Isolierte Gate-Feldeffekttransistoren

LE3_6g Beschaltung von Gate Treibern für Mosfet/IGBT (March 2019).

Anonim

Isolierte Gate-Feldeffekttransistoren

Diskrete Halbleiterbauelemente und -schaltungen


Frage 1

Sitz nicht nur da! Baue etwas !!

Das mathematische Analysieren von Schaltkreisen erfordert viel Übung und Übung. Üblicherweise üben die Schüler, indem sie viele Beispielprobleme durcharbeiten und ihre Antworten mit denen des Lehrbuchs oder des Lehrers vergleichen. Während das gut ist, gibt es einen viel besseren Weg.

Sie werden viel mehr lernen, indem Sie reale Schaltkreise erstellen und analysieren und Ihr Testgerät die "Antworten" anstatt eines Buches oder einer anderen Person liefern lassen. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um erfolgreiche Übungen für den Schaltungsaufbau durchzuführen:

  1. Messen und notieren Sie sorgfältig alle Komponentenwerte vor dem Schaltungsaufbau und wählen Sie Widerstandswerte, die hoch genug sind, um Schäden an aktiven Komponenten unwahrscheinlich zu machen.
  2. Zeichnen Sie das schematische Diagramm für die zu analysierende Schaltung.
  3. Bauen Sie diese Schaltung vorsichtig auf einem Steckbrett oder einem anderen geeigneten Medium auf.
  4. Überprüfen Sie die Genauigkeit der Schaltungskonstruktion, folgen Sie jeder Leitung zu jedem Verbindungspunkt und überprüfen Sie diese Elemente nacheinander in der Abbildung.
  5. Mathematisch analysieren Sie die Schaltung und lösen Sie alle Spannungs- und Stromwerte.
  6. Messen Sie sorgfältig alle Spannungen und Ströme, um die Genauigkeit Ihrer Analyse zu überprüfen.
  7. Wenn es wesentliche Fehler gibt (mehr als ein paar Prozent), überprüfen Sie sorgfältig die Konstruktion Ihrer Schaltung gegen das Diagramm, dann berechnen Sie die Werte sorgfältig neu und messen Sie erneut.

Wenn Studenten sich zum ersten Mal mit Halbleiterbauelementen befassen und sie am ehesten durch unpassende Verbindungen in ihren Schaltungen beschädigen, empfehle ich ihnen, mit großen Bauteilen mit hoher Wattleistung (1N4001 Gleichrichterdioden, TO-220 oder TO-3-Gehäusetransistoren) zu experimentieren usw.) und unter Verwendung von Trockenbatterie-Stromquellen anstatt einer Tischnetzteilversorgung. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit eines Komponentenschadens.

Wie üblich, vermeiden Sie sehr hohe und sehr niedrige Widerstandswerte, um Messfehler zu vermeiden, die durch das "Laden" des Messgeräts (am oberen Ende) verursacht werden, und um einen Durchbrennen des Transistors (am unteren Ende) zu vermeiden. Ich empfehle Widerstände zwischen 1 kΩ und 100 kΩ.

Eine Möglichkeit, Zeit zu sparen und die Möglichkeit von Fehlern zu reduzieren, besteht darin, mit einer sehr einfachen Schaltung zu beginnen und schrittweise Komponenten hinzuzufügen, um nach jeder Analyse die Komplexität zu erhöhen, anstatt für jedes Übungsproblem eine ganz neue Schaltung zu erstellen. Eine weitere zeitsparende Technik ist die Wiederverwendung der gleichen Komponenten in einer Vielzahl verschiedener Schaltungskonfigurationen. Auf diese Weise müssen Sie den Wert einer Komponente nicht mehr als einmal messen.

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Lassen Sie die Elektronen selbst Antworten auf Ihre eigenen "Übungsprobleme" geben!

Anmerkungen:

Es ist meine Erfahrung, dass Studenten viel Übung mit Schaltungsanalyse benötigen, um kompetent zu werden. Zu diesem Zweck stellen die Dozenten ihren Studenten normalerweise viele Übungsprobleme zur Verfügung und geben den Studenten Antworten auf ihre Arbeit. Während dieser Ansatz Schüler in der Schaltungstheorie kompetent macht, kann sie sie nicht vollständig ausbilden.

Studenten brauchen nicht nur mathematische Praxis. Sie brauchen auch echte, praktische Übungsschaltkreise und Testgeräte. Daher schlage ich den folgenden alternativen Ansatz vor: Schüler sollten ihre eigenen "Übungsprobleme" mit realen Komponenten aufbauen und versuchen, die verschiedenen Spannungs- und Stromwerte mathematisch vorherzusagen. Auf diese Weise wird die mathematische Theorie "lebendig", und die Studenten erlangen praktische Fertigkeiten, die sie nicht nur durch Lösen von Gleichungen gewinnen würden.

Ein weiterer Grund für das Praktizieren dieser Methode ist es, den Schülern eine wissenschaftliche Methode beizubringen: den Prozess des Testens einer Hypothese (in diesem Fall mathematische Vorhersagen) durch Ausführen eines echten Experiments. Die Schüler entwickeln auch echte Fähigkeiten zur Fehlersuche, da sie gelegentlich Schaltungsfehler machen.

Verbringen Sie einige Momente mit Ihrer Klasse, um einige der "Regeln" für den Aufbau von Schaltungen zu überprüfen, bevor sie beginnen. Besprechen Sie diese Probleme mit Ihren Schülern auf die gleiche sokratische Weise, dass Sie normalerweise die Arbeitsblattfragen diskutieren, anstatt ihnen einfach zu sagen, was sie tun sollten und was nicht. Ich bin immer wieder erstaunt darüber, wie schlecht die Schüler Anweisungen verstehen, wenn sie in einem typischen Vortragsformat (Instructor Monolog) präsentiert werden!

