汽车电子电气基础知识详解(五)

◆文/山东 刘春晖 张学忠

（接上期）

2.发光二极管(LED)

与其他二极管一样，发光二极管(LED)也由两个半导体层(一个P层和一个N层)组成。但通常用砷化镓取代硅作为半导体的原材料。LED的颜色通常有绿色、黄色、红色、蓝色等，尺寸和结构形式有许多种。LED的颜色取决于所用材料，LED的电路符号如图55所示，LED必须始终与一个串联电阻连接在一起，以便限制经过发光二极管的电流。

图55 LED的电路符号

LED的PN结如图56所示，一个LED的N层掺杂较多时，P层的掺杂只能较少。这样二极管接入流通方向时，电流几乎只通过电子运载。P层内出现空穴与电子结合(复合)的情况时，释放出能量。根据具体半导体材料，这种能量以可见光或红外辐射形式释放出来。由于P层非常薄，因此可能有光线溢出。

图56 LED的PN结

LED相对于白炽灯泡的优势在于：①使用寿命很长(大约100倍)；②不会突然发生故障，而是光强度随着时间减弱；③响应时间更快；④抵抗机械作用的能力较强。

LED的结构如图57所示，与以前的信号灯相似，LED在汽车上用作指示灯(图58)。其特点是耗电量低且使用寿命长。LED的开发方向是用于尾灯和部分前灯。

图57 LED的结构

图58 LED用作功能照明

3.Z二极管

Z二极管(齐纳二极管)常称为稳压二极管，一般工作在反向击穿状态，其电路符号如图59所示。如果在阻隔方向上超过一个特定的电压UZ，电流IZ就会明显提高，二极管即可导电。通过提高掺杂物质可使阻隔层变得很薄，因此电压为1～200V时就会击穿。为了在出现击穿电压时电流迅速升高不会造成二极管损坏，必须通过一个相应的电阻限制电流。图60所示为一个 Z二极管曲线图。

图59 Z二极管的的电路符号

图60 Z二极管的特性曲线

4.二极管在汽车上的应用

(1)作为整流器的二极管

半导体二极管可以让电流朝一个方向流动，而在另一个方向则阻碍电流的流动，起电流阀门的作用。因此半导体二极管是一种用于交流电整流的有效元件。

①半波整流电路。如图61所示，半波整流电路允许交流电压的正半波通过，阻止交流电压(U2)的负半周。电容器按照指数电压级数(UL)放电。

②全波桥式整流器电路。如图62所示，全波桥式整流器电路将负的正弦半波转换成正的曲线(U2)，电容器的放电形成了锯齿型电压曲线(UL)。

图61 二极管的冲半波整流

图62 全波桥式整流器电路的工作原理

③三相桥式整流电路。如图63所示，三相桥式整流电路将电压曲线(U2)移动120°，形成一种正弦、实际上是恒定的电压(UL)。

如图64所示，汽车交流发电机采用三相桥式整流电路的原理。用铅蓄电池而不是电容来进行平滑处理，这样即可产生低纹波的直流电压。稳压器通过激励绕组(G)改变电流，因而改变激励所需的磁场。其结果是，交流发电机产生不随负载和发动机转速变化的恒定电压。

(2)机动车电子系统中的Z二极管稳压

使用Z二极管可以稳定直流电压。图65是一个Z二极管电路，它能够在输入电压于12～15V之间摆动时，使输出稳定在5.1V。

图63 三相桥式全波整流电路波形

图64 汽车交流发电机的三相桥式全波整流

图65 使用Z二极管稳定电压的原理

此电路表示Z二极管工作于反向(反向偏置)。串联电阻RV起限流作用。只要输入电压达不到Z电压(UZ= 5.1V)，就没有电流流过。如果输入电压UE增加到12～15V，Z二极管开始导通。在输出处输出恒定的5.1V电压，其余的电压降在串联电阻RV上。输出电压UA=UZ永远保持不变，因为随着UE的增加，电流IZ也增加，因此增加了在RV上的电压降。另一方面，如果输入电压UE降低，IZ也降低，因此降低了在RV上的电压降。但是，此电路只能稳定比输入电压UE低的电压。

(3)抑制干扰电压峰值

如图66所示，切换电流时由于线路电感会产生干扰电压峰值，即短时出现的高电压。必须滤掉这些电压峰值，因为在控制单元中可能会对它们进一步处理，这些电压也可能造成元件损坏。稳压二极管在6V的击穿电压处限制正向电压峰值。因为稳压二极管正向偏臵，即在流动方向导通，所以负向干扰电压被限制在0.7V。

图66 使用Z二极管抑制干扰电压

十八、晶体管

晶体管是由三个半导体层组成的电子元件。每个半导体层都各有一个电气接头。如图67所示，根据半导体层的分布方式分为PNP晶体管和NPN晶体管。这三个半导体层及其接头称为发射极(E)、基极(B)和集电极(C)。电荷载体从发射极移动到基极(发射出去)并由集电极吸收。因此晶体管有两个PN结，一个位于发射极与基极之间，另一个位于集电极与基极之间。

图67 晶体管的电路符号

1.工作原理

下面以一个NPN晶体管为例介绍工作原理。PNP晶体管的工作原理相同，但电流流动方向相反。

如图68是一个晶体管及其三个接头(发射极、基极和集电极)的工作原理图。

图68 发射极电路中的晶体管工作原理

发射极内有很多电子，基极内只有少量空穴(缺陷处)。在正电压UBE的作用下，负电荷电子进入基极层，电子在那里与空穴结合。基极至发射极电压电源重新以很小的电流形式提供正电荷空穴。

在集电极与发射极之间施加一个很小的电压时，基极空间内的剩余电子就会受到正集电极电压的影响。集电极至基极的阻隔层消失，集电极电流 IC流过。

晶体管放大作用的基础是，以基极空间内很少的电荷载体，即很小的基极电流即可控制很大的集电极电流。基极至发射极电压较小时，只有部分发射极内的电子进入基极空间。因此流过的集电极电流较小。通过改变基极电流IB可控制集电极电流IC。图68所示的基极至发射极组在实际应用中由一个分压器所取代。

略微改变基极电流就会使集电极电流变化较大。由于集电极电流与基极电流之间基本为线性关系，因此将这种变化定为静态电流增益系数。

2.用作开关的晶体管

在车辆电气/电子系统中用电器通过机械和电子开关打开和关闭。晶体管适合接通较小的电流。机械开关已由晶体管所取代，因为晶体管响应速度更快、没有噪声而且不会造成机械磨损。实际起到开关作用的是晶体管集电极和发射极之间。

晶体管上未施加基极电压时，没有基极电流流过，这意味着没有集电极电流流过。晶体管上施加正基极电压时，有基极电流和集电极电流流过。