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验电器实验

作者:dolphin时间:2016-09-14

  中学学习电学的时候,往往是用古老的箔片式验电器检测电荷的存在。其原理是利用电荷的同性相斥使带电的两片箔片张开。究竟是带的是正电荷还是负电荷,区分还比较复杂。现在自己动手做一个电子验电器,当接近带电体时,它立即发出嘀声,而且接近带正电荷的物体发出红光(可以用9V积层电池验证,左手按电池负极探头接触电池正极,右手握电子验电器的电池)反之接近带负电荷的物体发出绿光。可用一把透明有机玻璃尺,用丝绸或含毛料的混纺布摩擦后,靠近电子验电器,立即发出绿光和响声,同样用一个废光盘,摩擦后靠近电子验电器,发出的是红光。拿一块新的“百洁布”裹在尺子上,摩擦纯毛衣料,“百洁布”靠近电子验电器显示红光,摩擦化纤衣料则显示绿光。有趣吧!
  
  先不忙安装,先看看用哪几个元件,各起什么作用。
  
  要用两只对静电电场敏感的晶体管,一只是NMOS管,一只是PMOS管。将NMOS管平面面  对正面,引脚向下,自左到右为SGD。
  
  PMOS管的顺序为DGS。如下图所示。


  
  MOS管如何工作的呢?在N型半导体中,可以移动的负电荷是电子,在P型半导体中,可以移动的正电荷叫空穴。NMOS源极S漏极D都是N型,中间的栅极G下是P型衬底,与源极S连在一起,P型衬底和N型漏极反向连接。NMOS的工作过程如图右示。可以这样理解:源极S,就像装满水的水箱,不过装的不是水而是电子。漏极D,就像可以流出水的水管,实际上不是流水而是流出电子形成的电流。
  
  中间栅极G,就像一个闸门。什么时间打开闸门呢?G极与SD是绝缘的,电气上不能流通,正电荷堆积在G极足够多的时候,根据静电感应原理,在G极下面会感应出负电荷,引起“N型沟道”,沟道的导电类型与S、D相同,N-N互通是显而易见的。这样闸门就打开了。反之,G极不带电或带负电,没有感应电荷,沟道不存在,闸门就关断了。
  
  对于PMOS管,原理与NMOS类似,区别在于源极装满正电荷,只有栅极带足够的负电荷时,负电荷吸引正电荷产生P型沟道,才打开闸门。
  
  还要用两只发光二极管。
  
  二极管有两个极,一个叫阳极A,里面接到以空穴为主的半导体上,称为P型半导体。另一个极叫阴极,里面接到以电子为主的半导体上,称为N型半导体。如果A极接正,源源不断的正电荷送到P型区,K极接负,源源不断的负电荷送到N型区,两种电荷在交界地方做这样的加法:
  
  (+1)+(一1)=o+能量
  
  一正一负抵消而放出能量。这样的接法,就是二极管的正向接法。
  
  反过来,如果A极接电源负,吸引P区的空穴,K极接电源正吸引N区的电子,都是向远离PN交界处的方向拉动,结果加宽了的PN区交界处的空间电荷区,空间电荷区是一个没有可移动电子也没有可移动空穴的势垒区。二极管没有电流,这就是反向接法。有的材料P区的空穴与N区的电子能量差较大,在一正一负抵消过程中以可见光形式放出能量。这就是发光二极管。不同材料做的半导体电子和空穴之间的能量差不同,发出不同频谱的光。红色光携带的能量最小,其次是黄色光,绿色光,兰光能量较大,紫光最大。现在作为指示用的发光二极管通常是红、黄、绿三种。用透明环氧树脂封装。引线长脚的是A极,短脚的是K极。
  
  仔细观察透明的发光二极管里面,有一根杆状的电极和一个碗状的电极,有一根极细的丝从杆状极顶部连到碗状极中心的芯片上,杆状的电极为A极,光是从碗状极中心的芯片上发出的,碗状极为K极。如下图所示。