Ein Hinweis an die Dozenten, die sich über die "verschwendete" Zeit beschweren können, die erforderlich ist, damit die Schüler reale Schaltungen aufbauen können, anstatt nur theoretische Schaltkreise mathematisch zu analysieren:

Was ist der Zweck der Schüler, die Ihren Kurs belegen? "Worksheetpanel panel panel-default" itemscope>

Frage 2

Die folgende Abbildung ist ein Querschnitt eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate, der manchmal als IGFET bezeichnet wird :

Erläutern Sie, was passiert, wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird (bezogen auf das Substrat), in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit zwischen Source und Drain:

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Wenn genügend positive Spannung an das Gate angelegt wird, bildet sich direkt darunter eine Inversionsschicht, die einen n-Kanal für den Source-Drain-Strom erzeugt:

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler zu erklären, wie sich die Inversionsschicht ausbildet und was es für die Source-Drain-Leitung bedeutet, wenn keine Inversionsschicht vorhanden ist.

Besprechen Sie mit Ihren Schülern, dass diese Inversionsschicht unglaublich dünn ist. so dass dies oft als ein zweidimensionales "Blatt" von Ladungsträgern bezeichnet wird.

Erwähnen Sie auch Ihren Studenten, dass "IGFET" zwar die allgemeine Bezeichnung für ein solches Gerät ist, "MOSFET" jedoch aufgrund seiner Geschichte häufiger als Bezeichnung verwendet wird.

Frage 3

Die Buchstaben "MOS" im Akronym "MOSFET" stehen für "Metal Oxide Semiconductor". Beschreiben Sie, was dies bedeutet, in Bezug auf den Aufbau eines MOSFET.

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Das "Oxid", auf das Bezug genommen wird, ist eine Schicht aus isolierendem Material, die zwischen dem Metall-Gate-Anschluss und dem Halbleiter-Feldeffektkanal angeordnet ist.

Follow-up-Frage: MOSFETs werden manchmal als "IGFETs" bezeichnet. Erklären Sie, wofür dieses andere Akronym steht und wie es dasselbe wie "MOSFET" bedeutet.

Anmerkungen:

Erklären Sie Ihren Studenten, dass IGFET ein allgemeinerer Begriff als MOSFET ist, da Siliziumdioxid nicht das einzige geeignete Material ist, um eine isolierende Schicht für das Gate zu bilden.

Frage 4

Einige Arten von MOSFETs haben einen Source-Drain-Kanal, der bereits ohne angelegte Gate-Spannung gebildet ist:

Erläutern Sie, was mit der Source-Drain-Leitfähigkeit bei jeder der folgenden Gate-Substrat-Spannungen passiert. Ändern Sie die Illustrationen bei Bedarf:

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Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler, das Verhalten dieser Art von MOSFET dem Verhalten des Typs gegenüberzustellen, der eine Gate-Spannung benötigt, um eine Inversionsschicht zu erzeugen.

Frage 5

Es gibt zwei allgemeine Klassen von MOSFETs: MOSFETs, die ohne anliegende Gatespannung leiten, und MOSFETs, die eine an die Leitung anzulegende Gatespannung erfordern. Wie heißen diese einzelnen MOSFET-Typen? Was sind ihre jeweiligen Schaltplansymbole? "# 5"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Depletion-Typ (D-Typ) MOSFETs leiten Strom ohne angelegte Gatespannung. Enhancement-Typ (E-Typ) MOSFETs erfordern eine Gatespannung, die zur Leitung angelegt wird.

Anmerkungen:

Der Teil dieser Frage, der nach Hinweisen innerhalb der Transistorsymbole fragt, ist sehr wichtig. Es wird Ihren Studenten viel leichter fallen, sich an die Funktion jedes Transistortyps zu erinnern, wenn sie in der Lage sind, Hinweise in der Symbolik zu erkennen.

Frage 6

Identifizieren Sie diese schematischen Symbole:

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Anmerkungen:

Das "Bubble" -Symbol auf dem Gate der P-Kanal-Vorrichtungen erinnert an Inversionsblasen, die an Logikgatter-Symbolen verwendet werden. Ich gehe davon aus, dass Ihre Schüler zu diesem Zeitpunkt keine Logikgatter studiert haben, also ist dies eine Vorausahnung der zukünftigen Dinge!

Frage 7

Feldeffekttransistoren werden als Majoritätsträgervorrichtungen klassifiziert. Erkläre warum.

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Die Leitung durch einen Feldeffekttransistor hängt von Ladungsträgern ab, die aufgrund von Dotierung im Kanal vorhanden sind (Ladungsträger vom Typ "Majorität").

Review Frage: im Gegensatz dazu, warum Bipolar-Junction-Transistoren als Minoritätsträger Geräte "Notizen versteckt"> Hinweise:

Fragen Sie Ihre Schüler, welche Art von Transistor auf einem Minoritätsträger- Prinzip arbeitet, im Gegensatz zu Feldeffekttransistoren.

Frage 8

Bipolar-Junction-Transistoren (BJTs) werden als "selbstsperrende" Bauelemente betrachtet, da ihr natürlicher Zustand, wenn kein Signal an die Basis angelegt wird, keine Leitung zwischen Emitter und Kollektor ist, wie bei einem offenen Schalter. Werden Isolierte-Gate-Feldeffekttransistoren (IGFETs) gleich betrachtet? Warum oder warum nicht?

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IGFETs können entweder als "normal-an" oder "normal-aus" -Geräte hergestellt werden.

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler, die Antwort zu erläutern. Akzeptieren Sie nicht die gedankenlose Rezitation der Antwort, "es kommt darauf an, wie sie hergestellt werden", sondern fordern Sie eine Erklärung dafür, warum ein IGFET normal-gegen-normal-aus sein sollte.

Frage 9

Die typische Strommenge durch einen MOSFET-Gateanschluss ist für ähnliche gesteuerte Ströme (Drain bzw. Kollektor) weit geringer als die typische Strommenge durch einen BJT-Basisanschluss. Erklären Sie, was es mit dem Aufbau und / oder der Verwendung des MOSFETs zu tun hat, der den Eingangsstrom während des normalen Betriebs fast auf Null begrenzt.

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Das Gate ist vom Kanal elektrisch isoliert.

