2.03.2. Лабораторная работа №2.3.2.md

MOSFET-транзисторы

Тема работы

В этой лабораторной работе мы на практике сравним два главных типа транзисторов - биполярный NPN и полевой MOSFET. Вы соберёте две очень похожие схемы для плавной регулировки яркости светодиода - одну на NPN-транзисторе, другую на MOSFET. Этот эксперимент наглядно покажет, в чём их ключевые различия и какой из них является более современным и эффективным.

Цель

Научиться использовать и N-канальный MOSFET для управления нагрузкой.
На практике понять разницу между токовым (NPN) и полевым (MOSFET) управлением.
Собрать схемы с потенциометром для плавной регулировки яркости светодиода.

Оборудование и материалы

Макетная плата.
Модуль питания.
Аккумуляторная батарея 9В.
1 биполярный NPN-транзистор.
1 N-канальный MOSFET.
1 светодиод (любого цвета).
1 потенциометр (10 кОм).
Резисторы: 1 кОм (для базы NPN) и 220 Ом (для светодиода).
Соединительные провода.
Мультиметр.

Ход работы

Знакомство с MOSFET-транзистором

Рассмотрите N-канальный MOSFET. У него тоже три вывода, но называются они иначе: Затвор (Gate, G), Сток (Drain, D) и Исток (Source, S). В отличие от биполярного транзистора, он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), приложенным к затвору. Это делает его гораздо более эффективным.
Эксперимент 1. Управление светодиодом через NPN-транзистор

Биполярный NPN-транзистор управляется током, который подаётся на его базу. Мы будем регулировать этот ток с помощью потенциометра.
- Соберите схему:
  - Крайний левый вывод потенциометра подключите к +5V, крайний правый — к GND.
  - Центральный вывод (ползунок) потенциометра через резистор 1 кОм соедините с Базой (B) NPN-транзистора.
  - Эмиттер (E) транзистора подключите к GND.
  - Коллектор (C) транзистора соедините с катодом (−) светодиода.
  - Анод (+) светодиода через резистор 220 Ом подключите к +5V.
- Наблюдение. Плавно вращайте ручку потенциометра. Вы увидите, как яркость светодиода меняется. Оцените её по 5-балльной шкале в разных положениях ручки.
- Измерение. С помощью мультиметра измерьте ток базы (Iб) в трёх положениях ручки: мин., сред. и макс. яркость.
- Фиксация. Занесите все наблюдения и измерения в таблицу в разделе «Результаты».
Эксперимент 2. Управление светодиодом через MOSFET

Полевой MOSFET управляется напряжением, поданным на его затвор. Он практически не потребляет ток для управления, что делает его очень эффективным.
- Разберите предыдущую схему.
- Соберите новую схему:
  - Крайний левый вывод потенциометра подключите к +5V, крайний правый — к GND.
  - Центральный вывод (ползунок) потенциометра напрямую соедините с Затвором (Gate, G) MOSFET.
  - Исток (Source, S) транзистора подключите к GND.
  - Сток (Drain, D) транзистора соедините с катодом (−) светодиода.
  - Анод (+) светодиода через резистор 220 Ом подключите к +5V.
- Наблюдение. Плавно вращайте ручку потенциометра и сравните диапазон и плавность регулировки яркости с предыдущим экспериментом.
- Измерение. С помощью мультиметра измерьте напряжение между затвором и истоком (Vgs) в трёх положениях ручки: выключен, средняя и максимальная яркость.
- Фиксация. Занесите все наблюдения и измерения в таблицу.

Результаты

Заполните таблицу на основе ваших измерений и наблюдений.

Тип транзистора	Положение потенциометра	Яркость (1-5)	Управляющий параметр (Iб, мА / Vgs, В)
NPN	Минимум
NPN	Середина
NPN	Максимум
MOSFET	Минимум
MOSFET	Середина
MOSFET	Максимум

Анализ результатов

Вы увидели, что для управления NPN-транзистором нужен управляющий ток (Iб), а для MOSFET — управляющее напряжение (Vgs).
Сравнивая яркость при максимальном положении потенциометра, вы, скорее всего, заметили, что со схемой на MOSFET светодиод горит ярче. Это связано с тем, что MOSFET имеет меньшие потери энергии.

Выводы

В этой лабораторной работе вы:

Научились использовать NPN и MOSFET транзисторы для плавной регулировки яркости светодиода.
На практике увидели фундаментальную разницу между токовым и полевым управлением.
Собрали две рабочие схемы аналогового диммера и смогли сравнить их эффективность.

Вопросы для самопроверки

Какая электрическая величина управляет биполярным транзистором? А полевым?
Почему в схеме с NPN-транзистором мы использовали резистор на 1 кОм в цепи базы?
Почему MOSFET считается более эффективным ключом, чем NPN-транзистор?
Что произойдёт, если в схеме с MOSFET поменять местами выводы Исток и Сток?
Предложите, как можно использовать фоторезистор вместо потенциометра для создания автоматического ночника.

Поздравляем! Вы освоили работу с транзисторами и готовы к созданию по-настоящему мощных систем. Теперь, когда вы изучили основы электроники, переходите к следующей главе, где мы начнём изучать язык C++, чтобы «оживить» наши схемы.