8.2 场效应管控制电磁阀

学习任务二 场效应管控制电磁阀

学 习 目 标 ◎ 知识目标

（1）掌握场效应管的结构原理图、外部端子接线图。 （1）理解场效应管的工作特性原理。 （2）掌握场效应管开关控制原理。 ◎ 技能目标

（1）掌握使用万用表检测场效应管。 （2）掌握场效应管开关电路的连接。

（3）掌握场效应管驱动负载电路的电路分析和故障排除。 ◎ 素质目标

（1）规范课堂6S管理。

（2）养成团队协作的好习惯。

建议完成本学习任务的时间为4课时。

学习任务导入

除了三极管外，场效应管也是一电子控制元件，起放大和开光作用。与三极管相比，有它的优越性。大功率场效应管电路故障常常表现的是执行元件不工作。请你检修由场效应管控制的电磁阀电路。

学习内容

什么是场效应管 场效应管的开关应用与电路分析 场效应管的工作原理与分类 场效应管控制电磁阀 场效应管控制电磁阀 场效应管的测量 场效应管与三极管的比较

获取信息

引导问题1 什么是场效应管？

场效应晶体管，简称场效应管，由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

图8-8 场效应管 引导问题2 场效应管是怎样分类的？ 场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类，如图8-9所示。

图8-9 场效应管分类

引导问题3 场效应管的工作原理是怎样的？

我们以增强型MOS 场效应管为例，它可分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图8-10可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道三极管是由输入的基极小电流控制输出的集电极大电流，但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。

图8-10 单PN结二极管工作原理

要解释MOS场效应管的工作原理，我们先复习一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图8-11所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。

（a）截止状态 （b）导通状态

图8-11 N沟道的MOS 场效应管的工作原理

对于场效应管，在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态，如图8-11（a）所示。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来

而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中，如图8-11（b）所示，从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图8-12给出了P沟道的MOS 场效应管的工作过程，其工作原理类似N沟道MOS管。

（a）截止状态 （b）导通状态

图8-12 P沟道的MOS 场效应管的工作原理

引导问题4 场效应管的使用优势有哪些？

场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。

场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电，被称之为双极型器件。

有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。 场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。 引导问题5 场效应管与三极管的各自应用有何特点？

1.场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极E、基极B、集电极C，它们的作用相似。

2.场效应管是电压控制电流器件，由VGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。

3.场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。

4.场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。

5.场效应管在源极水与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多。

6.场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开路电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。

7.三极管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百毫欧姆，在现在的用电器件上，一般都用场效应管做开关来用，它的效率是比较高的。

制定计划

各小组成员制定实施本次实训任务的具体步骤、操作方法，预期效果。 步骤 内容 续上表

3 1 2 4 5

做出决策

教师根据学生提交的计划进行审核评价，如果不通过则由教师提出整改意见，通过之后每小组根据本小组制定的计划实施任务。 小组 评价 1 2 3 4 5

实施计划

一、任务准备

引导问题6 完成本次学习任务需要准备哪些积木、器材？

积木连线实训板 万用表 可调锂电池模块 开关熔丝板 场效应管元件板 场效应管驱动板 场效应管特性板 负载积木板 电流电压表积木板 电磁阀特性实训板 连接导线

二、任务要求

1 教学组织

分组实训:全班____人，每____人一组，分为____组，___套实训器材，每组小组长一名。

2 职责分工

教师职责：课堂纪律与安全管理、实训器材管理、指导与巡查。

学生职责：班长协助教师对班级全面管理与监控、学习委员负责器材管理和检查、团委书记负责安全与纪律及素质评价、副班长负责收集和反馈学生意见，实训小组长负责指导组内学习和交流。