Anmerkungen:

Wenden Sie sich bei Bedarf auf ein "Cut-Away" -Diagramm eines MOSFET, um Ihren Schülern zu zeigen, warum die Eingangsimpedanz eines MOSFETs so ist, wie sie ist.

Frage 10

Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) unterscheiden sich im Verhalten von Bipolar-Junction-Transistoren (BJTs) auf verschiedene Arten. Berücksichtigen Sie jeden dieser Verhaltensaspekte in Ihrer Antwort:

Aktueller Gewinn
Leitung ohne Eingangssignal (Gate / Base)
Polarisation
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MOSFETs haben viel größere Stromverstärkungen als BJTs.

BJTs sind normalerweise Aus-Vorrichtungen, wohingegen ein MOSFET abhängig von seiner Herstellung entweder normal-Ein oder Aus-Aus sein kann.

MOSFETs können gleichermaßen Strom von Source zu Drain oder von Drain zu Source leiten. BJTs können Strom nur von Emitter zu Kollektor in einer Richtung leiten.

Anmerkungen:

Besprechen Sie für jeden dieser Verhaltensaspekte genau, warum sich die beiden Transistoren unterscheiden.

Frage 11

E-Typ-MOSFETs sind normalerweise Aus- Vorrichtungen, genau wie bipolare Flächentransistoren, wobei der natürliche Zustand ihrer Kanäle dem Durchgang von elektrischen Strömen stark widersteht. Somit wird ein Leitungszustand nur auf Befehl von einer externen Quelle auftreten.

Erklären Sie, was mit einem E-Typ-MOSFET getan werden muss, insbesondere, um ihn in einen Leitungszustand zu bringen (wo ein Kanal entsteht, um Strom zwischen Source und Drain zu leiten).

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Eine Spannung muss zwischen dem Gate und dem Substrat (oder dem Gate und der Source, wenn das Substrat mit dem Source-Anschluss verbunden ist) angelegt werden, so dass die Polarität des Gate-Anschlusses die Majoritätsladungsträger des Kanals elektrostatisch anzieht Isolierschicht, die das Gate vom Kanal trennt).

Anmerkungen:

Dies ist vielleicht die wichtigste Frage, die Ihre Schüler beantworten könnten, wenn sie zuerst E-Typ-MOSFETs studieren. Was genau ist notwendig, um einen einzuschalten? Lassen Sie Ihre Schüler Diagramme zeichnen, um ihre Antworten zu veranschaulichen, wie sie sich vor der Klasse präsentieren.

Bitten Sie sie speziell, anzugeben, welche Polarität von V GS zum Anschalten eines N-Kanal-E-Typ-MOSFET und auch eines P-Kanal-E-Typ-MOSFET verwendet werden müsste.

Frage 12

D-Typ-MOSFETs sind normalerweise Einschaltvorrichtungen ebenso wie Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, wobei der natürliche Zustand ihrer Kanäle zu elektrischen Strömen durchlässig sein kann. Daher wird ein Abschaltstatus nur auf Befehl von einer externen Quelle auftreten.

Erklären Sie, was mit einem D-Typ-MOSFET getan werden muss, insbesondere, um ihn in einen Zustand des Abschaltens zu bringen (wo der Kanal vollständig erschöpft ist).

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Eine Spannung muss zwischen dem Gate und dem Substrat (oder dem Gate und der Source, wenn das Substrat mit dem Source-Anschluss verbunden ist) derart angelegt werden, dass die Polarität des Gate-Anschlusses die Majoritätsladungsträger des Kanals elektrostatisch abstößt.

Follow-up-Frage: Anders als JFETs können D-MOSFETs über die Leitfähigkeit ihres natürlichen Zustands hinaus sicher "verstärkt" werden. Beschreiben Sie, was notwendig ist, um einen D-Typ-MOSFET "anzuweisen", besser zu leiten, als er es auf natürliche Weise tut.

Anmerkungen:

Dies ist vielleicht die wichtigste Frage, die Ihre Schüler beantworten könnten, wenn sie zuerst D-Typ-MOSFETs studieren. Was genau ist notwendig, um einen auszuschalten? Lassen Sie Ihre Schüler Diagramme zeichnen, um ihre Antworten zu veranschaulichen, wie sie sich vor der Klasse präsentieren.

Bitten Sie sie speziell, anzugeben, welche Polarität von V GS zum Ausschalten eines N-Kanal-D-Typ-MOSFET und auch eines P-Kanal-D-Typ-MOSFET verwendet werden müsste.

Frage 13

Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) unterscheiden sich in einigen Punkten von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs). Erkläre in deinen eigenen Worten, was der Unterschied ist / sind.

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Ich lasse dich hier selbst forschen.

Anmerkungen:

Trotz ihrer vielen Ähnlichkeiten sind MOSFETs und JFETs nicht identisch. Bitten Sie Ihre Schüler, zu erklären, warum sich die beiden Transistorarten unterschiedlich verhalten, und nicht nur Unterschiede aus einem Lehrbuch oder einer anderen Referenz vortragen.

Frage 14

Identifizieren Sie jeden MOSFET-Typ (ob N-Kanal- oder P-Kanal, D-Typ oder E-Typ), beschriften Sie die Anschlüsse und bestimmen Sie, ob der MOSFET in jeder dieser Schaltungen ein- oder ausgeschaltet wird :

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Follow-up-Frage: welcher dieser Transistoren ist erschöpft und welcher ist "Notizen versteckt"> Hinweise:

Es ist sehr wichtig für Ihre Schüler zu verstehen, welche Faktoren in einem Schaltkreis einen MOSFET zum Ein- oder Ausschalten zwingen. Einige der in den Diagrammen enthaltenen Informationen sind für die Bestimmung des Status jedes Transistors relevant, andere nicht.

Stellen Sie sicher, dass Ihre Schüler ihre Argumentation für jeden Transistorstatus erklären. Welcher Faktor oder welche Kombination von Faktoren ist notwendig, um einen MOSFET ein- oder auszuschalten?