  现在可以开始做了,这里有一个印刷电路板,里面已经焊好连线和一些元件。只要按下图插入左半边的4个零件和电池就能工作。


  
  NMOS管的型号是2N7000,平面对我插入,PMOS管的型号是BS250,平面对我插入.对应NMOS管的是红色发光二极管,里面是A长脚,外面是K短脚。对应PMOS管的是绿色发光二极管,里面是K短脚,外面是A长脚。接上电池就可以试了。
  
  有两种故障问题“长亮”,“不亮”要排除。1.先以解决红灯长亮问题为例分析。按开关关灯后,红灯依然亮。用一把透明有机玻璃尺,用混纺布摩擦起电后,靠近电子验电器,应该红灯灭绿灯亮。如果红灯绿灯一起亮或红灯不灭。从下图分析说明不管探头带正电或负电,NMOS管一直导通致使红灯长亮。
  
  可能是①NMOS管插反,②NMOS管击穿损坏。拔下NMOS管反过来插或换一个NMOS管,故障可能会排除。处理绿灯长亮问题与处理红灯的分析类似,实验改用废光盘摩擦起电试。

  2.不亮问题:首先要区分清是发光二极管坏还是MOS管坏。从图6分析,只要用镊子短路MOS管的D、S极,用人工形成通路代替静电感应MOS管导通,应该有亮灯现象。这时如果发光二极管仍然不亮,①可能二极管坏。在电路板最外侧有绿灯的Al和红灯的K2位置,见图5。在Al、K2之间插一个发光二极管应该亮,如果仍然不亮。二极管坏的可能进一步加大。
  
  检测发光二极管可以用数字万用表,将档位拨至HFE,发光二极管长脚A插到NPN-C孔,短脚K插到NPN-E孔。发光二极管发出特别亮的光,如不发光,反过来再试试。
  
  ②检测的好二极管而插到板上Al、K2位置不亮,用两个大头针或其他金属丝插入Al、K2,用数字万用表测应该有约3V电压。如果电压小于2V或没有电压,证明电池问题或电路板问题。
  
  ③短路MOS管的D、S极灯亮,而静电感应不起作用。检查NMOS与PMOS是否插错,或把NPN管误认为MOS管插入。
  
  现在我们让验电器发声。因为MOS管检测到静电由不导通到导通。我们耳朵不能听到一个导通的信号。就像单方向推一根琴弦,没有声音发出,要来回拨动琴弦产生振动才能发出琴声。我们把MOS管导通的信号变成1~2kHz的电振荡,我们就能听到了。按图5插入振荡器,NPN晶体管和蜂鸣器。注意NPN晶体管的型号是9014,将NPN管平面面对我,引脚向下,自左到右为EBC。如下图示。蜂鸣器有+一极,插反也能发声,效果稍差。

  已经有亮灯的基础,故障分析集中新插入的三个部分。如下图所示。

  故障检测一般从最后一级往前查起。
  
  ①短路NPN管EC极,蜂鸣器应该有嗑嘣声,如果没有,检查蜂鸣器是否损坏。可以用万用表测量其阻抗约40Ω。
  
  ②把NPN管的基极B偏离插座,只把EC极插入。用湿手握金属(如镊子、拉直的回形针等接触基极B)接触基极B,蜂鸣器有杂音,如果毫无声音,检查NPN是否插反极性。
  
  ③将导线一端接电池卡,另一端接触振荡器的信号1,2应该立即有“嘀”声,如无,检查振荡器,或更换一个试试。
  
  ④一直响个不停。而显示等没有亮。检查信号1应该2V以上,信号2应该1V以下,如果是这样,振荡器有问题,如果不是,电路板有问题,可以在信号1加接一个lOOkΩ到电池+,信号2加接一个lOOkΩ到电池(代替N、PMOS管导通)试一试,一般会找到故障。
  
  电路板可以装在手枪形外壳中。有关元件与电路图详细资料,请与杂志社联系。
  
  注意:本设计所用的MOS管G极的最大击穿电压为20V,静电达数千伏。
  
  实验时,探头不必接触而是靠近带物电体,“点亮”为止。在设计中,在电路板上已经采取安全措施,即使不慎将探头接入220V或其他带物电体,只会损坏OS管而对人身不会有伤害。



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