要求：安全 整理 整顿 清洁 清扫 素养 3 6S

三、任务步骤

步骤一 实训积木板的认识及检查 步骤 图示 任务内容 完成情况 1 检查固定电压输出、可调电压输出、电压显示是否正常。 是□否□ 2 波动万用表档位开关，检查功能、是□否□ 液晶显示是否正常。 3 打开熔断丝盒，检查熔断丝是否良好；波动开关，检查是否正常。 是□否□ 4 检查灯泡有无破裂，灯丝是否良好；观察电机是否良好，有无卡死。 是□否□ 5 读识各个场效应管的型号与接线端子名称，检查场效应管外观有无异常。 是□否□ 6 读识电路图接线端子的功能，检查元件外观有无异常。 是□否□ 7 读识积木板电路原理图各接线端子名称、功能，检查各元件外观有无异常。 是□否□ 8 观察面板标示，按下电源开关，检查液晶显示是否正常。 是□否□ 9 读识积木板电路原理图与各接线端子功能，检查电磁阀外观有无异常。 是□否□ 步骤二 场效应管元件的认知与测量 步骤 图 示 工作页 1 读识积木板上的元件图，场效应管型号分别为__________、__________；其中_________是N沟道管；_________是P沟道管。场效应管的三个电极分别是_________、_________、_________。

续上表 2 用万用表二极管档测量场效应管各个电极导通情况，填写下表： 测量数据 测量次数 第一次 第二次 第三次 连接特点 红表笔固定G极 红表笔固定D极 红表笔固定S极 D S G S G D 数字表显示 IRF640 IRF9640 3 从上表测量数据我们可以判断场效应管的三个电极吗？ 步骤三 场效应管特性实训 步骤 图示 工作页 1 读识电路原理图，场效应管特性实训电路是以场效应管为核心，调节栅极电压控制漏源极电流的变化，通过负载灯泡亮度和测量电表的变化得出实训数据，进而分析场效应管特性原理。 2 用连接导线按照积木连接示意图连接成完整电路，连接电路比较复杂，请同学们细心连接，注意连接前先关闭电源开关。 3 检查无误后接通电源，其中Ig测量的是_____，Vgs测量的是______，Id测量的是______，Vds测量的是_______；从左至右旋转电压调节电位器，我们可以看到灯泡亮度是变化情况是_______，观察各电表的变化，均匀取5个Vg电压，填写下表： 测量数据 电位器位置 最左端 向右旋转1 向右旋转2 向右旋转3 最右端 Vgs Ig Id Vds 从上表中我们可以得出结论：场效应管是__________控制型元件，控制特点是_______________。 步骤四 场效应管开关控制电磁阀、灯泡 步骤 图 示 工作页 1 读识电路原理图，理解各个元器件的作用。 电源：_____________________________ 场效应管：_________________________ 栅极电阻：_________________________ 灯泡：_____________________________ 续上表

2 用连接导线按照积木连接示意图连接成完整电路，注意连接前先关闭电源开关。 3 检查无误后接通电源，当开关断开时，Vgs_______，Id________，D、S相当于开关_________，灯泡_________。 当开关闭合时，Vgs_______，Id_________，相当于开关_________，灯泡_______。其中下拉电阻的作用是__________。从实训中我们可以得出结论：场效应管开关控制原理是小信号栅极电压控制漏极负载大电流，负载方式可以是多种多样的。 4 5 依照场效应管控制灯泡电路完成场效应管控制模拟电磁阀电路，记录实验数据。

检查项目 连线是否规范 是否出现异常现象 评价反馈

一、自我评价

结果或数据 检查项目 是否认真观察实训现象 测量数据是否准确 结果或数据 检查项目 是否单独完成工作页 是否严格执行6S管理 结果或数据 检查控制

在知识与技能方面的收获： 牢固掌握 能够说明场效应管的内部结构特点 能够使用万用表测量辨别场效应管的引脚功能 能够连接并分析场效应管工作特性积木电路 能够连接场效应管开关电路 能够分析场效应管开关电路参数并能排除电路故障 希望自我改进的地方 希望老师改进的地方 掌握的程度 基本掌握 模糊不清 实训小组学生： 完成时间： 年 月 日

二、小组和教师对本学习任务进行评价 考核项目 团队合作 活动参与 安全实训 现场6S 任务方案 评分标准 是否协调信任 是否积极主动 有无安全隐患 是否做到 是否正确、合理 是否独立完成实训 工作页完成情况 是否圆满完成 是否规范、标准 是否能够回答正确 分数 5 5 10 10 5 学生自评 小组互评 教师评价 （权重20%） （权重60%） （权重20%） 40 小计 实训过程 任务完成情况 工具和设备使用 5 10 续上表

问答 5 实训设备 总分

是否完好 5 100 得分 教师签名： 年 月 日