Frage 15

Identifizieren Sie jeden MOSFET-Typ (ob N-Kanal- oder P-Kanal, D-Typ oder E-Typ), beschriften Sie die Anschlüsse und bestimmen Sie, ob der MOSFET in jeder dieser Schaltungen ein- oder ausgeschaltet wird :

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Follow-up-Frage: welcher dieser Transistoren ist erschöpft und welcher ist "Notizen versteckt"> Hinweise:

Es ist sehr wichtig für Ihre Schüler zu verstehen, welche Faktoren in einem Schaltkreis einen MOSFET zum Ein- oder Ausschalten zwingen. Einige der in den Diagrammen enthaltenen Informationen sind für die Bestimmung des Status jedes Transistors relevant, andere nicht.

Stellen Sie sicher, dass Ihre Schüler ihre Argumentation für jeden Transistorstatus erklären. Welcher Faktor oder welche Kombination von Faktoren ist notwendig, um einen MOSFET ein- oder auszuschalten?

Frage 16

Identifizieren Sie jeden MOSFET-Typ (ob N-Kanal- oder P-Kanal, D-Typ oder E-Typ), beschriften Sie die Anschlüsse und bestimmen Sie, ob der MOSFET in jeder dieser Schaltungen ein- oder ausgeschaltet wird :

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Follow-up-Frage: welcher dieser Transistoren ist erschöpft und welcher ist "Notizen versteckt"> Hinweise:

Es ist sehr wichtig für Ihre Schüler zu verstehen, welche Faktoren in einem Schaltkreis einen MOSFET zum Ein- oder Ausschalten zwingen. Einige der in den Diagrammen enthaltenen Informationen sind für die Bestimmung des Status jedes Transistors relevant, andere nicht.

Stellen Sie sicher, dass Ihre Schüler ihre Argumentation für jeden Transistorstatus erklären. Welcher Faktor oder welche Kombination von Faktoren ist notwendig, um einen MOSFET ein- oder auszuschalten?

Frage 17

Erklären Sie, warum ein Schaltungsentwickler für eine bestimmte Anwendung einen MOSFET über einem Bipolartransistor wählen würde. Welche Vorteile hat ein MOSFET gegenüber einem Bipolartransistor?

Herausforderungsfrage: Beweisen Sie Ihren Punkt, indem Sie parametrische Bewertungen von zwei Transistordatenblättern vergleichen, einen bipolaren und den anderen Feldeffekt mit isoliertem Gate. Stellen Sie sicher, dass diese beiden Transistoren ähnliche gesteuerte Stromstärken haben (maximaler Kollektorstrom bzw. Drainstrom).

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MOSFETs haben extrem niedrige Eingangsstrom- "Treiber" -Anforderungen.

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler zu erklären, was "Antriebsstrom" in Bezug auf die Transistornennwerte bedeutet. Bitten Sie sie auch zu erklären, warum MOSFETs nicht so viel Treiberstrom benötigen wie bipolare Transistoren. Fordern Sie sie auf, sich durch einen Vergleich der Datenblätter zu beweisen.

Ist der niedrige Treiberstrom der einzige Vorteil, den MOSFETs gegenüber bipolaren Transistoren genießen? Stellen Sie diese Frage Ihren Studenten, um zu sehen, ob sie diese jeweiligen Geräte weiter als die geforderte Frage untersucht haben.

Frage 18

Was bedeutet der Begriff Transkonduktanz in Bezug auf einen Feldeffekttransistor? Ist die Transkonduktanzfunktion für einen FET eine lineare oder eine nichtlineare Beziehung? Erklären Sie warum, und verweisen Sie auf eine Gleichung, um Ihre Antwort möglichst zu erklären.

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"Transkonduktanz" bezieht sich auf die Größe der Änderung im Drain-Strom für eine gegebene Größe der Änderung der Gate-Spannung (((& Dgr; I D ) / (& Dgr; V G ))). Die Transkonduktanzfunktion für einen FET ist definitiv nichtlinear.

Herausforderungsfrage: Welche Maßeinheit wäre geeignet, Transkonduktanz auszudrücken?

Anmerkungen:

Transkonduktanz ist nicht nur ein Parameter für JFETs, sondern auch für MOSFETs (IGFETs) und Vakuumröhren. Jede spannungsgesteuerte Stromregelvorrichtung hat einen Transkonduktanzwert (obwohl sie sich über den Betriebsbereich der Vorrichtung ändern kann, genauso wie sich β über den Betriebsbereich eines BJT ändert).

Frage 19

Die "Substrat" ​​-Verbindung in einem MOSFET ist oft intern mit der Source verbunden, so:

Dadurch wird der MOSFET von einem Gerät mit vier Anschlüssen in ein Gerät mit drei Anschlüssen umgewandelt, wodurch die Verwendung vereinfacht wird. Eine Konsequenz dieser internen Verbindung ist jedoch die Erzeugung einer parasitären Diode zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen: ein PN-Übergang, der existiert, ob wir es wollen oder nicht.

Fügen Sie diese parasitäre Diode zu dem hier gezeigten MOSFET-Symbol hinzu (was den oben gezeigten MOSFET-Querschnitt darstellt) und erklären Sie, wie sich dessen Anwesenheit auf die Verwendung des Transistors in einer realen Schaltung auswirkt:

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Follow-up-Frage: Wie ermöglicht das Vorhandensein dieser parasitären Diode uns, den Source-Anschluss vom Gate-Anschluss positiv zu unterscheiden, wenn die Anschlüsse eines MOSFET mit einem Multimeter identifiziert "Notizen versteckt"> Hinweise:

Das Vorhandensein dieser Diode ist ein sehr wichtiges Konzept für Studenten, da es den MOSFET zu einem einseitigen Gerät für die meisten praktischen Zwecke macht. Diskutieren Sie die Bedeutung dieser Diode und stellen Sie die Eigenschaften eines dreipoligen MOSFETs gegenüber den Eigenschaften eines dreipoligen JFET gegenüber, der ein wirklich bilaterales Bauelement ist.

