汽車(chē)電工電子基礎(chǔ)（第3版） 課件 7.2場(chǎng)效應(yīng)管控制電磁閥電路實(shí)驗(yàn)

7.2場(chǎng)效應(yīng)管控制電磁閥電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目七：汽車(chē)執(zhí)行器與控制場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)介和分類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理場(chǎng)效應(yīng)管的使用優(yōu)勢(shì)場(chǎng)效應(yīng)管與三極管的各自應(yīng)用特點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目123451.場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)介和分類(lèi)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管，由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。1.1場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)介1.2場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)

場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管）兩大類(lèi)。2.場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理我們以增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管為例，它可分為NPN型和PNP型。NPN型通常稱(chēng)為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。由圖可看出，對(duì)于N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道三極管是由輸入的基極小電流控制輸出的集電極大電流，但對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱(chēng)電場(chǎng)）控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒(méi)有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時(shí)這也是我們稱(chēng)之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。（a）截止?fàn)顟B(tài)（b）導(dǎo)通狀態(tài)

要解釋MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理，我們先復(fù)習(xí)一下僅含有一個(gè)P—N結(jié)的二極管的工作過(guò)程。如圖所示，我們知道在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負(fù)極）時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過(guò)。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng)，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓（P端接負(fù)極，N端接正極）時(shí)，這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒(méi)有電流通過(guò)，二極管截止。單PN結(jié)二極管工作原理

對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，在柵極沒(méi)有電壓時(shí)，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過(guò)，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場(chǎng)效應(yīng)管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來(lái)而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中。從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。（a）截止?fàn)顟B(tài)（b）導(dǎo)通狀態(tài)下圖給出了P溝道的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作過(guò)程，其工作原理類(lèi)似N溝道MOS管。（a）截止?fàn)顟B(tài)（b）導(dǎo)通狀態(tài)3.場(chǎng)效應(yīng)管的使用優(yōu)勢(shì)

場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。

場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱(chēng)之為單極型器件，而晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電，被稱(chēng)之為雙極型器件。

有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比晶體管好。

場(chǎng)效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。請(qǐng)參考下圖的電路進(jìn)行場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路仿真。圖中10Ω電阻防止門(mén)極瞬間電流過(guò)大損壞絕緣柵,該電阻過(guò)大會(huì)降低開(kāi)關(guān)速度,導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)熱,一般為10Ω左右。20kΩ下拉電阻可以保證門(mén)極電荷可靠泄放,避免門(mén)控信號(hào)懸空時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管意外導(dǎo)通?？梢試L試斷開(kāi)20kΩ電阻，我們發(fā)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管將因?yàn)闁艠O內(nèi)部的電荷無(wú)法泄放,場(chǎng)效應(yīng)管繼續(xù)導(dǎo)通,電路不會(huì)關(guān)斷。場(chǎng)效應(yīng)管仿真參考電路4.場(chǎng)效應(yīng)管與三極管的各自應(yīng)用特點(diǎn)

1.場(chǎng)效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對(duì)應(yīng)于三極管的發(fā)射極E、基極B、集電極C，它們的作用相似。

2.場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制iD，其放大系數(shù)gm一般較小，因此場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力較差；三極管是電流控制電流器件，由iB（或iE）控制iC。

3.場(chǎng)效應(yīng)管柵極幾乎不取電流；而三極管工作時(shí)基極總要吸取一定的電流。因此場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高。

4.場(chǎng)效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電；三極管有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電，而少子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，因而場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。在環(huán)境條件（溫度等）變化很大的情況下應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。

5.場(chǎng)效應(yīng)管和三極管均可組成各種放大電路和開(kāi)路電路，但由于前者制造工藝簡(jiǎn)單，且具有耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。

6.三極管導(dǎo)通電阻大，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻小，只有幾百毫歐姆，在現(xiàn)在的用電器件上，一般都用場(chǎng)效應(yīng)管做開(kāi)關(guān)來(lái)用，它的效率是比較高的。

5.項(xiàng)目實(shí)施1）三極管元件的認(rèn)知和測(cè)量。2）三極管電流放大特性實(shí)訓(xùn)。3）三極管控制電磁閥開(kāi)關(guān)電路。4）達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路實(shí)訓(xùn)。（1）任務(wù)布置實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)萬(wàn)用表可調(diào)鋰電池模塊積木連線實(shí)訓(xùn)板場(chǎng)效應(yīng)管元件板場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)板場(chǎng)效應(yīng)管特性板場(chǎng)效應(yīng)管元件板電流電壓表積木板電磁閥特性實(shí)訓(xùn)板連接導(dǎo)線（2）任務(wù)準(zhǔn)備

需要準(zhǔn)備以下器材。步驟圖示工作頁(yè)1讀識(shí)積木板上的元件圖，場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)分別為_(kāi)_________、__________；其中_________是N溝道管；_________是P溝道管。場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極分別是_________、_________、_________。2用萬(wàn)用表二極管檔測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)管各個(gè)電極導(dǎo)通情況，填寫(xiě)下表：

1）場(chǎng)效應(yīng)管的認(rèn)知與測(cè)量。（3）任務(wù)步驟步驟圖示工作頁(yè)3測(cè)量次數(shù)連接特點(diǎn)數(shù)字表顯示IRF640IRF9640第一次紅表筆固定G極DS第二次紅表筆固定D極GS第三次紅表筆固定S極GD測(cè)量數(shù)據(jù)從上表測(cè)量數(shù)據(jù)我們可以判斷場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極嗎？步驟圖示工作頁(yè)1讀識(shí)電路原理圖，場(chǎng)效應(yīng)管特性實(shí)訓(xùn)電路是以場(chǎng)效應(yīng)管為核心，調(diào)節(jié)柵極電壓控制漏源極電流的變化，通過(guò)負(fù)載燈泡亮度和測(cè)量電表的變化得出實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析場(chǎng)效應(yīng)管特性原理。2用連接導(dǎo)線按照積木連接示意圖連接成完整電路，連接電路比較復(fù)雜，請(qǐng)同學(xué)們細(xì)心連接，注意連接前先關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。

2）場(chǎng)效應(yīng)管特性實(shí)訓(xùn)。步驟圖示工作頁(yè)3檢查無(wú)誤后接通電源，其中Ig測(cè)量的是_____，Vgs測(cè)量的是______，Id測(cè)量的是______，Vds測(cè)量的是_______；從左至右旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)電位器，我們可以看到燈泡亮度是變化情況是_______，觀察各電表的變化，均勻取5個(gè)Vg電壓，填寫(xiě)下表：4電位器位置VgsIgIdVds最左端向右旋轉(zhuǎn)1向右旋轉(zhuǎn)2向右旋轉(zhuǎn)3最右端從上表中我們可以得出結(jié)論：場(chǎng)效應(yīng)管是__________控制型元件，控制特點(diǎn)是_______________。步驟圖示工作頁(yè)1讀識(shí)電路原理圖，理解各個(gè)元器件的作用。電源：___________________________場(chǎng)效應(yīng)管：_______________________柵極電阻：_______________________燈泡：___________________________2用連接導(dǎo)線按照積木連接示意圖連接成完整電路，注意連接前先關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。3檢查無(wú)誤后接通電源，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，Vgs_______，Id________，D、S相當(dāng)于開(kāi)關(guān)_________，燈泡_________。

3）場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)控制電磁閥、燈泡。步驟圖示工作頁(yè)1當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，Vgs_______，Id_________，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)_________，燈泡_______。其中下拉電阻的作用是__________。從實(shí)訓(xùn)中我們可以得出結(jié)