān)作用的是晶體管集電極和發(fā)射極之間。

晶體管上未施加基極電壓時(shí)，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(shí)，有基極電流和集電極電流流過。