Frage 20

Ein Techniker verwendet ein digitales Multimeter (mit einer "Diodenprüfungsfunktion"), um die Anschlüsse eines Leistungs-MOSFET zu identifizieren:

Der Techniker erhält die folgenden "Diodentest" -Spannungsmessungen in dieser Reihenfolge:

  1. Schwarzes Kabel am mittleren Terminal, rotes Kabel am rechten Terminal = 0.583 Volt ( in der Abbildung gezeigt )
  2. Rotes Kabel am mittleren Terminal, Schwarzes Kabel am rechten Terminal = OL (offen)
  3. Schwarzes Kabel am mittleren Terminal, rotes Kabel am linken Terminal = OL (offen)
  4. Schwarzes Kabel am mittleren Anschluss, Rotes Kabel am rechten Anschluss = 0, 001 Volt
  5. Rote Leitung am mittleren Anschluss, schwarze Leitung am rechten Anschluss = 0, 001 Volt

Erklären Sie, warum sich die vierte und fünfte Messung so stark von der ersten bzw. zweiten unterscheiden, wenn sie zwischen den gleichen Anschlüssen des MOSFET vorgenommen wurden. Hinweis: Dieser spezielle MOSFET ist ein N-Kanal-Anreicherungstyp.

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Die Maßnahme der dritten Messung erhöhte den Transistor durch die Ausgangsspannung des Multimeters im Diodentestmodus in den Ein (gesättigten) Zustand. Der MOSFET blieb dann für die vierte und fünfte Messung in seinem eingeschalteten Zustand.

Folgefrage: Wo müsste der Zähler angeschlossen werden, um den MOSFET in den Ausschaltzustand zu zwingen "Notizen versteckt"> Hinweise:

Feldeffekttransistoren, die spannungsgesteuerte Bauelemente mit extrem hoher Eingangsimpedanz sind, sind schwieriger zu identifizieren als bipolare Flächentransistoren, da das Ausgangssignal des Messgeräts im "Diodenprüf" -Modus ausreicht, um sie zu aktivieren und zu deaktivieren. Diese Frage zeigt ein praktisches Beispiel dafür (die Werte stammen tatsächlich aus dem realen Testen eines IRF510-Transistors!).

Frage 21

Eine wichtige Überlegung bei der Arbeit mit Schaltungen, die MOSFETs enthalten, ist die elektrostatische Entladung oder ESD . Beschreiben Sie, was dieses Phänomen ist und warum es eine wichtige Überlegung für MOSFET-Schaltungen ist.

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"Elektrostatische Entladung" ist das Anlegen von sehr hohen Spannungen an Schaltungskomponenten als Folge von Kontakt oder Nähe zu einem elektrisch geladenen Körper, wie etwa einem Menschen. Die hohen Spannungen der statischen Elektrizität sind sehr schädlich für MOSFETs. Ich lasse dich nach dem Grund fragen!

Anmerkungen:

Stellen Sie sicher, dass die Schüler den Mechanismus der durch ESD verursachten Transistorschäden erklären und die schiere Größe der statischen Spannungen diskutieren, die typischerweise in trockener Luft erzeugt werden. Wenn Sie Mikrophotographien von IC-Schäden durch ESD haben, präsentieren Sie einige von ihnen während der Diskussionszeit für das Sehvergnügen Ihrer Schüler.

Frage 22

Antistatische Armbänder werden üblicherweise von Technikern getragen, wenn sie Arbeiten an Schaltkreisen durchführen, die MOSFETs enthalten. Erläutern Sie, wie diese Riemen verwendet werden und wie Sie sie testen, um sicherzustellen, dass sie richtig funktionieren.

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Ein einfacher Ohmmeter-Test sollte einen Mega-Ohm-Widerstand zwischen dem Hautkontaktpunkt des Armbands und dem Metall-Erdungsclip zeigen.

Folgefrage: Warum ist absichtlich ein Widerstand zwischen der Handschlaufe und dem Erdungsclip "Notizen versteckt" platziert?

Eine gute Frage, die Sie Ihren Studenten stellen sollten, ist der, warum ein antistatischer Schutz bei der Arbeit mit MOSFET-Geräten wichtig ist. Sie sollten niemals davon ausgehen, dass dies offensichtlich ist, es sei denn, das Thema wurde unmittelbar vor dieser Frage behandelt!

Ihre Schüler sollten ein antistatisches Armband als Teil ihrer normalen Werkzeugsammlung haben. Bei der Diskussion dieser Frage wäre es gut, wenn die Schüler ihre Ohmmeter benutzen, um die Funktion ihrer Armbänder zu überprüfen.

Frage 23

Vervollständigen Sie die Schaltung und zeigen Sie, wie der Druckschalter an das Gate des MOSFET angeschlossen werden kann, um die Last zu steuern:

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Diese Lösung ist zwar praktikabel, aber nicht die praktischste. Verbessere dieses Design!

Follow-up Frage: Würden Sie sagen, dass dieser Transistor die Last mit Strom versorgt oder Strom von der Last abzieht "Notizen versteckt"> Hinweise:

Besprechen Sie mit Ihren Schülern, warum die in der Antwort gezeigte Schaltung nicht unbedingt praktisch ist, und arbeiten Sie zusammen, um ein besseres Design zu entwickeln.

Frage 24

Bestimmen Sie, ob die Last mit dem Schalter in der gezeigten Position erregt oder nicht erregt ist. Identifizieren Sie auch, ob der Transistor ein Verarmungstyp oder ein Anreicherungstyp ist :

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Die Last wird als Ergebnis davon, dass sich dieser Transistor vom Verarmungstyp im "Aus" -Zustand befindet, entregt.

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler zu erklären, wie sie den Zustand des Transistors in dieser Schaltung herausgefunden haben und auch, welche Funktion der Doppelpol- (DPDT-) Schalter erfüllt. Übrigens ist diese DPDT-Schalterverdrahtungskonfiguration in elektrischen und elektronischen Schaltungen ziemlich üblich!

Frage 25

Bestimmen Sie, ob die Last mit dem Schalter in der gezeigten Position erregt oder nicht erregt ist. Identifizieren Sie auch, ob der Transistor ein Verarmungstyp oder ein Anreicherungstyp ist :

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Die Last wird erregt, weil sich dieser Transistor vom Anreicherungstyp im "Ein" -Zustand befindet.

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler zu erklären, wie sie den Zustand des Transistors in dieser Schaltung herausgefunden haben und auch, welche Funktion der Doppelpol- (DPDT-) Schalter erfüllt. Übrigens ist diese DPDT-Schalterverdrahtungskonfiguration in elektrischen und elektronischen Schaltungen ziemlich üblich!

Frage 26

Bestimmen Sie, ob die Last mit dem Schalter in der gezeigten Position erregt oder nicht erregt ist. Identifizieren Sie auch, ob der Transistor ein Verarmungstyp oder ein Anreicherungstyp ist :

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Die Last wird erregt, weil sich dieser Transistor vom Verarmungstyp im "An" -Zustand befindet.

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler zu erklären, wie sie den Zustand des Transistors in dieser Schaltung herausgefunden haben und auch, welche Funktion der Doppelpol- (DPDT-) Schalter erfüllt. Übrigens ist diese DPDT-Schalterverdrahtungskonfiguration in elektrischen und elektronischen Schaltungen ziemlich üblich!

Frage 27

Bestimmen Sie, ob die Last mit dem Schalter in der gezeigten Position erregt oder nicht erregt ist. Identifizieren Sie auch, ob der Transistor ein Verarmungstyp oder ein Anreicherungstyp ist :

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Die Last wird erregt, weil sich dieser Transistor vom Anreicherungstyp im "Ein" -Zustand befindet.

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler zu erklären, wie sie den Zustand des Transistors in dieser Schaltung herausgefunden haben und auch, welche Funktion der Doppelpol- (DPDT-) Schalter erfüllt. Übrigens ist diese DPDT-Schalterverdrahtungskonfiguration in elektrischen und elektronischen Schaltungen ziemlich üblich!

Frage 28

Bestimmen Sie, ob die Last mit dem Schalter in der gezeigten Position erregt oder nicht erregt ist. Identifizieren Sie auch, ob der Transistor ein Verarmungstyp oder ein Anreicherungstyp ist :

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Die Last wird als Ergebnis davon, dass sich dieser Transistor vom Anreicherungstyp in dem "Aus" -Zustand befindet, entregt.

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler zu erklären, wie sie den Zustand des Transistors in dieser Schaltung herausgefunden haben und auch, welche Funktion der Doppelpol- (DPDT-) Schalter erfüllt. Übrigens ist diese DPDT-Schalterverdrahtungskonfiguration in elektrischen und elektronischen Schaltungen ziemlich üblich!

Frage 29

Es ist oft notwendig, einen Leistungstransistor als Stromquelle für eine Last zu verwenden (einen Pfad von der positiven Versorgungsspannungsschiene zur Last bereitzustellen), anstatt den Strom von der Last abzuleiten (einen Pfad von der Last zur negativen Spannungsschiene oder Masse bereitzustellen). weil eine Seite der Last bereits mit Masse verbunden ist:

Wenn der Transistor Strom liefert, wird er oft als High-Side- Schalter bezeichnet. Ermitteln Sie die Ansteuerspannung für jeden dieser High-Side-MOSFET-Schalter; Das heißt, bestimmen Sie, was mit dem Gate jedes Transistors verbunden werden muss, um es vollständig einzuschalten, damit die Last die volle Leistung erhält:

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Für den P-Kanal-MOSFET muss das Gate einfach geerdet werden. Für den N-Kanal-MOSFET muss das Gate um mindestens V GS (on) auf eine positive Spannung von mehr als + V gebracht werden.

Folgefragen: Diskutieren Sie, warum die Begriffe "Sourcing" und "Sinking" am sinnvollsten sind, wenn man sie aus der Sicht der Strömungsstromnotation betrachtet . Im Gegensatz dazu ist hier die gleiche Schaltung mit den Pfeilen in Richtung des Elektronenflusses gezeichnet:

Herausforderungsfrage: Trotz der anspruchsvolleren Gate-Ansteuerungs-Anforderungen des High-Side-N-Kanal-MOSFETs werden diese in praktischen Schaltungsentwürfen oft gegenüber P-Kanal-Vorrichtungen bevorzugt. Erkläre warum. Tipp: Es hat etwas mit der Mobilität der Träger zu tun.

Anmerkungen:

Dies ist eine gute Übung beim Bestimmen der richtigen Gate-Spannungspolarität (und -größe) sowie beim Einführen der Konzepte von Stromquellen und -senken und Hochseitenschalten. Vergessen Sie nicht, sich mit dem Thema Sourcing versus sinking auseinander zu setzen, da dies später in den Studien Ihrer Schüler von größerer Bedeutung sein wird (insbesondere im Design von Logikgatterschaltungen).

Frage 30

Zeichnen Sie die richtigen Kabelverbindungen, die notwendig sind, um diesen MOSFET mit der Solarzellenspannung zu "verstärken", so dass die Batterie das Relais erregt, wenn genügend Licht auf die Solarzelle einwirkt:

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Herausforderung: Verbinden Sie eine Kommutierungsdiode ("Freilauf") mit dem gezeigten Schaltkreis, so dass der induktive "Rückschlag" der Relaisfreischaltung den MOSFET nicht beschädigt.

Anmerkungen:

Die Schüler sollten beachten, dass die gezeigte Schaltung nicht die einzige Möglichkeit ist, wie ein MOSFET verwendet werden könnte, um ein Relais einzuschalten. Häufig sind die Substrat- (SS) und Source- (S) -Anschlüsse des MOSFETs miteinander verbunden, so dass sich die steuernden und gesteuerten Schaltungen einen gemeinsamen Punkt teilen (üblicherweise der "Massepunkt" des Systems).

Fragen Sie Ihre Schüler, was passieren würde, wenn die Polarität der Batterie umgekehrt würde.

Frage 31

Erkläre, was in dieser Schaltung passiert, wenn jeder Tastschalter einzeln betätigt wird:

Kannst du dir praktische Anwendungen für eine Schaltung wie diese vorstellen? "# 31"> Antwort anzeigen Antwort verstecken

Diese Schaltung ist allgemein als bistabiler Latch bekannt, da sie in zwei verschiedene stabile Zustände "einklinken" kann.

Wenn Sie Schwierigkeiten haben, den Betrieb dieser Schaltung zu analysieren, stellen Sie sich vor, dass einer der Transistoren unmittelbar nach dem Einschalten im "Ein" -Zustand und der andere im "Aus" -Zustand ist. Fragen Sie sich dann, was passiert, wenn jeder Taster betätigt wird.

Anmerkungen:

Bistabile Latch- oder Multivibratorschaltungen sind ziemlich nützlich und ziemlich einfach mit MOSFETs zu implementieren, wie dieses Beispiel zeigt. Besprechen Sie einige praktische Anwendungen mit Ihren Schülern, vor allem, wenn sie nicht selbst einige Anwendungen entdeckt haben.

Frage 32

Diese Schaltung verwendet eine Kombination aus Kapazität und Widerstand, um eine Zeitverzögerung zu erzeugen, wenn der Druckknopfschalter losgelassen wird, wodurch die Lampe kurz nach dem Öffnen des Schalters eingeschaltet bleibt:

Berechnen Sie, wie lange die Lampe nach dem Öffnen des Schalters an bleibt, unter der Annahme, dass der MOSFET eine Gate-Schwellenspannung (Einschaltspannung) von V GS (th) = 4 Volt hat.

Antwort enthüllen Antwort verstecken

t Verzögerung = 2, 05 Sekunden

Anmerkungen:

Um dieses Problem zu lösen, müssen die Studenten ihr Wissen über kapazitive Entladungsschaltungen anwenden, um die richtige Gleichung für die Zeit zu finden. Fragen Sie sie, wie sie die Lösung aufstellen und wie sie wissen, welche Gleichung (en) zu verwenden sind.

Frage 33

Vorhersagen, wie diese Schaltung aufgrund der folgenden Fehler beeinträchtigt wird. Betrachten Sie jeden Fehler einzeln (dh einzeln, keine Mehrfachfehler):

Transistor Q 1 fällt offen (Drain-zu-Source):
Transistor Q 1 ist kurzgeschlossen (Drain-zu-Source):
Widerstand R 1 bricht offen ab:

Erkläre für jede dieser Bedingungen, warum die resultierenden Effekte auftreten.

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Transistor Q 1 öffnet nicht (Drain-zu-Source): Motor läuft nicht.
Transistor Q 1 ist kurzgeschlossen (Drain-zu-Source): Motor läuft die ganze Zeit und schaltet nicht aus.
Der Widerstand R 1 fällt nicht auf: Der Motor läuft, wenn der Schalter gedrückt wird, es dauert lange, bis er ausgeschaltet wird, wenn der Schalter losgelassen wird.

Anmerkungen:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, den Bereich der Fehlersuche von Schaltkreisen aus einer Perspektive zu betrachten, um zu wissen, was der Fehler ist, anstatt nur zu wissen, was die Symptome sind. Obwohl dies nicht unbedingt eine realistische Perspektive ist, hilft es den Studenten, das grundlegende Wissen aufzubauen, das notwendig ist, um einen fehlerhaften Schaltkreis anhand empirischer Daten zu diagnostizieren. Fragen wie diese sollten (eventuell) durch andere Fragen befolgt werden, in denen die Schüler aufgefordert werden, mögliche Fehler anhand von Messungen zu identifizieren.

Frage 34

Vorhersagen, wie diese Schaltung aufgrund der folgenden Fehler beeinträchtigt wird. Betrachten Sie jeden Fehler einzeln (dh einzeln, keine Mehrfachfehler):

Transistor Q 1 ist kurzgeschlossen (Kollektor zu Emitter):
Transistor Q 2 fällt offen (Drain-zu-Source):
Widerstand R 1 bricht offen ab:
Der Widerstand R 2 ist nicht geöffnet:

Erkläre für jede dieser Bedingungen, warum die resultierenden Effekte auftreten.

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Transistor Q 1 ist kurzgeschlossen (Drain-zu-Source): Motor läuft die ganze Zeit und schaltet nicht aus.
Transistor Q 2 fällt aus (Drain-zu-Source): Motor läuft nicht.
Der Widerstand R 1 fällt aus: Der Motor weigert sich zu laufen.
Der Widerstand R 2 fällt aus: Der Motor läuft, wenn der Schalter gedrückt wird. Es dauert lange, bis er ausgeschaltet wird, wenn der Schalter losgelassen wird.

Anmerkungen:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, den Bereich der Fehlersuche von Schaltkreisen aus einer Perspektive zu betrachten, um zu wissen, was der Fehler ist, anstatt nur zu wissen, was die Symptome sind. Obwohl dies nicht unbedingt eine realistische Perspektive ist, hilft es den Studenten, das grundlegende Wissen aufzubauen, das notwendig ist, um einen fehlerhaften Schaltkreis anhand empirischer Daten zu diagnostizieren. Fragen wie diese sollten (eventuell) durch andere Fragen befolgt werden, in denen die Schüler aufgefordert werden, mögliche Fehler anhand von Messungen zu identifizieren.

Frage 35

Vorhersagen, wie diese Schaltung aufgrund der folgenden Fehler beeinträchtigt wird. Betrachten Sie jeden Fehler einzeln (dh einzeln, keine Mehrfachfehler):

Transistor Q 1 ist kurzgeschlossen (Drain-zu-Source):
Transistor Q 2 ist kurzgeschlossen (Drain-zu-Source):
Widerstand R 1 bricht offen ab:
Der Widerstand R 2 ist nicht geöffnet:
Lötbrücke (kurz) vorbei an Widerstand R 1 :

Erkläre für jede dieser Bedingungen, warum die resultierenden Effekte auftreten.

Antwort enthüllen Antwort verstecken

Transistor Q 1 ist kurzgeschlossen (Drain-zu-Source): Motor läuft nicht an.
Transistor Q 2 ist kurzgeschlossen (Drain-zu-Source): Motor läuft die ganze Zeit und schaltet nicht ab.
Widerstand R 1 fällt aus: Motor läuft die ganze Zeit und schaltet nicht ab.
Der Widerstand R 2 fällt aus: Der Motor weigert sich zu laufen.
Lötbrücke (kurz) vorbei an Widerstand R 1 : Motor läuft, wenn der Schalter zunächst nicht gepresst wird (wie es sein sollte), aber der Transistor Q 1 wird ausfallen, wenn der Schalter gedrückt wird. Dies kann dazu führen, dass der Motor nicht mehr läuft oder nie stoppt, je nachdem wie Q 1 ausfällt. Die Sicherung kann infolgedessen auch durchbrennen.

Anmerkungen:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, den Bereich der Fehlersuche von Schaltkreisen aus einer Perspektive zu betrachten, um zu wissen, was der Fehler ist, anstatt nur zu wissen, was die Symptome sind. Obwohl dies nicht unbedingt eine realistische Perspektive ist, hilft es den Studenten, das grundlegende Wissen aufzubauen, das notwendig ist, um einen fehlerhaften Schaltkreis anhand empirischer Daten zu diagnostizieren. Fragen wie diese sollten (eventuell) durch andere Fragen befolgt werden, in denen die Schüler aufgefordert werden, mögliche Fehler anhand von Messungen zu identifizieren.

Frage 36

Eine sehr nützliche MOSFET-Schaltung ist der bilaterale Schalter, ein Beispiel, das hier zur Analyse gezeigt wird:

Die "Dual-Inverter" -Schaltung stellt einfach sicher, dass die zwei Steuerleitungen A und B immer entgegengesetzte Polaritäten haben (eine auf Vdd- Potential, die andere auf Massepotential).

Was ist der Zweck einer "bilateralen Switch" Schaltung "# 36"> Reveal Antwort Verberge die Antwort

Ich lasse dich das selbst erforschen!

Anmerkungen:

Wenn Ihre Schüler noch nicht von digitalen Transistorschaltungen erfahren haben, wäre dies ein guter Zeitpunkt, um das Konzept der "hohen" und "niedrigen" logischen Zustände einzuführen, in diesem Fall als Steuersignale für die bilaterale Schaltzelle.

Fragen Sie Ihre Schüler, was der Zweck eines bilateralen Schalters sein könnte, da wir bereits mechanische Schalter haben, die fast jedes bekannte elektrische Signal schalten können.

Frage 37

Ein spezieller Typ eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate ist der hier gezeigte Dual-Gate-MOSFET :

Zeichnen Sie ein schematisches Diagramm mit normalen (Single-Gate-) MOSFETs, die diesem Dual-Gate-MOSFET entsprechen.

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Anmerkungen:

Eine ziemlich einfache Antwort auf diese Frage, aber der eigentliche Zweck besteht darin, die Schüler herauszufordern, an komplexe Schaltungselemente in Form äquivalenter Schaltungen zu denken, die aus einfachen, idealisierten Komponenten bestehen.

Frage 38


∫f (x) dx Kalkulationsalarm!


Ein potentielles Problem für Leistungs-MOSFETs ist das durch (dv / dt) induzierte Einschalten . Erklären Sie, warum ein MOSFET bei einem übermäßigen (dv / dt) -Zustand einschaltet, wenn dies nicht der Fall ist.

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Wenn die Drain-Spannungs-Änderungsrate über die Zeit ((dv / dt)) zu hoch ist, kann der Transistor aufgrund des Kopplungseffekts der Gate-zu-Drain-Kapazität (C GD ) anschalten .

Herausforderungsfrage: Zeichnen Sie ein äquivalentes schematisches Diagramm, das die parasitäre C GD -Kapazität zeigt, und schreiben Sie die Gleichung, die den kapazitiven Strom mit der momentanen Spannungsänderung über die Zeit in Beziehung setzt.

Anmerkungen:

Diese Frage ist eine gute Übersicht über die Kondensatortheorie und die Kalkülnotation. Bitten Sie Ihre Schüler, genau zu erklären, was (dv / dt) bedeutet und wie es sich auf den Strom in einer Schaltung mit Kapazität bezieht.

Das Problem des durch dv / dt induzierten Einschaltens ist nicht einzigartig für Leistungs-MOSFETs. Verschiedene Thyristoren, insbesondere SCRs und TRIACs, weisen ebenfalls dieses Problem auf.

Frage 39

Finden Sie ein oder zwei echte Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate und bringen Sie sie zur Diskussion. Identifizieren Sie so viele Informationen wie möglich über Ihre Transistoren vor der Diskussion:

Terminalidentifikation (Terminal ist Gate, Source, Drain)
Dauerleistung
Typische Transkonduktanz

Hinweis: Achten Sie darauf, dass Ihre Transistoren so gut wie möglich in antistatischem Schaum gehalten werden, um eine Beschädigung des Gate durch elektrostatische Entladung zu vermeiden.

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Wenn möglich, suchen Sie das Datenblatt eines Herstellers für Ihre Komponenten (oder zumindest ein Datenblatt für eine ähnliche Komponente), um es mit Ihren Klassenkameraden zu besprechen. Bereiten Sie sich darauf vor, die Anschlussbezeichnungen Ihrer Transistoren in der Klasse zu beweisen, indem Sie ein Multimeter verwenden!

Anmerkungen:

Der Zweck dieser Frage ist, die Schüler dazu zu bringen, mit dem Thema kinästhetisch zu interagieren. Es mag albern erscheinen, wenn die Schüler sich an einer "Show and Tell" -Ausübung beteiligen, aber ich habe festgestellt, dass Aktivitäten wie diese einigen Schülern sehr helfen. Für diejenigen Lernenden, die kinästhetisch sind, ist es eine große Hilfe, reale Komponenten tatsächlich zu berühren, während sie über ihre Funktion lernen. Natürlich bietet diese Frage auch eine hervorragende Gelegenheit für sie, die Komponentenmarkierung zu interpretieren, ein Multimeter zu verwenden, auf Datenblätter usw. zuzugreifen.

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